平行軸式變速器的先進(jìn)技術(shù)

【日】　中澤智一

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平行軸式變速器的先進(jìn)技術(shù)

【日】中澤智一

在裝備了多個(gè)齒輪組的輸入軸與輸出軸這兩根平行軸構(gòu)成的裝置基礎(chǔ)上，開發(fā)的雙離合變速器相比機(jī)械式變速器，可提高車輛的行駛安全性，降低燃油耗，并在車輛變速時(shí)維持扭矩水平。以雙離合變速器為主，介紹平行軸式變速器的先進(jìn)技術(shù)，著重論述了變速控制機(jī)構(gòu)、軟件及應(yīng)用的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

雙離合變速器平行軸式變速器離合器控制機(jī)構(gòu)

0　前言

車用變速器基本是由裝備了多個(gè)齒輪組的輸入軸與輸出軸2根平行軸構(gòu)成的裝置。在這一基本機(jī)構(gòu)中，附加手動(dòng)變速機(jī)構(gòu)的手動(dòng)變速器(MT)已被利用至今。近年來，在這種變速機(jī)構(gòu)中設(shè)置多個(gè)自動(dòng)控制的離合器及同步器，從而同時(shí)具備MT與自動(dòng)變速器(AT)優(yōu)點(diǎn)的變速裝置已開始進(jìn)入市場，即所謂的“雙離合變速器(DCT)”，其應(yīng)用范圍已開始逐步擴(kuò)大。這種離合器一開始是出現(xiàn)在MT占據(jù)主要份額的歐洲汽車市場。在日本的汽車市場，DCT最初的主要目標(biāo)用戶群是偏愛操控靈活性的汽車消費(fèi)者，但現(xiàn)在也開始逐漸用于商用車及混合動(dòng)力車。

本文以DCT為主，介紹平行軸式變速器的相關(guān)先進(jìn)技術(shù)。

1　DCT的特點(diǎn)與發(fā)展歷史

自汽車問世以來，平行軸式變速器都是以MT的形式長期存在。有級(jí)式AT及無級(jí)變速器(CVT)等自動(dòng)變速器也在近幾年得到普及。尤其是在北美及日本的汽車市場，AT及CVT已成為主流，占據(jù)了變速器市場的大部分份額。在這樣的背景下，使平行軸式變速器的變速控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的DCT，被認(rèn)為是在2000年之后開始量產(chǎn)并配裝車輛的新技術(shù)。

與CVT相比，DCT的特點(diǎn)是用齒輪直接傳遞動(dòng)力，即便是與使用行星齒輪的普通AT相比，DCT也能以較少的嚙合次數(shù)設(shè)定變速檔位。在此基礎(chǔ)上，在DCT中，只有1組形成拖曳阻力的離合器，因此其傳動(dòng)效率更高。另外，相比因同樣原因而傳動(dòng)效率較高的MT而言，DCT分別在奇數(shù)檔與偶數(shù)檔配置了離合器，通過適當(dāng)?shù)乜刂撇⑶袚Q離合器來實(shí)現(xiàn)換檔，從而能夠在切換離合器時(shí)不斷開動(dòng)力，也就是在車輛變速時(shí)不中斷扭矩輸出。

下文將簡單介紹一下DCT的發(fā)展歷史。傳動(dòng)效率優(yōu)異，并且在不中斷扭矩輸出的條件下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速的DCT最初在20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行試驗(yàn)性研發(fā)。最初配裝于乘用車的量產(chǎn)型DCT是2003年由德國生產(chǎn)商開發(fā)的6檔DCT[1]，具有250N·m 的容許扭矩。之后，日本[2]、意大利[3]等國的生產(chǎn)商也陸續(xù)開發(fā)了DCT產(chǎn)品(圖1)。上述DCT產(chǎn)品經(jīng)不斷地改進(jìn)和提高容許扭矩，并通過采用干式離合器等措施，變速裝置的結(jié)構(gòu)變得更為簡單，配裝的車型范圍也不斷擴(kuò)展，最終向7檔等多級(jí)變速的方向發(fā)展。同時(shí)，為了將DCT應(yīng)用于商用車，2010年日本的重型商用車(公交客車、貨車)制造商成功開發(fā)出自有品牌的6檔DCT產(chǎn)品[4]。此外，對(duì)于配裝于混合動(dòng)力車的系統(tǒng)集成，2012年以后，配裝于商用車及乘用車的“DCT+混合動(dòng)力”系統(tǒng)正式進(jìn)入市場。不僅實(shí)現(xiàn)了MT的自動(dòng)化，而且充分利

圖1　意大利生產(chǎn)商的DCT[4]

用DCT動(dòng)力傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，這一新產(chǎn)品的發(fā)展呈現(xiàn)出不斷進(jìn)化的趨勢(shì)(表1)。

表1　量產(chǎn)DCT的車輛配裝時(shí)期(乘用車和商用車)

2　DCT的結(jié)構(gòu)

以德國生產(chǎn)商開發(fā)的DCT產(chǎn)品為例，其結(jié)構(gòu)是將輸入軸分為偶數(shù)檔和奇數(shù)檔各1組，共配置2組離合器。DCT由操控偶數(shù)檔和奇數(shù)檔的離合器分離機(jī)構(gòu)(液壓或電動(dòng))，以及在偶數(shù)檔選擇2檔、4檔或6檔的同步裝置和變速機(jī)構(gòu)用執(zhí)行器構(gòu)成。變速及離合器控制則由控制單元(TCU)完成。圖2示出了各軸的結(jié)構(gòu)[5]。

圖2　德國生產(chǎn)商開發(fā)的DCT結(jié)構(gòu)[5]

2.1雙離合器

DCT最大的特征就是在變速器中有2組離合器。通過適當(dāng)控制離合器的切換，同時(shí)進(jìn)行奇數(shù)檔分離和偶數(shù)檔的接合，在車輛變速時(shí)維持扭矩水平。如圖3所示，這種離合器可分為濕式離合器和干式離合器2種。要根據(jù)車輛的設(shè)計(jì)意圖及用戶需求來選擇使用哪種類型的離合器。圖4示出了根據(jù)適用車輛的功率及離合器容量進(jìn)行開發(fā)的實(shí)例[6]。下文將分別介紹2種類型的離合器特性及選擇基準(zhǔn)。

圖3　干式離合器(左)和濕式離合器(右)[7]

圖4　離合器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)舉例[7]

2.1.1濕式離合器

最初實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的DCT采用的是濕式離合器。濕式離合器的特點(diǎn)是利用潤滑油潤滑離合器片，其冷卻性能和耐磨損性較為優(yōu)異?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，濕式離合器的耐久性更好，并且能滿足高扭矩容量的要求。另一方面，由于必須配備用于供給潤滑油的油泵等液壓回路，所以相比干式離合器，濕式離合器的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

2.1.2干式離合器

在2007年，使用干式離合器的DCT實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)[5]。干式離合器與濕式離合器相比，其結(jié)構(gòu)更為簡單，由于不使用潤滑油，其效率更高。但從耐磨損性及冷卻性能方面來看，因?yàn)椴捎玫氖强諝饫鋮s方式，所以基本上是無法期待其具有潤滑油的效果。因此，要求在干式離合器的設(shè)計(jì)及控制技術(shù)方面作進(jìn)一步的優(yōu)化，以便使其與濕式離合器一樣，能在車輛的整個(gè)使用壽命期內(nèi)無須更換部件。如圖5所示，對(duì)于耐磨損性方面的設(shè)計(jì)改進(jìn)是基于離合器的磨損，采用能調(diào)整離合器片位置的機(jī)構(gòu)[7]。而對(duì)于冷卻性能，則在高溫條件下必須設(shè)定離合器滑移控制的極限值。

2.1.3離合器種類的選擇基準(zhǔn)

DCT中使用干式離合器或是濕式離合器，其選擇的基準(zhǔn)大致如下： 扭矩250N·m以下的車輛基本是采用干式離合器；扭矩超過250N·m的車輛基本是采用濕式離合器。

圖5　干式離合器與濕式離合器的應(yīng)用實(shí)例

2.2變速控制機(jī)構(gòu)

2組離合器分別具備奇數(shù)檔離合器和偶數(shù)檔離合器的功能。變速檔位的選擇由各軸上的自動(dòng)同步機(jī)構(gòu)確定。一組離合器接合時(shí)，另一組離合器的變速機(jī)構(gòu)介由同步機(jī)構(gòu)嚙合齒輪，處于離合器接合的待機(jī)狀態(tài)。

例如，車輛從停車狀態(tài)起步并加速時(shí)，通過同步機(jī)構(gòu)，使1檔相對(duì)于離合器輸入軸處于接合狀態(tài)，通過接合奇數(shù)檔離合器，傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。此時(shí)，偶數(shù)檔離合器雖處于分離狀態(tài)，但2檔齒輪完成同步操作，處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)車速加快變速為2檔時(shí)，在奇數(shù)檔離合器斷開的同時(shí)，偶數(shù)檔離合器接合。由于此時(shí)2檔已處于接合狀態(tài)，在離合器切換的時(shí)刻就已完成換檔，因此，相比傳統(tǒng)的有級(jí)式變速器，使用DCT后，車輛變速時(shí)失去驅(qū)動(dòng)扭矩的時(shí)間被大幅縮短。這樣在將DCT配裝于賽車時(shí)，有望大幅提高車輛的加速性能。另外，計(jì)算機(jī)基于車速及駕駛者的操作狀態(tài)，對(duì)換檔提速或降速進(jìn)行自學(xué)習(xí)和判斷。

在DCT使用濕式離合器的情況下，為完成換檔操作，離合器控制機(jī)構(gòu)及變速控制機(jī)構(gòu)綜合了圖6和圖7所示液壓回路與控制單元，并實(shí)現(xiàn)了模塊化裝配[5]。另外，在使用干式離合器的DCT中，則能充分發(fā)揮不使用潤滑油的優(yōu)勢(shì)(圖8)，采用電動(dòng)的離合器控制執(zhí)行器[7]。

圖6　變速器控制模塊實(shí)例[5]

圖7　變速器控制模塊的系統(tǒng)示意圖[5]

圖8　采用電動(dòng)離合器執(zhí)行器的干式雙離合器[7]

3　軟件

為了利用雙離合器實(shí)現(xiàn)在車輛變速時(shí)不中斷扭矩輸出的功能，除機(jī)械及機(jī)電一體化零件外，控制軟件在DCT中也占據(jù)重要地位。圖9示出了構(gòu)建DCT軟件的實(shí)例[5]。在圖9中，作為軟件的組成部分，離合器及變速機(jī)構(gòu)的執(zhí)行、液壓回路的控制，以及與車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)的接口都已被模塊化。將各項(xiàng)基本任務(wù)模塊化的目的是，通過使各項(xiàng)功能的基本程序?qū)崿F(xiàn)通用化，在改動(dòng)規(guī)格及追加其他功能時(shí)，核心程序能實(shí)現(xiàn)通用化，由此確保要求的安全功能。

圖9　DCT軟件的組成功能模塊[5]

此外，為了在車輛變速時(shí)維持扭矩水平，避免因起步或變速時(shí)導(dǎo)致的沖擊感，同時(shí)選擇最佳的齒輪組，必須恰當(dāng)?shù)貙?shí)行控制程序。因此，首先要將發(fā)動(dòng)機(jī)、車輛及駕駛者的操控等狀況作為信號(hào)輸入。并且，為了使操縱機(jī)構(gòu)的執(zhí)行器及液壓控制系統(tǒng)正常工作，必須基于變速邏輯準(zhǔn)確地輸出信號(hào)。

DCT離合器控制方面的課題主要是必須考慮到減輕用戶的不適感及堵車時(shí)的負(fù)擔(dān)，尤其是之前駕駛有級(jí)式AT車輛的用戶。另外，對(duì)于在DCT問世初期所不具備的蠕滑力，也必須實(shí)施離合器滑動(dòng)控制，并應(yīng)對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的急劇變化采取相應(yīng)對(duì)策，同時(shí)還必須考慮到發(fā)生故障或出現(xiàn)異常時(shí)的安全性能。此外，為降低燃油耗，必須與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以及與混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行匹配等，不僅要具備離合器與變速控制技術(shù)，還要求針對(duì)各種條件進(jìn)行優(yōu)化。為此，變速器的軟件開發(fā)更加趨向于復(fù)雜化，開發(fā)過程中的規(guī)格設(shè)定及驗(yàn)證已變得極為重要。

4　混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用

DCT與混合動(dòng)力系統(tǒng)的組合最初是在商用車上實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的。2012年5月，日本的商用車制造商將配裝內(nèi)置混合動(dòng)力專用電動(dòng)機(jī)的DCT車輛推向了市場(圖10)[8]。

圖10　商用車混合動(dòng)力電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于DCT中[8]

在乘用車中，2012年11月，德國的汽車制造商開始銷售配裝了7檔DCT與混合動(dòng)力系統(tǒng)的車輛[9]。

2013年9月，日本的汽車制造商開始銷售內(nèi)置混合動(dòng)力專用電動(dòng)機(jī)的DCT，該產(chǎn)品采用的是干式離合器[10]。

5　今后的發(fā)展趨勢(shì)

新一代的變速器是在MT基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，雖然產(chǎn)品本身已具備較高的效率，但為了進(jìn)一步滿足不斷升高的燃油經(jīng)濟(jì)性要求，必須進(jìn)一步提高效率。2014年開始市售的德國生產(chǎn)商推出的立式7檔DCT，就是以進(jìn)一步提高效率為目標(biāo)開發(fā)的，力求在降低振動(dòng)的同時(shí)減少液壓損耗，最終實(shí)現(xiàn)了變速效率約95%的目標(biāo)。此外，為了兼顧舒適性，也為了能應(yīng)用于混合動(dòng)力車，DCT系統(tǒng)呈現(xiàn)逐漸復(fù)雜化的趨勢(shì)。同時(shí)，對(duì)于降低成本的要求也未放松。今后，各生產(chǎn)商應(yīng)致力于在零部件通用化、模塊化，以及機(jī)構(gòu)簡單化方面下功夫，進(jìn)一步開發(fā)符合各種要求的DCT產(chǎn)品。

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