DCT自動變速箱發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析

張曉明 汪新云

摘? 要：本文介紹了雙離合器式自動變速箱（DCT）的工作原理，對比分析了DCT與其它自動變速箱的優(yōu)缺點。介紹了DCT變速箱的發(fā)展歷史，現(xiàn)階段國際和國內(nèi)DCT開發(fā)狀態(tài)。就傳統(tǒng)燃油車、混合動力車以及純電動整車上DCT的發(fā)展前景進(jìn)行了展望?；诂F(xiàn)有市場情況預(yù)測了國內(nèi)市場上DCT變速箱的發(fā)展趨勢。論述了DCT開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)及難點問題。指出DCT變速箱最為符合中國以手動變速箱生產(chǎn)為主的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，具有較好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：DCT;雙離合器;自動變速箱;工作原理;燃油經(jīng)濟(jì)性;趨勢分析

中圖分類號：U463.212+.1? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1005-2550（2019）03-0022-06

Abstract： Introduce the principle of dual clutch transmission. Analyze the advantage and disadvantage between DCT and other automatic transmission. Introduce the development history， current status of DCT within global and domestic. Point out the development trend of DCT in traditional vehicle， hybrid vehicle and pure electric vehicle. Estimate the volume of DCT in future based on current application status. Conclusion is that there is broader space for DCT development in China as it is more coincide with the situation of the transmission industry in our country.

Key Words： DCT; Dual clutch; Automatic Transmission; Work Principle; Fuel Economy; Trend analysis

引言

雙離合器式自動變速箱（Dual Clutch Transmission，簡稱DCT）是基于平行軸式手動變速箱的動力傳遞原理創(chuàng)新開發(fā)而來。創(chuàng)新性的將變速箱的奇數(shù)擋和偶數(shù)擋分別布置在與兩個離合器所聯(lián)接的兩根輸入軸上。擋位切換是通過精確控制兩個離合器的分離與結(jié)合，進(jìn)而完成扭矩傳遞路徑的切換來實現(xiàn)的。得益于高效的齒輪傳動和獨特的換擋原理，DCT變速箱具有傳動效率高、換擋動力連續(xù)、換擋舒適性好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。非常適合我國以手動變速箱生產(chǎn)設(shè)施為主的基本國情。DCT變速箱自問世以來，經(jīng)過不斷改進(jìn)升級以及相關(guān)技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)品性能得到了全面提升。因此，越來越多的車企投入到DCT的開發(fā)當(dāng)中并陸續(xù)有新產(chǎn)品問世。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測，DCT變速箱的市場份額在未來5到8年內(nèi)會得到進(jìn)一步提高。特別是在自主品牌市場中，DCT應(yīng)用會更加廣泛，市場占有率將會進(jìn)一步提高。

1? ? DCT變速箱工作原理及特點分析

1.1? ?DCT的工作原理

圖1所示為一個典型的6速、雙中間軸的DCT結(jié)構(gòu)原理示意圖[1] 。為了實現(xiàn)動力換擋，將奇數(shù)擋（1、3、5擋與倒擋）與離合器C1相連。偶數(shù)擋（2、4和6擋）與離合器C2相連。C2的輸出軸為一個實心軸，C1的輸出軸為套在C2實心輸出軸外的一個空心軸。從結(jié)構(gòu)上看DCT由2個彼此獨立的齒輪傳動裝置組成，每個傳動裝置的功能和手動變速箱相同，且均配置一個離合器。正常行駛過程中始終有一套傳動齒輪用于傳遞動力，而另外一套傳動齒輪則根據(jù)換擋規(guī)律預(yù)先掛入下一個即將工作的擋位。

1.2? ?DCT換擋過程分析

以1擋升2擋為例對DCT換擋過程進(jìn)行分析。其它擋位的切換過程與此類似。當(dāng)車輛運(yùn)行于1擋時，離合器C1處于結(jié)合狀態(tài)，傳遞發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩。離合器C2處于分離狀態(tài)而不傳遞轉(zhuǎn)矩。當(dāng)車輛逐漸加速至2擋換擋點前的某一速度時，用于控制2、4擋的同步器SYN42動作，預(yù)先掛上2擋。因為此時離合器C2尚處于分離狀態(tài)而不傳遞轉(zhuǎn)矩，因此車輛仍以1擋行駛。當(dāng)車輛速度達(dá)到換擋點速度時，離合器C1逐漸分離，C2逐漸結(jié)合，最終完成換擋過程。因為同步器掛擋動作發(fā)生在換擋操作之前完成，因此同步器的動作對于換擋品質(zhì)幾乎沒有任何影響[2]。

1.3? ?DCT變速箱的特點分析

目前市場上最為常見的自動變速箱有如下幾種：

（1）液力變矩器式自動變速箱（AT）。AT變速箱受限于整體效率較低的緣故，整車燃油經(jīng)濟(jì)性相對較差，但是換擋舒適性和可靠性較佳。從早期的4速AT逐漸發(fā)展到6速，甚至8速和9速，一定程度上提高了整車燃油經(jīng)濟(jì)性并進(jìn)一步提高了換擋舒適性。

（2）無級自動變速箱（CVT）。CVT通過鋼帶或鋼鏈可以實現(xiàn)速比的連續(xù)切換，消除了有級式自動變速箱換擋過程帶來的換擋沖擊，從而帶來極佳的換擋舒適性。與此同時，通過速比連續(xù)變換可以確保發(fā)動機(jī)工作在高效區(qū)間，更好的平衡了整車燃油經(jīng)濟(jì)性。

（3）機(jī)械式自動變速箱（AMT）?；趥鹘y(tǒng)手動變速箱加裝自動換擋機(jī)構(gòu)和自動離合器操縱機(jī)構(gòu)實現(xiàn)自動換擋功能，降低了駕駛員的勞動強(qiáng)度，且保持了和MT一樣的燃油經(jīng)濟(jì)性。但是換擋舒適性較差。

（4）雙離合器式自動變速箱（DCT）。DCT可以看作是2個AMT協(xié)同工作，因此，保留了AMT優(yōu)點的同時，也極大的提高了換擋舒適性[3]。DCT變速箱按照離合器種類不同，可以分為兩大類：干式DCT和濕式DCT。干式DCT效率較高[4]，濕式DCT則更加穩(wěn)定可靠。

基于對不同自動變速箱的原理分析以及實際整車測評，在換擋舒適度和燃油經(jīng)濟(jì)性方面，各種變速箱表現(xiàn)如圖2所示。

而如果從變速箱的性能、開發(fā)難度、成本等方面進(jìn)行比較[5]，總體情況如表1所示。

2? ? DCT變速箱的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

2.1? ?DCT變速箱的發(fā)展歷史

燃油經(jīng)濟(jì)性方面的表現(xiàn)

DCT的發(fā)展歷史可以分為如下三個主要階段：

（1）概念設(shè)計階段。1940年，Darmstadt大學(xué)教授Rudolph Franke第一個申請了雙離合器變速箱專利。曾基于卡車搭載該變速箱樣機(jī)進(jìn)行過相關(guān)試驗，但是最終沒有實現(xiàn)量產(chǎn)。

（2）少量應(yīng)用階段。1985年，奧迪將雙離合器技術(shù)應(yīng)用于賽車上，當(dāng)時被命名為“Audi Sport Quattro S1賽車配合雙離合器技術(shù)”。得益于雙離合器的快速換擋，使得當(dāng)時奧迪賽車獲得多項賽事的勝利。同年，保時捷公司也將雙離合器（Porsche Doppel Kupplungen，簡稱PDK）技術(shù)應(yīng)用在跑車上。

（3）廣泛應(yīng)用階段。到了20世紀(jì)90年代末期，大眾和博格華納合作開發(fā)并生產(chǎn)第一個適用于批量生產(chǎn)的DualTronic（R） 雙離合變速箱。博格華納通過使用新的電子液壓元件使DCT得以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2002年，DCT應(yīng)用在大眾高爾夫R32和奧迪TT V6上。2003年開始，DCT變速箱相繼被推廣到高爾夫等其他車型上。2007年底，匹配DCT的轎車在全球范圍已經(jīng)超過100萬輛。DCT變速箱得到廣泛應(yīng)用。

2.2? ?全球DCT變速箱的發(fā)展現(xiàn)狀

自從2002年以來，DCT變速箱在乘用車上得到了迅速推廣。廣泛應(yīng)用階段也經(jīng)歷過三次大的技術(shù)革新。

第一代，主要代表產(chǎn)品是大眾公司的DQ250和德國格特拉克公司的DCT450等產(chǎn)品，分別應(yīng)用在大眾高爾夫和福特蒙迪歐等車型上。這一代DCT變速箱的顯著缺點就是變速箱整體效率較低，攪油損失較高。同時，不能按需控制的機(jī)械泵也加大了發(fā)動機(jī)的負(fù)載，影響了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

第二代DCT產(chǎn)品，為提高效率，降低整車油耗，具有二個顯著變化點。

（1）由干式離合器代替了效率較低的濕式離合器。

（2）由電子油泵代替了由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的機(jī)械油泵。

上述兩項改進(jìn)措施提高了變速箱傳動效率。電子油泵的應(yīng)用，也可更好的支持發(fā)動機(jī)自動起停功能，進(jìn)一步降低了整車油耗。2008年初，大眾在高爾車上搭載采用干式雙離合器技術(shù)的第二代DCT。同期，福特汽車也發(fā)布了與德國格特拉克公司合作開發(fā)的新型DCT變速箱，即Powershift變速箱。然而，在提高了變速箱傳遞效率和整車燃油經(jīng)濟(jì)性的同時，干式雙離合器容易過熱的問題開始凸顯。離合器過熱會帶來車輛行駛有頓挫感，甚至?xí)?dǎo)致TCU控制離合器完全分離，整車失去行駛動力。為解決上述問題，第三代DCT產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。

第三代DCT為了改進(jìn)上一代離合器容易過熱問題，將干式離合器重新?lián)Q裝為濕式離合器。但相比第一代DCT則有了更多的關(guān)于提高燃油經(jīng)濟(jì)性方面的設(shè)計改進(jìn)。比如，離合器潤滑系統(tǒng)根據(jù)油溫反饋進(jìn)行的實時閉環(huán)控制，做到按需潤滑，從而最大限度的降低離合器的拖拽損失和油泵機(jī)械損失。同時，依然保留了第二代產(chǎn)品的電子油泵。而在一些大扭矩變速箱上，為了進(jìn)一步降低功耗，還采取了機(jī)械泵和電子泵雙泵設(shè)計。通過優(yōu)化變速箱內(nèi)部軸齒潤滑系統(tǒng)，減少了變速箱油的加注量，降低了攪油損失。這一代DCT則有更多代表產(chǎn)品，比如大眾公司DQ380，格特拉克公司的7DCT300，6DCT150，奔馳公司的7G-DCT等。

三代DCT產(chǎn)品特點如表2所示：

2.3? ?中國DCT變速箱發(fā)展現(xiàn)狀

隨著大眾將DCT變速箱引入中國并成功推廣，國內(nèi)多家自主品牌車企也相繼投入到DCT開發(fā)之中。

以上汽為主開發(fā)的DCT360于2014年成功應(yīng)用在榮威等車型上并順利投放市場。一汽自主開發(fā)的7速DCT也應(yīng)用于紅旗車型。2012年東風(fēng)集團(tuán)與格特拉克公司聯(lián)合研發(fā)生產(chǎn)小扭矩濕式DCT150。吉利曾經(jīng)在2009年的上海車展上首次展示了自主開發(fā)的7速DCT。最新上市的博瑞GE等車型也配置了DCT變速箱。比亞迪相繼開發(fā)了傳統(tǒng)DCT以及混動DCT并應(yīng)用在旗下多款車型上。廣汽、江淮、奇瑞等均有相應(yīng)的自主開發(fā)DCT產(chǎn)品問世。

3? ? DCT變速箱的發(fā)展趨勢

縱觀DCT變速箱的發(fā)展歷史，每一代產(chǎn)品技術(shù)的改進(jìn)升級都是圍繞著提高產(chǎn)品可靠性、效率、換擋舒適性，降低重量、體積和成本這幾個方面進(jìn)行。發(fā)展至今，DCT變速箱已經(jīng)達(dá)到可以媲美AT自動變速箱的換擋舒適性的同時，極大的提高了整車燃油經(jīng)濟(jì)性。通過對工信部公告油耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，證明匹配DCT變速箱相比AT變速箱，整體燃油經(jīng)濟(jì)性提高6%左右。

3.1? ?DCT變速箱市場份額預(yù)測

根據(jù)IHS相關(guān)數(shù)據(jù)，合資品牌的緊湊型、小型車中，2017年DCT變速箱在自動變速箱車型中所占比例大概為33%，到2025年，這一比例將逐步提升到55%左右。

而對于國內(nèi)自主品牌車企來說，正如前文所述，DCT變速箱更適合中國的變速箱產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，因此，DCT變速箱的應(yīng)用比例會得到較大的提高。2017年，在自動變速箱車型中DCT所占比例大概為40%，而到了2025年則將會提高到70%左右。

3.2? ?DCT變速箱技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著技術(shù)進(jìn)步和消費(fèi)者要求的提高，DCT變速箱在如下方面將會有進(jìn)一步的發(fā)展和進(jìn)步：

（1）NVH性能進(jìn)一步提高：通過硬件設(shè)計優(yōu)化及軟件控制邏輯的優(yōu)化，提高變速箱的NVH水平，主要體現(xiàn)在降低換擋過程撥叉噪音，降低松踩油門過程中的齒輪敲擊聲音等，帶給乘客更加舒適的體驗。

（2）控制系統(tǒng)智能化：通過控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能，針對車輛狀況的變化及時進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，提高駕駛體驗;通過優(yōu)化變速箱起步策略，降低起步過程中抖動水平。充分考慮油門變化率、坡度、車重等其它信息，優(yōu)化換擋規(guī)律，避免不必要的升降檔等。

（3）機(jī)械部件電子化：越來越多的機(jī)械零部件被電子元器件取代，比如變速箱內(nèi)置的線控?fù)Q擋ETRS等。

（4）系統(tǒng)高度集成化：傳感器、控制器、電磁閥等零部件逐漸高度集成為一體，提高可靠性，減少體積和成本;電機(jī)作為驅(qū)動單元之一與變速箱高度一體化將會大大提高整個驅(qū)動系統(tǒng)的效率，從而實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)輕量化和小型化。

3.3? ?DCT變速箱在混合動力車型上的發(fā)展趨勢

隨著國家對于排放要求的日趨提高以及油耗雙積分政策的實施，各種形式的混合動力技術(shù)逐步推廣。DCT變速箱本身具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性這一先天優(yōu)勢。因此，基于DCT變速箱的混合動力技術(shù)層出不窮。比如48v微混系統(tǒng)的P0布置方案，與變速箱結(jié)合一體的P2、P2.5等中混和強(qiáng)混布置方案。綜合成本、體積、油耗改進(jìn)效果等多方面因素綜合考慮，與變速箱集成一體的P2和P2.5方案成為自主開發(fā)車型的主流方案之一。而專用混合動力開發(fā)的DCT變速箱則成為下一代DCT產(chǎn)品的熱點之一。

3.4? ?DCT變速箱在純電動汽車上的發(fā)展趨勢

純電動汽車則作為國家能源戰(zhàn)略的重要一環(huán)，則是近期的發(fā)展重點之一。通常來說，采用電機(jī)作為驅(qū)動源的汽車，為了提高車輛續(xù)航里程，減少驅(qū)動電機(jī)的體積和重量，2級變速箱將會扮演不可或缺的角色?；贒CT原理開發(fā)的2檔變速箱，只需要通過離合器的切換就可實現(xiàn)2個檔位，不需要執(zhí)行同步器的掛檔等操作，可以有效平衡換擋舒適性和加速動力性，從而實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)整體性能提升。

4? ?DCT變速箱產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)與難點

盡管DCT變速箱從本質(zhì)上具有傳動效率高、換擋速度快等先天優(yōu)勢，然而，在產(chǎn)品開發(fā)實踐中，仍然存在許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，同時也面臨著一些開發(fā)難點。

4.1? ?DCT變速箱開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

（1）雙離合器模塊的開發(fā)：濕式雙離合器主要由博格華納等少數(shù)全球供應(yīng)商開發(fā)提供。干式雙離合器核心技術(shù)也主要掌握在舍弗勒和法雷奧等少數(shù)供應(yīng)商手中。雙離合器模塊作為DCT變速箱的重要組成部分，很大程度上決定了DCT的性能和耐久。國內(nèi)在該領(lǐng)域的自主開發(fā)亟需突破。

（2）DCT起步控制策略[6]：裝有DCT車輛的起步是靠離合器主從動片的滑磨直至同步而實現(xiàn)車輛的起步過程的。通過優(yōu)化離合器的動力學(xué)模型、完善離合器結(jié)合的控制策略及提高離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的跟蹤品質(zhì)，是提高車輛起步性能的主要途徑。

（3）智能換擋規(guī)律的制定：DCT變速箱由于存在預(yù)選擋的概念，因此，基于兩參數(shù)換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上，考慮油門踏板變化率以及車重、道路坡度等信息對換擋規(guī)律，包括預(yù)選擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，避免頻繁的意外的升降擋動作，從而提高整車NVH表現(xiàn)和換擋舒適性，提高換擋機(jī)構(gòu)的壽命。

4.2? ?DCT變速箱產(chǎn)品開發(fā)的難點

（1）DCT變速箱的NVH優(yōu)化

基于齒輪傳遞運(yùn)動和動力，通過換擋撥叉推動同步器換擋等這樣的基本原理，在帶來傳遞高效的同時，也帶來了齒輪嘯叫、換擋撥叉噪音和齒輪敲擊等NVH問題。通過提高齒輪制造精度、降低齒輪傳遞誤差、降低齒側(cè)間隙、優(yōu)化換擋撥叉控制和離合器扭矩控制等方式，可以顯著改進(jìn)這些NVH表現(xiàn)，提升客戶滿意度。

（2）DCT主動熱管理技術(shù)

無論是干式離合器還是濕式離合器，都需要開發(fā)出一個高效的熱管理系統(tǒng)。相比干式離合器，濕式離合器可以有效改善離合器的抗熱負(fù)荷能力，是將來DCT產(chǎn)品的主要發(fā)展趨勢。但為了最大限度提高變速箱效率，則需要對離合器的熱管理做到按時、按需定量冷卻潤滑。

（3）DCT系統(tǒng)診斷策略的優(yōu)化

系統(tǒng)的復(fù)雜程度越高，對相關(guān)零部件的可靠性要求也越高。準(zhǔn)確且合理的故障診斷策略開發(fā)，可以避免因為錯誤診斷導(dǎo)致變速箱中斷動力的情況發(fā)生。同時開發(fā)合理的跛行策略，確保變速箱最大限度實現(xiàn)基本功能，提高用戶滿意度。

5? ?結(jié)論

本文基于DCT變速箱的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點，DCT的發(fā)展歷史，預(yù)測了DCT的發(fā)展趨勢，得出如下結(jié)論：

（1）DCT變速箱是手動變速箱的基本原理，創(chuàng)新開發(fā)而來，因而具有傳動效率高、可靠性高等優(yōu)點。通過雙離合器傳遞動力的切換，實現(xiàn)了動力不間斷換檔。同時具備較好的動力性和舒適性。綜合了手動變速箱和自動變速箱的優(yōu)點于一身，發(fā)展前景較廣闊。

（2）DCT的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分同AMT類似，開發(fā)難度相對較低。難點在于控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計。尤其是換擋邏輯的制定和離合器的控制策略。因此，開發(fā)初期，特別是軟件開發(fā)方面投資較大。但是批量生產(chǎn)以后，物料成本將低于AT和CVT，綜合成本較低。

（3）DCT可以充分利用現(xiàn)有的手動擋變速箱生產(chǎn)線和加工制造經(jīng)驗，供應(yīng)鏈和制造體系繼承性好，在國內(nèi)具有較好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。

（4）國內(nèi)企業(yè)在自主開發(fā)DCT的過程中，除了專注于匹配純?nèi)加蛙嚨漠a(chǎn)品開發(fā)之外，還應(yīng)做好模塊化開發(fā)和DCT產(chǎn)品平臺化規(guī)劃。通過產(chǎn)品模塊化開發(fā)，達(dá)到涵蓋傳統(tǒng)、混動以及純電動等不同車型的應(yīng)用需求并最大限度的降低研發(fā)投入、物料成本和開發(fā)周期。同時，需要針對DCT核心零部件技術(shù)進(jìn)行研發(fā)突破，打破壟斷，如雙離合器、控制模塊等。

參考文獻(xiàn)：

[1]Manish Kulkarni， Taehyun Shim， Yi Zhang. Shift dynamics and control of dual-clutch transmissions. Mechanism and Machine Theory[J].（2007）168-182.

[2]荊崇波，苑士華，郭曉林.雙離合器自動變速箱及其應(yīng)用前景分析[J].機(jī)械傳動.2005（3）.

[3]Robert Fischer， Georg Schneider. The XSG Famliy. 7th Luk symposium， 2002（11-12）.

[4] Reinhard B， Rolf M， Carsten B. The parallel shift gearbox PSG twin clutch gearbox with dry clutches[M]. German：LuK GmbH&Co， 2002.

[5]吳光強(qiáng)，孫賢安.汽車自動變速箱發(fā)展綜述[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報.2010 Vol.38 No.10.

[6]吳光強(qiáng)，楊偉斌，秦大同.雙離合器式自動變速箱控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報.2007（2）.