雙離合液力機(jī)械變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李永剛

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島 266000）

0 引言

與液力變矩器相比，雙離合式自動變速器（Dual Clutch Transmission，GCT）屬于機(jī)械傳動的范疇。GCT 的工作是由計(jì)算機(jī)控制，在升擋和降擋的過程中，計(jì)算機(jī)主要根據(jù)發(fā)動機(jī)的節(jié)氣門開度和汽車的行駛速度來控制變速器的升擋和降擋。本文根據(jù)目前部分采用GCT 的轎車，在低速區(qū)和滿負(fù)荷工況出現(xiàn)的頓挫、反映遲鈍的問題，研究了一種新型雙離合液力機(jī)械變速傳動裝置（Double Clutch-hydro Mechanical Transmissio，DCMT）。DCMT 由電液控制單元（Electronic Control Unit，ECU）來控制，研究表明，采用DCMT 可有效避免汽車在低速區(qū)和滿負(fù)荷工況的打滑現(xiàn)象。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

DCMT 有兩種傳動機(jī)構(gòu)，分別是機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)和液力傳動機(jī)構(gòu)[1]。圖1 的左側(cè)是機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，發(fā)動的曲軸1 與機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的殼體通過螺栓連接，機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的殼體內(nèi)有兩套裝置分別是雙離合器和液力變矩器，雙離合器部分主要由兩套離合器和兩根軸組成，離合器主要由鋼片和摩擦片組成，鋼片外圈呈非均布花鍵形狀（即外花鍵），鋼片內(nèi)圈呈光壁狀。鋼片與機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)殼體內(nèi)表面的內(nèi)花鍵互相嚙合，摩擦片的內(nèi)圈圓周均布花鍵，外圈呈光壁狀。摩擦片與變速器輸入軸1 通過花鍵連接，變速器輸入軸1 的右端與變速器1 擋齒輪、3 擋齒輪嚙合和5 擋齒輪通過花鍵連接。離合器C2 同樣也是由一組鋼片和一組摩擦片組成，鋼片與機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的殼體通過花鍵連接，摩擦片與輸入軸2 通過花鍵連接，輸入軸2 的右端與變速器二擋和四擋齒輪通過花鍵連接在一起。

圖1 雙離合液力機(jī)械變速器工作原理

機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的殼體內(nèi)部除了有一套雙離合器還有一套液力傳動裝置，該裝置與普通液力變矩器結(jié)構(gòu)相似，由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪組成[2]。泵輪與機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的殼體焊接在一起，渦輪與泵輪之間間隔3～4 mm 的距離，渦輪中心處與輸入軸2 通過內(nèi)外花鍵連接，曲軸驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪帶動泵輪等速同向旋轉(zhuǎn)，泵輪內(nèi)部的液力傳動油由泵輪內(nèi)緣向外緣流動，流動的液力傳動油作用在渦輪的外緣。渦輪外緣不斷的受到液力傳動油的沖擊，當(dāng)這個(gè)沖擊力克服渦輪及渦輪后傳動零部件的阻力時(shí)，渦輪開始旋轉(zhuǎn)，并將來自泵輪的旋轉(zhuǎn)力矩傳給變速機(jī)構(gòu)的輸入軸2。變速機(jī)構(gòu)的另外一個(gè)輸入軸1 與輸入軸2 的軸線重合，間隙配合。

1.2 設(shè)計(jì)方案

DCMT 采用Solidworks 軟件設(shè)計(jì)，在建立虛擬DCMT 樣機(jī)模型時(shí)，需要考慮以下6 個(gè)因素：①機(jī)械傳動與液力傳動之間不能出現(xiàn)運(yùn)動干涉；②為了使DCMT 結(jié)構(gòu)緊湊，液力傳動裝置和機(jī)械傳動裝置設(shè)計(jì)成一體；③液力傳動和液壓傳動所引起的滯后現(xiàn)象暫不考慮；④在DCMT 機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)中每組鋼片中設(shè)計(jì)一個(gè)蝶形鋼片[3]，該蝶形鋼片具有緩沖和減振作用，同時(shí)還可以傳力；⑤兩根傳動軸的剛度和強(qiáng)度必須達(dá)到汽車額定功率和扭矩；⑥液壓控制的油路盡量設(shè)計(jì)在兩根傳動軸內(nèi)布置。

1.3 具體結(jié)構(gòu)

圖2是基于Solidworks 軟件建立的DCMT 虛擬樣機(jī)模型，采用濕式多片離合器，離合器除外形尺寸較傳統(tǒng)自動變速器內(nèi)部的摩擦片大。DCMT 采用電液控制，該控制系統(tǒng)由傳感器、電控單元、執(zhí)行元件組成：電控單元收到傳感器采集的換擋信號來控制離合器C1 和離合器C2 的工作狀態(tài)，當(dāng)離合器C1 的油路開通時(shí)，液壓泵將液壓油輸送到離合器的活塞腔，活塞在液體壓力的作用下推動鋼片和摩擦片緊緊的壓在一起，鋼片和摩擦片之間的摩擦力逐漸增大，從而實(shí)現(xiàn)了傳力的作用；當(dāng)電控單元切斷離合器C1 的油路，離合器C1 由于沒有受到液體的作用，活塞在蝶形鋼片的作用下復(fù)位，鋼片和摩擦片之間摩擦力逐漸減小。另外，DCMT 能實(shí)現(xiàn)擋位預(yù)選模式，當(dāng)變速器處于某一擋位時(shí)，相鄰的擋位傳動提交提前做好準(zhǔn)備，擋位預(yù)選模式大大縮短擋位切換時(shí)間，使得換擋操作更加輕便快捷。

圖2 雙離合液力機(jī)械變速器

雙離合液力機(jī)械變速器可以分為兩大部分，第一部分主要由離合器C1 和離合器C2 組成，第二部分主要由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪組成。發(fā)動曲軸后端與飛輪通過螺栓連接在一起，離合器殼體通過螺栓緊固在飛輪上，為了使DCMT 結(jié)構(gòu)更加緊湊，離合器殼體與渦輪殼體通過螺栓連接成一體。離合器殼體內(nèi)部由兩個(gè)離合器，每個(gè)離合器由離合器活塞、回位彈簧、蝶形鋼片、鋼片和摩擦片組成。其中，鋼片外緣凸起呈花鍵形狀與主動機(jī)構(gòu)花鍵連接，內(nèi)緣呈環(huán)狀與從動機(jī)構(gòu)間隙配合；摩擦片內(nèi)緣凸起呈花鍵形狀與從動機(jī)構(gòu)花鍵連接，外緣呈環(huán)狀與主動機(jī)構(gòu)間隙配合。也就是說鋼片與離合器殼體通過花鍵連接在一起，而摩擦片與變速機(jī)構(gòu)輸入軸通過花鍵連接在一起。當(dāng)離合器C1 油路導(dǎo)通，來自液壓泵的液壓油作用在離合器活塞上，離合器活塞在液壓油壓力的作用下推動鋼片和摩擦片緊緊地壓在一起。鋼片和摩擦片之間的摩擦力逐漸增大，從而實(shí)現(xiàn)了傳力的作用。當(dāng)離合器C1 油路斷開時(shí)，活塞在回位彈簧的作用下恢復(fù)到原來的位置，鋼片和摩擦片在蝶形彈簧的作用回位，它們之間的摩擦力消失，從而切斷主動和從動之間的動力傳動。離合器C2 中的摩擦片與輸入軸2 通過花鍵連接在一起，鋼片與離合器殼體通過花鍵連接在一起。液力傳動機(jī)構(gòu)中的泵輪與離合器殼體連接在一起，渦輪與輸入軸2 通過花鍵連接在一起，兩根輸入軸的軸線重合，間隙配合。

1.4 工作過程

DCMA 可以實(shí)現(xiàn)液力傳動控制模式和機(jī)械傳動控制模式，這兩種模式均為電液控制：前者主要應(yīng)用在汽車低速工況，如車輛起步、車輛爬坡和重載工況等大負(fù)荷工況；后者主要應(yīng)用在中、高速工況。離合器C1 工作時(shí)可以實(shí)現(xiàn)一擋、三擋、五擋和倒擋的功能，離合器C2 可以實(shí)現(xiàn)二擋、四擋、六擋的功能。

汽車起步時(shí)，離合器C1 和離合器C2 不工作，曲軸帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，離合器殼體和泵輪隨著飛輪一起旋轉(zhuǎn)，泵輪內(nèi)部的液力傳動油由內(nèi)緣流向外緣，流動的液力傳動油作用在渦輪的外緣，當(dāng)作用在渦輪上的液力傳動油克服渦輪及其后部傳動零部件的摩擦阻力時(shí)，渦輪及后部的傳動零部件開始旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)汽車起步。當(dāng)汽車車速和發(fā)動機(jī)的速度等參數(shù)達(dá)到一擋的條件時(shí)，離合器C1 工作，來自發(fā)動機(jī)的動力通過離合器C1 傳給輸入軸1、一擋主動齒輪、一擋從動齒輪和變速器輸出軸。由于DCMA 可以實(shí)現(xiàn)預(yù)選模式，汽車在一擋工作的時(shí)候，二擋的接合套同步工作，二擋齒輪處于嚙合工況。雖然傳動機(jī)構(gòu)具備二擋的條件，但是二擋不傳力，只是為實(shí)現(xiàn)二擋做準(zhǔn)備。

隨著發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷上升，汽車的車速也同步提升。當(dāng)達(dá)到一擋升二擋的基本條件，ECU 發(fā)出指令，切斷一擋同步器電路，實(shí)現(xiàn)二擋。與此同時(shí)，ECU 發(fā)出指令，接通三擋同步器工作電路，三擋接合套預(yù)接合。在汽車升擋和降擋過程中，DCMA 采用預(yù)選擋模式大大縮短了換擋時(shí)間。

如果汽車需要降擋，以汽車從5 擋開始降擋為例，汽車在5擋工作時(shí)，ECU 發(fā)出指令，接通4 擋同步器電路。當(dāng)達(dá)到4 擋條件時(shí)，ECU 發(fā)出指令，切斷5 擋同步器電路的同時(shí)接通3 擋同步器電路，3 擋實(shí)現(xiàn)預(yù)選擋工況。DCMA 主要依靠加速踏板位置傳感器、車速傳感器、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和擋位開關(guān)等參數(shù)，如果踩加速踏板，DCMA 就會進(jìn)入升擋工況，當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時(shí)DCMA 就進(jìn)入降擋工況。當(dāng)汽車在起步、車輛爬坡和重載工況等大負(fù)荷工況時(shí)，DCMA 會進(jìn)入液力傳動模式。汽車進(jìn)入液力傳動模式時(shí)，發(fā)動機(jī)輸出力矩傳給泵輪，然后傳給渦輪，泵輪的油液傳給渦輪，渦輪傳給變速器輸入軸。

2 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證DCMT 產(chǎn)品的可行性，研究小組在Matlab/Simulink環(huán)境下，建立DCMT 動力學(xué)模型和發(fā)動機(jī)動力學(xué)模型。采用Matlab 軟件，把相關(guān)參數(shù)錄入系統(tǒng)，建立Simulink 仿真模型（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，離合器鋼片和摩擦片傳遞的摩擦力矩由零上升至Tc2或由Tc1降到零。在滑摩仿真實(shí)驗(yàn)中，鋼片、摩擦片之間傳遞動力正常，沒有出現(xiàn)打滑、頓挫、反應(yīng)遲緩的現(xiàn)象。

圖3 雙離合液力機(jī)械變速器換擋動力學(xué)原理

在以上研究的基礎(chǔ)上，建立DCMT 仿真模型，并對DCMT 進(jìn)行簡化。研究小組在不同工況及不同換擋模式下，以車輛起步工況進(jìn)行測試，在0～45 s，每隔5 s 統(tǒng)計(jì)汽車燃料消耗率的方法，研究3 種不同換擋模式的汽車燃料消耗量，研究結(jié)果見圖4。本次實(shí)驗(yàn)證明：采用機(jī)械傳動換擋模式切換擋位時(shí)，45 s 之內(nèi)汽車燃料消耗量為61.66 mL；采用液力傳動換擋模式切換擋位時(shí)，45 s 之內(nèi)燃料消耗量為93.41 mL；采用雙離合液力機(jī)械傳動換擋模式切換擋位時(shí)，45 s 之內(nèi)燃料消耗量為89.78 mL。仿真結(jié)果表明，采用DCMT 傳動模式在經(jīng)濟(jì)性方面較液力傳動模式提高了3.94%。

圖4 3 種傳動機(jī)構(gòu)換擋的耗油量曲線