新型雙離合器自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)與故障分析

劉占旗

（三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

1 研究背景

在現(xiàn)代車(chē)輛上，自動(dòng)變速器是一種必備構(gòu)件，但是以往都是行星齒輪結(jié)構(gòu)的變速器，這種變速器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大等問(wèn)題。近年來(lái)，一種新型的機(jī)械變速器被廣泛應(yīng)用，其關(guān)鍵技術(shù)是在機(jī)械變速器中增加一種雙離合器。我國(guó)在新型雙離合器技術(shù)應(yīng)用上與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在許多不足和亟待改善的地方，因此對(duì)新型雙離合器結(jié)構(gòu)的研究分析顯得尤為重要。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

雙離合器自動(dòng)變速器技術(shù)是在1939年由德國(guó)的Kegresse.A 提出來(lái)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)控制技術(shù)尚未成熟，導(dǎo)致該技術(shù)并未大量投入到車(chē)輛生產(chǎn)中去。在20世紀(jì)80年代，保時(shí)捷公司研發(fā)了僅在賽車(chē)上應(yīng)用的雙離合器自動(dòng)變速器，這一變速器的研發(fā)解決了變速器在工作中的動(dòng)力傳遞問(wèn)題。1999年美國(guó)伯格華納和德國(guó)大眾兩公司共同設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了直接換擋變速器（DSG），2003年推廣并普及到其他車(chē)型上。2005年Ricardo公司研發(fā)了7擋DCT，2008年舍弗勒集團(tuán)和大眾公司共同合作設(shè)計(jì)出7擋干式雙離合器變速器。截至2009年，DCT技術(shù)應(yīng)用在歐洲乘用車(chē)上的占比達(dá)到9.9%，目前國(guó)外汽車(chē)公司大量生產(chǎn)裝配DCT技術(shù)的車(chē)型[1]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

由于國(guó)內(nèi)車(chē)輛領(lǐng)域起步較晚，DCT技術(shù)的設(shè)計(jì)和研發(fā)與國(guó)外相比要晚。我國(guó)的DCT技術(shù)在2002年開(kāi)始研發(fā)，2006年國(guó)家將DCT技術(shù)列入“十一五”國(guó)家“863計(jì)劃”重點(diǎn)項(xiàng)目，2009年吉利集團(tuán)生產(chǎn)出第一款7擋的雙離合器自動(dòng)變速器。國(guó)內(nèi)DCT研發(fā)方面與發(fā)達(dá)國(guó)家之間還有很大差距。雖然國(guó)家大力扶持車(chē)輛技術(shù)開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)也有很多科研機(jī)構(gòu)也在不斷探索研究自動(dòng)變速器的核心技術(shù)，但是這一技術(shù)的應(yīng)用還沒(méi)有到達(dá)完全成熟的階段。

2 DCT離合器的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 DCT的組成系統(tǒng)

離合器系統(tǒng)，DCT的離合器系統(tǒng)分為干式和濕式離合器。干式離合器的從動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，具有轉(zhuǎn)矩過(guò)載保護(hù)功能，結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單容易調(diào)整，同時(shí)它的造價(jià)還比較低，具有高效率等優(yōu)點(diǎn)。濕式離合器的結(jié)構(gòu)同樣簡(jiǎn)單易操作，它的壓力和摩擦力都很均勻，控制性能好[2]。

液壓控制系統(tǒng)是雙離合器控制部分，由冷卻部分和換擋機(jī)構(gòu)控制部分組成。在DCT系統(tǒng)中，增加自動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋。離合器進(jìn)行滑差控制時(shí)定會(huì)產(chǎn)生熱而導(dǎo)致油液溫度升高，此時(shí)要提供專(zhuān)門(mén)的冷卻油路散熱，否則必然縮短離合器的使用壽命。

扭轉(zhuǎn)減振器系統(tǒng)，當(dāng)車(chē)輛加速時(shí)，或者掛擋正常行駛需要制動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力對(duì)于傳動(dòng)軸，以及制動(dòng)時(shí)車(chē)身慣性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的反作用力，這些力都會(huì)集中到離合器摩擦片上。因此將DCT的動(dòng)力輸出件的慣性和飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配起來(lái)設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)減振器。為了提高駕駛員和乘坐人員的舒適性，采用雙質(zhì)量飛輪式的扭轉(zhuǎn)減振器。這種扭轉(zhuǎn)減振器對(duì)降低彈簧的硬度和剛度方面有很好的作用[3]。

電子控制系統(tǒng)，由電子控制單元、執(zhí)行器和傳感器組成。電子控制單元可以對(duì)各個(gè)傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行及時(shí)分析和處理。傳感器可以把各種行駛環(huán)境和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸送給電子控制單元。執(zhí)行器會(huì)對(duì)電子控制單元輸出的信號(hào)迅速做出反應(yīng)。雙離合自動(dòng)變速器的電子控制系統(tǒng)可以預(yù)先將一系列指令程序儲(chǔ)存在ECU程序存儲(chǔ)器中，電子控制單元在收到了傳感器傳來(lái)的電信號(hào)之后及時(shí)做出相應(yīng)的反應(yīng)[4]。

2.2 DCT離合器的換擋工作原理和原理分析

將變速器擋位按照奇數(shù)擋和偶數(shù)擋分開(kāi)定義，兩個(gè)離合器分別與兩個(gè)輸入軸連在一起，如果離合器1通過(guò)實(shí)心軸與1、3、5擋接合，那么2、4、6擋就只能接合在離合器2上。當(dāng)車(chē)輛在停車(chē)的狀態(tài)下，兩個(gè)離合器都是常開(kāi)式，此時(shí)不傳遞動(dòng)力。在車(chē)輛開(kāi)始起步時(shí)，離合器1就會(huì)開(kāi)始分離，此時(shí)擋位處于1擋，接著離合器1接合，車(chē)輛完成起步工作。車(chē)輛加速時(shí)，到達(dá)接近2擋的換擋狀態(tài)時(shí)，在自動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)的作用下，能夠?qū)跷怀敖尤氲?擋。以下是對(duì)其不同換擋階段進(jìn)行的說(shuō)明分析[5]。

處于第一階段時(shí)，偶數(shù)擋4擋正常傳遞動(dòng)力。通過(guò)傳感器接收外部環(huán)境然后電子控制單元做出判斷和分析，這樣會(huì)根據(jù)駕駛環(huán)境和駕駛員指令判斷車(chē)輛要切換的擋位，車(chē)輛加速時(shí)，就可以切換到5擋，車(chē)輛減速時(shí)，就會(huì)切換到3擋。

處于第二階段時(shí)，傳遞動(dòng)力的擋位在4擋上，此時(shí)提前掛上奇數(shù)擋5擋，處于4擋轉(zhuǎn)矩相。自動(dòng)變速器的電控單元根據(jù)其傳感器接收的信號(hào)進(jìn)行判斷，確定切換到5擋；可是5擋和離合器1接合在一起，此時(shí)的離合器1不傳遞動(dòng)力，因?yàn)殡x合器1處于分離狀態(tài)下，因此可發(fā)出命令讓自動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)提前切換到下一個(gè)擋位奇數(shù)擋，這時(shí)候動(dòng)力仍是通過(guò)4擋傳遞扭矩。

處于第三階段時(shí)，奇數(shù)擋位5擋和偶數(shù)擋4擋共同工作傳遞扭矩，此時(shí)處于4擋慣性相。車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)需要換奇數(shù)擋的時(shí)侯，此時(shí)就會(huì)將離合器2逐漸分離開(kāi)，同步將離合器1逐步接合在一起，這時(shí)候傳遞扭矩的是偶數(shù)擋4擋和奇數(shù)擋5擋。

處于第四階段時(shí)，奇數(shù)擋位5擋剛剛開(kāi)始傳遞扭矩，此時(shí)偶數(shù)擋4擋尚未摘擋。兩個(gè)離合器的動(dòng)力切換一旦完成后，離合器2完全分離，離合器1完全接合，離合器1動(dòng)力傳遞完成，這時(shí)5擋處于傳遞扭矩的狀態(tài)下，偶數(shù)擋4擋未完全摘擋，但是不再進(jìn)行動(dòng)力傳遞。

2.3 雙離合器自動(dòng)變速器的動(dòng)力傳遞

各個(gè)擋位的動(dòng)力傳遞：1擋的動(dòng)力傳遞是由外部離合器傳遞到內(nèi)部驅(qū)動(dòng)軸，然后到輸出軸1，最后到差速器。2擋的動(dòng)力傳遞是由內(nèi)部離合器先傳遞到外部驅(qū)動(dòng)軸，然后傳給輸出軸1，最后到達(dá)差速器。3擋的動(dòng)力傳遞路線是通過(guò)外部離合器傳遞給內(nèi)部驅(qū)動(dòng)軸，再通過(guò)輸出軸1把動(dòng)力傳遞給差速器。4擋的動(dòng)力傳遞是由內(nèi)部離合器傳遞給外部驅(qū)動(dòng)軸，外部驅(qū)動(dòng)軸傳遞給輸出軸1，最后把動(dòng)力傳遞給差速器。5擋的動(dòng)力傳遞則是由外部離合器傳遞到內(nèi)部驅(qū)動(dòng)軸，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)軸接著把動(dòng)力傳遞給輸出軸2，最后動(dòng)力到達(dá)差速器。6擋的動(dòng)力傳遞是通過(guò)內(nèi)部離合器把動(dòng)力傳遞到外部驅(qū)動(dòng)軸上，再通過(guò)外部驅(qū)動(dòng)軸把動(dòng)力傳遞給輸出軸2，最后傳遞動(dòng)力到差速器。倒擋的動(dòng)力傳遞是通過(guò)外部離合器傳遞給內(nèi)部驅(qū)動(dòng)軸，再傳遞給倒擋軸，倒擋再把動(dòng)力傳遞給輸出軸2，最后同樣傳遞給差速器[6]。

2.4 DCT離合器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新型雙離合器自動(dòng)變速器在工作中具有以下四個(gè)特點(diǎn)：1）雙離合變速器換擋快，換擋間隔時(shí)間非常短。換擋時(shí)不會(huì)產(chǎn)生沖擊力，在操作舒適性上有很大的提高。2）雙離合器變速器沒(méi)有液力變矩器，變速部分和MT大致相同，因此傳遞效率很高，雙離合是采用TCU自動(dòng)控制，動(dòng)力傳遞過(guò)程中動(dòng)力損失很小。3）雙離合器自動(dòng)變速器油耗低。雙離合變速器在換擋時(shí)需要的時(shí)間非常短，能量損失少。4）雙離合器自動(dòng)變速器是在原有手動(dòng)變速器基礎(chǔ)上改進(jìn)的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊[7-8]。

3 DCT的主要控制技術(shù)

離合變速器在工作時(shí)存在傳遞重疊區(qū)，在雙離合器換擋時(shí)要非常精確，從而延長(zhǎng)離合器的壽命?？刂撇划?dāng)就會(huì)使傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的沖擊，造成摩擦片溫度升高，產(chǎn)生變形損壞，最終導(dǎo)致工作壽命的縮短[9]。

3.1 起步控制

在車(chē)輛剛起步的時(shí)候會(huì)有兩種起步控制技術(shù)。車(chē)輛起步自動(dòng)掛1擋，此時(shí)只有一個(gè)離合器參與起步。這就會(huì)帶來(lái)兩個(gè)離合器壽命不一樣的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，在起步時(shí)先讓換擋機(jī)構(gòu)一同掛上1擋和2擋，接著按照駕駛員意愿，根據(jù)當(dāng)時(shí)的工作情況讓其中一個(gè)離合器分離，另一個(gè)繼續(xù)接合工作實(shí)現(xiàn)車(chē)輛平穩(wěn)起步[10]。

3.2 跳擋控制

DCT離合器可以突然完成跳擋，解決了在換擋時(shí)升降擋這一問(wèn)題。加速換高擋時(shí)，由于路面存在的摩擦阻力和其他因素會(huì)導(dǎo)致車(chē)速下降，離合器控制系統(tǒng)必須要根據(jù)各種信號(hào)來(lái)改變擋位或者保持擋位不變，避免產(chǎn)生隨意換擋現(xiàn)象。

3.3 升降擋控制

在升擋的時(shí)候，控制系統(tǒng)會(huì)讓離合器I分離，離合器II接合在一起。在換擋的時(shí)候，離合器I停止供油開(kāi)始分離，但是離合器II是在正常工作的，隨著油壓不斷增加就可以減小甚至消除摩擦片之間的間隙。所以這一結(jié)構(gòu)可以讓雙離合器自動(dòng)變速器在不切斷動(dòng)力傳遞的情況下完成換擋。

4 DCT離合器系統(tǒng)故障分析

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)故障

在車(chē)輛行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的故障大部分是由于下面四個(gè)原因造成的：車(chē)輛工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)中冷卻液的溫度、加速踏板和蓄電池。這四個(gè)部分如果有一個(gè)發(fā)生故障，發(fā)動(dòng)機(jī)必然不能直接有效地控制DCT正常工作。

4.2 TCU故障

自動(dòng)變速箱控制單元產(chǎn)生的故障可分為以下四點(diǎn)：1）自動(dòng)變速箱上分布著多個(gè)傳感器，傳感器在接收上容易出現(xiàn)問(wèn)題；2）控制單元核心處理器被破壞，會(huì)直接造成系統(tǒng)癱瘓；3）控制器局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)產(chǎn)生故障，會(huì)造成通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無(wú)法正常工作；4）自動(dòng)變速箱上容易產(chǎn)生軟件問(wèn)題，軟件故障會(huì)造成程序死機(jī)等狀況。

4.3 DCT傳感器故障

新型雙離合器自動(dòng)變速器的電子控制系統(tǒng)中需要多個(gè)傳感器來(lái)接收和轉(zhuǎn)化信息，傳感器又是容易發(fā)生故障的部件，這就會(huì)大大增加傳感器的故障頻率，不同位置的傳感器發(fā)生故障會(huì)造成不同程度的影響。

5 DCT故障的解決方法

5.1 信號(hào)處理方法

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)故障時(shí)：1）在檢測(cè)之后標(biāo)注故障發(fā)生的部位。2）將產(chǎn)生故障部位的代碼記錄下來(lái)并且保存，然后把故障燈打開(kāi)。運(yùn)用DCT中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)生故障的部位進(jìn)行診斷處理。3）讓車(chē)輛保持在4擋的速度下正常運(yùn)行，這是為了減少車(chē)輛的負(fù)荷，然后慢慢地降低車(chē)速，直到最后停止運(yùn)行。

5.2 冗余處理方法

當(dāng)發(fā)生故障的部位是溫度傳感器時(shí)，這種故障產(chǎn)生的因素包括變速器潤(rùn)滑油溫度傳感器發(fā)生故障和離合器的溫度傳感器發(fā)生故障。要把DCT系統(tǒng)中的溫度作為變速器潤(rùn)滑油溫度。CAN發(fā)生故障時(shí)，假如車(chē)輛處于還沒(méi)有啟動(dòng)的狀態(tài)，應(yīng)該立刻停止工作。假如車(chē)輛在運(yùn)行狀態(tài)下，必須立刻分離離合，讓車(chē)輛切換到空擋并緩慢停止下來(lái)。

6 總結(jié)

新型雙離合器自動(dòng)變速器由于其燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良、換擋時(shí)間很短、駕駛員的駕駛感覺(jué)舒適等特點(diǎn)被普遍應(yīng)用到車(chē)輛行業(yè)。同時(shí)其缺點(diǎn)在零部件生產(chǎn)及車(chē)輛工作中也表現(xiàn)了出來(lái)，如生產(chǎn)成本、扭矩問(wèn)題以及使用大量電子元件增加了故障出現(xiàn)的概率。DCT所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)劣與其結(jié)構(gòu)組成是緊密相連的。本文通過(guò)分析新型雙離合器自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和工作原理，總結(jié)了容易發(fā)生的故障，最后提出了幾點(diǎn)解決辦法，為同行業(yè)研究提供參考。