一種新型雙離合自動變速器的結構分析與建模

袁磊，張代勝，汪韶杰

(1. 合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥230009;2. 合肥工業大學汽車技術研究院，安徽合肥230009)

0 引言

變速器，是一套用來協調發動機輸出轉速、扭矩與車輛驅動所需轉速、扭矩的變速裝置。在汽車行駛過程中，它可以使發動機和車輪之間產生不同的變速比，通過換擋可以使發動機在最佳的動力性能狀態下工作，因此它是汽車關鍵部件。而變速器又分為若干種類，那么雙離合變速器、自動變速器誰是未來的寵兒［1］?就目前而言，雙離合自動變速器(DCT)以其卓越的性能成為汽車企業爭相研究和開發的重點，它既改變了傳統汽車機械式自動變速器換擋動力中斷的缺點，又繼承了手動變速器(MT)傳動效率高、安裝空間緊湊、重量輕等諸多優點，使汽車具有良好的動力性、燃油經濟性，而且極大地提高了換擋舒適性，是目前變速器技術研究新的發展方向。就其工作原理而言，亦可以應用于大、中型車輛及工程機械、自走式農業機械等其他非道路車輛，應用范圍極廣。文中研究的新型雙離合自動變速器是一種選擇性輸出的雙離合自動變速器，它不同于傳統意義上的選擇性輸入雙離合自動變速器，例如大眾邁騰的DSG 就屬于傳統意義上的選擇性輸入雙離合自動變速器。目前，國內對DCT 的研究主要是以學習和模仿國外技術為主，尚處于起步階段，對其功能實現原理的深入研究和產品化必將對我國自動變速器自主研發能力的提高具有積極意義［2］。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

雙離合器變速器(DCT)的概念的提出到目前已經有六七十年的歷史。早在1939 年德國的Kegresse A 第一個申請了雙離合器變速器的專利，提出了將手動變速器分為兩部分的設計概念，一部分傳遞奇數擋，另一部分傳遞偶數擋。且其動力傳遞通過兩個離合器聯結兩根輸入軸，相鄰各擋的被動齒輪交錯與兩輸入軸齒輪嚙合，配合兩離合器的控制，能夠實現在不切斷動力的情況下轉換傳動比，從而縮短換擋時間，有效提高換擋品質，該變速器曾經在載貨車上進行過試驗，限于當時的控制技術，這種變速器并沒有投入批量生產。隨后在20 世紀80 年代，保時捷也發明了專用于賽車的雙離合變速器(PDK)，但也未能將DCT 技術投入批量生產［3］。

1985 年，大眾公司在奧迪Sport Quattro S1 賽車上采用了雙離合器變速器技術，但直到20 世紀90 年代末隨著電子技術的迅速發展，雙離合器控制技術逐漸得以成熟，大眾汽車公司和博格華納首先攜手合作生產將它放置在量產主流車型——奧迪車上，并給它命名為直接換擋變速器Direct-Shift Gearbox(DSG)。并于2002 年首次向世界展示了這一技術創新。2003年推出了6 擋DSG 變速器，成為首個提供雙離合器系統的整車廠。2006 年，大眾又率先在奧迪TT 3.2 車型上應用了DSG 變速器，隨后DSG 產品陸續配套到了大眾捷達、大眾途安、大眾第五代高爾夫、大眾寶來、奧迪A3、奧迪TT、Seat、Skoda 等眾多車型。目前已創下超過100 萬件的銷售紀錄。近日大眾公司又發布了一款最新研制的7 擋DSG 變速器，代號為DQ200。它使用了一對干離合器片代替了原來6 擋DSG 變速器的液體調節雙離合器片，其換擋效率和動力傳遞有了明顯的提升［4］。

作為創新型變速器的實際開發者之一的德國頂尖跑車專業品牌——保時捷將推出其自主開發的、稱之為“PDK” (Porsche Doppel Kupplungen，雙離合器變速系統)的雙離合器變速器。

1.2 國內研究現狀

目前中國汽車行業的情況是許多技術還依靠國外。在變速器的發展上呈現出跳躍式變化。現在自動變速器主要以AT 為主，吉利、上海大眾、上海通用等公司的汽車都采用AT。在國家“863”重大專項中，轎車DCT 的研發正式立項，按照國家產學研一體化的方針政策，浙江吉利控股集團有限公司、杭州齒輪箱集團有限公司、重慶青山工業有限責任公司等積極與國內知名高校以及一些知名企業攜手合作，投入了相當的人力、物力和財力，其研發隊伍越來越大。國內高校以吉林大學為代表也開展了DCT 的研發工作，并且已經申請了一部分專利。2008 年11 月25 日在北京舉行博格華納(中國)投資有限公司和中國中發聯投資有限公司雙離合器(DCT)項目合資合同簽約儀式。在國家發改委出面協調、組織和促進下，先由中國12家自主品牌主機廠發起成立的中發聯投資有限公司，以此作為中方實體平臺與博格華納(中國)投資有限公司正式成立了中外合資的博格華納雙離合器傳動系統有限公司，博格華納和中發聯雙方股比為66∶34。合資公司投資總額為2 億美元(人民幣13.8 億元)。12 家中國主機廠包括一汽、上汽、東風、長安、廣汽、奇瑞、華晨、吉利、江淮、長城、長豐、中順，它們占據了國內自主品牌整車九成以上的市場份額。2008 年1 月28 日，華晨集團和上汽汽車變速器有限公司在北京正式簽署了共同研發DCT 變速器的合作協議。DCT 已經成為中國汽車變速器的重要發展方向［5］。

2 傳動方案

2.1 方案的擬定

大眾推出的DSG 變速器為DCT 的一種，它是一種選擇性輸入的傳動方案，使變速器具有換擋迅速、無動力中斷、換擋舒適性高的優點，并且動力性和經濟性達到或超過手動變速器。通過選擇性輸入和其他傳動方案的具體分析，提出一種新型的傳動方案，它是一種選擇性輸出的方案，它是在手動變速器基礎上，加上電子控制和液壓驅動，兩離合器交替工作，不間斷地輸出動力。如圖1 所示為選擇性輸出雙離合器自動變速器的結構簡圖。

此方案的優點是:避免了易失效的旋轉供油方式，采用“雙制動”代替“雙離合”，殼體供油即可實現自動換擋。繞開了制造難度較大的雙離合器，并減小了軸向尺寸。

2.2 工作原理

與DSG 的選擇性輸入相比，此方案為選擇性輸出，并且通過離合器的離合和同步器的位置即可實現換擋。汽車發動機啟動時，在空擋情況下，所有同步器位于中間位置，兩離合器均分離;在一擋時，撥叉使得同步器T1位于左側，同步器T2位于右側，離合器L1結合，此時在行星輪系中，太陽輪輸入，齒圈固定，行星架輸出;判斷升至二擋時，撥叉使得同步器T3位于右側，完成預掛擋，離合器L1逐漸分離，而離合器L2逐漸結合，直至換擋成功。判斷升至三擋時，撥叉使得同步器T2位于左側，完成預掛擋，離合器L2逐漸分離，而離合器L1逐漸結合，直至換擋成功，此時行星輪系為直接擋輸出。判斷升至四擋時，撥叉使得同步器T3位于左側，完成預掛擋，離合器L1逐漸分離，而離合器L2逐漸結合，直至換擋成功。降擋過程類似。在倒擋時，同步器T1位于右側，同步器T3位于左側，離合器L2結合，離合器L1分離。

3 大眾DSG 傳動方案

如圖2 所示，DSG 有兩根同軸心的輸入軸，輸入軸1 空套在輸入軸2 里。輸入軸1 與離合器1 相連，輸入軸1 上的常嚙合齒輪分別與1、3、5 擋齒輪相嚙合;輸入軸2 為空心軸，與離合器2 相連，輸入軸2 上的常嚙合齒輪分別與2、4、6 擋齒輪相嚙合;倒擋齒輪通過倒擋軸齒輪與輸入軸1 的常嚙合齒輪相嚙合。也就是說，離合器1 負責1、3、5 擋和倒擋，離合器2 負責2、4、6 擋。當使用不同擋位時，相應離合結合［6］。

4 兩種變速器傳動方案的比較

根據傳動方案簡圖和工作原理描述，這種新型雙離合自動變速器與傳統的DSG 變速器相比較，此傳動方案具有以下結構特點:

(1)這種新型雙離合自動變速器是一種選擇性輸出的雙離合自動變速器，即選擇不同的輸出軸輸出動力;傳統的DSG 是一種選擇性輸入的雙離合自動變速器，即選擇不同的輸入軸，從而輸出不同的動力。

(2)這種新型雙離合自動變速器通過一個離合器、一個同步器與一個行星輪系的組合，實現變速，在保證變速器擋位數不變的前提下減少了離合器和齒輪的數目，使得整體結構更加緊湊和簡潔，縮短變速器軸向尺寸，使變速器結構更為緊湊。

(3)它采用普通的NGW 型行星輪系與定軸傳動輪系相組合，工藝性好，制造成本低，工作狀態穩定可靠。

(4)它的行星輪系中采用同步器結構實現行星差速和直接傳動兩種不同的傳動比，在高速擋為直接擋傳動，從而有效地提高了傳動效率。

(5)此方案為通過變速器殼體進行為液壓油缸供油提供了可能，避免了在旋轉零件內部建立液壓油路，容易造成油液泄漏、密封件失效、液壓元件失靈等問題，可提高變速器機構的工作穩定性和可靠性，且只有兩組離合器交替工作，有效簡化控制方式和控制環節。

5 Pro/ENGINEER 建模

Pro/ENGINEER 軟件是美國參數技術公司 (Parametric Technology Corporation，PTC)基于單一數據庫、參數化、特征、全相關及工程數據再利用等概念的基礎上開發出的一個功能強大的CAD/CAE/CAM 軟件，它能將產品從設計到生產加工的過程集成在一起，讓所有用戶同時進行同一產品的設計與制造工作，是當今國內外應用最廣泛的三維實體建模軟件之一［7］。

如圖3 所示，它是運用Pro/ENGINEER 三維軟件對這種新型雙離合變速器的各個零部件進行參數化建模，然后進行裝配。各對齒輪的空間布置如圖4 所示。

由傳動方案可知，前進擋輸入齒輪Z0，1、3 擋齒輪Z1，2、4 擋齒輪Z2以及倒擋齒輪Z5在同一平面。同樣，主減輸入齒輪Z6、Z7和主減輸出齒輪Z8也在同一平面，雖然兩行星輪系之間沒有嚙合關系，考慮減小軸向尺寸，故也視兩輪系也在一個平面。要求同一平面的各齒輪之間不能干涉，并且盡量使空間位置緊湊。實際上，齒輪的空間布置與前面的齒輪和輪系的設計緊密相關，需要反復選配、試湊，才能得到較理想的設計結果［8］。

6 傳動方案評價

6.1 工作可靠性

此變速器重要零部件均通過校核，尺寸設計合理。

6.2 運動精準性

換擋控制較簡單，理論上具有可行性。

6.3 制造經濟性

采用選擇性輸出的方法，避開了成本較高、制造難度較大的雙離合器;由于發動機橫置，所以主減齒輪無需較難加工的弧齒錐齒輪;變速器殼體供油降低了密封成本;控制系統成本也有所降低。

6.4 結構緊湊性

變速器軸向長度比傳統自動變速器減少大約30%。

7 結束語

此種選擇性輸出傳動方案與傳統DCT 的選擇性輸入相比，在成本、零部件工藝性和控制環節等均具有優勢。而且只需在輸入軸增加一個前進擋輸入齒輪，再在另外兩軸加兩個齒輪與之嚙合，即可獲得八擋減速比，同時軸向尺寸只增加30%左右。從而可應用于高檔乘用車，甚至重型客車。由于其諸多優點，目前國內的設計和生產能力完全具有產業化能力。

【1】雙離合變速器、自動變速器誰是未來的寵兒?［J］. 汽車零部件，2009(9):35－36.

【2】葛安林. 車輛自動變速理論與設計［M］. 北京:機械工業出版社，1993:1－7.

【3】Richard G，Reed J，Royal O M.Method of controlling a transmission having a dual clutch system:United States Patent，6463821［P］.

【4】吳佐銘，褚超美，顧健華，等. 雙離合自動變速器技術現狀及應用前景［J］.機械科學與技術，2008，27(11):1351－1355.

【5】劉振軍，秦大同，葉明，等. 車輛雙離合器自動變速傳動技術研究進展分析［J］.農業機械學報，2005，36(11):161－164.

【6】周曉飛.一汽大眾速騰/邁騰轎車實用維修手冊［M］. 北京:化學工業出版社，2011:35－42.

【7】詹友剛.Pro/ENGINEER 中文野火版教程:通用模塊［M］.北京:清華大學出版社，2003:3－4.

【8】王望予.汽車設計［M］.北京:機械工業出版社，2004:79－89.