平行軸式變速器的先進技術

【日】　中澤智一

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平行軸式變速器的先進技術

【日】中澤智一

在裝備了多個齒輪組的輸入軸與輸出軸這兩根平行軸構成的裝置基礎上，開發的雙離合變速器相比機械式變速器，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技術，著重論述了變速控制機構、軟件及應用的發展動態。

雙離合變速器平行軸式變速器離合器控制機構

0　前言

車用變速器基本是由裝備了多個齒輪組的輸入軸與輸出軸2根平行軸構成的裝置。在這一基本機構中，附加手動變速機構的手動變速器(MT)已被利用至今。近年來，在這種變速機構中設置多個自動控制的離合器及同步器，從而同時具備MT與自動變速器(AT)優點的變速裝置已開始進入市場，即所謂的“雙離合變速器(DCT)”，其應用范圍已開始逐步擴大。這種離合器一開始是出現在MT占據主要份額的歐洲汽車市場。在日本的汽車市場，DCT最初的主要目標用戶群是偏愛操控靈活性的汽車消費者，但現在也開始逐漸用于商用車及混合動力車。

本文以DCT為主，介紹平行軸式變速器的相關先進技術。

1　DCT的特點與發展歷史

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。有級式AT及無級變速器(CVT)等自動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現自動化的DCT，被認為是在2000年之后開始量產并配裝車輛的新技術。

與CVT相比，DCT的特點是用齒輪直接傳遞動力，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設定變速檔位。在此基礎上，在DCT中，只有1組形成拖曳阻力的離合器，因此其傳動效率更高。另外，相比因同樣原因而傳動效率較高的MT而言，DCT分別在奇數檔與偶數檔配置了離合器，通過適當地控制并切換離合器來實現換檔，從而能夠在切換離合器時不斷開動力，也就是在車輛變速時不中斷扭矩輸出。

下文將簡單介紹一下DCT的發展歷史。傳動效率優異，并且在不中斷扭矩輸出的條件下實現自動變速的DCT最初在20世紀80年代開始進行試驗性研發。最初配裝于乘用車的量產型DCT是2003年由德國生產商開發的6檔DCT[1]，具有250N·m 的容許扭矩。之后，日本[2]、意大利[3]等國的生產商也陸續開發了DCT產品(圖1)。上述DCT產品經不斷地改進和提高容許扭矩，并通過采用干式離合器等措施，變速裝置的結構變得更為簡單，配裝的車型范圍也不斷擴展，最終向7檔等多級變速的方向發展。同時，為了將DCT應用于商用車，2010年日本的重型商用車(公交客車、貨車)制造商成功開發出自有品牌的6檔DCT產品[4]。此外，對于配裝于混合動力車的系統集成，2012年以后，配裝于商用車及乘用車的“DCT+混合動力”系統正式進入市場。不僅實現了MT的自動化，而且充分利

圖1　意大利生產商的DCT[4]

用DCT動力傳動效率高的優點，這一新產品的發展呈現出不斷進化的趨勢(表1)。

表1　量產DCT的車輛配裝時期(乘用車和商用車)

2　DCT的結構

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

圖2　德國生產商開發的DCT結構[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。通過適當控制離合器的切換，同時進行奇數檔分離和偶數檔的接合，在車輛變速時維持扭矩水平。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。要根據車輛的設計意圖及用戶需求來選擇使用哪種類型的離合器。圖4示出了根據適用車輛的功率及離合器容量進行開發的實例[6]。下文將分別介紹2種類型的離合器特性及選擇基準。

圖3　干式離合器(左)和濕式離合器(右)[7]

圖4　離合器調節機構舉例[7]

2.1.1濕式離合器

最初實現量產的DCT采用的是濕式離合器。濕式離合器的特點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異。基于這些優點，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，濕式離合器的結構更為復雜。

2.1.2干式離合器

在2007年，使用干式離合器的DCT實現了量產[5]。干式離合器與濕式離合器相比，其結構更為簡單，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，因為采用的是空氣冷卻方式，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計及控制技術方面作進一步的優化，以便使其與濕式離合器一樣，能在車輛的整個使用壽命期內無須更換部件。如圖5所示，對于耐磨損性方面的設計改進是基于離合器的磨損，采用能調整離合器片位置的機構[7]。而對于冷卻性能，則在高溫條件下必須設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

DCT中使用干式離合器或是濕式離合器，其選擇的基準大致如下： 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用實例

2.2變速控制機構

2組離合器分別具備奇數檔離合器和偶數檔離合器的功能。變速檔位的選擇由各軸上的自動同步機構確定。一組離合器接合時，另一組離合器的變速機構介由同步機構嚙合齒輪，處于離合器接合的待機狀態。

例如，車輛從停車狀態起步并加速時，通過同步機構，使1檔相對于離合器輸入軸處于接合狀態，通過接合奇數檔離合器，傳遞發動機的驅動力。此時，偶數檔離合器雖處于分離狀態，但2檔齒輪完成同步操作，處于待機狀態。當車速加快變速為2檔時，在奇數檔離合器斷開的同時，偶數檔離合器接合。由于此時2檔已處于接合狀態，在離合器切換的時刻就已完成換檔，因此，相比傳統的有級式變速器，使用DCT后，車輛變速時失去驅動扭矩的時間被大幅縮短。這樣在將DCT配裝于賽車時，有望大幅提高車輛的加速性能。另外，計算機基于車速及駕駛者的操作狀態，對換檔提速或降速進行自學習和判斷。

在DCT使用濕式離合器的情況下，為完成換檔操作，離合器控制機構及變速控制機構綜合了圖6和圖7所示液壓回路與控制單元，并實現了模塊化裝配[5]。另外，在使用干式離合器的DCT中，則能充分發揮不使用潤滑油的優勢(圖8)，采用電動的離合器控制執行器[7]。

圖6　變速器控制模塊實例[5]

圖7　變速器控制模塊的系統示意圖[5]

圖8　采用電動離合器執行器的干式雙離合器[7]

3　軟件

為了利用雙離合器實現在車輛變速時不中斷扭矩輸出的功能，除機械及機電一體化零件外，控制軟件在DCT中也占據重要地位。圖9示出了構建DCT軟件的實例[5]。在圖9中，作為軟件的組成部分，離合器及變速機構的執行、液壓回路的控制，以及與車輛及發動機的接口都已被模塊化。將各項基本任務模塊化的目的是，通過使各項功能的基本程序實現通用化，在改動規格及追加其他功能時，核心程序能實現通用化，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，為了在車輛變速時維持扭矩水平，避免因起步或變速時導致的沖擊感，同時選擇最佳的齒輪組，必須恰當地實行控制程序。因此，首先要將發動機、車輛及駕駛者的操控等狀況作為信號輸入。并且，為了使操縱機構的執行器及液壓控制系統正常工作，必須基于變速邏輯準確地輸出信號。

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的負擔，尤其是之前駕駛有級式AT車輛的用戶。另外，對于在DCT問世初期所不具備的蠕滑力，也必須實施離合器滑動控制，并應對運轉狀況的急劇變化采取相應對策，同時還必須考慮到發生故障或出現異常時的安全性能。此外，為降低燃油耗，必須與發動機進行協調控制，以及與混合動力系統進行匹配等，不僅要具備離合器與變速控制技術，還要求針對各種條件進行優化。為此，變速器的軟件開發更加趨向于復雜化，開發過程中的規格設定及驗證已變得極為重要。

4　混合動力系統的應用

DCT與混合動力系統的組合最初是在商用車上實現量產的。2012年5月，日本的商用車制造商將配裝內置混合動力專用電動機的DCT車輛推向了市場(圖10)[8]。

圖10　商用車混合動力電動機內置于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與混合動力系統的車輛[9]。

2013年9月，日本的汽車制造商開始銷售內置混合動力專用電動機的DCT，該產品采用的是干式離合器[10]。

5　今后的發展趨勢

新一代的變速器是在MT基礎上發展起來的，雖然產品本身已具備較高的效率，但為了進一步滿足不斷升高的燃油經濟性要求，必須進一步提高效率。2014年開始市售的德國生產商推出的立式7檔DCT，就是以進一步提高效率為目標開發的，力求在降低振動的同時減少液壓損耗，最終實現了變速效率約95%的目標。此外，為了兼顧舒適性，也為了能應用于混合動力車，DCT系統呈現逐漸復雜化的趨勢。同時，對于降低成本的要求也未放松。今后，各生產商應致力于在零部件通用化、模塊化，以及機構簡單化方面下功夫，進一步開發符合各種要求的DCT產品。

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[7] Buehrle P, Kimming K L, Mueller B, et al. Success with efficiency and comfort the dry clutch has become established on the automatic transmission market[C]. JSAE Symposium, 2010,No.05-10.

[8] [OL].三菱ふそうトラックバス,プレスリリース,2012.05.18.

[9] [OL].フォルクスワーゲンジャパン,プレスリリース,2012.

[10] [OL].本田技研工業,ニュースリリース,2013.7.19.

2015-07-30)