雙離合器變速箱的開發

(上海汽車集團股份有限公司乘用車公司，上海 201804)

0 前言

自動變速箱技術長年被日本及歐美企業壟斷，隨著國內自動變速器車輛的銷售占比不斷升高，油耗和排放法規的日益加嚴，各主機廠為降低成本、提高效率及擺脫產能的束縛，開始自主研發生產自動變速箱。本文結合上汽雙離合器變速箱(DCT)的開發過程，對DCT的開發流程進行介紹。

1 DCT的設計與開發

在項目開發前期通過調研市場上的變速箱發展趨勢、客戶需求及結合內部匹配需求，圍繞低油耗、低成本展開，并兼顧零部件的平臺化及共線生產進行開發目標設定。由于其開發涉及多個開發部門之間的協作，為了更好的管理項目開發進度及規避風險，上汽采用了全球動力總成開發流程(GPDP)，設立了PG9至PG1共9個項目結點，來確保每個階段的開發情況。

1.1 硬件設計開發

在DCT硬件設計方面，首先根據設計輸入，完成各個小總成方案的設計、總成3D數模、總布置的準備工作，并采用計算機輔助工程(CAE)完成齒軸、殼體、差速器、潤滑系統的開發設計及校核，其次要做好外購零件的選型及定點工作，如雙離合器、閥體、同步器、駐車機構、軸承等。下面將介紹幾個重要零部件的布置情況。

1.1.1 齒軸布置與總布置的確定

變速箱的齒軸布置設計不僅對變速箱質量和長度有重要影響，同時也與變速箱的控制策略相關。因為雙離合器變速箱的2個離合器分別控制著不同的檔位，車輛停車后撥叉預掛的位置會影響起步的控制策略，圖1為上汽某變速箱的齒軸布置及對應的換檔原理矩陣表，該變速箱在車輛停車后1檔與R檔分別由2個不同的離合器控制，避免冷車起動換檔操作造成的卡滯風險。

圖1 齒軸布置及換檔原理矩陣表

在齒軸布置鎖定后，變速箱在整車的布置檢查也是必不可少的，與變速箱相關的硬件主要包括：左縱梁、副車架、蓄電池托盤、傳動軸、轉向機等零部件，這些整車零件容易與變速箱形成干涉。需要根據輸入條件，如懸置剛度、動力總成的質量、慣量和重心位置、DCT各檔傳動比、發動機最大扭矩、懸置的位置和角度、驅動半軸移動節中心位置等。圖2為某DCT項目在整車中的總布置狀態。

圖2 變速箱總布置和部分動態包絡圖

1.1.2 速比的設計

速比的選擇評價指標很多，在設計DCT速比的時候，一般要考慮等速油耗、新歐洲行駛循環(NEDC)油耗、發動機有效功率、起步能力、排放、最高車速、爬坡性能、最高檔的最低穩定車速、最低檔的穩定車速、各檔動力因數計算等。圖3為速比設計時的部分過程圖。

圖3 速比設計過程圖

1.1.3 殼體的有限元分析

殼體的正向建模過程如圖4所示，殼體的有限元分析結果如下：

(1) 振動特性分析：箱體的瞬態響應分析、結構噪聲分析；

(2) 變速箱結構強度分析：靜強度分析、動強度分析、疲勞分析等；

(3) 測試試驗：摸底試驗、計算邊界條件測試、最終測試評價分析。

分析工況主要包括：一檔100%扭矩傳遞、轉向工況、汽車最大加速度工況、汽車最大減速工況和變速箱最大跳動工況。

圖4 正向建模的分析

圖5為殼體有限元分析的部分過程圖，顯示在不同的沖擊下殼體的受力情況。

圖5 殼體應力云計算

1.1.4 潤滑系統設計

潤滑策略的設計對雙離合的變速箱是至關重要的，該策略的制定會關系到變速箱的加油總量及系統的攪油功率損失，尤其濕式雙離合變速箱對于潤滑策略更加敏感。目前潤滑的方式主要有強制潤滑、引導潤滑、飛濺潤滑3種模式，制定每個零件的潤滑策略、潤滑油的來源及驅動源需要整體設計規劃。表1為某變速箱的潤滑系統策略。

表1 變速箱的潤滑策略

1.1.5 液壓系統及離合器設計

液壓系統的設計影響著變速箱換檔響應的快慢及換檔噪聲，所以在設計液壓系統時，壓力和流量的控制策略，低泄露或零泄漏閥體及高精度電磁閥的設計選擇至關重要。以撥叉活塞缸的壓力分析為例進行闡述，首先分析撥叉QVFS閥的工作過程，如圖6所示。

圖6 QVFS閥的工作過程

目前，液壓系統的供油方式主要有純機械泵方式、電子泵+機械泵、純電子泵3種方式，主流的主要為后兩者。雙離合器分為干式和濕式，在設計及驅動型式方面都有諸多不同之處，包括扭矩、容量、空間布置、質量級轉動慣量等[1]。目前雙離合的技術仍然掌握在國外供應商手中，因此離合器應根據設計需求作為外購件進行選擇。

1.2 軟件及標定開發

一款優秀的變速箱除硬件方面具備優勢外，軟件方面同樣高的要求，主要表現在換檔響應快、換檔平順及安全性高等。DCT的軟件開發一般參照軟件過程改進和能力測定標準(ASPICE)或者能力成熟度集成模型(CMMI)流程，以ASPICE為例，主要經歷需求定義、軟件設計、軟件測試、系統測試幾大階段,如圖7所示。在前期軟件開發過程中，根據安全法規、整車功能、基本功能和其他控制器交互功能等各方面要求，形成系統需求和系統架構，然后分解軟件需求并進行軟件架構和詳細設計，然后借助Matlab/Simulink軟件工具建立控制模型并進行單元測試和回路模型(MIL)測試，待控制器樣機出來后生成初始的軟件代碼刷新到控制器中進行硬件回路(HIL)測試，對前期定義的需求進行測試，通過后進入到標定階段。

基于初版測試通過的軟件經過不斷優化，形成50%的標定數據發布支持臺架測試，主要實現變速箱基本功能、液壓層性能達到階段性目標。在發動機軟件和整車開發到達匹配階段后，在整車上開始性能標定，標定過程中要綜合考慮外部環境(溫度、路況)、駕駛員習慣(油門開度、制動)、發動機及周邊控制器狀態和變速箱狀態等參數，并進行不斷的優化，最終釋放階段性軟件供整車測試。在整車試驗過程中除了正常的耐久試驗，還需要經歷環境試驗(高寒、高熱、高原)適應性測試，不斷發布65%、80%、99%階段的數據，最終形成100%標定發布。

1.3 設計驗證及制造

1.3.1 試驗設計

在硬件和軟件設計初步完成后，除問題檢查及驗證除仿真外，還需要通過試驗進行驗證，試驗驗證分為臺架和整車兩部分。臺架試驗的工況包括輸入轉速、扭矩、時間等要素，工況設計需要對車輛負荷譜進行轉化，如圖8所示。

圖7 軟件開發流程

圖8 道路負荷譜原始數據

變速箱負荷譜是綜合考慮不同客戶的使用情況，對典型的道路和載重情況采集的一系列負荷數據的統計。采集的數據通過綜合計算，等效到整車的全壽命使用里程，并最終用于變速箱的設計分析和臺架試驗[2]。負荷譜一般情況下參考Miner疲勞累積計算公式轉化成試驗工況。

將負荷譜數據轉化到變速器得到和最大扭矩對應的最高轉速，表2為某DCT項目的臺架試驗工況。

表2 臺架試驗工況

除了臺架耐久試驗外，DCT的開發還需要進行性能試驗及整車試驗，表3為DCT的常規試驗清單。

表3 是雙離合器變速箱的常規試驗清單

針對試驗樣機及整車的制造、臺架資源的落實、整車試驗的安排以及試驗過程中發生的試驗問題報告(TIR)需要得到及時響應處理，這需要項目管理制定好詳細計劃，出現任何問題，都會造成項目時間的延遲。

1.3.2 變速箱的制造

DCT的變速箱量產制造除了需要考慮到傳統的機械加工及裝配之外，還要著重考慮清潔度及下線校驗問題。由于DCT的齒軸精度要求相對較高，所以對應的加工設備的先進程度及人員素質也相對較高，這就要求在試生產過程中通過小批量生產暴露一些加工問題，并不斷解決優化，直到產品穩定。同時，清潔度也是整個生產及裝配過程中的重要問題，這需要從工廠的整體環境、自制件加工后的清洗、外購件在供應商處的清潔度控制、以及進廠后零件的包裝、員工著裝等各方面來保證清潔度。為了確保變速箱清潔度的穩定，在后續生產中要定期抽檢進行測量。

下線檢測是變速箱出廠的最后檢驗手段，所以檢測臺架標準的設定直接關系到變速箱是否能夠順利下線，由于DCT在國內是相對比較前沿的技術，所以標準的制定需要樣本數的不斷積累和修正。

一款DCT的成功開發，除了本身零部件設計能力、制造能力、開發經驗、試驗能力、生產能力，以及質量保證能力外，零部件的供應商選擇也起著重要作用，考慮到DCT變速箱的部分零件要求比傳統的變速箱高，所以選擇實力較強的供應商，如離合器生產商博格華納、LUK等， TCU生產商BOSCH、聯合電子等。實力較強的供應商對后續試驗過程中發生的問題能夠很快找到原因并進行解決，能有效縮短試驗進度。

2 結論

DCT的開發對于自主品牌來說是新的嘗試，開發過程中遇到問題是不可避免的，本文結合上汽DCT項目的開發過程，對DCT速比的選擇、齒軸的設計、殼體的設計、潤滑系統、液壓系統等進行了介紹，同時對軟件的架構及開發過程進行了闡述，這對國內的變速箱的開發有一定的借鑒意義。