雙離合液力機械變速器結構設計

李永剛

（青島港灣職業技術學院，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）屬于機械傳動的范疇。GCT 的工作是由計算機控制，在升擋和降擋的過程中，計算機主要根據發動機的節氣門開度和汽車的行駛速度來控制變速器的升擋和降擋。本文根據目前部分采用GCT 的轎車，在低速區和滿負荷工況出現的頓挫、反映遲鈍的問題，研究了一種新型雙離合液力機械變速傳動裝置（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和滿負荷工況的打滑現象。

1 結構設計

1.1 工作原理

DCMT 有兩種傳動機構，分別是機械傳動機構和液力傳動機構[1]。圖1 的左側是機械傳動機構，發動的曲軸1 與機械傳動機構的殼體通過螺栓連接，機械傳動機構的殼體內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），鋼片內圈呈光壁狀。鋼片與機械傳動機構殼體內表面的內花鍵互相嚙合，摩擦片的內圈圓周均布花鍵，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，鋼片與機械傳動機構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 雙離合液力機械變速器工作原理

機械傳動機構的殼體內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構相似，由泵輪、渦輪和導輪組成[2]。泵輪與機械傳動機構的殼體焊接在一起，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 通過內外花鍵連接，曲軸驅動飛輪旋轉，飛輪帶動泵輪等速同向旋轉，泵輪內部的液力傳動油由泵輪內緣向外緣流動，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，當這個沖擊力克服渦輪及渦輪后傳動零部件的阻力時，渦輪開始旋轉，并將來自泵輪的旋轉力矩傳給變速機構的輸入軸2。變速機構的另外一個輸入軸1 與輸入軸2 的軸線重合，間隙配合。

1.2 設計方案

DCMT 采用Solidworks 軟件設計，在建立虛擬DCMT 樣機模型時，需要考慮以下6 個因素：①機械傳動與液力傳動之間不能出現運動干涉；②為了使DCMT 結構緊湊，液力傳動裝置和機械傳動裝置設計成一體；③液力傳動和液壓傳動所引起的滯后現象暫不考慮；④在DCMT 機械傳動機構中每組鋼片中設計一個蝶形鋼片[3]，該蝶形鋼片具有緩沖和減振作用，同時還可以傳力；⑤兩根傳動軸的剛度和強度必須達到汽車額定功率和扭矩；⑥液壓控制的油路盡量設計在兩根傳動軸內布置。

1.3 具體結構

圖2是基于Solidworks 軟件建立的DCMT 虛擬樣機模型，采用濕式多片離合器，離合器除外形尺寸較傳統自動變速器內部的摩擦片大。DCMT 采用電液控制，該控制系統由傳感器、電控單元、執行元件組成：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，當離合器C1 的油路開通時，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，從而實現了傳力的作用；當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位，鋼片和摩擦片之間摩擦力逐漸減小。另外，DCMT 能實現擋位預選模式，當變速器處于某一擋位時，相鄰的擋位傳動提交提前做好準備，擋位預選模式大大縮短擋位切換時間，使得換擋操作更加輕便快捷。

圖2 雙離合液力機械變速器

雙離合液力機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、渦輪和導輪組成。發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 結構更加緊湊，離合器殼體與渦輪殼體通過螺栓連接成一體。離合器殼體內部由兩個離合器，每個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構花鍵連接，內緣呈環狀與從動機構間隙配合；摩擦片內緣凸起呈花鍵形狀與從動機構花鍵連接，外緣呈環狀與主動機構間隙配合。也就是說鋼片與離合器殼體通過花鍵連接在一起，而摩擦片與變速機構輸入軸通過花鍵連接在一起。當離合器C1 油路導通，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，從而實現了傳力的作用。當離合器C1 油路斷開時，活塞在回位彈簧的作用下恢復到原來的位置，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。液力傳動機構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 可以實現液力傳動控制模式和機械傳動控制模式，這兩種模式均為電液控制：前者主要應用在汽車低速工況，如車輛起步、車輛爬坡和重載工況等大負荷工況；后者主要應用在中、高速工況。離合器C1 工作時可以實現一擋、三擋、五擋和倒擋的功能，離合器C2 可以實現二擋、四擋、六擋的功能。

汽車起步時，離合器C1 和離合器C2 不工作，曲軸帶動飛輪旋轉，離合器殼體和泵輪隨著飛輪一起旋轉，泵輪內部的液力傳動油由內緣流向外緣，流動的液力傳動油作用在渦輪的外緣，當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，渦輪及后部的傳動零部件開始旋轉，實現汽車起步。當汽車車速和發動機的速度等參數達到一擋的條件時，離合器C1 工作，來自發動機的動力通過離合器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 可以實現預選模式，汽車在一擋工作的時候，二擋的接合套同步工作，二擋齒輪處于嚙合工況。雖然傳動機構具備二擋的條件，但是二擋不傳力，只是為實現二擋做準備。

隨著發動機的轉速不斷上升，汽車的車速也同步提升。當達到一擋升二擋的基本條件，ECU 發出指令，切斷一擋同步器電路，實現二擋。與此同時，ECU 發出指令，接通三擋同步器工作電路，三擋接合套預接合。在汽車升擋和降擋過程中，DCMA 采用預選擋模式大大縮短了換擋時間。

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，ECU 發出指令，接通4 擋同步器電路。當達到4 擋條件時，ECU 發出指令，切斷5 擋同步器電路的同時接通3 擋同步器電路，3 擋實現預選擋工況。DCMA 主要依靠加速踏板位置傳感器、車速傳感器、發動機轉速傳感器和擋位開關等參數，如果踩加速踏板，DCMA 就會進入升擋工況，當駕駛員踩下制動踏板時DCMA 就進入降擋工況。當汽車在起步、車輛爬坡和重載工況等大負荷工況時，DCMA 會進入液力傳動模式。汽車進入液力傳動模式時，發動機輸出力矩傳給泵輪，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 試驗結果

為驗證DCMT 產品的可行性，研究小組在Matlab/Simulink環境下，建立DCMT 動力學模型和發動機動力學模型。采用Matlab 軟件，把相關參數錄入系統，建立Simulink 仿真模型（圖3）。研究發現，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。在滑摩仿真實驗中，鋼片、摩擦片之間傳遞動力正常，沒有出現打滑、頓挫、反應遲緩的現象。

圖3 雙離合液力機械變速器換擋動力學原理

在以上研究的基礎上，建立DCMT 仿真模型，并對DCMT 進行簡化。研究小組在不同工況及不同換擋模式下，以車輛起步工況進行測試，在0～45 s，每隔5 s 統計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，研究結果見圖4。本次實驗證明：采用機械傳動換擋模式切換擋位時，45 s 之內汽車燃料消耗量為61.66 mL；采用液力傳動換擋模式切換擋位時，45 s 之內燃料消耗量為93.41 mL；采用雙離合液力機械傳動換擋模式切換擋位時，45 s 之內燃料消耗量為89.78 mL。仿真結果表明，采用DCMT 傳動模式在經濟性方面較液力傳動模式提高了3.94%。

圖4 3 種傳動機構換擋的耗油量曲線