雙離合自動(dòng)變速器研究現(xiàn)狀與展望

袁 韶，張廣輝，趙振東，吳金國(guó)

（1.南京工程學(xué)院 汽車與軌道交通學(xué)院，江蘇 南京 211167；2.南京奧吉智能汽車技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 211000）

目前變速器市場(chǎng)，手動(dòng)變速器（Manual Transmission, MT）發(fā)展的時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)也最成熟，其存在缺點(diǎn)，即換擋過(guò)程不傳遞動(dòng)力，對(duì)加速性能和乘坐舒適性影響很大。自動(dòng)變速器換擋平穩(wěn)，整個(gè)過(guò)程動(dòng)力無(wú)中斷，加速性能和乘坐舒適性表現(xiàn)良好。因?yàn)樾阅軆?yōu)越，簡(jiǎn)單易上手，近些年來(lái)自動(dòng)變速器的普及率已超過(guò)手動(dòng)變速器，且兩者差距逐年擴(kuò)大。在自動(dòng)變速器中，雙離合自動(dòng)變速器（Dual Clutch Transmission, DCT）性能最好。DCT以MT的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為原型，對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，是MT的改良版，因此它有和MT一樣的高傳動(dòng)效率。DCT相比無(wú)級(jí)變速器（Continuously Variable Transmission, CVT），動(dòng)力性更好，相比液力自動(dòng)變速器（Automatic Transmission, AT）燃油經(jīng)濟(jì)性更好，相比電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automated Mechanical Transmission, AMT）換擋性能更好，能帶來(lái)更好的駕駛體驗(yàn)。

自誕生以來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷的技術(shù)革新，車輛產(chǎn)品性能不斷提高，搭載了DCT的車輛性能顯著高于搭載了其他變速器的車輛性能。如今，汽車廠商不斷加大對(duì)DCT的研發(fā)力度，未來(lái)市場(chǎng)空前廣闊。

1 DCT工作原理

為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性換擋，將擋位分為奇數(shù)擋（I、III、V擋）與偶數(shù)擋（II、IV擋）分散布置，I、III、V擋與離合器 C1相連，II、IV擋與離合器C2相連。如圖1所示。

圖1 DCT工作原理圖

1.1 起步過(guò)程

車輛靜止時(shí)，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)動(dòng)力傳遞。車輛緩慢起步時(shí)，傳感器自動(dòng)收集各類控制信號(hào)并實(shí)時(shí)傳遞數(shù)據(jù)給自動(dòng)變速箱控制單元（Transmission Control Unit, TCU），TCU發(fā)出車輛動(dòng)作指令，控制自動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)換擋，使I擋齒輪提前嚙合，然后控制離合器C1接合，實(shí)現(xiàn)車輛緩慢起步。

1.2 換擋過(guò)程

TCU對(duì)每個(gè)擋位換擋臨界點(diǎn)預(yù)設(shè)了一個(gè)車速值。車輛I擋行駛，加速到預(yù)設(shè)的II擋換擋臨界點(diǎn)車速時(shí)，TCU開(kāi)始介入，提前換入II擋。繼續(xù)加速達(dá)到II擋換擋點(diǎn)時(shí)，離合器C1逐漸分離直至完全分離，同時(shí)離合器 C2逐漸接合直至完全接合，即換入II擋。以上為一個(gè)完整的換擋過(guò)程。換擋過(guò)程中控制好兩個(gè)離合器的扭矩重疊，即可迅速完成換擋，其余擋位換擋過(guò)程類似。

2 DCT分類及特點(diǎn)

DCT按結(jié)構(gòu)可分為濕式和干式兩種。

2.1 濕式DCT的特點(diǎn)

濕式DCT浸泡在充滿液壓油的密閉容腔中，離合器摩擦片接合和分離過(guò)程中產(chǎn)生滑磨功，冷卻油將熱量帶走，使摩擦片降溫，保證離合器正常的工作。密閉的工作環(huán)境，能有效隔絕外部污染源的影響，同時(shí)也決定了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也帶來(lái)了較高的成本，大規(guī)模的應(yīng)用也因此受限。

2.2 干式DCT的特點(diǎn)

干式 DCT滑磨過(guò)程中生成的熱量難以散發(fā)，完全依靠風(fēng)冷散熱，熱量全部散失需要等待的時(shí)間較長(zhǎng)。因此，干式DCT不適用于長(zhǎng)時(shí)間接合、滑磨生成熱量多的工況。表1為濕式和干式DCT的性能對(duì)比。

表1 濕式和干式DCT性能對(duì)比

3 DCT研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[6]提出了一種平滑換擋控制技術(shù)，獲得了30 ℃到120 ℃的液壓油溫范圍內(nèi)的平滑換擋特性。文獻(xiàn)[7]研制了一種雙離合變速器換擋控制器，可在升降擋階段更好控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞。文獻(xiàn)[8]詳細(xì)分析了雙離合自動(dòng)變速器的換擋過(guò)程，研究了DCT換擋過(guò)程中離合器的工作狀態(tài)。文獻(xiàn)[9]等建立了 DCT整車動(dòng)力學(xué)模型和控制邏輯，以此分析了DCT中離合器分離和接合的規(guī)律。文獻(xiàn)[10]等提出了一種新的分別估計(jì)每個(gè)離合器扭矩的算法。文獻(xiàn)[11]等分析了DCT換擋過(guò)程，建立了DCT車輛動(dòng)力系統(tǒng)的三維離合器模型和數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[12]等采用最優(yōu)控制分配為雙離合自動(dòng)變速器的換擋制定了控制策略。文獻(xiàn)[13]等提出了一種基于速度和轉(zhuǎn)矩狀態(tài)反饋的換擋控制策略，對(duì)改善換擋品質(zhì)有一定的效果。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

過(guò)學(xué)迅等建立了雙離合器分離、接合的控制邏輯，設(shè)計(jì)了基于模糊控制的換擋方法。楊昭分析了DCT升降擋過(guò)程中離合器的控制策略，對(duì)換擋品質(zhì)及評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了研究。姚曉濤等提出了基于發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速與雙離合器同時(shí)參與起步過(guò)程的控制方法。張丙玉提出了動(dòng)態(tài)調(diào)整起步目標(biāo)轉(zhuǎn)速的方法，不僅滿足車輛起步動(dòng)態(tài)響應(yīng)，也提高了起步的平順性。楊光春制訂了雙離合器聯(lián)合參與起步的控制策略，標(biāo)定了雙離合器同時(shí)起步的模糊控制策略。羅勇提出了考慮駕駛員起步意圖識(shí)別的起步控制策略。郝洪濤提出了一種基于摩擦參數(shù)估計(jì)的換擋控制方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了改善DCT換擋品質(zhì)的有效性。

4 DCT發(fā)展趨勢(shì)

DCT產(chǎn)品不斷升級(jí)與發(fā)展是為了提高產(chǎn)品性能，使之更智能化、輕量化。發(fā)展至今，DCT的各項(xiàng)性能已經(jīng)和 AT相當(dāng)，并且燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于AT。

4.1 DCT市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

當(dāng)前自動(dòng)變速器是我國(guó)變速器市場(chǎng)的主流，且市場(chǎng)規(guī)模逐年擴(kuò)大。DCT優(yōu)異的性能表現(xiàn)使之在自動(dòng)變速器領(lǐng)域也處于領(lǐng)先地位。

各類變速器市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)如表 2所示。因?yàn)椴僮麟y度大，長(zhǎng)時(shí)間駕駛易產(chǎn)生疲勞等缺點(diǎn)，傳動(dòng)手動(dòng)變速器的市場(chǎng)占比已遠(yuǎn)不如自動(dòng)變速器。自動(dòng)變速器中，AMT因換擋過(guò)程不傳遞動(dòng)力，且頓挫感明顯，影響了消費(fèi)者的駕乘體驗(yàn)，因此市場(chǎng)占比最少。其中，DCT市場(chǎng)占比的上升幅度很大，有超過(guò)AT的趨勢(shì)。

表2 各類變速器市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

4.2 DCT系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

DCT系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，可以歸納為以下幾個(gè)方面：

（1）噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise Vibration Harshness, NVH）性能更優(yōu)化：優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)和軟件控制邏輯進(jìn)而提高變速器的 NVH性能水平，表現(xiàn)為降低換擋時(shí)撥叉雜音和踩油門(mén)過(guò)程中的爆震噪音，為乘客帶去更舒適的乘車體驗(yàn)。

（2）控制系統(tǒng)智能化：車輛運(yùn)行狀況受外界影響一直在動(dòng)態(tài)變化，因此需要控制系統(tǒng)自學(xué)習(xí)，對(duì)這些變化作自適應(yīng)調(diào)整，提高駕乘感受；控制系統(tǒng)能優(yōu)化調(diào)整兩個(gè)離合器的扭矩重疊，最大程度縮短換擋時(shí)間，提高換擋品質(zhì)。同時(shí)對(duì)換擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，避免意外換擋或錯(cuò)誤換擋。

（3）機(jī)電一體化：機(jī)電一體化是汽車發(fā)展的必然趨勢(shì)，電子部件取代了原有的機(jī)械部件，其中較為典型的是線控?fù)Q擋技術(shù)，減少了換擋過(guò)程接觸的機(jī)械零件數(shù)，防止駕駛過(guò)程中誤操作，提高換擋效率。

（4）系統(tǒng)高度集成化：傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件繁多，將一些關(guān)鍵部件如液壓閥、傳感器等集成為一體，對(duì)繁雜的電路、線束進(jìn)行封裝。既節(jié)省了內(nèi)部空間，便于拆裝，又避免了線束之間的信號(hào)干擾，提高了可靠性。

5 DCT的關(guān)鍵技術(shù)與問(wèn)題

DCT在許多方面的性能表現(xiàn)都已經(jīng)十分優(yōu)異，但是在產(chǎn)品研發(fā)改進(jìn)中，也存在著許多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。

5.1 DCT關(guān)鍵技術(shù)

5.1.1 雙離合器模塊的開(kāi)發(fā)

我國(guó)汽車工業(yè)起步相較國(guó)外晚許多，技術(shù)也落后于國(guó)外。雙離合器模塊是DCT的核心部分，對(duì)DCT性能好壞起關(guān)鍵性作用。此項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)目前主要掌握在美國(guó)的博格華納公司和德國(guó)的舍弗勒集團(tuán)。因此，國(guó)內(nèi)企業(yè)需要將研發(fā)重點(diǎn)投入到該領(lǐng)域，打破國(guó)外的壟斷地位。

5.1.2 熱管理系統(tǒng)的研究

DCT變速箱工作過(guò)程中，會(huì)通過(guò)以下途徑產(chǎn)生熱量：（1）齒輪互相嚙合；（2）離合器滑磨做功；（3）電磁閥通電工作；（4）液壓油流經(jīng)管道。這些熱量如果不能及時(shí)散發(fā)，就會(huì)降低變速箱的工作效率。因此，需要研發(fā)一套高效的熱管理系統(tǒng)，及時(shí)對(duì)變速箱工作過(guò)程中產(chǎn)生的這些熱量進(jìn)行冷卻，最大程度提高變速箱的效率。

5.1.3 起步控制策略

DCT車輛通過(guò)離合器傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，因此，對(duì)其起步時(shí)離合器的接合速度等特性進(jìn)行研究十分重要。通過(guò)小位移控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、模糊 PID算法等實(shí)現(xiàn)離合器的分離與接合，不僅容錯(cuò)率高，自適應(yīng)性也好。不斷提出各種先進(jìn)控制理論用于車輛起步控制，能在很大程度上提高車輛的起步性能。

5.1.4 智能換擋規(guī)律

自動(dòng)變速器傳統(tǒng)的換擋規(guī)律完善，前提是要求被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型十分精確，才能對(duì)其準(zhǔn)確求解，實(shí)際中往往很難做到這點(diǎn)。因此，如何使變速器根據(jù)駕駛員意圖和駕駛環(huán)境進(jìn)行智能換擋值得深究。

如今，制定換擋規(guī)律過(guò)程中集成了多種先進(jìn)控制理論，其中較為典型的有模糊控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論。車輛行駛過(guò)程中，使用模糊規(guī)則相對(duì)來(lái)說(shuō)最容易體現(xiàn)駕駛員的駕駛經(jīng)驗(yàn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很強(qiáng)的非線性映射性便于從數(shù)據(jù)中提取一定的邏輯規(guī)律，有利于智能換擋系統(tǒng)研究。

先進(jìn)控制理論的應(yīng)用對(duì)智能換擋規(guī)律的制定大有裨益，在研究開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，需要集思廣益，不斷創(chuàng)造出愈加先進(jìn)的控制理論。

5.2 DCT常見(jiàn)問(wèn)題

5.2.1 傳感器故障

油液溫度傳感器因產(chǎn)生故障誤判油溫信息，并將錯(cuò)誤的信號(hào)傳遞給電控單元，致使變速器開(kāi)啟保護(hù)模式，正常行駛的車輛忽然失去動(dòng)力，影響了行車安全。

5.2.2 換擋異響

在城市道路上行駛遇到堵車時(shí)，需要頻繁換擋。在換擋時(shí)，離合器反復(fù)進(jìn)行摩擦，油壓不穩(wěn)定導(dǎo)致?lián)Q擋撥叉在切換時(shí)會(huì)出現(xiàn)很明顯的響聲。

5.2.3 低速頓挫

車輛低速行駛時(shí)，傳動(dòng)比的變化較大，扭矩波動(dòng)明顯。因?yàn)闆_擊度與變速器輸出扭矩變化率成正比，所以車速越低、檔位越低，頓挫就越嚴(yán)重。

目前，針對(duì)上述問(wèn)題，汽車廠商給出的維修方案通常是（1）刷新變速器軟件；（2）更換離合器總成。

6 結(jié)語(yǔ)

DCT變速箱里的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)手動(dòng)擋類似，因此擁有良好的生產(chǎn)繼承性，可以很好的保護(hù)現(xiàn)有的手動(dòng)變速器生產(chǎn)資源，適合我國(guó)國(guó)情。

DCT因其優(yōu)異的性能表現(xiàn)被越來(lái)越多的人們所認(rèn)知并接受。但是，DCT也存在著諸如換擋異響、低速頓挫、傳感器存在故障等問(wèn)題，技術(shù)并不是特別成熟，可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。隨著科研人員對(duì)DCT關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，未來(lái)DCT將會(huì)不斷發(fā)展，其綜合性能也將持續(xù)提高，市場(chǎng)占有率也將達(dá)到一個(gè)新的高度。