新型雙離合器自動變速器的結構與故障分析

劉占旗

（三峽大學機械與動力學院，湖北 宜昌 443002）

1 研究背景

在現代車輛上，自動變速器是一種必備構件，但是以往都是行星齒輪結構的變速器，這種變速器存在結構復雜、控制難度大等問題。近年來，一種新型的機械變速器被廣泛應用，其關鍵技術是在機械變速器中增加一種雙離合器。我國在新型雙離合器技術應用上與歐美等發達國家相比，還存在許多不足和亟待改善的地方，因此對新型雙離合器結構的研究分析顯得尤為重要。

1.1 國外研究現狀

雙離合器自動變速器技術是在1939年由德國的Kegresse.A 提出來，因為當時控制技術尚未成熟，導致該技術并未大量投入到車輛生產中去。在20世紀80年代，保時捷公司研發了僅在賽車上應用的雙離合器自動變速器，這一變速器的研發解決了變速器在工作中的動力傳遞問題。1999年美國伯格華納和德國大眾兩公司共同設計開發了直接換擋變速器（DSG），2003年推廣并普及到其他車型上。2005年Ricardo公司研發了7擋DCT，2008年舍弗勒集團和大眾公司共同合作設計出7擋干式雙離合器變速器。截至2009年，DCT技術應用在歐洲乘用車上的占比達到9.9%，目前國外汽車公司大量生產裝配DCT技術的車型[1]。

1.2 國內研究現狀

由于國內車輛領域起步較晚，DCT技術的設計和研發與國外相比要晚。我國的DCT技術在2002年開始研發，2006年國家將DCT技術列入“十一五”國家“863計劃”重點項目，2009年吉利集團生產出第一款7擋的雙離合器自動變速器。國內DCT研發方面與發達國家之間還有很大差距。雖然國家大力扶持車輛技術開發，國內也有很多科研機構也在不斷探索研究自動變速器的核心技術，但是這一技術的應用還沒有到達完全成熟的階段。

2 DCT離合器的結構及工作原理

2.1 DCT的組成系統

離合器系統，DCT的離合器系統分為干式和濕式離合器。干式離合器的從動部分轉動慣量很小，具有轉矩過載保護功能，結構組成簡單容易調整，同時它的造價還比較低，具有高效率等優點。濕式離合器的結構同樣簡單易操作，它的壓力和摩擦力都很均勻，控制性能好[2]。

液壓控制系統是雙離合器控制部分，由冷卻部分和換擋機構控制部分組成。在DCT系統中，增加自動換擋機構可以實現自動換擋。離合器進行滑差控制時定會產生熱而導致油液溫度升高，此時要提供專門的冷卻油路散熱，否則必然縮短離合器的使用壽命。

扭轉減振器系統，當車輛加速時，或者掛擋正常行駛需要制動時，發動機的動力對于傳動軸，以及制動時車身慣性對發動機的反作用力，這些力都會集中到離合器摩擦片上。因此將DCT的動力輸出件的慣性和飛輪轉動慣量匹配起來設計扭轉減振器。為了提高駕駛員和乘坐人員的舒適性，采用雙質量飛輪式的扭轉減振器。這種扭轉減振器對降低彈簧的硬度和剛度方面有很好的作用[3]。

電子控制系統，由電子控制單元、執行器和傳感器組成。電子控制單元可以對各個傳感器輸入的信號進行及時分析和處理。傳感器可以把各種行駛環境和狀態轉變為電信號輸送給電子控制單元。執行器會對電子控制單元輸出的信號迅速做出反應。雙離合自動變速器的電子控制系統可以預先將一系列指令程序儲存在ECU程序存儲器中，電子控制單元在收到了傳感器傳來的電信號之后及時做出相應的反應[4]。

2.2 DCT離合器的換擋工作原理和原理分析

將變速器擋位按照奇數擋和偶數擋分開定義，兩個離合器分別與兩個輸入軸連在一起，如果離合器1通過實心軸與1、3、5擋接合，那么2、4、6擋就只能接合在離合器2上。當車輛在停車的狀態下，兩個離合器都是常開式，此時不傳遞動力。在車輛開始起步時，離合器1就會開始分離，此時擋位處于1擋，接著離合器1接合，車輛完成起步工作。車輛加速時，到達接近2擋的換擋狀態時，在自動換擋機構的作用下，能夠將擋位超前接入到2擋。以下是對其不同換擋階段進行的說明分析[5]。

處于第一階段時，偶數擋4擋正常傳遞動力。通過傳感器接收外部環境然后電子控制單元做出判斷和分析，這樣會根據駕駛環境和駕駛員指令判斷車輛要切換的擋位，車輛加速時，就可以切換到5擋，車輛減速時，就會切換到3擋。

處于第二階段時，傳遞動力的擋位在4擋上，此時提前掛上奇數擋5擋，處于4擋轉矩相。自動變速器的電控單元根據其傳感器接收的信號進行判斷，確定切換到5擋；可是5擋和離合器1接合在一起，此時的離合器1不傳遞動力，因為離合器1處于分離狀態下，因此可發出命令讓自動換擋機構提前切換到下一個擋位奇數擋，這時候動力仍是通過4擋傳遞扭矩。

處于第三階段時，奇數擋位5擋和偶數擋4擋共同工作傳遞扭矩，此時處于4擋慣性相。車輛的運行狀態需要換奇數擋的時侯，此時就會將離合器2逐漸分離開，同步將離合器1逐步接合在一起，這時候傳遞扭矩的是偶數擋4擋和奇數擋5擋。

處于第四階段時，奇數擋位5擋剛剛開始傳遞扭矩，此時偶數擋4擋尚未摘擋。兩個離合器的動力切換一旦完成后，離合器2完全分離，離合器1完全接合，離合器1動力傳遞完成，這時5擋處于傳遞扭矩的狀態下，偶數擋4擋未完全摘擋，但是不再進行動力傳遞。

2.3 雙離合器自動變速器的動力傳遞

各個擋位的動力傳遞：1擋的動力傳遞是由外部離合器傳遞到內部驅動軸，然后到輸出軸1，最后到差速器。2擋的動力傳遞是由內部離合器先傳遞到外部驅動軸，然后傳給輸出軸1，最后到達差速器。3擋的動力傳遞路線是通過外部離合器傳遞給內部驅動軸，再通過輸出軸1把動力傳遞給差速器。4擋的動力傳遞是由內部離合器傳遞給外部驅動軸，外部驅動軸傳遞給輸出軸1，最后把動力傳遞給差速器。5擋的動力傳遞則是由外部離合器傳遞到內部驅動軸，內部驅動軸接著把動力傳遞給輸出軸2，最后動力到達差速器。6擋的動力傳遞是通過內部離合器把動力傳遞到外部驅動軸上，再通過外部驅動軸把動力傳遞給輸出軸2，最后傳遞動力到差速器。倒擋的動力傳遞是通過外部離合器傳遞給內部驅動軸，再傳遞給倒擋軸，倒擋再把動力傳遞給輸出軸2，最后同樣傳遞給差速器[6]。

2.4 DCT離合器結構特點

新型雙離合器自動變速器在工作中具有以下四個特點：1）雙離合變速器換擋快，換擋間隔時間非常短。換擋時不會產生沖擊力，在操作舒適性上有很大的提高。2）雙離合器變速器沒有液力變矩器，變速部分和MT大致相同，因此傳遞效率很高，雙離合是采用TCU自動控制，動力傳遞過程中動力損失很小。3）雙離合器自動變速器油耗低。雙離合變速器在換擋時需要的時間非常短，能量損失少。4）雙離合器自動變速器是在原有手動變速器基礎上改進的，結構簡單緊湊[7-8]。

3 DCT的主要控制技術

離合變速器在工作時存在傳遞重疊區，在雙離合器換擋時要非常精確，從而延長離合器的壽命。控制不當就會使傳動系統產生很大的沖擊，造成摩擦片溫度升高，產生變形損壞，最終導致工作壽命的縮短[9]。

3.1 起步控制

在車輛剛起步的時候會有兩種起步控制技術。車輛起步自動掛1擋，此時只有一個離合器參與起步。這就會帶來兩個離合器壽命不一樣的問題。為了解決這一問題，在起步時先讓換擋機構一同掛上1擋和2擋，接著按照駕駛員意愿，根據當時的工作情況讓其中一個離合器分離，另一個繼續接合工作實現車輛平穩起步[10]。

3.2 跳擋控制

DCT離合器可以突然完成跳擋，解決了在換擋時升降擋這一問題。加速換高擋時，由于路面存在的摩擦阻力和其他因素會導致車速下降，離合器控制系統必須要根據各種信號來改變擋位或者保持擋位不變，避免產生隨意換擋現象。

3.3 升降擋控制

在升擋的時候，控制系統會讓離合器I分離，離合器II接合在一起。在換擋的時候，離合器I停止供油開始分離，但是離合器II是在正常工作的，隨著油壓不斷增加就可以減小甚至消除摩擦片之間的間隙。所以這一結構可以讓雙離合器自動變速器在不切斷動力傳遞的情況下完成換擋。

4 DCT離合器系統故障分析

4.1 發動機故障

在車輛行駛過程中，發動機產生的故障大部分是由于下面四個原因造成的：車輛工作時發動機的轉速、發動機中冷卻液的溫度、加速踏板和蓄電池。這四個部分如果有一個發生故障，發動機必然不能直接有效地控制DCT正常工作。

4.2 TCU故障

自動變速箱控制單元產生的故障可分為以下四點：1）自動變速箱上分布著多個傳感器，傳感器在接收上容易出現問題；2）控制單元核心處理器被破壞，會直接造成系統癱瘓；3）控制器局域網絡信號產生故障，會造成通信網絡系統無法正常工作；4）自動變速箱上容易產生軟件問題，軟件故障會造成程序死機等狀況。

4.3 DCT傳感器故障

新型雙離合器自動變速器的電子控制系統中需要多個傳感器來接收和轉化信息，傳感器又是容易發生故障的部件，這就會大大增加傳感器的故障頻率，不同位置的傳感器發生故障會造成不同程度的影響。

5 DCT故障的解決方法

5.1 信號處理方法

當發動機信號故障時：1）在檢測之后標注故障發生的部位。2）將產生故障部位的代碼記錄下來并且保存，然后把故障燈打開。運用DCT中的執行機構對產生故障的部位進行診斷處理。3）讓車輛保持在4擋的速度下正常運行，這是為了減少車輛的負荷，然后慢慢地降低車速，直到最后停止運行。

5.2 冗余處理方法

當發生故障的部位是溫度傳感器時，這種故障產生的因素包括變速器潤滑油溫度傳感器發生故障和離合器的溫度傳感器發生故障。要把DCT系統中的溫度作為變速器潤滑油溫度。CAN發生故障時，假如車輛處于還沒有啟動的狀態，應該立刻停止工作。假如車輛在運行狀態下，必須立刻分離離合，讓車輛切換到空擋并緩慢停止下來。

6 總結

新型雙離合器自動變速器由于其燃油經濟性優良、換擋時間很短、駕駛員的駕駛感覺舒適等特點被普遍應用到車輛行業。同時其缺點在零部件生產及車輛工作中也表現了出來，如生產成本、扭矩問題以及使用大量電子元件增加了故障出現的概率。DCT所表現出來的優劣與其結構組成是緊密相連的。本文通過分析新型雙離合器自動變速器的結構系統和工作原理，總結了容易發生的故障，最后提出了幾點解決辦法，為同行業研究提供參考。