双离合器自动变速器DCT的结构特点与工作原理分析图文精.docx
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双离合器自动变速器DCT的结构特点与工作原理分析图文精
机械传动2008焦文章编号:
1004—2539（2008106一0094—04
双离合器自动变速器DCT的结构特点与工作原理分析
王传金1、2唐进元1李培军2武军2
（1中南大学机电J:
程学院.湖南长沙410083
（2重庆青山工业有限责任公司,重庆402761
摘要对双离合器自动变速器DCT的结构特点与工作原理进行分析,双离合器自动变速器DCr采用了2个离合器,将原平行轴式手动变速器档位与2个离合器重新进行了配置,当车辆以某一档运行时,将下一个档位实行预先啮合挂档,车辆达到换档点后只需切换2个离合器的动作即可完成换档。
双离合器自动变速器DCr拥有手动变速器传动效率高、成本低及自动变速器良好的燃油经济性、动力性与乘坐的舒适性的特点,可提供无间断的动力输出。
关键词自动变速器双离合器手动变速器离合器
引言
随着车辆操纵系统自动化的快速发展,自动变速器正呈现蓬勃发展的态势。
汽车自动变速器主要有液力机械式自动变速器（AT、无级变速器（CVTrlJ以及近几年国内外正在研究的机械式自动变速器（AMT与双离合器自动变速器DCT（简称DCr变速器。
由于DCT变速器具备汽车工业发展所要求的高燃油经济性、低排放、良好舒适性和可继承现有手动变速器生产投资的优点,逐渐受到了国内外各大汽车厂家的重视L2J,本文将对DCT变速器的工作原理与结构特点进行分析,并对产业化中的难点进行探讨。
1DCT变速器的工作原理分析
1.1换档工作过程
图1所示为一个较典型的DCT变速器的结构原理图。
为了实现动力换档,将原有手动变速器档位按奇数档（1、3、5档与偶数档（2、4、6档分开布置,并分别与2个干式离合器相连。
其1、3、5档与离合器cl联结在一起,而2、4、6档联结在离合器c2上。
离合器Cl的输出为变速器输入轴IrI'l,是一根实心轴;而离合器C2的输出轴为变速器输入轴IT2,是套在Cl输出外面的一个空心轴,两根轴是同心的。
在车辆处于停车状态时,C1、C2两个离合器都是常开式的,即在平时两个离合器均处于分离状态,不传递动力。
当车辆起步时,因c1分离,自动换档机构将档位切换为l档,然后离合器Cl接合,车辆开始起步运行,这时的控制过程与电控机械式自动变速器AMT类似【3I。
车辆换入l档运行后,因为此时离合器C2处于分离状态,不传递动力,当车辆加速,达到接近2档的换档点时,自动换档机构可以将档位提前换入2档,离合器cl开始分离,同时离合器c2开始接合,2个离合器交替切换,直到离合器cl完全分离,离合器c2完全接合,换档工作过程结束,进人正常运行状态。
现就其换档过程[。
]进行介绍。
第一阶段:
偶数档4档,处于正常传递动力阶段,如图2所示。
图1Dcr变速器结构原理图
离合器c2结合,4档处于正常传递动力阶段。
自动变速器的电控单元可以根据相关传感器信号获取车辆所处的当前运行状态,进而判断车辆即将进人的档位,如果车辆加速,则下一个档位为5档,如果车辆减速,则下一个档位为3档。
第二阶段:
动力传递在档位4档上,而预先挂上奇数档5档,处于4档转矩相,如图3所示。
电控单元根据其判断,确定下一个档为5档;而5档联接在离合器Cl上,该离合器Cl处于分离状态,不传递动力,故可通过指令使其自动换档机构预先换入下一个档位奇数档,其动力仍是4档在传递扭矩。
第三阶段:
偶数档位4档与奇数档位5档共同传递扭矩阶段,处于4档惯性相,如图4所示。
当车辆运行状态达到换奇数档点时,将正在工作的离合器c2逐步分离,同时将另一个离合器c1逐步接合,其两个离合器均处于传递扭矩阶段,这其中很重要的是2个离合器的动力切换时序精确控制与切换时
机配合。
故此时是4档与5档共同传递扭矩。
万方数据
第32卷第6期双离合器自动变速器DCT的结构特点与亡作原理分析
图2偶数档图3偶数档转矩相,预挂奇数档
图4偶数档惯件相,
图5奇数档转矩相
挂奇数档同步
第四阶段:
奇数档位5档传递扭矩阶段,偶数档位4档尚未摘档,处于5档转矩相,如图5所示。
当2个离合器的动力切换完成后,离合器c2彻底分离,离合器cl完全接合,整个动力传递完伞由离合器cl完成,故5档处于传递扭矩阶段,而4档不再进行传递动力,但其4档还尚未摘档。
第五阶段:
奇数档位5档,处于正常传递动力阶段,如图6所示。
完成动力传递切换后,自动换档系统通过指令使其4档退出,其摘档后将进入空档状态。
此时,5档处于正常传递动力阶段。
车辆继续运行,其他档位的换档切换过程类似,但当5档需要减档到1档时,则通过5档减到偶数档位（4档或2档,再由偶数档减到l档;当6档需要减档到2档时,则通过6档减到奇数档（5档或3档,再由奇数档减到2档。
总之,其换档过程只能通过奇数档位与偶数档位间的切换,其具体应由控制策略根据道路状况、运行工况来决定。
1.2双离合器动力切换控制
在奇数档位与偶数档位的换档过程为动力换档,其发动机的动力始终不断地被传递到车轮上,在2个离合器切换过程中其动力传递同AT自动变速器一样,必然存在工作重叠的部分,其离合器控制压力的切换过程如图7所示。
控制好离合器cl与c2的配合时序,是双离合器控制策略中最重要的问题之一。
如果2个离合器重叠量过大,则会出现双锁死的情况,将产生破坏作用;如果2个离合器重叠过小,则仍会出现少量动力切换中断。
所以需要对2个离合器的工作进行精准控制与调节f5|。
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图6奇数档图7双离合器切换控制切换过程在车辆起步、爬行等工况中,也可利用滑差控制。
其控制目标是保证起步过程离合器结合的平顺性,延长离合器使用寿命,减小发动机输出转速波动。
起步过程受外界工况条件、驾驶员操纵意图、车辆运行状况等因素的影响,应根据节气门开度、节气门开度变化率、发动机转速、输入轴转速以及发动机转速与输入轴转速差等参数确定离合器的接合速度和行程,并对油门开度加以控制,满足车辆乘坐舒适性和离合器使用寿命的要求【61。
1.3换档控制
DCT变速器通过两个离合器的匹配切换实现换档动作,换档迅速平稳,换档时间可达到0.03s一0.05s,驾驶者不会有任何感觉。
在换档过程中,发动机输出动力始终不断地传递到车轮上,实现动力换档,保证车辆具有良好的加速性能【7|。
图8所示为DCT变速器的换档特性仿真曲线旧J,可以看出,车辆在换档过程中,加速度稍有波动,但时间极短,换档冲击很小。
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图8换档特性仿真曲线
DET变速器很容易实现手自一体功能,驾驶者可通过触摸式按钮实现手动强制换档,增加了驾驶乐趣。
DCT变速器在档位切换时,其同步器的同步结合过程时间极短,对同步性能要求很高;又需要实现自动化操作,而它的工作原理和结构设计与电控机械式自动变速器中的换档机构控制部分相同。
故可通过电机控制同步换档系统实现换档,只需增加自动换档机构
来完成换档任务,通常使用多个换档油缸或电机直接万方数据
机械传动2008正
控制每一个同步器,其控制过程与AMT类似。
1.4扭转减振与冲击控制
传动系统换档前后速比发生了突变,必然产生扭转振动冲击,减小换档过程振动冲击的方法主要有发动机扭矩控制、离合器滑摩控制和扭转减振器吸振控制。
由于换档过程时间很短,发动机扭矩控制受到一定限制。
其最有效的办法是离合器滑摩控制和扭转减振器吸振控制。
离合器滑摩控制是实现车辆平稳起步、低速爬行及换档过程双离合器平滑切换的必要条件,但它是以延长换档时间和增加离合器热负荷为代价。
扭转减振器用以吸收传动系统的振动冲击,在双离合器自动变速器中通常采用双质量飞轮扭振减振器来吸收扭转振动【9J。
双质量飞轮扭转减振器通常布置在发动机飞轮和离合器的动力输入部件之间,利用双质量飞轮扭转减振的设计原理。
它的第一质量由减轻了质量的发动机飞轮构成,而它第二质量则由离合器部分构成。
其扭转角度大,扭转刚度较小,对减小换档冲击的效果非常明显,可通过修改质量、刚度、阻尼,实现对汽车动力传动系扭振进行综合控制;在汽车的各种行驶工况下都具有优良的减振隔振效果,可彻底消除传动系统的齿轮噪声,提高了驾驶舒适性,也使传动系扭振控制措施大大简化【10J。
通过精确设计扭转减振器和离合器的参数,既可以将其结构高度集成化,减小安装尺寸,又可大大的改善其吸收扭转振动的效果。
节气门开度
发动机转速-"1第一离台器操纵机构H第・离合器C1
第一离合器C1
输入轴ITi转速
-4.t第二二离合器操纵机构t--I第二离合器C'2
ECU
第二离合器C2-"t同步嚣换档机构F-t变速器
输入轴IT2转速
乍速--t发动机控制H发动机
档位
其他信号
图9双离合器自动变速器的控制系统框图
1.5控制系统框图
DCT变速器的控制系统框图如图9所示【11|。
电控单元（ECU采集各个传感器的信号,实时在线对车辆的运行状态进行识别与判断。
在需要进行换档等操作时,ECU发出指令,控制离合器及同步器换档机构实现2个离合器与变速器同步换档动作的操纵。
离合器和换档操纵机构的动力由电机进行控制。
双离合器自动变速器DCT在换档工作过程中同样也需要对发动机进行控制,通过CAN总线等进行整体匹配,根据道路状况,运行工况进行调节。
2DCT变速器的特点与应用领域
2.1DCT变速器的特点
DCT变速器的优点,主要体现在车辆性能的提高和对自动变速器生产成本的降低两个方面。
a.DCT变速器在换档过程中不存在动力中断,所以换档时没有冲击产生。
而且它缩短了换档时间,2个离合器的切换时间极其短,不易被感觉到,极大地提高了换档舒适性,保证了车辆具有良好的动力性与换档特性。
另外,由于DCT变速器特定的内部结构和独特功能,使其具有比传统速器更好的燃料经济性,对车辆油耗和排放等方面也所改善。
b.由于DCI'变速器是在原传统的手动变速器基础上进行自动化的,以结构简单的平行轴式布置达到了结构复杂的行星轮系自动变速器的效果,使结构更紧凑。
它可充分利用原有手动变速器的技术装备与生产设备,只需增加少量的生产设备即可,生产继承性好,手动变速器本身成本低,不需在全新生产领域上作过大投入,很适合现有的手动变速器生产厂家将产品升级到自动变速器,其投人成本低于AT、CVT等自动变速器的1/5—1/3左右。
2.2DCT变速器的应用领域
DCT变速器是基于平行轴式手动变速器发展而来的,它不仅继承了手动变速器传动效率高、结构紧凑、质量轻、价格低等许多优点,而且实现了换档过程的无动力中断换档,保留了AT、CvT等换档特性好的优点,换档迅速平稳,不仅保证了车辆的加速性,而且由于车辆不再产生由于换档引起的冲击,也极大地改善了车辆运行的舒适性。
利用Dcr变速器动力换档的原理,对开发新型自动变速器和促进车辆混合动力传动技术的研究,既有实用价值,又具有理论意义。
DCT变速器的应用范围很广,通常在较大发动机排量的车辆中,它的应用更为有利。
它既可应用在大型车、中型车上,而且由于它的换档时间很短,也可应用在运动车上。
这是因为它的2根传动轴一般情况下是同心的,即一根传动轴是实心的,而套轴在它外面的则是一根空心的,由于轴的刚度、强度以及结构尺寸等方面的原因,较大的轴径有利于双离合器自动变速器的结构设计。
对于较小发动机排量的车辆,如果要开发设计DCT变速器,也可以采用双中间轴的布置,用两根独立的中间轴,使其轴向尺寸非常紧凑。
3关键技术
3.1DCT变速器控制系统的换档控制策略
DCT变速器在换档过程中,一个离合器由结合到滑摩再到分离状态,另一个离合器由分离到滑摩再到结合状态,为了使动力不中断,两个离合器必然存在工作重叠,切换过程中离合器控制压力的变化规律如图7所示。
如果两个离合器重叠量过大,则会出现挂双
万方数据
第32卷第6期双离合器自动变速器DCT的结构特点与工作原理分析
档,易导致发动机熄火;如果两个离合器重叠量过小,则会出现动力中断。
所以,在换档过程中如何控制好离合器分离、接合的配合时序,是双离合器换档控制策略中最重要的问题之一,对离合器操纵系统的精确控制将是核心技术。
DCT变速器需要解决的另一个问题是防止在换档临界点频繁升降档。
假如在加速过程中,刚换到一个高档位,因道路阻力等因素,车速稍有下降,并在换档临界点左右摆动,控制系统必须能够根据车速、发动机油门开度信号以及档位状况,决定是降档还是维持档位不变,防止出现两个离合器及换档操纵机构频繁切换的情况。
起步控制策略的制定、换档规律的制定和换档品质的改善方法是DCT控制系统的核心技术,对装备DCT车辆的动力性、经济性和舒适性有着重要的影响[12]。
3.2离合器的可靠性与寿命
DCT变速器是一个多自由度扭转振动传动系统,必须综合考虑多种非线性、时滞、干扰、变参数等因素,根据最佳动力性、最佳经济性和驾驶舒适性综合最优的原则制定系统匹配控制策略,通过发动机转矩控制、双离合器转矩控制及分离接合控制、档位切换控制等实现传动系统的综合控制,保证车辆控制性能。
DCT变速器在换档过程中,两个离合器均要滑摩,产生大量的热量,如果不及时散热,离合器摩擦面会产生局部高温,导致摩擦片的翘曲变形甚至烧结在一起,严重影响离合器的性能和寿命。
所以离合器摩擦片的材料、耐磨性、摩擦系数及其摩擦面的油槽设计形式都是需要解决的关键问题【13—4|。
4结论
DCT变速器是基于平行轴式手动变速器发展而来的,它继承了手动变速器传动效率高、结构紧凑、质量轻、价格低等许多优点,还实现了无动力中断的动力换档。
这不仅保证了车辆的加速性,而且车辆不再产生由于换档引起的急剧加减速情况,也极大地改善了车辆运行的舒适性。
DCT变速器应用范围很广,它既可以应用在大型汽车、城市公共汽车、工程机械、中型货车等大中型车辆上,使驾驶员免于频繁的换档操作,而且由于它的换档时间很短,也可以应用在运动型车辆上。
通常在功率较大的车辆中,它的应用更为有利。
对于小功率车辆,也可采用双中间轴的布置方案开发设计DCT变速器,使其轴向尺寸更为紧凑。
DCT变速器另一个优点是生产成本低。
它是靠离合器和齿轮传递动力的,复杂程度低,只需现有的手动档变速器生产线稍加改造就可转而生产Dcr,充分利用原有手动变速器的技术装备与与生产设备,生产继承性好,很适合现有的手动变速器生产厂家将产品升级到自动变速器。
在市场前景方面,以手动档变速器（MT目前占主导地位的市场如欧洲、中国大陆等区域,可能会发生较大变化。
欧洲市场历来比较重视车辆的燃油经济性和排放,手动档车在欧洲市场的占有率在70%以上。
随着城市道路拥堵的日益严重以及人们对车辆驾乘舒适性的更高要求,自动变速器的市场占有率逐渐上升。
在未来的几年中,欧洲市场手动档变速器市场占有率将会大幅度下降,而AT、CVT、AMT、DCT的占有率都有所上升,其中DCT的将会增长最快。
我国汽车工业起步较晚,现在的生产线也多以生产手动档变速器为主,高档的自动变速器主要依靠进口,而生产DCT变速器可充分利用原有手动变速器的生产设备,新增投资较少,比较适合我国国情,将具有很大的发展前景。
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收稿日期:
20071224修改稿日期:
20080423
基金项目:
国家自然科学基金资助项目（50475139
作者简介:
王传金（1972一,男。
重庆市人,工程硕士,高级工程师
万方数据
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