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双离合器变速器的应用与发展
目录
摘要1
Abstract2
0文献综述3
0.1双离合器变速器4
0.2双离合变速器国内外研究现状4
0.2.1双离合变速器国外研究现状4
0.2.2双离合变速器国内研究现状5
1引言7
1.1传统变速器与双离合变速器的特点8
1.2双离合器变速器的关键技术要求13
2双离合器自动变速器（DSG/DCT）的结构14
2.1双离合变速器的结构14
2.2双离合器变速器工作原理16
3双离合器变速器的离合器20
3.1双离合器变速器的干式离合器20
3.2双离合器变速器的湿式离合器21
4双离合变速器的换挡控制策略22
4.1起步控制22
4.2顺序换挡控制策略22
4.3跳档控制23
5.双离合变速器电子控制系统24
5.1传感器系统26
5.2信号处理系统27
6．液压控制系统28
6.1DCT液压控制单元组成28
6.2DCT液压控制系统分析29
6.3DCT主油路油压调节30
6.4离合器压力调节30
7.换挡品质评价31
7.1动力性评价指标31
7.2经济性评价指标31
7.3传动耐久性指标32
8.双离合变速器的发展33
8.1双离合变速器的发展和改进方向33
8.2双离合变速器的技术缺点34
9结论35
参考文献35
致谢37
双离合器变速器的应用与发展
庞煜
西南大学工程技术学院，重庆400716
摘要：
与汽车动力技术发展具有同等重要地位的是机械传动技术，技术关键的重点在于变速器。
本文详细归类了当前变速器特点，分析了市场主流类型变速器的结构和工作原理，归纳出了变速器技术发展的趋势；概括描述了双离合器变速器的发展、应用汽车类型和控制技术原理，比传统变速器有非常明显的优势。
在此基础上，得出了DSG变速器将以其传动效率高、结构紧凑及节油性能好，逐步取代传动的手动变速器和自动变速器成为变速器领域佼佼者，发展前景和潜力不可估量。
关键词：
双离合器；变速器；应用；发展前景；
ThedevelopmentandapplicationofDual-clutchTransmission
PangYu
CollegeofEngineeringandTechnology,SouthwestUniversity,ChongQing400716,China
Abstract:
Besidespropellertechnology,drivesystemtechniqueistheothercrucialtechnologywhosecoretechnologylaysontransmission.Inthisdissertation,presenttransmissionsarecategorizedsystematically,andthefeaturesofcommontransmissions,alongwiththeirworkingprinciples,areanalyzedaswell.Moreover,theautomotivetechnology'strendofdevelopmentispointedoutclearlyintheessay.BasedonthegeneralsituationofDoubleClutchTransmission（DCT）'sdevelopment,itscontrolprinciple,theapplicationofkeytechnicaldetailsanddemonstrableadvantageswhencomparedwithtraditionalcounterparts,thedissertationcomestotheconclusionthatDSGtransmissions,whichhaveapromisingfutureandpotentiality,willplayaleadingroleinthetransmissionrealm.Itshighefficiencyintransmission,compactdesign,fueleconomywillgraduallyenableDSGtransmissionstosubstituteformanualtransmissionsandautomaticones.
KeyWords：
DualClutchTransmission（DCT）;StructuralanalysisandGear—shiftingcharacteristic;AdvantageOfTechnique;DevelopmentTrend;
0文献综述
汽车变速器，最主要的作用是调整发动机转速和车轮转速的变速变矩。
发动机飞轮转速较高，只有在特定的转速条件下才会出现最大扭矩和最大功率。
为了发挥发动机的最佳性能，就必须有一套变速装置，通过一系列齿轮的啮合，使得发动机和车轮之间产生不同的变速比，从而使发动机工作在其最佳的动力性能状态下。
变速器是传动技术中其中重要的改善一环，变速器研究重要性可见一斑。
变速器的具体作用为：
①改变汽车的传动比。
增大驱动车轮转矩和转速的范围，能够让车辆在各种工况和各种环境下较好行驶。
同时能够尽量使得发动机的工况处于动力性强、燃油消耗率较低的情况下；②在不改变发动机飞轮的转动方向情况下，实现倒车；③提供空挡。
切断发动机飞轮和动力传递机构之间的动力传递，保证汽车能够平稳起步、怠速。
汽车变速器主要有两种类型：
手动变速器和自动变速器，传统变速器主要有3种型式:
电控机械自动变速器（AMT）、无级自动变速器（CVT）和液力机械自动变速器（AT）[1]。
根据目前变速器的发展趋势，车辆变速器的主流技术逐渐由半自动手控过渡至全自动换挡，计算机电子技术的加入让变速器技术改革如虎添翼，车辆自动变速技术得到质的飞跃。
因此，一款能够具有以上所有变速器优点的变速器将是市场的最佳选择，正在蓬勃发展的双离合器变速器，将成为市场的宠儿。
双离合器式自动变速器（DCT）不仅具有自动变速器换挡顺滑快捷、起步品质优良的特征，还具有手动变速器（MT）布置占有较小空间、传动效率高、质量小、制造成本低等许多优点，而且实现了不切断动力完成变速变矩，在保证了车辆能够连续加速，同时不必受转矩切断引起的车速不连贯甚至减速现象，车辆舒适性极大改善。
DSG/DCT双离合变速器较一般的手动变速器拥有更高品质的换挡操作同时能带给驾驶者在竞技场上奔驰的感受，使驾驶更灵敏。
其产品制造对MT具有非常好的适应性，对于其加工工艺能较好地顺延，具有良好的发展潜力，能够有机会成为现有的变速器生产线上的高性能换代产品。
目前，DCT虽主要用于轿车，但是其离合器的变化可使得输出转矩有大范围的变动，亦可以应用于大、中型车辆及工程机械、自走式农业机械等其他非道路车辆，具有很好的多功能车辆适应性[2]。
对于国内尚处于模仿阶段的生产技术，研究开发DCT关键技术原理，完善产品功能，保证量产化，能够极大程度地提高我国自动变速器的自主创新能力。
0.1双离合器变速器
DSG/DCT变速器技术具有非常大的创新性，其先进的关键技术博得了全球变速器市场的瞩目。
DSG/DCT设计者们走了一条具有创新性的全新技术之路，区别于传统手动变速器，将自动变速器的方便快捷性和手动变速器的自主灵活性成功组合[3]。
DCT的英文全称是DoubleClutchTransmission，中文意思是双离合变速器，大众公司较早的应用开发，故也将其称为DSG（Direct-shiftGearbox）。
除此之外还有一些称呼，比如三菱的SST，福特沃尔沃的Powershift，宝马的DKG，保时捷的PDK，奥迪的S-Tonics等等。
其中最具有代表性的是液压操控系统和电气智能系统的完美组合。
双离合器系统由两个独立的离合器组成，将变速箱中的基数挡齿轮、倒档齿轮的操控传递与Ⅰ离合器连接，偶数挡齿轮由剩下的一个离合器连接控制。
离合器和齿轮之间的动力传递先通过套筒，其次传递给与套筒组合的实心轴，这个系统成为双传动轴机构。
齿轮之间的啮合调整与挂入特定的档位主要依靠机械电子系统的计算和液压控制系统的操作。
挂入任意档位时都有一组离合器同相应的传动轴和啮合齿轮机构配合输出动力。
在即将换挡之前，下一挡位的齿轮已被预选而与之相连的离合器则仍处于未结合状态。
当变速器挂入预选档位之后，原挂入档位所在离合器逐渐分离，切断该传动轴动力输出。
同时另一离合器迅速结合，动力经传动轴传递至啮合齿轮，输出动力。
在整个换挡期间能确保至少有一组齿轮在输出动力，转换过程也仅用极短的几毫秒内即可完成。
如此精密的离合器动作带来的效果就是在换挡时对牵引力几乎没有影响驾驶的顺畅舒适[4]。
0.2双离合变速器国内外研究现状
0.2.1双离合变速器国外研究现状
1940年，Darmstadt大学教授RudolphFranke申请了DCT专利，之后保时捷也发明了专用于赛车的双离合变速器（PDK），此时的双离合技术并没有被大规模应用。
20世纪末期，博格华纳和大众公司通过技术合作共同研究出了第一款可大批量制造并有较广应用适应性的双离合器变速器。
2002年，DCT（DSG）应用在奥迪TTV6和德国大众高尔夫R32上，并在2003年相继推广到高尔夫等其他车型上。
2004年，德国大众途安车型首次将DCT与TDI柴油发动机匹配。
2006年，大众车辆的所有车型中累计有70万使用DCT技术。
2007年，雷诺、法拉利等公司纷纷推出应用了DCT相关技术的变速器的赛车，同时，Ricardo公司开发出了DCT样机，并装备在Bugatti—Vernon跑车上；LUK公司与Getrag、Ford公司合作共同开发装载干式离合器的DCT称为平行轴式变速器（PSG）[5]。
在国外，ZF、LUK、博格华纳、Getrag、Ricardo、Ford、VW、Dallier—Chrysler、NISSAN、BMW等公司都在大力开发DCT，并已取得成功。
近年的技术发展主要表现在对性能的优化和系统结构的改进上。
BMW曾针对中、高级轿车开发了全新的7挡DCT以进一步提高效率和运动性能。
目前，双离合器技术主要搭载330N/m左右的中等载重车辆上，现在正在转型面向扭矩150N/m左右的小型车发展。
国外初代DSG主要结构的特点：
1）设计使用异轴平行布置的两个湿式离合器；2）6个前进挡和1个倒挡；3）变速器传动轴分别与两个离合器相连接，每个传动轴仅布置奇数挡（
）或偶数当（
）；4）为了使得结构布置更加紧凑，离合器传递动力主要通过同心的一个实心轴和一个套在实心轴外的空心轴。
区分双离合器变速器的特点主要通过其不同的驱动形式，对于变速器的初代产品，主要有两种不同类型：
一类是大众高尔夫GTI等前置前驱
汽车采用的
，主要特点是比较短，占用空间小，正好适合前置的小空间布置，但是其中的代价就是牺牲了结构的简洁性；另一类是奥迪Roadjet
主要使用的是两个传动轴。
国外目前在DCT应用方面比较有着重点，重点针对的是中高档车型，主要应用在跑车类和商务车类，应用车型主要有奥迪TT跑车、新奥迪A3、布加迪威龙EBl64跑车、高尔夫GTI、迈腾、速腾等汽车上。
其他厂家如保时捷、宝马、沃尔沃、福特、三菱、尼桑等汽车公司也不甘示弱，纷纷开发研制双离台自动变速器，并用于自己的汽车产品上。
0.2.2双离合变速器国内研究现状
相比较而言，我们国内近年的研究主要集中在控制策略仿真、系统建模和样机制作方面。
国外生产厂商对DCT技术进行了严密的封锁，我国受限于技术交流不畅，依照目前的研究进度而看，模仿、参照仍然是我国变速器行业的主流，尽管在国产变速器中有自主配套生产的少量AMT产品，但是对于变速器庞大的类型家族而言，多样化的变速器生产技术仍然是由国外生产厂商独占，国外大公司严格掌控。
在科学技术是第一生产力的今天，只有掌握了变速器国产化技术，才能有强大的市场竞争力，由国家发改委出面协调组织，国内12家自主品牌变速器生产厂发起成立了中发联投资有限公司，并于2008年11月25日在北京举行中发联投资有限公司与博格华纳（中国）投资有限公司离合器（DCT）项目合资签约仪式。
尽管如此，我国的研究技术也仅能保证在原有基础上有所进步，尚有很多问题无法解决，目前仍无法形成制造规模，也无法与国产DCT产品量产配套。
国家的“863”重大专项曾专门为轿车DSG研究设置课题。
按照国家产学研一体化的方针政策，国内高校和专业研究机构与杭州前进齿轮箱集团有限公司、重庆青山工业有限责任公司、浙江吉利控股集团有限公司[6]，在我国大量专业制造的汽车零部件厂商的配合下，组成了研发团队，在原有基础上有了一定的研究进步，取得了一些阶段性成果。
但依照当下开发进度来说，还需要一段漫长的时间才能实现产品化。
目前我们国内多为合资厂商使开发配套的双离合器变速器，一汽大众汽车公司生产的迈腾和速腾汽车也相继搭载了双离合器自动变速器，日系车型和国产品牌如BYD也在逐步推广使用。
1引言
经济的发展带来人们对驱动系统低碳、稳定、舒适、高效的更高质量的要求。
在当今动力技术发展较为完备的情况下，仅改善动力技术将很难取得进展。
国外的研究与匹配中着手动力技术，同时配合传动技术，实现传动、动力中央集成操控，为此完善人们的更高要求。
传动技术方面，电子信息技术和控制技术的有了非常大的发展，消费需求的多样性、各类变速器自身固有的适用范围和优缺点必然要求向驾驶轻松、传递高效、操作快捷、结构合理、节能低碳、工作高品质的方向前进，由此发展为自动变速器的控制多线程化、电子智能化及液力变矩器低速区域的低速化等，同时新技术走向市场，双离合变速器在少量高档轿车上已经有了应用。
综上，变速器技术将朝着兼顾高品质、强劲动力、低碳经济三个方向发展。
图0.1变速器技术开发方向
Fig.0.1ThedevelopmentaboutthetechnologyofGearbox
1.1汽车变速器的特点
目前市场主要使用的机械式手动变速器（ManualTransmission,MT）、无级自动变速器（ContinuouslyVariableTransmission,CVT）、液力机械式自动变速器（AutomaticTransmission,AT）以及近几年开发的电控机械式自动变速器（AutomatedManualTransmission,AMT），其特点都很鲜明。
液力机械式自动变速器（AT）具有较好的操控平顺性，技术开发比较完善、容易操作，但单机的成本难以控制、传动结构中导轮、涡轮、泵轮组合不简单，燃油消耗率较高、传动介质发热等耗散功率过多。
无级自动变速器（CVT）具有良好的换挡平顺性、控制灵敏和较高的传动效率，但仍无法控制单机消费，应用范围目前只匹配在小转矩车辆。
电控机械式自动变速器（AMT）是在手动变速器上加载中央智能计算操控系统从而实现自动变速控制，具有传动无用功低、成本低廉、结构简单等特点，能够让手动变速器汽车具有自动换挡的可能，但在换挡时，无法保证动力传递连贯性，在动力中断后，重新结合时无法避免较大的系统转动惯量，并且动力切断过程也造成发动机空转无动力输出，影响了汽车的乘坐动力性和舒适性，目前只能在重型车辆小转矩车辆上加载。
针对以上特点，目前开发出的双离合器自动变速器（DCT/DSG）不仅保证了车辆的换挡品质和较低的燃油消耗率，并且使得车辆工况能够在较理想条件下运行。
图1.1.1不同变速器的市场占有率
Fig1.1.1Marketshareofvarioustransmissions
（1）机械式手动变速器（MT）
MT的工作原理是通过变速器换挡拨叉拨动不同齿轮组间的啮合套导致不同齿轮啮合，每一档都有固定传动比的组合，因此每一档位变矩比是固定的，属于有级变速器。
MT变速器应用的历史最为悠久，发展已经较为完善，MT凭借较为低廉的成本和优秀的硬传动效率，在主流汽车市场上占据着相当大的份额。
但自动变速器技术不断完善，同时人们对汽车操纵品质的要求，MT变速器在变速器市场的应用份额逐渐出现下调趋势，但在相当长的一段时间内自动变速器仍无法取代MT的市场霸主地位。
优点：
成本较低，制作工艺要求较低，对于汽车操作爱好者较有操纵感。
缺点：
挡位数不能满足节省要求，操作费力，换挡品质低。
（2）液力机械式自动变速器（AT）
液力机械式自动变速器（AT）是目前汽车上应用最为宽泛的自动变速器，结构主要由3大部分组成：
行星齿轮、液力变矩器、电子液压控制系统。
其变矩原理主要是通过油液驱动和行星齿轮配合方式实现变速。
通常在液力变矩器的涡轮后面连接几组行星齿轮来解决液力变矩器变矩区间较小的问题，同时液压操纵系统根据发动机工况的变化智能操控行星齿轮啮合得到不同组合，提高了有效地传递动力性，并且也实现了自动变速变矩。
行星齿轮的传动比是一定的。
图1.1.2AT动力传递和基本控制系统
Fig1.1.2ThepowertransmissionsystemandbasiccontrolsystemofAT
优点：
Ⅰ、传递功率适用范围广，对于各类车型有较好的适应性。
Ⅱ、换挡品质较高，无冲击和震动，所以乘坐较为舒适。
通过液力传动转矩变化曲线梯度较小，换挡时动力不会出现切断的情况，比较轻松完成自动控制。
缺点：
Ⅰ、油液的传动效率较低，能量不能充分利用，油液在涡轮和泵轮之间摩擦和冲击，造成热能和动能的进一步损失，加大了耗油量。
因此，AT的档位越多才能保证行驶和换挡的平顺，同时增强AT的加速性和节油能力，但其代价是结构更加复杂吗。
因此4挡和5挡正在逐渐淘汰，而8挡AT开始使用。
Ⅱ、AT制造成本非常高，结构复杂，维修保养都非常困难Ⅲ尽管AT依靠油液传递，变矩范围较小，但仍然可以感受到换挡冲击Ⅳ对速度反应不如MT灵敏。
（3）机械式无级自动变速器（CVT）
CVT是一款比较有代表性的无极变速器，目前应用的无级变速器大多指机械式变速器，主要分为盘式CVT和带式CVT。
盘式CVT主要组成部分为：
输入轴、输出轴、主动盘改变传动滚轮、从动盘和传动滚轮[7]。
其原理为改变中心轴的位置方向，通过转换传动滚轮的中心轴，从而改变滚轮与主从动盘的接触点，进而造成传动半径发生变化（传动比变化），最终完成无级变速。
但接触点在传动时应力较大，润滑时不易形成油膜，可靠性和寿命都不是很理想，不实际中并不常用。
金属带式CVT主要组成部分为：
主动轮组、从动轮组、液压泵、金属带等。
其结构可以分为主动结构系统和从动结构系统，分别固定主动轮和从动轮，形成的V型槽，通过刚性较好的金属片构成的金属带啮合。
当主、被动轮可动部分向传动轴的轴心移动时，驱动轮与从动轮传动带的形成的基础面的圆的中心距发生了改变，从而使得其中的转矩比发生了变化。
通过液压控制系统对可动轮进行不间断，实现无级变速。
优点：
Ⅰ、可以算作是真正意义上的无级变速器，具有良好的操控平顺性。
传动比变化范围较大，换挡平顺、连续。
可以保证发动机的工况始终在最佳转矩转速曲线附近，提高了燃料的燃烧完全度并降低了燃油消耗率，废弃排放量中的
、
有了明显的下降[8]。
Ⅱ、燃油经济性和加速性能好，可以调整到发动机最大的后备功率，动力性强劲。
Ⅲ、CVT没有MT众多的齿轮副，也没有AT复杂的行星齿轮组，结构简单，零部件少，从而体积精巧，质量较轻。
缺点：
Ⅰ、转矩范围小，应用不够广泛，V型带与齿轮之间的摩擦无法传递较大功率扭矩，仅使用于3L以下车辆。
Ⅱ、传动带保养不易，使用寿命不长。
（4）电控机械式自动变速器（AMT）
AMT是在手动变速器基础上，继承了电脑智能计算系统，替代由手动操作完成档位的离合器分离、变速器选档、换挡的自动有级变速器。
AMT的主要结构有：
齿轮式机械变速器、自动离合器、电子控制系统三大部分。
AMT智能运算系统（ECU）的输入信号主要包括：
车辆行驶状态（
、
、
）等、驾驶员操纵状态（
、
、
）等、道路路面状况（
、
、
）等三大类。
ECU根据车载数据库中的的换挡策略、离合器控制策略、发动机节气门最佳进气角度控制策略作为输出信号对变速器实行有效操控。
优点：
Ⅰ、起步摩擦损失小，燃油经济性较好，传动效率高达95%以上。
Ⅱ、结构简单，制造成本仅为AT的25%，具有非常成熟的市场成本优势。
Ⅲ、车型适用范围广，成本低廉，对于换挡频繁的公交客车等商用车是最佳选择。
缺点：
ⅠAMT无法避免换挡时动力中断，换挡平顺性有一些比较低，无法达到非常舒适的乘坐。
Ⅱ实现自动控制时控制参数过多，自动换挡控制困难。
换挡时离合器踏板需要与换挡机构协调配合方能达到最佳换挡，故控制困难。
（5）双离合变速器（DSG/DCT）
DSG双离合变速器结构和设计理念不同于传统变速器，是一种比较有特点的设计方式，其结构主要为：
双离合器、空心轴以及内部的心轴、两个平行的分变速器、控制器和油泵组成。
传递扭矩的方式脱离了液压式传递，采用一种特殊的方式通过双质量飞轮信号处理后进入变速器中与双离合器壳体固结的输入端，通过这样一种比较独特却又不脱粒传统的传递方法进行传递。
输出轴1和输出轴2的动力齿轮都通过在输出轴上进行空转而不输出动力，所以可以同一时间共同完成控制偶数挡的离合器借助电子智能控制系统结合发动机输出端，而控制技术挡的输入轴的离合器与输出端断开，从而平顺完成动力切换。
在此过程中不会出现动力切断，并且预挂档亦可以同步实现。
有点：
Ⅰ换挡时间快捷，所以不会出现动力突然中断的情况，并且也将动力损失下降到了最低；换挡具有非常好的平顺性，实现了动力的不间断传递和变速的不间断链接。
Ⅱ维护成本较低，变速器工作稳定，故障少，质量可靠。
Ⅲ燃油经济性非常，传动效率非常高，加速度非常大。
Ⅳ传递功率广泛，适用车型多。
缺点：
核心的技术模块受制于国外大公司，核心技术中的电子控制模块系统非常复杂，技术攻关难度大，生产成本就高。
（6）变速器性能特点
目前变速器市场中，手动变速器着眼于加工工艺和操纵机构的提升，结构几乎没有变化。
AT仍然延续早期的行星齿轮组合液力变矩传递，档位由过去的4、5挡逐渐向高档如7挡增加。
CVT最大的优势莫过于在传动比改变上的完美，它可以更有效的让发动机在健康转速工作，大幅度提升经济性，并且拥有近乎理想的平顺性。
CVT的优势在于其真正实现了无级变速，传动比大范围的可变性可以让发动机更有效地工作在最佳曲线上，提升了平顺性和燃油经济性。
变速器的特点各有不同，因此，通过以下几个重要参数来对各类变速器进行性能评定，以此来得出关于那种离合器对于目前更适合的结论。
目前变速器的重要评价特点是指下列几点：
Ⅰ、变速器的动力传动效率变速器作为汽车动力传动系统中的重要部分，传动系统效率越高越好，这必须基于硬传动为基础的变速技术才能做到。
Ⅱ、变速器的换挡速度变速器的换挡速度最好趋近于零，因为这对于动力输出和经济性都是最完美的。
Ⅲ、变速器的换挡平顺性变速器的换挡平顺性是指在汽车换挡时冲击小，过度平稳。
变速器的换挡平顺，在目前追求操纵感和舒适性的车辆，都将换挡平顺性作为汽车变速器考察的重要指标。
Ⅳ、变速器的成本变速器的成本是指生产变速器所耗费的全部费用，这样的费用是要全都算进去的。
变速器的成本在保证质量的前提下是越低越好。
Ⅴ、变速器的可靠性变速器的可靠性，是指在换挡的情况下，能够保证不乱档，可靠挂正确的档，同时挂档之后不乱档。
Ⅵ变速器的适应性
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