一种新型双离合自动变速器的结构分析与建模

袁磊，张代胜，汪韶杰

(1. 合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009;2. 合肥工业大学汽车技术研究院，安徽合肥230009)

0 引言

变速器，是一套用来协调发动机输出转速、扭矩与车辆驱动所需转速、扭矩的变速装置。在汽车行驶过程中，它可以使发动机和车轮之间产生不同的变速比，通过换挡可以使发动机在最佳的动力性能状态下工作，因此它是汽车关键部件。而变速器又分为若干种类，那么双离合变速器、自动变速器谁是未来的宠儿［1］?就目前而言，双离合自动变速器(DCT)以其卓越的性能成为汽车企业争相研究和开发的重点，它既改变了传统汽车机械式自动变速器换挡动力中断的缺点，又继承了手动变速器(MT)传动效率高、安装空间紧凑、重量轻等诸多优点，使汽车具有良好的动力性、燃油经济性，而且极大地提高了换挡舒适性，是目前变速器技术研究新的发展方向。就其工作原理而言，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，应用范围极广。文中研究的新型双离合自动变速器是一种选择性输出的双离合自动变速器，它不同于传统意义上的选择性输入双离合自动变速器，例如大众迈腾的DSG 就属于传统意义上的选择性输入双离合自动变速器。目前，国内对DCT 的研究主要是以学习和模仿国外技术为主，尚处于起步阶段，对其功能实现原理的深入研究和产品化必将对我国自动变速器自主研发能力的提高具有积极意义［2］。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

双离合器变速器(DCT)的概念的提出到目前已经有六七十年的历史。早在1939 年德国的Kegresse A 第一个申请了双离合器变速器的专利，提出了将手动变速器分为两部分的设计概念，一部分传递奇数挡，另一部分传递偶数挡。且其动力传递通过两个离合器联结两根输入轴，相邻各挡的被动齿轮交错与两输入轴齿轮啮合，配合两离合器的控制，能够实现在不切断动力的情况下转换传动比，从而缩短换挡时间，有效提高换挡品质，该变速器曾经在载货车上进行过试验，限于当时的控制技术，这种变速器并没有投入批量生产。随后在20 世纪80 年代，保时捷也发明了专用于赛车的双离合变速器(PDK)，但也未能将DCT 技术投入批量生产［3］。

1985 年，大众公司在奥迪Sport Quattro S1 赛车上采用了双离合器变速器技术，但直到20 世纪90 年代末随着电子技术的迅速发展，双离合器控制技术逐渐得以成熟，大众汽车公司和博格华纳首先携手合作生产将它放置在量产主流车型——奥迪车上，并给它命名为直接换挡变速器Direct-Shift Gearbox(DSG)。并于2002 年首次向世界展示了这一技术创新。2003年推出了6 挡DSG 变速器，成为首个提供双离合器系统的整车厂。2006 年，大众又率先在奥迪TT 3.2 车型上应用了DSG 变速器，随后DSG 产品陆续配套到了大众捷达、大众途安、大众第五代高尔夫、大众宝来、奥迪A3、奥迪TT、Seat、Skoda 等众多车型。目前已创下超过100 万件的销售纪录。近日大众公司又发布了一款最新研制的7 挡DSG 变速器，代号为DQ200。它使用了一对干离合器片代替了原来6 挡DSG 变速器的液体调节双离合器片，其换挡效率和动力传递有了明显的提升［4］。

作为创新型变速器的实际开发者之一的德国顶尖跑车专业品牌——保时捷将推出其自主开发的、称之为“PDK” (Porsche Doppel Kupplungen，双离合器变速系统)的双离合器变速器。

1.2 国内研究现状

目前中国汽车行业的情况是许多技术还依靠国外。在变速器的发展上呈现出跳跃式变化。现在自动变速器主要以AT 为主，吉利、上海大众、上海通用等公司的汽车都采用AT。在国家“863”重大专项中，轿车DCT 的研发正式立项，按照国家产学研一体化的方针政策，浙江吉利控股集团有限公司、杭州齿轮箱集团有限公司、重庆青山工业有限责任公司等积极与国内知名高校以及一些知名企业携手合作，投入了相当的人力、物力和财力，其研发队伍越来越大。国内高校以吉林大学为代表也开展了DCT 的研发工作，并且已经申请了一部分专利。2008 年11 月25 日在北京举行博格华纳(中国)投资有限公司和中国中发联投资有限公司双离合器(DCT)项目合资合同签约仪式。在国家发改委出面协调、组织和促进下，先由中国12家自主品牌主机厂发起成立的中发联投资有限公司，以此作为中方实体平台与博格华纳(中国)投资有限公司正式成立了中外合资的博格华纳双离合器传动系统有限公司，博格华纳和中发联双方股比为66∶34。合资公司投资总额为2 亿美元(人民币13.8 亿元)。12 家中国主机厂包括一汽、上汽、东风、长安、广汽、奇瑞、华晨、吉利、江淮、长城、长丰、中顺，它们占据了国内自主品牌整车九成以上的市场份额。2008 年1 月28 日，华晨集团和上汽汽车变速器有限公司在北京正式签署了共同研发DCT 变速器的合作协议。DCT 已经成为中国汽车变速器的重要发展方向［5］。

2 传动方案

2.1 方案的拟定

大众推出的DSG 变速器为DCT 的一种，它是一种选择性输入的传动方案，使变速器具有换挡迅速、无动力中断、换挡舒适性高的优点，并且动力性和经济性达到或超过手动变速器。通过选择性输入和其他传动方案的具体分析，提出一种新型的传动方案，它是一种选择性输出的方案，它是在手动变速器基础上，加上电子控制和液压驱动，两离合器交替工作，不间断地输出动力。如图1 所示为选择性输出双离合器自动变速器的结构简图。

此方案的优点是:避免了易失效的旋转供油方式，采用“双制动”代替“双离合”，壳体供油即可实现自动换挡。绕开了制造难度较大的双离合器，并减小了轴向尺寸。

2.2 工作原理

与DSG 的选择性输入相比，此方案为选择性输出，并且通过离合器的离合和同步器的位置即可实现换挡。汽车发动机启动时，在空挡情况下，所有同步器位于中间位置，两离合器均分离;在一挡时，拨叉使得同步器T1位于左侧，同步器T2位于右侧，离合器L1结合，此时在行星轮系中，太阳轮输入，齿圈固定，行星架输出;判断升至二挡时，拨叉使得同步器T3位于右侧，完成预挂挡，离合器L1逐渐分离，而离合器L2逐渐结合，直至换挡成功。判断升至三挡时，拨叉使得同步器T2位于左侧，完成预挂挡，离合器L2逐渐分离，而离合器L1逐渐结合，直至换挡成功，此时行星轮系为直接挡输出。判断升至四挡时，拨叉使得同步器T3位于左侧，完成预挂挡，离合器L1逐渐分离，而离合器L2逐渐结合，直至换挡成功。降挡过程类似。在倒挡时，同步器T1位于右侧，同步器T3位于左侧，离合器L2结合，离合器L1分离。

3 大众DSG 传动方案

如图2 所示，DSG 有两根同轴心的输入轴，输入轴1 空套在输入轴2 里。输入轴1 与离合器1 相连，输入轴1 上的常啮合齿轮分别与1、3、5 挡齿轮相啮合;输入轴2 为空心轴，与离合器2 相连，输入轴2 上的常啮合齿轮分别与2、4、6 挡齿轮相啮合;倒挡齿轮通过倒挡轴齿轮与输入轴1 的常啮合齿轮相啮合。也就是说，离合器1 负责1、3、5 挡和倒挡，离合器2 负责2、4、6 挡。当使用不同挡位时，相应离合结合［6］。

4 两种变速器传动方案的比较

根据传动方案简图和工作原理描述，这种新型双离合自动变速器与传统的DSG 变速器相比较，此传动方案具有以下结构特点:

(1)这种新型双离合自动变速器是一种选择性输出的双离合自动变速器，即选择不同的输出轴输出动力;传统的DSG 是一种选择性输入的双离合自动变速器，即选择不同的输入轴，从而输出不同的动力。

(2)这种新型双离合自动变速器通过一个离合器、一个同步器与一个行星轮系的组合，实现变速，在保证变速器挡位数不变的前提下减少了离合器和齿轮的数目，使得整体结构更加紧凑和简洁，缩短变速器轴向尺寸，使变速器结构更为紧凑。

(3)它采用普通的NGW 型行星轮系与定轴传动轮系相组合，工艺性好，制造成本低，工作状态稳定可靠。

(4)它的行星轮系中采用同步器结构实现行星差速和直接传动两种不同的传动比，在高速挡为直接挡传动，从而有效地提高了传动效率。

(5)此方案为通过变速器壳体进行为液压油缸供油提供了可能，避免了在旋转零件内部建立液压油路，容易造成油液泄漏、密封件失效、液压元件失灵等问题，可提高变速器机构的工作稳定性和可靠性，且只有两组离合器交替工作，有效简化控制方式和控制环节。

5 Pro/ENGINEER 建模

Pro/ENGINEER 软件是美国参数技术公司 (Parametric Technology Corporation，PTC)基于单一数据库、参数化、特征、全相关及工程数据再利用等概念的基础上开发出的一个功能强大的CAD/CAE/CAM 软件，它能将产品从设计到生产加工的过程集成在一起，让所有用户同时进行同一产品的设计与制造工作，是当今国内外应用最广泛的三维实体建模软件之一［7］。

如图3 所示，它是运用Pro/ENGINEER 三维软件对这种新型双离合变速器的各个零部件进行参数化建模，然后进行装配。各对齿轮的空间布置如图4 所示。

由传动方案可知，前进挡输入齿轮Z0，1、3 挡齿轮Z1，2、4 挡齿轮Z2以及倒挡齿轮Z5在同一平面。同样，主减输入齿轮Z6、Z7和主减输出齿轮Z8也在同一平面，虽然两行星轮系之间没有啮合关系，考虑减小轴向尺寸，故也视两轮系也在一个平面。要求同一平面的各齿轮之间不能干涉，并且尽量使空间位置紧凑。实际上，齿轮的空间布置与前面的齿轮和轮系的设计紧密相关，需要反复选配、试凑，才能得到较理想的设计结果［8］。

6 传动方案评价

6.1 工作可靠性

此变速器重要零部件均通过校核，尺寸设计合理。

6.2 运动精准性

换挡控制较简单，理论上具有可行性。

6.3 制造经济性

采用选择性输出的方法，避开了成本较高、制造难度较大的双离合器;由于发动机横置，所以主减齿轮无需较难加工的弧齿锥齿轮;变速器壳体供油降低了密封成本;控制系统成本也有所降低。

6.4 结构紧凑性

变速器轴向长度比传统自动变速器减少大约30%。

7 结束语

此种选择性输出传动方案与传统DCT 的选择性输入相比，在成本、零部件工艺性和控制环节等均具有优势。而且只需在输入轴增加一个前进挡输入齿轮，再在另外两轴加两个齿轮与之啮合，即可获得八挡减速比，同时轴向尺寸只增加30%左右。从而可应用于高档乘用车，甚至重型客车。由于其诸多优点，目前国内的设计和生产能力完全具有产业化能力。

【1】双离合变速器、自动变速器谁是未来的宠儿?［J］. 汽车零部件，2009(9):35－36.

【2】葛安林. 车辆自动变速理论与设计［M］. 北京:机械工业出版社，1993:1－7.

【3】Richard G，Reed J，Royal O M.Method of controlling a transmission having a dual clutch system:United States Patent，6463821［P］.

【4】吴佐铭，褚超美，顾健华，等. 双离合自动变速器技术现状及应用前景［J］.机械科学与技术，2008，27(11):1351－1355.

【5】刘振军，秦大同，叶明，等. 车辆双离合器自动变速传动技术研究进展分析［J］.农业机械学报，2005，36(11):161－164.

【6】周晓飞.一汽大众速腾/迈腾轿车实用维修手册［M］. 北京:化学工业出版社，2011:35－42.

【7】詹友刚.Pro/ENGINEER 中文野火版教程:通用模块［M］.北京:清华大学出版社，2003:3－4.

【8】王望予.汽车设计［M］.北京:机械工业出版社，2004:79－89.