双离合器自动变速器速比的设计计算与优化

朱思捷



双离合器自动变速器速比的设计计算与优化

朱思捷

摘要:双离合自动变速器作为新型自动变速器，近几年市场份额逐渐增加，其在换挡过程中实现动力不中断，平稳而迅速。本文主要阐述了如何确定变速器最低档、最高档的速比范围，并在此基础上计算其他档位速比。在参考标杆样机的一阶比基础上，通过比较一阶比值、动力性和经济性确定最优速比方案。

关键词:DCT；速比；优化设计；性能分析

双离合自动变速器(Dual Clutch Transmission，简称DCT)技术是目前全球汽车行业先进的自动变速器技术，其拥有自动变速器的舒适性和手动变速器的灵活性，并能无间断地提供动力输出。双离合自动变速器的优势成为国际汽车企业研发的重点，也是未来发展趋势。目前国内研究DCT的汽车企业主要有比亚迪、江淮、上汽乘用车等，国外主要以大众为代表，还有日本本田最新研发的带有液力变矩器的8速DCT，以及福特、通用等企业。变速器速比是在整车基本参数已经基本确定后，根据发动机的万有特性来确定变速箱速比。在这个过程中，变速箱速比的选择优化是一个关键环节，它直接关系到整车的动力性和经济性[1-3]。

随着变速器的档位数越来越多，较优的档位速比分配不仅有利于整车动力性能和燃油经济性有所提升，而且还能减少废气的排放。

本文以某汽车研究院某款车型搭载的双离合自动变速器为研究对象，确定纵置DCT速比的一种方案，最终通过选择不同主减速比，对总速比进行调整，从而适应不同的车型要求。该研究院目前按照纵置DCT匹配2.4L发动机进行速比计算确认。涉及计算的相关参数如下表所示。

1速比理论计算[4-6]

1.1最大(1档总速比)速比计算

整车最大速比定义需要满足三个条件：最大爬坡度、最低稳定车速、坡道起步的要求。

表1　整车相关参数

1)汽车理论关于满足最大爬坡能力前提下速比满足：

公司标准定义的整车满载状态下最大爬坡度β≥30%，即β≥16.8°。

计算可得：i1g≥14.581

2)满足最低稳定车速要求

整车定义了1档最低稳定车速目标值为8 km/h，则有：

计算可得：i1g≥ 12.931

3)坡道起步能力

坡道起步能力要求满足开空调2000rpm起始转速，30%坡道能够起步，采用cruise软件仿真分析，结果表明满足该要求的速比条件为i1g≥13.466。

图1　坡道能力仿真图

1.2最高车速对应总速比要求

整车对最高车速定义了目标要求为不小于180km/h，以此计算对应的速比要求。

按照最高车速要求，最高车速对应的档位速比应该小于或等于3.592。

图2　纵置DCT机械结构简图

图2为该纵置DCT的机械结构图，其采用三轴式，考虑布置条件限制，初步确定使用5档为直接当，因此5档总速比等于主减速比，而主减速比根据整车坡道起步能力和参考已有车型的主减速比，提出可选方案有3.909、4.222和4.625。综合上述速比限制要求，得出表2的速比汇总表。

表2　速比要求汇总表

1.3中间速比计算方法

一阶比：

二阶比：

各档速比计算方法：

上述公式是基于二阶速比是一个常数值，二阶速比设置为常数是可以遵循的一种趋势，取1.0～1.2之间的数值，但允许齿轮选配时有一定的变化，甚至三阶比是一个常数值。在此选取二阶比为常数，取1.1，主减速比初步选取3.909，后备爬坡系数选取1.25。后备爬坡系数乘以满载最大爬坡度对应的总速比作为最终爬坡度对应的总速比。通过中间速比计算方法最终得到纵置DCT变速箱的一组速比，如下表3所示。

表3　计算得到的一组DCT速比参数

该研究院设计之初，对该车型匹配DCT变速箱的初步要求如下：

动力性不弱于该车型匹配6MT；尽可能提升燃油经济性，整车初步定义燃油经济性提升3～5%；主减速比在该车型正在使用或者上述三组主减速比中进行选择；

推荐使目前该车型正在使用的主减速比3.909作为优选方案。表4是一些标杆样机的速比参数，对比标杆样机速比也可以侧面验证计算得到的速比参数。

表4　标杆样机的速比参数

2优选速比方案齿轮参数选配

根据纵置DCT机械结构布置提供了相应的几组选配速比方案。根据整车预留空间确定变速箱的外围尺寸，进而设计合理的输入轴与输出轴的间距，最后进行齿数匹配。

表5　四种速比选配方案

其中主减速比为3.909，总速比=K速比*档位速比，档位速比=从动齿数/主动齿数。

2.1选配速比一阶比值比较

速比的一阶比对于车辆的换挡舒适性、平稳性有较为密切的关系，另外还会影响到预挂档反拖转速的大小[7,8]。将上述四种方案的一阶比值进行对比分析，如图3所示。

从图3中发现，方案1和方案2的速比一阶比相对平滑，方案3和方案4中速比一阶比波动较大，尤其是方案4波动最大，1档和2档之间的一阶比值大于1.7。

图3　四种选配速比方案一阶比

图4　三款标杆样机的速比一阶比

表6四种速比选配方案的动力性经济性

项目方案1方案2方案3方案4目标值5档车速(Km/h)175175175175/5档发动机转速(rpm)5500550055005500/6档车速(Km/h)197197195195≥1806档发动机转速(rpm)5850600056005650/7档车速(Km/h)186185184184≥1707档发动机转速(rpm)492048804826.74815/0～100Km/h换挡时间(s)14.1114.1414.3514.27≤154档30～100Km/h加速时间(s)16.2116.1917.0216.78/6档80～120Km/h加速时间(s)20.5620.4921.3721.16≤227档80～120Km/h加速时间(s)28.0627.7127.9328.45≤29最大爬坡度(%)35.7635.9235.5435.38≥30开空调2000rpm起始转速20%坡道起步OKOKOKOKOK城区油耗11.7811.7211.7511.80≤12郊区油耗8.648.718.658.95/综合油耗10.1210.0310.0510.44≤10.2

图4是三款标杆样机的速比一阶比对比图。由图可知，标杆样机的一阶比变化较为平滑，且一阶比范围在1.1～1.7之间，最大基本都出现在1档和2档之间，但基本不大于1.7。基于标杆样机速比的一阶比设置趋势考虑，选配速比方案1和2变化趋势平滑且处于1.1～1.7之间，可做为优选方案。

2.2选配速比方案动力性经济性

上述方案加速能力、最高车速、爬坡能力均能够达到目标要求，其中方案2动力性相比而言最佳，方案3和方案4动力性略差；除了方案4不满足经济性要求，其他方案都能满足整车性能目标，其中方案2经济性最佳。

2.3结果分析

经过对齿轴分组提供选配速比方案进行动力性、经济性、一阶比值大小和变化趋势等综合评价和对比，方案2速比的动力性、经济性均能满足整车要求，一阶比值大小合适，变化趋势平缓。综合考虑，方案2速比表现最优，作为优选速比。

表7　优选方案速比齿数、速比选配值

3总结

按照上述速比理论计算、速比方案性能分析优选、理论方案齿轴参数实配以及实配速比方案优选等过程，最终得到一组变速箱速比方案。总结了确定速比范围的因素，并从标杆样机一阶比、动力性与经济性等方面分析了设计得到的各档位速比的合理性。在现有平台的基础上，考虑已搭载6MT变速箱的整车性能，重新开发一组DCT变速箱速比用于匹配该车型，本文开发的速比方案在企业设计速比时具有重要意义，可以减少变速器的开发周期，降低开发成本，也为同类产品的设计提供理论支持和技术指导。

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责任编辑：刘海涛

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Design Calculation and Optimization of Dual Clutch Transmission Gear Ratio

Zhu Sijie

Abstract:As a new automatic transmission, DCT's market share increased in recent years. Its power is not interrupted in the process of shifting, and the process is smooth and rapid. This article explains how to determine the scope of transmission ratio and calculate other gears ratio. On the basis of benchmarking, the optimal ratio is determined by comparing the first order, power performance and fuel economy.

Key words:DCT; gear ratio; optimization; performance analysis

收稿日期：2015-04-12

作者简介：朱思捷，安徽交通职业技术学院讲师，乌克兰国立技术大学硕士，研究方向：机械与汽车制造(合肥 230051)。

中图分类号:TH12

文献标识码：A

文章编号：1673-1794(2015)05-0069-04