（车辆工程专业论文）双离合器自动变速器的方案分析与动力学研究.pdf

摘要 摘要 双离合器式自动变速器( d c t ) 是一种动力换档自动变速器，能够在不切断 动力的情况下转换传动比，从而缩短换档时间，有效提高换档品质；同时它又 具有手动变速器传动效率高、安装空间紧凑、重量轻、价格便宜等许多优点， 因此d c t 具有良好的发展前景。双离合器式自动变速器的研究在国内还处于起 步阶段，对它的深入研究和产品化对提高我国自动变速器的自主开发能力具有 积极的意义。 本文对d c t 的基本结构和工作原理进行了说明，详细阐述了d c t 系统的不 同结构方案，对各种方案的优缺点进行了对比分析，尤其是对干、湿式离合器进 行了比较。进而，在详细分析湿式离合器传递扭矩特性特性的基础上，建立了 包括湿式离合器模型、变速器系统模型、发动机模型、车辆阻力矩模型等汽车 动力传动系统的动力学模型。 建立湿式离合器起步过程动力学模型，对起步过程中离合器接合各个阶段 的动力学方程进行了分析。通过对起步品质评价指标及其影响因素的分析，得 出了车辆起步过程中的离合器控制策略。采用模糊控制理论，借助m a t l a b 软件 中的模糊逻辑工具箱，设计了车辆起步过程的离合器压力控制模糊控制器。通 过建立汽车起步过程的整车模型，在不同油门开度下对车辆起步过程进行了仿 真。仿真结果表明：采用模糊控制方法来控制离合器主、从动盘之间的正压力， 可以满足汽车起步平顺性和使用寿命的要求。 最后研究双离合器分离结合的控制策略，建立换档过程的整车动力学模型， 并以二档升三档为例对换档过程进行了仿真。仿真结果表明，装备双离合器自 动变速系统能够实现良好的动力性换档要求。 关键词：双离合器自动变速器湿式离合器结构分析动力学研究 a b s t r a c t a b s t r a c t d u a lc l u t c ht r a n s m i s s i o n ( d c t ) i sap o w e r - s h i f ta u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n i tc a n c h a n g et h eg e a rr a t i ow i t h o u tt r a c t i o ni n t e r r u p t i o n , s oi tr e d u c e st h es h i rt i m ea n d i m p r o v e st h es h i f tq u a l i t y i ta l s oi n h e r i t st h ea d v a n t a g eo fc o n v e n t i o n a lm a n u a l t r a n s m i s s i o n , s u c ha sh i g he f f i c i e n c y , c o m p a c ts 仃u c t u r e ，l o wc o s ta n ds oo n s oi th a s ab r i g h tm a r k e tp r o s p e c ti nt h ef u t u r e t h er e s e a r c ho fd c ti sa tt h eb e g i n n i n gs t a g e i nc h i n a f u r t h e rr e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo fi tw i l l d e f i n i t e l yh a v ep o s i t i v e s i g n i f i c a n c et ot h ei m p r o v e m e n to fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni nc h i n a t h i st h e s i se x p l a i n e dt h eb a s i cs t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo fd c t t h e n i l l u m i n a t e dt h ec o m p o n e n t sa n dd i f f e r e n tp r o j e c t so fd c t s y s t e m ，a n da n a l y z e dt h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fe a c hp r o j e c t e s p e c i a l l y , t h ed r yc l u t c ha n dt h ew e t c l u t c ha r ec o m p a r e d t h e n ，t h et o r q u e t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co fw e tc l u t c hi sa n a l y z e d e s t a b l i s ht h ed y n a m i cm o d e lo ft h ev e h i c l ep o w e r - t r a i ns y s t e m ；i n c l u d ew e tc l u t c h m o d e l ，g e a r b o xm o d e l ，e n g i n em o d e la n dr o a dl o a dt o r q u em o d e l t h ed y n a m i cm o d e lo ft h ew e tc l u t c h ss t a r t i n gp r o c e s si sb u i l t a n a l y z et h e d y n a m i ce q u a t i o no fd i f f e r e n tp h a s e sd u r i n gt h ec l u t c he n g a g e m e n t c l u t c hc o n t r o l s t r a t e g yi nt h ev e h i c l es t a r t u pp r o c e s si sp r e s e n t e da f t e rs t a r t - u pa s s e s s m e n ti n d e x a n di t si n f l u e n c ef a c t o r sa r ea n a l y z e d t h e nd e s i g nt h ef u z z yc o n t r o l l e ro fc l u t c h p r e s s u r e ，a n ds i m u l a t et h ev e h i c l es t a r t i n gp r o c e s si nd i f f e r e n tt h r o t t l eo p e n i n gb yt h e v e h i c l ep o w e r t r a i nm o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o n t r o lt h eo i lp r e s s u r eo f t h ec l u t c hw i t hf u z z yc o n t r o lt h e o r yc a l la c h i e v et h ed e m a n do fs m o o t h l ys t a r t i n ga n d d u r a b i l i t y t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fc l u t c he n g a g e m e n ta n dd i s e n g a g e m e n ti sa n a l y z e di nt h e l a s tc h a p t e r a n dt h ed y n a m i cm o d e lo fs h i f tp r o c e s si se s t a b l i s h e da n dt h es h i r p r o c e s s i ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a td c ti s c a p a b l eo f a c c o m p l i s h i n gt h er e q u i r e m e n to fp o w e r s h i f i k e yw o r d s ：d u a lc l u t c ht r a n s m i s s i o n ，w e tc l u t c h ，s t r u c t u r a la n a l y s i s ，d y n a m i cr e s e a r c h l i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 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年左右。诞生最早的自动变速器是液力机械式 自动变速器( a u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n ，简称a t ) ，其内部装有液力变矩器，以液 l 第1 章绪论 体作为工作介质，通过机械能与液体动能的相互转换传递动力。液力变矩器具 有无级连续变速、变矩的能力，对外部负载具有良好的自动调节和适应性能， 车辆起步平稳，加速迅速、均匀、柔和，加之液体传动本身特有的减震性能， 降低了传动系的尖峰载荷和扭振振动，延长了传动系的使用寿命，是目前世界 上车辆自动变速器的主导产品。最初批量生产的全自动a t 是美国通用公司1 9 3 8 年装于o l d s m o b i l e 车上的液力自动变速器，是目前a t 的原型。目前，美国轿车a t 的装车率达至1 j 9 5 左右，崇尚手动驾驶的欧洲发达国家，装车率也达到了3 0 左 右。 但最初的液力变矩器最高效率较低，高效范围不大，另外变矩范围有限， 导致发动机的油耗量较大：加之本身结构复杂、造价高而一度失去应用价值。 与机械传动组合称为液力机械传动后，其缺陷得到一定程度的弥补，功能得到 发展，才有了迅速发展。为了提高燃油经济性，a t 开始采用离合器闭锁、增加 机械传动档数、使用超速档等技术提高了工作效率。由于a t 制造工艺复杂，成 本高，需要年产5 0 万台左右的生成批量才能达到盈亏平衡点。 汽车自动变速器中真正可以实现无级变速的是机械式无级变速器 ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，简称c v t ) ，特点是省油、减低排气污染、 操纵方便、驾驶舒适。早期的无级变速器是通过双锥体改变接触半径实现传动 比连续变化，但因接触部分挤压导致应力过大难于实用化，后来发展为皮带传 动。目前，无级传动皮带由原来d a f 汽车的橡胶材料改为由许多薄钢片穿成的钢 环，使其与两个锥轮的槽在不同半径上咬合来改变速比，这就是) t ( v o n d o o m e st r a n s m i s s i o n ) ，已于1 9 8 2 年正式成为商品装车出售。 从理论上说，c v t 可以使发动机始终在经济工况区运行，从而大幅度省油， 但由于c v t 是摩擦传动，效率也不高。而且，c v t 工作时，由于传动比的改变， 导致传动带的扭曲变形，降低了传动效率。另外，c v t 的启动性能不好，目前 装车用的c v t 绝大多数都装有液力变矩器作为启动元件。c v t 工作时，锥轮调节 机构及控制系统采用液压控制，从而在液力变矩器和液压系统中损失了部分能 量，导致目前c v t 的燃油经济性远没有达到理想的状态。但钢环式c v t 的传动带 技术还处于专利保护中，在一定程度上妨碍t c v t 的装车率和发展。 电控机械式自动变速器( a u t o m a t e dm a n u a lt r a n s m i s s i o n ，简称a m t ) 是在 电子技术发展的基础上，将电子技术、控制技术、信息技术、机械技术和液压 技术相结合，在原手动变速器的基础上，加装换档自动操纵机构与电控系统， 2 第1 章绪论 实现换档过程自动化的自动变速器。它保留了原手动变速器传动效率高、价格 低廉、易于制造等优点。另一个最大优点是可以充分利用现有手动变速器的生 产设备，大大降低了生产成本。 但是，a m t 的工作原理决定了它在换档过程中首先要分离离合器，然后将变 速器摘空档，再选档、换档，最后结合离合器。在离合器分离到再次重新接合 之间，发动机的动力将不能被传递到车轮去驱动车辆运行，产生了动力传递中 断。必将产生减速，且换档时间延长，给车辆的加速性、舒适性带来不利影响， 从而影响换档品质及车辆动力性和经济性。 1 1 2 自动变速器的发展趋势晦1 嗍口1 近年来，随着微电子技术的飞速发展，电子控制自动变速器的问世，给汽 车带来了更理想的传动系统。机电一体化技术进入汽车领域，推动了汽车变速 装置的重大变革。自动变速器装置均出现了电子化的趋势。现代轿车自动变速 器的发展方向是： ( 1 ) 电子控制全域锁止离合器及液力缓速装置 为了提高传动效率，改善经济性能，轿车用自动变速器普遍采用变矩器锁 止离合器，并进行电子控制以保持其换档的平顺性。锁止式液力变矩器其功能 特点显示了自动变速器由液力偶合器一液力变矩器一锁止式液力变矩器的发展 过程。液力变矩器除了能传递转矩外，还能吸收扭转振动的作用，液力偶合器 却不能。带锁止离合器的液力变矩器，克服了液力变矩器输出轴与输入轴之间 存在滑动而使液力变矩器传动效率降低的缺点，这种锁止装置实际上是全自动 离合器。锁止离合器时，变矩器将不起作用，这对改善燃油经济性和降低变速 器的温升有益处。 ( 2 ) 适合于整车驱动系统的电子控制智能型自动变速器 智能型电子控制自动变速器的电子系统可以在汽车行驶过程中，对汽车的 运行参数进行控制，合理地选择换档点，而且在换档过程中对恶化的参数进行 修j 下，如摩擦片的摩擦系数、油的粘度、车辆的负荷变化等。同时具有自动诊 断系统，可以将汽车运行中的故障记录下来，便于维护。电子控制技术利用微 机控制变速器，不仅使换档程序更加符合驾驶员的意愿，而且还能利用模糊控 制理论，解决特殊情况下变速程序的复杂问题，使自动变速器的控制能力及可 3 第1 章绪论 靠性大幅度提高。现代电子控制自动变速器的主要特点是一机( 微机) 多参数、 多规律性的控制。使发动机和变速器在不同油门开度和各种行驶环境下都能处 于最佳工作状态。多参数指输入微机的控制参数多元化，即控制参数不仅有发 动机转速、车速、节气门开度等信号，而且又反映发动机、变速器工作环境和 行驶等信号；多规律是指控制微机中存储多种不同的换档规律，如最佳经济性、 动力性，各种加速行驶时的最佳经济性、最佳排放量等，驾驶员可按需要调用 相应的规律实现最佳控制。 ( 3 ) 电子控制无级变速器 无级变速器能进行理想的变速控制，比多档位齿轮传动机构更优越。自动 变速器多档化虽能扩大自动变速的范围，但它并非完全无级变速，只在有级变 速与无级变速之间。理想的无级变速器是在整个传动范围内能连续的切换变速 比，使变速器始终按最佳换档规律自动变速。无级变速是对自动变速器的理想 追求。 无级变速器存在着体积大、笨重和传动效率低的问题，而且也缺少解决耐 久性问题的相应措施。但随着电子技术的应用，电子控制的v 型金属带型无级变 速器在同本及西欧得到重视，正在积极开发市场，以希望进一步到位。 ( 4 ) 自动预选式换档系统 近来z f 公司又开发了一种自动预选式换档系统，它可以使驾驶员体会到驾 驶车辆的快感，又不需要紧张费力的操作。这种自动预选式换档装置，是全自 动换档系统的基础，它的性能包括：电子控制自动选档，换档时刻由驾驶员确 定；驾驶员不需要手操作换档。主动和被动保护装置；诊断屏幕实现系统监督。 自动变速器除采用无级变速作用的变矩器外，其齿轮数也在不断增多，从而使 变速范围不断加宽。这有助于改善发动机的燃油经济性和动力性，使发动机工 况进一步向最佳化逼近。 ( 5 ) 小型化 减轻重量、缩短动力传递路线，可提高汽车燃油经济性，自动变速器的小 型化正起着这种作用。7 0 年代以来，微型车( f i 置发动机前轮驱动) 急剧增多，从 而为自动变速器小型化提供了前提条件。此外，自动驱动桥( 即把变速器与驱动 桥合为一个整体) 的趋势十分突出，小型化又推动了f f 化和自动驱动桥的发展。 电子控制与液压控制相比，具有明显的优势：电子控制可以实现以前由液 压控制难以实现的更复杂多样的控制功能，使变速器的性能得到提高。电子控 4 第l 章绪论 制可以极大地简化液压控制结构，减少生产投资等。电子控制功能借助于软硬 件接合才能实现，由于软件易于修改，可使产品具有适应结构参数变化的特性。 随着汽车电子化的发展，汽车传动系的电子控制可以与发动机、制动系、安全 气囊等系统通过总线联网，资源共享，实现整体控制，进一步简化控制结构。 1 2 一种新型变速器d c t 的介绍 车辆的经济性、动力性、驾乘舒适性不仅取决于发动机，而且在很大程度 上依赖于变速器及变速器与发动机的匹配阳1 。最常见的手动档变速器( m t ) ，通 过离合器和手动换档拨叉来实现档位的变换，这种变速器具有结构简单、外形 紧凑、传动效率高、可靠性高、成本低等优点，应用较为广泛。但是由于车辆 在换档过程中，分离离合器和换档两个过程都需要驾驶员手动完成，操作起来 也比较繁琐；尤其对新手来说，离合器接合速度的控制和换档时机的选择也是 比较大的困难。为了充分利用手动变速器的高传动效率，结合目前快速发展的 汽车电子控制技术，将手动变速器自动化是目前汽车自动变速器的一个重要发 展趋势，电控机械式自动变速器( a m t ) 的产生就是这一发展的产物。但是a m t 的换档过程为非动力换档，车辆在换档过程中必然产生动力中断，这就对车辆 的加速性、换档舒适性等产生了很大的影响。为了既可以充分利用a m t 所具有 的优点，又可以消除其中断动力换档的缺点，一种新型自动变速器就应运而生 了，这就是双离合器自动变速器( d u a lc l u t c ht r a n s m i s s i o n ) ，简称d c t 归1 。目前， 这种自动变速器已成为许多汽车厂商关注的热点。 双离合器自动变速器综合了液力机械自动变速器和电控机械自动变速器的 优点，传动效率高、结构简单、生产成本低、不仅保证了车辆的动力性和经济 性，而且极大的该善了车辆运行的舒适性。由于传动结构依然是齿轮变速箱， 所以传动效率高。传动功率大、结构简单等优点被良好的保存下来。与有级自 动变速器相比，这种双离合器式变速器最大可将燃油效率提高1 5 。此外还可以 提高最高时速，而且在加速性能方面也要胜过自动变速器一筹。除改善燃油效 率的需求外，用户还追求驾驶的乐趣以及舒适感，市场需求同趋多样化。 1 3d o t 的发展及研究现状 5 第1 章绪论 1 9 4 0 年d a r m s t a d t 大学教授r u d o l 恤f r a n k e 第一个申请了双离合器自动变 速器( d c t ) 专利，该变速器曾经在载货车上试验过，但是未能批量生产。随后 保时捷也发明了专用于赛车的双离合变速器( p d 站，也没有投入批量生产“。 到了2 0 世纪9 0 年代末，随着电子控制技术的迅速发展，双离舍器自动变速器 才被应用于普通轿车上。 近几年随着技术的进步和人们对于高效率、低成本的动力换档变速器的追 求，以及双离合器式自动变速器所具有的诸多优点，逐渐受到厂家的青睐和重 视。例如德国大众公司、z f 公司、福特公司、戴姆勒克莱斯勒公司等都在投入 较大的力量对其进行开发，并已经取得了成功。其中，较为突出的是由德国大 众公司与美国博格华纳公司( b o r g w a r n e r ) 合作开发的d c t 变速器，这是一款 成功的双离合器式自动变速器，如图1 1 所示。大众公司主要负责变速嚣设计 和系统的集成工作；博格华纳公司负责开发、提供d c t 的关键部件，主要包括 双湿式离合器和变速器机电控制模块，这些部件可以把手动变速器变为d c t 。 图l1 大众直接换档变速器( d s g ) 大众公司的d c t 变速器已经应用于a u d i t t 轿车、第五代高尔夫轿车等多 种车型上，并较大程度地提高了车辆性能。大众公司对高尔夫r 3 2 分别装用手 动变速器与d c t 变速嚣进行了试验对比，其性能比较如图1 2 所示1 口装用d c t 变速器的r 3 2 车，百公罩油耗仅l o 2 l ( 按m v e g 的9 9 1 0 0 f e g 标准试验) ，0 1 0 0 k m h 加速时间仅为6 o s ；而相应装用手动变速器的r 3 2 车百公罩油耗为 1 15 l ，o 1 0 0 k m h 加速时日j 为64 s ；展高车速同样是2 4 7 k m h “。可见，d c t 变速器与手动变速器相比，可使整车具有优良的燃油经济性和动力性能。另外， 装用d c t 变速器的车辆i 司样其有很好的换档品质，其换档过程与性能最好的传 6 第1 章绪论 统自动变速器一样平顺。 图1 2i ) c i 与盯试验数据对比 相对于国外的研究现状，目前在国内，双离合器自动变速器的研究还处于 起步阶段。研究单位主要是以高校理论研究为主，高校企业相接合联合开发的 现状；研究方向也主要集中在d c t 的控制系统方面。如吉林大学的牛铭奎、程 秀生、葛安林等啼1 3 1 和同济大学的杨伟斌、吴光强等口们n 5 1 对双离合器式自动变 速器换档特性及换档品质的研究；重庆大学姚晓涛、秦大同n 司等对干式双离合 器自动变速器起步的控制研究；北京理工大学郭晓林n 7 1 、马彪n 舢等对湿式离合 器充放油过程动态特性的研究。 2 0 0 7 年1 1 月，科技部公布的1 7 项“十一五 8 6 3 计划现代交通技术领域 “汽车开发先进技术 重大项目中，变速器开发项目占了5 项，其中3 项均为 轿车双离合器自动变速器技术开发项目( 另外2 项为重型商用车机械自动变速 器开发项目) ，分别由重庆青山工业有限责任公司、杭州前进齿轮箱集团有限公 司和浙江吉利控股集团有限公司承担。 2 0 0 8 年8 月，由国家发改委牵头，国内十余家整车企业与博格华纳公司合 作，引进双离合器自动变速器技术的中联发实业有限公司( 简称中联发) 成立。 合资公司成立后将重点研发自动变速箱的双离合器、液压泵、电磁阀、电控单 元等六大关键技术，形成一个共用的技术平台。届时，参与合资的国内企业都 可以采用这些技术研发生产自己的变速箱。 另外，国内的几个大型汽车集团也陆续投入到了双离合器自动变速器技术 的研发中来，并且投入了相当的人力、物力和财力。一汽集团在a m t 的研发上 已经积累了一定的经验，目前已决心要开发d c t ，而且要能够攻克关键的控制 7 第l 章绪论 器单元。上汽集团已经投入了近1 0 亿元用于开发自己的d c t ，争取2 0 0 9 年底 批量生产，并且确立了用于匹配d c t 的一系列自主品牌车型n 盯。 由此可见，d c t 是一种适应我国市场需求、代表自动变速器的发展方向的 变速器，并已经得到相关政府部门和企业研究机构格外的关注和重视。 1 4d c t 的研究意义及发展前景 1 4 1o c t 的研究意义 双离合器式自动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、安装空间紧凑、重量轻、价格便宜等许多优点。 双离合器式自动变速器的优点还体现在对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啪1 。 首先，因为双离合器式自动变速器是按照动力换档的原理来进行操纵的， 它的成本与效率介于a t 自动变速器和a m t 自动变速器之间。双离合器式自动 变速器在换档过程中不存在动力中断，保留了a t 、c v t 等换档品质好的优点。 车辆在换档过程中，发动机的动力始终可以传递到车轮，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急剧减速情况， 也极大的改善了车辆运行的舒适性。这相对电控机械式自动变速器来说，是一 个巨大的改进。而且，它大大缩短了换档时间，两个离合器的切换时间通常在 0 3 - - 一0 4 秒左右，换档完成时间非常短，所以不易被驾驶室乘员感觉到，极大 的提高了换档舒适性，保证了车辆具有良好的动力性与换档品质。 双离合器式自动变速器的内部传动为齿轮式纯机械传动，其运行时的传动 效率等同于电控机械式自动变速器( a m t ) 。虽然这种双离合器式自动变速器也 需要额外的动力来控制它进行工作，但是其特定的内部结构和工作原理使这种 变速器具有比传统变速器更好的燃料经济性。并且，由于控制方式的改进，换 档时间的缩短，对车辆油耗和排放等方面也有所改善。如图1 3 所示为几种不 同自动变速器节油率和舒适度的比较。 8 第1 章绪论 1 0 9 舒8 适 度7 6 5 c v t a t 6 s p d帆，_ v a t 5 s 州 drydctj ， r) 、_ ， ， i 一 6 s p e e d m t 0s p 鲥 051 01 5 节油率 图1 3 不同自动变速器节油率和舒适度的比较 其次，由于双离合器式自动变速器是在原传统的手动变速器基础上进行自 动化的，从而以结构简单的平行轴式结构达到了结构复杂的旋转轴( 行星齿轮) 式自动变速器的效果，成本更低。并且，因为在离合器分离的情况下，档位要 预先啮合，可以有较充分的转速同步时间，原来的同步器还可以改用啮合套， 其结构更为简单，成本远远低于a t 、c v t 等自动变速器。所以它与a m t 一样、 可以充分利用原有手动变速器的生产设备，只需增加少量的生产设备即可，生 产继承性好，很适合现有的手动变速器生产厂将产品升级到自动变速器。其生 产投资相对于生产a t 自动变速器所需要的1 5 亿左右的生产设备投资而言，具 有极大的经济效益和社会效益。 此外，双离合器式自动变速器的应用范围很大，它既可以应用在大型车、 中型车上，而且由于它换档时间很短，也可以应用在赛车上。 总的来说，与手动变速器( m t ) 、液力自动变速器( a t ) 、无级自动变速器 ( c v t ) 和电控机械式自动变速器速器( a m t ) 相比( 各种变速器优势对比见 表1 1 ) ，6 速d c t 具有以下优点瞳： ( 1 ) 燃油经济性好，比4 档a t 提高1 8 ，比c v t 提高8 ，比6 档m t 提 高2 ； ( 2 ) 起步性能和换档品质好，增加驾驶乐趣； ( 3 ) 紧凑的安装空间，与a t 相比重量轻； ( 4 ) 扭矩传递能力大； ( 5 ) 有竞争力的价格，m t a m t d c t a t c v t 。 9 第1 章绪论 表1 1 各种自动变速器的优势对“2 类别6 速a m6 速d c t 6 速a t c v t 燃油经济性 + + + o 成本 + +o 供应商投资( 亚洲和北美) oo + + + 供应商投资( 欧洲) + + + o 重量尺寸 + + + 起步性能 + + + 传递扭矩能力 + + + 换档品质 + + + 热熔能量 + 反应速度 + + 00 安全性 + 技术难度 + + + 1 4 2d c t 的发展前景 在市场前景方面，目前，以手动档变速器( m t ) 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，手动档汽车在欧洲市场的占有率在8 0 以上。但是，随着城市道 路拥堵的日益严重、人们对车辆驾乘舒适性的更高要求以及各种先进自动变速 器的逐渐问世，自动变速器的市场占有率逐渐上升。尤其是d c t ，在传动效率 和换档性能大大提高的同时，其成本却远远低于a t 、c v t 等自动变速器，这j 下 好满足了欧洲市场的要求，受到人们的青睐。d c t 在传动效率和换档性能大大 提高的同时，其成本却远远低于a t 、c v t 等自动变速器，这j 下好满足了欧洲市 场的要求，受到人们的青睐。在过去的几年内，依靠欧洲已有的手动变速器生 产设备和条件，双离合器自动变速器已经被大批量生产，其自动换档的特性以 及相对于4 速a t 可观的燃油经济性，使得其逐渐占据了一部分原属于手动变速 器和自动变速器的市场1 。图1 4 为博格华纳公司对各型变速器在欧洲市场占 1 0 第1 章绪论 有率的预估。 图i4 各型变速器欧洲市场占有率预测 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，而生产双离合器自动变速器可以充分利用原有 手动变速器的生产设备，新增投资较少，非常适合我国国情。c s mw o r l d w i d e 的预测表明：在未来3 年里，中国轻型车市场对最大扭矩为1 5 0 n m 以下范围的 变速器的需求将超过3 5 0 万台，而这当中双离台器自动变速器有8 0 的市场机 会去争取。1 。困此，对于国内汽车市场，双离合器自动变速器的前景也是非常 乐观的。 15 本文的主要研究内容 主要研究内容包括： 1 ) 简要介绍国内外o c t 的发展历史和应用现状，讨论d c t 相对于其它自动 变速器的主要优点和其发展前景。 2 ) 对0 c t 的基本结构和工作原理进行说明。详细阐述d c t 系统的不同结构 方案，并对各种方案的优缺点进行对比分析。 3 ) 对汽车动力传动系统建模，包括离合器模型、变速器系统模型、发动机 模型、车辆阻力矩模型。 4 ) 建立湿式d c t 起步离合器接台过程的动力学模型，对起步过程中离合 器接合过程进行分析，提出车辆起步过程中的离合器控制策略。 5 ) 采用模糊控制理论，借助m a t l a b 软件中的模糊逻辑工具箱，设计车辆起 步过程的离合器压力控制模糊控制器。结合离合器动力学模型、发动机模型、 阻力矩模型等建立汽车起步的整车模型，对不同油门开度下的起步工况进行仿 第l 章绪论 真。 6 ) 建立双离合器自动变速器的换档模型，对换档过程进行分析。通过对换 档品质及其评价指标的分析，提出了换档过程中对双离合器的控制策略。最后， 建立换档过程的整车仿真模型，并对换档过程进行仿真分析。 1 2 第2 章d c t 的结构及工作原理 第2 章d c t 的结构及工作原理 2 1 两种d c t 结构方案与工作过程分析 由于双离合器自动变速器是基于手动变速器发展而来的，根据齿轮轴布置 方式的不同，d c t 结构有两轴式和双中间轴式等多种型式。两种型式都是由安 装在一起的两个离合器双离合器和常啮合定轴式变速器组成。变速器有两 根输入轴，一根实心轴和一根空套在实心轴上的空心轴。两根输入轴分别与双 离合器的两个输出盘相连，将传动齿轮分为奇数档齿轮组和偶数档齿轮组，通 过两个离合器的切换交替工作。当一个档工作时，可预选下一个档位，换档时 只是离合器的切换。所以，无论变速器档位数量的多少，d c t 的工作原理都是 基本相同的。 下面，重点分析两轴式和双中间轴式两种d c t 的结构方案。 2 1 1 两轴式o c t 结构及工作过程 首先以一个具有五个前进档的d c t 自动变速器工作简图为例分析其工作原 理。 如图2 1 所示，d c t 的主要组成部分有c l 、c 2 两个湿式离合器，五个变速 器档位及其相应的换档同步器，以及其它的换档控制系统。 1 丌j iz 箅 刍 一 l 当! z 3 z 5 一 j 亍鬯 当 珏 1 z 4 节7l ， z l 绗 - - 舳 山 、2 弋3 、占： 小知 _ j 1 。 3 。 t , 2 盼。 一骨 r 小知 3 由 一 弋孓 z 亨 z 2 ， z t z s 一 z 1 j 硝 图2 1 两轴式d c t 结构简图 1 3 第2 章d c t 的结构及工作原理 两轴式d c t 的具体结构特点是：输入轴2 加工成空心轴，套在实心输入轴 1 上；输入轴1 、2 分别通过花键与多片式离合器c 1 、c 2 连接在一起。其1 、3 、 5 档与离合器c 1 联结在一起，而2 、4 档联结在离合器c 2 上，即将变速器的档 位按奇、偶数档位分别与两个离合器分开配置，变速器换档所用的同步器等与 原来的普通手动变速器完全相同。其变速器档位按如下连接方式设置：在设有 两个换档同步器a 1 、a 2 的轴l 上，与换档同步器相邻的设置1 、3 、5 档空套主 动齿轮z l 、z 3 、z 5 ，轴1 与离合器c 1 连接，与主动齿轮z l 、z 3 、z 5 常啮合 的被动齿轮z l 、z 3 、z 5 固定设置在轴3 上；2 、4 档主动齿轮z 2 、z 4 固定 设置在与离合器c 2 相连接的空心轴2 上，与主动齿轮z 2 、z 4 常啮合的空套被 动齿轮z 2 、z 4 设置在轴3 上，并与设在轴3 上的换档同步器a 3 相邻，轴3 与输出轴相连接1 。 两轴式d c t 的工作原理是：动力源的动力由输入轴传入，当离合器c 1 结 合时，动力经由离合器c 1 传到l 轴，而l 轴上固定连接了两个同步器，这时， 如果两个同步器分别与l 、3 、5 档的齿轮接合，则可以将动力经由与同步器啮 合在一起的1 、3 、5 档主动齿轮z l 、z 3 、z 5 ( 为空套齿轮，与l 轴间可以自由 转动) ，传递到与3 轴固定在一起的被动齿轮z l 、z 3 、z 5 上，经3 轴将动 力输出。同样，2 、4 档主动齿轮z 2 、z 4 固定联结在离合器c 2 上，当离合器 c 2 接合时，动力由离合器c 2 直接传递到2 、4 档主动齿轮z 2 、z 4 上，然后经 与齿轮z 2 、z 4 啮合在一起的被动齿轮z 2 、z 4 ，以及换档以后就与z 2 或z 4 联接在一起的同步器将动力传递至3 轴，经输出轴输出，工作过程与离合器c l 部分基本相同。 两轴式d c t 的换档过程是：当汽车启动运行时，车辆首先要以l 档起步， 这时，控制换档机构首先将l 档齿轮z 1 与同步器a l 啮合，然后，离合器c l 被控制接合，而离合器c 2 保持分离。动力由c l 传到l 轴后，因同步器与l 轴 固定在一起，同时，同步器也已经与l 档齿轮z l 啮合在一起，则动力经由输入 轴一离合器c 1 1 轴一同步器一l 档空套主动齿轮z l 一被动齿轮z 1 一3 轴一输 出轴。此时的功率流向如图2 2 中粗线所示。 1 4 第2 章d c t 的结构及工作原理 一n i i ：1 一z 4 l i z 5 一 心 z 3 丹i ! ! z r 忤。 z l 节7 v 一jj i 弋j 七： 揣 3 。a t r 一仍 2 柙 月w ， 3 舢一越 z 5 z 2 z 4 z 3 。 z 1 一 z f 图2 2 两轴式d c t 一档功率流 当需要换档时，因为此时车辆在l 档运行，车辆只能升入2 档运行。而离 合器c 2 处于分离状态，2 档还不传递动力，所以电控单元指令自动换档机构将 2 档齿轮z 2 预先与同步器进入啮合，此时，离合器c 2 与2 档主动齿轮z 2 为 一体件，z 2 与空套齿轮z 2 常啮合，同时z 2 与同步器a 3 啮合后也与3 轴( 输 出轴) 连接在一起。达到2 档换档点时刻时，电控单元发指令将离合器c 1 分离， 离合器c 2 接合，车辆动力改由输入轴一离合器c 2 2 档齿轮z 2 一空套齿轮z 2 一同步器一3 轴一输出轴。动力源直接经由2 档啮合齿轮输出功率，车辆由l 档 换入2 档运行，此时的功率流向如图2 3 中粗线所示。 1 iz 彳 写 一 1 j当 ! 船 z 5 呵型 当 z t 乍7 z r1 z l 乙 忡 ul j l l 2 由。 上： ，协 越 a 1 。 ，r _乃 a 2 仰 赫、 揣一 弋3 z 亨 3 z 2 ，l 烈 虿一 z 1 。 一 硝 一 图2 3 两轴式d c t 二档功率流 然后，电控单元根据车辆当前运行状态，判断车辆即将进入运行的档位， 如果车辆减速，则控制自动换档机构将档位换入1 档：如果车辆加速，则控制 自动换档机构将档位换入3 档。由于l 档与3 档齿轮组均布置在离合器c l 上， 而离合器c 1 处于分离状态，不传递动力。直到达到l 档或3 档的换档点时刻时， 1 5 第2 章d c t 的结构及工作原理 将离合器c 2 分离，离合器c 1 接合，整个换档动作结束。其它升档与降档过程 均与此类似。 2 1 2 双中间轴式d o t 结构及工作过程 上面介绍的是一种两轴式d c t ，这种布置方式较适合于对变速器轴向尺寸 要求不严的车辆。但是随着目前横向布置车型的增加，汽车前置前驱形式对变 速器的轴向尺寸提出了更高的要求，希望变速器的轴向尺寸更为紧凑。对于d c t 来说，也可以设计相应的布局以适应整车布置的需要。下面介绍一种采用双中 间轴式d c t 的布置方案。 如图2 4 所示，该方案有6 个前进档和一个倒档，变速器档位按如下连接方 式设置：在与离合器c l 相连接的实心轴l 上固定设置l 、3 、5 档主动齿轮z l 、 z 3 、z 5 ，与主动齿轮z l 、z 3 常啮合的空套被动齿轮z l 、z 3 设置在轴3 上， 并于固设在轴3 上的换档同步器a l 相邻，与主动齿轮z 5 常啮合的空套被动齿 轮z 5 设置在轴4 上，并于固设在轴4 上的换档同步器a 3 相邻；2 、4 档主动齿 轮z 2 、z 4 固定设置在与离合器c 2 相连接的空心轴2 上，与主动齿轮z 2 、z 4 常啮合的空套被动齿轮z 2 、z 4 设置在轴3 上，并于固设在轴3 上的换档同步 器a 2 相邻。与主动齿轮z 6 常啮合的空套被动齿轮z 6 设置在轴4 上，并于固 设在轴4 上的换档同步器a 4 相邻；轴3 、轴4 分别通过固设其轴上的齿轮与输 出轴驱动连接。 忒 蕴 m z 5 一 z f 忡l 。忡 曲 战弋3 赫l c 1c 2 4 可一 。 a 3 27 6z 51 叶r ，f 甲竹 肭, - m - ,由 j 2 2 z 4z 3z l 2 - 一 仰一乃 1 穸j 3 ， 钾 ，骗一 斟 _ 弋j 批 型 z r z 3 一 l d i岩 z i 幽2 4 双中间轴式d c t 结构简图 1 6 第2 章d c t 的结构及工作原理 这种方案与前一种方式相比较，不同之处在于采用了两个中间轴，即动力 在输入轴和输出轴之间可以经由不同的两条路线( 3 轴或4 轴) 传递。其优点是 1 档和倒档的主动齿轮共用、4 档和6 档的主动齿轮共用，从而使变速器的轴向 尺寸比前一种布置方案缩短了。另外，在变速器各档位传动比相同的情况下， 每对啮合的齿轮间的齿数比更加接近，因此径向尺寸可以做得较小。总的来说， 双中间轴式方案虽然结构上比两轴式方案复杂一些，但使变速器变得更加紧凑。 下面详细介绍其工作原理。动力源的动力由输入轴传入，当离合器c 1 结合 时，动力经由离合器c 1 传到与其固定联接在一起的齿轮z l 、z 3 、z 5 上。齿轮 z 1 、z 3 、z 5 是1 、3 、5 档的主动齿轮，它们与被