（车辆工程专业论文）双离合器自动变速器的研究.pdf

摘要 摘要 车辆的自动化和电子化不仅是汽车技术发展的标志，也是人们不断追求的 目标。致使自动变速箱呈现蓬勃发展趋势。目前的自动变速器主要有a t 、c v t 、 a m t 。 a m t 是由传统的平行轴式手动变速器发展而来的，它具有高经济性、低排 放和现有手动变速器的生产投资的优点，但是由于a m t 是非动力换档，在换档 过程中出现的动力中断导致换挡加速慢和换档冲击度大，影响乘员舒适性。a t 是动力换档，具有良好的换挡舒适性，但是燃油经济性有所欠缺。为了充分结 合a m t 和a t 的优点，本文的研究了一种既是动力换档又是传统的平行轴式的 机械传动变速器双离合器自动变速器。全文共分为六个部分。 首先简单介绍了目前变速器发展动向，介绍各自动变速器的特点；分析双 离合器自动变速器d c t 的国情，提出了本文的研究内容和意义所在。 然后主要分析双离合器自动变速器的结构和工作原理，并着重分析了二档 到三档换档过程的分析，明确了换档过程的动力流向。 接着根据双离合器自动变速器的工作原理建立双离合器自动变速器的换档 动力学模型，并根据该模型计算分析换档过程中的功率流、动力损失产生的情 况和输出动力与变速器的结构等之间的关系。同时建立了m a t l a b s i m u l i n k 模型， 并进行相应的仿真研究，分析仿真结果。 接着又针对双离合器自动变速器的液压系统进行分析，主要分析了油路系 统中的阀以及离合器的充放油过程的压力、流量关系。并针对离合器活塞的运 动方程以及离合器内流量平衡关系建立仿真模型。 然后是综合考虑各个子模型的整车仿真研究，。 最后是对离合器结合、分离控制的最优控制器的设计，主要采用动态规划， 以达到换档时的冲击度最小和换档时间短为最终控制目标。 关键词：自动变速器、双离合器自动变速器、动力学模型、s i m u l i n k 仿真、 最优控制器、动态规划、换档冲击度。 a b s t r a c t 1 _ _ - _ _ - _ _ - - _ _ _ - _ _ - - _ - _ - _ - - - _ - - _ _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ - - _ _ _ - - _ - _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - - - - - 一 a b s t r a c t t h ea u t o m a t i o na n de l e c t r o n i co fv e h i c l ei sn o to n l yt h ed e v e l o p m e n ts y m b o l ， b u ta l s ot h et a r g e to fp e o p l e sp u r s u i n g s oa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nh a sag o o d d e v e l o p m e n tt r e n d n o wt h em a i na u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni sa t 、c v t 、a m t a m tc a m ef r o mt h et r a d i t i o n a lp a r a l l e la x i sm a n u a lt r a n s m i s s i o n ，i tp o s s e s s k 曲e f f i c i e n t 、l o we m i s s i o na n dt h ee x i s t i n gm a n u a lt r a n s m i s s i o np r o d u c t i n v e s t m e n t b u ta m t i sn o tp o w e rs h i f t ，d u r i n gs h i f t i n g ，t h ep o w e r i n t e r r u p tc a nl e a d t ot h el o w e rs h i f t i n ga c c e l e r a t i o na n dh i g hs h i f t i n gj e r k ，t h e ni n f l u e n c et h ec o m f o r t a b i l i t y a tb e l o n gt op o w e rs h i f t i n ga n dh a sg o o ds h i f t i n gc o m f o r ta b i l i t y b u ti th a s l o wf u e le f f i c i e n t i no r d e rt oc o m b i n et h ee x c e l l e n to fa m tw i t ha t , t h i sa r t i c l e r e s e a r c ht h ed o u b l ec l u t c ht r a n s m i s s i o nw h i c hi sn o to n l yp o w e r s h i f t i n g ，b u ta l s ot h e t r a d i t i o n a lp a r a l l e la x i sm e c h a n i ct r a n s m i s s i o n t h ea r t i c l ei n c l u d ef i v ep a r t s a tf i r s t ，t h ed e v e l o p i n gt r e n d so ft r a n s m i s s i o n sw e r ei n t r o d u c e db r i e f l y t h e n d e s c r i b e dt h ec h a r a c t e r i s t i ca u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n a n a l y z e dt h ed o u b l ec l u t c h t r a n s m i s s i o n ss i t u a t i o n ，t h e nb r i n gf o r w a r dt h er e s e a r c hc o n t e n ta n dm e a n i n g t h es e c o n d l y , a n a l y z e dd o u b l ec l u t c ht r a n s m i s s i o n ss t r u c t u r ea n dw o r kt h e o r y a n de m p h a s i so nt h es h i f t i n gp r o c e s s t h e na c q u a i n tw i t ht h ep o w e rs t r e a mo fs h i f t p r o c e s s t h et h i r d l y , b a s e do nt h ep r i n c i p l e ，m o d e l i n gt h ed o u b l ec l u t c ht r a n s m i s s i o n s h i f t i n gd y n a m i cm o d e l t h e na c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cm o d e la n a l y z e dt h ep o w e r s t r e a ma n dp o w e rl o s si nt h es h i f t i n gp r o c e s s a n dm o d e l e dt h es i m u l i n km o d e l a n ds i m u l a t i o nr e s e a r c h ，a n a l y z e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s m o d e l e dt h es i m u l a t i n g m o d e l t h ef o u r t h l y , a n a l y z e dt h eh y d r a u l i cs y s t e mo fd c t , a n d m a i n l ya n a l y z e di nt h e o i ls y s t e mv a l v ea sw e l la st h ec o u p l i n gs u f f i c i e n t l yp u t st h eo i lp r o c e s st h ep r e s s u r e a n dt h ec u r r e n tc a p a c i t yr e l a t i o n s t h ef i f t h l y , t h ew h o l ev e h i c l es i m u l a t i o nr e s e a r c h ，d i v i d e dm a n yw o r ks i t u a t i o n t os i m u l a t i o na n d a n a l y z e f i n a l l y , i no r d e rt or e c e i v et h e l o ws h i f t i n gj e r ka n ds h o r t s h i f t i n g t i m e 1 1 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i ct h e o r y , d e s i g n e dt h eo p t i m a lc o n t r o l l e ra c c o r d i n gt ot h e i n t e g r a t ea n do p e no ft h ec l u t c h k e yw o r d s ：a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，d o u b l ec l u t c ht r a n s m i s s i o n ，d y n a m i cm o d e l ， o p t i m a lc o n t r o l l e r ，d y n a m i ct h e o r y , s h i f t i n gj e r k i i 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本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签 名： 年月日年 月 e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月 第1 章绪论 第1 章绪论 我国汽车工业随着科学技术进步和人民生活水平提高，国内已经形成年产 2 0 0 多万辆轿车的生产能力。随着轿车进入家庭，非职业驾驶员越来越多，他们 对简化操作的要求日益迫切，致使对变速器的要求也日益提高。汽车的自动变 速技术便成为人们追求的目标，它是改善和完善车辆传动系统的一个重要方面。 1 1 汽车变速器的介绍 由于汽车驱动轮所需的转速和转矩与发动机所能提供的转速和转矩有较大 的差别，因此需要传动系统来改变从发动机到驱动轮之间的传动比，将发动机 的动力经济而方便地传至驱动轮，以便能够适应外界负载与道路条件变化的需 要。变速器就成为这个传递装置，即发动机输出的动力要经过变速器后才能输 出到车轮驱动车辆。变速器是传动系统中个重要的桥梁。 1 1 1 汽车变速器的技术动向 汽车变速器诞生1 0 0 多年来，齿轮变速器一直占据着统治地位，但随着汽车 技术同新月异的发展，变速器的技术也发生了很大的变化。现代汽车变速器技 术的主要发展趋势是：小型轻量化、多档化、低噪声化和自动变速化。 1 、小型轻量化 汽车重量是一个重要参数，是油耗的决定因素之一。另一方面，人们对汽 车安全性要求的日益提高，要求汽车在偶发碰撞时有足够的刚度，而且要提供 更大的驾驶空间，因此变速器的小型轻量化日益重要。还有轻质材料的应用， 铝、镁合金具有比强度高、比重小等诸多优点，是实现轻量化较为理想的材料， 而且镁合金的切削性、比强度、比刚度好，尺寸稳定性好，吸振能力好，有利 于减振和降低噪声。在1 9 3 8 年，德国大众第一次对甲壳虫轿车的变速器壳体使 用镁合金材料；1 9 7 2 年奥迪在0 1 4 型手动变速器的壳体采用镁合金材料。目前， 许多汽车公司和奥迪汽车公司启动了使用镁合金的战略。 2 、多档化 日产公司曾专门研究了变速器档位数对燃油经济性和汽车动力性的影响： 档位数和速比范围对燃油经济性的影响：通常4 档变速器的最大速比( 1 档 第1 章绪论 时) 取3 0 ，增加速比可提高燃油经济性，当档位数大于6 或最小速比低于0 7 时， 对燃油经济性提高影响很小。 档位数和速比范围对起步加速性能的影响：通常4 档变速器最小速比( 超速 档时) 为o 7 ，最大速比的增加可提高汽车的加速性能，当档位数大于6 或l 档速 比大于4 时，对加速性能的提高作用己不明显； 为了提高汽车的动力性、经济性和驾驶平稳性，要求变速器增加速比范围， 减少速比间隔。6 档变速器开始时主要安装在昂贵的d 级、e 级车中，如阿斯顿 马丁、法拉利、马莎拉蒂、迈克拉伦和保时捷。大型汽车变速器现在以6 档为主， 也有一些采用5 档；但附加( 两档) 副变速器就成了1 0 档变速器。将两个高速档 做成超速传动的7 档变速器也占有相当的市场份额。在欧美、特别是欧洲，较普 遍地使用1 0 档以上，比如1 6 档一类的变速器。i v e c os t r a l i s 牵引车装用了z f 公司 的1 6 挡e u r o t r o n i c 自动变速器。z f 公司开发的z f a st r o n i c 是为采用电控柴油 机( e d c ) 的商业车辆设计的1 2 或1 6 挡自动变速箱装置。m a nt g a ( 5 1 0 h p ) 牵引 车装用t t i p m a t i c1 2 挡自动变速器；v o l v o 公司在f m 和f h 系列载货车上均装用了 自行研制的i s h i f t 自动变速器，可以取得良好的动力性和经济性。s c a n i a p l l 4 g a 牵引车装用了该公司自行研制的o p t i c r u i s e1 2 挡自动变速器；m e r c e d e s a c t r o s 牵引 车和自卸车系列均装用了e a s1 2 挡或1 6 挡自动变速器。显然，多档化可降低油 耗，但也会使变速器操作复杂。 3 、低嗓声化 在汽车的诸多噪声源中，传动系的噪声仅次于发动机和排气系统的噪声。 齿轮噪声又是变速器的主要噪声源，在降低变速器噪声中占有非常重要的角色。 在齿轮参数的降噪设计中，通过提高齿轮重合度来降低高速档齿轮的噪声，小 模数、小压力角、大齿高的齿轮设计已成为潮流；还可以进行三维齿轮修形， 对齿轮啮合按接触区进行调整，进而实现降低噪声。变速器箱体在降低变速器 噪声方面也发挥着重要的作用，改进箱体的截面形状，掌握并改善箱体的振动 特性，可有效地降低变速器噪声。 4 、自动变速化 由于平常的手动变速器因为要配合离合器、油门、和换档操纵杆的操作， 操纵过程复杂，因此能够实现自动换档的自动变速器随着人们的需要产生了。 虽然6 档变速器有明显的增长，其在高档豪华轿车中几乎成为标准装备，但 必须承认在这些轿车中愈来愈多的一部分被自动变速器取代。美国的轿车a t 装 2 第1 章绪论 车率在7 0 年代就达到了8 0 以上，1 9 9 8 年在北美销售的每1 0 辆汽车中有9 辆装备 a t 。在亚洲，日本则发展更为迅猛，1 9 6 9 年引进美国技术开始合资生产轿车a t ， 1 9 7 7 年的轿车a t 装车率只有1 4 7 ，至1 1 9 9 3 年已达到t 7 4 7 ，最近几年均超过 了8 0 。欧洲在1 9 8 5 - - 1 9 9 5 年自动变速器需求的缓慢增长后，从1 9 9 7 年的1 7 6 万 台增长n 2 0 0 5 年的3 3 5 万台，几乎翻了一番。据德国z f 公司预n n 2 0 0 5 年在西欧 a t 从1 9 9 7 年1 3 的市场份额增力1 2 5 。 1 9 8 7 年，日本富士重工公司、欧洲福特公司和菲亚特公司等开始使用荷兰 v d t 公司( 现已被德国博世公司兼并) 的v d 钢带，相继推出所谓的c v t 汽车技 术，c v t 技术逐渐进入了成熟期。 然而手动变速器有其特有的优点，为了综合手动变速器和a t 、c v t 的优点 就出现了手动变速器的自动化，使得汽车按照最佳换档规律进行换档，比手动 变速器更加经济、方便、安全和舒适。而且具有制造工艺简单、成本低和传动 效率高的优点，因此在国内外受到整车厂和零部件厂的广泛关注。其最典型的 例证多在欧洲。国外由于受燃料经济性和排放法规的限制，特别是欧洲各主要 汽车制造商近两年来也相继加大对a m t 的研究开发力度，并陆续推出自己的产 品。 从上面的动向可以发现，变速器的自动化被各大汽车公司作为开发研究的 重点方向。 1 1 2 自动变速器的发展及其现状 目前世界上使用最多的汽车自动变速器主要有3 种类型，即液力自动变速器 ( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n 简称“a t ”) ，电控机械式自动变速器( a u t o m a t e d m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n 简称“a m t ) ，摩擦传动无级自动变速器( c o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o n 简称“c v t ”) 。 1 1 2 1 液力自动变速器( a t ) 的发展及其现状 液力自动变速器的发展经历了相当长的历程，液力自动变速器的传动部分 主要由液力变矩器和多组行星齿轮组成，它以液体作为工作介质，通过机械能 与液体动能的相互转换传递动力。它仍然分多档，能实现局部无级变速的有级 变速器，是目前国内外用得最多的自动变速器。 a t 免除了手动变速器繁杂的换档和脚踩离合器踏板的频繁操作，使开车变 得简单、省力。液力自动变速器的液力变矩器对外部负载具有良好的自动调节 3 第1 章绪论 和适应性能，使车辆起步平稳、加速迅速、均匀、柔和，再加上液体本身特有 的抗震性能，又迸一步降低了传动系的尖峰载荷和扭矩振动，延长了传动系统 的寿命，提高了乘坐与驾驶舒适性以及安全性和通过性等。 采用液力自动变速器无疑提高了轿车的档次，但结构复杂、重量大、制造 工艺复杂、成本高等也是它的特点。 目前国内汽车在a t ( 自动变速器) 研究方面，吉林大学汽车学院、北京理 工大学车辆工程学院和同济大学汽车学院基本上代表了国内的研究水平。 国外在自动变速器方面的研究已经有几十年，技术已经很成熟，目前国外 的研究主要侧重于换档品质的进一步优化、发动机和自动变速器集中控制以及 整车电控单元的集成方面。 1 1 2 2 无级变速器( c v t ) 的发展及其现状 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 v t ) ， 省油、降低排气污染、操纵方便、驾驶舒适的机械无级传动也一直是人们追求 的目标。 目前生产的c v t 的基本结构是两个皮带轮和钢片组成的钢带。不同部件的 构成只有微小的差别。通过电子控制已经解决了c v t 扭矩容量、噪音和可靠性 问题，特别是通过皮带轮控制施加于钢带上的压力。现在c v t 扭矩容量已经增 大到适合于d 级车。奥迪的m u l t i t r o n i c 变速器是在原有无级变速器的基础上安装 了一种称为多片式链带的传动组件，这种组件大大拓展了无级变速器的使用范 围。z f 公司认为2 5 升以下的发动机搭载c v t 比传统a t 要好，并已开发出适合此 类发动机的c f t 2 0 ee c o t r o n i c 取代传统的4 档a t 。e c o t r o n i c 系统的所有智能控制 功能是由电子元件完成。更重要的是电子元件充当速比控制器，消除以前c v t 的“橡胶带效应 ，并且识别如城市、山区、高速公路等不同的路况。电子元件 自动调整以适应这些条件以及驾驶员的脾气和风格。 c v t 可以使发动机始终在经济工况区运行，大幅度省油，可以预见将来c v t 将成为自动变速器的发展主流，但它目前还有许多需要完善的地方。女n c v t 效 率不是很高，而且c v t 工作时传动效率降低。另外，由于c v t 的启动性能不好， 目前装车的绝大多数都在前面装液力变矩器作为启动元件使用；c v t - i 作时， 锥轮调节机构及控制系统也是液压控制的，从而由液力变矩器和液压系统损失 了部分能量，导致其燃油经济性远没达到理想的状态；c v t 变速箱可能出现噪 4 第1 章绪论 声高、发动机持续高转速时变速箱的打滑效应、传动带的可靠性和耐久性以及 传动效率等问题。这就导致将目标转向a m t 的研究。 我国也有一些科研院所和汽车厂进行了c v t 的研究，如吉林大学、重庆大 学、安徽奇瑞汽车有限公司等，一汽生产的新a u d ia 6 目前也装了c v t 。但是目 前还没掌握c v t 的核心技术，因此其发展将是长期的。 1 1 2 3 电控机械式自动变速器( a m t ) 的发展及其现状 发展最短的是电控机械式自动变速器，电控机械式自动变速器( a u t o m a t e d m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n 简称”a m t ”) 不是无级变速器，是有级变速器的自动换档 控制。尽管传统的齿轮变速箱并不很理想，但其以结构简单、效率高、功率大 三大显著优点依然占领着汽车变速箱的主流地位。a m t 在手动变速箱和离合器 的基础上实现起步、换档的自动操纵。其机械传动部分沿用了传统的手动变速 箱。手动变速器的自动化可以分为半自动和全自动变速器，半自动包括自动离 合器、自动换档、半自动换档和辅助换档等。全自动变速器就是将自动离合器 和自动换档等系统综合起来实现换档过程的全自动化。电控机械式自动变速器 可将齿轮传动固有的传动效率高、机构紧凑、工作可靠等优点很好的继承下来。 a m t 的发展经历了不同的阶段，19 9 3 年，绅宝首先推出半自动变速器 ( s e n s o n i c ) ，但于1 9 9 8 年退出市场。在a 、b 级车中，由于成本问题，装备a t 很 困难，因而半自动变速器在此获得成功。1 9 9 8 年福特在全顺厢式车中搭载相似 的系统。半自动变速器能在市场上占有一定位置。宝马首先推出6 档的双换档变 速器( s m g ) 具有两种操作模式：第一种是变速器完全自动控制；另一种是驾 驶员通过推拉变速杆来加、减档。s m g l 匕相同容量的传统a t 更轻、更紧凑、机 械效率更高。但是比搭载了5 档a t 的同系列车价格高得多。还有雷诺开发出b v r ( b o i t ed ev i t e s s e sr o b o t i s e ) 系统采用电一液控制的5 档m t 。b v r 具有两种操作 模式：自动模式和半自动模式。在后一种情况，可以进行顺序热换档。在自动 模式下，b v r 的操作像5 档a t 一样自动适应换档。该系统具有m t 的机械原理， 避免了传统a t 损失和摩擦，具有良好的经济性。与m t 相比，b v r 在自动模式中， 由于它的自适应控制模式，燃油消耗降低1 0 。 国内各研究机构一直将a m t ( 机械式自动变速器) 作为研究的重点， “九 五”期间a m t 的开发研制和产品化被列人国家“九五”科技攻关项目，上海交 通大学、吉林工业大学、北京理工大学、重庆医疗机械工业公司等开展这方面 5 第1 章绪论 研究。 国外正在进行电控机械式自动变速器开发研究的主要有美国e a t o n 公司、 德国的l u k ，s a c h s ，g e t r a g 等公司以及英国的r i c a r d o 公司等许多厂家，已 经生产面世的车型也有德国b m w 公司的m 3 型车、大众公司的l u p o 车，以及意 大利菲亚特公司的阿尔法罗密欧等诸多车型。 1 2 双离合器自动变速器( d c t ) 随着人类消费水平的提高，大部分希望享受驾驶、乘车的乐趣。这就需要 汽车既要有较好的经济性又要动力强劲。而双离合器变速器可以传递大扭矩， 可以有较好的动力性能。双离合器式自动变速器( d c t ) 是最近出现的- l e e 机械式 自动变速器，它保持了a m t 的各种优点，而且还能够实现在不切断动力的情况 下换档，有效提高换挡品质。而且这种换挡方式也可以方便的应用于混合动力 车辆，具有优异的性能和广阔的应用前景，是一种很新的技术。 1 2 1 d c t 简介 d c t 有别于一般的半自动变速箱系统，虽然也是基于传统平行轴式手动变 速箱，但d c t 除了拥有手动变速箱的灵活、高效率及自动变速箱的舒适外，它 更能提供无间断的动力输出，这完全有别于两台自动控制的离合器。d c t 可以 想象为将两台手动变速箱的功能合二为一，并建立在单一的系统内。d c t 内含 两组自动控制的离合器，由电子控制及液压推动，能同时控制两组离合器的运 作。当变速箱运作时，一组齿轮被啮合，而接近换挡之时，下一挡位的齿轮已 被预选，但离合器仍处于分离状态；当换挡时一组离合器将使用中的齿轮分离， 同时另一组离合器啮合已被预选的齿轮，在整个换挡期间能确保最少有一组齿 轮在输出动力，令动力没有出现间断的状况。要配合以上运作，d c t 的传动轴 被分为两条，一条是放于内里实心的传动轴，而另一条则是外面空心的传动轴； 内里实心的传动轴连接了l 、3 、5 及后挡，而外面空心的传动轴则连接2 、4 及6 挡，两具离合器各自负责一条传动轴的啮合动作，发动机动力便会由其中一条 传动轴无间断的传送。 一 基于它使用手动变速箱作基础及其独特的设计，d c t 能抵御高达3 5 0 n m 的 扭力，而精密的电脑运算，较一般驾驶手动变速箱拥有更精准的换挡控制，因 此d c t 亦成为最省油的变速系统。基于d c t 的特性及操作模式，d c t 系统能带 6 第1 章绪论 给驾驶者有如驾驶赛车般的感受；两相比手动变速箱，它更能提供更快的加速 度及更省油。 这对电控机械式自动变速器来说，是一个巨大的改进。运用这种双离合器 式自动变速器动力换挡的原理，不但可以直接开发设计自动变速器，而且它的 一些结构也是目前国内外重点研究的混合动力车辆项目中传动系统的基本组成 部分。 1 2 。2 研究d c t 的理论依据 ( 1 ) 手动变速箱( m t ) 手动变速器一般是平行轴式的i 手动变速器传动效率高、安装空间紧凑、 质量轻、价格低等许多优点。 ( 2 ) 自动变速箱( a t ) a t 式自动变速器具有换档起步平稳、柔和，换档迅速、无冲击等优点。换 挡迅速平稳，不仅保证了车辆的加速性，而且由于车辆不再产生由于换挡引起 的急剧减速情况，也极大地改善了车辆运行的舒适性。这一方面式由于它装有 液力变矩器，改善了车辆性能，另一方面是由于它实现了动力换档，即换档过 程中不切断动力传递，换档过程中就是两个离合器( 或制动器) 之间的切换。 ( 3 ) 传统的a m t a m t 是基于传统的平行轴式手动变速器发展而来的，它的研究出发点是将 现有的手动变速器自动化。但在对a m t 的开发研究过程中，逐渐发现了它的一 些缺点，它的工作原理决定了换档时发动机的动力将不能传递到车轮去驱动车 辆运行，产生了动力传递的中断，这种非动力换档车辆必然会产生减速度，换 档时间长，给车辆的加速性、舒适性等带来了不利影响。这样也就不可避免地 要影响换档品质以及车辆动力性和经济性。为了解决中断动力换挡给车辆性能 带来的影响，需要对电控机械式自动变速器的换挡过程进行精确的控制。但综 合考虑其成本和换档品质，这种改进得不偿失。电控机械式自动变速器在对车 辆舒适性等方面要求不高的车型上，由于其具有结构简单、成本低等优点，仍 具有优势，导致了双离合器式自动变速器的产生。 1 2 3 研究d c t 的意义 l 、适应市场需求 7 第1 章绪论 d c t 与有级自动变速箱相比，最大可将燃效提高1 5 ，此外还可提高最高车 速，而且在加速性能方面也要胜过自动变速箱一筹。除改善燃效的需求外，用 户还追求驾驶的乐趣以及舒适感，市场需求日趋多样化。博格华纳公司曾预测： 欧洲的d c t 市场份额将在2 0 0 4 年0 9 的基础上急剧增长，2 0 0 9 年将增至9 6 、 2 0 1 3 年将高达1 8 。尤其是欧洲市场，博格华纳公司认为：由于柴油车的比例很 高，扭矩容量有限的c v t 的增速将放缓、2 0 1 3 年的份额将降至2 。此外，尽管 目前市场上有自动m t 和有级自动变速箱等各种各样的变速箱，但该公司认为适 用车辆范围更广泛的是带湿式离合器的d c t 。因为其燃效、响应特性以及启动性 能优秀，而且可在柴油车上使用。 表1 1 欧洲各种变速箱市场占有率预估 变速器型式 2 0 0 0 笠2 0 1 0 芷 峨1 1 9 2 5 a m t ( 含a c m t ) o 6 1 2 c v t0 5 5 m t 8 7 4 5 d c t o 1 3 2 、使用范围广 如6 速自动变速箱的适用范围主要是微型车，难以在a 级车、b 级车和跑车中 普及，而d c t 贝j j 可以涵盖从b 级车到高性能车的所有车辆。布加迪( b u g a t t i ) 正 在开发的发动机纵置车型高性能跑车“v e y r o n ”也计划采用d c t 。另外，虽然目前 的量产车所采用的只有使用湿式离合器的d c t ，l u k 公司也开发了干式离合器。 尽管燃效与湿式相比可以提高1 5 ，但适用车辆仅限于b 级车和小型的c 级车。 3 、燃效和性能优势 d c t 之所以能提高燃效和性能，一个重要原因就是取消了启动装置中的变 矩器。在d c t 中，湿式离合器用于变速和启动。取消变矩器具有减小惯量和质 量惯性的作用。而且，湿式离合器为电子控制方式，所以可以方便地改变启动 模式。还可以根据整车厂商的要求定制潜变( c r e e p ) 以及实现坡道控制模式( h i l l h o l d ) 和超速启动( r o c k e ts t a r t ) 。 8 第1 章绪论 l ，2 4d c t 的国内外研究现状 我国目前使用的汽车绝大多数仍为手动变速，但手动变速汽车由于频繁换 挡的操作，易使驾驶员疲劳，影响行驶安全；而不同的驾驶技术水平对车辆的 燃料经济性、动力性、乘坐舒适性等造成极大差异，所以自动变速是人们长期 追求的目标，是车辆向高级阶段发展的重要标志。 国内目前对双离合器的研究还很有限，吉林大学和杭州依维柯变速器厂合 作开发双离合器变速箱。 国外目前情况是德国大众公司、z f 公司、福特公司、戴姆勒一克莱斯勒公 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。如德国大众公司 和美 翌b o r g w a r n e r 合作开发d s g ， a u d it t 3 2 匹配- j k a s s e l 变速器厂生产的双 离合器变速箱，该离合器还用于g o l f r 3 2 、新款t o u r a n 和l u p o 以及v a g 等车中。 在2 0 0 4 年北美国际汽车展上展示的c h r y s l e rm ef o u r - t w e l v e 也装备了配有英国 里卡多( r i c a r d o ) 开发的7 速双离合器自动变速箱。p o r s c h e9 5 9 ( p s ks y s t e m ) 也配备了d c 磺d s g w a u d i ，p s g l u k ，p d k p o r s c h e k 6 9 r e s s ea n do t h e r s ) 。在 欧洲这种双离合器变速箱有很好的前景，v a g 已经成功地开发了6 档d s g ，l u k 公司也成功地开发了电动干式双离合器变速箱，s a c h s 茅i g e t r a g 也在开发双离合 器变速箱。据预计双离合器自动变速器在欧洲市场将于2 0 0 5 年成为主流，到2 0 1 0 年，双离合器自动变速器在欧洲将占到1 8 的市场份额，在美国和日本也会有较 大的市场份额。 1 3 课题研究任务 本文主要是结合仿真研究所与上汽集团合作开发双离合器自动变速器的课 题进行研究。根据课题的需要，主要对以下几个方面进行研究： ( 1 ) 对双离合器自动变速器的原理进行分析，确定了具体的换档过程动 力流向。对双离合器自动变速器的换档过程进行分析。 ( 2 ) 对湿式多片离合器结合过程进行了动力学分析。建立离合器结合过程 的动力学模型，并对离合器动力学模型进行m a t l a b s i m u l i n k 仿真。 ( 3 ) 对双离合自动变速器的液压系统进行分析。并建立充油时所对应的离 合器的仿真模型。 ( 4 ) 整车系统分析，并建立整车模型并仿真。 0 第1 章绪论 ( 5 ) 运用动态规划原理分析双离合器自动变速器的换档过程，将离合器的 压力作为控制变量，得到优化的控制策略。 ( 6 ) 结论与展望。 本文的研究不但对本文涉及的双离合器自动变速器技术的发展有意义，而 且对电控机械式自动变速器、液力机械式自动变速器和无级自动变速器的进一 步发展，以及开发新型的自动变速器都有一定的实用价值。 l o 第2 章双离合器自动变速器的结构和工作原理 第2 章双离合器式自动变速器的结构和工作原理 双离合器自动变速器成为一个发展方向，是由于它的结构、工作原理有其 继承性和发展性。其结构结合了手动变速器和液力自动变速器的特点，工作原 理继承了液力自动变速器和电控机械式自动变速器的特点。 2 1 双离合器式自动变速器的结构 变速器根据其布置空间以及其扭矩等的不同，结构型式也就不同。现给出 了双离合器自动变速器的机械机构、结构型式以及双离合器自动变速器 ( d s g 0 2 e ) 的油循环结构和电控制模块。 2 1 1 双离合器式自动变速器的机械结构 双离合器式变速器原则上是由两个彼此独立的分动器组成。每个分动器的 功能与手动换档变速器相同。各分动器匹配了一组片式离合器。两个离合器通 过机电控制模块调节其的开启与闭合。如下图2 1 所示离合器c 1 连接1 、3 、5 档和 倒档。离合器c 2 连接2 、4 、6 档。而动力汇流到主减速器然后到车轮。 642 c 2 图2 1d c t 结构原理图 2 。1 2 双离合器式自动变速器的布置型式 变速器根据整车不置的要求不同，其结构布置型式也有所不同。双离合器 式自动变速器根据其结构布置和档位布置形式可以分为单中间轴式d c t 和双中 第2 章双离合器自动变速器的结构和工作原理 问轴式d c t ，如图2 2 ：乖1 ：1 2 3 所示。 输入 v 培 e z 5 _ 挡 z 3 j 卷k l 皇 l 附产 3 2 1 科 厂 1 轴m 厂 ， 忤 忡l 舫 物 , j , 4 - - n 与 i l 一 z i t 1 由 _ n 输出轴 l 2 博 胁 l 赫 n 打 一 3 z 4 7 j：5 z 2 ，iv ：瞎 z37 z 1 ， z i 7 图2 2 单中间轴式d c t 原理图 图2 3 双中间轴式d c t 2 1 3 双离合器式自动变速器的油循环结构 其油循环结构原理见图2 4 。 1 2 出轴 第2 章职离台器自动变速器的结构和工作原理 图2 4 油循环图 2i4 双离合器式自动变速器的机电控制模块 双离合器自动变速器的电子及液压的控制系统连接】2 组独立传感器，加上 车辆行车状态的资讯，从而推动各阀及其他组件的运作，而两个离合器的液压 压力由专门的电控阀门应因不同行车状况而调节。电子控制系统亦负责计算出 将被预选的台适挡位及管理其他控佑0 秆也会由6 组压力调节阚及s 组丌关闽监 控油压冷却系统。 d c t 的机电控制装置由带有传感器的电控仪、电液控制装氍、滑阀箱和液 压模块组成。 机电控制装置是变速器的中央控制器。在其运行中汇集了所有的传感器信 号和所有其他控制仪的信号( c a n ) ，由其可以导入，并监视所有的动作。该密 集的装置中的传感器用于控制和调节档位调节器、压力调节阀、开关阀以及两 个离合器的压力和冷却液的流量。该装置使离合器、档位调节器的同步位置和 主压力的控制简单化。 电液控制装置集成在机电控制模块上，电磁阀、压力调节阀以及过压阀直 接集成在液压模块上。如图25 所示 第2 章般离台器自动娈速器的结构和i 忭原理 f 矗孽篙f 0 嚣l 斟2 5d c t 机鬯拧制栈块 譬皇檀；f 孕皇望麓于 2 m 22 双离合器式自动变速器的工作原理 d c t 在工作过程中原则上总有一个分动器处于力的传动链中，当车辆以某 一与其中一个离台器相连的档位运行时，车辆自动变速嚣电控单元可以根据相 关传感嚣的信号判断即将进入工作的与另一个离台器相连的下一档位，因拔档 位还未传递动力，故指令液压控制电磁阀十分方便的控制换档执行机构，预先 啮台这一档位，即另个分动器则已经被切换到另一档位但离台器还处于分 离状态，在车辆运行选到换档点时只需要将传递动力的离合器慢慢分离同 时将另个离台器慢慢棱台就可使汽车以下个档位行驶。时分动器的每个 档位均配置了传统的同步器和换档装置。 换挡装置町以彼此独立切换。因此，可满足自由选择档位的要求，即可从 偶数档到偶数档，也可从奇数档到奇数档进行选档。还可以在直接、快速、不 中断牵引力的情况下换档。 在换档过程中发动机的动力始终不断的被传递到车轮所以这样完成的 换档过程为动力不问断换档实现了机械式自动变速器的动力换档。 2 3 双离合器式自动变速器换档过程分析 2 3 1 双离合器式自动变速器换档介绍 汽车启动运行时( 可以圈23 为例) ，车辆首先要以1 档起步，这时控制换档 机构首先将】档齿轮与其对应的i 司步器啮台然后控制结合离台器c l ，而离合器 第2 章双离合器自动变速器的结构和工作原理 c 2 分离。动力由c 1 传到l 轴后，因同步器与1 轴固定在一起，同时同步器也已经 与l 档齿轮z l 啮合在起，则动力经由输入轴一离合器c l l 轴一同步器一1 档 空套齿轮z 1 一被动齿轮z 1 一2 轴一输出轴。当需要换档时，因此时车辆在1 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2 轴( 输出轴) 联接在一起。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 一同步器一2 轴一输出轴。动力经由2 档啮合齿轮输出功率， 车辆由1 档换入2 档运行。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，但是1 档与3 档齿轮组均布置在 离合器c l 上，因离合器c 1 处于分离状态，不传递动力。直到达到1 档或3 档的换 档点时，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 3 2 双离合器式自动变速器换档过程的动力流程 d c t 是一种将手动变速器自动化的方案，它将变速器挡位按奇、偶数分别 布置在与2 个离合器所联接的2 个输入轴上，通过离合器的交替切换完成换挡过 程。所以，它可以根据手动变速器的结构形式灵活进行d c t 的设计，变速器的 结构形式与档位数的多少并不影响d c t 的工作过程。 以较为典型的双轴式d c t 的布置方式为例，如图2 3 所示，d c t 的主要组成 部分有c l 、c 2 两个离合器，1 、2 、3 、4 、5 、6 以及倒档共7 个变速器挡位及其相 应的换挡同步器，以及其它的换挡控制系统和电控系统t c u 等。 在车辆处于停车状态时，2 个离合器都是常开式的，如图2 。6 所示。即在平时 2 个离合器均处于分离状态，不传递动力。当车辆起步时，因离合器c 1 分离，自 动换挡机构将档位切换为1 档，然后离合器c 1 被控制结合，车辆开始起步运行。 1 5 第2 章双离合器自动变速器的结构和i = 作原理 两个离合嚣 均断开 1 、3 、5 档输入袖 图2 6 空挡状态 车辆换入1 档运行后，因为此时离合器c 2 处于分离状态，不传递动力，