双离合器自动变速器DCT的结构特点与工作原理分析.docx

双离合器自动变速器 DCT 的结构特点与工作原理分析王传金1 、2唐进元1 李培军2 武军2(1 中南大学机电工程学院 , 湖南 长沙 410083)(2 重庆青山工业有限责任公司 , 重庆 402761)摘要对双离合器自动变速器 DCT 的结构特点与工作原理进行分析 ,双离合器自动变速器 DCT 采用了 2 个离合器 ,将原平行轴式手动变速器档位与 2 个离合器重新进行了配置 ,当车辆以某一档运行 时 ,将下一个档位实行预先啮合挂档 ,车辆达到换档点后只需切换 2 个离合器的动作即可完成换档 。双 离合器自动变速器 DCT 拥有手动变速器传动效率高 、成本低及自动变速器良好的燃油经济性 、动力性 与乘坐的舒适性的特点 ,可提供无间断的动力输出 。关键词自动变速器双离合器手动变速器离合器合器交替切换 ,直到离合器 C1 完全分离 ,离合器 C2 完全接合 ,换档工作过程结束 ,进入正常运行状态 。 现就其换档过程4 进行介绍 。第一阶段 :偶数档 4 档 ,处于正常传递动力阶段 ,如图 2 所示 。引言随着车辆操纵系统自动化的快速发展 ,自动变速 器正呈现蓬勃发展的态势 。汽车自动变速器主要有液 力机械式自动变速器 (AT) 、无级变速器 ( CVT) 1 以及 近几年国内外正在研究的机械式自动变速器 (AMT) 与 双离合器自动变速器 DCT ( 简称 DCT 变速器) 。由于 DCT 变速器具备汽车工业发展所要求的高燃油经济 性 、低排放 、良好舒适性和可继承现有手动变速器生产 投资 的 优 点 , 逐 渐 受 到 了 国 内 外 各 大 汽 车 厂 家 的 重视2,本文将对 DCT 变速器的工作原理与结构特点进行分析 ,并对产业化中的难点进行探讨 。1 DCT 变速器的工作原理分析1. 1换档工作过程图 1 所示为一个较典型的 DCT 变速器的结构原 理图 。为了实现动力换档 ,将原有手动变速器档位按奇数档 (1 、3 、5 档) 与偶数档 (2 、4 、6 档) 分开布置 ,并分别与 2 个干式离合器相连 。其 1 、3 、5 档与离合器 C1联结在一起 ,而 2 、4 、6 档联结在离合器 C2 上 。离合器C1 的输出为变速器输入轴 IT1 ,是一根实心轴 ;而离合 器 C2 的输出轴为变速器输入轴 IT2 ,是套在 C1 输出外面的一个空心轴 ,两根轴是同心的 。 在车辆处于停车状态时 , C1 、C2 两个离合器都是常开式的 ,即在平时两个离合器均处于分离状态 ,不传递动力 。当车辆起步时 ,因 C1 分离 ,自动换档机构将 档位切换为 1 档 ,然后离合器 C1 接合 ,车辆开始起步运行 ,这时的控制过程与电控机械式自动变速器 AMT类似3 。车辆换入 1 档运行后 ,因为此时离合器 C2 处 于分离状态 ,不传递动力 ,当车辆加速 ,达到接近 2 档的换档点时 ,自动换档机构可以将档位提前换入 2 档 ,离合器 C1 开始分离 ,同时离合器 C2 开始接合 ,2 个离图 1 DCT 变速器结构原理图离合器 C2 结合 ,4 档处于正常传递动力阶段 。自 动变速器的电控单元可以根据相关传感器信号获取车 辆所处的当前运行状态 ,进而判断车辆即将进入的档 位 ,如果车辆加速 ,则下一个档位为 5 档 ,如果车辆减 速 ,则下一个档位为 3 档 。第二阶段 :动力传递在档位 4 档上 ,而预先挂上奇 数档 5 档 ,处于 4 档转矩相 ,如图 3 所示 。电控单元根据其判断 ,确定下一个档为 5 档 ; 而 5档联接在离合器 C1 上 ,该离合器 C1 处于分离状态 ,不 传递动力 ,故可通过指令使其自动换档机构预先换入下一个档位奇数档 ,其动力仍是 4 档在传递扭矩 。第三阶段 :偶数档位 4 档与奇数档位 5 档共同传 递扭矩阶段 ,处于 4 档惯性相 ,如图 4 所示 。当车辆运行状态达到换奇数档点时 ,将正在工作的离合器 C2 逐步分离 ,同时将另一个离合器 C1 逐步 接合 ,其两个离合器均处于传递扭矩阶段 ,这其中很重要的是 2 个离合器的动力切换时序精确控制与切换时 机配合 。故此时是 4 档与 5 档共同传递扭矩 。第 32 卷第 6 期双离合器自动变速器 DCT 的结构特点与工作原理分析95断 。所以需要对 2 个离合器的工作进行精准控制与调节5。图 2 偶数档图 3偶数档转矩相 ,预挂奇数档图 6 奇数档图 7 双离合器切换控制切换过程在车辆起步 、爬行等工况中 ,也可利用滑差控制 。其控制目标是保证起步过程离合器结合的平顺性 ,延 长离合器使用寿命 ,减小发动机输出转速波动 。起步过程受外界工况条件 、驾驶员操纵意图 、车辆运行状况等因素的影响 , 应根据节气门开度 、节气门开度变化 率 、发动机转速 、输入轴转速以及发动机转速与输入轴 转速差等参数确定离合器的接合速度和行程 ,并对油门开度加以控制 ,满足车辆乘坐舒适性和离合器使用 寿命的要求6 。1. 3 换档控制DCT 变速器通过两个离合器的匹配切换实现换档 动作 ,换档迅速平稳 ,换档时间可达到 0 . 03s0 . 05s ,驾驶者不会有任何感觉 。在换档过程中 ,发动机输出 动力始终不断地传递到车轮上 ,实现动力换档 ,保证车辆具有良好的加速性能7 。图 8 所示为 DCT 变速器的换档特性仿真曲线8 ,可以看出 ,车辆在换档过程中 ,加速度稍有波动 ,但时 间极短 ,换档冲击很小 。图 4 偶数档惯性相 ,挂奇数档同步图 5 奇数档转矩相第四阶段 :奇数档位 5 档传递扭矩阶段 ,偶数档位4 档尚未摘档 ,处于 5 档转矩相 ,如图 5 所示 。当 2 个离合器的动力切换完成后 ,离合器 C2 彻底 分离 ,离合器 C1 完全接合 ,整个动力传递完全由离合 器 C1 完成 ,故 5 档处于传递扭矩阶段 ,而 4 档不再进行传递动力 ,但其 4 档还尚未摘档 。第五阶段 : 奇数档位 5 档 , 处于正常传递动力阶 段 ,如图 6 所示 。完成动力传递切换后 ,自动换档系统通过指令使其 4 档退出 ,其摘档后将进入空档状态 。此时 ,5 档处 于正常传递动力阶段 。车辆继续运行 ,其他档位的换档切换过程类似 ,但当 5 档需要减档到 1 档时 ,则通过 5 档减到偶数档位(4 档或 2 档) ,再由偶数档减到 1 档 ; 当 6 档需要减档 到 2 档时 ,则通过 6 档减到奇数档 ( 5 档或 3 档) ,再由 奇数档减到 2 档 。总之 ,其换档过程只能通过奇数档 位与偶数档位间的切换 ,其具体应由控制策略根据道路状况 、运行工况来决定 。1. 2 双离合器动力切换控制在奇数档位与偶数档位的换档过程为动力换档 ,其发动机的动力始终不断地被传递到车轮上 ,在 2 个 离合器切 换 过 程 中 其 动 力 传 递 同 AT 自 动 变 速 器 一样 ,必然存在工作重叠的部分 ,其离合器控制压力的切换过程如图 7 所示 。控制好离合器 C1 与 C2 的配合时序 ,是双离合器 控制策略中最重要的问题之一 。如果 2 个离合器重叠量过大 ,则会出现双锁死的情况 ,将产生破坏作用 ; 如 果 2 个离合器重叠过小 ,则仍会出现少量动力切换中图 8 换档特性仿真曲线DCT 变速器很容易实现手自一体功能 ,驾驶者可 通过触摸式按钮实现手动强制换档 ,增加了驾驶乐趣 。DCT 变速器在档位切换时 ,其同步器的同步结合 过程时间极短 ,对同步性能要求很高 ;又需要实现自动化操作 ,而它的工作原理和结构设计与电控机械式自 动变速器中的换档机构控制部分相同 。故可通过电机 控制同步换档系统实现换档 ,只需增加自动换档机构来完成换档任务 ,通常使用多个换档油缸或电机直接 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 96机械传动2008 年控制每一个同步器 ,其控制过程与 AMT 类似 。1. 4 扭转减振与冲击控制传动系统换档前后速比发生了突变 ,必然产生扭 转振动冲击 ,减小换档过程振动冲击的方法主要有发动机扭矩控制 、离合器滑摩控制和扭转减振器吸振控制 。由于换档过程时间很短 ,发动机扭矩控制受到一 定限制 。其最有效的办法是离合器滑摩控制和扭转减 振器吸振控制 。离合器滑摩控制是实现车辆平稳起步 、低速爬行及换档过程双离合器平滑切换的必要条 件 ,但它是以延长换档时间和增加离合器热负荷为代价 。扭转减振器用以吸收传动系统的振动冲击 ,在双 离合器自动变速器中通常采用双质量飞轮扭振减振器 来吸收扭转振动9 。双质量飞轮扭转减振器通常布置在发动机飞轮和 离合器的动力输入部件之间 ,利用双质量飞轮扭转减振的设计原理 。它的第一质量由减轻了质量的发动机 飞轮构成 ,而它第二质量则由离合器部分构成 。其扭 转角度大 ,扭转刚度较小 ,对减小换档冲击的效果非常明显 ,可通过修改质量 、刚度 、阻尼 ,实现对汽车动力传 动系扭振进行综合控制 ; 在汽车的各种行驶工况下都具有优良的减振隔振效果 ,可彻底消除传动系统的齿 轮噪声 ,提高了驾驶舒适性 ,也使传动系扭振控制措施 大大简化10 。通过精确设计扭转减振器和离合器的参数 ,既可以将其结构高度集成化 ,减小安装尺寸 ,又 可大大的改善其吸收扭转振动的效果 。DCT 变速器的优点 ,主要体现在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 。a . DCT 变速器在换档过程中不存在动力中断 ,所 以换档时没有冲击产生 。而且它缩短了换档时间 , 2个离合器的切换时间极其短 ,不易被感觉到 ,极大地提高了换档舒适性 ,保证了车辆具有良好的动力性与换 档特性 。另外 ,由于 DCT 变速器特定的内部结构和独 特功能 ,使其具有比传统速器更好的燃料经济性 ,对车辆油耗和排放等方面也所改善 。b. 由于 DCT 变速器是在原传统的手动变速器基 础上进行自动化的 ,以结构简单的平行轴式布置达到了结构复杂的行星轮系自动变速器的效果 ,使结构更紧凑 。它可充分利用原有手动变速器的技术装备与生 产设备 ,只需增加少量的生产设备即可 , 生产继承性好 ,手动变速器本身成本低 ,不需在全新生产领域上作过大投入 ,很适合现有的手动变速器生产厂家将产品 升级到自动变速器 ,其投入成本低于 AT、CVT 等自动 变速器的 1/ 51/ 3 左右 。2. 2 DCT 变速器的应用领域DCT 变速器是基于平行轴式手动变速器发展而来 的 ,它不仅继承了手动变速器传动效率高 、结构紧凑 、质量轻 、价格低等许多优点 ,而且实现了换档过程的无动力中断换档 ,保留了 AT、CVT 等换档特性好的优点 ,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冲击 ,也极大地改善了车辆运行的舒适性 。利用 DCT 变速器动力换档的原理 ,对开发新型自 动变速器和促进车辆混合动力传动技术的研究 ,既有实用价值 ,又具有理论意义 。DCT 变速器的应用范围很广 ,通常在较大发动机排量的车辆中 ,它的应用更为 有利 。它既可应用在大型车 、中型车上 ,而且由于它的换档时间很短 ,也可应用在运动车上 。这是因为它的2 根传动轴一般情况下是同心的 ,即一根传动轴是实 心的 ,而套轴在它外面的则是一根空心的 ,由于轴的刚 度 、强度以及结构尺寸等方面的原因 ,较大的轴径有利于双离合器自动变速器的结构设计 。对于较小发动机 排量的车辆 ,如果要开发设计 DCT 变速器 , 也可以采用双中间轴的布置 ,用两根独立的中间轴 ,使其轴向尺 寸非常紧凑 。图 9 双离合器自动变速器的控制系统框图1. 5控制系统框图DCT 变速器的控制系统框图如图 9 所示11。电控单元 ( ECU) 采集各个传感器的信号 ,实时在线对车辆的运行状态进行识别与判断 。在需要进行换档等操 作时 , ECU 发出指令 ,控制离合器及同步器换档机构实 现 2 个离合器与变速器同步换档动作的操纵 。离合器 和换档操纵机构的动力由电机进行控制 。双离合器自动变速器 DCT 在换档工作过程中同样也需要对发动机进行控制 ,通过 CAN 总线等进行整 体匹配 ,根据道路状况 ,运行工况进行调节 。3 关键技术3. 1DCT 变速器控制系统的换档控制策略DCT 变速器在换档过程中 ,一个离合器由结合到 滑摩再到分离状态 ,另一个离合器由分离到滑摩再到 结合状态 ,为了使动力不中断 ,两个离合器必然存在工作重叠 ,切换过程中离合器控制压力的变化规律如图7 所示 。如果两个离合器重叠量过大 ,则会出现挂双2 DCT 变速器的特点与应用领域2. 1DCT 变速器的特点 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 32 卷 第 6 期双离合器自动变速器 DCT 的结构特点与工作原理分析97档 ,易导致发动机熄火 ; 如果两个离合器重叠量过小 ,则会出现动力中断 。所以 ,在换档过程中如何控制好 离合器分离 、接合的配合时序 ,是双离合器换档控制策略中最重要的问题之一 ,对离合器操纵系统的精确控 制将是核心技术 。DCT 变速器需要解决的另一个问题是防止在换档 临界点频繁升降档 。假如在加速过程中 ,刚换到一个 高档位 ,因道路阻力等因素 ,车速稍有下降 ,并在换档临界点左右摆动 ,控制系统必须能够根据车速 、发动机 油门开度信号以及档位状况 ,决定是降档还是维持档位不变 ,防止出现两个离合器及换档操纵机构频繁切 换的情况 。起步控制策略的制定 、换档规律的制定和换档品质的改善方法是 DCT 控制系统的核 心 技 术 , 对 装 备DCT 车辆 的 动 力 性 、经 济 性 和 舒 适 性 有 着 重 要 的 影用原有手动变速器的技术装备与与生产设备 ,生产继承性好 ,很适合现有的手动变速器生产厂家将产品升 级到自动变速器 。在市场前景方面 ,以手动档变速器 (MT) 目前占主 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 ,手动档车在欧洲市场的占有率在 70 %以上 。随 着城市道路拥堵的日益严重以及人们对车辆驾乘舒适性的更高要求 , 自动变速器的市场占有率逐渐上升 。 在未来的几年中 ,欧洲市场手动档变速器市场占有率将会大幅度下降 ,而 AT、CVT、AMT、DCT 的占有率都有 所上升 ,其中 DCT 的将会增长最快 。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 DCT 变速器可充分利用原有手动变速器的 生产设备 ,新增投资较少 ,比较适合我国国情 ,将具有 很大的发展前景 。响12。3. 2离合器的可靠性与寿命DCT 变速器是一个多自由度扭转振动传动系统 ,必须综合考虑多种非线性 、时滞 、干扰 、变参数等因素 ,根据最佳动力性 、最佳经济性和驾驶舒适性综合最优 的原则制定系统匹配控制策略 ,通过发动机转矩控制 、双离合器转矩控制及分离接合控制 、档位切换控制等实现传动系统的综合控制 ,保证车辆控制性能 。DCT 变速器在换档过程中 ,两个离合器均要滑摩 ,产生大量的热量 ,如果不及时散热 ,离合器摩擦面会产 生局部高温 ,导致摩擦片的翘曲变形甚至烧结在一起 ,严重影响离合器的性能和寿命 。所以离合器摩擦片的材料 、耐磨性 、摩擦系数及其摩擦面的油槽设计形式都 是需要解决的关键问题13 14 。参考文献1葛安林. 汽车自动变速理论与设计 M . 北京 : 机械工业出版社 ,1993 .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 .雷雨龙 ,李永军 ,葛安林 ,等. 机械式自动变速器起步过程控制J .机械工程学报 ,2000 ,36 (5) :69 - 71 .牛铭奎 ,程秀生 ,高炳钊 ,等. 双离合器自动变速器换档特性研究J . 汽车工程 ,2004 ,26 (4) :453 - 457 .麦克. 克鲁格. 双面离合器和双重离合器的机械式自动变速器比 较J . 汽车工艺与材料 ,2004 (12) :1 - 5 .牛铭奎 ,葛安林 ,金伦 ,等. 双离合器式自动变速器简介J . 汽车工 艺与材料 ,2002 (12) :36 - 38 .M. Goetz ,M. C. Levesley ,D. A. Crolla ,双离合器变速箱换档动力学和 控制J . 传动技术 ,2006 (9) :37 - 47 .荆崇波 ,苑士华 ,郭晓林. 双离合器自动变速器及其应用前景分析J . 机械传动 2005 , (3) :56 - 58 .刘圣田 ,吕振华 , 邵成 , 等. 双质量飞轮式扭振减振器 J . 汽车技 术 ,1997 (1) :23 - 27 .刘圣田 ,吕安涛 , 马见明. 典型双质量飞轮式扭振减振器结构分 析J . 山东交通科技 ,1998 (2) :19 - 21 .牛铭奎 ,高炳钊 ,葛安林 ,等. 双离合器式自动变速器系统 J . 汽 车技术 ,2004 (06) :1 - 3 .吴光强 ,杨伟斌 ,秦大同. 双离合器式自动变速器控制系统的关 键技术J . 机械工程学报 ,2007 ,43 (2) : 13 - 21 .郝琪 ,过学迅 , 罗永革 , 等. 车用离合器的发展分 析 及 应 用 研 究J . 汽车研究与开发 ,2001 (4) :25 - 26 .雷雨 龙 , 葛 安 林. 离 合 器 起 步 过 程 的 控 制 策 略 J . 汽 车 工 程 ,2000 ,22 (4) :266 - 269 .23456结论DCT 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 、结构紧凑 、质量 轻 、价格低等许多优点 ,还实现了无动力中断的动力换 档 。这不仅保证了车辆的加速性 ,而且车辆不再产生 由于换档引起的急剧加减速情况 ,也极大地改善了车 辆运行的舒适性 。DCT 变速器应用范围很广 ,它既可以应用在大型 汽车 、城市公共汽车 、工程机械 、中型货车等大中型车 辆上 ,使驾驶员免于频繁的换档操作 ,而且由于它的换 档时间很短 ,也可以应用在运动型车辆上 。通常在功 率较大的车辆中 ,它的应用更为有利 。对于小功率车 辆 ,也可采用双中间轴的布置方案开发设计 DCT 变速 器 ,使其轴向尺寸更为紧凑 。DCT 变速器另一个优点是生产成本低 。它是靠离 合器和齿轮传递动力的 ,复杂程度低 ,只需现有的手动档变速器生产线稍加改造就可转而生产 DCT ,充分利47891011121314收稿日期 :20071224修改稿日期 :20080423基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50475139)作者简介 :王传金 (1972 - ) ,男 ,重庆市人 ,工程硕士 ,高级工程师 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 英文摘要Abstract The characteristics , steps and knowledge formation of mech2 anism design are analyzed , and the multidimensional cubic data model and its knowledge database based on the principle of data mining are proposed. According to function analysis , the knowledge database is composed of solid layer , method layer and innovation tool base , it is easy to query. Based on the formation of innovation scheme , the data - mining system construction of knowledge - database solution and its de2 cision tree arithmetic are introduced. Finally an example is given to il2lustrate the process of the knowledge - database solution.two different rheological models are compared and are examined by thetraction test . The results show that the non - Newtonian characteristic of lubricants is more important for heavier load ( p0 1 GPa) in EHL . As slide - to - roll ratio increasing , the shear stress rises. The predicted stresses by using the Evans - Johnson model are more accurate than those by using the Newtonian model . When the slide - to - roll ratio is large , the predicted shear stress distribution by using the Newtonianmodel is distortion.Elastohydrody2Key words : BearingShear stress distributionKey words :MechanismData miningOLAPKnowledgenamic lubrication Point contactAnalysis on the Working Principle and Structural Features of DCTWang Chuanjin , Tang Jinyuan , Li Peijun , Wu J un(94) Abstract The working principle and structural features of DCT (Dual Clutch Transmission) are introduced. Because two clutches were ap2 plied in DTC , positions of original parallel axis manual clutch had been rearranged. When vehicle was running on a given gear position , DTC had been geared to the next position at the same time , so gear shifting could be realized through alternative of two clutches. Manual clutch transmission has high drive efficiency and low cost . Automated clutch has low specific fuel consumption , well power performance and riding comfort . All these advantages are integrated on DCT , and furthermore , DCT supplies continuous power take - off .Key words : Automated clutch Dual clutch transmission Manual clutch transmission ClutchApplication of Ada ptive Filtering in the Fa ult Diagnosis of VehicledatabaseScheme designDesign of Fuzzy - PID Controller in Automobile Suspension SystemXu Haifeng , Zhang Huipeng(81) Abstract A 2 - degree - of - freedoms (2 DOF) model of the auto2 motive active suspension is built , and the new strategy combining the fuzzy control theory and PID control theory is employed to control the active suspension system. The control system is numerically simulated in Mat lab and Semolina . The simulation results show that the active suspension is superior to the passive suspension in improving the ride comfort ability , and the active suspension Fuzzy - PID control based onfuzzy theory is applicable and remarkably effective .Key words : Automobile Active suspensioncontrolPID controlFuzzyStudy on CAPP System Designing based on B/ S StructureHe Honghua , Wan Xiaohang , Duan Yongbin(86) Abstract A kind of design method of CAPP based on B/ S system is introduced , using the method , multi - user parallel designing and tech2Qiao Xinyong , Liu Wei (98)GearboxAbstract It is an effective method to diagnose the faults of gearboxthrough vibration measure . But usually the measured vibration signal is disturbed by the vibration of the other parts of vehicle when measure is taken on the vehicle . The gear tooth broken fault on the gearbox of ar2 mored vehicle is simulated. The body vibration signals of gearbox and engine at the same time are measured. The noise caused by the vibra2 tion of engine through adaptive filtering from the vibration of gearbox is filtered , and vibration signal in time domain and also in frequency do2 main is analyzed. The frequency characteristic of vibration signal through Hilbert transformation is extracted. Diagnosis of the gear toothbroken fault of gearbox is realized.nique information in sharing and managing remotely are realized.benefits and competition ability are improved.TheIn2Key words : Computer aided process planningB/ S structureternetParts informationThe Optimized Design of