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双离合变速器

双离合变速器(Dual Clutch Transmission,缩写DCT),全称双离合器自动变速器,因其有两组离合器而得名,属于车用变速器。其主要由双离合器模块、换挡模块、液压控制模块以及变速齿轮机构和TCU控制模块组成,分为湿式和干式两种。

20世纪40年代,双离合变速器(DCT)技术就已经开始研发,最初以为重型车提供无动力中断的行驶技术为目的,但未成功批量生产。20世纪80年代,保时捷奥迪公司重新提出概念,设计出了适用于赛车的DCT,但由于当时换挡系统的控制质量落后,也并未实现批量生产。随后在20世纪90年代末,大众集团博格华纳公司联手研发,致力于开发出双离合技术变速器并应用于主流车进行批量生产,其应用创新的电子液压元件,达到了很高的实用性,于2003年正式投产,在业内掀起了DCT的热潮。当前市场上常见的双离合变速器,有大众的DSG双离合变速器,福特的POWERSHIFT双离合变速器,保时捷的PKD双离合变速器,三菱的TC-SST双离合变速器,其中,大众的DSG具有代表性。

汽车市场上,双离合变速器已得到普遍运用,它是比较先进的变速箱技术。DCT有别于一般的自动变速器系统,它基于手动变速器而又不是自动变速器。除了拥有手动变速器的灵活性及自动变速器的舒适性外,还能提供无间断的动力输出,具有换档快(换挡时间仅为0.2秒不到,比手动变速箱的速度还要快)、传动效率高的特点。

发展沿革

1940年,双离合变速器便已经问世,德国的Darmstadt大学教授Rudolph Franke是第一个申请了双离合器变速器专利的人,该变速器曾在卡车上试验过,但是没有投入批量生产。但他只是第一个申请专利的,对于双离合器的发明还有另外一种说法,1939年,法国人阿道夫·加尔奇(Adolphe Kégresse)构思了双离合器变速器的设想,希望应用于雪铁龙公司车上。率先对双离合变速器进行量产的便是保时捷汽车,1983年,保时捷将PDK双离合变速器搭载在956赛车上,并取得巨大成功。

1985年,奥迪将双离合器技术应用于Audi Sport Quattro S1赛车上,使该赛车驰骋于当时的各大越野赛场,在Pikes Peak 奥迪派克峰举行的山道赛等多项赛事中一举夺冠。随着双离合变速器在赛车中的成功应用,经过十多年的发展,不少汽车厂商又萌生了把双离合变速器搭载在民用车上的想法。

到了20世纪90年代末期,大众集团博格华纳(Borg Warner)携手合作,开始研发第一个适用于大批量生产和应用于主流车型奥迪车上的双离合变速器,2002年,他们展示了其合作开发的直接换档变速器DSG(Direct Shift Gearbox),次年又推出了六速湿式的双离合变速器,并率先使用在了德国大众高尔夫R32和奥迪TT V6上,后又相继推广到其他车型上。2004年,DCT在德国大众途安(Touran)车型上首次与TDI柴油发动机匹配。DCT因其优秀的燃油经济性而在欧洲成为“新宠”。博格华纳的DCT新项目在2007年投产,主要为豪华型乘用车、跑车配套,全年产能为60万套。

2007年,LuK公司携手福特(福特汽车公司)、格特拉克传动系统有限公司(Getrag)公司共同研发了,平行轴式变速器的干式双离合变速器PSG(Parallel Shift Gearbaox),此外,同年11月,博格华纳宣布全面实施计划,每年面向230万个双离合变速器提供其创新的Dual Tronic(R)技术。该技术从世界各地的变速器及车辆制造商处赢得了业务,其中包括大众、奥迪上汽集团日产汽车公司(Nissan)等。

2009年春季,大众联手舍弗勒集团(Schaeffler)推出了7DSG变速器,代表了当时世界的先进技术水平。而双离合器自动变速器(Dual Clutch Transmission--DCT)的核心技术,仅掌握在美国博格华纳和德国舍弗勒集团手中。

中国在自主变速器研发方面起步较晚,2009年开始,国产乘用车市场首先出现配DCT的车型,积累的经验以及数据都较少,所以长期以来国内以引进国外的双离合自动变速器为主,或用中外合资的方式进行开发。吉利最早展出了7个前进挡的干式双离合自动变速器,成为国内最早研发亮相双离合自动变速器的汽车公司。2016年,重庆青山工业有限责任公司公司自主研发的小扭矩湿式双离合变速器DF515进入量产计划。

工作原理

原理总述

双离合变速器有两台自动控制的离合器,由电子控制及液压推动,能同时控制两台离合器的运作。当变速器运作时,一组齿轮被啮合,而接近换挡时,下一组挡段的齿轮已被预选,但离合器仍处于分离状态;当换挡时,一台离合器将使用中的齿轮分离,同时另一台离合器啮合已被预选,在整个换挡期间能确保最少有一组齿轮在输出动力,从而不会出现动力中断的状况。为配合以上运作,双离合变速器的传动轴运动时被分为两部分,一为放于内里实心的传动轴,另一为外面空心的传动轴;内里实心的传动轴连接了1、3、5及倒挡(奇数挡),而外面空心的传动轴则连接2、4及6挡,两台离合器各自负责一根传动轴的啮合动作,引擎动力便会由其中一根传动轴做出无间断的传送。

双离合变速器的动力输入源是两个由液压系统控制分离与结合的离合器,其中一个离合器控制变速器奇数档轴动力的输入与断开,而另一个离合器则控制着偶数档轴动力输入与断开。再通过换挡控制模块实现相邻档位常啮合齿轮的动力传递和断开;液压控制模块负责驱动,液压控制模块主要实现的是驱动双离合器之间的切换动作、换挡模块换挡动作和对液压油的冷却功能。变速齿轮机构实现汽车前进倒退以及传动比的变化。最后,TCU控制模块通过对换挡信号采集(如油温、车速、档位及节气门开度),依据电脑内部事先存储的换挡规律曲线或程序,控制执行器电磁阀驱动液压控制模块工作最终实现换挡,满足汽车行驶状况。

步骤拆解

双离合变速器为了实现动力性换挡,将挡位分为奇数挡(I、III、V 挡)与偶数挡(II、IV 挡)分散布置,I、III、V 挡与离合器 C1 相连,II、IV 挡与离合器 C2 相连。如图所示:

起步过程

车辆静止时,整个传动系统无动力传递。车辆缓慢起步时,传感器自动收集各类控制信号并实时传递数据给自动变速箱控制单元(Transmis\u0002sion Control Unit, TCU),TCU 发出车辆动作指令,控制自动换挡机构换挡,使 I 挡齿轮提前啮合,然后控制离合器 C1 接合,实现车辆缓慢起步。

换挡过程

TCU 对每个挡位换挡临界点预设了一个车速值。车辆 I 挡行驶,加速到预设的 II 挡换挡临界点车速时,TCU 开始介入,提前换入 II 挡。继续加速达到 II 挡换挡点时,离合器 C1 逐渐分离直至完全分离,同时离合器 C2 逐渐接合直至完全接合,即换入 II 挡。以上为一个完整的换挡过程。换挡过程中控制好两个离合器的扭矩重叠,即可迅速完成换挡,其余挡位换挡过程类似。

基本构造

双离合变速器主要由双离合器模块、换挡模块、液压控制模块以及变速齿轮机构和TCU控制模块组成。

其中,双离合器模块为一组由液压系统控制分离与结合的离合器。换挡控制模块的构成部分为换挡拨叉、拨叉轴、同步器和接合套。液压控制模块又主要由液压油泵、控制阀板以及冷却系统组成。变速齿轮机构主要组成为各级齿轮组和齿轮轴。而TCU控制模块则主要由控制电脑、传感器、电磁阀和线束组成。

基本分类

双离合变速器(DCT)现有湿式和干式两种,湿式DCT是通过在密闭且充满液压油的腔体内的摩擦片,进行扭矩的传输传递,所以其散热快且有着出色的适应能力。干式DCT则是直接通过摩擦片的摩擦来传递扭矩,有着很高的传递效率以及可观的燃油经济型,但直接摩擦致使热量不易散发。

湿式DCT

湿式DCT,指双离合器为一大一小,2组同轴安装在一起的多片式离合器。它的双离合器被浸泡在充满液压油的密闭容腔中,在离合器摩擦片接合和分离过程中产生滑磨功,再通过冷却油将热量带走,使摩擦片降温,从而保证离合器正常的工作。密闭的工作环境,能有效隔绝外部污染源的影响,但同时也决定了其内部结构的复杂性,复杂的结构也带来了较高的成本,大规模的应用也因此受限。

干式DCT

干式DCT,指离合器片没有被浸泡在变速器油内的双离合变速箱。干式双离合通过离合器从动盘上的摩擦片来传递扭矩,由于节省了相关液力系统,干式离合器具有传递扭矩的高效性,也很大程度地提高了燃油经济性。但其滑磨过程中生成的热量难以散发,完全依靠风冷散热,热量全部散失需要等待的时间较长。因此,干式DCT不适用于长时间接合、滑磨生成热量多的工况。

关键技术

双离合器模块

双离合器模块是DCT的核心部分,对DCT性能好坏起关键性作用,但此项关键技术现主要掌握在美国博格华纳公司和德国舍弗勒集团手里。

热管理系统

DCT变速器工作过程中,会通过以下途径产生热量:(1)齿轮互相啮合;(2)离合器滑磨做功;(3)电磁阀通电工作;(4)液压油流经管道。这些热量如果不能及时散发,就会降低变速箱的工作效率。因此,需一套高效的热管理系统,及时对变速箱工作过程中产生的这些热量进行冷却,最大程度提高变速箱的效率。

起步控制策略

DCT车辆通过离合器传递发动机动力,因此,对其起步时离合器的接合速度等特性进行研究十分重要。通过小位移控制执行机构、模糊PID算法等实现离合器的分离与接合,不仅容错率高,自适应性也好。不断提出的各种先进控制理论,用于车辆起步控制,能在很大程度上提高车辆的起步性能。

智能换挡系统

自动变速器传统的换挡规律完善,前提是要求被控对象的数学模型十分精确,才能对其准确求解,实际中却有较高难度。制定换挡规律过程中集成了多种先进控制理论,其中较为典型的有模糊控制技术和神经网络理论。车辆行驶过程中,使用模糊规则相对来说最容易体现驾驶员的驾驶经验。神经网络很强的非线性映射性,便于从数据中提取一定的逻辑规律,有利于智能换挡系统的研究。先进控制理论的应用对智能换挡规律的制定大有裨益。

优劣分析

双离合变速器(DCT)的优点有以下几个方面:

(1)无缝换挡效果,动力不间断。由于DCT的交替换挡以及极短的换挡时间,使得在换挡过程达到动力不间断的效果,从而使自动变速的DCT等同甚至优于手动变速器所体现出的加速性能。

(2)大大提升了驾驶乐趣以及乘坐的舒适性。由于其具有手动变速器的灵活和自动变速器的便捷,车速对于档位变化有着极快的响应,连贯的动力输出使得车速快速而平顺的提升,没有顿挫感,大大提高了行车以及乘车的乐趣和舒适性。

(3)出色的燃油经济型。DCT的燃油经济型普遍优于手动挡,双离合变速器因为消除了扭矩的中断,也就是让发动机的动力一直在利用,而且始终在最佳的工作状态,油耗大约能够降低15%,干式DCT更是节油6.4%。

而其缺点为,在城区行驶中,如遇大量的拥堵路段,则在长时间使离合器保持着半联动的状态下,会导致温度升高,尤其干式DCT容易过热,进而磨损严重。此外,当需要切换的挡位并未处于预备状态时,换挡时间相对较长,在某些情况下甚至超过1秒。其次,DCT采用了大量的电子元件进行控制,导致其故障率提升。此外,双离合器变速箱相比传统手动变速箱更重,且结构复杂,制造工艺要求高,成本较高。此外,由于电控系统和液压系统的存在,双离合器变速箱的效率仍然不及传统手动变速箱,特别是用于传递大扭矩的湿式双离合器变速箱更是如此。

应用领域

应用概述

双离合变速器技术,最早是被保时捷应用在20世纪80年代的956和962勒芒24小时耐力赛赛车上。现双离合变速器在汽车市场上,已得到普遍运用,它是比较先进的变速器技术。

车型举例

在车企品牌中,大众、奥迪布加迪、宝马、奔驰、三菱集团克莱斯勒汽车公司、福特、日产汽车公司等都已成为了双离合变速器的受益者。

大众高尔夫

在推出第一款6挡DSG变速器5年后,大众集团于2016年推出了7挡DSG变速器。7挡DSG双离合器变速器除了增加了一个前进挡,还采用了干式离合器设计,不再需要额外使用机油,这些都使进一步提高效率得到了保障。7挡DSG变速器率先装备在大众Golf和GolfPlus上,与1.4TSI发动机(90kW)和1.9TDI发动机(77kW)配合使用,实现持续不间断的动力输出,以及快速平顺的换挡。

宝马M3

全球第一款针对“高扭力、高转速”发动机所开发的7挡双离合变速器,MDKG变速器利用两组油冷式离合器,分别控制奇数挡位(包括倒挡)和偶数挡位。而宝马则成为第一个将7挡双离合器变速器与V8发动机相结合的汽车制造商。为了配合4.0LV8发动机的超高转速,MDKG变速器还在冷却系统上增加了特殊设计。根据原厂数据,采用MDKG变速器的宝马M3Coupe可在4.6秒完成0~100km/h加速,比原先6挡手动车型成绩提升0.2秒;而平均油耗则为每百公里11.9L。

福特福克斯

新福特福克斯选装福特功率 Shift变速器,并搭配100kW功率2.0LDuratorqTDCi发动机。这一动力组合充分发挥了该Power Shift变速器的优势,从而相比传统的6挡变矩器式自动变速器,平均燃料消耗量预计能降低近10%,二氧化碳排放量也得以降低。

发展趋势

DCT系统的发展趋势,可以归纳为以下几个方面:

(1)噪声、振动与声振粗糙度(Noise Vibra\u0002tion Harshness, NVH)性能更优化:优化硬件设计和软件控制逻辑,进而提高变速器的NVH性能水平,表现为降低换挡时拨叉杂音和踩油门过程中的爆震噪音,为乘客带去更舒适的乘车体验。

(2)控制系统智能化:车辆运行状况受外界影响一直在动态变化,因此需要控制系统自学习,对这些变化作自适应调整,提高驾乘感受;控制系统能优化调整两个离合器的扭矩重叠,最大程度缩短换挡时间,提高换挡品质。同时对换挡规律进行优化,避免意外换挡或错误换挡。

(3)机电一体化:机电一体化是汽车发展的必然趋势,电子部件取代了原有的机械部件,其中较为典型的是线控换挡技术,减少了换挡过程接触的机械零件数,防止驾驶过程中误操作,提高换挡效率。

(4)系统高度集成化:传动系统结构复杂,内部零部件繁多,可将一些关键部件如液压阀、传感器等集成为一体,对繁杂的电路、线束进行封装。既节省了内部空间,便于拆装,又避免了线束之间的信号干扰,提高其可靠性。

市场方面,自动变速器已成为变速器市场的主流,且市场规模逐年扩大。DCT优异的性能表现,使之在自动变速器领域也处于领先地位,且有超过液力自动变速器(AT)的趋势。

参考资料

..2024-01-31

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变速器发展趋势 双离合器带来的双重魅力.中国数字科技馆.2024-01-31

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湿式双离合是什么?.百家号.2024-01-31

干式双离合是什么意思.中国汽车网汽车频道.2024-01-31