双离合变速箱
能传递、切断动力的传动机构
双离合器变速箱(Dual Clutch Transmission DCT),又叫直接换档变速器(Direct Shift Gearbox DSG),各大生产厂家称谓有所不同。
1939年,法国人KegresseAdolphe申请了世界上第一个双离合变速器的专利,将手动变速器分为两部分,一部分传递奇数挡,另一部分传递偶数挡,动力传递通过两个离合器连接两根输入轴,相邻挡位的从动齿轮交替与两输入轴的主动齿轮啮合,从而实现动力的不间断输出。2003年,六速湿式双离合变速器使用在德国大众高尔夫R32和奥迪TTV6上,在保时捷、福特、沃尔沃等诸多上品牌均有应用。2009年,中国国产乘用车市场首先出现配有DCT的车型。
双离合变速器分干式与湿式两类,主要由离合器、液压控制系统和换档机构等组成,拥有手动变速器换挡机构,不切断动力完成换挡,性能上兼顾手动变速器的高效率和比自动变速器更快的换挡速度。具有换挡速度快,传动效率高,舒适性好,燃油经济性好等优势,但制造工艺复杂,尤其是电子控制部分复杂。
双离合变速器经过几十年的迅速发展,其结构和控制方法已经较为成熟。其研究已经由内燃机加变速器向混合动力加变速器转变,使混合动力车辆减小能源消耗,成为双离合变速器重点研究方向。纯电动汽车日益普及,使双离合变速器在纯电动汽车中发挥出重要的作用,许是双离合变速器未来的发展方向。
发展简史
双离合变速器(DCT)又称为直接换档变速器(DirectShiftGearbox,DSG)。离合器位于发动机与变速器之间,是发动机与变速器动力传递的“开关”,它是一种既能传递动力,又能切断动力的传动机构。它的作用主要是保证汽车能平稳起步,变速换档时减轻变速齿轮的冲击载荷并防止传动系统过载。
1939年,法国人KegresseAdolphe申请了世界上第一个双离合变速器的专利DE894204C,将手动变速器分为两部分,一部分传递奇数挡,另一部分传递偶数挡,动力传递通过两个离合器连接两根输入轴,相邻挡位的从动齿轮交替与两输入轴的主动齿轮啮合,从而实现动力的不间断输出。
1985年,奥迪将双离合器技术应用于赛车场上,当时被命名为"AudiSport quattro s1赛车配合双离合器技术",并在在PikesPeak派克峰举行的山道赛中一举夺冠。
20世纪90年代末期大众集团博格华纳(BorgWarner)携手合作生产第一个适用于大批量生产和应用于主流车型奥迪车上2002年展示其合作开发的直接换档变速器DSGDirectShiftGearbox),2003年又推出了六速湿式的双离合变速器并率先使用在在德国大众高尔夫R32和奥迪TTV6上后又相继推广到其他车型上。
2007年,平行轴式变速器的干式双离合变速器PSG(ParallelShiftGearbaox)在Luk携手福特福特汽车公司格特拉克Getrag公司共同研发问世,此外,博格华纳全面实施所宣布计划时预计每年会面向230万个双离合变速器提供其创新的DualTronic(R)技术。
2009年,大众联手舍弗勒集团(Schaeffler)推出了7DSG变速器拥有世界先进的技术水平目前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目前市场上常见的变速器有大众的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。
2009年,中国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较少,长期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。比如,博格华纳与中国包括中国一汽上汽集团、东风、长安、奇瑞等12家自主车企合资建立了大连DCT工厂。在自主品牌中,上汽集团MG荣威两大品牌已有多款车型匹配,比亚迪几乎已经是全系自动挡均搭载DCT,而广汽集团、上汽,通过与外方合作研发也逐步将DCT普及于旗下各级别车型。
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实现量产。干式离合器因为中国城市道路拥堵,离合器长时间处于半联动状态容易导致过热,引发变速器问题。可以看出DCT仍存在较大的技术提升空间。
双离合变速器已经走到第三代产品,解决了前两代机械油泵降低效率及干式离合器过热等问题。双离合变速器仍然以湿式离合器为多,并配有可调节流量的电子机械离合器冷却泵,最大程度降低了离合器本身的拖曳扭矩,在保证了热容量的前提下,减少了效率损失。
设计理念
离合器位于汽车发动机与变速器之间,是发动机与变速器之间动力传递的“开关”,既能传递动力,又能切断动力,其主要作用是保证汽车能平稳起步行驶;在变换挡位以后,离合器会减轻变速齿轮的冲击力,让汽车加速或减速行驶更加平顺。通常汽车换挡时,在离合器分离与接合之间会有动力传递暂时中断的现象,控制协调动力中断的时间就成了问题。手动切换往往接合迅速,冲击力较大,换挡不平顺,想达到平顺迅速的效果,需要丰富的驾驶经验与正确判断;自动变速箱则依靠ECU的控制完成换挡,但反应较慢。双离合变速器就是为完善这一情况而进行的优化设计。
工作原理
双离合变速器的优势明显,但内部结构相对复杂。有两组离合器分别由电子控制并由液压系统推动,两组离合器分别对应两组齿轮机构,传动轴也分为两部分,中心的实心传动轴负责一组齿轮,空心传动轴负责另一组。双离合变速器的内部构造几乎彻底颠覆了传统的变速器形式。双离合变速器的工作原理可以简单理解为一个离合器对应奇数档,另一离合器对应偶数档。当车辆挂人一个档位时,另一个离合器及对应的下一个档位已经处于预备状态,只要当前档位分离就可以立刻接合下一个档位,因此双离合变速器的换档速度要比一般的自动变速器甚至手动变速器还快。此外,双离合变速器虽然内部复杂,但实际体积和重量相比自动变速器而言有明显优势,并没有比手动变速器增加多少,因此装备双离合变速器的车型不会增加过多的负载。
基本分类
离合器主要分干式和湿式两种,干式双离合器使用的摩擦材料与普通手动变速器的从动盘相同,工作时不能有油污,而湿式多片离合器与自动变速器中使用的摩擦材料相同,工作时必须有机油的浸泡才能增大摩擦阻力,并依靠机油的流动带走离合器上的热量。湿式离合器每一离合器中有多片摩擦片,所以称为多片式离合器。
目前已经投人使用的干式和湿式双离合器的车型很多,各厂家对双离合器的称呼也各不相同,其结构也有一定的差异,但从总体上来看所有干式双离合器的原理是相同的,所有湿式双离合器的原理也是相同,差异也只是在局部结构上。就目前而言,湿式双离合器使用在6挡变速器中,而干式双离合器多使用在7挡变速中。如大众与福特车型,6挡DSG的多片式双离合器是在冷却油槽中以“湿式”运行,而Luk的双离合器为干式结构。湿式双离合器的扭矩传递通过浸没在油中的湿式离合器摩擦片来实现,而干式的则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以及干式离合器本身所具有的传递扭矩的高效性,干式系统很大程度地提高了燃油经济性。同样是1.9TDI(105PS/77kW)的发动机,配备7挡DSG变速器的要比6挡湿式双离合器变速节省超过10%的燃油。
结构组成
双离合变速器主要由离合器、液压控制系统和换档机构等组成。双离合变速器有两套离合器系统,一个控制1、3、5档,一个控制2、4、6档(以6速DSG为例)。可将两套离合器各自负责的部分假想成两个变速器。当一个变速器工作时,另一个处于空转状态。通过两个离合器间的切换实现两个变速器的交替工作(当车辆在奇数档位行驶时,可预先挂好偶数档),在保证动力不间断的情况下,实现各档位间的平稳变换。其主要组成结构包括如下几个部分:
齿轮传动机构
双离合自动变速器的齿轮传动机构是基于手动变速箱基础设计的,与手动变速箱所不同的是,双离合变速箱的离合器与两根输入轴相连,换挡和离合操作都是通过集成电子和液压元件的机械电子模块来实现,而不再需要离合器踏板和手动换挡杆的操作。双离合自动变速箱的齿轮传动系统类似于手动变速箱的齿轮传动系统,都是通过改变不同传动比齿轮的齿合来实现挡位的切换,这样不会有很多的动力损失,而且大大缩短了换挡时间。
电液控制阀板
电液控制阀板由变速器电子控制单元,变速箱阀体组1,变速箱阀体组2,离合器输入转速传感器,离合器行程位置传感器,输入轴速度传感器,挡位行程传感器,2/4挡同步器活塞,1/3挡同步器活塞,5/7挡同步器活塞,6/R挡同步器活塞,K1、K2驱动机构等构成。
液压泵单元
液压泵单元安装在机械滑阀模块上,由液压泵和电动机组成。液压泵电动机是一个碳刷直流电动机,由机械滑阀单元的ECU依靠压力要求按需驱动,通过连接器驱动液压泵。液压泵根据齿轮泵原理工作,它吸人油液并加压,液压油通过油泵壳体内壁和齿隙间从吸人侧被泵人压力侧,最大供油压力约为70Pa。信号失效影响:如果电动机不能被激活,油液压力下降,并且离合器在压力盘弹簧的作用下断开。蓄压器在设计上类似气压蓄压器,当液压泵关闭时,保证液压系统有油压,能储存0.2L的液压油。
离合器操纵机构
触发离合器的电子机械滑阀控制单元触发电磁阀有:变速器部分阀1及操作离合器,变速箱部分阀2及操作离合器。
换挡控制阀
换挡调节阀控制挡位选择器的油流量,每个控制阀可使挡位选择器形成两个挡位。如果没有齿轮齿合,控制阀控制油压,使挡位选择器保持空挡位置,选挡杆位于P位置,点火开关关闭,一挡和倒挡齿轮齿合。
换挡选择机构
滑阀箱单元控制挡位选择机构换挡,活塞和换挡拨叉相连,为实现挡位的变换,油压被供应到换挡机构的活塞上。
主要特点
双离合器自动变速器(DualClutchTransmission,DCT),顾名思义就是该变速器拥有两套离合系统,分别负责奇、偶数挡的换挡。该变速器拥有手动变速器的换挡机构,能够实现在不切断动力的情况下完成换挡,在性能上兼顾手动变速器的高效率和比自动变速器更快的换挡速度。优势:换挡速度快,传动效率高,舒适性好,燃油经济性好;劣势:制造工艺复杂,尤其是电子控制部分复杂。具体表现在如下几个方面:
双离合变速器可以归类为自动手动变速器,操作与标准的手动变速器相似,可以选择自己控制换挡还是由电脑来完成,尽管没有离合器踏板,但驾驶员仍然可以通过按钮或换挡拨片来控制汽车电脑何时采取动作。由于结合了手动变速器和自动变速器的长处,在结构上没有采用液力变矩器,而采用2组离合器相互交替工作完成挡位的自动切换,发动机动力得到充分发挥,传动效率高;采用2组离合器相互交替工作,缩短了换挡时间,发动机动力断层有限,充分发挥汽车动力性能,换挡迅速且平顺,同时提高汽车燃油经济性;与采用液力变矩器的传统自动变速器相比,双离合变速器的动力损失更小,燃油消耗可降低10%以上。
与传统的采用液力变矩器的自动变速器相比,双离合变速器也存在一些不足之处。由于没有采用液力变矩器,又无法像手动变速器实现“半联动”动作,尤其是对于排量较小发动机,在低转速范围转矩不足问题越发明显;双离合变速器大多采用电脑控制,属智能型变速器,其在升/降挡过程中需不断向发动机发出电子信号,经发动机回复后,与发动机配合完成升/降挡;大量电子元件的使用增加了故障出现频率;双离合变速器研制费用高,结构精密而复杂,质量大,制造成本高,造成汽车价格偏高;另外,双离合变速器可靠性有待提高,且日后的维护保养费用也较高。
应用车型
双离合变速箱应用车型广泛,也有不同的叫法,例如,大众称其为DSG,奥迪称S-tronic,保时捷叫PDK,福特叫Powershift,等等,而比较规范的叫法则是DCT。中国国内在售的装备双离合变速器的车型已经越来越多,具代表性的是大众旗下的大众迈腾、GTI、EOS以及尚酷,装配双离合变速器的速腾及朗逸也已经上市。此外,沃尔沃S40也有双离合版本,而保时捷的众多车型也都采用了双离合变速器。
双离合变速箱应用车型——奥迪S-tronic,其双离合系统变速器是一个整体,有6个档位,离合器与变速器装配在同一机构内,两个离合器互相配合工作。这好比一辆车有两套离合器,正驾驶员控制一套,副驾驶员控制另一套。正驾驶员挂上1档松开离合踏板起步时,副驾驶员也预先挂上2档但踩住离合踏板;当车速上来准备换档,正驾驶员踩住离合踏板的同时,副驾驶员即松开离合踏板,2档开始工作。这样就省略了档位空置一刹那,动力传递连续。双离合系统两套离合器传动系统,通过ECU控制协调工作。当汽车正常行驶的时候,一个离合器变速器中某一档位相连,将发动机动力传递到驱动轮,ECU根据汽车速度和转速对驾驶员的换档意图做出判断,预见性地控制另一个离合器与另一个档位的齿轮组相连,但仅处于准备状态,尚未与发动机动力相连。换档时第一个离合器断开,同时第二个离合器将所相连的齿轮组与发动机接合。除了空档之外,一个离合器处于关闭状态,另一个离合器则处于打开状态。两根传动轴分别由第一、第二离合器控制与发动机动力的连接与断开,分别负责1、3、5档和2、4、6档的档位变换。考虑到零件使用寿命,设计人员选择了油槽膜片式离合器,离合器动作由液压系统来控制。DSG变速器主要是要满足消费者对驾驶感觉和车辆节油的双重要求,为喜欢手动变速器的消费者提供了最佳选择。配备DSG的发动机由于快速的齿轮转换能够马上产生牵引力和更大的灵活性,加速时间比手动变速器更加迅捷。
应用前景
DCT在各个层面依然有很多提升空间,在发动机的调校以及匹配,改善摩擦材料满足高耐磨性要求,同时提高散热效能,优化换挡以及起步的算法,在经济性为前提下提高动力性以及乘驾体验。从工信部发布的中国油耗目标来看,在2018年百公里燃油消耗量需降至6L/100km,而2020年及以后需要达到5L/100km,年降幅达到了0.5L/100km。因此中国车企不约而同的焦距在了DCT上,毕竟AT及MT技术已经相对成熟,而DCT的完善空间很大,其在未来的应用场景也是更为广泛的。虽然手动变速器是市场的主体但是双离合变速器DCT的使用量也是逐年增加的,从2005年的0.7%到2011年的6.2%再至2016年的12%,呈稳定上升的趋势,在未来DCT必将成为一个不可替代的、主导性的变速器。
双离合变速器经过几十年的迅速发展,其结构和控制方法已经较为成熟。在能源短缺和环境污染的背景下,节能减排是汽车的发展方向之一,双离合变速器研究已经由传动的内燃机加变速器向混合动力加变速器转变,尤其是如何对双离合变速器进行布置和控制能使混合动力车辆减小能源消耗,已经成为双离合变速器的重点研究方向。而在不久的将来,在纯电动汽车日益普及的趋势下,如何使双离合变速器在纯电动汽车中发挥出重要的作用也许是双离合变速器未来的发展方向。
参考资料
..2023-12-07
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换挡控制阀
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