DCT在節(jié)能減排方面的設(shè)計(jì)舉措

王中華，翁曉明

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

DCT在節(jié)能減排方面的設(shè)計(jì)舉措

王中華，翁曉明

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著石油能源的枯竭和環(huán)境要求的不斷提高，人類對(duì)于汽車(chē)的節(jié)能減排越來(lái)越重視，而變速箱是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成部分，對(duì)于整車(chē)的燃油消耗及排放有著很大的影響。文章以濕式DCT設(shè)計(jì)，從速比范圍的選擇，同步器的選擇和控制，油泵的選擇和應(yīng)用，離合器的優(yōu)化，潤(rùn)滑系統(tǒng)的優(yōu)化等幾個(gè)方面，介紹了在DCT設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，所做的措施。

DCT；效率；燃油消耗

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.034

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-105-04

1、緒言

2009年11月26日中國(guó)正式對(duì)外宣布控制溫室氣體排放的行動(dòng)目標(biāo)，決定2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～50%，而隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，新能源汽車(chē)開(kāi)始發(fā)展，但是裝有內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車(chē)在一段時(shí)間內(nèi)仍占據(jù)主導(dǎo)地位，降低燃油消耗和減少排放是汽車(chē)工程師們孜孜不倦追求的目標(biāo)，DCT正是在這個(gè)環(huán)境下催生出的一項(xiàng)新興的傳動(dòng)技術(shù)。

本文將著重研究與傳統(tǒng)的自動(dòng)變速箱相比，DCT在設(shè)計(jì)方面采取的節(jié)能減排的措施。

2、DCT 與 AT，MT 性能比較

為了降低燃油消耗和減少排放，減少動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的功率損耗，一個(gè)具有高效率的變速箱顯得尤為重要。圖1為幾種變速箱在某一檔位下的效率對(duì)比。（數(shù)據(jù)說(shuō)明：6MT及6DCT為實(shí)際測(cè)試結(jié)果，6AT數(shù)據(jù)引用在2009年4月GRC變速箱研討會(huì)議材料大眾公司介紹材料）

從圖1中可以看出，MT的效率最高，而傳統(tǒng)的AT因?yàn)槭褂玫囊毫ψ兙仄?、離合器和制動(dòng)器傳遞動(dòng)力，以及油泵產(chǎn)生的功率損耗，其傳動(dòng)效率最低，而DCT 的傳動(dòng)系統(tǒng)與MT結(jié)構(gòu)系統(tǒng)一致，采用穩(wěn)定的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上增加了雙離合器，油泵，液壓模塊等機(jī)構(gòu)，其傳動(dòng)效率要明顯高于傳統(tǒng)的AT，其效率已經(jīng)很接近于MT的機(jī)械效率。

傳動(dòng)效率已經(jīng)在很大程度上決定了燃油消耗，但是采用了自動(dòng)變速箱后，使發(fā)動(dòng)機(jī)在更經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，使整車(chē)根據(jù)路面工況智能式選擇更適合檔位運(yùn)行，大大會(huì)降低燃油的消耗；圖2為配幾種變速箱的整車(chē)的百公里油耗對(duì)比，可以明顯地看出，裝有DCT的整車(chē)的百公里油耗要比裝有MT車(chē)型的低2%，而且要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的低于裝有AT車(chē)型。（數(shù)據(jù)說(shuō)明：圖3數(shù)據(jù)來(lái)源于2009年4月 GRC變速箱研討會(huì) ZF介紹材料）

3、DCT 節(jié)能減排的具體措施

3.1 寬速比的變速箱

如下圖3所示，DCT 的雙輸入軸、雙輸出軸的結(jié)構(gòu)，使得變速箱在軸向長(zhǎng)度更短的情況下，擁有更多的擋位數(shù)量，使得最大傳動(dòng)比與最小傳動(dòng)比的比值增大，速比范圍的擴(kuò)大，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)在低燃油消耗區(qū)工作的可能性，降低了燃油消耗。

如圖4 中，隨著擋位數(shù)量的增加，從3檔變速箱至6擋變速箱，燃油消耗得到了大大改善，降低了13%。（數(shù)據(jù)說(shuō)明：圖4數(shù)據(jù)來(lái)源于2009年4月 GRC變速箱研討會(huì) ZF介紹材料）

以往的變速箱僅僅有一個(gè)主減比，從圖5可以看出，如果主減比比較大，加速時(shí)間較短但燃油經(jīng)濟(jì)性下降，主減比值較小，加速時(shí)間延長(zhǎng)但燃油經(jīng)濟(jì)性改善，而DCT采用雙輸出軸結(jié)構(gòu)使得變速箱有兩個(gè)主減速比，使得整車(chē)在保證了整車(chē)動(dòng)力性的同時(shí)保證了經(jīng)濟(jì)性。

3.2 變速箱零部件優(yōu)化

3.2.1 變速箱內(nèi)部功率損耗

變速箱內(nèi)部的功率損耗，從發(fā)動(dòng)機(jī)功率的輸入到功率輸出到驅(qū)動(dòng)半軸，整個(gè)過(guò)程中都存在功率的損失，作為DCT（雙離合器變速箱）也不例外，雙離合器的滑摩，齒輪傳遞動(dòng)力過(guò)程中的功率損失，液壓系統(tǒng)的泄漏損失，油泵提供壓力油過(guò)程中的功率損失，換檔過(guò)程中的功率損失等等一系列的工作都參與了變速箱功率損失的過(guò)程。

為提高變速箱的傳遞效率，降低傳遞動(dòng)力過(guò)程中的功率損失，我們從就必須對(duì)上述過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.2 同步器的設(shè)計(jì)與控制

（1）伺服式同步器的使用

伺服式同步器也稱porches式同步器，其原理就是通過(guò)同步器齒套與同步環(huán)之間摩擦力矩以及同步器上一個(gè)具有特殊結(jié)構(gòu)的部件，在同步方向上獲得一個(gè)軸向額外的作用力。伺服式同步器已經(jīng)逐漸的開(kāi)始應(yīng)用于現(xiàn)代化的DCT產(chǎn)品中。

上面兩幅圖可以顯示出，在同樣的工況之下，變速箱在使用了伺服式同步器之后，不僅在軸向換擋力上可以降低40%，而且在同步時(shí)間上可以取得改善，節(jié)約了一半時(shí)間，進(jìn)而同步器對(duì)于液壓系統(tǒng)的壓力和持續(xù)時(shí)間要求都會(huì)降低，液壓系統(tǒng)以提供較低的功率便可實(shí)現(xiàn)同步器換擋的功能。

（2）同步器的預(yù)掛擋

如圖3所示，奇數(shù)檔由離合器1控制，偶數(shù)檔和R檔由離合器2控制，當(dāng)傳遞動(dòng)力的檔位為1檔時(shí)，2檔同步器已經(jīng)提前與2檔齒輪結(jié)合，這就使得由1檔向2檔的切換只需要兩個(gè)離合器實(shí)現(xiàn)切換就行，實(shí)現(xiàn)其他檔位的切換也與之類似，同步器的預(yù)掛擋可以大大的減小換檔的時(shí)間，同時(shí)也會(huì)減少長(zhǎng)時(shí)間離合器的滑摩所帶來(lái)的效率損失。

3.2.3 含平衡腔的雙離合器

雙離合器在變速箱中屬于高速旋轉(zhuǎn)件，其中所有的油腔為旋轉(zhuǎn)油腔，當(dāng)雙離合器高速旋轉(zhuǎn)，油腔中的油液跟著旋轉(zhuǎn)，便產(chǎn)生了很大的離心壓力。

由于離心壓力的存在，在離合器分離之時(shí)，會(huì)阻礙離合器分離，由于離心壓力，使未接合的離合器產(chǎn)生空轉(zhuǎn)摩擦阻力，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增高，其空轉(zhuǎn)摩擦阻力會(huì)很大，使得變速器功率損失會(huì)很大。

DCT 中的雙離合器為解決離心壓力所帶來(lái)的影響，在雙離合器內(nèi)外工作油腔的對(duì)應(yīng)一側(cè)設(shè)置了內(nèi)外離合器平衡油腔，使內(nèi)外離合器活塞兩側(cè)都設(shè)有油腔，當(dāng)離合器高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩側(cè)油腔產(chǎn)生的離心壓力作用在活塞上的力相互平衡，有效地消除離心壓力所帶來(lái)的功率損失。

3.2.4 直接式潤(rùn)滑

以往的MT 變速箱對(duì)于齒輪副的潤(rùn)滑采用的飛濺潤(rùn)滑，飛濺式潤(rùn)滑就需要變速箱本身具有一個(gè)較高的油面，在齒輪的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，油液被旋轉(zhuǎn)的齒輪副攪動(dòng)，慢慢地帶到各檔位的嚙合齒輪副；

而DCT 對(duì)于嚙合的齒輪副采用了直接式的強(qiáng)制性潤(rùn)滑，而強(qiáng)制性潤(rùn)滑則不需要較高的油面，嚙合的齒輪副采用經(jīng)過(guò)冷卻之后的油進(jìn)行強(qiáng)制性潤(rùn)滑。

直接式強(qiáng)制潤(rùn)滑，相對(duì)于飛濺式潤(rùn)滑具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）油液面的降低，可以防止變速箱齒輪副攪油所帶來(lái)的動(dòng)力傳遞損失，提高變速箱齒輪副的傳遞效率；

2）油液面的降低，可以防止齒輪副攪油所帶來(lái)的大量氣泡，而造成對(duì)液壓系統(tǒng)的功率的損失，和降低對(duì)于液壓系統(tǒng)帶來(lái)噪聲的影響；

3）采用的直接式的強(qiáng)制性潤(rùn)滑，冷卻油液是經(jīng)過(guò)過(guò)濾，更清潔的油液在齒輪副進(jìn)入嚙合之前對(duì)齒輪副進(jìn)行潤(rùn)滑和對(duì)嚙合齒面產(chǎn)生的顆粒進(jìn)行，防止齒輪表面產(chǎn)生異常損壞，使齒輪副的嚙合更加平穩(wěn)，提高了齒輪副的壽命，間接的提高了齒輪副的傳遞效率。

3.2.5 油泵的選擇

自動(dòng)變速箱的油泵，一般均由發(fā)動(dòng)機(jī)直接和間接驅(qū)動(dòng)，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)得出，在整個(gè)自動(dòng)變速箱的功率損失中，油泵的功率損失占到總功率損失的13～22%，由此可以看出設(shè)計(jì)一個(gè)高效的油泵顯得異常重要。

在自動(dòng)變速箱使用最常見(jiàn)的泵為內(nèi)嚙合齒輪泵，而齒輪型線的不同對(duì)油泵的效率有著很大的影響，以下為幾種型線內(nèi)嚙合齒輪泵總效率對(duì)比（數(shù)據(jù)來(lái)源于 2009年汽車(chē)工程學(xué)會(huì)論文集 自動(dòng)變速箱油泵選型分析）

通過(guò)以上對(duì)比，多齒差的擺線泵具有更高的效率，可以降低功率的損失，現(xiàn)在越來(lái)越多的自動(dòng)變速箱油泵選擇多齒差的擺線泵。例如GM 6AT，VW DQ250 均采用了多齒差的擺線泵。

3.2.6 換擋規(guī)律

圖10為不同模式下的換檔規(guī)律，實(shí)線代表為經(jīng)濟(jì)模式下的換檔規(guī)律，虛線代表運(yùn)動(dòng)模式下的換檔規(guī)律。圖11 為某裝有DCT的整車(chē)在60km/h,90km/h 和在不同模式（運(yùn)動(dòng)模式和經(jīng)濟(jì)模式）下的油耗實(shí)測(cè)曲線。在60km/h的等速模式下，經(jīng)濟(jì)模式下的油耗僅為運(yùn)動(dòng)模式下的2/3。

為了滿足顧客對(duì)于整車(chē)不同的需求，現(xiàn)在越來(lái)越多的配備自動(dòng)變速箱的車(chē)輛擁有了兩種換擋模式，一種為運(yùn)動(dòng)模式，使得整車(chē)在比較高的車(chē)速下完成換擋，滿足顧客的駕駛需求，第二種模式為經(jīng)濟(jì)模式，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在低燃油消耗區(qū)工作，降低整車(chē)燃油消耗。

3.2.7 降低系統(tǒng)能量的損失

為了提高整機(jī)的效率，通過(guò)以下方式降低系統(tǒng)能量的損耗

1）通過(guò)在3.2.2中提及的使用伺服式同步器，對(duì)換擋力要求的降低，我們可以同時(shí)降低液壓系統(tǒng)的控制壓力，控制壓力降低的同時(shí)，液壓系統(tǒng)內(nèi)部的泄漏也會(huì)隨之減小，進(jìn)而減小液壓控制系統(tǒng)的功率損耗。

2）油泵為滿足變速箱在低轉(zhuǎn)速區(qū)域的需求，就必須設(shè)計(jì)一個(gè)大排量的油泵，而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，在高轉(zhuǎn)速區(qū)域下，油泵會(huì)輸出一個(gè)較大的流量，造成一個(gè)功率的浪費(fèi)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在一部分變速箱上開(kāi)始采用一個(gè)變量泵，通過(guò)調(diào)節(jié)油泵泵油裝置，在低轉(zhuǎn)速工況下，油泵有一個(gè)大的排量，隨著轉(zhuǎn)速的提高和系統(tǒng)的要求，油泵的排量會(huì)隨之變化。降低不必要的功率損失。

3）為提高變速箱的工作效率，就必須使得變速箱油在最優(yōu)的工作溫度下進(jìn)行，在變速箱系統(tǒng)中設(shè)置熱交換器，當(dāng)變速箱油溫過(guò)低時(shí)，引入發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)中的水，加熱變速箱油，當(dāng)變速箱油溫過(guò)高時(shí)，引入發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水，降低變速箱油溫。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文以DCT產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)為研究對(duì)象，從檔位選擇及速比的定義，再到同步器，油泵的選擇，以及雙離合器及潤(rùn)滑系統(tǒng)的優(yōu)化，換擋規(guī)律的選擇，介紹了在濕式DCT在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為使得發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳燃油區(qū)域工作及降低變速箱在傳遞功率過(guò)程中的損失而采取的種種舉措，最終實(shí)現(xiàn)了降低整車(chē)油耗和排放的目的。

[1] 黃宗益等.現(xiàn)代轎車(chē)自動(dòng)變速器原理和設(shè)計(jì)[M]同濟(jì)大學(xué)出版社,2006.

[2] 王中華等.自動(dòng)變速箱油泵選型分析[J] 汽車(chē)工程學(xué)會(huì)論文集2009:1245-1249.

[3] 日本自動(dòng)車(chē)技術(shù)會(huì)編.汽車(chē)工程手冊(cè),動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)篇:243-244.

[4] Tomas hackl. Efficiency ,cost and weight potential through reduced line pressure in DCT with servo synchronizers.

New Design For Fuel Efficiency And Aggressive Emission On DCT

Wang Zhonghua, Weng Xiaoming
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Under the threat of depleting petroleum resources and global environment issues, more aggressive attentions are paid on vehicle emission and fuel consumption. As one of the most significant components of power train system, the transmission to a great extent influences the emission performance and fuel efficiency. In this article, some effective designs of DCT transmission on emission improvement and fuel efficiency are introduced, including ratio definition, synchronizer's selection and controlling, and pump, clutch, lubrication system optimization.

DCT; Efficiency; Fuel consume

U462.1

A

1671-7988(2016)10-105-04

王中華，（1984.12-）,男，工程師，就職于江淮汽車(chē)技術(shù)中心變速箱設(shè)計(jì)部。主要從事自動(dòng)變速箱研究。