橫置雙離合器自動(dòng)變速器速比設(shè)定方法

崔 剛，方志勤，陳 飛，朱丹丹

(安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601)

近年來(lái)，隨著油耗限值的愈發(fā)嚴(yán)格，緊湊型車(chē)輛逐漸成為市場(chǎng)主流。橫置雙離合器自動(dòng)變速器有著結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、傳遞效率高、換擋舒適性好、駕乘感受好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于緊湊型前置前驅(qū)動(dòng)類型的乘用車(chē)[1]。

橫置雙離合器自動(dòng)變速器采用雙輸入軸、雙輸出軸的特殊傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[2-3]，其速比設(shè)定較傳統(tǒng)手動(dòng)變速器難度有所增大，需通過(guò)理論計(jì)算結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)方案完成速比方案設(shè)定。

1 基于車(chē)輛性能需求的理論速比設(shè)定方法

變速箱理論速比設(shè)定是基于整車(chē)性能包括爬坡能力、最高車(chē)速、燃油經(jīng)濟(jì)性等要求，同時(shí)需考慮速比一階比值大小、速比范圍等潛在設(shè)置需求，通過(guò)理論計(jì)算獲得的[4-6]。

1.1 最大傳動(dòng)比設(shè)定

最大傳動(dòng)比由車(chē)輛最大爬坡度以及水平路面上的最大加速度確定。通常乘用車(chē)滿載爬坡能力要求大于30%，空載時(shí)爬坡能力要求大于50%[7]，這樣確保車(chē)輛能夠輕松通過(guò)陡坡。最大傳動(dòng)比iAmax為

(1)

式中：r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑，m ；m為整車(chē)重量，kg；a為坡度，(°)；Tmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，Nm；η為傳動(dòng)效率。

1.2 最小傳動(dòng)比設(shè)定

基于改善燃油經(jīng)濟(jì)性需要，乘用車(chē)雙離合器自動(dòng)變速器大多設(shè)置有超速擋。超速擋主要使用于高速公路路段，目的是在路況良好、道路阻力小的路面，使用超速擋以保持發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在更低轉(zhuǎn)速下，達(dá)到節(jié)油的目的。

國(guó)內(nèi)高速公路行駛車(chē)輛車(chē)速集中在90～120 km/h，超速擋速比設(shè)置可根據(jù)上述使用車(chē)速及其發(fā)動(dòng)機(jī)的最經(jīng)濟(jì)區(qū)域?qū)?yīng)轉(zhuǎn)速來(lái)確定其設(shè)置范圍。最高擋設(shè)置為超速擋，次高擋則可設(shè)置為最佳功率輸出擋位。最佳功率輸出設(shè)計(jì)[7]：

in-1=iA(Vmax,th)

式中：in-1為次高擋速比；iA(Vmax,th)為實(shí)現(xiàn)最大車(chē)速條件對(duì)應(yīng)的速比。

以6擋雙離合器自動(dòng)變速器為例，次高擋及超速擋速比設(shè)置如圖1所示。

圖1 6擋變速器超速擋、次高擋速比設(shè)置示意圖

最高擋需求的功率(阻力功率)與發(fā)動(dòng)機(jī)可用功率在上升段相交， 次高擋需求功率(阻力功率)與發(fā)動(dòng)機(jī)可用功率的交點(diǎn)在其可用功率峰值處，交點(diǎn)處也是車(chē)輛的最高車(chē)速點(diǎn)。

1.3 中間速比設(shè)定

乘用車(chē)自動(dòng)變速器速比分配時(shí)基于改善燃油經(jīng)濟(jì)性，推薦采用偏置等比級(jí)數(shù)(漸變極差)速比設(shè)定的方法[4]，即擋位之間速比的差值隨擋位升高逐漸減小。按照這種方法，可以實(shí)現(xiàn)各擋位最高車(chē)速差值大致保持相同。

在乘用車(chē)對(duì)應(yīng)的車(chē)速范圍內(nèi)，漸變極差設(shè)置方法即能夠?qū)崿F(xiàn)低擋大后備功率需求，又保證高擋良好的換擋舒適性(高擋之間極差較小)。

在確定傳動(dòng)比范圍φs，并且選定漸變系數(shù)q，可計(jì)算出速比變化系數(shù)p：[7]

(2)

(3)

擋位n(n=1～N)的傳動(dòng)比in為[7]

in=iN×p(N-n)×q0.5×(N-n)×(N-n-1)

(4)

典型值[7]：

p=1.1～1.7

q=1.0～1.2

式中：N為變速器擋位總數(shù)量；iA.min為最小傳動(dòng)比；iA.max為最大傳動(dòng)比；i1為1擋速比；iN為第N擋速比。其中P也稱作速比一階比值,q也稱作速比二階比值。通過(guò)上述方法可計(jì)算獲得乘用車(chē)變速器理論速比。

2 基于變速器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的速比設(shè)定方法

根據(jù)匹配整車(chē)目標(biāo)性能要求，按照確定的數(shù)學(xué)關(guān)系可快速計(jì)算獲得理論速比方案。但由于雙離合器變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此其詳細(xì)速比設(shè)定就變得復(fù)雜。如圖2所示，為某橫置雙離合器自動(dòng)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，其雙輸入軸、雙輸出軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使它存在兩個(gè)主減主動(dòng)齒輪嚙合同一主減從動(dòng)齒輪，形成兩個(gè)主減速比。另外，為減少擋位主動(dòng)齒輪的數(shù)量，提高整機(jī)緊湊性、 實(shí)現(xiàn)輕量化的目的，橫置雙離合器自動(dòng)變速器通常還設(shè)置有兩擋位共用同一主動(dòng)齒輪的結(jié)構(gòu)方案[8]。圖2所示的變速器傳動(dòng)系統(tǒng)方案中3擋與5擋、4擋與6擋從動(dòng)齒輪分別共用同一主動(dòng)齒輪。

基于上述特殊的結(jié)構(gòu)形式，在實(shí)際速比設(shè)定時(shí)需充分考慮其傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、中(軸)心距大小、齒輪共用狀態(tài)等對(duì)速比的影響，最終設(shè)定出滿足性能要求且能夠?qū)崿F(xiàn)正常齒輪參數(shù)選配的速比方案。

2.1 主減速比設(shè)定

主減速比對(duì)各個(gè)擋位速比都有調(diào)節(jié)作用，實(shí)際速比設(shè)置需要優(yōu)先進(jìn)行主減速比設(shè)定。

圖2 某橫置雙離合器自動(dòng)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)方案

橫置雙離合器自動(dòng)變速器存在兩個(gè)主減速比，其齒輪嚙合關(guān)系如圖3所示。兩個(gè)主減主動(dòng)齒輪均嚙合于同一主減從動(dòng)齒輪，即兩主動(dòng)齒輪共用同一從動(dòng)齒輪。

圖3 主減齒輪副配合關(guān)系

該結(jié)構(gòu)狀態(tài)下速比存在以下理論關(guān)系：

(5)

(6)

式中：ig1為主減速比1；ig2為主減速比2；z0為主減從動(dòng)齒輪齒數(shù)；r0為差速器上主減從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑，mm；z1為輸出軸1主減主動(dòng)齒輪齒數(shù)；r1為輸出軸1主減主動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑，mm；z2為輸出軸2主減主動(dòng)齒輪齒數(shù)；r2為輸出軸2主減主動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑，mm。

在確定各軸心距要求前提下，計(jì)算兩個(gè)主減速比方法如下：

輸出軸1(TW1)與差速器軸(diff)之間的軸距d有如下方程：

r1+r0=d

(7)

式中d為輸出軸1與差速器軸的軸心距，mm。

輸出軸2(TW2)與差速器軸(diff)之間的軸距e有如下方程：

e=r2+r0

(8)

式中e為輸出軸2與差速器軸的軸心距,mm。

綜合上述可得主減速比2與主減速比1之間的計(jì)算關(guān)系：

(9)

通常乘用車(chē)變速器將最佳功率輸出的擋位作為直接擋，其擋位速比設(shè)置在1左右，因此直接擋對(duì)應(yīng)的主減速比值就近似于直接擋的總速比值。根據(jù)關(guān)系式(9)可獲得另外一個(gè)主減速比值，然后可進(jìn)行主減齒輪齒數(shù)選配。

因其相互嚙合關(guān)系，3個(gè)齒輪模數(shù)是相等的，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中心距計(jì)算方法[9]，有：

d=m(z1+z0)/2

(10)

e=m(z2+z0)/2

(11)

式中m為齒輪的模數(shù)。

兩式相除可得

(12)

得到的式(12)是該類共用齒輪結(jié)構(gòu)滿足標(biāo)準(zhǔn)齒輪外嚙合條件的齒數(shù)與中心距的關(guān)系。在中心距已確定的前提，由于齒輪的齒數(shù)是自然數(shù)，因此無(wú)法選配到滿足相等條件的齒數(shù)?？紤]到實(shí)際齒輪設(shè)計(jì)允許存在變位系數(shù)，因此允許存在一定偏差Δl：

(13)

推薦偏差值：Δl= -0.03～0.03。

2.2 擋位速比設(shè)定

橫置雙離合器自動(dòng)變速器實(shí)現(xiàn)擋位速比的齒輪嚙合方案存在以下兩種：

1)常規(guī)單對(duì)齒輪副形成1個(gè)速比，齒輪嚙合關(guān)系如圖4所示。實(shí)際速比可根據(jù)目標(biāo)速比、 軸心距等參數(shù)，通過(guò)Romax等軟件快速獲得滿足要求的齒輪參數(shù)，設(shè)置簡(jiǎn)單，靈活度高。

Romax是一種傳動(dòng)系統(tǒng)仿真軟件，通過(guò)輸入齒輪模數(shù)、壓力角、螺旋角范圍，以強(qiáng)度、重合度為初選目標(biāo)，可快速計(jì)算獲得多組滿足要求齒輪參數(shù)，再進(jìn)行必要的分析選擇出最佳方案。

2)兩擋從動(dòng)齒輪嚙合于同一主動(dòng)齒輪，如圖5所示。該結(jié)構(gòu)與主減速比類似，速比設(shè)置時(shí)需確保節(jié)圓半徑比與齒數(shù)比大致相等，以保證齒輪正常嚙合。可通過(guò)計(jì)算推導(dǎo)獲得對(duì)應(yīng)兩擋位速比之間的關(guān)系，根據(jù)其中一個(gè)擋位速比理論值，計(jì)算另一擋位速比，以實(shí)現(xiàn)正常的齒輪參數(shù)選配，獲得實(shí)際速比值。

圖4 單對(duì)齒輪嚙合方案示意圖

圖5 共用主動(dòng)齒輪方案示意圖

圖2所示的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，3擋與5擋、4擋與6擋分別為從動(dòng)齒輪共用同一個(gè)主動(dòng)齒輪。以3擋、5擋為例，其共用主動(dòng)齒輪嚙合關(guān)系如圖6所示，該結(jié)構(gòu)狀態(tài)下速比存在以下關(guān)系：

(14)

(15)

式中：i3為3擋速比；i5為5擋速比；z為共用主動(dòng)齒輪齒數(shù)；r為共用主動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑，mm；z3為3擋從動(dòng)齒輪齒數(shù)；r3為3擋從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑，mm；z5為5擋從動(dòng)齒輪齒數(shù)；r5為5擋從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑，mm。

參考主減速比的換算過(guò)程，可得3擋與5擋速比之間存在以下關(guān)系：

(16)

式中：b為共用主動(dòng)齒輪與3擋從動(dòng)齒輪對(duì)應(yīng)軸心的距離；c為共用主動(dòng)齒輪與5擋從動(dòng)齒輪對(duì)應(yīng)軸心的距離。

根據(jù)理論擋位速比設(shè)定目標(biāo)及上述速比之間的關(guān)系，設(shè)定出兩擋的速比值，再按照式(13)定義的齒數(shù)設(shè)置與中心的關(guān)系及偏差設(shè)置要求，進(jìn)行齒輪齒數(shù)選配，就能夠保證齒輪之間準(zhǔn)確嚙合。

通過(guò)以上理論結(jié)合實(shí)際的速比設(shè)定方法可獲得滿足橫置雙離合器自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)需求的速比方案，實(shí)現(xiàn)正常的齒輪參數(shù)選配。

圖6 擋位齒輪共用主動(dòng)齒輪配合關(guān)系

3 應(yīng)用案例

以下是某雙離合器自動(dòng)變速器速比設(shè)定案例。其搭載的車(chē)輛參數(shù)見(jiàn)表1，傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，中(軸)心距設(shè)置如圖7所示，漸變系數(shù)q(二階比值)選擇1.10。通過(guò)理論方法計(jì)算獲得的速比方案見(jiàn)表2。

表1 車(chē)輛參數(shù)

圖7 橫置雙離合器變速器中(軸)心距方案

擋位總速比一階比值二階比值115.65129.2521.69236.0161.5381.1044.3031.3981.1053.3861.2711.1062.9311.1551.10

綜合分析理論速比需求、傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、共用齒輪狀態(tài)、中(軸)心距設(shè)置等因素，計(jì)算選配獲得的實(shí)際速比方案見(jiàn)表3，實(shí)際速比與理論速比對(duì)比差值保持在±3%以內(nèi)。存在共用關(guān)系的齒輪副偏差Δl計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，結(jié)果均在經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)確認(rèn)齒數(shù)設(shè)置合理，共用齒輪副嚙合狀態(tài)正常。

實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明上述速比設(shè)定方法可行，能夠?qū)崿F(xiàn)橫置雙離合器自動(dòng)變速器復(fù)雜結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的實(shí)際速比設(shè)定，且匹配車(chē)輛能夠滿足整車(chē)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性相關(guān)目標(biāo)要求，如表5所示。

表3 實(shí)際選配速比結(jié)果

表4 偏差Δl計(jì)算校驗(yàn)結(jié)果

表5 匹配車(chē)輛性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

橫置雙離合器自動(dòng)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獨(dú)特而復(fù)雜，僅僅獲得基于整車(chē)性能要求計(jì)算的理論速比并不能指導(dǎo)實(shí)際速比設(shè)定及齒輪參數(shù)選配，主要問(wèn)題在于有共用齒輪關(guān)系的主減速比及擋位速比在未充分考慮節(jié)圓配合關(guān)系的情況下是難以設(shè)定出滿足要求的齒輪參數(shù)。因此，獲得理論速比方案后，根據(jù)實(shí)際傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及中(軸)心距等的狀態(tài)，進(jìn)一步計(jì)算速比之間的制約關(guān)系，進(jìn)行必要的優(yōu)化調(diào)整，然后才能獲得滿足實(shí)際齒輪參數(shù)選配的速比，完成實(shí)際速比的設(shè)定。