湿式双离合器自动变速器应用匹配技术

陈 飞， 张魁榜， 方志勤， 崔 刚

(1.江淮汽车股份有限公司技术中心变速箱研究院，安徽 合肥 230601；2.合肥工业大学机械工程学院，安徽 合肥 230009)

双离合器自动变速器(DCT，dual clutch transmission)由于其生产成本低、传动效率高、结构简单、传递动力不中断及燃油经济性好等优点被广泛使用，市场份额逐渐增加，2020年达到接近400万辆的市场规模[1-4]，如图1所示。

图1 2020年变速器销量(万辆)与市场份额预测

国内外学者就DCT变速器控制系统、起步控制、离合器滑模、换挡品质等做了大量研究。文献[5]对目前DCT控制系统的几个关键技术做了分析和总结，主要是起步控制技术的发展现状、优化方法，完善智能换挡体系和改善换挡品质的方法，硬件在环仿真技术应用于DCT控制系统。文献[6—7]主要对换挡规律和换挡品质进行了深入研究，文献[6]搭建了精确的发动机动态模型，在此基础上提出的三参数换挡规律具有较好的经济性和动力性。文献[7]将换挡过程分为5个阶段，定性分析了离合器压力变化对换挡品质的影响。文献[8—9]基于驾驶员经验数据建立起步过程中的模糊规则，从而实现离合器的模糊起步控制。但就DCT变速器硬件匹配、性能匹配和电气匹配方面的综合研究甚少，本文基于江淮自主研发的某款湿式DCT变速器，提出DCT变速器应用匹配的原则，同时阐述DCT变速器在应用过程中与发动机、传动轴、冷却系统及操纵机构等的匹配过程、方法和要求，为DCT变速器在产品匹配开发过程提供理论依据和指导，方便工程应用。

1 研究对象

1.1 DCT变速器结构

图2是江淮汽车某款湿式DCT变速器示意图，其采用两组彼此独立的多片-湿式离合器组合、内外嵌套的双输入轴、双输出轴、水冷方式、独立外挂的变速箱控制单元(transmission control unit，TCU)。

图2 某款DCT变速器示意图

1.2 DCT变速器主要技术参数

本文研究的湿式DCT变速器的部分技术参数如表1所示。

2 匹配原则

表1 部分技术参数

首先应根据整车性能、传动系参数和尺寸要求，选择合适性能参数和外形尺寸的变速箱，然后通过计算、仿真、试验等手段来估计和验证整车性能，最终使变速箱在整车中布置合理，与整车、发动机等系统各接口尺寸匹配合理，使整车具有最优或满足设计要求的性能。

在满足整车布置和性能要求的基础上，变速箱尽可能选用现有产品，若现有产品无法满足匹配要求，可以对现有产品进行优化，以到达通用化设计，缩减开发成本。

基于以上考虑，提出DCT变速箱在应用匹配过程中的几点匹配原则，具体如下：

1)保证变速箱的边界与整车零部件周边间隙合理，特殊要求的边界做具体分析。

2)满足整车性能目标要求[10]。该原则主要是保证满足整车的动力性和经济性，DCT变速器可以通过速比调整(一般调整主减速比)适当地提升整车动力性或者经济性。

3)满足相关法规要求[10](排放政策、kw/t数规定)。

4)保证足够的最小离地间隙，一般动力总成不应低于副车架下表面。

5)DCT软硬件尽最大可能通用化设计。

关于匹配原则的说明。

原则1、5都是基于项目开发经验总结。

合理间隙一般静态间隙为10 mm，动态间隙为20 mm，特殊要求的边界比如DCT变速器某零部件与发动机催化器的间隙，满足普通间隙的基础上还要满足热害要求。

最小的离地间隙在以前国标GB/T 3730中是有规定的，一般为150 mm左右。现在虽然取消了这项硬性规定，但车企依然非常重视这一指标。

好的产品一定是满足市场需求，本文提出动力总成不低于副车架下表面为最小离地间隙的极限，是为了避免动力总成的磕碰。

3 硬件匹配

硬件匹配主要阐述DCT变速箱匹配整车、发动机、传动系统、冷却系统等过程中与变速箱安装、运行密切相关的各系统接口参数或匹配设计要求。

3.1 整车

DCT变速箱与整车的匹配主要关注以下几点：

1)DCT变速箱在整车发舱中的布置，即安装姿态(位置和角度)；

2)DCT变速箱与周围零部件的间隙检查确认；

3)TCU布置、DCT变速箱外部控制线束布置；

4)DCT变速箱在发舱中的拆装维修方便性；

5)DCT变速箱在发舱中的热害要求、耐腐蚀要求和涉水要求。

3.2 发动机

DCT变速箱与发动机的硬件匹配主要关注两部分：离合器与双质量飞轮(Dual mass flywheel，DMF)的匹配，DCT变速箱法兰面与发动机法兰面(简称发变面)的匹配。

图3是离合器与DMF匹配示意和发动机法兰端面。法兰端面的序号是发动机与变速箱的连接孔，其中：序号6和序号10为定位销孔，螺栓从发动机侧安装；序号1、2、3为螺纹孔，螺栓从变速箱侧安装；序号4、5、7、8、9为光孔，其中序号4、5两孔需安装起动机，螺栓从变速箱侧安装，序号7、8、9孔位的螺栓从发动机侧安装。

图3 发动机硬件相关接口

离合器和DMF通过花键刚性连接，要保证离合器花键和DMF花键的有效连接长度。如图2所示，DMF最大外径与离壳体飞轮腔最大外径也要保证3 mm以上间隙。

变速箱与发动机连接面的匹配根据发动机缸体图纸、定位销图纸设计变速箱法兰端面，其次是法兰面连接螺栓的规格，通过CAE分析保证强度和可靠性等要求。

双质量飞轮的性能对DCT变速箱的敲齿、异响有很大影响，DCT变速箱对DMF的性能指标主要要求是发动机全转速段输出至变速箱角加速度值。格特拉克的DCT变速箱在匹配DMF时限定发动机全转速段输出至变速箱角加速度值小于500 rad/s2；里卡多在DCT变速箱工程应用中也限定此值小于500 rad/s2；长城汽车搭载DCT变速箱匹配的DMF限定此值小于400 rad/s2。发动机全转速段输出至变速箱角加速度具体值还要根据整车的NVH性能测试结果。

3.3 传动系统

传动系统主要是从发动机曲轴输出端，经变速箱，到传动轴和轮胎，本文研究的传动系统仅关注变速箱与传动轴之间的匹配。

DCT变速箱与传动轴的匹配重点关注差速器、油封与传动轴的匹配设计。根据变速箱最大输入转矩、差速器相关参数、油封边界尺寸和匹配要求开展传动轴的设计匹配。图4为传动轴与差速器、油封匹配示意图。表2为某款DCT的油封使用匹配要求。

3.4 冷却系统

DCT变速箱的冷却要求涉及变速箱的传动效率、换挡策略和发动机的暖机要求。变速箱过低的油温使变速箱传动效率低下，换挡迟缓，导致车辆油

图4 传动轴与差速器、油封匹配示意图

表2 油封使用匹配要求

耗增加；过高的油温会使机械部件润滑不良、磨损严重，影响使用寿命：因此，DCT变速箱的冷却至关重要。一般湿式DCT变速箱多采用水冷方式，并将DCT变速箱的冷却回路布置在发动机冷却系统回路的旁通回路中。目前主流的布置基本是与发动机暖风并联，也可与发动机暖风串联，甚至与散热器并联。

DCT变速箱的冷却是靠油冷器(如图2所示)与发动机冷却系统的匹配完成的，本文研究对象油冷器布置在发动机冷却系统空调暖风芯子回路中，其原理如图5所示。

硬件匹配主要关注DCT变速箱油冷器与发动机暖风之间的管路接口参数和管路的布置。匹配要求主要是油冷器的冷却能力、进水温度、节温器的开启温度等。

1．缸体水套；2.缸盖水套；3.水泵；4.发动机机油冷却器；5.节流阀 ；

3.5 操纵机构

传统换挡手柄通过拉丝与DCT变速箱的驻车机构相连，如图6所示。在手柄设计过程中需保证换挡手柄移动行程与驻车拉索转动行程相匹配，即图6中换挡手柄的PRNDS各挡行程与拉索球的PRNDS各挡行程匹配。同时考虑拉丝在整车中的布置。

换挡手柄与驻车机构的匹配主要关注拉索球进出P挡力，各挡位下拉索球到拉丝支架的距离，以及换挡手柄进出P挡力。

驻车机构的技术要求如下：

1)驻车机构功能实现时，需限定车速范围，如车速小于5 km/h时才允许驻车实现。

2)整车挂P挡后，需限定车辆溜动距离。

3)满载车辆可仅靠驻车机构停在30%坡道上，具体坡度值不同主机厂可能要求不同。

4)水平路面和极限工况下限定进出P挡换挡力，保护驻车机构和人车安全。

3.6 悬置系统

悬置系统匹配主要定义DCT变速箱与整车连接悬置部分的参数和接口形式，其由整车负责开发设计，需要变速箱提供质心、转动惯量及安装孔位关系等信息，安装孔位关系包括安装孔数量、孔的相对分布位置、安装孔螺纹规格。悬置系统一般有3点支撑或4点支撑，其直接影响整车NVH性能，对整车品质有较大影响，需通过CAE仿真分析和试验验证等手段确认悬置系统的合理匹配。

图6 驻车-换挡拉丝-换挡手柄连接示意图

4 性能匹配

性能匹配主要是匹配的DCT变速箱能够满足整车动力性和经济性要求。变速箱可以通过调整速比，为了尽量通用化，一般调整主减速比来提升整车的动力性或者经济性。

产品开发前期通过软件仿真(如cruise软件)，计算整车动力性和经济性。需要整车相关参数、发动机相关参数和变速箱参数，如整车整备质量、满载质量、轴距、滑行阻力、发动机油耗特性数据、全油门转矩特性数据、变速箱挡位速比、变速箱效率等。

将仿真计算结果、性能开发目标进行对比分析，如满足动力性和经济性目标要求，后期进行整车试验验证。如不能满足目标要求，则需要整车实施节油措施进行优化，如发动机启停技术、智能发电机、电子节温器，或者变速箱调整主减速比、优化换挡规律[11-13]，也可通过整车标定进行优化。

5 电气匹配

DCT变速箱软件与整车电气的匹配主要视整车配置要求和CAN(controller area network，控制器局域网络)信号列表定义而定，整车配置和DCT变速箱软件开发工作相关的部分配置如表3所示。

表3 DCT软件开发功能对应的部分配置表

注：—代表不配备；○代表开发预留，可选配；●代表装配

如根据动力总成类型，TCU会把变速箱类型(如0代表MT；1代表AT；2代表DCT等)发送到CAN总线上，同理EMS(engine management system，发动机管理系统)会把发动机类型(如0代表1.2TGDI；1代表1.6DVVT；2代表2.0VVT等)发送到CAN总线上，供其他控制模块使用；根据挡位显示，TCU会把当前占用挡位(如1代表1挡；2代表2挡等)发到CAN总线上，供ICM接收在仪表上显示当前挡位。

DCT变速箱软件在满足通信协议和诊断协议的基础上，实现与EMS、ESP(electronic stability program，车身电子稳定系统)、ICM(Instrument control module，组合仪表)等模块的通信和功能要求。其次DCT变速箱软件对EMS的控制精度有一定的要求，主要从怠速控制、转速控制和转矩响应3个方面进行要求，比如发动机转矩增加动态响应(如图7所示)的要求如下：当发动机输出转矩小于100 Nm，响应时间Tt小于40 ms时，转矩误差E在±5 Nm范围内；大于100 Nm，响应时间Tt小于40 ms时，E为(±5%×Tq)Nm。

图7 发动机转矩增加动态响应要求

6 结论

1)本文提出了DCT变速器在实际应用过程中的匹配原则，在遵循匹配原则的基础上，明确了DCT变速器匹配整车、发动机等系统的接口和匹配要求，对性能匹配、电气系统匹配所需参数和过程作了简要说明。

2)从硬件匹配、性能匹配和电气匹配3个方面出发，能够在产品开发初期全面且系统地完成DCT变速器的匹配工作。

3)本文对DCT变速器的实际应用匹配提供了理论依据和支持，对DCT变速器在产品开发和后期匹配应用过程中具有重大借鉴意义。