新型双离合器自动变速器的结构与故障分析

刘占旗

（三峡大学机械与动力学院，湖北 宜昌 443002）

1 研究背景

在现代车辆上，自动变速器是一种必备构件，但是以往都是行星齿轮结构的变速器，这种变速器存在结构复杂、控制难度大等问题。近年来，一种新型的机械变速器被广泛应用，其关键技术是在机械变速器中增加一种双离合器。我国在新型双离合器技术应用上与欧美等发达国家相比，还存在许多不足和亟待改善的地方，因此对新型双离合器结构的研究分析显得尤为重要。

1.1 国外研究现状

双离合器自动变速器技术是在1939年由德国的Kegresse.A 提出来，因为当时控制技术尚未成熟，导致该技术并未大量投入到车辆生产中去。在20世纪80年代，保时捷公司研发了仅在赛车上应用的双离合器自动变速器，这一变速器的研发解决了变速器在工作中的动力传递问题。1999年美国伯格华纳和德国大众两公司共同设计开发了直接换挡变速器（DSG），2003年推广并普及到其他车型上。2005年Ricardo公司研发了7挡DCT，2008年舍弗勒集团和大众公司共同合作设计出7挡干式双离合器变速器。截至2009年，DCT技术应用在欧洲乘用车上的占比达到9.9%，目前国外汽车公司大量生产装配DCT技术的车型[1]。

1.2 国内研究现状

由于国内车辆领域起步较晚，DCT技术的设计和研发与国外相比要晚。我国的DCT技术在2002年开始研发，2006年国家将DCT技术列入“十一五”国家“863计划”重点项目，2009年吉利集团生产出第一款7挡的双离合器自动变速器。国内DCT研发方面与发达国家之间还有很大差距。虽然国家大力扶持车辆技术开发，国内也有很多科研机构也在不断探索研究自动变速器的核心技术，但是这一技术的应用还没有到达完全成熟的阶段。

2 DCT离合器的结构及工作原理

2.1 DCT的组成系统

离合器系统，DCT的离合器系统分为干式和湿式离合器。干式离合器的从动部分转动惯量很小，具有转矩过载保护功能，结构组成简单容易调整，同时它的造价还比较低，具有高效率等优点。湿式离合器的结构同样简单易操作，它的压力和摩擦力都很均匀，控制性能好[2]。

液压控制系统是双离合器控制部分，由冷却部分和换挡机构控制部分组成。在DCT系统中，增加自动换挡机构可以实现自动换挡。离合器进行滑差控制时定会产生热而导致油液温度升高，此时要提供专门的冷却油路散热，否则必然缩短离合器的使用寿命。

扭转减振器系统，当车辆加速时，或者挂挡正常行驶需要制动时，发动机的动力对于传动轴，以及制动时车身惯性对发动机的反作用力，这些力都会集中到离合器摩擦片上。因此将DCT的动力输出件的惯性和飞轮转动惯量匹配起来设计扭转减振器。为了提高驾驶员和乘坐人员的舒适性，采用双质量飞轮式的扭转减振器。这种扭转减振器对降低弹簧的硬度和刚度方面有很好的作用[3]。

电子控制系统，由电子控制单元、执行器和传感器组成。电子控制单元可以对各个传感器输入的信号进行及时分析和处理。传感器可以把各种行驶环境和状态转变为电信号输送给电子控制单元。执行器会对电子控制单元输出的信号迅速做出反应。双离合自动变速器的电子控制系统可以预先将一系列指令程序储存在ECU程序存储器中，电子控制单元在收到了传感器传来的电信号之后及时做出相应的反应[4]。

2.2 DCT离合器的换挡工作原理和原理分析

将变速器挡位按照奇数挡和偶数挡分开定义，两个离合器分别与两个输入轴连在一起，如果离合器1通过实心轴与1、3、5挡接合，那么2、4、6挡就只能接合在离合器2上。当车辆在停车的状态下，两个离合器都是常开式，此时不传递动力。在车辆开始起步时，离合器1就会开始分离，此时挡位处于1挡，接着离合器1接合，车辆完成起步工作。车辆加速时，到达接近2挡的换挡状态时，在自动换挡机构的作用下，能够将挡位超前接入到2挡。以下是对其不同换挡阶段进行的说明分析[5]。

处于第一阶段时，偶数挡4挡正常传递动力。通过传感器接收外部环境然后电子控制单元做出判断和分析，这样会根据驾驶环境和驾驶员指令判断车辆要切换的挡位，车辆加速时，就可以切换到5挡，车辆减速时，就会切换到3挡。

处于第二阶段时，传递动力的挡位在4挡上，此时提前挂上奇数挡5挡，处于4挡转矩相。自动变速器的电控单元根据其传感器接收的信号进行判断，确定切换到5挡；可是5挡和离合器1接合在一起，此时的离合器1不传递动力，因为离合器1处于分离状态下，因此可发出命令让自动换挡机构提前切换到下一个挡位奇数挡，这时候动力仍是通过4挡传递扭矩。

处于第三阶段时，奇数挡位5挡和偶数挡4挡共同工作传递扭矩，此时处于4挡惯性相。车辆的运行状态需要换奇数挡的时侯，此时就会将离合器2逐渐分离开，同步将离合器1逐步接合在一起，这时候传递扭矩的是偶数挡4挡和奇数挡5挡。

处于第四阶段时，奇数挡位5挡刚刚开始传递扭矩，此时偶数挡4挡尚未摘挡。两个离合器的动力切换一旦完成后，离合器2完全分离，离合器1完全接合，离合器1动力传递完成，这时5挡处于传递扭矩的状态下，偶数挡4挡未完全摘挡，但是不再进行动力传递。

2.3 双离合器自动变速器的动力传递

各个挡位的动力传递：1挡的动力传递是由外部离合器传递到内部驱动轴，然后到输出轴1，最后到差速器。2挡的动力传递是由内部离合器先传递到外部驱动轴，然后传给输出轴1，最后到达差速器。3挡的动力传递路线是通过外部离合器传递给内部驱动轴，再通过输出轴1把动力传递给差速器。4挡的动力传递是由内部离合器传递给外部驱动轴，外部驱动轴传递给输出轴1，最后把动力传递给差速器。5挡的动力传递则是由外部离合器传递到内部驱动轴，内部驱动轴接着把动力传递给输出轴2，最后动力到达差速器。6挡的动力传递是通过内部离合器把动力传递到外部驱动轴上，再通过外部驱动轴把动力传递给输出轴2，最后传递动力到差速器。倒挡的动力传递是通过外部离合器传递给内部驱动轴，再传递给倒挡轴，倒挡再把动力传递给输出轴2，最后同样传递给差速器[6]。

2.4 DCT离合器结构特点

新型双离合器自动变速器在工作中具有以下四个特点：1）双离合变速器换挡快，换挡间隔时间非常短。换挡时不会产生冲击力，在操作舒适性上有很大的提高。2）双离合器变速器没有液力变矩器，变速部分和MT大致相同，因此传递效率很高，双离合是采用TCU自动控制，动力传递过程中动力损失很小。3）双离合器自动变速器油耗低。双离合变速器在换挡时需要的时间非常短，能量损失少。4）双离合器自动变速器是在原有手动变速器基础上改进的，结构简单紧凑[7-8]。

3 DCT的主要控制技术

离合变速器在工作时存在传递重叠区，在双离合器换挡时要非常精确，从而延长离合器的寿命。控制不当就会使传动系统产生很大的冲击，造成摩擦片温度升高，产生变形损坏，最终导致工作寿命的缩短[9]。

3.1 起步控制

在车辆刚起步的时候会有两种起步控制技术。车辆起步自动挂1挡，此时只有一个离合器参与起步。这就会带来两个离合器寿命不一样的问题。为了解决这一问题，在起步时先让换挡机构一同挂上1挡和2挡，接着按照驾驶员意愿，根据当时的工作情况让其中一个离合器分离，另一个继续接合工作实现车辆平稳起步[10]。

3.2 跳挡控制

DCT离合器可以突然完成跳挡，解决了在换挡时升降挡这一问题。加速换高挡时，由于路面存在的摩擦阻力和其他因素会导致车速下降，离合器控制系统必须要根据各种信号来改变挡位或者保持挡位不变，避免产生随意换挡现象。

3.3 升降挡控制

在升挡的时候，控制系统会让离合器I分离，离合器II接合在一起。在换挡的时候，离合器I停止供油开始分离，但是离合器II是在正常工作的，随着油压不断增加就可以减小甚至消除摩擦片之间的间隙。所以这一结构可以让双离合器自动变速器在不切断动力传递的情况下完成换挡。

4 DCT离合器系统故障分析

4.1 发动机故障

在车辆行驶过程中，发动机产生的故障大部分是由于下面四个原因造成的：车辆工作时发动机的转速、发动机中冷却液的温度、加速踏板和蓄电池。这四个部分如果有一个发生故障，发动机必然不能直接有效地控制DCT正常工作。

4.2 TCU故障

自动变速箱控制单元产生的故障可分为以下四点：1）自动变速箱上分布着多个传感器，传感器在接收上容易出现问题；2）控制单元核心处理器被破坏，会直接造成系统瘫痪；3）控制器局域网络信号产生故障，会造成通信网络系统无法正常工作；4）自动变速箱上容易产生软件问题，软件故障会造成程序死机等状况。

4.3 DCT传感器故障

新型双离合器自动变速器的电子控制系统中需要多个传感器来接收和转化信息，传感器又是容易发生故障的部件，这就会大大增加传感器的故障频率，不同位置的传感器发生故障会造成不同程度的影响。

5 DCT故障的解决方法

5.1 信号处理方法

当发动机信号故障时：1）在检测之后标注故障发生的部位。2）将产生故障部位的代码记录下来并且保存，然后把故障灯打开。运用DCT中的执行机构对产生故障的部位进行诊断处理。3）让车辆保持在4挡的速度下正常运行，这是为了减少车辆的负荷，然后慢慢地降低车速，直到最后停止运行。

5.2 冗余处理方法

当发生故障的部位是温度传感器时，这种故障产生的因素包括变速器润滑油温度传感器发生故障和离合器的温度传感器发生故障。要把DCT系统中的温度作为变速器润滑油温度。CAN发生故障时，假如车辆处于还没有启动的状态，应该立刻停止工作。假如车辆在运行状态下，必须立刻分离离合，让车辆切换到空挡并缓慢停止下来。

6 总结

新型双离合器自动变速器由于其燃油经济性优良、换挡时间很短、驾驶员的驾驶感觉舒适等特点被普遍应用到车辆行业。同时其缺点在零部件生产及车辆工作中也表现了出来，如生产成本、扭矩问题以及使用大量电子元件增加了故障出现的概率。DCT所表现出来的优劣与其结构组成是紧密相连的。本文通过分析新型双离合器自动变速器的结构系统和工作原理，总结了容易发生的故障，最后提出了几点解决办法，为同行业研究提供参考。