王明成

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

CA7CH350D濕式雙離合器式自動(dòng)變速器關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與集成

王明成

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

為了滿足搭載V6 3.0L發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)車輛在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面的設(shè)計(jì)要求，制定了CA7CH350D濕式雙離合器自動(dòng)變速器的總體結(jié)構(gòu)方案。對(duì)雙離合器自動(dòng)變速器特殊關(guān)鍵零部件如同步器、駐車機(jī)構(gòu)和換擋機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、布置形式和性能參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，確定了自動(dòng)變速器系統(tǒng)集成時(shí)各部件的連接形式與空間布置關(guān)系。對(duì)系統(tǒng)集成后的整車進(jìn)行了道路測(cè)試，車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性滿足設(shè)計(jì)需求。

1 前言

汽車自動(dòng)變速器主要有液力機(jī)械式自動(dòng)變速器（AT）、無(wú)級(jí)變速器（CVT）和雙離合器式自動(dòng)變速器（DCT）3種。在國(guó)外，大眾公司和博格華納公司合作生產(chǎn)了適用于大批量生產(chǎn)和應(yīng)用于主流車型的DCT，Re?cardo公司也開(kāi)發(fā)出了DCT樣機(jī)，luk公司與Ford、Getrag公司合作開(kāi)發(fā)了帶有干式離合器的平行軸式變速器（PSG）。在國(guó)內(nèi)，國(guó)家“863”重大專項(xiàng)計(jì)劃已將轎車DCT研發(fā)正式立項(xiàng)，浙江吉利控股集團(tuán)有限公司、杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)有限公司等汽車零部件制造企業(yè)與國(guó)內(nèi)高校組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作，取得了階段性成果。中國(guó)第一汽車股份有限公司根據(jù)自身的發(fā)展戰(zhàn)略，開(kāi)發(fā)了DCT系列自動(dòng)變速器。本文以CA7CH350D為例對(duì)濕式DCT的特點(diǎn)和關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

2 設(shè)計(jì)需求

本文濕式DCT的設(shè)計(jì)需滿足搭載V6 3.0L發(fā)動(dòng)機(jī)的前置后驅(qū)車輛的性能要求，見(jiàn)表1。

表1 車輛性能要求

在結(jié)構(gòu)上，濕式DCT要求采用兩個(gè)同心離合器形式，外圈離合器連接奇數(shù)擋齒輪（1、3、5和R擋），內(nèi)圈離合器連接偶數(shù)擋齒輪（2、4、6擋）；發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器之間采用柔性盤(pán)連接，且內(nèi)置扭轉(zhuǎn)減振器，保證離合器承受軸向和周向振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩滿足350 N·m。

為了匹配整車參數(shù)，依據(jù)設(shè)計(jì)需求濕式DCT的基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 濕式DCT匹配整車參數(shù)

3 總體結(jié)構(gòu)方案

為滿足設(shè)計(jì)需求，CA7CH350D濕式DCT軸總成布置采用三軸式布置方式，即奇數(shù)擋輸入軸、偶數(shù)擋輸入軸、中間軸和輸出軸。奇數(shù)擋和偶數(shù)擋輸入軸采用套軸形式，具有節(jié)省空間、承載大的特點(diǎn)；中間軸采用三點(diǎn)支撐方式，承載能力強(qiáng)，有利于提高齒輪剛度；輸出軸采用兩個(gè)錐軸承固定方式。擋位分布設(shè)計(jì)中，采用2擋、倒擋共用同一輸入齒輪設(shè)計(jì)，可減少零部件數(shù)量，縮短變速器的軸向空間。變速器速比見(jiàn)表3，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表3 CA7CH350D濕式DCT速比

1、3、5擋和7擋與奇數(shù)擋離合器連接在一起，2、4、6擋和R擋連接在偶數(shù)擋離合器上。當(dāng)車輛在某一擋位運(yùn)行時(shí)，下一個(gè)即將運(yùn)行的擋位可以始終處于接合狀態(tài)；當(dāng)達(dá)到換擋點(diǎn)時(shí)，只需將正處于接合狀態(tài)的離合器分離，將處于分離狀態(tài)的離合器接合，即切換兩個(gè)離合器的工作狀態(tài)，就可完成換擋動(dòng)作。

4 CA7CH350D濕式DCT關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

4.1 同步器的設(shè)計(jì)

4.1.1 同步器的形式及布置

DCT對(duì)同步器性能要求較為苛刻，需要滿足換擋時(shí)間短、換擋力大和克服拖曳扭矩的要求。這就要求在手動(dòng)變速器同步器設(shè)計(jì)和計(jì)算基礎(chǔ)上，根據(jù)DCT的特殊性，確定DCT同步器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。

由總體結(jié)構(gòu)方案可知1擋、2擋、3擋、4擋、6擋及R擋在中間軸上，5擋、7擋在輸出軸上。1擋、3擋用一套同步器，1擋采用三錐結(jié)構(gòu)，3擋采用單錐結(jié)構(gòu)；2擋及R擋用一套同步器，均采用雙錐結(jié)構(gòu)；4擋、6擋用一套同步器；5擋、7擋用一套同步器，均采用單錐結(jié)構(gòu)。在同步器的設(shè)計(jì)過(guò)程中堅(jiān)持通用化原則，各擋位的齒座、齒套、接合齒和摩擦副大部分共用，花鍵的加工刀具完全共用。同步器布置見(jiàn)圖2。

4.1.2 同步器的同步容量計(jì)算

濕式雙離合器存在拖曳扭矩，且經(jīng)過(guò)減速齒輪副到同步器處扭矩被相應(yīng)放大，這對(duì)同步器性能有很大影響。另外，濕式雙離合器系統(tǒng)在低溫下拖曳扭矩會(huì)更大，在冷起動(dòng)時(shí)同步器需要具備足夠的容量以保證實(shí)現(xiàn)換擋動(dòng)作。若有些工況對(duì)扭矩需求很大，可以在冷起動(dòng)階段限制該工況，雙離合器的拖曳扭矩在冷起動(dòng)后很快就會(huì)降下來(lái)。某些工況為了保護(hù)雙離合器，會(huì)相應(yīng)提高離合器的潤(rùn)滑冷卻油量，此時(shí)離合器的拖曳扭矩非常大，因此，同步器需具備足夠大的容量來(lái)實(shí)現(xiàn)換擋動(dòng)作。

拖曳扭矩影響到同步器的解鎖力（圖3），解鎖力過(guò)大使同步時(shí)間變長(zhǎng)，造成換擋過(guò)大的二次沖擊：

式中，F(xiàn)unl為解鎖力；Td為拖曳扭矩；J為同步慣量；Δω為齒套與標(biāo)齒輪間的轉(zhuǎn)速差；Δt為同步時(shí)間。

升擋時(shí)拖曳扭矩是助力，降擋時(shí)拖曳扭矩是阻力，跳擋根據(jù)情況要具體分析。

4.2 駐車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1 駐車機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

駐車制動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4所示。換擋時(shí)，駕駛員推動(dòng)換擋手柄，經(jīng)變速器外側(cè)的換擋拉桿作用在換擋臂上，換擋臂轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)擋位的轉(zhuǎn)換。各擋位由扇形板和板簧配合定位。板簧由彈簧片、銷軸和套管組成，套管套在銷軸上并在扇形板的凹槽內(nèi)滾動(dòng)。當(dāng)擋位停在P擋（駐車擋）時(shí)，外力通過(guò)推臂推動(dòng)拉桿，其上的圓柱銷在推力作用下克服回位扭簧的阻力推開(kāi)駐車棘爪，并將其壓入駐車齒輪的齒槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)P擋駐車功能。若駐車棘爪不能伸入駐車齒輪的齒槽內(nèi)，而是卡在齒頂時(shí)，拉桿上的彈簧被壓縮，圓柱銷被卡在固定器和駐車棘爪之間。此時(shí)，駐車制動(dòng)機(jī)構(gòu)不起作用，當(dāng)車輛出現(xiàn)溜車時(shí)，駐車齒輪會(huì)隨著中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)，駐車棘爪在彈簧力作用下被壓入駐車齒輪的齒槽內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)駐車功能。

4.2.2 駐車機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo)

按照整車參數(shù)及使用要求，確定了駐車機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)值。駐車機(jī)構(gòu)還需要滿足相應(yīng)汽車強(qiáng)制法規(guī)要求，但由于目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有頒布自動(dòng)變速器相關(guān)法規(guī)，因此參考美國(guó)SAE標(biāo)準(zhǔn)J2208對(duì)轎車自動(dòng)變速器駐車機(jī)構(gòu)的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 駐車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)

4.2.3 駐車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

為保證駐車P擋時(shí)各零部件的位置及受力符合設(shè)計(jì)目標(biāo)值，需對(duì)駐車主要部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算分析。

計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。通過(guò)計(jì)算可知，在車輛向前和向后溜車時(shí)，棘爪轉(zhuǎn)角和棘爪接合位置隨駐車銷的移動(dòng)均保證了駐車接合位置。

駐車齒輪和棘爪隨駐車銷位移受力過(guò)程如圖7和圖8所示。經(jīng)過(guò)計(jì)算校核，由圖7和圖8可知，駐車P擋接合和分離換擋運(yùn)動(dòng)過(guò)程與設(shè)計(jì)要求吻合，無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉和功能失效情況。

在對(duì)駐車機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，重點(diǎn)考核了駐車齒輪和駐車棘爪的強(qiáng)度，有限元分析模型及計(jì)算結(jié)果如圖9所示。計(jì)算結(jié)果顯示，駐車受力部件在車輛處于平路受撞擊工況（最大駐車力矩）時(shí)，零件的安全系數(shù)均大于2，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值。

4.3 換擋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.3.1 換擋機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置與選擇

CA7CH350D濕式DCT的換擋機(jī)構(gòu)為三叉軸結(jié)構(gòu)，1/3擋撥叉和4/6擋撥叉總成共用同一根叉軸，撥叉總成內(nèi)裝配直線軸承，可在固定的叉軸上自由滑動(dòng)。2/R擋撥叉和5/7擋撥叉分別用彈簧銷與各自的叉軸連接在一起（圖10），撥叉與叉軸成為一體，實(shí)現(xiàn)換擋動(dòng)作。

撥叉全部采用沖壓鋼板激光焊接技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。加強(qiáng)筋采用鋼絲焊接結(jié)構(gòu)，可有效降低質(zhì)量且潤(rùn)滑效果好，同時(shí)，剛度損失小，不影響換擋性能。另外，由于叉腳與同步器齒套接觸部位采用耐磨襯套結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)鑄鋼撥叉叉腳熱處理引起的變形，有效改善了換擋性能。

4.3.2 撥叉強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)各擋撥叉叉腳處進(jìn)行1000N作用下的有限元計(jì)算分析，結(jié)果如圖11所示。

計(jì)算結(jié)果表明，在1 000 N載荷作用下各擋撥叉叉腳變形量均小于0.5 mm，滿足變速器設(shè)計(jì)要求。

5 濕式DCT系統(tǒng)集成及整車試驗(yàn)

5.1 濕式DCT的系統(tǒng)集成

變速器輸入端通過(guò)螺栓連接柔性盤(pán)與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪，將動(dòng)力傳遞到濕式雙離合器，柔性盤(pán)起到軸向減振的作用。

變速器輸出軸與傳動(dòng)軸通過(guò)滑動(dòng)花鍵連接實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出，采用滑動(dòng)花鍵既保證了軸向安裝尺寸公差，又起到減振作用。

變速器總成通過(guò)4個(gè)螺栓與整車后懸置連接，保證了動(dòng)力總成與車身的連接可靠。

變速器安裝在整車后保證大于148 mm的離地間隙；變速器在整車布置中保證與周圍零部件間隙不小于20 mm。

整車三元催化器布置在變速器兩側(cè)，其周圍環(huán)境溫度較高，變速器總成在此區(qū)域內(nèi)零部件需保證耐高溫性。

整車電路線束分別與變速器控制模塊、奇數(shù)擋輸入轉(zhuǎn)速傳感器、偶數(shù)擋輸入轉(zhuǎn)速傳感器、輸出轉(zhuǎn)速傳感器及各擋位置傳感器連接，如圖12所示。

5.2 整車試驗(yàn)

按照車輛動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性國(guó)標(biāo)試驗(yàn)大綱，對(duì)車輛進(jìn)行了連續(xù)多次的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。分析試驗(yàn)結(jié)果可知，車輛的最高車速為207.6 km/h，最大加速度為5.01 m/s2，百公里加速時(shí)間為9.3 s，最低擋最大爬坡度為30%，最高擋90 km/h等速行駛?cè)加拖牧繛?.7 L/100 km，綜合工況燃油消耗量為8.2 L/100 km。由此可知，CA7CH350D濕式DCT關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

Design and Integration of Key Components CA7CH350D Wet Dualclutch Automatic Transmission

Wang Mingcheng
（China FAW Co.,Ltd R&D Center）

To meet the design requirement of the vehicle powered by V6 3.0 engine in dynamic property and economy,we develop the general structure plan of CA7CH350D wet dual-clutch transmission.Structure,package and performance parameters of the major components of the DCT such as synchronizer,parking mechanism and shifting gear are analyzed and computed,and the correlation between connection form and spatial arrangement of the components is defined when the DCT system is integrated.Road test is carried out to the vehicle with the integrated transmission system,which shows that the vehicle dynamic property and economy satisfy design requirement.

Wet DCT,key component,Design

濕式雙離合器式自動(dòng)變速器 關(guān)鍵部件 設(shè)計(jì)

U463.212

A

1000-3703（2015）03-0005-04