張峰

（東風(fēng)格特拉克汽車(chē)變速箱有限公司，武漢430058）

1 技術(shù)背景及項(xiàng)目假設(shè)

雙離合變速器有2個(gè)輸入軸、2個(gè)輸出軸，分別對(duì)應(yīng)奇數(shù)擋和偶數(shù)擋，雙離合變速器有2組摩擦片，控制奇數(shù)擋和偶數(shù)擋的動(dòng)力切換，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)選擋和無(wú)動(dòng)力間斷換擋，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性較好。

雙離合變速器目前多為六擋或七擋設(shè)計(jì)，1個(gè)擋位對(duì)應(yīng)1對(duì)齒輪組，增加擋位對(duì)于變速器質(zhì)量、尺寸、搭載性都會(huì)有較大影響。本文針對(duì)現(xiàn)有六擋變速器，應(yīng)用復(fù)合擋結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了八速的雙離合變速器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低的優(yōu)勢(shì)。

項(xiàng)目假設(shè)及變速器系統(tǒng)需求：以某目標(biāo)車(chē)型作為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)雙離合變速器，整車(chē)為前置前驅(qū)結(jié)構(gòu)，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研及競(jìng)品分析，確定開(kāi)發(fā)橫置八速雙離合變速器。目標(biāo)車(chē)型技術(shù)參數(shù)如表1所示。

目標(biāo)車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線(xiàn)如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：最大轉(zhuǎn)矩270 N·m，最大功率150 kW，考慮整車(chē)系統(tǒng)設(shè)定，一擋轉(zhuǎn)矩220 N·m，倒擋轉(zhuǎn)矩190 N·m。

表1 目標(biāo)車(chē)型技術(shù)參數(shù)

2 變速器傳動(dòng)比特征參數(shù)

變速器傳動(dòng)比確定需要考慮以下因素[1]：1）最大爬坡度；2）最高車(chē)速要求；3）車(chē)輛加速性需求；4）使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在節(jié)油特性區(qū)間。

圖1 目標(biāo)車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線(xiàn)

2.1 最大傳動(dòng)比

最大傳動(dòng)比即一擋傳動(dòng)比，根據(jù)最大爬坡度來(lái)估算，結(jié)合考慮最大驅(qū)動(dòng)力受限于輪胎摩擦力極限，計(jì)算公式為

式中：imax為一擋傳動(dòng)比；rd為輪胎半徑；mF為整車(chē)總質(zhì)量；fR為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取混凝土平路；αSt為坡度角；T1max為一擋起步轉(zhuǎn)矩，限扭220 N·m；ηtot為總效率。

根據(jù)整車(chē)參數(shù)，爬坡度需求：滿(mǎn)載爬坡度30%，空載爬坡度50%，計(jì)算得到最大傳動(dòng)比估算值為16.7，即一擋傳動(dòng)比需求值。

2.2 最小傳動(dòng)比

最小傳動(dòng)比取決于最高車(chē)速要求，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力和整車(chē)阻力是限制條件，根據(jù)最高車(chē)速估算最小傳動(dòng)比要求：

根據(jù)整車(chē)參數(shù)，估算最小傳動(dòng)比需求值為2.59，此數(shù)值僅考慮發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速與最高車(chē)速關(guān)系。

同時(shí)還需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力換算的車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力要大于車(chē)輛行駛阻力，車(chē)輛行駛阻力包括車(chē)輪阻力FR，空氣阻力FL，坡度阻力FSt，加速阻力Fa。車(chē)輛行駛阻力計(jì)算公式為

根據(jù)整車(chē)參數(shù)，假設(shè)最高車(chē)速時(shí)，勻速行駛在坡度為0%的道路上，計(jì)算得到圖2所示車(chē)輛行駛阻力與車(chē)速關(guān)系曲線(xiàn)，同時(shí)以估算最小傳動(dòng)比為基礎(chǔ)，給出幾組最小傳動(dòng)比的驅(qū)動(dòng)力曲線(xiàn)。

從曲線(xiàn)可以看出，最小傳動(dòng)比為2.467時(shí)，在驅(qū)動(dòng)力曲線(xiàn)高于車(chē)輛行駛阻力曲線(xiàn)條件下，車(chē)速可以達(dá)到180 km/h，滿(mǎn)足客戶(hù)需求。

考慮將傳動(dòng)比2.467定義為次高擋七擋傳動(dòng)比，最高擋八擋取較小傳動(dòng)比1.739左右，滿(mǎn)足車(chē)輛在100～140 km/h穩(wěn)定行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作在燃油經(jīng)濟(jì)效率更好的轉(zhuǎn)速區(qū)間。

圖2 最高車(chē)速傳動(dòng)比計(jì)算

2.3 估算速比級(jí)差

3 擋位結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

3.1 擋位布局

基于八擋變速器的技術(shù)假設(shè)，即前進(jìn)擋需要實(shí)現(xiàn)8個(gè)擋位，為考慮優(yōu)化變速器尺寸、質(zhì)量及成本，結(jié)合復(fù)合擋設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了圖3所示傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)八擋速比的傳動(dòng)。

橋擋的特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)最高擋和最低擋的虛擬擋，如一擋和八擋不需要實(shí)際擋位齒輪，橋擋齒輪與二擋齒輪級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)一擋，橋擋齒輪反向和七擋齒輪級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)八擋，一擋和八擋相當(dāng)于虛擬擋位，優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：1）減少了傳動(dòng)齒輪對(duì)，減少了相應(yīng)的同步器、換擋系統(tǒng)等，成本更低；2）沒(méi)有一擋齒輪，最大齒輪為二擋齒輪，軸系更加緊湊，變速器尺寸和質(zhì)量更有優(yōu)勢(shì)，搭載性更好。

圖3 軸齒布局

八速雙離合變速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)初步定義的傳動(dòng)比，擬定各擋位在兩個(gè)輸入軸，輸出軸上分布。

此八擋變速器結(jié)構(gòu)包含2個(gè)輸入軸（輸入內(nèi)軸ISI，輸入外軸ISO）、2個(gè)輸出軸（輸出一軸OS1，輸出二軸OS2）和復(fù)合擋機(jī)構(gòu)（橋擋同步器Sb，其掛入擋位時(shí)，將三擋從動(dòng)齒輪G3和四擋從動(dòng)齒輪G4剛性連接，傳遞轉(zhuǎn)矩）。

輸入內(nèi)軸ISI上有3個(gè)固定齒輪：輸入內(nèi)軸五擋主動(dòng)齒輪，輸入內(nèi)軸三擋主動(dòng)齒輪，分別與五擋從動(dòng)齒輪、七擋從動(dòng)齒輪、三擋從動(dòng)齒輪進(jìn)行嚙合。

輸入外軸ISO上有2個(gè)固定齒輪：輸入外軸二擋主動(dòng)齒輪，輸入外軸四擋主動(dòng)齒輪，其中輸入外軸二擋主動(dòng)齒輪與二擋從動(dòng)齒輪G2/1進(jìn)行嚙合，輸入外軸四擋主動(dòng)齒輪與四擋從動(dòng)齒輪G4和六擋從動(dòng)齒輪G6同時(shí)嚙合。

輸出一軸OS1上有3個(gè)同步器：二四擋同步器S1，實(shí)現(xiàn)二擋和四擋換擋動(dòng)作；三五擋同步器S2，實(shí)現(xiàn)三擋和五擋換擋動(dòng)作；橋擋同步器Sb，實(shí)現(xiàn)橋擋掛擋動(dòng)作。

輸出二軸OS2上有2個(gè)同步器：六倒擋同步器S3，實(shí)現(xiàn)六擋和倒擋換擋動(dòng)作；七擋同步器S4，實(shí)現(xiàn)七擋換擋動(dòng)作。

1）復(fù)合擋設(shè)計(jì)，是比較獨(dú)特的應(yīng)用，通過(guò)橋同步器，使動(dòng)力經(jīng)過(guò)三擋和四擋齒輪，實(shí)現(xiàn)橋擋傳動(dòng)比，然后橋擋同步器分別與二擋和七擋齒輪級(jí)聯(lián)，分別實(shí)現(xiàn)了一擋和八擋的傳動(dòng)比。

一擋實(shí)現(xiàn)方式：橋擋同步器Sb掛入三擋齒輪，使三擋與四擋固連，2/4擋同步器掛入二擋，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力由輸入內(nèi)軸ISI到三擋齒輪，然后經(jīng)過(guò)橋擋同步器到四擋齒輪，四擋齒輪傳遞到輸入外軸，動(dòng)力經(jīng)過(guò)二擋齒輪，2/4擋同步器傳遞到輸出一軸，從而實(shí)現(xiàn)一擋傳動(dòng)。一擋傳

倒擋有單獨(dú)倒擋齒輪組，同時(shí)需要借用一擋傳遞路徑：六倒擋同步器S3掛入倒擋從動(dòng)齒輪Gr，橋擋同步器S5掛入三擋齒輪G3，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)由輸入內(nèi)軸傳遞到三擋齒輪G3，然后通過(guò)橋擋同步器Sb傳遞到四擋齒輪G4，再通過(guò)輸入外軸、二四擋從動(dòng)齒輪傳遞到倒擋從動(dòng)齒輪Gr，然后傳遞轉(zhuǎn)矩到輸出二軸OS2，最終實(shí)現(xiàn)倒擋速比。

二擋、三擋、四擋、五擋、六擋、七擋存在單獨(dú)的傳動(dòng)齒輪：二擋、四擋、六擋為偶數(shù)擋，其動(dòng)力輸入來(lái)自輸入外軸ISO，即相應(yīng)同步器，輸入外軸ISO對(duì)應(yīng)的離合器閉合時(shí)，其可實(shí)現(xiàn)二擋、四擋、六擋的傳動(dòng)；三擋、五擋、七擋為奇數(shù)擋，其動(dòng)力輸入來(lái)自輸入內(nèi)軸ISI，即相應(yīng)同步器，輸入內(nèi)軸ISI對(duì)應(yīng)的離合器閉合時(shí)，其可實(shí)現(xiàn)三擋、五擋、七擋的傳動(dòng)。

2）在同一個(gè)輸入軸和輸出軸上的配對(duì)齒輪，其主動(dòng)齒和被動(dòng)齒的總齒數(shù)需要接近，不然很難通過(guò)齒輪模數(shù)、變位系數(shù)等調(diào)出相同的輸出輸入軸軸距。例如二擋主從動(dòng)齒輪總齒數(shù)要和三擋、四擋、五擋主從動(dòng)齒輪總齒數(shù)接近。

3）低擋位齒輪布置在輸出一軸上，最大輸入輸出軸距由二擋齒輪決定，高擋位六、七、八擋布置在輸出二軸上，其輸入輸出軸軸距相對(duì)輸出一軸可以做得更小，利于軸系的緊湊布置。

4）考慮減少齒輪，降低變速器尺寸和成本，六擋與四擋共用一個(gè)主動(dòng)齒，七擋和五擋共用一個(gè)主動(dòng)齒。

3.2 中心距初步確定

輸入輸出軸軸距定義，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式

式中：aos為輸入輸出軸軸距值；Kos為中心距系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值；

雙離合變速器分為：輸出一軸與輸入軸軸距，輸出二軸與輸入軸軸距，根據(jù)上述變速器軸系布局圖計(jì)算（Kos此處可以選12.5作為估算）：

輸出一軸與輸入軸軸距根據(jù)一擋傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)矩來(lái)計(jì)算，由于一擋傳動(dòng)比為橋擋與二擋級(jí)聯(lián)的兩級(jí)傳動(dòng)，Tmax=ibTe1，估算得到其軸距為85 mm，根據(jù)軸齒宏觀設(shè)計(jì)，實(shí)際軸距有所調(diào)整。

輸出二軸與輸入軸軸距根據(jù)六擋傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)矩來(lái)計(jì)算，Tmax=ibTe6，同時(shí)由于倒擋與二擋從動(dòng)嚙合，綜合考慮輸出二軸與輸入軸軸距，估算得到其軸距為77 mm；因?yàn)橐紤]過(guò)小中心距影響滾針軸承布置，另外輸出一軸、輸出二軸同時(shí)與差速器的連接，通常輸出二軸與輸入軸軸距會(huì)根據(jù)輸出一軸與輸入軸軸距來(lái)隨動(dòng)調(diào)整，滿(mǎn)足整個(gè)軸系布局的需求。

3.3 各擋位傳動(dòng)比及齒輪宏觀參數(shù)確定

根據(jù)以上估算軸距，確定各擋位傳動(dòng)比及齒輪宏觀參數(shù)，需同時(shí)考慮以下因素：

1）齒輪幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求，模數(shù)、齒數(shù)、變位系數(shù)及螺旋角等要與中心距適配；

2）擋位2/3/4/5齒輪共用一個(gè)軸距，即輸出一軸與輸入軸軸距，擋位6/7齒輪共用一個(gè)軸距，即輸出二軸與輸入軸軸距；

3）一擋傳動(dòng)比由橋擋和二擋確定，八擋傳動(dòng)比由橋擋和七擋確定，而橋擋傳動(dòng)比是由三擋和四擋傳動(dòng)比確定；

4）四擋和六擋共用一個(gè)主動(dòng)齒輪，五擋和七擋共用一個(gè)主動(dòng)齒輪，所以其宏觀參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。綜合以上，配比得到幾組傳動(dòng)比設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 各擋位傳動(dòng)比

3.4 軸系布置方案確認(rèn)

根據(jù)以上傳動(dòng)比，得到如圖5所示換擋曲線(xiàn)，同時(shí)考慮客戶(hù)整車(chē)匹配需求，選擇Q7作為傳動(dòng)比方案，進(jìn)行仿真計(jì)算。得到軸系布局示意如圖6所示。

4 軸齒概念設(shè)計(jì)仿真計(jì)算

驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力計(jì)算[2]：各擋傳動(dòng)比對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)化到輪邊驅(qū)動(dòng)力，與車(chē)速的行駛阻力得到一組曲線(xiàn)，如圖7所示。

圖5 各擋位換擋曲線(xiàn)

圖6 軸系布局示意圖

從圖7中可以看出，各擋位驅(qū)動(dòng)力曲線(xiàn)在行駛阻力曲線(xiàn)以上的為有效行駛工況，驅(qū)動(dòng)力曲線(xiàn)與行駛阻力曲線(xiàn)的縱坐標(biāo)高度差即整車(chē)的后備功率，六擋可以達(dá)到最高車(chē)速，190 km/h，最高擋八擋在特定工況使用。

圖7 驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力圖

5 內(nèi)控系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)

內(nèi)控系統(tǒng)即為實(shí)現(xiàn)雙離合變速器換擋的一套機(jī)構(gòu)，目前變速器平臺(tái)采用的是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)換擋轂，換擋轂帶動(dòng)撥叉實(shí)現(xiàn)電子機(jī)械式換擋模式，此變速箱設(shè)計(jì)中，存在5個(gè)同步器：S1二四擋同步器總成；S2三五擋同步器總成；S3六倒擋同步器總成；S4七擋同步器總成；Sb橋擋同步器總成。

按1個(gè)撥叉控制1個(gè)同步器設(shè)計(jì)，存在5個(gè)擋位撥叉，其中S1、S2、S3同步器是對(duì)應(yīng)2個(gè)擋位，而S4、Sb僅對(duì)應(yīng)1個(gè)擋位，內(nèi)控設(shè)計(jì)布局示意圖如圖8所示。

圖8 內(nèi)控系統(tǒng)布置方案

內(nèi)控系統(tǒng)中，換擋轂由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，換擋轂內(nèi)部有行星齒輪系結(jié)構(gòu)，起到減速增扭作用，換擋轂表面具有換擋槽，與撥叉上的滑塊配合，可以將換擋轂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為撥叉沿?fù)懿孑S的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)撥叉撥動(dòng)同步器齒套，實(shí)現(xiàn)換擋功能。

7擋撥叉控制的是S4同步器總成，6/R擋撥叉控制的是S3同步器總成，3/5擋撥叉控制的是S2同步器總成，B擋撥叉控制的是Sb同步器總成，2/4擋同步器控制的是S1同步器總成。

6 液壓控制系統(tǒng)概念

內(nèi)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)變速器的預(yù)選擋，擋位的切換是由液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，包括了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、油泵、液壓油路、離合器、壓力傳感器、溫度傳感器、限壓閥、吸濾器等[3]。

雙離合器有2組摩擦片，分別對(duì)應(yīng)奇數(shù)擋和偶數(shù)擋，內(nèi)控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)換擋策略先執(zhí)行預(yù)掛擋，切換擋位時(shí)，液壓系統(tǒng)控制離合器2組摩擦片實(shí)現(xiàn)斷開(kāi)和閉合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)擋位的切換。

液壓系統(tǒng)存在3個(gè)液壓回路:1）離合器奇數(shù)擋液壓執(zhí)行油路；2）離合器偶數(shù)擋液壓執(zhí)行油路；3）用于離合器冷卻的液壓冷卻油路。奇數(shù)擋和偶數(shù)擋的液壓執(zhí)行油路分別為一個(gè)液壓回路系統(tǒng)，如圖9所示，油泵電動(dòng)機(jī)受TCU控制，當(dāng)執(zhí)行換擋動(dòng)作時(shí)，電動(dòng)機(jī)根據(jù)目標(biāo)油壓，按需求轉(zhuǎn)速帶動(dòng)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)，油泵產(chǎn)生高壓油，進(jìn)入后續(xù)油路，壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油路油壓，如果實(shí)時(shí)壓力小于目標(biāo)壓力，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)增加；如果實(shí)時(shí)壓力大于目標(biāo)壓力，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)減小，在閉合回路的動(dòng)態(tài)調(diào)整中，使油路達(dá)到目標(biāo)壓力。吸濾器作用是過(guò)濾掉變速箱油中較大顆粒雜質(zhì)，避免液壓油路堵塞。限壓閥為一個(gè)固定孔徑泄油部件，在液壓油路有壓力時(shí)，卸掉油路中部分變速箱油，其可以覆蓋整個(gè)油路的泄漏損失，使整個(gè)油路在動(dòng)態(tài)平衡中保持目標(biāo)壓力。

圖9 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

7 換擋功能實(shí)現(xiàn)方式

此雙離合變速器的布局結(jié)構(gòu)，包括軸齒系統(tǒng)，內(nèi)控系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)等，可以實(shí)現(xiàn)變速箱八個(gè)檔位的動(dòng)力傳遞，具體功能實(shí)現(xiàn)如圖10所示。

在預(yù)掛各擋位時(shí)，不同的同步器掛入不同擋位：一擋時(shí)，S1同步器掛入G2/1擋，S5同步器掛入G3擋，其它同步器處于空擋位置，ISI輸入內(nèi)軸對(duì)應(yīng)的離合器閉合，ISO輸入外軸對(duì)應(yīng)離合器斷開(kāi)，動(dòng)力由ISI輸入內(nèi)軸傳遞到變速器系統(tǒng)。

其它擋位依次如圖10所示，其中，一擋、倒擋和八擋比較特殊，需要橋擋的復(fù)合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，即存在擋位同步器和橋擋同步器同時(shí)在擋，動(dòng)力傳遞路徑較其它擋位復(fù)雜，這其中要考慮傳動(dòng)比設(shè)計(jì)可行性、變速器效率的問(wèn)題。除一擋、倒擋和八擋外，其余擋位為相應(yīng)擋位同步器進(jìn)擋，不存在復(fù)合擋結(jié)構(gòu)。

預(yù)選擋完成后，當(dāng)切換擋位時(shí)，根據(jù)變速器控制策略，執(zhí)行換擋指令，ISI輸入內(nèi)軸和ISO輸入外軸對(duì)應(yīng)的2個(gè)離合器執(zhí)行斷開(kāi)和閉合動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)擋位的切換，其過(guò)程無(wú)動(dòng)力中斷。

8 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)復(fù)合擋結(jié)構(gòu)在雙離合變速器上的應(yīng)用做了分析，從變速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)架的層面，設(shè)計(jì)了一款基于復(fù)合擋的八速雙離合變速器，涉及到了軸系擋位布置，傳動(dòng)比計(jì)算和選擇，分析了八速雙離合變速器各擋位實(shí)現(xiàn)的方案，特別是一擋和八擋的特殊傳動(dòng)模式，對(duì)其技術(shù)可行性進(jìn)行了確認(rèn)。同時(shí)對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)，內(nèi)控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)也進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析了其預(yù)選擋方式，液壓控制系統(tǒng)換擋原理，最后確定了變速器各擋位的實(shí)現(xiàn)策略。變速器中的主要傳動(dòng)構(gòu)架設(shè)計(jì)完成，對(duì)于此變速器的其它子系統(tǒng)，如駐車(chē)系統(tǒng)、殼體、通氣管小件等，可以針對(duì)特定車(chē)型匹配需求進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)。

此變速器結(jié)構(gòu)，通過(guò)復(fù)合擋在一擋、倒擋和八擋上的應(yīng)用，使整個(gè)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)更趨于緊湊，取消了直徑最大的一擋齒輪組，同時(shí)也沒(méi)有單獨(dú)的八擋齒輪組，整箱零件數(shù)量減少，同時(shí)也降低了變速器成本，有利于車(chē)型搭載和匹配應(yīng)用。