双离合器变速器

同 济 大 学 汽 车 学 院 吴 光 强2005.11.4双 离 合 器 变 速 器 的 开 发与 应 用 现 状 及 展 望 报 告 内 容1.概 述2.双 离 合 器 变 速 器 （ DCT） 组 成3.DCT的 工 作 原 理4.DCT机 械 系 统 的 有 关 研 究5.DCT控 制 系 统 的 有 关 研 究6.同 济 大 学 的 工 作7. DCT的 研 究 展 望 1.概 述 双 离 合 器 变 速 器 ， 即 DCT（ Dual Clutch Transmission, Double Clutch Transmission, Twin Clutch Transmission） 。 DSG（ Direct Shift Gearbox， Direkt Schalt Getriebe） ， 直 接 换 档 变 速 器 ， 如 :VW DQ250, DSG 02E. X-换 档 变 速 器 XSG（ Automated Shift Gearbox ,ASG; Uninterrupted shift Gearbox, USG; Parallel Shift Gearbox, PSG; Electrical Shift Gearbox, ESG） . 表 1 自 动 变 速 器 的 综 合 比 较1.1各 种 变 速 器 的 比 较 技 术 开 发 比 较 项 目 AT CVT 手 自 排 档 变 速 器ACMT AMT DCT性 能 驾 驶 性 佳 特 佳 中 中 佳 佳可 靠 性 佳 中 佳 佳 佳扭 矩 容 量 大 小 大 大 大传 动 效 率 0.85 0.90 0.92 0.92 0.92 开 发 技 术 难度 基 本 前 进 档数 4 无 级 5 5 5机 械 结 构 复杂 程 度 高 中 高 中 中 中控 制 系 统 要求 中 高 高 高 高 高进 入 市 场 时 间 1930年 代 1980年 代 1990年 代 初 1990年 代 中 2003开 发 费 用 1 1 0.6 0.7 0.85生 产 成 本 1 1 0.6 0.7 0.85 1.2各种变速器的开发比较 图 1 双 中 间 轴 式 DCT（ 4档 ） 2.1各 种 双 离 合 器 的 比 较2.双 离 合 器 变 速 器 （ DCT） 组 成（ 1 ） VW DQ250 的 双 离 合 器 图 6 DSG的 结 构 剖 视 图 High-speeds of up to 9,000 rpm, input torque max.520Nm are possible, Dual mass flywheel. The new 7DCT 50 is the race starter among ZFs transmissions.（ 2 ） ZF的 双 离 合 器 （ 7 DCT50） （ 3 ） Porsche的 双 离 合 器Double clutch transmissions (PDK/Porsche /Kgresse and others) Porsche - Audi PDK (1985) Double clutch transmissions (DSG/VW-Audi, PSG/LuK, PDK/Porsche /Kgresse and others) （ 4 ） 直 接 换 档 变 速 器 DSG02E （ 5 ） Luk的 XSG 从 MT到 ECM 电 子 离 合 管 理 器（ Electronic Clutch Management ECM） ，即 离 合 器 的 自 动 化 。主 要 特 征 : 取 消 了 离合 器 踏 板 ， 有 离 合 器但 是 已 经 实 现 了 自 动化 ， 换 档 过 程 中 离 合器 可 与 换 档 过 程 自 动配 合 ， 换 档 点 的 选 择仍 旧 由 人 工 完 成 。 此阶 段 离 合 器 执 行 机 构由 电 动 、 液 动 、 气 动 驱 动 。 换 档 机 构 自动 化 ， 两 个电 机 根 据 驾驶 员 的 意 图完 选 档 和 换档 的 任 务 。 从 ECM到 ASG或 AMT 该 种 变 速 器 同 时 装 备有 两 个 离 合 器 ， 换 档时 过 程 中 主 离 合 器 分离 时 ， 利 用 副 离 合 器维 持 一 定 的 扭 矩 ， 实现 换 档 过 程 中 无 动 力中 断 。 可 以 减 轻 换 档过 程 中 的 顿 滞 ， 进 一步 提 高 舒 适 性 。 相 对于 ASG（ Automotive Shift Gearbox） ，所 增 加 费 用 并 不 多 。通 过 巧 妙 设 计 ， 离 合器 执 行 器 可 以 同 时 控制 主 、 副 两 个 离 合 器 。但 是 这 种 变 速 箱 难 以传 递 较 大 发 动 机 扭 矩 。从 ASG 到 USG USG与 ASG变 速 器 换 档 过 程 比 较 平 行 换 档 变 速 箱 属于 双 离 合 器 变 速 箱范 畴 。 在 此 使 用 干式 离 合 器 和 电 子 执行 器 。 一 个 附 加 的特 征 是 仅 仅 有 一 个类 似 于 ASG的 执 行器 用 于 变 速 箱 换 档的 两 部 分 。 比 USG多 一 个 离 合 器 执 行器 其 结 构 也 不 同 ，换 档 原 理 有 差 别 。使 用 平 行 换 档 变 速箱 能 得 到 比 ASG和USG更 好 的 换 档 舒适 性 。 PSG 在 换 档方 面 的 唯 一 缺 陷 是 不 能 跳 跃 换 档 ,即 不能 直 接 实 现 同 一 输入 轴 上 相 邻 从 USG 到 PSG 同 PSG相 比 ，其 主 要 的 区别 是 采 用 离合 器 是 湿 式离 合 器 而PSG采 用 的干 式 离 合 器 ，还 有 就 是 作动 方 式 的 区别 ： PSG采用 的 电 作 动而 DSG采 用的 是 液 作 动 。从 PSG 到 DSG PSG 变 速 器 上 集 成了 一 套 一 体 化 的 起动 /发 电 机 (SG )。 在2档 齿 轮 上 增 加 了 一个 电 机 ， 该 电 机 在热 启 动 时 可 以 驱 动发 动 机 运 转 ； 在 缓行 时 可 以 和 发 动 机同 时 驱 动 汽 车 行驶 ； 在 减 速 或 者 发动 机 提 供 的 能 量 大于 汽 车 行 驶 所 需 的能 量 时 可 以 给 电 机充 电 ； 该 电 机 还 可以 作 为 发 电 机 ； 刹车 时 能 量 的 回 收 。从 PSG 到 ESG （ 6） 双 面 离 合 器 变 速 器 DSCT PSG换 档 执 行 机 构 AMT技 术 发 展 历 史 和 趋 势 2.2 DCT的 结 构 形 式图 2 单 中 间 轴 式 DCT（ 5档 ） 2.3双 质 量 飞 轮 （ DMF） （ 1） 湿 式 双 离 合 器 用 油 冷 却 摩 擦 片 ， 它 受 限 于 产 生 热 量 的 速 度 ， 但 不 受 产 生 的总 热 量 的 限 制 ， 所 以 适 合 于 离 合 器 结 合 过 程 中 压 力 逐 步 增 加 ，发 热 速 度 较 慢 的 场 合2.4各 种 双 离 合 器 的 比 较 双 离 合 器 变 速 箱 使 用 的 离 合 器 。 名 称为 DSG， 已 用 于 大 众 集 团 的 车 辆 中 。 可 通 过 压 盘 和 飞 轮 吸 收 较 大 热 量 ， 对 滑 磨 产 生 热 量 的 速 度 不 敏 感 ， 但因 空 气 散 热 较 慢 ， 热 量 不 易 在 短 时 间 内 散 发 出 去 ， 因 此 ， 它 受 限 于 滑磨 产 生 的 总 热 量 的 限 制 ， 所 以 适 合 于 离 合 器 在 短 时 间 内 结 合 ， 这 样 滑磨 时 间 短 ， 产 生 热 量 少 。 （ 2） 干 式 双 离 合 器 （ 3） 与 发 动 机 的 连 接 带 双 质 量 飞 轮 的 带 柔 性 连 接 盘 的 （ 4） 电 作 动 系 统PSG离 合 器 执 行 机 构 (电 作 动 ) DSG离 合 器 执 行 机 构 (液 作 动 )（ 5） 液 作 动 系 统 （ 6） 控 制 系 统 3.DCT的 工 作 原 理 输 入 轴 输 出 轴 C1C2SYN6 SYN5RSYN42 SYN31 档 档 档 档 Z11 Z1Z33Z5Z55Z2Z44Z4Z22 Z3Z66 2轴3轴 1轴 形 成 功 率 分 流 的 模 式 如 果 是 降档 ， 则 可能 形 成 功率 循 环 的模 式 从 偶 数 高 档 跳 到 二 档 的 换 档 过 程 示 意 图 ZF 7 DCT50的 工 作 过 程 与 原 理 DCT（ 动 力 换 档 变 速 器 ） 的 优 点 可 传 递 很 大 的 转 矩 ； 良 好 的 燃 油 经 济 性 （ 与 AT、 MT相 比 ） ； 换 档 中 无 动 力 中 断 ， 动 力 性 好 ， 且 具有 良 好 的 换 档 品 质 ， 乘 坐 舒 适 ； 无 液 力 变 矩 器 ， 但 可 实 现 与 使 用 其 的AT相 匹 配 的 功 能 。 结 构 简 单 ， 体 积 小 ， 重 量 轻 ， 功 率 密度 高 ； 成 本 较 低 。 DCT与 有 级 自 动 变 速 箱 相 比 ， 最 大 可将 燃 效 提 高 15%， 此 外 还 可 提 高 最 高 时速 ， 而 且 在 加 速 性 能 方 面 也 要 胜 过 自 动变 速 箱 一 筹 。 除 改 善 燃 效 的 需 求 外 ， 用户 还 追 求 驾 驶 的 乐 趣 以 及 舒 适 感 ， 市 场需 求 日 趋 多 样 化 。 因 为 其 燃 效 、 响 应 特性 以 及 启 动 性 能 优 秀 ， 而 且 可 在 柴 油 车上 使 用 。 建 立 系 统 的 动 力 学 模 型 ， 进 行 系 统的 控 制 ；在 MATLAB或 Dymola/Modelica环 境中 的 实 现 ；进 行 系 统 的 仿 真 与 优 化 。4.DCT机 械 系 统 的 有 关 研 究 Model Implementation 1 13.15 2 8.33 3 5.74 4 4.19 5 3.22 6 2.52 R 11.78 Gear Ratio CL2 CL1SYN5RSYN6 SYN13SYN244 2 3 1 Input Shaft OutputNote: CL1 controls gear 1, 3, 5 and R. CL2 controls gear 2, 4 and 6. AMT Stick Diagram First Second Third Fourth Fifth Sixth R CL1 X X X X CL2 X X X SYN13 1 3 3 SYN24 2 2 4 4 SYN5R 5 5 5 R SYN6 6 6 Clutch Engagement Schedule 动 力 传 动 系 统 模 型 发 动 机 的 模 型 Integrated Vehicle Model The tool for engineers to select, analyze, and modify design variables and control parameters on an interactive basis PGPDwCL1DwCL2DwSYN2DwSYN3DwSYN4Dw SYN5DwSYN6 TAV TA GP GP GPDwCL1DwCL2 DwSYNDwCL CL1CL2SYN1SYN2SYN3SYN4SYN5SYN6 1234 Normal force curve12 Switch pressure signalPGPControl block diagram for shift schedule and processShift ScheduleControl Gear Position Indicator Shift ProcessControl ClutchSlipSignal Algorithm for PGPDwCL1 DwCL2GPPGP=GP PGP=PGP PGP=GP PGP=PGPGP = 1 or 3 or 5?DwCL1=0? DwCL2=0?Algorithm for gear positions 1 3 4 5 62V12V21 V23V32 V34V43 V45V54 V56V65 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 4 8 12 16 20 Th rot tlee An gle (d eg ree ) 1 3 4 5 62 Shift Schedule Vehicle Speed (m/s) Illustration of Simulation Results DCT的 电 子 控 制 单 元Integrated Control Unit for Double-clutch Transmission (DCT) （ 1） （ 2） Siemens VDO开 发 的 电 子 控 制 DCT CVT 6.同 济 大 学 的 工 作DCT执 行 机 构 (直 流 无 刷 电 机 作 动 ) 换 档 电 机换 档 蜗 杆换 档 涡 轮选 档 齿 条换 档 齿 轮扇 形 齿 轮选 档 杆 壳 体限 位 销 钉换 档 执 行 机 构 无 刷 直 流 电 机 的 机 械 特 性 和 调 节 特 性 曲 线 LUK DCT离 合 器 执 行 机 构 TCU硬 件 试 验 实 物 图 应 用 情 况目 前 ， 德 国 大 众 公 司 、 ZF公 司 、 福 特 公 司 、 戴 姆 勒 克 莱 斯 勒 公 司 等 都 在 投 入 较 大 的 力 量 对 其 进 行 开 发 ， 并 已经 取 得 了 成 功 。在 2004年 北 美 国 际 汽 车 展 上 展 示 的 Chrysler ME Four-Twelve也 装 备 了 配 有 英 国 里 卡 多 （ Ricardo） 开发 的 7速 双 离 合 器 自 动 变 速 箱 。 Porsche 959 (PSK system)也 配 备 了 DCT(DSG/VW-Audi, PSG/LuK, PDK/Porsche /Kgresse and others) 。 在 欧 洲 这 种双 离 合 器 变 速 箱 有 很 好 的 前 景 ， VAG已 经 成 功 地 开 发 了 6档 DSG， LUK公 司 也 成 功 地 开 发 了 电 动 干 式 双 离 合 器 变速 箱 ， Sachs和 Getrag也 在 开 发 双 离 合 器 变 速 箱 。 这 些大 公 司 都 看 准 了 双 离 合 器 潜 在 的 优 势 ， 而 我 们 也 看 到 了 双离 合 器 的 应 用 的 优 势 。DCT在 欧 洲 市 场 以 其 先 进 性 和 在 2003年 款 大 众 高 尔 夫 R32、 奥 迪 TT3.2上 的 优 异 应 用 表 现 ， 赢 得 了 2005年 北 美 供应 商 大 奖 ， 并 曾 赢 得 大 众 汽 车 2003年 优 秀 开 发 奖 。 应 用 情 况 VW Getriebe DQ250, Golf R32, Audi TT 德 国 大 众 公 司 和 美 国 BorgWarner合 作 开 发 DSG， Audi TT3.2匹 配 了 Kassel 变 速 器 厂 生 产 的 双 离 合 器 变 速 箱 ，该 离 合 器 还 用 于 Golf R32 、 新 款 Touran和 Lupo以 及VAG等 车 中 。 在 Audi A3 and the 2006 VW GTI使 用 的 DSG比 Audi TT上 用 的 有 很 大 的 改 进 ， 其 换 档 时 间 可 在 20ms之 内 。 欧 洲 各 种 变 速 箱 市 场 占 有 率 预 估变 速 器 型 式 2000 年 2010 年AT 11.9% 25%AMT(含 AcMT) 0.6% 12%CVT 0.5% 5%(-2%, 2013)MT 87% 45%DCT 0% 13% 变 速 器 型 式 年 份 增 长 率 2004 0.9% 2009 9.6% 2010 13% 2013 18% 2015 20%美 国 的 博 格 华 纳 公 司 对 欧 洲 DCT市 场 占 有 率 预 估DCT 在 美 国 和 日 本 也 会 有 较 大 的 市 场 份 额 。 开 发 一 系 统 化 的 仿 真 模 型 ； 基 于 仿 真 模 型 的 系 统 分 析 与 评 价 ； 对 动 态 行 为 进 行 一 定 量 的 分 析 ； 辨 识 影 响 换 挡 平 顺 性 与 瞬 态 特 性 的 关键 变 量 ； 换 档 时 刻 与 过 程 控 制 ； 建 立 变 速 器 控 制 的 策 略 ； 分 析 和 评 价 换 档 品 质 。7. DCT的 研 究 展 望 谢 谢 ！