李永剛

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島 266000）

0 引言

與液力變矩器相比，雙離合式自動(dòng)變速器（Dual Clutch Transmission，GCT）屬于機(jī)械傳動(dòng)的范疇。GCT 的工作是由計(jì)算機(jī)控制，在升擋和降擋的過程中，計(jì)算機(jī)主要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門開度和汽車的行駛速度來控制變速器的升擋和降擋。本文根據(jù)目前部分采用GCT 的轎車，在低速區(qū)和滿負(fù)荷工況出現(xiàn)的頓挫、反映遲鈍的問題，研究了一種新型雙離合液力機(jī)械變速傳動(dòng)裝置（Double Clutch-hydro Mechanical Transmissio，DCMT）。DCMT 由電液控制單元（Electronic Control Unit，ECU）來控制，研究表明，采用DCMT 可有效避免汽車在低速區(qū)和滿負(fù)荷工況的打滑現(xiàn)象。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

DCMT 有兩種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別是機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和液力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[1]。圖1 的左側(cè)是機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，發(fā)動(dòng)的曲軸1 與機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的殼體通過螺栓連接，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的殼體內(nèi)有兩套裝置分別是雙離合器和液力變矩器，雙離合器部分主要由兩套離合器和兩根軸組成，離合器主要由鋼片和摩擦片組成，鋼片外圈呈非均布花鍵形狀（即外花鍵），鋼片內(nèi)圈呈光壁狀。鋼片與機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體內(nèi)表面的內(nèi)花鍵互相嚙合，摩擦片的內(nèi)圈圓周均布花鍵，外圈呈光壁狀。摩擦片與變速器輸入軸1 通過花鍵連接，變速器輸入軸1 的右端與變速器1 擋齒輪、3 擋齒輪嚙合和5 擋齒輪通過花鍵連接。離合器C2 同樣也是由一組鋼片和一組摩擦片組成，鋼片與機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的殼體通過花鍵連接，摩擦片與輸入軸2 通過花鍵連接，輸入軸2 的右端與變速器二擋和四擋齒輪通過花鍵連接在一起。

圖1 雙離合液力機(jī)械變速器工作原理

機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的殼體內(nèi)部除了有一套雙離合器還有一套液力傳動(dòng)裝置，該裝置與普通液力變矩器結(jié)構(gòu)相似，由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪組成[2]。泵輪與機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的殼體焊接在一起，渦輪與泵輪之間間隔3～4 mm 的距離，渦輪中心處與輸入軸2 通過內(nèi)外花鍵連接，曲軸驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪帶動(dòng)泵輪等速同向旋轉(zhuǎn)，泵輪內(nèi)部的液力傳動(dòng)油由泵輪內(nèi)緣向外緣流動(dòng)，流動(dòng)的液力傳動(dòng)油作用在渦輪的外緣。渦輪外緣不斷的受到液力傳動(dòng)油的沖擊，當(dāng)這個(gè)沖擊力克服渦輪及渦輪后傳動(dòng)零部件的阻力時(shí)，渦輪開始旋轉(zhuǎn)，并將來自泵輪的旋轉(zhuǎn)力矩傳給變速機(jī)構(gòu)的輸入軸2。變速機(jī)構(gòu)的另外一個(gè)輸入軸1 與輸入軸2 的軸線重合，間隙配合。

1.2 設(shè)計(jì)方案

DCMT 采用Solidworks 軟件設(shè)計(jì)，在建立虛擬DCMT 樣機(jī)模型時(shí)，需要考慮以下6 個(gè)因素：①機(jī)械傳動(dòng)與液力傳動(dòng)之間不能出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉；②為了使DCMT 結(jié)構(gòu)緊湊，液力傳動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)成一體；③液力傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)所引起的滯后現(xiàn)象暫不考慮；④在DCMT 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中每組鋼片中設(shè)計(jì)一個(gè)蝶形鋼片[3]，該蝶形鋼片具有緩沖和減振作用，同時(shí)還可以傳力；⑤兩根傳動(dòng)軸的剛度和強(qiáng)度必須達(dá)到汽車額定功率和扭矩；⑥液壓控制的油路盡量設(shè)計(jì)在兩根傳動(dòng)軸內(nèi)布置。

1.3 具體結(jié)構(gòu)

圖2是基于Solidworks 軟件建立的DCMT 虛擬樣機(jī)模型，采用濕式多片離合器，離合器除外形尺寸較傳統(tǒng)自動(dòng)變速器內(nèi)部的摩擦片大。DCMT 采用電液控制，該控制系統(tǒng)由傳感器、電控單元、執(zhí)行元件組成：電控單元收到傳感器采集的換擋信號(hào)來控制離合器C1 和離合器C2 的工作狀態(tài)，當(dāng)離合器C1 的油路開通時(shí)，液壓泵將液壓油輸送到離合器的活塞腔，活塞在液體壓力的作用下推動(dòng)鋼片和摩擦片緊緊的壓在一起，鋼片和摩擦片之間的摩擦力逐漸增大，從而實(shí)現(xiàn)了傳力的作用；當(dāng)電控單元切斷離合器C1 的油路，離合器C1 由于沒有受到液體的作用，活塞在蝶形鋼片的作用下復(fù)位，鋼片和摩擦片之間摩擦力逐漸減小。另外，DCMT 能實(shí)現(xiàn)擋位預(yù)選模式，當(dāng)變速器處于某一擋位時(shí)，相鄰的擋位傳動(dòng)提交提前做好準(zhǔn)備，擋位預(yù)選模式大大縮短擋位切換時(shí)間，使得換擋操作更加輕便快捷。

圖2 雙離合液力機(jī)械變速器

雙離合液力機(jī)械變速器可以分為兩大部分，第一部分主要由離合器C1 和離合器C2 組成，第二部分主要由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪組成。發(fā)動(dòng)曲軸后端與飛輪通過螺栓連接在一起，離合器殼體通過螺栓緊固在飛輪上，為了使DCMT 結(jié)構(gòu)更加緊湊，離合器殼體與渦輪殼體通過螺栓連接成一體。離合器殼體內(nèi)部由兩個(gè)離合器，每個(gè)離合器由離合器活塞、回位彈簧、蝶形鋼片、鋼片和摩擦片組成。其中，鋼片外緣凸起呈花鍵形狀與主動(dòng)機(jī)構(gòu)花鍵連接，內(nèi)緣呈環(huán)狀與從動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙配合；摩擦片內(nèi)緣凸起呈花鍵形狀與從動(dòng)機(jī)構(gòu)花鍵連接，外緣呈環(huán)狀與主動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙配合。也就是說鋼片與離合器殼體通過花鍵連接在一起，而摩擦片與變速機(jī)構(gòu)輸入軸通過花鍵連接在一起。當(dāng)離合器C1 油路導(dǎo)通，來自液壓泵的液壓油作用在離合器活塞上，離合器活塞在液壓油壓力的作用下推動(dòng)鋼片和摩擦片緊緊地壓在一起。鋼片和摩擦片之間的摩擦力逐漸增大，從而實(shí)現(xiàn)了傳力的作用。當(dāng)離合器C1 油路斷開時(shí)，活塞在回位彈簧的作用下恢復(fù)到原來的位置，鋼片和摩擦片在蝶形彈簧的作用回位，它們之間的摩擦力消失，從而切斷主動(dòng)和從動(dòng)之間的動(dòng)力傳動(dòng)。離合器C2 中的摩擦片與輸入軸2 通過花鍵連接在一起，鋼片與離合器殼體通過花鍵連接在一起。液力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的泵輪與離合器殼體連接在一起，渦輪與輸入軸2 通過花鍵連接在一起，兩根輸入軸的軸線重合，間隙配合。

1.4 工作過程

DCMA 可以實(shí)現(xiàn)液力傳動(dòng)控制模式和機(jī)械傳動(dòng)控制模式，這兩種模式均為電液控制：前者主要應(yīng)用在汽車低速工況，如車輛起步、車輛爬坡和重載工況等大負(fù)荷工況；后者主要應(yīng)用在中、高速工況。離合器C1 工作時(shí)可以實(shí)現(xiàn)一擋、三擋、五擋和倒擋的功能，離合器C2 可以實(shí)現(xiàn)二擋、四擋、六擋的功能。

汽車起步時(shí)，離合器C1 和離合器C2 不工作，曲軸帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，離合器殼體和泵輪隨著飛輪一起旋轉(zhuǎn)，泵輪內(nèi)部的液力傳動(dòng)油由內(nèi)緣流向外緣，流動(dòng)的液力傳動(dòng)油作用在渦輪的外緣，當(dāng)作用在渦輪上的液力傳動(dòng)油克服渦輪及其后部傳動(dòng)零部件的摩擦阻力時(shí)，渦輪及后部的傳動(dòng)零部件開始旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)汽車起步。當(dāng)汽車車速和發(fā)動(dòng)機(jī)的速度等參數(shù)達(dá)到一擋的條件時(shí)，離合器C1 工作，來自發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過離合器C1 傳給輸入軸1、一擋主動(dòng)齒輪、一擋從動(dòng)齒輪和變速器輸出軸。由于DCMA 可以實(shí)現(xiàn)預(yù)選模式，汽車在一擋工作的時(shí)候，二擋的接合套同步工作，二擋齒輪處于嚙合工況。雖然傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具備二擋的條件，但是二擋不傳力，只是為實(shí)現(xiàn)二擋做準(zhǔn)備。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷上升，汽車的車速也同步提升。當(dāng)達(dá)到一擋升二擋的基本條件，ECU 發(fā)出指令，切斷一擋同步器電路，實(shí)現(xiàn)二擋。與此同時(shí)，ECU 發(fā)出指令，接通三擋同步器工作電路，三擋接合套預(yù)接合。在汽車升擋和降擋過程中，DCMA 采用預(yù)選擋模式大大縮短了換擋時(shí)間。

如果汽車需要降擋，以汽車從5 擋開始降擋為例，汽車在5擋工作時(shí)，ECU 發(fā)出指令，接通4 擋同步器電路。當(dāng)達(dá)到4 擋條件時(shí)，ECU 發(fā)出指令，切斷5 擋同步器電路的同時(shí)接通3 擋同步器電路，3 擋實(shí)現(xiàn)預(yù)選擋工況。DCMA 主要依靠加速踏板位置傳感器、車速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和擋位開關(guān)等參數(shù)，如果踩加速踏板，DCMA 就會(huì)進(jìn)入升擋工況，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)DCMA 就進(jìn)入降擋工況。當(dāng)汽車在起步、車輛爬坡和重載工況等大負(fù)荷工況時(shí)，DCMA 會(huì)進(jìn)入液力傳動(dòng)模式。汽車進(jìn)入液力傳動(dòng)模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩傳給泵輪，然后傳給渦輪，泵輪的油液傳給渦輪，渦輪傳給變速器輸入軸。

2 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證DCMT 產(chǎn)品的可行性，研究小組在Matlab/Simulink環(huán)境下，建立DCMT 動(dòng)力學(xué)模型和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。采用Matlab 軟件，把相關(guān)參數(shù)錄入系統(tǒng)，建立Simulink 仿真模型（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，離合器鋼片和摩擦片傳遞的摩擦力矩由零上升至Tc2或由Tc1降到零。在滑摩仿真實(shí)驗(yàn)中，鋼片、摩擦片之間傳遞動(dòng)力正常，沒有出現(xiàn)打滑、頓挫、反應(yīng)遲緩的現(xiàn)象。

圖3 雙離合液力機(jī)械變速器換擋動(dòng)力學(xué)原理

在以上研究的基礎(chǔ)上，建立DCMT 仿真模型，并對(duì)DCMT 進(jìn)行簡化。研究小組在不同工況及不同換擋模式下，以車輛起步工況進(jìn)行測試，在0～45 s，每隔5 s 統(tǒng)計(jì)汽車燃料消耗率的方法，研究3 種不同換擋模式的汽車燃料消耗量，研究結(jié)果見圖4。本次實(shí)驗(yàn)證明：采用機(jī)械傳動(dòng)換擋模式切換擋位時(shí)，45 s 之內(nèi)汽車燃料消耗量為61.66 mL；采用液力傳動(dòng)換擋模式切換擋位時(shí)，45 s 之內(nèi)燃料消耗量為93.41 mL；采用雙離合液力機(jī)械傳動(dòng)換擋模式切換擋位時(shí)，45 s 之內(nèi)燃料消耗量為89.78 mL。仿真結(jié)果表明，采用DCMT 傳動(dòng)模式在經(jīng)濟(jì)性方面較液力傳動(dòng)模式提高了3.94%。

圖4 3 種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)換擋的耗油量曲線