變速器節(jié)能減排技術(shù)革新的代表——DCT
發(fā)布時(shí)間：
2015-01-09 10:08
舍弗勒投資（中國）有限公司汽車事業(yè)部離合器系統(tǒng)及變速箱技術(shù)業(yè)務(wù)部副總裁溫豪定
雙離合器變速器（DCT）以高動(dòng)力性能和低燃油消耗而著稱。配有干式雙離合器的變速器尤為突出，這是由于通過電子液壓控制系統(tǒng)操控的離合器和變速器所需的拖曳轉(zhuǎn)矩和能量損耗是最少的。因此，在效率方面，干式雙離合器變速器堪稱自動(dòng)變速器領(lǐng)域中的標(biāo)桿。
變速器節(jié)能減排的進(jìn)步
過去10年，部分變速器節(jié)能減排技術(shù)的進(jìn)步小結(jié)如下：
（1）手動(dòng)變速器MT 低粘度油降低了拖曳轉(zhuǎn)矩；改進(jìn)的雙質(zhì)量飛輪減振器（DMF）技術(shù)極大地改進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速工作的穩(wěn)定性，已被大量實(shí)際應(yīng)用所證實(shí)；圓錐混子軸承換為球軸承（例如后軸軸承）。
（2）液力自動(dòng)變速器AT 齒輪對(duì)數(shù)增加，更寬的速比范圍；改進(jìn)的減振器技術(shù)減小或避免了更低鎖止轉(zhuǎn)速導(dǎo)致的液力變矩器打滑。
（3）無級(jí)變速器CVT 轉(zhuǎn)矩容量可達(dá)400N·m的CVT系統(tǒng)采用舍弗勒LuK高效的鏈條技術(shù)。
（4）DCT 采用軟件控制離合器起步和擋位切換的DCT技術(shù)出現(xiàn)；可降低油耗5%的起停技術(shù)（僅需一個(gè)離合器用于起步，不需額外添加電子泵或蓄電池）；用于選換擋和離合器操作的新型機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
與帶有液力變矩器的傳統(tǒng)AT相比，上述技術(shù)總計(jì)可獲得高達(dá)15%的節(jié)能減排效果。
變速器節(jié)能減排之首選——DCT
新型自動(dòng)變速器的一個(gè)重要目標(biāo)是顯著降低汽車的油耗。除此以外，創(chuàng)新的變速器設(shè)計(jì)還能贏得市場上新客戶和那些自動(dòng)變速器份額仍較低的車型。作為近年該領(lǐng)域的最關(guān)鍵技術(shù)之一，雙離合器變速器首次量產(chǎn)是2003年大眾推出的六速直接換擋變速器（DSG）——基于油冷的濕式雙離合器。通過油耗及其固有特性表現(xiàn)出的雙離合變速器的發(fā)展?jié)摿椭蟊娳A得了新的市場份額，并且，利用雙離合器變速器的出色性能，大眾已成為自動(dòng)變速器領(lǐng)域的創(chuàng)新源動(dòng)力之一。
大眾隨后推出的七速雙離合器變速器（以下簡稱7－DSG）進(jìn)一步實(shí)施了DCT的理念，目標(biāo)是繼續(xù)大幅降低油耗并擴(kuò)大其應(yīng)用的范圍，尤其針對(duì)低于250N·m的發(fā)動(dòng)機(jī)。這款變速器的核心零件之一是德國舍弗勒公司在2008年春推出的干式雙離合器。
相比于濕式DCT，干式DCT效率可提高6%，由此帶來的油耗降低如圖1所示。效率提高的一個(gè)主要原因是離合器的冷卻方式。濕式離合器采用油冷方式來給摩擦零件降溫，此方式產(chǎn)生的油流量在高輸出時(shí)約為30L/min（不同的設(shè)計(jì)會(huì)有所不同）。而干式離合器則通過空氣對(duì)流冷卻。減少濕式離合器的最高油流量能相應(yīng)降低冷卻能量的損失，但穩(wěn)定性可能會(huì)因此而降低。即使采用專門開發(fā)的離合器摩擦材料，高溫下油液中添加劑仍然可能受到破壞以致摩擦特性達(dá)不到要求。
DCT系統(tǒng)要求
干式雙離合器對(duì)于功能性和穩(wěn)定性的要求遠(yuǎn)高于手動(dòng)變速器，新的安全性要求、更高的舒適性要求以及高功率工況要求，包括自動(dòng)選換擋，是對(duì)其要求提高的主要原因，具體包括：
1）變速器控制失效時(shí)離合器自動(dòng)分離。
2）低重量和有限安裝空間下的高熱穩(wěn)定性。
3）摩擦系統(tǒng)的高耐磨損性和離合器系統(tǒng)特性曲線的穩(wěn)定性。
4）發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間軸向和轉(zhuǎn)角偏差的補(bǔ)償。
5）對(duì)來自發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩波動(dòng)的隔離。
6）針對(duì)離合器和變速器的高效執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。
基于手動(dòng)變速器MT和機(jī)械式自動(dòng)變速器AMT離合器的經(jīng)驗(yàn)，舍弗勒公司已經(jīng)開發(fā)了多款干式雙離合器以滿足不斷提高的要求。如圖2所示為用于大眾7－DSG的干式雙離合器、雙質(zhì)量飛輪和離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
7－DSG（DQ200）與手動(dòng)變速器（MQ250）、液力變矩器自動(dòng)變速器（AQ250） 圖1
以及6－DSG（DQ250）的油耗對(duì)比
扭振隔離
隨著扭矩波動(dòng)的加劇和對(duì)駕駛舒適性要求的提高，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)對(duì)減振器和離合系統(tǒng)的振動(dòng)隔離提出了更高的要求。就DCT而言，下述兩個(gè)主要因素進(jìn)一步提高了對(duì)減振性能的要求。首先，變速器傳遞效率的提高導(dǎo)致變速器中阻尼的降低；其次，始終有一組齒輪是不承載的，而非承載的齒輪組會(huì)被承載齒輪組引發(fā)振動(dòng)。
手動(dòng)變速器應(yīng)用中，外置弧形彈簧減振器被證明是一種有效的振動(dòng)隔離措施。對(duì)于雙離合器，兩個(gè)從動(dòng)盤中使用一個(gè)帶減振器的從動(dòng)盤同樣適用于振動(dòng)的衰減。對(duì)于非渦輪增壓的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，帶減振器的從動(dòng)盤和針對(duì)性的離合器打滑控制也是令人滿意的方案。
圖2 大眾7-DSG中的干式雙離合器
1.弧形彈簧減振器 2.接合系統(tǒng) 3.雙離合器裝器
DCT系統(tǒng)的高效執(zhí)行機(jī)構(gòu)
1.杠桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)
操縱干式離合器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求很高，包括動(dòng)態(tài)特性、精度、耐用性、效率、安裝空間和重量等。對(duì)于7－DSG，大眾開發(fā)了一款緊湊的液壓控制系統(tǒng)，這套系統(tǒng)由電機(jī)提供壓力，通過相應(yīng)的控制閥進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)。作為電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的替代方案之一是，舍弗勒公司開發(fā)的機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用杠桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式，如圖3所示。
圖3 用于離合器操縱的杠桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)
1.電動(dòng)機(jī) 2.彈簧 3.絲杠 4.滾珠 5.杠桿
采用機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的彈性儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生離合器接合所需的力。其作用于執(zhí)行杠桿的外端或上端。杠桿比由滾珠絲杠的位置確定，絲杠由固定在變速器殼體上的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過特定的杠桿幾何特性，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和離合器之間的杠桿比可變。因此，電動(dòng)機(jī)可工作在盡可能恒定而且較低的功率下——這可以明顯減小電機(jī)的尺寸。
常見的將電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線位移的部件不能滿足雙離合器執(zhí)行系統(tǒng)的功率密度和效率的要求。因此舍弗勒公司開發(fā)了一款新型滾珠絲杠，帶有內(nèi)部球滾道的四排設(shè)計(jì)，保證了最小的安裝空間要求。此外，開發(fā)的特殊滾珠，確保在7000N的軸承載荷下仍可保持順暢的運(yùn)動(dòng)。
因此，除了進(jìn)一步提高效率之外，杠桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)幾乎完全集成于離合器殼體之內(nèi)，不需要額外的安裝空間。
圖4 采用機(jī)電杠桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)的干式雙離合器系統(tǒng)
2.電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)
舍弗勒公司的主動(dòng)互鎖（Active Interlock）執(zhí)行機(jī)構(gòu)（見圖5）是電動(dòng)變速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一部分。它采用帶自鎖和分離功能的換擋撥指單元，與變速器內(nèi)部換擋系統(tǒng)結(jié)合工作。通過換擋撥指，可對(duì)兩個(gè)子變速器中任意組合的檔位進(jìn)行預(yù)選和換擋。主動(dòng)互鎖機(jī)構(gòu)能確保在掛接另一個(gè)檔位前，同一子變速器的所有其他擋位已被分離。通過該保護(hù)機(jī)構(gòu)，可以省卻用于檔位檢測額外的傳感器、相關(guān)的監(jiān)控以及應(yīng)急安全策略。市場上首款帶主動(dòng)互鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)的DCT已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)代（Hyundai）的車型上（舍弗勒公司提供雙離合器、扭振減振器、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)控制軟件等）。
圖5 采用主動(dòng)互鎖機(jī)構(gòu)變速器的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
濕式雙離合器變速器
濕式DCT特別適用于大轉(zhuǎn)矩、高車重或者徑向安裝空間小的車輛。濕式雙離合器的冷卻油路，可通過一個(gè)優(yōu)化后的獨(dú)立低壓冷卻循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生，因此所有關(guān)于干式雙離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求，可同樣適用于濕式雙離合器。如果采用機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過接合軸承直接操控濕式雙離合器（見圖6），消減了離合器操縱帶來的液力損失，進(jìn)一步降低了油耗。
圖6 帶接合軸承的濕式雙離合器
雖然濕式DCT可以使用與干式DCT相同的主動(dòng)互鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但其離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以不盡相同?？梢赃x用通過液壓系統(tǒng)操縱雙對(duì)中式分離副缸（CSC），或者液壓離合執(zhí)行機(jī)構(gòu)（HCA）。因沒有明顯的液力損失，這些配置的效率堪比杠桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時(shí)，更加容易保證濕式離合器的密封性。
變速器節(jié)能減排技術(shù)研發(fā)
未來5~10年，部分可預(yù)見的變速器節(jié)能減排技術(shù)研發(fā)包括：
1）MT速比范圍增大，以實(shí)現(xiàn)更多的超速工況；CPA的應(yīng)用明顯增多。
2）AT更多增至9速或10速，并實(shí)現(xiàn)更大的速比范圍；更多地采用CPA以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況的高效利用。
3）CVT中等轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)更多的LuK高效鏈條的應(yīng)用。
4）DCT按需操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如舍弗勒液力離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)HCA）在新的DCT變速器上的應(yīng)用。
5）ESS（發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)）應(yīng)用比例持續(xù)增高。
6）Hybrids動(dòng)力總成更多的混合動(dòng)力化。
基于此，變速器技術(shù)研發(fā)的部分挑戰(zhàn)在于：在基本不影響變速器自重和成本的前提下，增加齒輪對(duì)數(shù)并增大速比范圍；對(duì)于換檔數(shù)量和頻率的軟件控制不至于影響到駕駛員；起停系統(tǒng)舒適性的改善（包括NVH、車輛起動(dòng)延遲等問題的解決）。
變速器發(fā)展趨勢
對(duì)于目前多種變速器型式的發(fā)展趨勢，筆者認(rèn)為：
1）不同區(qū)域體現(xiàn)了不同的技術(shù)取向，AT在北美市場、CVT在日本市場、DCT在歐洲市場都展現(xiàn)了很好的發(fā)展趨勢；而在中國市場，幾種變速器型式都有可能取得長足的發(fā)展。
2）從另一個(gè)角度，AT在后驅(qū)車型（RWD）（不同市場有所差異）、CVT和DCT在前驅(qū)（FWD）車型中應(yīng)用相對(duì)較多。
由于整車制造商不同的技術(shù)規(guī)范以及地域偏好，變速器多樣性的趨勢不會(huì)改變。傳動(dòng)效率和變速器損耗，與混合動(dòng)力化的結(jié)合將在市場競爭中扮演至關(guān)重要的角色。
結(jié)語
諸多DCT的市場應(yīng)用已經(jīng)證明干式和濕式雙離合器可滿足現(xiàn)代自動(dòng)變速器的所有要求。更多的應(yīng)用車型將很快進(jìn)入批量生產(chǎn)。結(jié)合高效的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)，DCT將在油耗、動(dòng)力和壽命的最高要求方面成為標(biāo)桿。
獨(dú)立于內(nèi)燃機(jī)，帶電動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變速器很適合用于混合動(dòng)力和起停系統(tǒng)。這已體現(xiàn)在多家變速器制造商的研發(fā)產(chǎn)品并已得到舍弗勒公司的“ESG”樣車（其采用軸向平行布置電動(dòng)機(jī)）的實(shí)際驗(yàn)證。類似的產(chǎn)品將在不久投放市場。
采用高效執(zhí)行機(jī)構(gòu)的干式和濕式DCT，將與未來的液力變矩器變速器和無級(jí)變速器CVT一起，繼續(xù)引領(lǐng)變速器節(jié)能減排的技術(shù)創(chuàng)新。
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