變速器節能減排技術革新的代表——DCT
發布時間：
2015-01-09 10:08
舍弗勒投資（中國）有限公司汽車事業部離合器系統及變速箱技術業務部副總裁溫豪定
雙離合器變速器（DCT）以高動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操控的離合器和變速器所需的拖曳轉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變速器領域中的標桿。
變速器節能減排的進步
過去10年，部分變速器節能減排技術的進步小結如下：
（1）手動變速器MT 低粘度油降低了拖曳轉矩；改進的雙質量飛輪減振器（DMF）技術極大地改進了發動機低轉速工作的穩定性，已被大量實際應用所證實；圓錐混子軸承換為球軸承（例如后軸軸承）。
（2）液力自動變速器AT 齒輪對數增加，更寬的速比范圍；改進的減振器技術減小或避免了更低鎖止轉速導致的液力變矩器打滑。
（3）無級變速器CVT 轉矩容量可達400N·m的CVT系統采用舍弗勒LuK高效的鏈條技術。
（4）DCT 采用軟件控制離合器起步和擋位切換的DCT技術出現；可降低油耗5%的起停技術（僅需一個離合器用于起步，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電執行機構。
與帶有液力變矩器的傳統AT相比，上述技術總計可獲得高達15%的節能減排效果。
變速器節能減排之首選——DCT
新型自動變速器的一個重要目標是顯著降低汽車的油耗。除此以外，創新的變速器設計還能贏得市場上新客戶和那些自動變速器份額仍較低的車型。作為近年該領域的最關鍵技術之一，雙離合器變速器首次量產是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出的雙離合變速器的發展潛力幫助大眾贏得了新的市場份額，并且，利用雙離合器變速器的出色性能，大眾已成為自動變速器領域的創新源動力之一。
大眾隨后推出的七速雙離合器變速器（以下簡稱7－DSG）進一步實施了DCT的理念，目標是繼續大幅降低油耗并擴大其應用的范圍，尤其針對低于250N·m的發動機。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，此方式產生的油流量在高輸出時約為30L/min（不同的設計會有所不同）。而干式離合器則通過空氣對流冷卻。減少濕式離合器的最高油流量能相應降低冷卻能量的損失，但穩定性可能會因此而降低。即使采用專門開發的離合器摩擦材料，高溫下油液中添加劑仍然可能受到破壞以致摩擦特性達不到要求。
DCT系統要求
干式雙離合器對于功能性和穩定性的要求遠高于手動變速器，新的安全性要求、更高的舒適性要求以及高功率工況要求，包括自動選換擋，是對其要求提高的主要原因，具體包括：
1）變速器控制失效時離合器自動分離。
2）低重量和有限安裝空間下的高熱穩定性。
3）摩擦系統的高耐磨損性和離合器系統特性曲線的穩定性。
4）發動機和變速器之間軸向和轉角偏差的補償。
5）對來自發動機的扭矩波動的隔離。
6）針對離合器和變速器的高效執行機構等。
基于手動變速器MT和機械式自動變速器AMT離合器的經驗，舍弗勒公司已經開發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、雙質量飛輪和離合器執行機構。
7－DSG（DQ200）與手動變速器（MQ250）、液力變矩器自動變速器（AQ250） 圖1
以及6－DSG（DQ250）的油耗對比
扭振隔離
隨著扭矩波動的加劇和對駕駛舒適性要求的提高，現代內燃機對減振器和離合系統的振動隔離提出了更高的要求。就DCT而言，下述兩個主要因素進一步提高了對減振性能的要求。首先，變速器傳遞效率的提高導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被承載齒輪組引發振動。
手動變速器應用中，外置弧形彈簧減振器被證明是一種有效的振動隔離措施。對于雙離合器，兩個從動盤中使用一個帶減振器的從動盤同樣適用于振動的衰減。對于非渦輪增壓的汽油發動機，帶減振器的從動盤和針對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 3.雙離合器裝器
DCT系統的高效執行機構
1.杠桿執行機構
操縱干式離合器的執行機構的要求很高，包括動態特性、精度、耐用性、效率、安裝空間和重量等。對于7－DSG，大眾開發了一款緊湊的液壓控制系統，這套系統由電機提供壓力，通過相應的控制閥進行切換和調節。作為電液執行機構的替代方案之一是，舍弗勒公司開發的機電執行機構采用杠桿執行機構的形式，如圖3所示。
圖3 用于離合器操縱的杠桿執行機構
1.電動機 2.彈簧 3.絲杠 4.滾珠 5.杠桿
采用機電執行機構，執行機構中的彈性儲能結構會產生離合器接合所需的力。其作用于執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機驅動，通過特定的杠桿幾何特性，可以實現電動機和離合器之間的杠桿比可變。因此，電動機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的尺寸。
常見的將電動機旋轉運動轉化為直線位移的部件不能滿足雙離合器執行系統的功率密度和效率的要求。因此舍弗勒公司開發了一款新型滾珠絲杠，帶有內部球滾道的四排設計，保證了最小的安裝空間要求。此外，開發的特殊滾珠，確保在7000N的軸承載荷下仍可保持順暢的運動。
因此，除了進一步提高效率之外，杠桿執行機構幾乎完全集成于離合器殼體之內，不需要額外的安裝空間。
圖4 采用機電杠桿執行機構的干式雙離合器系統
2.電動機驅動變速器執行機構
舍弗勒公司的主動互鎖（Active Interlock）執行機構（見圖5）是電動變速器執行機構的一部分。它采用帶自鎖和分離功能的換擋撥指單元，與變速器內部換擋系統結合工作。通過換擋撥指，可對兩個子變速器中任意組合的檔位進行預選和換擋。主動互鎖機構能確保在掛接另一個檔位前，同一子變速器的所有其他擋位已被分離。通過該保護機構，可以省卻用于檔位檢測額外的傳感器、相關的監控以及應急安全策略。市場上首款帶主動互鎖執行機構的DCT已經應用于現代（Hyundai）的車型上（舍弗勒公司提供雙離合器、扭振減振器、電動機驅動離合器執行機構、電動機驅動變速器執行機構以及驅動控制軟件等）。
圖5 采用主動互鎖機構變速器的電動執行機構
濕式雙離合器變速器
濕式DCT特別適用于大轉矩、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，可通過一個優化后的獨立低壓冷卻循環系統產生，因此所有關于干式雙離合器執行機構的要求，可同樣適用于濕式雙離合器。如果采用機電執行機構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相同的主動互鎖執行機構，但其離合器執行機構可以不盡相同。可以選用通過液壓系統操縱雙對中式分離副缸（CSC），或者液壓離合執行機構（HCA）。因沒有明顯的液力損失，這些配置的效率堪比杠桿執行機構。同時，更加容易保證濕式離合器的密封性。
變速器節能減排技術研發
未來5~10年，部分可預見的變速器節能減排技術研發包括：
1）MT速比范圍增大，以實現更多的超速工況；CPA的應用明顯增多。
2）AT更多增至9速或10速，并實現更大的速比范圍；更多地采用CPA以實現發動機低速工況的高效利用。
3）CVT中等轉矩范圍內更多的LuK高效鏈條的應用。
4）DCT按需操作執行機構（如舍弗勒液力離合器執行機構HCA）在新的DCT變速器上的應用。
5）ESS（發動機啟停系統）應用比例持續增高。
6）Hybrids動力總成更多的混合動力化。
基于此，變速器技術研發的部分挑戰在于：在基本不影響變速器自重和成本的前提下，增加齒輪對數并增大速比范圍；對于換檔數量和頻率的軟件控制不至于影響到駕駛員；起停系統舒適性的改善（包括NVH、車輛起動延遲等問題的解決）。
變速器發展趨勢
對于目前多種變速器型式的發展趨勢，筆者認為：
1）不同區域體現了不同的技術取向，AT在北美市場、CVT在日本市場、DCT在歐洲市場都展現了很好的發展趨勢；而在中國市場，幾種變速器型式都有可能取得長足的發展。
2）從另一個角度，AT在后驅車型（RWD）（不同市場有所差異）、CVT和DCT在前驅（FWD）車型中應用相對較多。
由于整車制造商不同的技術規范以及地域偏好，變速器多樣性的趨勢不會改變。傳動效率和變速器損耗，與混合動力化的結合將在市場競爭中扮演至關重要的角色。
結語
諸多DCT的市場應用已經證明干式和濕式雙離合器可滿足現代自動變速器的所有要求。更多的應用車型將很快進入批量生產。結合高效的執行機構，如機電執行機構，DCT將在油耗、動力和壽命的最高要求方面成為標桿。
獨立于內燃機，帶電動機執行機構的變速器很適合用于混合動力和起停系統。這已體現在多家變速器制造商的研發產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機）的實際驗證。類似的產品將在不久投放市場。
采用高效執行機構的干式和濕式DCT，將與未來的液力變矩器變速器和無級變速器CVT一起，繼續引領變速器節能減排的技術創新。
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