基于復合擋的八速雙離合變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計

張峰

（東風格特拉克汽車變速箱有限公司，武漢430058）

1 技術(shù)背景及項目假設(shè)

雙離合變速器有2個輸入軸、2個輸出軸，分別對應奇數(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)擋的動力切換，可以實現(xiàn)預選擋和無動力間斷換擋，動力性和經(jīng)濟性較好。

雙離合變速器目前多為六擋或七擋設(shè)計，1個擋位對應1對齒輪組，增加擋位對于變速器質(zhì)量、尺寸、搭載性都會有較大影響。本文針對現(xiàn)有六擋變速器，應用復合擋結(jié)構(gòu)，設(shè)計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。

項目假設(shè)及變速器系統(tǒng)需求：以某目標車型作為基礎(chǔ)開發(fā)雙離合變速器，整車為前置前驅(qū)結(jié)構(gòu)，根據(jù)市場調(diào)研及競品分析，確定開發(fā)橫置八速雙離合變速器。目標車型技術(shù)參數(shù)如表1所示。

目標車型發(fā)動機特性曲線如圖1所示。發(fā)動機參數(shù)如下：最大轉(zhuǎn)矩270 N·m，最大功率150 kW，考慮整車系統(tǒng)設(shè)定，一擋轉(zhuǎn)矩220 N·m，倒擋轉(zhuǎn)矩190 N·m。

表1 目標車型技術(shù)參數(shù)

2 變速器傳動比特征參數(shù)

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

圖1 目標車型發(fā)動機特性曲線

2.1 最大傳動比

最大傳動比即一擋傳動比，根據(jù)最大爬坡度來估算，結(jié)合考慮最大驅(qū)動力受限于輪胎摩擦力極限，計算公式為

式中：imax為一擋傳動比；rd為輪胎半徑；mF為整車總質(zhì)量；fR為滾動阻力系數(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)整車參數(shù)，爬坡度需求：滿載爬坡度30%，空載爬坡度50%，計算得到最大傳動比估算值為16.7，即一擋傳動比需求值。

2.2 最小傳動比

最小傳動比取決于最高車速要求，同時發(fā)動機驅(qū)動力和整車阻力是限制條件，根據(jù)最高車速估算最小傳動比要求：

根據(jù)整車參數(shù)，估算最小傳動比需求值為2.59，此數(shù)值僅考慮發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速與最高車速關(guān)系。

同時還需要考慮發(fā)動機驅(qū)動力換算的車輛驅(qū)動力要大于車輛行駛阻力，車輛行駛阻力包括車輪阻力FR，空氣阻力FL，坡度阻力FSt，加速阻力Fa。車輛行駛阻力計算公式為

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

從曲線可以看出，最小傳動比為2.467時，在驅(qū)動力曲線高于車輛行駛阻力曲線條件下，車速可以達到180 km/h，滿足客戶需求。

考慮將傳動比2.467定義為次高擋七擋傳動比，最高擋八擋取較小傳動比1.739左右，滿足車輛在100～140 km/h穩(wěn)定行駛時，發(fā)動機可以工作在燃油經(jīng)濟效率更好的轉(zhuǎn)速區(qū)間。

圖2 最高車速傳動比計算

2.3 估算速比級差

3 擋位結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

3.1 擋位布局

基于八擋變速器的技術(shù)假設(shè)，即前進擋需要實現(xiàn)8個擋位，為考慮優(yōu)化變速器尺寸、質(zhì)量及成本，結(jié)合復合擋設(shè)計，設(shè)計了圖3所示傳動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)八擋速比的傳動。

橋擋的特點是可實現(xiàn)最高擋和最低擋的虛擬擋，如一擋和八擋不需要實際擋位齒輪，橋擋齒輪與二擋齒輪級聯(lián)實現(xiàn)一擋，橋擋齒輪反向和七擋齒輪級聯(lián)實現(xiàn)八擋，一擋和八擋相當于虛擬擋位，優(yōu)勢表現(xiàn)為：1）減少了傳動齒輪對，減少了相應的同步器、換擋系統(tǒng)等，成本更低；2）沒有一擋齒輪，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，搭載性更好。

圖3 軸齒布局

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

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

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

輸入外軸ISO上有2個固定齒輪：輸入外軸二擋主動齒輪，輸入外軸四擋主動齒輪，其中輸入外軸二擋主動齒輪與二擋從動齒輪G2/1進行嚙合，輸入外軸四擋主動齒輪與四擋從動齒輪G4和六擋從動齒輪G6同時嚙合。

輸出一軸OS1上有3個同步器：二四擋同步器S1，實現(xiàn)二擋和四擋換擋動作；三五擋同步器S2，實現(xiàn)三擋和五擋換擋動作；橋擋同步器Sb，實現(xiàn)橋擋掛擋動作。

輸出二軸OS2上有2個同步器：六倒擋同步器S3，實現(xiàn)六擋和倒擋換擋動作；七擋同步器S4，實現(xiàn)七擋換擋動作。

1）復合擋設(shè)計，是比較獨特的應用，通過橋同步器，使動力經(jīng)過三擋和四擋齒輪，實現(xiàn)橋擋傳動比，然后橋擋同步器分別與二擋和七擋齒輪級聯(lián)，分別實現(xiàn)了一擋和八擋的傳動比。

一擋實現(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)動機動力由輸入內(nèi)軸ISI到三擋齒輪，然后經(jīng)過橋擋同步器到四擋齒輪，四擋齒輪傳遞到輸入外軸，動力經(jīng)過二擋齒輪，2/4擋同步器傳遞到輸出一軸，從而實現(xiàn)一擋傳動。一擋傳

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

二擋、三擋、四擋、五擋、六擋、七擋存在單獨的傳動齒輪：二擋、四擋、六擋為偶數(shù)擋，其動力輸入來自輸入外軸ISO，即相應同步器，輸入外軸ISO對應的離合器閉合時，其可實現(xiàn)二擋、四擋、六擋的傳動；三擋、五擋、七擋為奇數(shù)擋，其動力輸入來自輸入內(nèi)軸ISI，即相應同步器，輸入內(nèi)軸ISI對應的離合器閉合時，其可實現(xiàn)三擋、五擋、七擋的傳動。

2）在同一個輸入軸和輸出軸上的配對齒輪，其主動齒和被動齒的總齒數(shù)需要接近，不然很難通過齒輪模數(shù)、變位系數(shù)等調(diào)出相同的輸出輸入軸軸距。例如二擋主從動齒輪總齒數(shù)要和三擋、四擋、五擋主從動齒輪總齒數(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主動齒，七擋和五擋共用一個主動齒。

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)一擋傳動比和轉(zhuǎn)矩來計算，由于一擋傳動比為橋擋與二擋級聯(lián)的兩級傳動，Tmax=ibTe1，估算得到其軸距為85 mm，根據(jù)軸齒宏觀設(shè)計，實際軸距有所調(diào)整。

輸出二軸與輸入軸軸距根據(jù)六擋傳動比和轉(zhuǎn)矩來計算，Tmax=ibTe6，同時由于倒擋與二擋從動嚙合，綜合考慮輸出二軸與輸入軸軸距，估算得到其軸距為77 mm；因為要考慮過小中心距影響滾針軸承布置，另外輸出一軸、輸出二軸同時與差速器的連接，通常輸出二軸與輸入軸軸距會根據(jù)輸出一軸與輸入軸軸距來隨動調(diào)整，滿足整個軸系布局的需求。

3.3 各擋位傳動比及齒輪宏觀參數(shù)確定

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

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齒輪共用一個軸距，即輸出一軸與輸入軸軸距，擋位6/7齒輪共用一個軸距，即輸出二軸與輸入軸軸距；

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

4）四擋和六擋共用一個主動齒輪，五擋和七擋共用一個主動齒輪，所以其宏觀參數(shù)設(shè)計時存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。綜合以上，配比得到幾組傳動比設(shè)計如圖4所示。

圖4 各擋位傳動比

3.4 軸系布置方案確認

根據(jù)以上傳動比，得到如圖5所示換擋曲線，同時考慮客戶整車匹配需求，選擇Q7作為傳動比方案，進行仿真計算。得到軸系布局示意如圖6所示。

4 軸齒概念設(shè)計仿真計算

驅(qū)動力與行駛阻力計算[2]：各擋傳動比對應發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)化到輪邊驅(qū)動力，與車速的行駛阻力得到一組曲線，如圖7所示。

圖5 各擋位換擋曲線

圖6 軸系布局示意圖

從圖7中可以看出，各擋位驅(qū)動力曲線在行駛阻力曲線以上的為有效行駛工況，驅(qū)動力曲線與行駛阻力曲線的縱坐標高度差即整車的后備功率，六擋可以達到最高車速，190 km/h，最高擋八擋在特定工況使用。

圖7 驅(qū)動力與行駛阻力圖

5 內(nèi)控系統(tǒng)布局設(shè)計

內(nèi)控系統(tǒng)即為實現(xiàn)雙離合變速器換擋的一套機構(gòu)，目前變速器平臺采用的是電動機驅(qū)動換擋轂，換擋轂帶動撥叉實現(xiàn)電子機械式換擋模式，此變速箱設(shè)計中，存在5個同步器：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個撥叉控制1個同步器設(shè)計，存在5個擋位撥叉，其中S1、S2、S3同步器是對應2個擋位，而S4、Sb僅對應1個擋位，內(nèi)控設(shè)計布局示意圖如圖8所示。

圖8 內(nèi)控系統(tǒng)布置方案

內(nèi)控系統(tǒng)中，換擋轂由電動機驅(qū)動，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)運動轉(zhuǎn)化為撥叉沿撥叉軸的直線運動，實現(xiàn)撥叉撥動同步器齒套，實現(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)是實現(xiàn)變速器的預選擋，擋位的切換是由液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)的，包括了驅(qū)動電動機、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，分別對應奇數(shù)擋和偶數(shù)擋，內(nèi)控系統(tǒng)會根據(jù)換擋策略先執(zhí)行預掛擋，切換擋位時，液壓系統(tǒng)控制離合器2組摩擦片實現(xiàn)斷開和閉合，進而實現(xiàn)擋位的切換。

液壓系統(tǒng)存在3個液壓回路: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)行油路分別為一個液壓回路系統(tǒng)，如圖9所示，油泵電動機受TCU控制，當執(zhí)行換擋動作時，電動機根據(jù)目標油壓，按需求轉(zhuǎn)速帶動油泵運轉(zhuǎn)，油泵產(chǎn)生高壓油，進入后續(xù)油路，壓力傳感器實時監(jiān)測油路油壓，如果實時壓力小于目標壓力，電動機轉(zhuǎn)速會增加；如果實時壓力大于目標壓力，電動機轉(zhuǎn)速會減小，在閉合回路的動態(tài)調(diào)整中，使油路達到目標壓力。吸濾器作用是過濾掉變速箱油中較大顆粒雜質(zhì)，避免液壓油路堵塞。限壓閥為一個固定孔徑泄油部件，在液壓油路有壓力時，卸掉油路中部分變速箱油，其可以覆蓋整個油路的泄漏損失，使整個油路在動態(tài)平衡中保持目標壓力。

圖9 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

7 換擋功能實現(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，可以實現(xiàn)變速箱八個檔位的動力傳遞，具體功能實現(xiàn)如圖10所示。

在預掛各擋位時，不同的同步器掛入不同擋位：一擋時，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)軸對應的離合器閉合，ISO輸入外軸對應離合器斷開，動力由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，需要橋擋的復合傳動結(jié)構(gòu)，即存在擋位同步器和橋擋同步器同時在擋，動力傳遞路徑較其它擋位復雜，這其中要考慮傳動比設(shè)計可行性、變速器效率的問題。除一擋、倒擋和八擋外，其余擋位為相應擋位同步器進擋，不存在復合擋結(jié)構(gòu)。

預選擋完成后，當切換擋位時，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輸入外軸對應的2個離合器執(zhí)行斷開和閉合動作，進而實現(xiàn)擋位的切換，其過程無動力中斷。

8 結(jié)語

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

此變速器結(jié)構(gòu)，通過復合擋在一擋、倒擋和八擋上的應用，使整個變速器傳動系統(tǒng)更趨于緊湊，取消了直徑最大的一擋齒輪組，同時也沒有單獨的八擋齒輪組，整箱零件數(shù)量減少，同時也降低了變速器成本，有利于車型搭載和匹配應用。