雙離合自動變速器研究現狀與展望

袁 韶，張廣輝，趙振東，吳金國

（1.南京工程學院 汽車與軌道交通學院，江蘇 南京 211167；2.南京奧吉智能汽車技術研究院有限公司，江蘇 南京 211000）

目前變速器市場，手動變速器（Manual Transmission, MT）發(fā)展的時間最長，技術也最成熟，其存在缺點，即換擋過程不傳遞動力，對加速性能和乘坐舒適性影響很大。自動變速器換擋平穩(wěn)，整個過程動力無中斷，加速性能和乘坐舒適性表現良好。因為性能優(yōu)越，簡單易上手，近些年來自動變速器的普及率已超過手動變速器，且兩者差距逐年擴大。在自動變速器中，雙離合自動變速器（Dual Clutch Transmission, DCT）性能最好。DCT以MT的傳動結構為原型，對其進行升級改進，是MT的改良版，因此它有和MT一樣的高傳動效率。DCT相比無級變速器（Continuously Variable Transmission, CVT），動力性更好，相比液力自動變速器（Automatic Transmission, AT）燃油經濟性更好，相比電控機械式自動變速器（Automated Mechanical Transmission, AMT）換擋性能更好，能帶來更好的駕駛體驗。

自誕生以來，經過不斷的技術革新，車輛產品性能不斷提高，搭載了DCT的車輛性能顯著高于搭載了其他變速器的車輛性能。如今，汽車廠商不斷加大對DCT的研發(fā)力度，未來市場空前廣闊。

1 DCT工作原理

為了實現動力性換擋，將擋位分為奇數擋（I、III、V擋）與偶數擋（II、IV擋）分散布置，I、III、V擋與離合器 C1相連，II、IV擋與離合器C2相連。如圖1所示。

圖1 DCT工作原理圖

1.1 起步過程

車輛靜止時，整個傳動系統(tǒng)無動力傳遞。車輛緩慢起步時，傳感器自動收集各類控制信號并實時傳遞數據給自動變速箱控制單元（Transmission Control Unit, TCU），TCU發(fā)出車輛動作指令，控制自動換擋機構換擋，使I擋齒輪提前嚙合，然后控制離合器C1接合，實現車輛緩慢起步。

1.2 換擋過程

TCU對每個擋位換擋臨界點預設了一個車速值。車輛I擋行駛，加速到預設的II擋換擋臨界點車速時，TCU開始介入，提前換入II擋。繼續(xù)加速達到II擋換擋點時，離合器C1逐漸分離直至完全分離，同時離合器 C2逐漸接合直至完全接合，即換入II擋。以上為一個完整的換擋過程。換擋過程中控制好兩個離合器的扭矩重疊，即可迅速完成換擋，其余擋位換擋過程類似。

2 DCT分類及特點

DCT按結構可分為濕式和干式兩種。

2.1 濕式DCT的特點

濕式DCT浸泡在充滿液壓油的密閉容腔中，離合器摩擦片接合和分離過程中產生滑磨功，冷卻油將熱量帶走，使摩擦片降溫，保證離合器正常的工作。密閉的工作環(huán)境，能有效隔絕外部污染源的影響，同時也決定了其內部結構的復雜性，復雜的結構也帶來了較高的成本，大規(guī)模的應用也因此受限。

2.2 干式DCT的特點

干式 DCT滑磨過程中生成的熱量難以散發(fā)，完全依靠風冷散熱，熱量全部散失需要等待的時間較長。因此，干式DCT不適用于長時間接合、滑磨生成熱量多的工況。表1為濕式和干式DCT的性能對比。

表1 濕式和干式DCT性能對比

3 DCT研究現狀

3.1 國外研究現狀

文獻[6]提出了一種平滑換擋控制技術，獲得了30 ℃到120 ℃的液壓油溫范圍內的平滑換擋特性。文獻[7]研制了一種雙離合變速器換擋控制器，可在升降擋階段更好控制發(fā)動機扭矩傳遞。文獻[8]詳細分析了雙離合自動變速器的換擋過程，研究了DCT換擋過程中離合器的工作狀態(tài)。文獻[9]等建立了 DCT整車動力學模型和控制邏輯，以此分析了DCT中離合器分離和接合的規(guī)律。文獻[10]等提出了一種新的分別估計每個離合器扭矩的算法。文獻[11]等分析了DCT換擋過程，建立了DCT車輛動力系統(tǒng)的三維離合器模型和數學模型。文獻[12]等采用最優(yōu)控制分配為雙離合自動變速器的換擋制定了控制策略。文獻[13]等提出了一種基于速度和轉矩狀態(tài)反饋的換擋控制策略，對改善換擋品質有一定的效果。

3.2 國內研究現狀

過學迅等建立了雙離合器分離、接合的控制邏輯，設計了基于模糊控制的換擋方法。楊昭分析了DCT升降擋過程中離合器的控制策略，對換擋品質及評價指標進行了研究。姚曉濤等提出了基于發(fā)動機恒轉速與雙離合器同時參與起步過程的控制方法。張丙玉提出了動態(tài)調整起步目標轉速的方法，不僅滿足車輛起步動態(tài)響應，也提高了起步的平順性。楊光春制訂了雙離合器聯(lián)合參與起步的控制策略，標定了雙離合器同時起步的模糊控制策略。羅勇提出了考慮駕駛員起步意圖識別的起步控制策略。郝洪濤提出了一種基于摩擦參數估計的換擋控制方法，并通過仿真驗證了改善DCT換擋品質的有效性。

4 DCT發(fā)展趨勢

DCT產品不斷升級與發(fā)展是為了提高產品性能，使之更智能化、輕量化。發(fā)展至今，DCT的各項性能已經和 AT相當，并且燃油經濟性優(yōu)于AT。

4.1 DCT市場規(guī)模預測

當前自動變速器是我國變速器市場的主流，且市場規(guī)模逐年擴大。DCT優(yōu)異的性能表現使之在自動變速器領域也處于領先地位。

各類變速器市場規(guī)模預測如表 2所示。因為操作難度大，長時間駕駛易產生疲勞等缺點，傳動手動變速器的市場占比已遠不如自動變速器。自動變速器中，AMT因換擋過程不傳遞動力，且頓挫感明顯，影響了消費者的駕乘體驗，因此市場占比最少。其中，DCT市場占比的上升幅度很大，有超過AT的趨勢。

表2 各類變速器市場規(guī)模預測

4.2 DCT系統(tǒng)發(fā)展趨勢

DCT系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，可以歸納為以下幾個方面：

（1）噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise Vibration Harshness, NVH）性能更優(yōu)化：優(yōu)化硬件設計和軟件控制邏輯進而提高變速器的 NVH性能水平，表現為降低換擋時撥叉雜音和踩油門過程中的爆震噪音，為乘客帶去更舒適的乘車體驗。

（2）控制系統(tǒng)智能化：車輛運行狀況受外界影響一直在動態(tài)變化，因此需要控制系統(tǒng)自學習，對這些變化作自適應調整，提高駕乘感受；控制系統(tǒng)能優(yōu)化調整兩個離合器的扭矩重疊，最大程度縮短換擋時間，提高換擋品質。同時對換擋規(guī)律進行優(yōu)化，避免意外換擋或錯誤換擋。

（3）機電一體化：機電一體化是汽車發(fā)展的必然趨勢，電子部件取代了原有的機械部件，其中較為典型的是線控換擋技術，減少了換擋過程接觸的機械零件數，防止駕駛過程中誤操作，提高換擋效率。

（4）系統(tǒng)高度集成化：傳動系統(tǒng)結構復雜，零部件繁多，將一些關鍵部件如液壓閥、傳感器等集成為一體，對繁雜的電路、線束進行封裝。既節(jié)省了內部空間，便于拆裝，又避免了線束之間的信號干擾，提高了可靠性。

5 DCT的關鍵技術與問題

DCT在許多方面的性能表現都已經十分優(yōu)異，但是在產品研發(fā)改進中，也存在著許多關鍵技術亟待突破。

5.1 DCT關鍵技術

5.1.1 雙離合器模塊的開發(fā)

我國汽車工業(yè)起步相較國外晚許多，技術也落后于國外。雙離合器模塊是DCT的核心部分，對DCT性能好壞起關鍵性作用。此項關鍵技術目前主要掌握在美國的博格華納公司和德國的舍弗勒集團。因此，國內企業(yè)需要將研發(fā)重點投入到該領域，打破國外的壟斷地位。

5.1.2 熱管理系統(tǒng)的研究

DCT變速箱工作過程中，會通過以下途徑產生熱量：（1）齒輪互相嚙合；（2）離合器滑磨做功；（3）電磁閥通電工作；（4）液壓油流經管道。這些熱量如果不能及時散發(fā)，就會降低變速箱的工作效率。因此，需要研發(fā)一套高效的熱管理系統(tǒng)，及時對變速箱工作過程中產生的這些熱量進行冷卻，最大程度提高變速箱的效率。

5.1.3 起步控制策略

DCT車輛通過離合器傳遞發(fā)動機動力，因此，對其起步時離合器的接合速度等特性進行研究十分重要。通過小位移控制執(zhí)行機構、模糊 PID算法等實現離合器的分離與接合，不僅容錯率高，自適應性也好。不斷提出各種先進控制理論用于車輛起步控制，能在很大程度上提高車輛的起步性能。

5.1.4 智能換擋規(guī)律

自動變速器傳統(tǒng)的換擋規(guī)律完善，前提是要求被控對象的數學模型十分精確，才能對其準確求解，實際中往往很難做到這點。因此，如何使變速器根據駕駛員意圖和駕駛環(huán)境進行智能換擋值得深究。

如今，制定換擋規(guī)律過程中集成了多種先進控制理論，其中較為典型的有模糊控制技術和神經網絡理論。車輛行駛過程中，使用模糊規(guī)則相對來說最容易體現駕駛員的駕駛經驗。神經網絡很強的非線性映射性便于從數據中提取一定的邏輯規(guī)律，有利于智能換擋系統(tǒng)研究。

先進控制理論的應用對智能換擋規(guī)律的制定大有裨益，在研究開發(fā)的過程中，需要集思廣益，不斷創(chuàng)造出愈加先進的控制理論。

5.2 DCT常見問題

5.2.1 傳感器故障

油液溫度傳感器因產生故障誤判油溫信息，并將錯誤的信號傳遞給電控單元，致使變速器開啟保護模式，正常行駛的車輛忽然失去動力，影響了行車安全。

5.2.2 換擋異響

在城市道路上行駛遇到堵車時，需要頻繁換擋。在換擋時，離合器反復進行摩擦，油壓不穩(wěn)定導致?lián)Q擋撥叉在切換時會出現很明顯的響聲。

5.2.3 低速頓挫

車輛低速行駛時，傳動比的變化較大，扭矩波動明顯。因為沖擊度與變速器輸出扭矩變化率成正比，所以車速越低、檔位越低，頓挫就越嚴重。

目前，針對上述問題，汽車廠商給出的維修方案通常是（1）刷新變速器軟件；（2）更換離合器總成。

6 結語

DCT變速箱里的齒輪傳動機構和傳統(tǒng)手動擋類似，因此擁有良好的生產繼承性，可以很好的保護現有的手動變速器生產資源，適合我國國情。

DCT因其優(yōu)異的性能表現被越來越多的人們所認知并接受。但是，DCT也存在著諸如換擋異響、低速頓挫、傳感器存在故障等問題，技術并不是特別成熟，可靠性有待進一步驗證。隨著科研人員對DCT關鍵技術的攻關，未來DCT將會不斷發(fā)展，其綜合性能也將持續(xù)提高，市場占有率也將達到一個新的高度。