車輛工程-雙離合器式自動變速器的七擋齒輪變速器設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 主要由雙離合器、變速器、雙離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變速器換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、 ECU 和各種傳感器等組成。 DCT 的基本原理相當(dāng)于采用兩套變速器和兩個離合器。一個變速器處于工作狀態(tài)時，另一變速器空轉(zhuǎn)。通過兩個離合器的切換來實現(xiàn)兩變速器交替進(jìn)入工作狀態(tài)，可在動力切斷時間很短的情況下完成換擋。換擋過程非常迅速，換擋時間不會超過 ，從而消除了切斷動力換擋帶來的問題。 DCT 結(jié)構(gòu)的分析 DCT 是基于手動變速器的基礎(chǔ)上發(fā)展的， DCT 是通過將變速器按照奇、偶數(shù)分別布置在兩個離合器所連接的兩個輸入軸上，通過控制離合器的切換完成換擋過程。其齒輪及軸系采用機(jī)械變速器定軸式結(jié)構(gòu)，有多種傳動方案 [4]。 在車輛處于停車狀態(tài)時，兩個離合器都處于分離狀態(tài)，即兩個離合器是常開式的。起步時，先將擋位切換為 1 擋，然后離合器 CL1 接合，車輛開始起步運行，離合器CL2 仍處于分離狀態(tài)，不傳遞動力。當(dāng)車輛加速接近擋的換擋點時，由 ECU 控制自動換擋機(jī)構(gòu)將擋位提前換入擋。當(dāng)達(dá)到 2 擋的換擋點時， CL1 離合器開始分 離，同時CL2 離合器開始接合，兩個離合器交替切換，直到離合器 CL1 完全分離，離合器 CL2完全接合，換擋過程結(jié)束。進(jìn)入 2 擋后， TCU 通過相關(guān)傳感器信號判斷車輛當(dāng)前運行狀態(tài)，進(jìn)而計算出車輛即將進(jìn)入運行的擋位，如果車輛加速，則下一個擋位為 3 擋，如果車輛減速，則下一個擋位為 1 擋。而 1 擋和 3 擋均連接在離合器 CL1 上，因為該離合器處于分離狀態(tài)，不傳遞動力，故可以控制選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)先換入即將進(jìn)入工作的擋位，當(dāng)車輛運行達(dá)到換擋點時，只需要將正在工作的離合器 CL2 分離，同時將另一個離合器 CL1 接合，配合好兩個離合器的切換時 序即可方便地實現(xiàn)整個換擋過程。車輛繼續(xù)行駛時，其它擋位的切換過程與上述分析類似。雙離合器自動變速系統(tǒng)中換擋過渡過程實際就是兩個離合器分離和結(jié)合的過渡過程。在換擋過程中，動力始終不會中斷，這樣完成的換擋過程成為動力換擋，這與液力自動變速器的換擋過 7 程是一樣的，其控制原理如圖 所示 [6]。 圖 雙離合器自動變速系統(tǒng)控制原理圖 為了使汽車具有較好的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，雙離合器自動變速器通常設(shè)有 5 個或 6 個前進(jìn)擋和一個倒擋，有的也有 7 個前進(jìn)擋。按中間軸的數(shù)量，其可分為兩軸式、 單中間軸和雙中間軸式三種型式 [7]。 兩軸式 DCT 沒有中間軸，兩根輸入 軸中的常嚙合齒輪直接與輸出軸的相應(yīng)齒輪相嚙合，動力從輸出軸傳出。 圖 為兩軸式 DCT 傳動簡圖。兩軸式 DCT 結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。其缺點是擋位數(shù)不宜過多，增加擋位數(shù)會增加實心輸入軸和輸出軸的長度。由于沒有直接擋，因此在高擋工作時，齒輪和軸承均承載，噪聲較大，也增加了磨損，這也是它的缺點。兩軸式 DCT 多在前置發(fā)動機(jī)前輪驅(qū)動或后置發(fā)動機(jī)后輪驅(qū)動的中型和緊湊型轎車上使用。 圖 兩軸式雙離合器自動變速器 圖 為單中間軸式雙離合器自動變速器結(jié)構(gòu)簡圖。單中間軸式雙離合 器變速器主要由雙離合器、兩根輸入軸、一根輸出軸、各擋齒輪及與其對應(yīng)的同步器組成。其 8 5 擋與離合器與 CL1 連接在一起， 6 擋連接在 CL2 離合器上，即將變速器的擋位按奇、偶數(shù)分別與兩個離合器分開配置，變速器換擋所用的同步器等與原來的普通手動變速器完全相同 [7]。 圖 單中間軸式雙離合器自動變速器 單中間軸式 DCT的兩個輸入軸中的常嚙合齒輪直接與中間軸中相應(yīng)的齒輪嚙合，中間軸再通過兩個齒輪將動力傳遞到輸出軸。中間軸自動變速器只有一根中間軸，動力從輸入軸通過齒輪副傳遞到中間軸，再從中間軸傳遞 到輸出軸。輸入軸與輸出軸在同一條直線上，中間軸平行于輸入軸布置。由于只有一根中間軸，除直接擋外，所有擋位的從動齒輪都布置在中間軸上，這就使得中間軸的軸向長度很大。為了保證中間軸具有足夠的剛度，在中間布置了軸的支柱使得自動變速器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。因為單中間軸 DCT 的輸入軸和輸出軸的軸線在同一條直線上，所以能方便布置直接擋。直接擋是中間軸 DCT 最大的優(yōu)點。單中間軸 DCT 的缺點是除直接擋外，其他擋位傳動效率有所降低，當(dāng)前進(jìn)擋擋位較多時，實心輸入軸和中間軸都較長，所以單中間軸式DCT 一般應(yīng)用于對變速器軸向尺寸要求不高的 車輛上。 雙中間軸式雙離合器變速器主要由雙離合器、兩根輸入軸、兩根中間軸、一根輸出軸、各擋齒輪及與其對應(yīng)的同步器組成。圖 為雙中間軸式雙離合器自動變速器的結(jié)構(gòu)簡圖。兩個離合器各自與不同的輸入軸相連，離合器 CL1 通過空心軸和憜輪與奇數(shù)擋位 5 和倒擋相連，離合器 CL2 則通過實心軸與偶數(shù)擋位 6 相連。發(fā)動機(jī)的曲軸通過飛輪與兩個離合器主動部分連接。雙中間軸式 DCT 的工作過程與單中間軸式相同。 雙中間軸 DCT 與單中間軸 DCT 最大的區(qū)別就是用兩根中間軸代替了一根中間 9 軸，分別傳遞輸入軸到輸出軸的轉(zhuǎn)矩。這種 結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)點是能有效減小變速器的軸向尺寸，缺點是增加了變速器的徑向尺寸。因為雙中間軸 DCT 每一擋位至少通過兩對齒輪嚙合才能將動力輸出，所以與兩軸式 DCT 相比，雙中間軸自動變速器的傳動 效率較低，但是由于其能有效的減小變速器軸的長度，減小自動變速器的尺寸，且適 圖 雙中間軸式雙離合器自動變速器 合于布置較多擋位數(shù)，所以在對變速器的軸向尺寸要求較高的情況下，如前置前驅(qū)動乘用車的變速器布置為橫置工作時，或者中、重型商用車傳遞轉(zhuǎn)矩大，為提高其強度與剛度時，一般采用此傳動結(jié)構(gòu)，尤其在中、大型和豪華型轎車中 得到廣泛使用。 DCT 雙離合器形式 的 分析 DCT 系統(tǒng)的性能特點主要源于所采用的雙離合器的形式。雙離合器作為 DCT 的重要部件之一，其工作性能直接關(guān)系到車輛的是否正常起步及換擋品質(zhì)。為確保傳動可靠、分離徹底、結(jié)合柔順、換擋快速、體積小、質(zhì)量輕、壽命長和易制造等特點，所以從性能、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)制造方式和操縱控制方面，都對雙離合器提出了較高要求 [8]。目前 ,在 DCT 系統(tǒng)中通常采用干式單片或濕式多片兩種結(jié)構(gòu)型式 [9]。 干式雙離合器性能分析 干式雙離合器具有從動部分轉(zhuǎn)動慣量小、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、分離 徹底、轉(zhuǎn)矩過載保護(hù)、效率高、成本相對較低、不需輔助動力等優(yōu)點。兩個離合器一般采用軸向并排布置，通過兩組分離杠桿分別控制兩個離合器的分離和接合。這種結(jié)構(gòu)的雙離合器往往軸向尺寸較大，給總體布置帶來一定的難度。 干式雙離合器可以通過壓盤和飛輪吸收較大熱量，對滑磨產(chǎn)生熱量的速度不敏感，但因空氣散熱較慢，熱量不易在短時間內(nèi)散發(fā)出去，因此受到滑磨產(chǎn)生的總熱量的限制。干式離合器適于在短時間內(nèi)結(jié)合，因為這樣滑磨的時間短，產(chǎn)生熱量少，所以干式雙離合器適用于小轉(zhuǎn)矩作用，短時間滑磨的工況。 10 干式雙離合器則通過離合器從動盤上的摩擦 片來傳遞轉(zhuǎn)矩，由于節(jié)省了相關(guān)液力系統(tǒng)再結(jié)合干式離合器本身所具有的傳遞轉(zhuǎn)矩的高效性，干式系統(tǒng)很大程度地提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，電機(jī)驅(qū)動的干式雙離合器的油耗通常比液壓驅(qū)動的濕式雙離合器低4%～ 6%。但由于干式離合器的熱容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于濕式離合器，在大功率輸入的情況下，系統(tǒng)很快就會達(dá)到熱容極限，導(dǎo)致其使用壽命降低，承載能力下降。 采用干式雙離合器的變速器系統(tǒng)的效率得以顯著提高。變速器可以省去吸濾器、油冷器和變速器殼體中的高壓油管。使其可以設(shè)計的更加緊湊。干式雙離合器的外形尺寸比濕式雙離合器稍大，特別是軸向尺寸長，這是由雙離 合器的布局和所選用的摩擦材料所決定的。這樣，在車上布置兩個干式離合器，而且還要布置兩個離合器的操縱機(jī)構(gòu)需要的安裝空間很大；并且在離合器片磨損后，需要定期更換摩擦片。這都給DCT 采用干式離合器帶來了困難。采用膜片彈簧作壓緊彈簧可以彌補干式離合器的上述缺點：首先，膜片彈簧本身兼起壓緊彈簧和分離杠桿的作用，使得離合器結(jié)構(gòu)大為簡化，質(zhì)量減輕，并顯著地縮短了離合器的軸向尺寸。其次，由于膜片彈簧與壓盤在整個圓周接觸，使壓力分布均勻，摩擦片的接觸良好，磨損比較均勻。另外，由于膜片彈簧具有非線性的彈性特性，故在從動盤磨損后 ，仍能可靠地傳遞發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩而不致產(chǎn)生滑磨。此外，因膜片彈簧是一種旋轉(zhuǎn)對稱零件，平衡性好，高速下其壓緊力降低很少 [10]。 濕式雙離合器性能分析 濕式離合器有較好的可控性和控制品質(zhì) ,結(jié)構(gòu)比較單一，具有壓力分布均勻、磨損小且均勻、傳遞轉(zhuǎn)矩容量大、不用專門調(diào)整摩擦片間隙等特點。由于它用液壓油強制冷卻，允許起步時較長時間打滑，并且高擋起步時不會燒損襯面，壽命可達(dá)干式離合器的 5~6 倍。 濕式雙離合器受限于產(chǎn)生熱量的速度，但不受產(chǎn)生的總熱量的限制。在結(jié)合過程，盡管會產(chǎn)生較多的熱量，但因冷卻油能不斷把熱量帶 走，離合器仍能保持很好的工作狀態(tài)。濕式離合器具有良好的散熱特點，適用于離合器結(jié)合過程中壓力逐步增加、發(fā)熱速度較慢的工作狀況。 濕式雙離合器的轉(zhuǎn)矩傳遞通過浸沒在油中的濕式離合器摩擦片來實現(xiàn)。濕式離合器工作環(huán)境對外全封閉，免受外界溫度、粉塵及內(nèi)部機(jī)油的影響，工作性能穩(wěn)定。摩擦副間有油膜存在，接合過程中為混合摩擦狀態(tài)，接合過程平順。但濕式離合器摩擦片與對偶鋼片均較薄，其損壞形式多為瞬時溫升過高或溫度分布不均導(dǎo)致的燒蝕或翹曲，而不是摩擦片的磨損。工作過程中需要強制冷卻系統(tǒng)，從而造成功率損失。同時由于液壓油的存在，導(dǎo) 致離合器不能徹底分離，產(chǎn)生功率損失，其結(jié)構(gòu)比干式復(fù)雜， 11 因而制造難度大，制造成本高。 通過干式與濕式離合器性能比較可知，雖然濕式雙離合器采用強制冷卻措施具有散熱效果好的明顯優(yōu)點，但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)增加了制造難度與成本。而與之相比，由于目前膜片彈簧的引用彌補了干式離合器結(jié)構(gòu)尺寸較大的缺點，使得開發(fā)具有良好的生產(chǎn)繼承性、較高的傳動效率、相對較低的生產(chǎn)成本等特點。另外，對于輕型轎車，因其工作轉(zhuǎn)矩小，更符合干式雙離合器適用于小轉(zhuǎn)矩作用工況的條件 [11]。 DCT 基本結(jié)構(gòu)方案的確 定 根據(jù)上述 DCT 的雙離合器模塊、齒 輪軸系結(jié)構(gòu)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式特點，結(jié)合本文研究的原型車特點和要求，確定所要開發(fā)設(shè)計的 DCT 雙離合器、機(jī)械系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)方案。 結(jié)合原型車的參數(shù)要求，本文中研究的 DCT 采用干式雙離合器的結(jié)構(gòu)方案。 根據(jù)常見的 DCT 結(jié)構(gòu)特點及其適用的乘用車的布置形式，選擇雙中間軸式的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。 本章小結(jié) 本章詳述了雙離合器自動變速器的基本工作原理。對不同結(jié)構(gòu)的 DCT 結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了分析，主要分析了兩軸式、單中間軸式、雙中間軸式的結(jié)構(gòu)特點，分析了干式和濕式離合器的特性及適用范圍，為結(jié)構(gòu)選型提供參考。 對 DCT 的執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行了分析，根據(jù)原型車的結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)，確定設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案。 12 第 3 章 雙離合器自動變速器的設(shè)計與計算 變速器主要參數(shù)的選擇 本次畢業(yè)設(shè)計是在給定主要整車參數(shù)的情況下進(jìn)行設(shè)計， 整車主要技術(shù)參數(shù)如表 所示 。 表 整車主要技術(shù)參數(shù) 發(fā)動機(jī)最大功率 200/6200（ kw/rpm） 車輪型號 245/40R18 發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 250/5000（ Nm/rpm） 最高車速 250km/h 前軸負(fù)荷 8000N 后軸負(fù)荷 7000N 輪胎氣壓 轉(zhuǎn)向 盤操縱力 不超過 200N 傳動比范圍 變速器傳動比范圍是指變速器最高檔與最低檔傳動比的比值。最高檔通常是直接檔，傳動比為 ；有的變速器最高檔是超速檔，傳動比為 ～ 。影響最低檔傳動比選取的因素有：發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所要求的汽車最大爬坡能力、驅(qū)動輪與路面間的附著力、主減速比和驅(qū)動輪的滾動半徑以及所要求達(dá)到的最低穩(wěn)定行駛車速等。目前乘用車的傳動比范圍在 ～ 之間，總質(zhì)量輕些的商用車在 ～ 之間，其它商用車則更大 [14]。 本設(shè)計最高檔傳動比為 。 變速器各檔傳動比的確定 主減速器傳動比的確定 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度之間的關(guān)系式為： iirnuga ? （ ） 式中： au —— 汽車行駛速度（ km/h）； n —— 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（ r/min）； r —— 車輪滾動半徑（ m）； gi —— 變速器 傳動比； 13 0i —— 主減速器傳動比。 已知：最高車速 maxau = maxav =250 km/h；最高檔為超速檔，傳動比 gi =；車輪滾動半徑 ??????r (mm)；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 n = pn =6200（ r/min）；由公式（ ）得到主減速器 傳動比計算公式： 30 ?? ????? ?ag uinri 最 低 檔傳動比計算 按最大爬坡度設(shè)計，滿足最大通過能力條件，即用一檔通過要求的最大坡道角max?坡道時，驅(qū)動力應(yīng)大于或等于此時的滾動阻力和上坡阻力（加速阻力為零，空氣阻力忽略不計） [16]。用公式表示如下： m a xm a x0m a x s i nc os ??? GGfr iiT tge ?? （ ） 式中： G —— 車輛總重量 (N)； f —— 坡道面滾動阻力系數(shù) (對瀝青路面 μ=~)； maxeT —— 發(fā)動機(jī)最大扭矩 (Nm)； 0i —— 主減速器傳動比； gi ——