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DCT自動(dòng)變速箱發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

2019-08-27 00:21:58·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
雙離合器式自動(dòng)變速箱（Dual Clutch Transmission，簡稱DCT）是基于平行軸式手動(dòng)變速箱的動(dòng)力傳遞原理創(chuàng)新開發(fā)而來。創(chuàng)新性的將變速箱的奇數(shù)擋和偶數(shù)擋分別布置
雙離合器式自動(dòng)變速箱（Dual Clutch Transmission，簡稱DCT）是基于平行軸式手動(dòng)變速箱的動(dòng)力傳遞原理創(chuàng)新開發(fā)而來。創(chuàng)新性的將變速箱的奇數(shù)擋和偶數(shù)擋分別布置在與兩個(gè)離合器所聯(lián)接的兩根輸入軸上。擋位切換是通過精確控制兩個(gè)離合器的分離與結(jié)合，進(jìn)而完成扭矩傳遞路徑的切換來實(shí)現(xiàn)的。得益于高效的齒輪傳動(dòng)和獨(dú)特的換擋原理，DCT變速箱具有傳動(dòng)效率高、換擋動(dòng)力連續(xù)、換擋舒適性好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。非常適合我國以手動(dòng)變速箱生產(chǎn)設(shè)施為主的基本國情。DCT變速箱自問世以來，經(jīng)過不斷改進(jìn)升級(jí)以及相關(guān)技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)品性能得到了全面提升。因此，越來越多的車企投入到DCT的開發(fā)當(dāng)中并陸續(xù)有新產(chǎn)品問世。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測，DCT變速箱的市場份額在未來5到8年內(nèi)會(huì)得到進(jìn)一步提高。特別是在自主品牌市場中，DCT應(yīng)用會(huì)更加廣泛，市場占有率將會(huì)進(jìn)一步提高。

1 DCT變速箱工作原理及特點(diǎn)分析

1.1 DCT的工作原理

圖1所示為一個(gè)典型的6速、雙中間軸的DCT結(jié)構(gòu)原理示意圖。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力換擋，將奇數(shù)擋（1、3、5擋與倒擋）與離合器C1相連。偶數(shù)擋（2、4和6擋）與離合器C2相連。C2的輸出軸為一個(gè)實(shí)心軸，C1的輸出軸為套在C2實(shí)心輸出軸外的一個(gè)空心軸。從結(jié)構(gòu)上看DCT由2個(gè)彼此獨(dú)立的齒輪傳動(dòng)裝置組成，每個(gè)傳動(dòng)裝置的功能和手動(dòng)變速箱相同，且均配置一個(gè)離合器。正常行駛過程中始終有一套傳動(dòng)齒輪用于傳遞動(dòng)力，而另外一套傳動(dòng)齒輪則根據(jù)換擋規(guī)律預(yù)先掛入下一個(gè)即將工作的擋位。
 
圖1 DCT傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 DCT換擋過程分析

以1擋升2擋為例對(duì)DCT換擋過程進(jìn)行分析。其它擋位的切換過程與此類似。當(dāng)車輛運(yùn)行于1擋時(shí)，離合器C1處于結(jié)合狀態(tài)，傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。離合器C2處于分離狀態(tài)而不傳遞轉(zhuǎn)矩。當(dāng)車輛逐漸加速至2擋換擋點(diǎn)前的某一速度時(shí)，用于控制2、4擋的同步器SYN42動(dòng)作，預(yù)先掛上2擋。因?yàn)榇藭r(shí)離合器C2尚處于分離狀態(tài)而不傳遞轉(zhuǎn)矩，因此車輛仍以1擋行駛。當(dāng)車輛速度達(dá)到換擋點(diǎn)速度時(shí)，離合器C1逐漸分離，C2逐漸結(jié)合，最終完成換擋過程。因?yàn)橥狡鲯鞊鮿?dòng)作發(fā)生在換擋操作之前完成，因此同步器的動(dòng)作對(duì)于換擋品質(zhì)幾乎沒有任何影響。

1.3 DCT變速箱的特點(diǎn)分析

目前市場上最為常見的自動(dòng)變速箱有如下幾種：

（1）液力變矩器式自動(dòng)變速箱（AT）。AT變速箱受限于整體效率較低的緣故，整車燃油經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差，但是換擋舒適性和可靠性較佳。從早期的4速AT逐漸發(fā)展到6速，甚至8速和9速，一定程度上提高了整車燃油經(jīng)濟(jì)性并進(jìn)一步提高了換擋舒適性。

（2）無級(jí)自動(dòng)變速箱（CVT）。CVT通過鋼帶或鋼鏈可以實(shí)現(xiàn)速比的連續(xù)切換，消除了有級(jí)式自動(dòng)變速箱換擋過程帶來的換擋沖擊，從而帶來極佳的換擋舒適性。與此同時(shí)，通過速比連續(xù)變換可以確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)間，更好的平衡了整車燃油經(jīng)濟(jì)性。

（3）機(jī)械式自動(dòng)變速箱（AMT）。基于傳統(tǒng)手動(dòng)變速箱加裝自動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)和自動(dòng)離合器操縱機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋功能，降低了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，且保持了和MT一樣的燃油經(jīng)濟(jì)性。但是換擋舒適性較差。

（4）雙離合器式自動(dòng)變速箱（DCT）。DCT可以看作是2個(gè)AMT協(xié)同工作，因此，保留了AMT優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也極大的提高了換擋舒適性。DCT變速箱按照離合器種類不同，可以分為兩大類：干式DCT和濕式DCT。干式DCT效率較高，濕式DCT則更加穩(wěn)定可靠。

基于對(duì)不同自動(dòng)變速箱的原理分析以及實(shí)際整車測評(píng)，在換擋舒適度和燃油經(jīng)濟(jì)性方面，各種變速箱表現(xiàn)如圖2所示。

而如果從變速箱的性能、開發(fā)難度、成本等方面進(jìn)行比較，總體情況如表1所示。

2 DCT變速箱的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

2.1 DCT變速箱的發(fā)展歷史

圖2 各種自動(dòng)變速箱在換擋舒適度和燃油經(jīng)濟(jì)性方面的表現(xiàn)

表1 各類自動(dòng)變速箱綜合比較

DCT的發(fā)展歷史可以分為如下三個(gè)主要階段：

（1）概念設(shè)計(jì)階段。1940年，Darmstadt大學(xué)教授Rudolph Franke第一個(gè)申請(qǐng)了雙離合器變速箱專利。曾基于卡車搭載該變速箱樣機(jī)進(jìn)行過相關(guān)試驗(yàn)，但是最終沒有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

（2）少量應(yīng)用階段。1985年，奧迪將雙離合器技術(shù)應(yīng)用于賽車上，當(dāng)時(shí)被命名為“Audi Sport Quattro S1賽車配合雙離合器技術(shù)”。得益于雙離合器的快速換擋，使得當(dāng)時(shí)奧迪賽車獲得多項(xiàng)賽事的勝利。同年，保時(shí)捷公司也將雙離合器（Porsche Doppel Kupplungen，簡稱PDK）技術(shù)應(yīng)用在跑車上。

（3）廣泛應(yīng)用階段。到了20世紀(jì)90年代末期，大眾和博格華納合作開發(fā)并生產(chǎn)第一個(gè)適用于批量生產(chǎn)的DualTronic(R) 雙離合變速箱。博格華納通過使用新的電子液壓元件使DCT得以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2002年，DCT應(yīng)用在大眾高爾夫R32和奧迪TT V6上。2003年開始，DCT變速箱相繼被推廣到高爾夫等其他車型上。2007年底，匹配DCT的轎車在全球范圍已經(jīng)超過100萬輛。DCT變速箱得到廣泛應(yīng)用。

2.2 全球DCT變速箱的發(fā)展現(xiàn)狀

自從2002年以來，DCT變速箱在乘用車上得到了迅速推廣。廣泛應(yīng)用階段也經(jīng)歷過三次大的技術(shù)革新。

第一代，主要代表產(chǎn)品是大眾公司的DQ250和德國格特拉克公司的DCT450等產(chǎn)品，分別應(yīng)用在大眾高爾夫和福特蒙迪歐等車型上。這一代DCT變速箱的顯著缺點(diǎn)就是變速箱整體效率較低，攪油損失較高。同時(shí)，不能按需控制的機(jī)械泵也加大了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載，影響了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

第二代DCT產(chǎn)品，為提高效率，降低整車油耗，具有二個(gè)顯著變化點(diǎn)。

（1）由干式離合器代替了效率較低的濕式離合器。

（2）由電子油泵代替了由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械油泵。
 
上述兩項(xiàng)改進(jìn)措施提高了變速箱傳動(dòng)效率。電子油泵的應(yīng)用，也可更好的支持發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起停功能，進(jìn)一步降低了整車油耗。2008年初，大眾在高爾車上搭載采用干式雙離合器技術(shù)的第二代DCT。同期，福特汽車也發(fā)布了與德國格特拉克公司合作開發(fā)的新型DCT變速箱，即Powershift變速箱。然而，在提高了變速箱傳遞效率和整車燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，干式雙離合器容易過熱的問題開始凸顯。離合器過熱會(huì)帶來車輛行駛有頓挫感，甚至?xí)?dǎo)致TCU控制離合器完全分離，整車失去行駛動(dòng)力。為解決上述問題，第三代DCT產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。
 
第三代DCT為了改進(jìn)上一代離合器容易過熱問題，將干式離合器重新?lián)Q裝為濕式離合器。但相比第一代DCT則有了更多的關(guān)于提高燃油經(jīng)濟(jì)性方面的設(shè)計(jì)改進(jìn)。比如，離合器潤滑系統(tǒng)根據(jù)油溫反饋進(jìn)行的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，做到按需潤滑，從而最大限度的降低離合器的拖拽損失和油泵機(jī)械損失。同時(shí)，依然保留了第二代產(chǎn)品的電子油泵。而在一些大扭矩變速箱上，為了進(jìn)一步降低功耗，還采取了機(jī)械泵和電子泵雙泵設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化變速箱內(nèi)部軸齒潤滑系統(tǒng)，減少了變速箱油的加注量，降低了攪油損失。這一代DCT則有更多代表產(chǎn)品，比如大眾公司DQ380，格特拉克公司的7DCT300，6DCT150，奔馳公司的7G-DCT等。
 
三代DCT產(chǎn)品特點(diǎn)如表2所示：

表2 三代DCT產(chǎn)品比較

2.3 中國DCT變速箱發(fā)展現(xiàn)狀
  
隨著大眾將DCT變速箱引入中國并成功推廣，國內(nèi)多家自主品牌車企也相繼投入到DCT開發(fā)之中。

以上汽為主開發(fā)的DCT360于2014年成功應(yīng)用在榮威等車型上并順利投放市場。一汽自主開發(fā)的7速DCT也應(yīng)用于紅旗車型。2012年東風(fēng)集團(tuán)與格特拉克公司聯(lián)合研發(fā)生產(chǎn)小扭矩濕式DCT150。吉利曾經(jīng)在2009年的上海車展上首次展示了自主開發(fā)的7速DCT。最新上市的博瑞GE等車型也配置了DCT變速箱。比亞迪相繼開發(fā)了傳統(tǒng)DCT以及混動(dòng)DCT并應(yīng)用在旗下多款車型上。廣汽、江淮、奇瑞等均有相應(yīng)的自主開發(fā)DCT產(chǎn)品問世。
 
3 DCT變速箱的發(fā)展趨勢

縱觀DCT變速箱的發(fā)展歷史，每一代產(chǎn)品技術(shù)的改進(jìn)升級(jí)都是圍繞著提高產(chǎn)品可靠性、效率、換擋舒適性，降低重量、體積和成本這幾個(gè)方面進(jìn)行。發(fā)展至今，DCT變速箱已經(jīng)達(dá)到可以媲美AT自動(dòng)變速箱的換擋舒適性的同時(shí)，極大的提高了整車燃油經(jīng)濟(jì)性。通過對(duì)工信部公告油耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，證明匹配DCT變速箱相比AT變速箱，整體燃油經(jīng)濟(jì)性提高6%左右。

3.1 DCT變速箱市場份額預(yù)測

根據(jù)IHS相關(guān)數(shù)據(jù)，合資品牌的緊湊型、小型車中，2017年DCT變速箱在自動(dòng)變速箱車型中所占比例大概為33%，到2025年，這一比例將逐步提升到55%左右。
 
而對(duì)于國內(nèi)自主品牌車企來說，正如前文所述，DCT變速箱更適合中國的變速箱產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，因此，DCT變速箱的應(yīng)用比例會(huì)得到較大的提高。2017年，在自動(dòng)變速箱車型中DCT所占比例大概為40%，而到了2025年則將會(huì)提高到70%左右。

3.2 DCT變速箱技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著技術(shù)進(jìn)步和消費(fèi)者要求的提高，DCT變速箱在如下方面將會(huì)有進(jìn)一步的發(fā)展和進(jìn)步：

（1）NVH性能進(jìn)一步提高：通過硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化及軟件控制邏輯的優(yōu)化，提高變速箱的NVH水平，主要體現(xiàn)在降低換擋過程撥叉噪音，降低松踩油門過程中的齒輪敲擊聲音等，帶給乘客更加舒適的體驗(yàn)。

（2）控制系統(tǒng)智能化：通過控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能，針對(duì)車輛狀況的變化及時(shí)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，提高駕駛體驗(yàn)；通過優(yōu)化變速箱起步策略，降低起步過程中抖動(dòng)水平。充分考慮油門變化率、坡度、車重等其它信息，優(yōu)化換擋規(guī)律，避免不必要的升降檔等。

（3）機(jī)械部件電子化：越來越多的機(jī)械零部件被電子元器件取代，比如變速箱內(nèi)置的線控?fù)Q擋ETRS等。

（4）系統(tǒng)高度集成化：傳感器、控制器、電磁閥等零部件逐漸高度集成為一體，提高可靠性，減少體積和成本；電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)單元之一與變速箱高度一體化將會(huì)大大提高整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輕量化和小型化。

3.3 DCT變速箱在混合動(dòng)力車型上的發(fā)展趨勢

隨著國家對(duì)于排放要求的日趨提高以及油耗雙積分政策的實(shí)施，各種形式的混合動(dòng)力技術(shù)逐步推廣。DCT變速箱本身具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性這一先天優(yōu)勢。因此，基于DCT變速箱的混合動(dòng)力技術(shù)層出不窮。比如48v微混系統(tǒng)的P0布置方案，與變速箱結(jié)合一體的P2、P2.5等中混和強(qiáng)混布置方案。綜合成本、體積、油耗改進(jìn)效果等多方面因素綜合考慮，與變速箱集成一體的P2和P2.5方案成為自主開發(fā)車型的主流方案之一。而專用混合動(dòng)力開發(fā)的DCT變速箱則成為下一代DCT產(chǎn)品的熱點(diǎn)之一。

3.4 DCT變速箱在純電動(dòng)汽車上的發(fā)展趨勢

純電動(dòng)汽車則作為國家能源戰(zhàn)略的重要一環(huán)，則是近期的發(fā)展重點(diǎn)之一。通常來說，采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的汽車，為了提高車輛續(xù)航里程，減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)的體積和重量，2級(jí)變速箱將會(huì)扮演不可或缺的角色?；贒CT原理開發(fā)的2檔變速箱，只需要通過離合器的切換就可實(shí)現(xiàn)2個(gè)檔位，不需要執(zhí)行同步器的掛檔等操作，可以有效平衡換擋舒適性和加速動(dòng)力性，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體性能提升。

4 DCT變速箱產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)

盡管DCT變速箱從本質(zhì)上具有傳動(dòng)效率高、換擋速度快等先天優(yōu)勢，然而，在產(chǎn)品開發(fā)實(shí)踐中，仍然存在許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，同時(shí)也面臨著一些開發(fā)難點(diǎn)。

4.1 DCT變速箱開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

（1）雙離合器模塊的開發(fā)：濕式雙離合器主要由博格華納等少數(shù)全球供應(yīng)商開發(fā)提供。干式雙離合器核心技術(shù)也主要掌握在舍弗勒和法雷奧等少數(shù)供應(yīng)商手中。雙離合器模塊作為DCT變速箱的重要組成部分，很大程度上決定了DCT的性能和耐久。國內(nèi)在該領(lǐng)域的自主開發(fā)亟需突破。

（2）DCT起步控制策略[6]：裝有DCT車輛的起步是靠離合器主從動(dòng)片的滑磨直至同步而實(shí)現(xiàn)車輛的起步過程的。通過優(yōu)化離合器的動(dòng)力學(xué)模型、完善離合器結(jié)合的控制策略及提高離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的跟蹤品質(zhì)，是提高車輛起步性能的主要途徑。

（3）智能換擋規(guī)律的制定：DCT變速箱由于存在預(yù)選擋的概念，因此，基于兩參數(shù)換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上，考慮油門踏板變化率以及車重、道路坡度等信息對(duì)換擋規(guī)律，包括預(yù)選擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，避免頻繁的意外的升降擋動(dòng)作，從而提高整車NVH表現(xiàn)和換擋舒適性，提高換擋機(jī)構(gòu)的壽命。

4.2 DCT變速箱產(chǎn)品開發(fā)的難點(diǎn)

（1）DCT變速箱的NVH優(yōu)化

基于齒輪傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，通過換擋撥叉推動(dòng)同步器換擋等這樣的基本原理，在帶來傳遞高效的同時(shí)，也帶來了齒輪嘯叫、換擋撥叉噪音和齒輪敲擊等NVH問題。通過提高齒輪制造精度、降低齒輪傳遞誤差、降低齒側(cè)間隙、優(yōu)化換擋撥叉控制和離合器扭矩控制等方式，可以顯著改進(jìn)這些NVH表現(xiàn)，提升客戶滿意度。

（2）DCT主動(dòng)熱管理技術(shù)

無論是干式離合器還是濕式離合器，都需要開發(fā)出一個(gè)高效的熱管理系統(tǒng)。相比干式離合器，濕式離合器可以有效改善離合器的抗熱負(fù)荷能力，是將來DCT產(chǎn)品的主要發(fā)展趨勢。但為了最大限度提高變速箱效率，則需要對(duì)離合器的熱管理做到按時(shí)、按需定量冷卻潤滑。

（3）DCT系統(tǒng)診斷策略的優(yōu)化

系統(tǒng)的復(fù)雜程度越高，對(duì)相關(guān)零部件的可靠性要求也越高。準(zhǔn)確且合理的故障診斷策略開發(fā)，可以避免因?yàn)殄e(cuò)誤診斷導(dǎo)致變速箱中斷動(dòng)力的情況發(fā)生。同時(shí)開發(fā)合理的跛行策略，確保變速箱最大限度實(shí)現(xiàn)基本功能，提高用戶滿意度。

5 結(jié)論

本文基于DCT變速箱的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn)，DCT的發(fā)展歷史，預(yù)測了DCT的發(fā)展趨勢，得出如下結(jié)論：

（1）DCT變速箱是手動(dòng)變速箱的基本原理，創(chuàng)新開發(fā)而來，因而具有傳動(dòng)效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。通過雙離合器傳遞動(dòng)力的切換，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力不間斷換檔。同時(shí)具備較好的動(dòng)力性和舒適性。綜合了手動(dòng)變速箱和自動(dòng)變速箱的優(yōu)點(diǎn)于一身，發(fā)展前景較廣闊。

（2）DCT的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分同AMT類似，開發(fā)難度相對(duì)較低。難點(diǎn)在于控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)。尤其是換擋邏輯的制定和離合器的控制策略。因此，開發(fā)初期，特別是軟件開發(fā)方面投資較大。但是批量生產(chǎn)以后，物料成本將低于AT和CVT，綜合成本較低。

（3）DCT可以充分利用現(xiàn)有的手動(dòng)擋變速箱生產(chǎn)線和加工制造經(jīng)驗(yàn)，供應(yīng)鏈和制造體系繼承性好，在國內(nèi)具有較好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。

（4）國內(nèi)企業(yè)在自主開發(fā)DCT的過程中，除了專注于匹配純?nèi)加蛙嚨漠a(chǎn)品開發(fā)之外，還應(yīng)做好模塊化開發(fā)和DCT產(chǎn)品平臺(tái)化規(guī)劃。通過產(chǎn)品模塊化開發(fā)，達(dá)到涵蓋傳統(tǒng)、混動(dòng)以及純電動(dòng)等不同車型的應(yīng)用需求并最大限度的降低研發(fā)投入、物料成本和開發(fā)周期。同時(shí)，需要針對(duì)DCT核心零部件技術(shù)進(jìn)行研發(fā)突破，打破壟斷，如雙離合器、控制模塊等。
 
 
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