DCT在节能减排方面的设计举措

王中华，翁晓明

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

DCT在节能减排方面的设计举措

王中华，翁晓明

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

随着石油能源的枯竭和环境要求的不断提高，人类对于汽车的节能减排越来越重视，而变速箱是汽车传动系统中的重要组成部分，对于整车的燃油消耗及排放有着很大的影响。文章以湿式DCT设计，从速比范围的选择，同步器的选择和控制，油泵的选择和应用，离合器的优化，润滑系统的优化等几个方面，介绍了在DCT设计开发过程中，为实现节能减排，所做的措施。

DCT；效率；燃油消耗

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.034

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-105-04

1、绪言

2009年11月26日中国正式对外宣布控制温室气体排放的行动目标，决定2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～50%，而随着汽车工业的发展，新能源汽车开始发展，但是装有内燃发动机的汽车在一段时间内仍占据主导地位，降低燃油消耗和减少排放是汽车工程师们孜孜不倦追求的目标，DCT正是在这个环境下催生出的一项新兴的传动技术。

本文将着重研究与传统的自动变速箱相比，DCT在设计方面采取的节能减排的措施。

2、DCT 与 AT，MT 性能比较

为了降低燃油消耗和减少排放，减少动力传动系统中的功率损耗，一个具有高效率的变速箱显得尤为重要。图1为几种变速箱在某一档位下的效率对比。（数据说明：6MT及6DCT为实际测试结果，6AT数据引用在2009年4月GRC变速箱研讨会议材料大众公司介绍材料）

从图1中可以看出，MT的效率最高，而传统的AT因为使用的液力变矩器、离合器和制动器传递动力，以及油泵产生的功率损耗，其传动效率最低，而DCT 的传动系统与MT结构系统一致，采用稳定的齿轮传动结构，在此基础上增加了双离合器，油泵，液压模块等机构，其传动效率要明显高于传统的AT，其效率已经很接近于MT的机械效率。

传动效率已经在很大程度上决定了燃油消耗，但是采用了自动变速箱后，使发动机在更经济的转速内运转，使整车根据路面工况智能式选择更适合档位运行，大大会降低燃油的消耗；图2为配几种变速箱的整车的百公里油耗对比，可以明显地看出，装有DCT的整车的百公里油耗要比装有MT车型的低2%，而且要远远的低于装有AT车型。（数据说明：图3数据来源于2009年4月 GRC变速箱研讨会 ZF介绍材料）

3、DCT 节能减排的具体措施

3.1 宽速比的变速箱

如下图3所示，DCT 的双输入轴、双输出轴的结构，使得变速箱在轴向长度更短的情况下，拥有更多的挡位数量，使得最大传动比与最小传动比的比值增大，速比范围的扩大，增加了发动机在低燃油消耗区工作的可能性，降低了燃油消耗。

如图4 中，随着挡位数量的增加，从3档变速箱至6挡变速箱，燃油消耗得到了大大改善，降低了13%。（数据说明：图4数据来源于2009年4月 GRC变速箱研讨会 ZF介绍材料）

以往的变速箱仅仅有一个主减比，从图5可以看出，如果主减比比较大，加速时间较短但燃油经济性下降，主减比值较小，加速时间延长但燃油经济性改善，而DCT采用双输出轴结构使得变速箱有两个主减速比，使得整车在保证了整车动力性的同时保证了经济性。

3.2 变速箱零部件优化

3.2.1 变速箱内部功率损耗

变速箱内部的功率损耗，从发动机功率的输入到功率输出到驱动半轴，整个过程中都存在功率的损失，作为DCT（双离合器变速箱）也不例外，双离合器的滑摩，齿轮传递动力过程中的功率损失，液压系统的泄漏损失，油泵提供压力油过程中的功率损失，换档过程中的功率损失等等一系列的工作都参与了变速箱功率损失的过程。

为提高变速箱的传递效率，降低传递动力过程中的功率损失，我们从就必须对上述过程进行优化。

3.2.2 同步器的设计与控制

（1）伺服式同步器的使用

伺服式同步器也称porches式同步器，其原理就是通过同步器齿套与同步环之间摩擦力矩以及同步器上一个具有特殊结构的部件，在同步方向上获得一个轴向额外的作用力。伺服式同步器已经逐渐的开始应用于现代化的DCT产品中。

上面两幅图可以显示出，在同样的工况之下，变速箱在使用了伺服式同步器之后，不仅在轴向换挡力上可以降低40%，而且在同步时间上可以取得改善，节约了一半时间，进而同步器对于液压系统的压力和持续时间要求都会降低，液压系统以提供较低的功率便可实现同步器换挡的功能。

（2）同步器的预挂挡

如图3所示，奇数档由离合器1控制，偶数档和R档由离合器2控制，当传递动力的档位为1档时，2档同步器已经提前与2档齿轮结合，这就使得由1档向2档的切换只需要两个离合器实现切换就行，实现其他档位的切换也与之类似，同步器的预挂挡可以大大的减小换档的时间，同时也会减少长时间离合器的滑摩所带来的效率损失。

3.2.3 含平衡腔的双离合器

双离合器在变速箱中属于高速旋转件，其中所有的油腔为旋转油腔，当双离合器高速旋转，油腔中的油液跟着旋转，便产生了很大的离心压力。

由于离心压力的存在，在离合器分离之时，会阻碍离合器分离，由于离心压力，使未接合的离合器产生空转摩擦阻力，随着发动机转速的增高，其空转摩擦阻力会很大，使得变速器功率损失会很大。

DCT 中的双离合器为解决离心压力所带来的影响，在双离合器内外工作油腔的对应一侧设置了内外离合器平衡油腔，使内外离合器活塞两侧都设有油腔，当离合器高速旋转时，两侧油腔产生的离心压力作用在活塞上的力相互平衡，有效地消除离心压力所带来的功率损失。

3.2.4 直接式润滑

以往的MT 变速箱对于齿轮副的润滑采用的飞溅润滑，飞溅式润滑就需要变速箱本身具有一个较高的油面，在齿轮的旋转过程中，油液被旋转的齿轮副搅动，慢慢地带到各档位的啮合齿轮副；

而DCT 对于啮合的齿轮副采用了直接式的强制性润滑，而强制性润滑则不需要较高的油面，啮合的齿轮副采用经过冷却之后的油进行强制性润滑。

直接式强制润滑，相对于飞溅式润滑具有以下优点：

1）油液面的降低，可以防止变速箱齿轮副搅油所带来的动力传递损失，提高变速箱齿轮副的传递效率；

2）油液面的降低，可以防止齿轮副搅油所带来的大量气泡，而造成对液压系统的功率的损失，和降低对于液压系统带来噪声的影响；

3）采用的直接式的强制性润滑，冷却油液是经过过滤，更清洁的油液在齿轮副进入啮合之前对齿轮副进行润滑和对啮合齿面产生的颗粒进行，防止齿轮表面产生异常损坏，使齿轮副的啮合更加平稳，提高了齿轮副的寿命，间接的提高了齿轮副的传递效率。

3.2.5 油泵的选择

自动变速箱的油泵，一般均由发动机直接和间接驱动，通过相关试验得出，在整个自动变速箱的功率损失中，油泵的功率损失占到总功率损失的13～22%，由此可以看出设计一个高效的油泵显得异常重要。

在自动变速箱使用最常见的泵为内啮合齿轮泵，而齿轮型线的不同对油泵的效率有着很大的影响，以下为几种型线内啮合齿轮泵总效率对比（数据来源于 2009年汽车工程学会论文集 自动变速箱油泵选型分析）

通过以上对比，多齿差的摆线泵具有更高的效率，可以降低功率的损失，现在越来越多的自动变速箱油泵选择多齿差的摆线泵。例如GM 6AT，VW DQ250 均采用了多齿差的摆线泵。

3.2.6 换挡规律

图10为不同模式下的换档规律，实线代表为经济模式下的换档规律，虚线代表运动模式下的换档规律。图11 为某装有DCT的整车在60km/h,90km/h 和在不同模式（运动模式和经济模式）下的油耗实测曲线。在60km/h的等速模式下，经济模式下的油耗仅为运动模式下的2/3。

为了满足顾客对于整车不同的需求，现在越来越多的配备自动变速箱的车辆拥有了两种换挡模式，一种为运动模式，使得整车在比较高的车速下完成换挡，满足顾客的驾驶需求，第二种模式为经济模式，使得发动机在低燃油消耗区工作，降低整车燃油消耗。

3.2.7 降低系统能量的损失

为了提高整机的效率，通过以下方式降低系统能量的损耗

1）通过在3.2.2中提及的使用伺服式同步器，对换挡力要求的降低，我们可以同时降低液压系统的控制压力，控制压力降低的同时，液压系统内部的泄漏也会随之减小，进而减小液压控制系统的功率损耗。

2）油泵为满足变速箱在低转速区域的需求，就必须设计一个大排量的油泵，而随着发动机转速的提高，在高转速区域下，油泵会输出一个较大的流量，造成一个功率的浪费，随着技术的不断发展，在一部分变速箱上开始采用一个变量泵，通过调节油泵泵油装置，在低转速工况下，油泵有一个大的排量，随着转速的提高和系统的要求，油泵的排量会随之变化。降低不必要的功率损失。

3）为提高变速箱的工作效率，就必须使得变速箱油在最优的工作温度下进行，在变速箱系统中设置热交换器，当变速箱油温过低时，引入发动机热循环中的水，加热变速箱油，当变速箱油温过高时，引入发动机循环水，降低变速箱油温。

4、结束语

本文以DCT产品的开发为研究对象，从档位选择及速比的定义，再到同步器，油泵的选择，以及双离合器及润滑系统的优化，换挡规律的选择，介绍了在湿式DCT在开发过程中，为使得发动机在最佳燃油区域工作及降低变速箱在传递功率过程中的损失而采取的种种举措，最终实现了降低整车油耗和排放的目的。

[1] 黄宗益等.现代轿车自动变速器原理和设计[M]同济大学出版社,2006.

[2] 王中华等.自动变速箱油泵选型分析[J] 汽车工程学会论文集2009:1245-1249.

[3] 日本自动车技术会编.汽车工程手册,动力传动系统设计篇:243-244.

[4] Tomas hackl. Efficiency ,cost and weight potential through reduced line pressure in DCT with servo synchronizers.

New Design For Fuel Efficiency And Aggressive Emission On DCT

Wang Zhonghua, Weng Xiaoming
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Under the threat of depleting petroleum resources and global environment issues, more aggressive attentions are paid on vehicle emission and fuel consumption. As one of the most significant components of power train system, the transmission to a great extent influences the emission performance and fuel efficiency. In this article, some effective designs of DCT transmission on emission improvement and fuel efficiency are introduced, including ratio definition, synchronizer's selection and controlling, and pump, clutch, lubrication system optimization.

DCT; Efficiency; Fuel consume

U462.1

A

1671-7988(2016)10-105-04

王中华，（1984.12-）,男，工程师，就职于江淮汽车技术中心变速箱设计部。主要从事自动变速箱研究。