引言

　　雙離合器變速箱(DCT)，內(nèi)部設(shè)置有兩套獨(dú)立的離合器以及兩套獨(dú)立的變速箱系統(tǒng)，相對(duì)于一般變速箱而言，可以其內(nèi)部同步器可以進(jìn)行預(yù)掛檔操作，即在n檔運(yùn)行階段，當(dāng)策略準(zhǔn)備進(jìn)行換檔操作的時(shí)候，n+1(或n-1)檔同步器將會(huì)掛入，接下來(lái)由兩個(gè)離合器交替摩擦完成換檔，再脫離n檔同步器。

　　商用車(chē)雙離合器變速箱相對(duì)于主流變速箱而言，其同步器的工況是不同的，且DCT變速箱在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)同步困難現(xiàn)象。針對(duì)這樣的情況，有必要對(duì)商用車(chē)雙離合器變速箱進(jìn)行分析研究，來(lái)保證商用車(chē)雙離合器變速箱能達(dá)到比較好的性能。

　　1、 主流同步器的參數(shù)計(jì)算

　　同步器同步力矩T_c是表征同步器容量的重要參數(shù)，指的是在轉(zhuǎn)速差存在的情況下，同步器使得轉(zhuǎn)速差消失的摩擦力矩。T_c越大，說(shuō)明同步器產(chǎn)生同步器效果越明顯。

　　通過(guò)分析同步力矩，可以了解同步器參數(shù)，找到更加適合商用車(chē)雙離合器變速箱的同步器。

　　圖1 同步器齒圈、摩擦錐面受力分析圖

　　其中：

　　F—操縱機(jī)構(gòu)給予同步器齒圈的力(可以是手通過(guò)杠桿的力，也可以是氣壓液壓給予的力)，N

ω₁—花鍵轂的轉(zhuǎn)速(該轉(zhuǎn)速為同步器所在軸轉(zhuǎn)速以及齒圈轉(zhuǎn)速)，r/min

μ₁—花鍵轂與齒圈摩擦系數(shù)

N₁—花鍵轂對(duì)齒圈支撐力，N

f₁—花鍵轂對(duì)齒圈摩擦力，

μ₂—齒圈與齒環(huán)結(jié)合面摩擦系數(shù)

N₂—齒圈與齒環(huán)之間相互支撐力，N

f₂—齒圈與齒環(huán)之間相互摩擦力，

　　θ—結(jié)合齒半錐角，度

N₃—摩擦環(huán)對(duì)齒環(huán)支撐力合力，N

?μ₃—摩擦環(huán)與齒環(huán)錐面摩擦系數(shù)

?N_{4—摩擦環(huán)對(duì)齒環(huán)錐面支撐力，N}

r₁—齒環(huán)和齒圈受力點(diǎn)的半徑，mm

r₂—摩擦錐面平均半徑，mm

　　α—摩擦錐面角，度

T_c—同步器同步力矩，

　　通過(guò)分析：

　　不論什么形式的變速箱，均存在著同步器的速度差，即存在著同步器的主動(dòng)邊和從動(dòng)邊，所謂主動(dòng)邊，在此定義為轉(zhuǎn)速基本不變的部分(或者說(shuō)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量非常大的部分)，從動(dòng)邊定義為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)于主動(dòng)部分非常小的部分。那么，在同步器同步的時(shí)候，基本可以認(rèn)為主動(dòng)邊的轉(zhuǎn)速不會(huì)變化，而從動(dòng)邊的轉(zhuǎn)速在T_c的影響下，逐漸接近主動(dòng)邊的轉(zhuǎn)速達(dá)到同步。

　　一般變速箱同步器的主動(dòng)邊為與輸出軸嚙合的主動(dòng)齒輪(輸出軸以及整個(gè)車(chē)輛)，從動(dòng)部分為同步器(離合器從動(dòng)盤(pán)、輸入軸以及中間軸)。DCT變速箱也并沒(méi)有不同，只是奇數(shù)檔、偶數(shù)檔同步器對(duì)應(yīng)的離合器從動(dòng)盤(pán)、輸入軸以及中間軸不同而已。那么可以認(rèn)為，同中心距的變速箱，DCT和一般變速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相差不大，在此設(shè)為Ⅰ。

　　即同步器從動(dòng)邊角加速度a為：

　　加入轉(zhuǎn)速差，即得同步時(shí)間t：

　　2、 同步器參數(shù)與方案分析

　　由上式分析，可知為了使同步器換檔更加容易，比較有效的方法為：

　　1) 減小摩擦錐面角；

　　2) 減小從動(dòng)邊轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

　　3) 減小從動(dòng)邊與主動(dòng)邊轉(zhuǎn)速差；

　　4) 增大操縱機(jī)構(gòu)撥動(dòng)力F;

　　5) 增大摩擦環(huán)與齒環(huán)錐面摩擦系數(shù)；

　　6) 增大摩擦錐面平均半徑。

　　由上面方案逐條分析可行性與取值范圍

　　2.1減小摩擦錐面角(與相關(guān))

　　減小摩擦錐面角是提高同步器容量的一個(gè)常用手段，但是錐角過(guò)小會(huì)導(dǎo)致錐角自鎖發(fā)生粘連現(xiàn)象，使得齒環(huán)與摩擦環(huán)無(wú)法脫落。具體形式如下：

　　圖2 錐面自鎖圖

　　可以得出齒環(huán)變形力

　　當(dāng)N₃消失，僅剩下N₅以及N₄。

　　可以得到：

　　為了能讓齒圈脫離，需要

　　可得到曲線(xiàn)：

　　即取曲線(xiàn)下方值即可滿(mǎn)足，即為了保證同步時(shí)間t小，選定一個(gè)之后，在滿(mǎn)足的時(shí)候，取最小值即可。

　　2.2減小從動(dòng)邊轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

　　DCT從動(dòng)邊的轉(zhuǎn)動(dòng)副包括：該從動(dòng)邊的離合器從動(dòng)盤(pán)、輸入軸、中間軸以及同步器。其中輸入軸與中間軸之間靠常嚙合齒輪連接。根據(jù)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的傳遞公式：

　　從公式可以看出，常嚙合齒輪將離合器從動(dòng)盤(pán)以及輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量放大了(比較常見(jiàn))，而且是二次方關(guān)系，且從動(dòng)邊里面，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大的部分為(由于離合器從動(dòng)盤(pán)直徑較大，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比一般軸系大兩個(gè)數(shù)量級(jí))，由此可以發(fā)現(xiàn)常嚙合齒輪傳動(dòng)比對(duì)從動(dòng)邊總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響非常大。通過(guò)具體實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)：

　　圖4 常嚙合齒輪傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量關(guān)系

i_c的取值從2到3，從動(dòng)邊轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I跨度接近1倍，即可以做出結(jié)論，適當(dāng)降低常嚙合齒輪的傳動(dòng)比，可以非常有效的降低從動(dòng)邊轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I，從而有效的減少同步時(shí)間。

　　2.3減小從動(dòng)邊與主動(dòng)邊轉(zhuǎn)速差

　　即使DCT變速箱使用和一般變速箱相同的同步器，DCT換檔困難的現(xiàn)象還是會(huì)出現(xiàn)，主要原因就在于DCT同步器的從動(dòng)邊的轉(zhuǎn)速相對(duì)于一般變速箱從動(dòng)邊的轉(zhuǎn)速更加不可控。

　　圖5 一般變速箱傳動(dòng)比示意圖

　　設(shè)輸入轉(zhuǎn)速為，且掛檔1檔

　　通過(guò)實(shí)例，可以發(fā)現(xiàn)，一般變速箱的同步器的轉(zhuǎn)速差為30~200n/min，檔位越高，轉(zhuǎn)速差越大，但這樣的轉(zhuǎn)速是可控的。

　　然而，DCT變速箱理論上來(lái)說(shuō)，從動(dòng)邊轉(zhuǎn)速應(yīng)該為0，但是由于存在著摩擦，使得轉(zhuǎn)速不可控，以下為一份DCT換檔轉(zhuǎn)速圖表：

　　圖6 雙離合器變速箱一次循環(huán)各個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速-時(shí)間圖

　　通過(guò)與推導(dǎo)4類(lèi)似分析，可以發(fā)現(xiàn)，DCT變速箱同步器轉(zhuǎn)速差為200~600n/min。這樣就會(huì)極大的增加同步時(shí)間。甚至可能造成同步器摩擦錐面燒蝕等后果。

　　為了能縮短同步時(shí)間，作為DCT同步器不受控制的從動(dòng)邊，我們需要讓其轉(zhuǎn)速能夠受控起來(lái)。

　　主要實(shí)施方案如下：

　　a) 在換檔之前，策略檢測(cè)到駕駛員的加速/減速意圖;

　　b) 欲換檔離合器進(jìn)行短時(shí)間觸碰后分開(kāi)，這個(gè)時(shí)候欲換檔離合器和中間軸等零件將會(huì)被加速/減速，達(dá)到減小轉(zhuǎn)速差目的;

　　c) 掛入欲換檔同步器，同步完成;

　　d) 雙離合交替切換，換檔完成。

　　由于在b)步驟時(shí)，同步器未結(jié)合，離合器短時(shí)間觸碰，只是對(duì)同步器從動(dòng)邊加速，是比較安全的方法。

　　2.4增大操縱機(jī)構(gòu)撥動(dòng)力F

　　根據(jù)推導(dǎo)2，增大F是一個(gè)線(xiàn)性的變化，對(duì)于減少同步時(shí)間的意義并不大，因?yàn)闀r(shí)間減少了，帶來(lái)的后果可能是同步器摩擦錐面的燒蝕。

　　2.5增大摩擦錐面平均半徑r₂

　　該方案也是常用的增大同步器容量的方法，即同樣常用的鎖銷(xiāo)式同步器，可以有效的增大錐面的平均半徑r₂。更有甚者使用雙錐同步器，可以將同步器容量提升60%。這個(gè)方式是現(xiàn)有技術(shù)，本文不做討論。

　　3、 與現(xiàn)有變速箱的比較

　　DCT同步器換檔困難的原因，主要是因?yàn)镈CT同步器從動(dòng)邊轉(zhuǎn)速不可控，導(dǎo)致同步器轉(zhuǎn)速差過(guò)大所致。

　　但是由于DCT換檔的特殊性，在于DCT同步器同步是相對(duì)獨(dú)立的，只要時(shí)間不是太久，它并不影響換檔的過(guò)程。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，我們認(rèn)為1s~1.5s是可以接受的。

　　一般變速箱的同步時(shí)間為0.6~0.8s。

　　粗略計(jì)算可以了解，DCT可接受同步時(shí)間大概可以為一般變速箱的2倍，但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在同步時(shí)間往往是一般變速箱的3倍。

　　一般變速箱由于轉(zhuǎn)速差很小，根據(jù)公式，其從動(dòng)邊轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能很小，所以可以采用增大同步器容量的辦法來(lái)縮短同步時(shí)間，如果按照這樣的方案來(lái)縮小DCT的同步時(shí)間，所帶來(lái)的發(fā)熱功率將是一般變速箱的9~10倍，實(shí)驗(yàn)表明，這是DCT同步器難以承受的熱量。

　　圖7 齒環(huán)燒蝕磨損嚴(yán)重

　　所以同步器容量不變的情況下，我們可以采用減小從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減小轉(zhuǎn)速差以及加大換檔力的方法來(lái)減小同步時(shí)間，其中比較優(yōu)的方法為前兩種，因?yàn)榈谝环N方法是直接通過(guò)減小轉(zhuǎn)動(dòng)能量來(lái)減小同步時(shí)間，第二種方法是將轉(zhuǎn)動(dòng)能量分散到離合器上，都對(duì)同步器本身是一種保護(hù)。而第三種方法是增加轉(zhuǎn)動(dòng)加速度來(lái)減少同步時(shí)間，帶來(lái)的結(jié)果是讓動(dòng)能在更短的時(shí)間內(nèi)損耗在摩擦錐面上，讓同步器熱量更難耗散，導(dǎo)致同步器燒蝕。

　　4、 結(jié)論

　　DCT換檔困難，換檔同步時(shí)間長(zhǎng)主要是因?yàn)镈CT結(jié)構(gòu)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速差不受控制。

　　對(duì)于減少DCT同步時(shí)間，并不需要按照現(xiàn)有同步器同步時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考慮，根據(jù)DCT的結(jié)構(gòu)，可以適當(dāng)放寬要求。

　　而僅僅通過(guò)增加DCT同步器容量，是治標(biāo)不治本的方法。針對(duì)DCT獨(dú)特的換檔方式，更應(yīng)該采用減小從動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及減小轉(zhuǎn)速差的方法，來(lái)減少同步時(shí)間。