鄭海兵，李丹，崔剛

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

雙離合器自動(dòng)變速器緊湊性設(shè)計(jì)方法研究

鄭海兵，李丹，崔剛

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

介紹了雙離合器自動(dòng)變速器齒軸傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述了雙離合器自動(dòng)變速器緊湊性設(shè)計(jì)的方法，采用實(shí)際案例說(shuō)明具體設(shè)計(jì)方案所能達(dá)到的效果。重點(diǎn)說(shuō)明了基于系統(tǒng)剛度的緊湊性設(shè)計(jì)原理和方法，在不影響零部件設(shè)計(jì)方案的前提下，合理減小運(yùn)動(dòng)部件安全間隙，提升整機(jī)緊湊性。

雙離合器自動(dòng)變速器；緊湊性

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-94-04

引言

前橫置前驅(qū)動(dòng)廣泛應(yīng)用于微型、中型轎車(chē)，該類(lèi)車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器橫向布置于發(fā)艙內(nèi)。受發(fā)艙空間限制該類(lèi)車(chē)型對(duì)變速器軸向尺寸有較大的敏感性。

DCT雙離合器自動(dòng)變速器結(jié)合了手動(dòng)變速器（MT）傳動(dòng)效率高和液力自動(dòng)變速器（AT）、無(wú)極自動(dòng)變速器（CVT）操縱簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)應(yīng)用逐步廣泛。采用緊湊性設(shè)計(jì)的方法或改進(jìn)型生產(chǎn)工藝，在保證滿(mǎn)足功能、性能要求的前提下，實(shí)現(xiàn)整機(jī)外形尺寸更緊湊、重量更輕，更好的滿(mǎn)足前橫置前驅(qū)動(dòng)車(chē)型匹配需求。本文重點(diǎn)研究說(shuō)明了某款前橫置前驅(qū)雙離合器自動(dòng)變速器緊湊性設(shè)計(jì)的方法。

1、雙離合器變速器緊湊性設(shè)計(jì)方法

1.1 檔位齒輪共用

雙離合器自動(dòng)變速器齒軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置方案是整機(jī)外形尺寸大小的決定性影響因素之一，設(shè)計(jì)合理緊湊的齒軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)于變速器總成緊湊化設(shè)計(jì)有重要貢獻(xiàn)。雙離合器自動(dòng)變速器基于手動(dòng)變速器衍生開(kāi)發(fā)，如圖1所示，某橫置6檔雙離合器器自動(dòng)變速器齒軸傳動(dòng)系統(tǒng)由兩套獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的手動(dòng)變速器齒軸傳動(dòng)系統(tǒng)組成，包含兩組同軸嵌套或平行布置的離合器，同軸、內(nèi)外嵌套布置的兩根輸入軸，兩根平行布置的輸出軸。內(nèi)外嵌套的輸入軸各自獨(dú)立工作，所有從動(dòng)齒輪均空套在輸出軸上，在同一時(shí)間僅有一個(gè)檔位處于工作狀態(tài)[1]，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)分布與不同輸出軸上的檔位從動(dòng)齒輪可共用主動(dòng)齒輪的重要前提。

如圖2所示，不同輸出軸上的兩檔從動(dòng)齒輪，通過(guò)采用共用主動(dòng)齒輪的方法，減少輸入軸上主動(dòng)齒輪的數(shù)量，達(dá)到了縮短輸入軸長(zhǎng)度的目的。

如圖2所示，該雙離合器自動(dòng)變速器，采用主動(dòng)齒輪共用的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)4個(gè)檔位（3檔、5檔共用，4檔、6檔共用）共用2個(gè)主動(dòng)齒輪，減少兩個(gè)主動(dòng)齒輪，實(shí)現(xiàn)了輸入軸及整機(jī)長(zhǎng)度縮短約30mm～40mm。

圖1 某前橫置前驅(qū)6檔雙離合器自動(dòng)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 共用主動(dòng)齒輪齒輪方案示意圖

1.2 取消倒檔軸

在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的前提下實(shí)現(xiàn)車(chē)輛倒退是變速器設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要輸入條件。一般雙離合器自動(dòng)變速器倒檔方案實(shí)現(xiàn)方法是在輸入軸上設(shè)計(jì)專(zhuān)用的倒檔主動(dòng)齒輪，并增加倒檔軸及倒檔惰輪實(shí)現(xiàn)倒檔方案。

如圖3所示，通過(guò)采用合理、巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及中心距設(shè)置，實(shí)現(xiàn)使用2檔齒輪作為倒檔惰輪，倒檔從動(dòng)齒輪與2檔從動(dòng)齒輪（惰輪）嚙合，實(shí)現(xiàn)倒檔方案[3]，該方案實(shí)現(xiàn)取消倒檔軸及專(zhuān)用的倒檔主動(dòng)齒輪，有效縮短輸入軸長(zhǎng)度，減少了整機(jī)零部件數(shù)量，提高了整機(jī)緊湊性。

圖3 取消倒檔軸方案示意圖

1.3 零部件布置和緊湊性設(shè)計(jì)

a.油泵布置

油泵為雙離合器自動(dòng)變速器液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力源，常用的機(jī)械式油泵必須由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，油泵就進(jìn)入工作狀態(tài)，不受其它因素影響。采用油泵布置在變速器前端的方案，由雙離合器輸入部分直接驅(qū)動(dòng)，能夠更有效利用傳動(dòng)系統(tǒng)部件與控制模塊之間的空間，較油泵布置于后端方案實(shí)現(xiàn)減少整機(jī)軸向長(zhǎng)度約20mm～30mm。

b.同步器結(jié)合齒設(shè)計(jì)

同步器結(jié)合齒是實(shí)現(xiàn)同步器換擋的重要部件，它與檔位齒輪固定連接，通過(guò)針對(duì)現(xiàn)有多款已量產(chǎn)的雙離合器自動(dòng)變速器結(jié)合齒設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析可知，在滿(mǎn)足齒輪強(qiáng)度要求的前提下，采用嵌入式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，將同步器結(jié)合齒嵌入齒輪輪輻中，改善輸出軸結(jié)構(gòu)緊湊性。

圖4 嵌入式同步器結(jié)合齒設(shè)計(jì)方案

c.齒軸預(yù)緊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

雙離合器變速器輸出軸上的齒輪、同步器等部件需要設(shè)計(jì)預(yù)緊結(jié)構(gòu)，以避免其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生軸向竄動(dòng)。一般的預(yù)緊結(jié)構(gòu)采用卡環(huán)預(yù)緊的方案，如圖5所示，卡環(huán)預(yù)緊方案需要在軸上設(shè)置卡環(huán)安裝槽，卡環(huán)厚度約為3mm，此外軸端需要設(shè)計(jì)至少3mm的限位特征。而采用預(yù)緊螺母預(yù)緊方法，螺栓壁厚（軸向）僅3mm，較卡環(huán)方案該方案可縮短輸出軸軸向長(zhǎng)度超過(guò)3mm。

圖5 齒軸預(yù)緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案示意圖

1.4 基于系統(tǒng)剛度的緊湊性設(shè)計(jì)

雙離合器變速器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件需預(yù)留合理的安全間隙，以防止發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，影響該安全間隙設(shè)置的因素包括：

a.受載變形導(dǎo)致的安全間隙變化；

b.工作狀態(tài)下軸承游隙變化導(dǎo)致的安全間隙變動(dòng)；

通過(guò)系統(tǒng)的分析上述影響因素，實(shí)現(xiàn)合理的安全間隙設(shè)計(jì)值。

a.受載變形導(dǎo)致的安全間隙變化

系統(tǒng)在受載后發(fā)生變形會(huì)導(dǎo)致安全間隙偏離初始的理論狀態(tài)，如圖6所示。

影響因素包括：①軸向力作用下軸向移動(dòng)；②輸出軸和差速器在傾翻力矩作用下的傾斜；③輸出軸和差速器自身的撓曲變形；以上變形可通過(guò)理論計(jì)算得到。

圖6 受載變形結(jié)果示意圖

系統(tǒng)變形主要取決于殼體以及軸承剛度（尤其是鋁合金殼體，其剛度較低，變形大），殼體和軸承變形可導(dǎo)致軸和差速器的軸向移動(dòng)和傾斜，如圖7所示，通過(guò)有限元手段可以得到殼體各個(gè)軸承座處濃縮剛度矩陣。通過(guò)軸承數(shù)據(jù)手冊(cè)可以查取各個(gè)支撐軸承的剛度。系統(tǒng)變形還受到軸自身變形的影響，但通常軸自身剛度導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn)角度在毫弧度（mRad）級(jí)，在鋁合金殼體的變速箱中其變形通?？梢院雎圆挥?jì)。

圖7 軸承座剛度有限元分析模型示意圖

表1 軸承座剛度矩陣

各個(gè)軸承座的濃縮剛度矩陣均由6個(gè)數(shù)據(jù)組成（3個(gè)坐標(biāo)軸方向和3個(gè)旋轉(zhuǎn)方向），為簡(jiǎn)化計(jì)算，主要考慮3個(gè)坐標(biāo)軸方向的剛度。計(jì)算時(shí)需考慮殼體和軸承的綜合剛度。

根據(jù)系統(tǒng)剛度矩陣，計(jì)算各軸承座處的軸向和徑向變形量[2]：

ΔL—軸承座處變形量；

F—載荷；

E—?jiǎng)偠戎担?/p>

Ea—軸承剛度值；

Eb—?dú)んw軸承座剛度值；

將輸出軸和差速器在受載后的軸向移動(dòng)量以及折算到軸向的傾斜量疊加即可得到因系統(tǒng)剛度導(dǎo)致的安全間隙變動(dòng)量：

△Cf—?jiǎng)偠葘?dǎo)致的安全間隙變動(dòng)量；

△Lsa—輸出軸軸承座處軸向變形量；

△Lda—差速器軸承座處軸向變形量；

△Lst—輸出軸傾斜引起軸向變形量；

△Ldt—差速器傾斜引起軸向變形量；

b.軸承游隙變化導(dǎo)致的安全間隙變動(dòng)

系統(tǒng)變形還受到軸承游隙變化的影響，以某型號(hào)錐軸承為例，工作情況下軸承游隙增大會(huì)導(dǎo)致軸產(chǎn)生附加的偏轉(zhuǎn)，影響安全間隙：①軸向力導(dǎo)致的軸承游隙增加，引起軸的附加偏轉(zhuǎn)；②工作溫升導(dǎo)致系統(tǒng)熱膨脹，引起的軸承游隙增大，導(dǎo)致軸的附加偏轉(zhuǎn)。

如圖8所示，根據(jù)齒輪軸向力以及錐軸承附加軸向力算得各處軸承外圈施加給殼體軸承座的軸向力：

圖8 軸承座軸向力示意圖

根據(jù)受力和溫升，軸承游隙增量可用下式計(jì)算：

ΔLc—受力和溫升引起的軸承游隙增量；

ΔT—溫度差；

αh—?dú)んw的線(xiàn)膨脹系數(shù)；

αs—軸的線(xiàn)膨脹系數(shù)；

L—軸的長(zhǎng)度；

Fz—軸向力；

Ez—?dú)んw軸承座剛度

最終得到由軸承游隙變化造成的差速器齒輪前端面和輸出軸軸承內(nèi)圈間隙變化量為：

ΔCc—軸承游隙變化引起的安全間隙變動(dòng)量；

Rsa—主減齒輪半徑；

ΔLsb—輸出軸軸承游隙增量；

Ls—輸出軸軸向長(zhǎng)度；

ΔLds—差速器軸承游隙增量；

Rda—差速器主減齒輪半徑；

Ld—差速器軸向長(zhǎng)度；

系統(tǒng)變形還受到軸自身變形的影響，但通常軸自身剛度導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn)角度通常在毫弧度（mRad）級(jí)，在鋁合金殼體的變速箱中其變形通常可以忽略不計(jì)。如需計(jì)入可由軸各處偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行計(jì)算。

ΔCt—軸自身剛度導(dǎo)致的安全間隙變動(dòng)量

Rsa—輸出軸齒輪半徑

βt—輸出軸主減齒輪處的偏轉(zhuǎn)角

綜上，總安全間隙變化量為以下方面的總和：殼體軸承座變形量、軸自身?yè)锨冃瘟?、軸承游隙變化導(dǎo)致的變形（即為綜合變形量），最終可由下式計(jì)算：

ΔC—總安全間隙變化量

ΔCf—?dú)んw及軸承剛度導(dǎo)致的安全間隙變動(dòng)量

ΔCt—軸自身剛度導(dǎo)致的安全間隙變動(dòng)量

ΔCc—軸承游隙變化引起的安全間隙變動(dòng)量；

通過(guò)上述計(jì)算可獲得安全間隙在負(fù)載和溫升狀態(tài)下的變動(dòng)量，而初始狀態(tài)間隙的最小值LL可通過(guò)尺寸鏈計(jì)算獲得。

圖9 尺寸公差正態(tài)分布圖

綜上所述，只要滿(mǎn)足LL??C >0即可保證差速器齒輪與周邊零件不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。而在實(shí)際設(shè)計(jì)中通常取一定安全裕量，如下：

LL—初始靜態(tài)間隙極小值

按照上述方法進(jìn)行理論計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)將原有差速器齒輪兩端的安全間隙降為優(yōu)化前的55%。

圖10 變速器模擬使用工況

圖11 差速器齒輪端面變形曲線(xiàn)

圖12 輸出軸齒輪端面變形曲線(xiàn)

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)剛度和變形理論值進(jìn)行驗(yàn)證，使用不同工況（如圖10所示）模擬變速器在整車(chē)中的狀態(tài)，安裝位移傳感器測(cè)量自由狀態(tài)及不同工作狀態(tài)下的相對(duì)位移量。

試驗(yàn)測(cè)得隨扭矩和溫度變化，差速器齒輪端部的變形情況如圖12所示，輸出軸齒輪端部的變形情況如圖13所示，結(jié)果表明兩曲線(xiàn)均呈現(xiàn)線(xiàn)性變化趨勢(shì)，符合實(shí)際情況。

1.5 基于軸承容限的零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中零部件的承載能力通常按照類(lèi)比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，難免造成設(shè)計(jì)上存在強(qiáng)度冗余，通過(guò)實(shí)測(cè)變速器載荷譜，精確獲得零部件載荷輸入工況。并據(jù)此進(jìn)行零部件的承載容限優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得傳動(dòng)部件在達(dá)預(yù)定承載能力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)尺寸最優(yōu)化。

目標(biāo)車(chē)輛以規(guī)定路譜和規(guī)定速度譜行駛，通過(guò)一定的測(cè)試手段獲得該車(chē)輛匹配變速器實(shí)際的載荷分布情況。再將載荷譜通過(guò)檔位使用條件分配到不同檔位用于零部件疲勞強(qiáng)度計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)零部件精確的承載容限設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足零部件正常承載能力要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)外形尺寸的最小化。

2、小結(jié)

雙離合器自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)獨(dú)特而且復(fù)雜，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中需要系統(tǒng)的、全面的進(jìn)行開(kāi)展緊湊化、輕量化設(shè)計(jì)。從整機(jī)設(shè)計(jì)方案選擇、內(nèi)部部件間隙選擇到具體零部件結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)均存在不斷優(yōu)化和提升的空間。

[1] 林學(xué)東,汽車(chē)動(dòng)力匹配技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.1, 231-233

[2] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].4版北京：高等教育出版社.2004.1, 136-149.

[3] 宋進(jìn)桂,龔宗洋.汽車(chē)變速器理論基礎(chǔ)、選擇、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014,125-126.

[4] 濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社.2001, 227-230.

Study on the compact design method of dual clutch automatic transmission

Zheng Haibing, Li Dan, Cui Gang
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This article based on DCT drive system structure,give out a efficiency way to DCT compact design, exhibited good impact via detailed design case. In the article, it is stress explained that without design scheme changing, how to improve system compactedness by decreasing distance between different moving parts reasonably.

Dual Clutch Transmission; Compactness

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-94-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.031

鄭海兵，就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司。