宝马新型双离合器变速器

宝马新型双离合器变速器

宝马公司为运动型轿车驾车者使用的六档手动变速器提供了新的选择。这款新型七档双离合器自动变速器不仅具有自动变速器的换档舒适性，良好的动态加速性能，同时还有助于降低油耗和排放物。

1 目标

宝马公司现有的自动变速器产品在舒适性，效率和运动性能方面已经处于领先水平。然而，此次的开发工作主要集中在双离合器这个概念上。宝马公司作出这样的研发决策基于众多原因：这款变速器概念的转速能力决定了它能够和运动型轿车的高转速发动机匹配使用，因为传统的变矩器式行星齿轮自动变速器不能满足转速超过8000rpm发动机的要求（这款新型双离合器变速器的转速能力高达9000rpm）。和普通的自动变速器相比，双离合器变速器（DCT）不仅能够显著提高效率，还有助于降低油耗。 这款双离合器变速器无需较大更改便可以应用在舒适型轿车以及高性能运动型轿车上，因为该变速器设计十分灵活，能够满足各种用途。为了既能保证灵活的适应性又能达到较高的效率要求，此次研发工作主要集中在如何处理这两个相互矛盾利益之间的关系，从而实现以下特殊性能：

——变速器布置能够和扭矩在600Nm以上，系统质量接近的变矩器式行星齿轮自动变速器兼容；

——能够和高转速发动机匹配使用；

——和现有的自动变速器（AT）相比，工作效率显著提高，油耗明显降低

——由于更近的档位间隔，动力性能更高；

——至少达到自动变速器的驾驶舒适性；该变速器应该能够取代以前使用的自动变速器；

——通过匹配功能灵活的软件系统，该变速器能够适用于各种车型。

这里应该提到一点，此次开发工作引发了DCT和AT设计之间的一场技术军备竞赛，最终分析结果显示这场竞赛将对两种技术产生积极的影响。

2 开发工作模式

此次的概念选择以及选择格特拉克（Getrag）公司作为供应商也开启了OEM和供应商之间新型合作模式。

在此次开发项目中，宝马和系统供应商之间的合作比以往更加深入，更加紧密。

通常，OEM在开发工作中的核心任务就是精确地定义要求和接口条件，从而确保零部件和整车匹配适用，确保零部件在整车环境内布置适当。然而，在此次合作项目中，双方面临着特殊的挑战：开发第一款能够和高转速发动机匹配使用，可以批量生产的双离合器变速器产品，并且要求在不到三年时间内开始生产。为了完成任务，该项目从开发工作之初就成立了专门的硬件，功能开发和软件专家工作组，这些专家来自不同的公司，同时开发方法专家也提供相应支持。这些工作组负责从概念阶段和系统设计阶段一直到安全防护阶段的所有开发工作。

3 新型双离合器变速器的技术特征

3.1 齿轮机构

从双离合器变速器开发工作的概念阶段开始，就应该考虑和现有的六档自动变速器在布置上兼容的目标。要实现这个目标，需要变速器扭矩容量高达600Nm以上。这就要求我们定义的变速器概念应该有一个输出常量以及一个安装在侧面的机电单元。这种齿轮机构概念一方面将使变速器齿轮转速提高到一个新的水平，但是另一方面降低了需要同步的扭矩和质量，从而减小了整体尺寸，能够达到规定的布置空间和重量目标。图1显示了该变速器的横截面，包括两个副变速器和中间轴。副变速器I包含一档、三档、五档、七档和倒档齿轮机构，副变速器II包含二档、四档和六档齿轮机构。

该变速器共有七个档位，由于齿轮间隔更加紧密，所以总速比仅为4.8，这是能够适用于任何工况的最佳速比，如图2所示。为了能够允许发动机转速达到图1 齿轮机构 9000rpm，我们把第七个档位设计成直接档，从而避免传动轴转速过快。为了保证这种设计结构在布置时具有足够的离地间隙，开发人员把机电系统安装在了变速器侧面。这就允许驾驶员的手指由原来操作液压换档执行机构直接操作换档杆，因此液压行程很短，能够高效地操作执行结构，满足较高的动力要求。尽管该变速器的齿轮转速已经达到很高水平，但是为了满足现代变速器对工作效率的精确要求，工程设计人员设计了干式油底壳和喷射润滑系统。精确定位的喷嘴保证齿轮机构能够得到适当的润滑，与此同时轴承通过齿轮机构的空心轴进行润滑，如图3所示。

3.2 双离合器

双离合器是传统的多片式离合器，采用径向设计和液体动压平衡原理。离合器通过双质量飞轮连接到发动机上，两个副变速器的输入轴分别连接到内摩擦片支架上。离合器通过一个安装在壳体上的定子连接到变速器上，这个定子还可以作为压力，冷却液和润滑油的输送管道。工程设计人员还进行了很多细节工作，旨在降低变速器阻力矩。例如：为了能够尽快把液压油从离合器中泵出来，甚至是在汽车处于停车静止状态时，工程设计人员把摩擦衬套连接到发动机端的永久旋转式外摩擦片上。

3.3 机电一体化

机电单元安装在双离合器变速器的侧面，和变矩器式行星齿轮自动变速器的结构类似，如图4所示。该机电单元包括一个带传感器的电控模块和液压/执行器模块。 图2 变速器竞争产品之间速比对照 图3 润滑油系统

3.4 执行器和液压系统

从概念设计阶段开始，我们从所有零部件的设计上就能清楚地看到该变速器预期达到的效率目标。该变速器使用一个相对较小的平行轴齿轮泵提供油压，齿轮泵的功率能够满足所有基本要求，不只是基于车辆开始爬坡或者拖曳挂车时所需的最大流量，如图5所示。油泵的这个尺寸确保功率损失处于较低水平。为了达到最佳冷却效果，该变速器还增加了一个喷射增大系数高达2.5的吸引喷嘴泵来辅助齿轮泵的工作。 图4 机电一体化模块

图5 齿轮泵 为了降低系统泄漏，同时节省液压系统的安装空间，我们只把主压力阀设计成导向阀结构。另外，离合器调压器和调速阀都是直接控制阀。为了保证润滑油在整个生命周期内都能满足规定的清洁度要求（整个生命周期内只加注一次），该变速器除了安装自动变速器使用的标准吸滤器以外，还在润滑油管道内安装了一个压力过滤器。实现整个生命周期内只需更换一次润滑油也是一项创新，因为以前的双离合器变速器通常每60，000公里就需要更换润滑油。

3.5 电控模块

该变速器没有使用组合传感器（输入轴速度和离合器温度），而是在DCT电控单元中安装了一个集系统所需传感器于一身的电控模块。换档系统采用混合动力技术，包括Infineon Tricore系列32-位微处理器。通过采用像控制器局域网（CAN），串行外围接口控制器，模拟-数字转换器，输入/输出通道，随机存储器和只读存储器之类的芯片部件，从而为带电源，输出级专用集成电路以及功率半导体的监测处理器腾出了安装空间。

为了确保最佳冷却效果，电控单元的压铸铝壳体浸没在润滑油中，传感器和阀组安装在壳体侧面，通过可伸缩电线连接。直接安装在阀组上的模块插头通过内部线束连接到变速器顶部的外部插头和组合传感器。这也就是说，从温度角度来讲，这种布置能够确保该变速器和汽车电气系统的接口处于最佳位置。

4 功能软件概念

为了能够满足包括从舒适性到动力性在内的所有驾驶行为要求，采用适当的离合器驱动策略至关重要。新BMW335i采用的这款新型变速器不仅能够取代原来的自动变速器，还能够满足以前使用自动变速器消费者对舒适性的所有要求。在M3车型上，这款新型变速器取代了原来的顺序换档自动变速器（SMG），但是却仍然保留了其原有的动力性能，实际上在某些方面超出了原来的动力性能。为了能够有效地衍生其他变形产品，工程设计人员采用一种基于模型的方法研发出该变速器的功能软件。这也就是说通过输入和驾驶行为大致接近的性能参数，可以调整产品的应用。变速器参数和汽车参数的分开允许我们不用提供整个换档顺序的新数据，就可以在新车变形产品上应用。这种离合器控制策略可以在驾驶时产生较为宽泛的驾驶性能。 4.1 与变速器动力性能和效率相关的智能功能

工程设计人员十分注重变速器内部功能的开发，例如：冷却和润滑系统。为了控制油路和保持液压系统的压力处于尽可能低的水平，冷却和润滑系统的启动严格按照要求设计。在变速器执行器按需加压功能的基础上，软件系统能够明显提高变速器效率，降低油耗。

该变速器能够把停车期间的离合器压力降低到只有最小稳态滞后扭矩存在的程度。因此，和变矩器式自动变速器相比，该变速器能够带来显著油耗效益，甚至是在静止断开模式下，如图6所示（基于瞬态油耗）。工程设计人员在离合器断开功能上花费了大量心血，以至于车辆处于静止状态下，驾驶员感觉不到什么时候驱动系统完全断开，因为在断开的时候响应和舒适性不会受到任何损失。为了在极其短暂的响应时间内执行驾驶员命令，不参与传递动力流工作的副变速器采用智能化预测控制策略。该功能能够根据实际驾驶情况，高度精确地让下一个齿轮处于啮合准备状态。这样就可以节省齿轮啮合所需时间，立刻达到要求的动力性能。如果处于没有换档打算的驾驶条件下，为了避免增加不必要的滞后扭矩，从而带来油耗增加的不利因素，该预测功能将留在幕后。 图6 各个阶段的油耗：在静止阶段具有明显优势 4.2 效率，性能和油耗

通过应用上述措施，双离合器变速器能够同时拥有较高的效率和动力性能。尽管由于这款变速器定位为七档运动型轿车变速器，总速比仅为4.8，但是和现有的自动变速器相比，在欧洲新驾驶循环下仍然可以节省5％的燃油，如图7所示。同时，这款双离合变速器和同一级别的产品相比，在性能上也略胜一筹，例如：从0千米/小时加速到100千米/小时所需时间比同一级别产品快0.3秒。

5 行驶特征和汽车应用

基于上面介绍的概念，结合使用灵活的、模块化功能软件，安装了这款双离合器变速器的汽车能够提供良好的动力性和舒适性。图8显示了这款变速器和以前的变速器概念相比，潜在的应用范围。这款变速器的离合器控制系统采用先进的控制策略，允许选择不同的行车程序，所以能够在一辆车上实现从舒适性到动力性整个范围内任何行驶性能。 图7 性能和油耗与其他变速器概念比较结果

图8 各种变速器概念代表的驾驶性能范围