關于模塊化雙離合器系統(tǒng)應用分析

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商用車降低燃油耗有助于大幅降低其總運行成本。IAV公司目前已開發(fā)出一種可按負荷工況換擋的雙離合器變速器，因其具有模塊化結構從而能適用于眾多場合，無論是整車效率還是駕駛舒適性都可得以提高。

1 起因

根據(jù)當前的交通預測，在未來數(shù)年間貨物運輸量將得以進一步增長。為了實現(xiàn)較高的成本效益，商用車需盡可能保持較低的總經(jīng)營成本（TCO），而動力傳動系統(tǒng)降低燃油耗即可對此作出相應貢獻，其中實現(xiàn)內燃機轉速的低速化就是一種較為常見的技術途徑。模擬計算表明，降低發(fā)動機轉速即可降低燃油耗，但同時也增加了換擋過程的頻率,特別是帶有中斷牽引力傳遞的變速器在行駛舒適性、行駛性能和燃油耗方面均存在缺陷。

因此可按負荷換擋的變速器，例如行星自動變速器（AT）或雙離合器變速器（DKG），都能替代目前市場上流行的基于單片干式離合器和自動換擋過程（ATM）的圓柱齒輪變速器，因為其能避免牽引力傳遞的中斷。有關一次能量需求的其他正面效果可通過動力傳動系統(tǒng)的混合動力化來實現(xiàn)，而致力于模塊化系統(tǒng)，則有助于降低開發(fā)此類傳動系統(tǒng)的成本，該類模塊化系統(tǒng)能將更多的同類零部件應用于多種用途。

2 模塊化系統(tǒng)的方案開發(fā)

采用一個12檔變速器及不小于17的傳動比跨度即可滿足從長途交通運輸載重車（HD On-Road）直至重型建筑機械的用途要求。理論上，實現(xiàn)該檔位數(shù)的DKG齒輪組可配裝或不配裝梯級齒輪組（Range-Gruppe）（譯注：指圖1右圖右側綠色標出的以行星齒輪為基礎的齒輪組）以及配裝一根或兩根中間軸，借助于計算機輔助合成程序所產(chǎn)生的全部齒輪組布置方式并予以評估。

首先考察無梯級齒輪組的變速器系統(tǒng)在結構上的可行性表明，該類齒輪組（圖1中的A和B）用于目標用途則不太合適。與此相比，帶梯級齒輪組的齒輪組（圖1中的C和D）由于降低了圓柱齒輪級上的扭矩負荷以及較高的扭矩容量可充分顯示出其結構上的優(yōu)勢。同時為了減小變速器的軸向尺寸，首先應考慮基于具有兩根中間軸的齒輪組（圖1中的D）。該類齒輪組的布置能借助于中間軸的嚙合而巧妙地集成倒車檔，為此可取消單獨的一個齒輪組平面。

圖1 用于DKG的功能模塊和可能的齒輪組布置的模塊化系統(tǒng)

目前關于起步性能和換擋性能，以及動力傳動系統(tǒng)混合動力化的可能性等方面的要求均存在較大差異，從而要求通過不同的功能模塊來實現(xiàn)（圖1左圖）。

3 12檔雙離合器變速器的齒輪組

圖2所示的變速器結構是試驗方案中關于所規(guī)定的目標用途和眾多性能等方面的一種有效折中方案。

圖2 用于重型商用車的12檔DKG變速器結構和換擋邏輯

齒輪組可被分成主變速器和以行星齒輪組為基礎的梯級齒輪組。主變速器的4個齒輪平面被用于形成6個前進檔和3個倒車檔，同時借助于可換擋的兩檔梯級齒輪組可使檔位數(shù)加倍，從而總共能獲得12檔幾何級前進檔，使傳動比跨度達到17.4，因此能同時獲得出色的爬坡性能并有效降低內燃機轉速。

主變速器的第一檔傳動比通過所有4個齒輪平面?zhèn)鬟f來實現(xiàn)，由此在主變速器的整個齒輪組中可實現(xiàn)有利的小傳動比（0.98≤≤1.9）。除了主齒輪組具有非常緊湊的徑向結構之外，該性能還使得檔位選擇期間轉速同步時的慣性矩和摩擦功都較小。

對于公路建設和采礦等非道路運輸應用場合，覆蓋了寬廣速度范圍的多個倒車檔位是具有顯著功效的，因為在該類場合時通常會在倒車方向行駛較長的距離。變速器為該類特殊的應用場合提供了傳動比跨度為1.65的3個倒車檔（見圖2），并可根據(jù)負荷進行換擋。這三種倒車檔還能利用梯級齒輪組的直接傳動，因此倒車行駛范圍總的傳動比跨度可提高到7.9。

在當前的應用情況下，通過變速器系統(tǒng)中一個合適的器件就能使由此所獲得的第三與第四檔間較大的傳動比間隔并實現(xiàn)方便地換檔，例如Voith公司的VIAB渦輪液力制動離合器。如果需在長途交通運輸應用場合中應用且無需擴大倒車行駛范圍功能的話，那么可通過取消換擋件E使變速器調整為僅有兩個倒車檔可供使用。與現(xiàn)有倒車檔需要一個單獨齒輪組平面的變速器不同，新開發(fā)的DKG方案則利用了兩根中間軸上的齒輪嚙合來實現(xiàn)反向旋轉。采取這種在轎車DKG中流行的緊湊布置結構就能將主齒輪組的長度縮短約50 mm。

新開發(fā)齒輪組方案的一個重要組成部分是采用中心同步單元在DKG無負荷支路預選其所要轉換的檔位，以此就能使用爪齒換檔件替代主齒輪組中的同步過程，從而既能減少開式同步單元中的牽引損失又能降低主齒輪組的軸向結構空間需求。依靠外圓錐體摩擦裝置滑動套筒的方向，齒輪組的轉速能相對于換擋的爪齒離合器調整到相對較低的轉速，為此同步軸上的圓柱齒輪的齒數(shù)需與齒輪平面之間的轉速比相匹配。在現(xiàn)有的齒輪組中，在齒輪平面1和3上的同步軸齒輪與中間軸上的惰齒輪相嚙合。齒輪平面2僅需要附加可自由調整傳動比的圓柱齒輪級。

圖3中以用于翻斗車上齒輪組的示范性應用結構，示出了新變速器結構的應用潛力。確定尺寸的基礎是變速器驅動軸上550 kW的最大輸入功率和高達3 500 N·m的扭矩。在該方案中，齒輪組與用于主變速器換檔的濕式雙離合器（DK）和Voith公司的VIAB渦輪液力制動離合器組合在一起，能可靠地滿足重型非道路運輸用途對起步時的高要求，此外以該方式還能高響應性地與渦輪離合器相匹配，從而即可調整可傳遞的扭矩。

圖3 12檔DKG變速器與濕式雙離合器和VithVIAB組合的縱剖視圖

VIAB渦輪液力制動離合器在低轉速時就能較為理想地傳遞在內燃機側可供使用的扭矩，這樣與齒輪組自身較大的機械傳動比跨度相組合，即可獲得了比通常液力變扭器自動變速器更優(yōu)的效果。雖然該變扭器能傳遞的扭矩有所提高,但是在低轉速時甚至在發(fā)動機輸出最大扭矩時其只能吸收發(fā)動機扭矩的一部分,因此該變扭器的實際輸出扭矩小于發(fā)動機的最大扭矩。對于整個系統(tǒng)而言，VIAB渦輪液力制動離合器就顯得更為合適，因為其與液力變扭器相比，在相同的扭矩情況下其徑向尺寸更為緊湊，因而能很好地集成到相應的結構空間中。

除了上述已提到的VIAB在性能和幾何尺寸方面的優(yōu)點之外，由于其同時還具有強勁的初始減速器功能，因此通過齒輪組的相應設計，即可在變速器輸入側提供高達3 500 N·m的制動力矩。在該結構型式情況下，變速器的總長度約為1 300 mm。由于其軸向長度較短，可顯示出齒輪組的潛力，因此也可將P2混合動力模塊集成到變速器中，如圖4所示。

圖4 用于未來重型商用車的集成P2混合動力模塊的雙離合器變速器

4 高集成執(zhí)行機構模式

全新的12檔DKG變速器配裝了緊湊的氣動執(zhí)行機構系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能實現(xiàn)離合器的控制又能執(zhí)行換擋功能（圖5）。此類高功能設計可將功率電子器件和傳感器組件集成到執(zhí)行機構模塊的空間中，因此就能在該模塊中直接采集執(zhí)行單元的調節(jié)距離、工作壓力以及變速器的溫度和軸轉速。

圖5 用于重型商用車的12檔DKG變速器的氣動執(zhí)行單元

執(zhí)行單元應用了充分改良的新技術，不是采用單個組合閥而是使用了能自由定位的單體閥，因此能更好地利用結構空間，并且可取消附加構件。此外，取消單個組合閥就有條件使用分配模塊內部空氣的全新方案，為此在主變速器殼體中集成了一個空氣接頭和空氣通道。這種改善性能的組成部分制造起來將會更為復雜，同時為了降低加工的難度，可在殼體中鑲鑄空氣管道。

緊湊的變速器電控單元在與傳統(tǒng)的自動變速器（AMT）相同的結構空間中實現(xiàn)了重型商用車現(xiàn)代12檔DKG變速器的所有執(zhí)行機構任務。通過執(zhí)行機構系統(tǒng)的模塊化結構，使該類變速器僅以很少的改動也能用于傳統(tǒng)的自動化手動變速器。

5 結語和展望

可按負荷換擋的變速器為降低重型商用車燃油耗提供了一定的技術開發(fā)潛力。為了設計出經(jīng)濟性較好的變速器，從而有助于降低總經(jīng)營成本，因此開發(fā)出能應用于寬廣應用領域的模塊化系統(tǒng)是充滿前景的。本文所介紹的12檔DKG變速器齒輪組是一種對重型商用車領域適用性較好的折中方案。

這種齒輪組與用于可按負荷換擋的濕式雙離合器和作為起步和制動器件的Voith公司VIAB渦輪液力制動離合器相組合，就能將這種變速器系統(tǒng)應用于非道路運輸領域。各種不同的功能模塊，例如干式雙離合器或P2混合動力模塊（圖6），都有助于提高長途交通運輸?shù)男?。在該結構型式中，模塊化系統(tǒng)同樣能充分發(fā)揮作用，以達到較好的加速能力。

圖6 用于移動式工作機械的帶有功能模塊的模塊化12檔DKG變速器