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DCT自动变速箱发展现状及趋势
2019-08-27 00:21:58· 来源：EDC电驱未来
双离合器式自动变速箱（Dual Clutch Transmission，简称DCT）是基于平行轴式手动变速箱的动力传递原理创新开发而来。创新性的将变速箱的奇数挡和偶数挡分别布置
双离合器式自动变速箱（Dual Clutch Transmission，简称DCT）是基于平行轴式手动变速箱的动力传递原理创新开发而来。创新性的将变速箱的奇数挡和偶数挡分别布置在与两个离合器所联接的两根输入轴上。挡位切换是通过精确控制两个离合器的分离与结合，进而完成扭矩传递路径的切换来实现的。得益于高效的齿轮传动和独特的换挡原理，DCT变速箱具有传动效率高、换挡动力连续、换挡舒适性好、生产成本低等优点。非常适合我国以手动变速箱生产设施为主的基本国情。DCT变速箱自问世以来，经过不断改进升级以及相关技术进步，产品性能得到了全面提升。因此，越来越多的车企投入到DCT的开发当中并陆续有新产品问世。根据相关机构预测，DCT变速箱的市场份额在未来5到8年内会得到进一步提高。特别是在自主品牌市场中，DCT应用会更加广泛，市场占有率将会进一步提高。
1 DCT变速箱工作原理及特点分析
1.1 DCT的工作原理
图1所示为一个典型的6速、双中间轴的DCT结构原理示意图。为了实现动力换挡，将奇数挡（1、3、5挡与倒挡）与离合器C1相连。偶数挡（2、4和6挡）与离合器C2相连。C2的输出轴为一个实心轴，C1的输出轴为套在C2实心输出轴外的一个空心轴。从结构上看DCT由2个彼此独立的齿轮传动装置组成，每个传动装置的功能和手动变速箱相同，且均配置一个离合器。正常行驶过程中始终有一套传动齿轮用于传递动力，而另外一套传动齿轮则根据换挡规律预先挂入下一个即将工作的挡位。
图1 DCT传动系统结构示意图
1.2 DCT换挡过程分析
以1挡升2挡为例对DCT换挡过程进行分析。其它挡位的切换过程与此类似。当车辆运行于1挡时，离合器C1处于结合状态，传递发动机转矩。离合器C2处于分离状态而不传递转矩。当车辆逐渐加速至2挡换挡点前的某一速度时，用于控制2、4挡的同步器SYN42动作，预先挂上2挡。因为此时离合器C2尚处于分离状态而不传递转矩，因此车辆仍以1挡行驶。当车辆速度达到换挡点速度时，离合器C1逐渐分离，C2逐渐结合，最终完成换挡过程。因为同步器挂挡动作发生在换挡操作之前完成，因此同步器的动作对于换挡品质几乎没有任何影响。
1.3 DCT变速箱的特点分析
目前市场上最为常见的自动变速箱有如下几种：
（1）液力变矩器式自动变速箱（AT）。AT变速箱受限于整体效率较低的缘故，整车燃油经济性相对较差，但是换挡舒适性和可靠性较佳。从早期的4速AT逐渐发展到6速，甚至8速和9速，一定程度上提高了整车燃油经济性并进一步提高了换挡舒适性。
（2）无级自动变速箱（CVT）。CVT通过钢带或钢链可以实现速比的连续切换，消除了有级式自动变速箱换挡过程带来的换挡冲击，从而带来极佳的换挡舒适性。与此同时，通过速比连续变换可以确保发动机工作在高效区间，更好的平衡了整车燃油经济性。
（3）机械式自动变速箱（AMT）。基于传统手动变速箱加装自动换挡机构和自动离合器操纵机构实现自动换挡功能，降低了驾驶员的劳动强度，且保持了和MT一样的燃油经济性。但是换挡舒适性较差。
（4）双离合器式自动变速箱（DCT）。DCT可以看作是2个AMT协同工作，因此，保留了AMT优点的同时，也极大的提高了换挡舒适性。DCT变速箱按照离合器种类不同，可以分为两大类：干式DCT和湿式DCT。干式DCT效率较高，湿式DCT则更加稳定可靠。
基于对不同自动变速箱的原理分析以及实际整车测评，在换挡舒适度和燃油经济性方面，各种变速箱表现如图2所示。
而如果从变速箱的性能、开发难度、成本等方面进行比较，总体情况如表1所示。
2 DCT变速箱的发展历史及现状
2.1 DCT变速箱的发展历史
图2 各种自动变速箱在换挡舒适度和燃油经济性方面的表现
表1 各类自动变速箱综合比较
DCT的发展历史可以分为如下三个主要阶段：
（1）概念设计阶段。1940年，Darmstadt大学教授Rudolph Franke第一个申请了双离合器变速箱专利。曾基于卡车搭载该变速箱样机进行过相关试验，但是最终没有实现量产。
（2）少量应用阶段。1985年，奥迪将双离合器技术应用于赛车上，当时被命名为“Audi Sport Quattro S1赛车配合双离合器技术”。得益于双离合器的快速换挡，使得当时奥迪赛车获得多项赛事的胜利。同年，保时捷公司也将双离合器（Porsche Doppel Kupplungen，简称PDK）技术应用在跑车上。
（3）广泛应用阶段。到了20世纪90年代末期，大众和博格华纳合作开发并生产第一个适用于批量生产的DualTronic(R) 双离合变速箱。博格华纳通过使用新的电子液压元件使DCT得以实现产业化。2002年，DCT应用在大众高尔夫R32和奥迪TT V6上。2003年开始，DCT变速箱相继被推广到高尔夫等其他车型上。2007年底，匹配DCT的轿车在全球范围已经超过100万辆。DCT变速箱得到广泛应用。
2.2 全球DCT变速箱的发展现状
自从2002年以来，DCT变速箱在乘用车上得到了迅速推广。广泛应用阶段也经历过三次大的技术革新。
第一代，主要代表产品是大众公司的DQ250和德国格特拉克公司的DCT450等产品，分别应用在大众高尔夫和福特蒙迪欧等车型上。这一代DCT变速箱的显著缺点就是变速箱整体效率较低，搅油损失较高。同时，不能按需控制的机械泵也加大了发动机的负载，影响了整车的燃油经济性。
第二代DCT产品，为提高效率，降低整车油耗，具有二个显著变化点。
（1）由干式离合器代替了效率较低的湿式离合器。
（2）由电子油泵代替了由发动机驱动的机械油泵。
上述两项改进措施提高了变速箱传动效率。电子油泵的应用，也可更好的支持发动机自动起停功能，进一步降低了整车油耗。2008年初，大众在高尔车上搭载采用干式双离合器技术的第二代DCT。同期，福特汽车也发布了与德国格特拉克公司合作开发的新型DCT变速箱，即Powershift变速箱。然而，在提高了变速箱传递效率和整车燃油经济性的同时，干式双离合器容易过热的问题开始凸显。离合器过热会带来车辆行驶有顿挫感，甚至会导致TCU控制离合器完全分离，整车失去行驶动力。为解决上述问题，第三代DCT产品应运而生。
第三代DCT为了改进上一代离合器容易过热问题，将干式离合器重新换装为湿式离合器。但相比第一代DCT则有了更多的关于提高燃油经济性方面的设计改进。比如，离合器润滑系统根据油温反馈进行的实时闭环控制，做到按需润滑，从而最大限度的降低离合器的拖拽损失和油泵机械损失。同时，依然保留了第二代产品的电子油泵。而在一些大扭矩变速箱上，为了进一步降低功耗，还采取了机械泵和电子泵双泵设计。通过优化变速箱内部轴齿润滑系统，减少了变速箱油的加注量，降低了搅油损失。这一代DCT则有更多代表产品，比如大众公司DQ380，格特拉克公司的7DCT300，6DCT150，奔驰公司的7G-DCT等。
三代DCT产品特点如表2所示：
表2 三代DCT产品比较
2.3 中国DCT变速箱发展现状
随着大众将DCT变速箱引入中国并成功推广，国内多家自主品牌车企也相继投入到DCT开发之中。
以上汽为主开发的DCT360于2014年成功应用在荣威等车型上并顺利投放市场。一汽自主开发的7速DCT也应用于红旗车型。2012年东风集团与格特拉克公司联合研发生产小扭矩湿式DCT150。吉利曾经在2009年的上海车展上首次展示了自主开发的7速DCT。最新上市的博瑞GE等车型也配置了DCT变速箱。比亚迪相继开发了传统DCT以及混动DCT并应用在旗下多款车型上。广汽、江淮、奇瑞等均有相应的自主开发DCT产品问世。
3 DCT变速箱的发展趋势
纵观DCT变速箱的发展历史，每一代产品技术的改进升级都是围绕着提高产品可靠性、效率、换挡舒适性，降低重量、体积和成本这几个方面进行。发展至今，DCT变速箱已经达到可以媲美AT自动变速箱的换挡舒适性的同时，极大的提高了整车燃油经济性。通过对工信部公告油耗数据统计分析，证明匹配DCT变速箱相比AT变速箱，整体燃油经济性提高6%左右。
3.1 DCT变速箱市场份额预测
根据IHS相关数据，合资品牌的紧凑型、小型车中，2017年DCT变速箱在自动变速箱车型中所占比例大概为33%，到2025年，这一比例将逐步提升到55%左右。
而对于国内自主品牌车企来说，正如前文所述，DCT变速箱更适合中国的变速箱产业基础，因此，DCT变速箱的应用比例会得到较大的提高。2017年，在自动变速箱车型中DCT所占比例大概为40%，而到了2025年则将会提高到70%左右。
3.2 DCT变速箱技术发展趋势
随着技术进步和消费者要求的提高，DCT变速箱在如下方面将会有进一步的发展和进步：
（1）NVH性能进一步提高：通过硬件设计优化及软件控制逻辑的优化，提高变速箱的NVH水平，主要体现在降低换挡过程拨叉噪音，降低松踩油门过程中的齿轮敲击声音等，带给乘客更加舒适的体验。
（2）控制系统智能化：通过控制系统的自学习功能，针对车辆状况的变化及时进行自适应调整，提高驾驶体验；通过优化变速箱起步策略，降低起步过程中抖动水平。充分考虑油门变化率、坡度、车重等其它信息，优化换挡规律，避免不必要的升降档等。
（3）机械部件电子化：越来越多的机械零部件被电子元器件取代，比如变速箱内置的线控换挡ETRS等。
（4）系统高度集成化：传感器、控制器、电磁阀等零部件逐渐高度集成为一体，提高可靠性，减少体积和成本；电机作为驱动单元之一与变速箱高度一体化将会大大提高整个驱动系统的效率，从而实现驱动系统轻量化和小型化。
3.3 DCT变速箱在混合动力车型上的发展趋势
随着国家对于排放要求的日趋提高以及油耗双积分政策的实施，各种形式的混合动力技术逐步推广。DCT变速箱本身具有良好的燃油经济性这一先天优势。因此，基于DCT变速箱的混合动力技术层出不穷。比如48v微混系统的P0布置方案，与变速箱结合一体的P2、P2.5等中混和强混布置方案。综合成本、体积、油耗改进效果等多方面因素综合考虑，与变速箱集成一体的P2和P2.5方案成为自主开发车型的主流方案之一。而专用混合动力开发的DCT变速箱则成为下一代DCT产品的热点之一。
3.4 DCT变速箱在纯电动汽车上的发展趋势
纯电动汽车则作为国家能源战略的重要一环，则是近期的发展重点之一。通常来说，采用电机作为驱动源的汽车，为了提高车辆续航里程，减少驱动电机的体积和重量，2级变速箱将会扮演不可或缺的角色。基于DCT原理开发的2档变速箱，只需要通过离合器的切换就可实现2个档位，不需要执行同步器的挂档等操作，可以有效平衡换挡舒适性和加速动力性，从而实现驱动系统整体性能提升。
4 DCT变速箱产品开发的关键技术与难点
尽管DCT变速箱从本质上具有传动效率高、换挡速度快等先天优势，然而，在产品开发实践中，仍然存在许多关键技术需要突破，同时也面临着一些开发难点。
4.1 DCT变速箱开发的关键技术
（1）双离合器模块的开发：湿式双离合器主要由博格华纳等少数全球供应商开发提供。干式双离合器核心技术也主要掌握在舍弗勒和法雷奥等少数供应商手中。双离合器模块作为DCT变速箱的重要组成部分，很大程度上决定了DCT的性能和耐久。国内在该领域的自主开发亟需突破。
（2）DCT起步控制策略[6]：装有DCT车辆的起步是靠离合器主从动片的滑磨直至同步而实现车辆的起步过程的。通过优化离合器的动力学模型、完善离合器结合的控制策略及提高离合器执行机构的跟踪品质，是提高车辆起步性能的主要途径。
（3）智能换挡规律的制定：DCT变速箱由于存在预选挡的概念，因此，基于两参数换挡规律的基础上，考虑油门踏板变化率以及车重、道路坡度等信息对换挡规律，包括预选挡规律进行优化，避免频繁的意外的升降挡动作，从而提高整车NVH表现和换挡舒适性，提高换挡机构的寿命。
4.2 DCT变速箱产品开发的难点
（1）DCT变速箱的NVH优化
基于齿轮传递运动和动力，通过换挡拨叉推动同步器换挡等这样的基本原理，在带来传递高效的同时，也带来了齿轮啸叫、换挡拨叉噪音和齿轮敲击等NVH问题。通过提高齿轮制造精度、降低齿轮传递误差、降低齿侧间隙、优化换挡拨叉控制和离合器扭矩控制等方式，可以显著改进这些NVH表现，提升客户满意度。
（2）DCT主动热管理技术
无论是干式离合器还是湿式离合器，都需要开发出一个高效的热管理系统。相比干式离合器，湿式离合器可以有效改善离合器的抗热负荷能力，是将来DCT产品的主要发展趋势。但为了最大限度提高变速箱效率，则需要对离合器的热管理做到按时、按需定量冷却润滑。
（3）DCT系统诊断策略的优化
系统的复杂程度越高，对相关零部件的可靠性要求也越高。准确且合理的故障诊断策略开发，可以避免因为错误诊断导致变速箱中断动力的情况发生。同时开发合理的跛行策略，确保变速箱最大限度实现基本功能，提高用户满意度。
5 结论
本文基于DCT变速箱的结构、工作原理和特点，DCT的发展历史，预测了DCT的发展趋势，得出如下结论：
（1）DCT变速箱是手动变速箱的基本原理，创新开发而来，因而具有传动效率高、可靠性高等优点。通过双离合器传递动力的切换，实现了动力不间断换档。同时具备较好的动力性和舒适性。综合了手动变速箱和自动变速箱的优点于一身，发展前景较广阔。
（2）DCT的机械结构部分同AMT类似，开发难度相对较低。难点在于控制系统的开发设计。尤其是换挡逻辑的制定和离合器的控制策略。因此，开发初期，特别是软件开发方面投资较大。但是批量生产以后，物料成本将低于AT和CVT，综合成本较低。
（3）DCT可以充分利用现有的手动挡变速箱生产线和加工制造经验，供应链和制造体系继承性好，在国内具有较好的产业化基础。
（4）国内企业在自主开发DCT的过程中，除了专注于匹配纯燃油车的产品开发之外，还应做好模块化开发和DCT产品平台化规划。通过产品模块化开发，达到涵盖传统、混动以及纯电动等不同车型的应用需求并最大限度的降低研发投入、物料成本和开发周期。同时，需要针对DCT核心零部件技术进行研发突破，打破垄断，如双离合器、控制模块等。
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