汽车双离合式自动变速箱结构设计毕业设计

学号

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汽车双离合式自动变速箱

结构设计

院（系）名称：

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学生姓名：

指导教师：

2014年6月

学号

密级

汽车双离合式自动变速箱

结构设计

Design of Double Clutch Type Automatic Transmission Structure

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论文提交日期：2014年 6 月12 日

论文答辩日期：2014年 6 月22 日

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摘要

双离合式自动变速箱是新一代的自动变速器。它结合了液力机械自动变速器和电控机械自动变速器的优点，实现了动力换挡、减少了换挡时间、提高了换挡品质、极大地提高了汽车的舒适性和操纵性，已成为汽车变速器新的发展方向。双离合自动变速箱的结构设计对于变速箱换挡性能和制造成本、制造复杂程度的影响至关重要。

本文主要展开了双离合式自动变速器的结构设计，主要进行了以下的工作：在分析了常见的双离合式自动变速箱的结构形式和工作原理基础上首先确定了干式双离合的双中间轴式自动变速器的总体方案。针对双中间轴式DCT的齿轮箱的传动比进行分配就算，确定齿轮轴系的结构，然后对双离合式自动变速器的箱体部分进行设计，最后对主要的零部件：齿轮轴、齿轮、轴承等进行计算校核，结果表明本文的结构设计满足强度要求，设计合理。

本文所设计的干式双中间轴式自动变速器其具体设计过程和校核分析作为具体案例具有参考意义。

关键词：双离合器自动变速器；干式双离合器；双中间轴式

ABSTRACT

Dual clutch automatic gearbox is a new generation of automatic transmissions. It combines the advantages of hydromechanical automatic transmission and electronically controlled mechanical automatic transmission to achieve a power shift, reducing the shift time, improved shift quality, which greatly improves the car's comfort and maneuverability, has become a vehicle new direction transmission, and has broad market prospects. Structural design for the dual-clutch automatic transmission gearbox shift performance and manufacturing costs, manufacturing is crucial influence complexity.

In this paper launched a design dual-clutch automatic transmission, mainly for the following tasks: the analysis of the basic structure and operating principle of the common dual-clutch automatic gearbox on first determine the twin countershaft dual dry clutch Overall program type automatic transmission. For dual-DCT gearbox intermediate shaft gear ratio allocated even to determine the structure of the gear shaft, and then on the housing portion of the dual-clutch automatic transmission design, the final major components: gear shafts, gears, bearings such as checking calculations, the results indicate that the structural design of this paper to meet the strength requirements, reasonable design.

This article is designed dry dual countershaft type automatic transmission to their specific design and verification process analysis with the reference value as a specific case.

Keywords:Dual Clutch Transmission; dry dual clutch;twin countershaft type

目录

第1章绪论 (1)

1.1双离合器自动变速器的产生背景 (1)

1.2 DCT的研究目的及意义 (1)

1.3国内外研究现状 (2)

1.3.1 国外研究现状 (2)

1.3.2 国内研究现状 (3)

1.4选题的研究内容 (4)

第2章DCT的总体方案 (5)

2.1整车主要技术指标 (5)

2.2 DCT的组成和工作原理 (5)

2.2.1 DCT的组成 (5)

2.2.2 DCT工作原理 (5)

2.2.3换档过程 (6)

2.3 DCT常用结构形式 (7)

2.4 双离合器的分析及选用 (10)

2.5 DCT总体设计方案的确定 (11)

2.6 本章小结 (12)

第3章DCT变速箱结构设计计算 (13)

3.1 DCT变速箱总体结构设计 (13)

3.2 DCT齿轮箱结构基本参数设计计算 (14)

3.2.1 DCT的挡位数和传动比设计 (14)

3.2.2 中心距设计 (17)

3.3 DCT齿轮结构参数设计计算 (18)

3.3.1 齿轮形式和材料 (18)

3.3.2 齿轮参数设计 (18)

3.3.3 各挡位齿轮齿数的分配 (19)

3.4 DCT轴的参数设计计算 (23)

3.4.1 轴的结构分析 (23)

3.4.2 轴的结构设计计算 (23)

3.5轴承分析及选用 (26)

3.6变速箱箱体结构设计和密封润滑 (27)

3.6.1 箱体结构设计 (27)

3.6.2 变速箱的密封和润滑 (28)

3.7本章小结 (29)

第4章齿轮轴系的校核 (30)

4.1齿轮强度校核 (30)

4.1.1斜齿轮弯曲强度计算 (30)

4.1.2齿轮接触应力计算 (32)

4.2轴强度校核 (33)

4.2.1轴的刚度验算 (33)

4.2.1轴的强度验算 (36)

4.3轴承强度校核 (38)

4.4本章小结 (39)

结论 (40)

参考文献 (41)

攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成果 (43)

致谢 (44)

第1章绪论

1.1双离合器自动变速器的产生背景

随着社会经济的快速发展，汽车已成为日常中必备的交通工具，步入千家万户，人们对于汽车驾驶的追求已经不再是简单的代步工具。为了满足更多的不同种类的需求，汽车需要有更好的操纵系统，车辆操纵系统已从最开始的手动变速发展到现在的多种自动化变速。如今越来越多汽车公司将生产出来的车辆装备自动变速箱，先后出现了多种自动变速器。这些变速器都是采用机械式传动的自动变速器，可以把传动效率、结构紧凑和复杂度、工作可靠性、燃油经济性和动力性协调到平衡状态，但都有一个问题就是在换挡过程中动力传输中断严重恶化了换挡动力性，降低了换挡舒适性。为了克服换挡动力中断这一问题，通过巧妙的机械结构设计将两个独立的离合器有机耦合为一体的机械离合器自动变速器，这样就可以充分的利用传统变速器的结构简单紧凑、传动效率高、工作可靠的优点[1]。最终由德国工程师设计出世界上第一种采用双离合器结构的机械式自动变速器（DCT）。

1.2 DCT的研究目的及意义

现在主流车辆上应用的变速箱有手动和自动两种变速箱，他们各有优缺点，在不同的驾驶者手里存在不同的感觉。手动挡变速箱换挡时的操控性能够带给驾驶者驾驶的乐趣，但手动变速箱存在换挡动力中断的现象；自动变速箱带给驾驶者的是换挡连贯性，但自动变速箱结构复杂，导致换挡慢，使体验降低。双离合式自动变速箱是一种综合传统的自动变速箱的特点，并发展了它们的优点的新一代自动变速箱。双离合式自动变速箱的主要优势有两方面：第一是对车辆性能的提高，包括对换挡时间、换挡冲击、燃油经济性、加速性能方面都得到了提高；第二方面是能降生产成本，包括采用平行轴式的布置代替结构复杂的行星轮和液力变矩器，使结构简单紧凑，制造复杂程度降，同时因其传动结构与传统的机械齿轮传动相似，只需要在原有手动变速器的生产设备基础上再购入一些特定设备即可生产，生产继承性好，这对于国内很多车企如何解决刚起步就面临转型的压力具有借鉴学习的意义[2-3]。进入二十一世纪以来随着汽车行业的快速发展，我国开始意识到能否掌握自动变速箱技术的自主研发在未来汽车发展中将起到重要影响。双离合器自动变速器在国内的研究才刚刚起步，车企的研发机构和大学校园的研究课题主要针对结构设计、控制理论的研究，在不久的将来能把研究理论结合车企的实际

生产，生产出装备自主品牌的双离合变速箱将对我国自动变速箱的发展起到重要意义。

1.3国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

双离合自动变速器最早出现在二十世纪三十年代末，由德国工程师Kegresse.A设计出第一代的双离合变速器，如下图1.1所示。这是人类汽车史上重大变革，他第一次把手动变速箱改为两大部分来进行设计。其动力通过双个离合器分别传递到与他们相连的两根输入轴上，相邻各挡的从动齿轮分别布置在中间轴上，换挡时，通过控制两个离合器的分离与闭合带动要换挡齿轮交错与两输入轴上主动齿轮啮合，不用切断发动机与变速箱之间连接就能实现传动比的转换。第一代双离合变速箱没有量产，只是在载货车上进行过试验[4-5]。

图1.1 1939 年Kegresse发明的双离合器自动变速器

二十世纪70年代，Porsche把双离合变速器应用到专业赛车上。这种变速器实现了换挡时因动力断开产生的停滞现象，它也没有在赛车之外的车辆上得到广泛应用。

随着电脑集成控制技术快速发展，对双离合式自动变速器的控制方法有了更大的进步空间，并将电子控制的DCT应用到越来越多的车辆上。进入21世纪以来，汽车变速器的研发进入快车道，联合研发使变速器更新换代更快。近年来获得最大成功的要数德国V olkswagen公司与美国Borg Warner联合开发的DCT变速器，如图1.2所示。其中V olkswagen公司主要对变速器主体结构进行制造并对变速器进行初步组装；而Borg

Warner公司主要供应双离合器和机电控制部件，

这些部件可以把手动变速器升级为双离合自动变速器。截至2008年底，除V olkswagen公司外，已有Porsche、BMW、NISSAN、Ford Motor Company、V olvogroup、AudiAG等多家汽车公司生产装备DCT 的车型[6]。

1.3.2 国内研究现状

21世纪初，我国才开始对双离合器自动变速器进行具体的研究。主要研究方向也集中在操控方面，做这些研究的多是大学研究机构或者车企的相关研究所。如吉林大学的牛铭奎、程秀生、葛安林[7-8]等和同济大学的杨伟斌、吴光强[9-10]等对双离合器式自动变速器换档特性及换档品质的研究；重庆大学姚晓涛、秦大同[11]等对干式双离合器自动变速器起步的控制研究；北京理工大学郭晓林[12]、马彪[13]等对湿式离合器充放油过程动态特性的研究。

我国在“十一五”863项目中关于“汽车开发先进技术”重大项目中变速器的开发占了重要比重。2008年8月，中联发实业有限公司成立，通过引进双离合器自动变速器技术，走向自主研发的道路。

在国内，几大汽车企业正在转变发展方向，由直接引进到自主研发自动变速器的过渡。一汽大众正在研发双离合器自动变速器的主要控制单元，上汽集团正在扩大生产线，提高产品竞争力，并且生产出装备自主品牌DCT的车型了。奇瑞汽车经过近十年的研究，在国家863计划的部分DCT成功得到展示，奇瑞第一款干式双离合式自动变速器

图1.2 大众与博格华纳合作生产的DCT 系统

装在车A520上。目前，比亚迪等大型车企也已研究出自主品牌的DCT，并实现了下线装备[14]。安装双离合自动变速器的车型在中国正在进一步受到热捧，政府和企业研究机构正加大投入，使自主品牌的DCT占有更大的市场份额。

1.4选题的研究内容

本课题设计的汽车双离合式自动变速箱，涵盖发动机、双离合器本体、双离合器电机执行机构、双中间轴式变速器、驱动轴—车轮总成。通过查阅文献资料，确定总体结构设计方案，分析校核计算，选择合适的零部件，并绘制装配图即零件图。

课题研究内容：

1)对常见的双离合式自动变速箱的结构形式和工作原理进行分析，选择出本设计

所选用的布置结构；比较干式与湿式双离合器的性能差异，选出双离合器；并确定出本文所涉及的总体结构方案。

2)根据所选总体结构布置方式设计本文所要设计的变速器挡位和分配传动比；根

据机械式齿轮传动的特点，设计齿轮轴系的具体结构尺寸；参考相关车型的双离合变速箱箱体结构，设计本文的变速箱箱体结构和密封润滑方式。

3)最后对变速箱齿轮轴系部分进行校核，包括传动齿轮、齿轮轴、轴承等的校核

计算。确定本文设计的变速箱是否合理。

第2章DCT的总体方案

2.1整车主要技术指标

本文对双离合器自动变速器总体方案的设计主要是对自动变速箱齿轮轴系和变速箱箱体的设计。现在在汽车上已经有比较成熟的双离合式自动变速器，参考同型号的相关车型选出本文设计的主要技术指标如表2.1所示。

表2.1 整车主要参数

其他的要求：箱体的设计参数要参考相关车型变速箱的具体布置和安装尺寸来综合考虑。

2.2 DCT的组成和工作原理

2.2.1 DCT的组成

双离合式自动变速器大体可分为：双离合器部分、齿轮箱和机电控制部分。

三大部分中双离合器模块和齿轮箱是负责动力传输的，把发动机的动力通过离合器和齿轮传动输出到驱动桥上；机电控制部分是双离合自动变速器的大脑，它通过分析行驶状况控制双离合器闭合和挂挡，包括双离合器与换挡的执行机构和各种传感器等。

本设计主要考虑机械传动部分，即设计主要为齿轮箱的传动齿轮轴系和齿轮箱箱体的设计。

2.2.2 DCT工作原理

现在主流的自动变速箱都只有一台离合器，换挡过程要分为三个步骤：第一步离合器分离，第二步拨叉拨动同步器换挡，第三步离合器再结合，所有的挡位切换都要完成这三步。驾驶者在换挡时要先踩下离合器踏板，使离合器断开接触，再另所挂挡齿轮啮合，完成齿合后再松开离合器，再接通发动机动力，这就不能实现动力传递的连续性。

双离合式自动变速器的传动部分是机械式齿轮传动，与传统的手动变速器相似。其工作原理可以理解为两台手动变速箱分别工作，每当换挡时总是两台变速箱交替工作，并把他们放在一个变速箱内。汽车运行时，总有一个挡位的齿轮组啮合，在驾驶者根据

路况要换挡时，车载电脑会根据汽车在不同路况的行驶对驾驶者的换挡意图做出判断，并且预先准备将另一台离合器接合，实际上还没有接合；当换挡时，使用中的离合器分离，带动使用中挡位的齿轮与发动机传来动力中断，同时另一台离合器闭合，已被预先准备挂挡的齿轮啮合。在车辆形式过程中，每个挡位的转换始终都会有一个挡位的齿轮在输出动力，从而不会发生动力传递中断的情形。换挡时只要切换双离合器交替闭合与断开就行，所以，变速器挡位数量的多少，对DCT的工作原理都不会有影响。从换挡开始到结束时间不会超过0.5s，不会让驾驶者感到换挡时所产生的不流畅[15]。

2.2.3换档过程

以双中间轴式布置的自动变速器换挡过程为例，其运动简图如下图2.1所示。

图2.1 双离合自动变速器内部运动简图

如图2.1所示，车辆在行驶时需要从2挡挂到3挡时的换挡过程的动力由发动机输入轴—离合器2—2挡主动齿轮—2挡被动齿轮—同步器—中间轴—差速器—输出轴。挂到3挡后，车载电脑会根据不同路况的行驶情况进行判断，如果车速减慢，则会预挂2挡，如果车辆加速行驶，则会判断可能要加速，预挂4挡。换其他挡位时也是如此。

DCT完成换挡过程与液力自动变速器的换挡时的控制过程相同。其控制原理如图2.2所示[16-17]。

2.3 DCT常用结构形式

现在国内车上比较常用的自动变速器是五挡的，五挡为最高速度的直接挡，进口车型或者中高档车型有使用六挡自动变速箱的，最高档可设置成超速挡，次高挡为直接挡。乘用车的变速器一般都只设置一个倒挡，只有少数跑车等车型才会有两个倒挡。双离合式自动变速器的挡位设置也遵循主流挡位设计，但倒挡的布置却根据结构的不同会有两种形式。一种是倒挡只用一个惰轮传递动力，这就造成这个惰轮要同时承受来自主动齿轮与中间轴上所带来的弯曲应力影响。第二种倒挡是布置两个惰轮，两个惰轮在一根倒挡轴上，一个倒挡齿轮和输入轴上的齿轮连接带动倒挡轴转动，另一个倒挡齿轮通过倒挡轴再与倒挡输出齿轮啮合，传出动力，实现车辆倒退，这样设计使每个倒挡齿轮只受一次弯曲载荷，工作环境更稳定，还可以增大倒挡传动比[18]。

DCT的结构有多种设计形式，在本文中按照齿轮轴的中间轴布置形式分为，可以将其分为两轴式、单中间轴和双中间轴式三种型式。

两轴式DCT：不布置中间轴，将各挡主动齿轮按奇偶挡分别布置在实心输入轴与空心输入轴上，与他们啮合的从动齿轮布置在输出轴上，挂挡时动力传输直接从输出轴输出，如图2.3所示。

优点：结构简单、紧凑。

缺点：（1）挡位不能过多。由于两轴式变速器的挡位都是布置在实心输入轴和输出轴上，挡位数过多时，会增加轴向长度，易使轴弯曲变形。（2）噪声大，磨损较大。车

图2.2 双离合器自动变速系统控制原理图

辆行驶时，高挡位使用时间更久，而两轴式没有直接挡，因此长时间使用高挡位工作会造成齿轮和轴承均受较大负荷，噪声大，也增加了磨损。

应用：这种布置多在中、小型轿车上常见。

单中间轴式DCT ：单中间轴式自动变速器动力传输过程是通过发动机动力—双离合器—输入轴—各挡齿轮副—中间轴—输出轴齿轮—输出轴。输入轴和输出轴同轴线布置，中间轴平行布置外侧。如图 2.4所示单中间轴式DCT结构简图。

优点：能够布置直接挡。

缺点：（1）轴向长度过长。与两轴式一样，单中间轴式DCT的各挡位齿轮都沿轴向布置，挡位数过多会增加轴的长度，使轴强度刚度较低，易变形，不稳定。（2）结构较复杂。每挡的从动齿轮都经过中间轴再传递回输入轴，增加长度的同时还要保证刚度，在中间轴中间要布置支撑保证强度，使箱体变复杂。（3）传动效率低。只有在最高速挡运行时传动效率才比较高，其他挡位传动效率都不高。

应用：常见于较宽的车型上。

图2.3两轴式DCT 传动简图

图2.4 单中间轴式双离合器自动变速器结构简图

双中间轴DCT：布置有两根中间轴，两根中间轴上分别布置者奇数挡位和偶数挡位，奇数挡位的齿轮与实习输入轴连接，偶数挡位的齿轮与空心输入轴连接，换挡时通过控制双离合器的闭合与分离，带动实心输入轴上挡位的齿轮输出动力或空心输入轴上的齿轮输出动力。其结构简图如图2.5 所示。

优点：（1）轴向尺寸较小。奇偶挡从动齿轮分别布置在两根中间轴上，能有效减小轴向尺寸。（2）能布置多个挡位。把挡位分为奇偶挡分别布置在两根中间轴上，使结构紧凑，减小了轴向尺寸和变速器的尺寸。（3）轴强度高。相对于单中间轴和两轴式布置的变速器，双中间轴布置使轴向长度大大减小，有效的提高了轴强度。

图2.5 双中间轴式DCT 结构简图

缺点：（1）径向尺寸变大。由于采用两根中间轴与输入轴的平行布置，在减少轴向尺寸的同时，径向尺寸不得不变大。（2）传动效率较低。每一挡位的动力输出都要经过至少两对齿轮啮合才能将动力输出，每一级齿轮传动都会使传动效率变低，在三种布置中，它的效率最低。

应用：常用在前置前驱动乘用车上，或在需要较大转矩的车型中。

2.4 双离合器的分析及选用

DCT的第一部分为双离合器，双离合器的选择是设计变速箱的第一步。从Luk公司提供的离合器负载指数和能力指数的对比图，让我们对离合器的选用有了更为明确的方向，如图 2.6所示。

在选择双离合器用干式还是湿式时，可以根据表2.2所提供的两种离合器性能对比进行综合考虑[19]。

图2.6 负载指数和能力指数对比分析

结合图2.6和表2.2的分析可以知道：湿式双离合器有快速冷却装置，能使离合器因为摩擦产生的热量迅速冷却，但是结构复杂，成本高。而与之相比，膜片弹簧在干式离合器上的使用弥补了它尺寸大的不足，同时还使干式离合器更易于制造，传动效率也变高，唯一的不足就是不能提供大的转矩，只能应用于轻型车上。

表2.2 两种离合器的性能比较

项目干式DCT 湿式DCT 热负荷性能低高

负载性能50N.m~250N.m 250 N.m ~450N.m

传动效率90%左右85%左右

燃油经济性高较高

成本及维护成本低、易维护成本较高、不易维护结构简单紧凑复杂

质量轻较重

适用车型中、小型乘用车大型轿车、越野车、赛车

储备系数大小

换挡可控性好较好

2.5 DCT总体设计方案的确定

根据上述DCT的组成、工作原理和所确定的传动方案，并结合本文参考的原型车特点和要求，确定本文所要设计的DCT总体方案：

①通过双离合器的选择分析，本文采用干式双离合器的结构。

②通过对常见的三种DCT结构优缺点及其适用的乘用车的布置形式的分析，确定了采

用双中间轴式DCT的布置形式：1挡、2挡、3挡和4挡布置在中间轴1上，5挡和6挡以及倒挡布置在中间轴2上，外加一根倒挡轴用于布置倒挡的两个惰轮。1挡和倒挡齿轮工作时承受较大的载荷，设计时一般都把它们放在支撑附近。其结构简图如图2.7所示。

图2.7 双中间轴式DCT结构简图

③箱体的设计和润滑密封要参考有关车型的变速箱结构，还要考虑齿轮轴的装配和变

速箱在整车上的安装。

2.6 本章小结

本章详述了双离合器自动变速器的基本工作原理和结构特点。双离合器自动变速器的基本工作原理相当于采用了两个机械式自动变速器交替工作，使车辆在行驶换挡过程中实现动力的不中断传递。分析了DCT的三种布置形式的结构特点，通过分析比较最终确定了双中间轴式布置的机械式齿轮传动结构，变速器具有轴向间距小，能够布置6个挡位，安装在前置发动机的车辆上。比较了干式与湿式双离合器的特性，通过性能分析、适用范围分析以及参考同类型车型的相关应用选出本设计的双离合器为干式双离合器。

第3章DCT变速箱结构设计计算

3.1 DCT变速箱总体结构设计

本文设计的DCT齿轮箱总体结构如图3.1所示。两根输入轴分别与双离合器相连，换挡时通过对两个离合器的离合，控制两根输入轴传递动力。1挡、2挡、3挡和4挡从动齿轮布置在中间轴1上，5挡和6挡从动齿轮布置在中间轴2上，并且奇数挡主动齿轮布置在实心输入轴上，偶数挡主动齿轮布置在空心输入轴上，倒挡采用两个惰轮布置在倒挡轴上。从动齿轮通过同步器与输出轴连接传递动力。各轴的布置位置如图3.2所示。

图3.1 双中间轴式变速箱装配图

1—2挡齿轮；2—4挡齿轮；3—3挡齿轮；4—1挡齿轮；5—5挡齿轮；6—倒挡齿轮R1；

7—6挡齿轮；8—倒挡齿轮R2；9—倒挡轴；10—中间轴2；11—空心输入轴；

12—实心输入轴；13—中间轴1

变速箱采用整体式箱体，分为两部分，主箱体主要是安装齿轮轴系，箱体盖主要是用于离合器的安装和变速箱整体安装在车上。箱体两部分采用密封圈密封，也用调整轴

向间隙。各部件具体设计过程如下。

图3.2 各轴的空间布置

1—中间轴1；2—实心输入轴与空心输入轴；3—倒档轴；4—中间轴2

3.2 DCT齿轮箱结构基本参数设计计算

3.2.1 DCT的挡位数和传动比设计

本设计采用的是六挡自动变速器，计算具体齿轮轴系需要先确定各挡的传动比，再根据传动比和齿轮模数才能设计出具体齿轮轮轴系的布置位置。

①挡位数的选择

本文设计的车型变速箱的安装为前横置，发动机和变速器安装在同一轴线上。如图3.3所示。