DCT自動變速箱發展現狀及趨勢分析

張曉明 汪新云

摘? 要：本文介紹了雙離合器式自動變速箱（DCT）的工作原理，對比分析了DCT與其它自動變速箱的優缺點。介紹了DCT變速箱的發展歷史，現階段國際和國內DCT開發狀態。就傳統燃油車、混合動力車以及純電動整車上DCT的發展前景進行了展望?；诂F有市場情況預測了國內市場上DCT變速箱的發展趨勢。論述了DCT開發過程中的關鍵技術及難點問題。指出DCT變速箱最為符合中國以手動變速箱生產為主的產業基礎，具有較好的發展前景。

關鍵詞：DCT;雙離合器;自動變速箱;工作原理;燃油經濟性;趨勢分析

中圖分類號：U463.212+.1? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1005-2550（2019）03-0022-06

Abstract： Introduce the principle of dual clutch transmission. Analyze the advantage and disadvantage between DCT and other automatic transmission. Introduce the development history， current status of DCT within global and domestic. Point out the development trend of DCT in traditional vehicle， hybrid vehicle and pure electric vehicle. Estimate the volume of DCT in future based on current application status. Conclusion is that there is broader space for DCT development in China as it is more coincide with the situation of the transmission industry in our country.

Key Words： DCT; Dual clutch; Automatic Transmission; Work Principle; Fuel Economy; Trend analysis

引言

雙離合器式自動變速箱（Dual Clutch Transmission，簡稱DCT）是基于平行軸式手動變速箱的動力傳遞原理創新開發而來。創新性的將變速箱的奇數擋和偶數擋分別布置在與兩個離合器所聯接的兩根輸入軸上。擋位切換是通過精確控制兩個離合器的分離與結合，進而完成扭矩傳遞路徑的切換來實現的。得益于高效的齒輪傳動和獨特的換擋原理，DCT變速箱具有傳動效率高、換擋動力連續、換擋舒適性好、生產成本低等優點。非常適合我國以手動變速箱生產設施為主的基本國情。DCT變速箱自問世以來，經過不斷改進升級以及相關技術進步，產品性能得到了全面提升。因此，越來越多的車企投入到DCT的開發當中并陸續有新產品問世。根據相關機構預測，DCT變速箱的市場份額在未來5到8年內會得到進一步提高。特別是在自主品牌市場中，DCT應用會更加廣泛，市場占有率將會進一步提高。

1? ? DCT變速箱工作原理及特點分析

1.1? ?DCT的工作原理

圖1所示為一個典型的6速、雙中間軸的DCT結構原理示意圖[1] 。為了實現動力換擋，將奇數擋（1、3、5擋與倒擋）與離合器C1相連。偶數擋（2、4和6擋）與離合器C2相連。C2的輸出軸為一個實心軸，C1的輸出軸為套在C2實心輸出軸外的一個空心軸。從結構上看DCT由2個彼此獨立的齒輪傳動裝置組成，每個傳動裝置的功能和手動變速箱相同，且均配置一個離合器。正常行駛過程中始終有一套傳動齒輪用于傳遞動力，而另外一套傳動齒輪則根據換擋規律預先掛入下一個即將工作的擋位。

1.2? ?DCT換擋過程分析

以1擋升2擋為例對DCT換擋過程進行分析。其它擋位的切換過程與此類似。當車輛運行于1擋時，離合器C1處于結合狀態，傳遞發動機轉矩。離合器C2處于分離狀態而不傳遞轉矩。當車輛逐漸加速至2擋換擋點前的某一速度時，用于控制2、4擋的同步器SYN42動作，預先掛上2擋。因為此時離合器C2尚處于分離狀態而不傳遞轉矩，因此車輛仍以1擋行駛。當車輛速度達到換擋點速度時，離合器C1逐漸分離，C2逐漸結合，最終完成換擋過程。因為同步器掛擋動作發生在換擋操作之前完成，因此同步器的動作對于換擋品質幾乎沒有任何影響[2]。

1.3? ?DCT變速箱的特點分析

目前市場上最為常見的自動變速箱有如下幾種：

（1）液力變矩器式自動變速箱（AT）。AT變速箱受限于整體效率較低的緣故，整車燃油經濟性相對較差，但是換擋舒適性和可靠性較佳。從早期的4速AT逐漸發展到6速，甚至8速和9速，一定程度上提高了整車燃油經濟性并進一步提高了換擋舒適性。

（2）無級自動變速箱（CVT）。CVT通過鋼帶或鋼鏈可以實現速比的連續切換，消除了有級式自動變速箱換擋過程帶來的換擋沖擊，從而帶來極佳的換擋舒適性。與此同時，通過速比連續變換可以確保發動機工作在高效區間，更好的平衡了整車燃油經濟性。

（3）機械式自動變速箱（AMT）?；趥鹘y手動變速箱加裝自動換擋機構和自動離合器操縱機構實現自動換擋功能，降低了駕駛員的勞動強度，且保持了和MT一樣的燃油經濟性。但是換擋舒適性較差。

（4）雙離合器式自動變速箱（DCT）。DCT可以看作是2個AMT協同工作，因此，保留了AMT優點的同時，也極大的提高了換擋舒適性[3]。DCT變速箱按照離合器種類不同，可以分為兩大類：干式DCT和濕式DCT。干式DCT效率較高[4]，濕式DCT則更加穩定可靠。

基于對不同自動變速箱的原理分析以及實際整車測評，在換擋舒適度和燃油經濟性方面，各種變速箱表現如圖2所示。

而如果從變速箱的性能、開發難度、成本等方面進行比較[5]，總體情況如表1所示。

2? ? DCT變速箱的發展歷史及現狀

2.1? ?DCT變速箱的發展歷史

燃油經濟性方面的表現

DCT的發展歷史可以分為如下三個主要階段：

（1）概念設計階段。1940年，Darmstadt大學教授Rudolph Franke第一個申請了雙離合器變速箱專利。曾基于卡車搭載該變速箱樣機進行過相關試驗，但是最終沒有實現量產。

（2）少量應用階段。1985年，奧迪將雙離合器技術應用于賽車上，當時被命名為“Audi Sport Quattro S1賽車配合雙離合器技術”。得益于雙離合器的快速換擋，使得當時奧迪賽車獲得多項賽事的勝利。同年，保時捷公司也將雙離合器（Porsche Doppel Kupplungen，簡稱PDK）技術應用在跑車上。

（3）廣泛應用階段。到了20世紀90年代末期，大眾和博格華納合作開發并生產第一個適用于批量生產的DualTronic（R） 雙離合變速箱。博格華納通過使用新的電子液壓元件使DCT得以實現產業化。2002年，DCT應用在大眾高爾夫R32和奧迪TT V6上。2003年開始，DCT變速箱相繼被推廣到高爾夫等其他車型上。2007年底，匹配DCT的轎車在全球范圍已經超過100萬輛。DCT變速箱得到廣泛應用。

2.2? ?全球DCT變速箱的發展現狀

自從2002年以來，DCT變速箱在乘用車上得到了迅速推廣。廣泛應用階段也經歷過三次大的技術革新。

第一代，主要代表產品是大眾公司的DQ250和德國格特拉克公司的DCT450等產品，分別應用在大眾高爾夫和福特蒙迪歐等車型上。這一代DCT變速箱的顯著缺點就是變速箱整體效率較低，攪油損失較高。同時，不能按需控制的機械泵也加大了發動機的負載，影響了整車的燃油經濟性。

第二代DCT產品，為提高效率，降低整車油耗，具有二個顯著變化點。

（1）由干式離合器代替了效率較低的濕式離合器。

（2）由電子油泵代替了由發動機驅動的機械油泵。

上述兩項改進措施提高了變速箱傳動效率。電子油泵的應用，也可更好的支持發動機自動起停功能，進一步降低了整車油耗。2008年初，大眾在高爾車上搭載采用干式雙離合器技術的第二代DCT。同期，福特汽車也發布了與德國格特拉克公司合作開發的新型DCT變速箱，即Powershift變速箱。然而，在提高了變速箱傳遞效率和整車燃油經濟性的同時，干式雙離合器容易過熱的問題開始凸顯。離合器過熱會帶來車輛行駛有頓挫感，甚至會導致TCU控制離合器完全分離，整車失去行駛動力。為解決上述問題，第三代DCT產品應運而生。

第三代DCT為了改進上一代離合器容易過熱問題，將干式離合器重新換裝為濕式離合器。但相比第一代DCT則有了更多的關于提高燃油經濟性方面的設計改進。比如，離合器潤滑系統根據油溫反饋進行的實時閉環控制，做到按需潤滑，從而最大限度的降低離合器的拖拽損失和油泵機械損失。同時，依然保留了第二代產品的電子油泵。而在一些大扭矩變速箱上，為了進一步降低功耗，還采取了機械泵和電子泵雙泵設計。通過優化變速箱內部軸齒潤滑系統，減少了變速箱油的加注量，降低了攪油損失。這一代DCT則有更多代表產品，比如大眾公司DQ380，格特拉克公司的7DCT300，6DCT150，奔馳公司的7G-DCT等。

三代DCT產品特點如表2所示：

2.3? ?中國DCT變速箱發展現狀

隨著大眾將DCT變速箱引入中國并成功推廣，國內多家自主品牌車企也相繼投入到DCT開發之中。

以上汽為主開發的DCT360于2014年成功應用在榮威等車型上并順利投放市場。一汽自主開發的7速DCT也應用于紅旗車型。2012年東風集團與格特拉克公司聯合研發生產小扭矩濕式DCT150。吉利曾經在2009年的上海車展上首次展示了自主開發的7速DCT。最新上市的博瑞GE等車型也配置了DCT變速箱。比亞迪相繼開發了傳統DCT以及混動DCT并應用在旗下多款車型上。廣汽、江淮、奇瑞等均有相應的自主開發DCT產品問世。

3? ? DCT變速箱的發展趨勢

縱觀DCT變速箱的發展歷史，每一代產品技術的改進升級都是圍繞著提高產品可靠性、效率、換擋舒適性，降低重量、體積和成本這幾個方面進行。發展至今，DCT變速箱已經達到可以媲美AT自動變速箱的換擋舒適性的同時，極大的提高了整車燃油經濟性。通過對工信部公告油耗數據統計分析，證明匹配DCT變速箱相比AT變速箱，整體燃油經濟性提高6%左右。

3.1? ?DCT變速箱市場份額預測

根據IHS相關數據，合資品牌的緊湊型、小型車中，2017年DCT變速箱在自動變速箱車型中所占比例大概為33%，到2025年，這一比例將逐步提升到55%左右。

而對于國內自主品牌車企來說，正如前文所述，DCT變速箱更適合中國的變速箱產業基礎，因此，DCT變速箱的應用比例會得到較大的提高。2017年，在自動變速箱車型中DCT所占比例大概為40%，而到了2025年則將會提高到70%左右。

3.2? ?DCT變速箱技術發展趨勢

隨著技術進步和消費者要求的提高，DCT變速箱在如下方面將會有進一步的發展和進步：

（1）NVH性能進一步提高：通過硬件設計優化及軟件控制邏輯的優化，提高變速箱的NVH水平，主要體現在降低換擋過程撥叉噪音，降低松踩油門過程中的齒輪敲擊聲音等，帶給乘客更加舒適的體驗。

（2）控制系統智能化：通過控制系統的自學習功能，針對車輛狀況的變化及時進行自適應調整，提高駕駛體驗;通過優化變速箱起步策略，降低起步過程中抖動水平。充分考慮油門變化率、坡度、車重等其它信息，優化換擋規律，避免不必要的升降檔等。

（3）機械部件電子化：越來越多的機械零部件被電子元器件取代，比如變速箱內置的線控換擋ETRS等。

（4）系統高度集成化：傳感器、控制器、電磁閥等零部件逐漸高度集成為一體，提高可靠性，減少體積和成本;電機作為驅動單元之一與變速箱高度一體化將會大大提高整個驅動系統的效率，從而實現驅動系統輕量化和小型化。

3.3? ?DCT變速箱在混合動力車型上的發展趨勢

隨著國家對于排放要求的日趨提高以及油耗雙積分政策的實施，各種形式的混合動力技術逐步推廣。DCT變速箱本身具有良好的燃油經濟性這一先天優勢。因此，基于DCT變速箱的混合動力技術層出不窮。比如48v微混系統的P0布置方案，與變速箱結合一體的P2、P2.5等中混和強混布置方案。綜合成本、體積、油耗改進效果等多方面因素綜合考慮，與變速箱集成一體的P2和P2.5方案成為自主開發車型的主流方案之一。而專用混合動力開發的DCT變速箱則成為下一代DCT產品的熱點之一。

3.4? ?DCT變速箱在純電動汽車上的發展趨勢

純電動汽車則作為國家能源戰略的重要一環，則是近期的發展重點之一。通常來說，采用電機作為驅動源的汽車，為了提高車輛續航里程，減少驅動電機的體積和重量，2級變速箱將會扮演不可或缺的角色?；贒CT原理開發的2檔變速箱，只需要通過離合器的切換就可實現2個檔位，不需要執行同步器的掛檔等操作，可以有效平衡換擋舒適性和加速動力性，從而實現驅動系統整體性能提升。

4? ?DCT變速箱產品開發的關鍵技術與難點

盡管DCT變速箱從本質上具有傳動效率高、換擋速度快等先天優勢，然而，在產品開發實踐中，仍然存在許多關鍵技術需要突破，同時也面臨著一些開發難點。

4.1? ?DCT變速箱開發的關鍵技術

（1）雙離合器模塊的開發：濕式雙離合器主要由博格華納等少數全球供應商開發提供。干式雙離合器核心技術也主要掌握在舍弗勒和法雷奧等少數供應商手中。雙離合器模塊作為DCT變速箱的重要組成部分，很大程度上決定了DCT的性能和耐久。國內在該領域的自主開發亟需突破。

（2）DCT起步控制策略[6]：裝有DCT車輛的起步是靠離合器主從動片的滑磨直至同步而實現車輛的起步過程的。通過優化離合器的動力學模型、完善離合器結合的控制策略及提高離合器執行機構的跟蹤品質，是提高車輛起步性能的主要途徑。

（3）智能換擋規律的制定：DCT變速箱由于存在預選擋的概念，因此，基于兩參數換擋規律的基礎上，考慮油門踏板變化率以及車重、道路坡度等信息對換擋規律，包括預選擋規律進行優化，避免頻繁的意外的升降擋動作，從而提高整車NVH表現和換擋舒適性，提高換擋機構的壽命。

4.2? ?DCT變速箱產品開發的難點

（1）DCT變速箱的NVH優化

基于齒輪傳遞運動和動力，通過換擋撥叉推動同步器換擋等這樣的基本原理，在帶來傳遞高效的同時，也帶來了齒輪嘯叫、換擋撥叉噪音和齒輪敲擊等NVH問題。通過提高齒輪制造精度、降低齒輪傳遞誤差、降低齒側間隙、優化換擋撥叉控制和離合器扭矩控制等方式，可以顯著改進這些NVH表現，提升客戶滿意度。

（2）DCT主動熱管理技術

無論是干式離合器還是濕式離合器，都需要開發出一個高效的熱管理系統。相比干式離合器，濕式離合器可以有效改善離合器的抗熱負荷能力，是將來DCT產品的主要發展趨勢。但為了最大限度提高變速箱效率，則需要對離合器的熱管理做到按時、按需定量冷卻潤滑。

（3）DCT系統診斷策略的優化

系統的復雜程度越高，對相關零部件的可靠性要求也越高。準確且合理的故障診斷策略開發，可以避免因為錯誤診斷導致變速箱中斷動力的情況發生。同時開發合理的跛行策略，確保變速箱最大限度實現基本功能，提高用戶滿意度。

5? ?結論

本文基于DCT變速箱的結構、工作原理和特點，DCT的發展歷史，預測了DCT的發展趨勢，得出如下結論：

（1）DCT變速箱是手動變速箱的基本原理，創新開發而來，因而具有傳動效率高、可靠性高等優點。通過雙離合器傳遞動力的切換，實現了動力不間斷換檔。同時具備較好的動力性和舒適性。綜合了手動變速箱和自動變速箱的優點于一身，發展前景較廣闊。

（2）DCT的機械結構部分同AMT類似，開發難度相對較低。難點在于控制系統的開發設計。尤其是換擋邏輯的制定和離合器的控制策略。因此，開發初期，特別是軟件開發方面投資較大。但是批量生產以后，物料成本將低于AT和CVT，綜合成本較低。

（3）DCT可以充分利用現有的手動擋變速箱生產線和加工制造經驗，供應鏈和制造體系繼承性好，在國內具有較好的產業化基礎。

（4）國內企業在自主開發DCT的過程中，除了專注于匹配純燃油車的產品開發之外，還應做好模塊化開發和DCT產品平臺化規劃。通過產品模塊化開發，達到涵蓋傳統、混動以及純電動等不同車型的應用需求并最大限度的降低研發投入、物料成本和開發周期。同時，需要針對DCT核心零部件技術進行研發突破，打破壟斷，如雙離合器、控制模塊等。

參考文獻：

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