汽车双离合变速器参数设计
随着经济的发展和人民生活水平的提高，广大汽车消费者对汽车性能的要求也越来越高。变速器作为汽车传动系统的重要部件，对汽车的性能有重要的影响。变速器有多种类型，其中DSG双离合变速器近年来广受关注，它集合了手动挡的加速性能好、油耗低以及自动挡的换挡便利、乘坐舒适等优点，可以说是目前国内最为先进的变速器，具有很大的发展潜力。
本文在对DSG双离合变速器结构及原理研究的基础上，选取变速器体积最小作为目标函数，以齿面接触与齿根弯曲强度约束、中心距约束、最大传动比约束、变速器使用性能约束、齿轮参数约束、输出轴轴向力约束等为约束条件，建立数学模型，最后以一款六档乘用车变速器为例，应用MATLAB优化工具箱求解最终优化结果，结果证明：该方法的优化效果良好。
关键词 DSG变速器，齿轮传动系统，优化设计，MATLAB
目 录
目录 4
1 绪论 5
1.1 自动变速器的概述 5
1.2 双离合自动变速器产生及发展 5
1.3 双离合变速器的研究意义 7
1.4 本文的主要研究内容 7
2 双离合器自动变速器结构与原理 8
2.1 双离合自动变速器的工作原理 8
2.2 双离合自动变速器的组成机构 9
3 双离合变速器齿轮传动系统的参数化设计 11
3.1 参数化设计的方法 11
3.2 目标函数和设计变量 11
3.3 约束条件 13
4 MATLAB实现及结果分析 24
4.1 计算实例 24
4.2 目标函数的m文件 25
4.3 约束函数的m文件 25
4.4 调用优化程序 29 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
/> 4.5 优化结果及分析 30
结论 31
致谢 32
参考文献 33
1 绪论
变速器是汽车的重要组成部分，主要作用是改变传动比，增大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，保持发动机在最有利的工况范围内工作。变速器及其与发动机的匹配性能对车辆的动力性、燃油经济性和乘坐舒适性都有很大的影响，因此，一款优秀的变速器不仅有助于提高车辆的操纵便利性、降低乘客的疲劳感，还可以降低车辆的排放污染。随着控制技术的飞速发展和人们对于车辆性能要求的日益提高，传统的手动变速器已经无法满足人们对于车辆性能的追求。自动变速器实现车辆自动换挡，不但可以使车辆的驾驶变得方便快捷，而且可以有效地提高车辆的舒适性、动力性、经济性。因此，开发更加出色的自动变速器一直是汽车工程师们努力的目标。
1.1 自动变速器的概述
根据汽车传动和控制方式的不同，汽车自动变速系统可以分为多种不同的类型。常见的有以下四种类型：分别是液力机械式自动变速器、电控机械式自动变速器、机械式无级自动变速器、双离合器自动变速器。
表1-1为各种变速器所采用的动力传递元件，速比调整方法以及变速器扭矩适应性。
表1-1 各自动变速器元件性能比较
液力机械式自动变速器AT
电控机械式自动变速器AMT
机械式无级自动变速器CVT
双离合器自动变速器DCT
动力传递元件
液力变矩器
干式离合器
液力变矩器或湿式离合器
干式或湿式离合
器
速比调整方法
采用行星轮机构
不同齿轮配对啮合
变传动半径带传动机构
不同齿轮配对啮
合
变速器扭矩适应性
适应发动机输出扭矩300Nm以上，主要匹配中高挡车系列，最求豪华和舒适性。
适应发动机输出扭矩250Nm以下，主要匹配中低挡车系列，最求操纵简便。
适应发动机输出扭矩350Nm以下，主要匹配高中低挡车系列，最求舒适性。
适应发动机输出扭矩650Nm以 下，主要匹配中高挡车系列，最求豪华、舒适性、运动型。
1.2 双离合自动变速器产生及发展
电控机械式自动变速传动是近十多年出现的新技术，它是在传统固定轴式变速器和干式离合器的基础上，应用电子技术和自动变速理论，以电子控制单元(ECU)为核心，通过液压、电动或气动执行系统控制离合器的分离与接合、选换档操作以及发动机转速的自动调节，来实现汽车起步、换档的自动操纵。由于AMT是完全在平行轴式手动变速器的基础上加装自动操纵机构实现自动换档的，因此，它保留了原手动变速器传动效率高、价廉、易于制造等优点。但是，在对电控机械式自动变速器的开发研究过程中，也逐渐的发现了它的一些缺点和问题，它的工作原理决定了它在换档过程中首先要分离离合器，然后将变速器摘空挡，再选档、换档，最后接合离合器。这样，当离合器分离后，直到离合器再重新接合之前，发动机的动力将不能被传递到车轮去驱动车辆运行，所以换档过程中产生了动力传递的中断，这对车辆的动力性、舒适性以及燃油经济性和排放带来了一定的影响。特别是在舒适性方面，由于换档过程的动力中断，必然会产生动力传动系统的冲击，影响了汽车的行驶平顺性，同时动力中断也会造成一定的动力损失，影响了汽车的加速性能。随着人们对汽车性能要求的不断提高，AMT己很难适应轿车的要求，从多年的实践中人们己经有了共识：AMT技术只能用于低档轿车和重型车辆，寻求一种在结构设计方面能够提高燃油经济性和动力性的自动变速型式成为人们关注的主题。一种新型的自动变速传动便引起的人们的关注—双离合器自动变速传动系统(Dual Clutch Transmission)。
ZF公司的Rudolf Franke早在1938年到1940年就进行过这双离合器式自动变速器的研究八十年代末，Porsche的双离合器变速器Porsche-Doppelkupplungs-Getriebe(PDK)已经应用于赛车，奥迪的Sport Quattro S1赛车上也采用了类似的系统，但是由于那时电子产品的价格偏高，双离合器自动变速器一直没有进入大批量生产阶段。随着技术的进步和人们对于高效率、低成本的动力换档变速器的追求，双离合器式自动变速器在近几年逐渐受到厂家的青睐，数据显示，2003年9月就将DCT引入普通轿车市场的大众公司，目前已经生产了70余万辆DCT版轿车，仅2006年的销量就达到33万台。据了解，DCT早在上世纪80年代就开始应用在赛车上，在分秒必争的赛车场上DCT巧妙的双离合设计让换挡时间几乎可以忽略，这对于赛车而言是个里程碑式的突破。近年来，DCT又大张旗鼓地进入赛车市场。法拉利、雷诺等公司纷纷推出了2007款赛车，一个共同的特点是全都搭载了类似DCT（双离合自动变速器）的变速器。
图2-2 1 挡传递路线图
DCT的换挡过程是包括同步器分离结合和双离台器的分离结合过程，下面以1挡升2挡分析DCT的换挡过程。在DCT以l挡运行过程中，ECU实时监测各传感器的信号，当ECU监测到的参数满足即将换入2挡所对应的换挡条件时，ECU控制换挡执行机构将2挡的同步器提前啮合。一旦ECU监测到的参数满足换入2挡所需的条件时，ECU使离合器1正压力降低，离合器2的正压力升高，直到离台器1完全分离，离台器2完全接合，整个换挡过程结束。这样DCT就从离合器1和1挡齿轮输出改由离合器2和2挡齿轮输出。换挡过程结束后，汽车以2挡运行。2挡动力传递路线如图2-3所示。降挡过程与升挡过程类似。
目录 4
1 绪论 5
1.1 自动变速器的概述 5
1.2 双离合自动变速器产生及发展 5
1.3 双离合变速器的研究意义 7
1.4 本文的主要研究内容 7
2 双离合器自动变速器结构与原理 8
2.1 双离合自动变速器的工作原理 8
2.2 双离合自动变速器的组成机构 9
3 双离合变速器齿轮传动系统的参数化设计 11
3.1 参数化设计的方法 11
3.2 目标函数和设计变量 11
3.3 约束条件 13
4 MATLAB实现及结果分析 24
4.1 计算实例 24
4.2 目标函数的m文件 25
4.3 约束函数的m文件 25
4.4 调用优化程序 29
/> 4.5 优化结果及分析 30
结论 31
致谢 32
参考文献 33
1 绪论
变速器是汽车的重要组成部分，主要作用是改变传动比，增大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，保持发动机在最有利的工况范围内工作。变速器及其与发动机的匹配性能对车辆的动力性、燃油经济性和乘坐舒适性都有很大的影响，因此，一款优秀的变速器不仅有助于提高车辆的操纵便利性、降低乘客的疲劳感，还可以降低车辆的排放污染。随着控制技术的飞速发展和人们对于车辆性能要求的日益提高，传统的手动变速器已经无法满足人们对于车辆性能的追求。自动变速器实现车辆自动换挡，不但可以使车辆的驾驶变得方便快捷，而且可以有效地提高车辆的舒适性、动力性、经济性。因此，开发更加出色的自动变速器一直是汽车工程师们努力的目标。
1.1 自动变速器的概述
根据汽车传动和控制方式的不同，汽车自动变速系统可以分为多种不同的类型。常见的有以下四种类型：分别是液力机械式自动变速器、电控机械式自动变速器、机械式无级自动变速器、双离合器自动变速器。
表1-1为各种变速器所采用的动力传递元件，速比调整方法以及变速器扭矩适应性。
表1-1 各自动变速器元件性能比较
液力机械式自动变速器AT
电控机械式自动变速器AMT
机械式无级自动变速器CVT
双离合器自动变速器DCT
动力传递元件
液力变矩器
干式离合器
液力变矩器或湿式离合器
干式或湿式离合
器
速比调整方法
采用行星轮机构
不同齿轮配对啮合
变传动半径带传动机构
不同齿轮配对啮
合
变速器扭矩适应性
适应发动机输出扭矩300Nm以上，主要匹配中高挡车系列，最求豪华和舒适性。
适应发动机输出扭矩250Nm以下，主要匹配中低挡车系列，最求操纵简便。
适应发动机输出扭矩350Nm以下，主要匹配高中低挡车系列，最求舒适性。
适应发动机输出扭矩650Nm以 下，主要匹配中高挡车系列，最求豪华、舒适性、运动型。
1.2 双离合自动变速器产生及发展
电控机械式自动变速传动是近十多年出现的新技术，它是在传统固定轴式变速器和干式离合器的基础上，应用电子技术和自动变速理论，以电子控制单元(ECU)为核心，通过液压、电动或气动执行系统控制离合器的分离与接合、选换档操作以及发动机转速的自动调节，来实现汽车起步、换档的自动操纵。由于AMT是完全在平行轴式手动变速器的基础上加装自动操纵机构实现自动换档的，因此，它保留了原手动变速器传动效率高、价廉、易于制造等优点。但是，在对电控机械式自动变速器的开发研究过程中，也逐渐的发现了它的一些缺点和问题，它的工作原理决定了它在换档过程中首先要分离离合器，然后将变速器摘空挡，再选档、换档，最后接合离合器。这样，当离合器分离后，直到离合器再重新接合之前，发动机的动力将不能被传递到车轮去驱动车辆运行，所以换档过程中产生了动力传递的中断，这对车辆的动力性、舒适性以及燃油经济性和排放带来了一定的影响。特别是在舒适性方面，由于换档过程的动力中断，必然会产生动力传动系统的冲击，影响了汽车的行驶平顺性，同时动力中断也会造成一定的动力损失，影响了汽车的加速性能。随着人们对汽车性能要求的不断提高，AMT己很难适应轿车的要求，从多年的实践中人们己经有了共识：AMT技术只能用于低档轿车和重型车辆，寻求一种在结构设计方面能够提高燃油经济性和动力性的自动变速型式成为人们关注的主题。一种新型的自动变速传动便引起的人们的关注—双离合器自动变速传动系统(Dual Clutch Transmission)。
ZF公司的Rudolf Franke早在1938年到1940年就进行过这双离合器式自动变速器的研究八十年代末，Porsche的双离合器变速器Porsche-Doppelkupplungs-Getriebe(PDK)已经应用于赛车，奥迪的Sport Quattro S1赛车上也采用了类似的系统，但是由于那时电子产品的价格偏高，双离合器自动变速器一直没有进入大批量生产阶段。随着技术的进步和人们对于高效率、低成本的动力换档变速器的追求，双离合器式自动变速器在近几年逐渐受到厂家的青睐，数据显示，2003年9月就将DCT引入普通轿车市场的大众公司，目前已经生产了70余万辆DCT版轿车，仅2006年的销量就达到33万台。据了解，DCT早在上世纪80年代就开始应用在赛车上，在分秒必争的赛车场上DCT巧妙的双离合设计让换挡时间几乎可以忽略，这对于赛车而言是个里程碑式的突破。近年来，DCT又大张旗鼓地进入赛车市场。法拉利、雷诺等公司纷纷推出了2007款赛车，一个共同的特点是全都搭载了类似DCT（双离合自动变速器）的变速器。
图2-2 1 挡传递路线图
DCT的换挡过程是包括同步器分离结合和双离台器的分离结合过程，下面以1挡升2挡分析DCT的换挡过程。在DCT以l挡运行过程中，ECU实时监测各传感器的信号，当ECU监测到的参数满足即将换入2挡所对应的换挡条件时，ECU控制换挡执行机构将2挡的同步器提前啮合。一旦ECU监测到的参数满足换入2挡所需的条件时，ECU使离合器1正压力降低，离合器2的正压力升高，直到离台器1完全分离，离台器2完全接合，整个换挡过程结束。这样DCT就从离合器1和1挡齿轮输出改由离合器2和2挡齿轮输出。换挡过程结束后，汽车以2挡运行。2挡动力传递路线如图2-3所示。降挡过程与升挡过程类似。
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