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商用車降低燃油耗有助于大幅降低其總運(yùn)行成本。IAV公司目前已開發(fā)出一種可按負(fù)荷工況換擋的雙離合器變速器，因其具有模塊化結(jié)構(gòu)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(dāng)前的交通預(yù)測，在未來數(shù)年間貨物運(yùn)輸量將得以進(jìn)一步增長。為了實(shí)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)降低燃油耗即可對(duì)此作出相應(yīng)貢獻(xiàn)，其中實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的低速化就是一種較為常見的技術(shù)途徑。模擬計(jì)算表明，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速即可降低燃油耗，但同時(shí)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(fù)荷換擋的變速器，例如行星自動(dòng)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(dòng)換擋過程（ATM）的圓柱齒輪變速器，因?yàn)槠淠鼙苊鉅恳鬟f的中斷。有關(guān)一次能量需求的其他正面效果可通過動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的混合動(dòng)力化來實(shí)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(dòng)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(yīng)用于多種用途。

2 模塊化系統(tǒng)的方案開發(fā)

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

首先考察無梯級(jí)齒輪組的變速器系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的可行性表明，該類齒輪組（圖1中的A和B）用于目標(biāo)用途則不太合適。與此相比，帶梯級(jí)齒輪組的齒輪組（圖1中的C和D）由于降低了圓柱齒輪級(jí)上的扭矩負(fù)荷以及較高的扭矩容量可充分顯示出其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢。同時(shí)為了減小變速器的軸向尺寸，首先應(yīng)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(dú)的一個(gè)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(guān)于起步性能和換擋性能，以及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)混合動(dòng)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(shí)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(jié)構(gòu)是試驗(yàn)方案中關(guān)于所規(guī)定的目標(biāo)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(jié)構(gòu)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(chǔ)的梯級(jí)齒輪組。主變速器的4個(gè)齒輪平面被用于形成6個(gè)前進(jìn)檔和3個(gè)倒車檔，同時(shí)借助于可換擋的兩檔梯級(jí)齒輪組可使檔位數(shù)加倍，從而總共能獲得12檔幾何級(jí)前進(jìn)檔，使傳動(dòng)比跨度達(dá)到17.4，因此能同時(shí)獲得出色的爬坡性能并有效降低內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速。

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

對(duì)于公路建設(shè)和采礦等非道路運(yùn)輸應(yīng)用場合，覆蓋了寬廣速度范圍的多個(gè)倒車檔位是具有顯著功效的，因?yàn)樵谠擃悎龊蠒r(shí)通常會(huì)在倒車方向行駛較長的距離。變速器為該類特殊的應(yīng)用場合提供了傳動(dòng)比跨度為1.65的3個(gè)倒車檔（見圖2），并可根據(jù)負(fù)荷進(jìn)行換擋。這三種倒車檔還能利用梯級(jí)齒輪組的直接傳動(dòng)，因此倒車行駛范圍總的傳動(dòng)比跨度可提高到7.9。

在當(dāng)前的應(yīng)用情況下，通過變速器系統(tǒng)中一個(gè)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(dòng)比間隔并實(shí)現(xiàn)方便地?fù)Q檔，例如Voith公司的VIAB渦輪液力制動(dòng)離合器。如果需在長途交通運(yùn)輸應(yīng)用場合中應(yīng)用且無需擴(kuò)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(diào)整為僅有兩個(gè)倒車檔可供使用。與現(xiàn)有倒車檔需要一個(gè)單獨(dú)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(shí)現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)。采取這種在轎車DKG中流行的緊湊布置結(jié)構(gòu)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(gè)重要組成部分是采用中心同步單元在DKG無負(fù)荷支路預(yù)選其所要轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)空間需求。依靠外圓錐體摩擦裝置滑動(dòng)套筒的方向，齒輪組的轉(zhuǎn)速能相對(duì)于換擋的爪齒離合器調(diào)整到相對(duì)較低的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)整傳動(dòng)比的圓柱齒輪級(jí)。

圖3中以用于翻斗車上齒輪組的示范性應(yīng)用結(jié)構(gòu)，示出了新變速器結(jié)構(gòu)的應(yīng)用潛力。確定尺寸的基礎(chǔ)是變速器驅(qū)動(dòng)軸上550 kW的最大輸入功率和高達(dá)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(dòng)離合器組合在一起，能可靠地滿足重型非道路運(yùn)輸用途對(duì)起步時(shí)的高要求，此外以該方式還能高響應(yīng)性地與渦輪離合器相匹配，從而即可調(diào)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(dòng)離合器在低轉(zhuǎn)速時(shí)就能較為理想地傳遞在內(nèi)燃機(jī)側(cè)可供使用的扭矩，這樣與齒輪組自身較大的機(jī)械傳動(dòng)比跨度相組合，即可獲得了比通常液力變扭器自動(dòng)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(zhuǎn)速時(shí)甚至在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大扭矩時(shí)其只能吸收發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的一部分,因此該變扭器的實(shí)際輸出扭矩小于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，VIAB渦輪液力制動(dòng)離合器就顯得更為合適，因?yàn)槠渑c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(yīng)的結(jié)構(gòu)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(diǎn)之外，由于其同時(shí)還具有強(qiáng)勁的初始減速器功能，因此通過齒輪組的相應(yīng)設(shè)計(jì)，即可在變速器輸入側(cè)提供高達(dá)3 500 N·m的制動(dòng)力矩。在該結(jié)構(gòu)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(dòng)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(dòng)力模塊的雙離合器變速器

4 高集成執(zhí)行機(jī)構(gòu)模式

全新的12檔DKG變速器配裝了緊湊的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能實(shí)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(shè)計(jì)可將功率電子器件和傳感器組件集成到執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(diào)節(jié)距離、工作壓力以及變速器的溫度和軸轉(zhuǎn)速。

圖5 用于重型商用車的12檔DKG變速器的氣動(dòng)執(zhí)行單元

執(zhí)行單元應(yīng)用了充分改良的新技術(shù)，不是采用單個(gè)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(jié)構(gòu)空間，并且可取消附加構(gòu)件。此外，取消單個(gè)組合閥就有條件使用分配模塊內(nèi)部空氣的全新方案，為此在主變速器殼體中集成了一個(gè)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(huì)更為復(fù)雜，同時(shí)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(dòng)變速器（AMT）相同的結(jié)構(gòu)空間中實(shí)現(xiàn)了重型商用車現(xiàn)代12檔DKG變速器的所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)任務(wù)。通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)，使該類變速器僅以很少的改動(dòng)也能用于傳統(tǒng)的自動(dòng)化手動(dòng)變速器。

5 結(jié)語和展望

可按負(fù)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(shù)開發(fā)潛力。為了設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)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(yīng)用于寬廣應(yīng)用領(lǐng)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(duì)重型商用車領(lǐng)域適用性較好的折中方案。

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

圖6 用于移動(dòng)式工作機(jī)械的帶有功能模塊的模塊化12檔DKG變速器