任永強，張 軍，劉 凱

(合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

雙離合器自動變速器(Dual Clutch Transmission，DCT）是一種新型的自動變速器，它的輸入軸總成是由一根實心軸和一根空心軸組合而成的雙傳動輸入系統(tǒng)，數(shù)擋的輸入齒輪和偶數(shù)擋的輸入齒輪分別布置在這兩根輸入軸上。一個離合器與實心輸入軸相聯(lián)，控制奇數(shù)擋;另一個離合器與空心輸入軸相聯(lián)，控制偶數(shù)擋。通過兩個離合器的交替切換完成換擋過程，實現(xiàn)動力換擋，即在不切斷動力的情況下轉(zhuǎn)換傳動比，從而縮短換擋時間，有效提高換擋品質(zhì)。

DCT由機械系統(tǒng)部分和控制系統(tǒng)部分組成，機械系統(tǒng)除雙離合器模塊外，同步器、齒輪副等零部件和傳統(tǒng)的手動變速器類似，技術(shù)難度不大。控制系統(tǒng)是DCT的核心技術(shù)，而DCT的控制系統(tǒng)主要是雙離合器的控制，研究雙離合器的控制，對DCT的換擋性能有重要意義。雙離合器的控制一直是學(xué)者研究的熱點，秦大同等［1］在Matlab/Simulink軟件平臺上，建立兩離合器起步控制仿真模型，進行仿真分析并與單離合器起步仿真結(jié)果進行對比。吳光強等［2］從分離離合器提前放油和避免功率循環(huán)現(xiàn)象出發(fā)，提出了3種改進的DCT換擋過程中分離離合器的作動方式，并進行了仿真。劉振軍等［3］應(yīng)用ANSYS分析軟件對雙離合器摩擦副壓盤瞬態(tài)溫度場、重載坡道重復(fù)起步時壓盤溫度變化和壓盤熱容量對溫升影響進行了仿真分析，提出了減小摩擦副溫升，提高離合器使用壽命的措施。譚勇［4］基于Matlab/Simulink軟件，建立了Simulink模型，對濕式雙離合器換檔進行了仿真計算，并通過仿真結(jié)果，定性分析了正壓力變化斜率、終始壓力和兩離合器配合時序?qū)袷诫p離合器換檔性能指標(biāo)的影響。在本研究中，應(yīng)用ADAMS仿真分析雙離合器的正壓力變化對換擋時間的影響，通過仿真結(jié)果定性的分析正壓力的變化規(guī)律對雙離合器的換擋時間的影響。

1 DCT的換擋過程

DCT的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，以3擋換4擋為例分析DCT的換擋過程。車輛在3擋行駛時離合器C1處于結(jié)合狀態(tài)，離合器C2處于分離狀態(tài)，不傳遞動力。當(dāng)車輛加速至接近4擋的換擋點時，TCU(變速器控制單元）控制執(zhí)行機構(gòu)推動4擋同步器A2將擋位提前結(jié)合，一旦車輛運行狀態(tài)全部滿足換入4擋換擋點時，TCU輸出指令控制離合器C1執(zhí)行機構(gòu)的油壓降低，同時離合器C2的執(zhí)行機構(gòu)壓力升高，離合器1分離過程與離合器2結(jié)合過程同時進行，兩個離合器動力傳遞交替切換，直到離合器C1完全分離，離合器C2完全接合，整個換擋過程結(jié)束。

圖1 雙離合器自動變速器結(jié)構(gòu)示意圖

2 雙離合器的仿真模型

2.1 雙離合器的SolidWorks模型

由于ADAMS軟件自身的三維建模能力比較薄弱，若直接采用ADAMS建模，建模過程較為復(fù)雜。本研究中先用專業(yè)的三維造型軟件SolidWorks建立模型，再導(dǎo)入ADAMS中。本文將雙離合器簡化為三個圓環(huán)，輸入盤與發(fā)動機連接，離合器C1輸出盤與輸出一軸連接，離合器C2輸出盤與輸出二軸連接，建立的三維模型如圖2所示。

圖2 雙離合器簡化模型

2.2 雙離合器的虛擬樣機模型

由于ADAMS軟件對Parasolid接口文件識別較好，可有效避免裝配體在格式轉(zhuǎn)化中數(shù)據(jù)丟失或出錯的問題，所以把SolidWorks里生成的SLDASM文件導(dǎo)入ADAMS之前另存為 Parasolid格式。打開ADAMS/View，導(dǎo)入轉(zhuǎn)化后的文件。三維實體模型導(dǎo)入ADAMS/View后，各零部件之間毫無聯(lián)系地獨立存在于ADAMS/View環(huán)境中。因此，必須對模型添加適當(dāng)?shù)募s束、運動和力等，才能建立其仿真模型即虛擬樣機。為輸入盤添加旋轉(zhuǎn)副和一個驅(qū)動，驅(qū)動速度為10200deg/s(即1700r/min），為C1輸出盤和C2輸出盤添加圓柱副，兩個輸出盤分別與輸入盤之間添加接觸，對兩個輸出盤施加沿軸向單向力。建立的ADAMS模型如圖3所示。

圖3 雙離合器ADAMS模型

設(shè)置兩個離合器輸出盤與發(fā)動機輸入盤的靜摩擦系數(shù)選為0.16，動摩擦系數(shù)選為0.15。設(shè)置離合器C1的負(fù)載為10Nm，離合器C2的負(fù)載為280Nm，壓力特性正是本文所要研究的對象。

3 壓力特性對離合器結(jié)合時間的影響

3.1 離合器的結(jié)合時間

DCT換擋時間是反映汽車換擋品質(zhì)的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)，過長的換擋時間會直接影響車輛的動力性和效率;過短的換擋時間，必然導(dǎo)致過大的加速度，從而增大傳動系的動載荷，影響傳動系部件的使用壽命，同時由于濕式離合器對滑摩過程產(chǎn)生熱量的速度敏感，換擋時間會影響摩擦元件的壽命。以升擋為例，換擋時間t公式為:

式中:t1——換擋開始，分離離合器從完全結(jié)合到控制油壓為零的時間;

t2——結(jié)合離合器從開始滑摩到完全結(jié)合的過程。

換擋過程中，t1和t2有部分的重疊。從式(1）可以看出，換擋時間是由兩部分組成，本課題重點分析雙離合器的切換時間，分析離合器的切換時間對研究離合器對滑摩階段的熱量的敏感性，以及對離合器的使用壽命有重要意義。離合器換擋時間如果過長必然影響加速性能;時間過短，就要求離合器的接合速度很快，必然會產(chǎn)生較大的沖擊度。

3.2 正壓力對結(jié)合時間的影響

DCT換擋過程的正壓力是由液壓缸提供的，壓力變化方式多種多樣，但從整體變化趨勢來看，分離離合器是由一定的初始壓力下降到零，接合離合器是由零上升到一定的終了壓力。鑒于壓力變化方式的復(fù)雜性，本課題做如下假設(shè):

①兩離合器正壓力均勻變化

②分離離合器的初始壓力和接合離合器的終了壓力相等

③結(jié)合離合器的壓力開始時間和分離離合器的壓力消失時間相同

在這種特殊情況下，確定壓力變化過程主要有三種情況:

(1）不同時間上升到相同的壓力。

圖4是作用在離合器C1和C2上的正壓力按不同時間上升到相同的壓力變化時，進行換擋過程仿真分析中兩個離合器的角速度隨時間變化的仿真計算結(jié)果對比圖。仿真的其他條件均相同，換擋開始時(0s），作用在離合器C1上的正壓力為40000N，作用在離合器C2上的正壓力為0N，此后離合器C1上的正壓力分別在0.05s、0.1s、0.2s和0.4s的時間下降到0N，離合器C2上的正壓力分別在0.05s、0.1s、0.2s、0.4s的時間直線上升到40000N。

圖4 離合器C2的角速度的變化曲線

圖4中曲線1，2，3，4分別表示正壓力在0.05s，01s，0.2s，0.4s內(nèi)上升到設(shè)定值時，接合離合器 C2的角速度隨時間變化的情況。從圖4可以看出，當(dāng)作用在兩個離合器上的正壓力在0.05s內(nèi)升降進行換擋時，僅需要0.21s完成換擋，隨著變化時間的漸長，換擋時間逐漸變長，當(dāng)正壓力在0.4s內(nèi)升降時，則需要0.83s才可以完成換擋過程。這說明換擋過程中，作用在兩個離合器上的正壓力變化速度與換擋時間有直接關(guān)系，變化速度越快，換擋時間越短。換擋品質(zhì)要求換擋時間盡量短，這就要應(yīng)該使作用在兩個離合器上的正壓力變化率盡量大。

(2）相同時間內(nèi)上升到不同壓力。

圖5是作用在離合器C1和C2上的正壓力在相同時間上升到不同的壓力時，進行換擋過程仿真分析中離合器C2的角速度隨時間變化的仿真計算結(jié)果對比圖。仿真的其他條件均相同，換擋開始時(0s），作用在離合器C1上的正壓力分別為20000N，40000N，60000N，80000N，作用在離合器 C2 上的正壓力為0N，此后離合器C1上的正壓力在0.1s時間下降到0N，離合器C2上的正壓力在相同時間0.05s內(nèi)分別上升到20000N，40000N，60000N，80000N。

圖5中曲線1，2，3，4分別表示正壓力在0.1s內(nèi)上升到 20000N，40000N，60000N，80000N 時，接合離合器C2的角速度隨時間變化的情況。從圖5可以看出，當(dāng)作用在兩個離合器上的正壓力在0.1s內(nèi)上升到80000N時，僅需要0.17s完成換擋，隨著變化時間正壓力的逐漸減小，換擋時間逐漸變長，當(dāng)正壓力在0.1s內(nèi)上升到20000N時，則需要0.61s才能完成換擋過程。分析可知，在相同時間內(nèi)作用在兩個離合器上的正壓力與換擋時間有直接關(guān)系，正壓力越大，換擋時間越短。換擋品質(zhì)要求換擋時間盡量短，這就要應(yīng)該使作用在兩個離合器上的正壓力盡量大。

圖5 離合器C2的角速度的變化曲線

(3）以相同斜率上升到不同的始終壓力。

圖6是作用在離合器C1和C2上的正壓力按相同斜率上升到不同的始終壓力規(guī)律變化時，進行換擋過程仿真分析中結(jié)合離合器的角速度隨時間變化的仿真計算結(jié)果對比圖。仿真的其他條件均相同，換擋開始時(0s），作用在離合器C1上的正壓力為分別為 20000N，40000N，60000N，80000N 作用在離合器C2上的正壓力為0N，此后離合器C1上的正壓力分別在0.05s、0.1s、0.15s和0.2s的時間下降到0N，離合器 C2上的正壓力分別在0.05s、0.1s、0.15s、0.2s的時間直線上升到20000N，40000N，60000N，80000N。

圖6 離合器C2的角速度的變化曲線

圖6中曲線1，2，3，4分別表示正壓力以相同的斜率上升到 20000N，40000N，60000N，80000N 時，接合離合器C2的角速度隨時間變化的情況。從圖6可以看出，當(dāng)作用在兩個離合器上的正壓力以相同斜率上升到80000N時，需要0.33s完成換擋，隨著正壓力的逐漸減小，換擋時間逐漸變短，當(dāng)正壓力以相同斜率上升到40000N時，則需要0.23s就能完成換擋過程，然而，過小的正壓力卻導(dǎo)致?lián)Q擋時間過長，當(dāng)正壓力以相同斜率上升到20000N時，需要0.51s完成換擋過程。分析可知，當(dāng)正壓力變化斜率相同時，作用在兩個離合器上的正壓力與換擋時間有直接關(guān)系，在正壓力足夠大的情況下，正壓力越大，換擋時間越長。換擋品質(zhì)要求換擋時間盡量短，這就要應(yīng)該使作用在兩個離合器上的正壓力盡量小，但有一定的限制范圍。

4 結(jié)束語

在本研究中，對雙離合器的ADAMS模型進行了換擋過程的仿真分析，通過對不同情況仿真結(jié)果的比較，定性的分析了不同時間上升到相同的壓力，相同時間內(nèi)上升到不同壓力和以相同斜率上升到不同的始終壓力三種情況下，換擋品質(zhì)的比較分析。得出了如下結(jié)論:換擋過程中，在同樣的始終壓力情況下，壓力變化時間越短，換擋時間越短;在同樣的時間內(nèi)上升到設(shè)定的壓力值情況下，始終壓力越大，換擋時間越短;在相同斜率上升到不同的始終壓力的情況下，在壓力大于一定值的情況下，換擋時間越長，存在一個最佳的壓力值，使換擋時間最短。

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