牛 波 董 偉

華晨汽車工程研究院，沈陽(yáng)110141

0 前言

雙離合自動(dòng)變速器（DCT）是一種新型的自動(dòng)變速器，他將擋位按奇、偶分布在兩個(gè)離合器所連接的輸入軸上，通過(guò)離合器的交替切換完成換擋的過(guò)程。

DCT綜合了液力機(jī)械自動(dòng)變速器（AT）和電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）的優(yōu)點(diǎn)，傳動(dòng)效率高、無(wú)動(dòng)力終斷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以根據(jù)現(xiàn)有的手動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)形式，靈活地進(jìn)行DCT的改造設(shè)計(jì)，有利于手動(dòng)變速器向自動(dòng)變速器的升級(jí)，可以保護(hù)現(xiàn)有手動(dòng)變速器的生產(chǎn)設(shè)備投資，生產(chǎn)繼承性好［1］。

對(duì)于DCT開(kāi)發(fā)而言，采用仿真分析法可高效快速地分析傳動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)零部件的強(qiáng)度剛度，換擋品質(zhì)。以縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

1 DCT變速器工作原理

雙離合使用兩個(gè)離合器，但是沒(méi)有離合器踏板。電子系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)控制著離合器，與自動(dòng)變速箱一樣。在雙離合變速器中，離合器是獨(dú)立工作的。一個(gè)離合器控制奇數(shù)擋位（如：1、3、5、倒擋），另一個(gè)離合器控制了偶數(shù)擋位（如：2、4、6擋）。變速器控制器根據(jù)速度變化，提前嚙合了下一個(gè)順序擋位，因此換擋時(shí)將沒(méi)有動(dòng)力中斷。

雙離合變速器的工作過(guò)程是：

在1擋起步行駛時(shí)，動(dòng)力傳遞路線如下圖所示，外部離合器結(jié)合，通過(guò)內(nèi)部輸入軸到1擋齒輪，再輸出到差速器，同時(shí)，圖中虛線和箭頭所示的路線是2擋時(shí)的動(dòng)力傳輸路線，由于離合器2是分離的，這條路線實(shí)際上沒(méi)有動(dòng)力在傳輸，是預(yù)先選好檔位，為接下來(lái)的升檔做準(zhǔn)備的。當(dāng)變速器進(jìn)入2擋后，退出1擋，同時(shí)3擋預(yù)先結(jié)合。所以在變速器工作的過(guò)程中總是有2個(gè)檔位是結(jié)合的，一個(gè)正在工作，另一個(gè)則為下一步做好準(zhǔn)備。

變速器在降擋時(shí)，同樣有兩個(gè)檔位是結(jié)合的，如果6擋正在工作，則5擋作為預(yù)選檔位而結(jié)合。變速器的升檔和降擋是由變速器控制器（TCU）進(jìn)行判斷的，踩油門(mén)踏板時(shí)，變速器控制器（TCU）判定為升檔過(guò)程，做好升檔準(zhǔn)備踩制動(dòng)踏板時(shí)，變速器控制器（TCU）判定為降擋過(guò)程，為降擋做好準(zhǔn)備。

圖1 雙離合變速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 internal structure of the DCT

一般變速器升擋總是一擋一擋的進(jìn)行，而降擋經(jīng)常會(huì)跳躍降擋，雙離合變速器在手動(dòng)模式下也可以進(jìn)行跳躍降擋，例如，從6擋降到3擋時(shí)，連續(xù)按3下降擋按鈕，變速器就會(huì)從6擋降到3擋，但是如果從6擋降到2擋時(shí)，變速器就會(huì)降到5擋，從5擋直接降到2擋。在跳躍降擋時(shí)，如果起始檔位和最終檔位屬于同一個(gè)離合器控制的，則會(huì)通過(guò)另一個(gè)離合器控制的檔位轉(zhuǎn)換一下，如果起始檔位和最終檔位不是同一個(gè)離合器控制的，則可以直接跳躍降至所定檔位。

各個(gè)檔位的動(dòng)力傳遞如下圖所示：

1檔：外部離合器——內(nèi)部驅(qū)動(dòng)軸——輸出軸1——差速器

圖2 1擋工作原理Fig.2 1st operational principle

2擋：內(nèi)部離合器——外部驅(qū)動(dòng)軸——輸出軸1——差速器

3檔：外部離合器——內(nèi)部驅(qū)動(dòng)軸——輸出軸1——差速器

4擋：內(nèi)部離合器——外部驅(qū)動(dòng)軸——輸出軸1——差速器

5擋：外部離合器——內(nèi)部驅(qū)動(dòng)軸——輸出軸2——差速器

6擋：內(nèi)部離合器——外部驅(qū)動(dòng)軸——輸出軸

圖3 2擋工作原理Fig.3 2nd operational principle

圖4 3擋工作原理Fig.4 3rd operational principle

圖5 4擋工作原理Fig.5 4th operational principle

圖6 5擋工作原理Fig.6 5th operational principle

2——差速器

倒擋：外部離合器——內(nèi)部驅(qū)動(dòng)軸——倒擋軸——輸出軸2——差速器

圖7 6擋工作原理Fig.7 6th operational principle

圖8 倒擋工作原理Fig.8 reverse operational principle

圖9 romax模型Fig.9 Romax model

2 DCT傳動(dòng)系統(tǒng)的建模

2.1 DCT傳動(dòng)系統(tǒng)的romax模型

根據(jù)實(shí)測(cè)參數(shù)在romax軟件中建立總成DCT模型，如圖1所示。已完成對(duì)各個(gè)零部件的強(qiáng)度分析。

2.2 分析工況

分析工況如下圖：

2.3 分析結(jié)果

齒輪件的分析選用ISO6336－2006標(biāo)準(zhǔn)，方法B。表面熱處理工藝采用滲碳淬火。在有實(shí)測(cè)路譜的情況下使用系數(shù)KA選用1.0

圖10 romax輸入工況Fig.10 romax input load case

齒輪強(qiáng)度分析結(jié)果

表1 romax齒輪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Table1 romax gear results of the strength

花鍵強(qiáng)度分析結(jié)果

軸承強(qiáng)度分析結(jié)果

3 換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)

（1）換擋時(shí)間

車輛動(dòng)力性與加速時(shí)間和加速度等指標(biāo)有關(guān)，可以從這些指標(biāo)的角度考慮換擋過(guò)程車輛的動(dòng)力性。換擋時(shí)間代表?yè)Q擋過(guò)程持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，該值較小時(shí)，換擋的瞬態(tài)過(guò)程較短，動(dòng)力性較好。

表2 romax軟件花鍵強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Table2 romax coupling results of the strength

表3 romax軟件軸承強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Table3 romax bearing results of the strength

ts——換擋時(shí)間

t1、t2—— 換擋開(kāi)始和終了時(shí)刻。

（2）換擋過(guò)程的平順性［2］

換擋過(guò)程的平順性，即換擋過(guò)程平穩(wěn)而無(wú)沖擊地進(jìn)行。但因車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是多轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)，換擋過(guò)程并非瞬時(shí)可以完成，所以對(duì)于DCT傳動(dòng)系統(tǒng)，其換擋過(guò)程中的傳動(dòng)比發(fā)生了變化，離合器C1與C2的摩擦元件從完全分離到結(jié)合，從結(jié)合到分離，都需要經(jīng)過(guò)一段滑磨的過(guò)程，不可避免地伴有轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)，產(chǎn)生換擋沖擊。

沖擊度j是車輛縱向加速度a對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

汽車加速度為

根據(jù)車輛傳動(dòng)系方程

可得沖擊度為

Tout——為變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩；

Tload——為外界阻力矩在變速器輸出軸的當(dāng)量阻力矩；

Iv——為輪胎、整車在變速器輸出軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

θout——為輸出角位移。

可見(jiàn)車輛沖擊度完全取決于變速器輸出轉(zhuǎn)矩的變化率。影響輸出轉(zhuǎn)矩變化的因素有2個(gè)方面，一是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，二是離合器切換過(guò)程引起的轉(zhuǎn)矩變化。由于DCT換擋過(guò)程時(shí)間很短，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制受到一定限制，在傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)一定的前提下，離合器切換控制時(shí)序和傳遞扭矩的控制是提高換擋品質(zhì)最有效的辦法。

（3）滑摩功

DCT換擋過(guò)程中2個(gè)離合器通過(guò)滑摩進(jìn)行扭矩的切換，離合器工作在滑摩工況，產(chǎn)生的滑摩功會(huì)導(dǎo)致離合器部件溫度升高，過(guò)高的溫升會(huì)影響離合器的控制性能和承載能力，并使磨損加速，影響使用壽命，因此希望離合器滑摩功盡可能小。

換擋過(guò)程離合器滑摩功為離合器C1和C2滑摩功之和

θe、θc1、θc2——為輸入軸、離合器1輸出、離合器2輸出的角位移

4 影響換擋品質(zhì)的因素

在換擋過(guò)程中，2個(gè)離合器分離結(jié)合動(dòng)作時(shí)序和壓力控制是影響換擋品質(zhì)的關(guān)鍵。DCT換擋過(guò)程中，為了保證動(dòng)力不中斷，實(shí)現(xiàn)平順換擋，對(duì)2個(gè)離合器的分離、結(jié)合控制有較高的要求，應(yīng)保證2個(gè)離合器有適度的扭矩重疊［5］。如下圖所示：

圖11 升檔過(guò)程轉(zhuǎn)速扭矩變化Fig.11 the change of the torque and speed in upshift process

5 換擋控制性能仿真

換擋控制實(shí)際上是換擋過(guò)程中對(duì)離合器C1和C2傳遞扭矩的控制。升檔過(guò)程離合器C1、C2轉(zhuǎn)速和扭矩變化如圖所示，將換擋離合器切換過(guò)程分為4個(gè)時(shí)間段，t0為換擋起始時(shí)間，C2壓緊力開(kāi)始逐漸減小，C1壓緊力開(kāi)始增大，t0～t1為抵擋轉(zhuǎn)矩階段，C2仍然處于結(jié)合狀態(tài)，此階段發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)保持不變，調(diào)節(jié)好壓緊力的變化率就可以獲得較好的平順性。在t1時(shí)刻，C2開(kāi)始滑摩，轉(zhuǎn)矩階段結(jié)束，進(jìn)入慣性階段。t1～t2時(shí)刻2離合器都處于滑摩狀態(tài)，C1傳遞扭矩主要由壓緊力決定而與發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩關(guān)系很小，以3擋對(duì)應(yīng)離合器C1的轉(zhuǎn)速為目標(biāo)轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)C1繼續(xù)以某一速度加壓。t2～t3階段壓緊力以降為零。扭矩全部由C1傳遞，C1繼續(xù)以某以速度加壓。t3時(shí)刻轉(zhuǎn)矩階段結(jié)束，C1壓緊力升高到完全結(jié)合是得壓緊力，當(dāng)檢測(cè)到C1輸入輸出轉(zhuǎn)速差小于設(shè)定值時(shí)換擋過(guò)程結(jié)束。［4］

圖12 升檔過(guò)程離合器輸入扭矩Fig.12 the clutch input torque in upshift process

建立simulationx仿真模型［3］

圖13 升檔過(guò)程離合器輸入扭矩Fig.13 the clutch input torque in upshift process in simulationx

圖14 simulationx仿真模型Fig.14 the model of the simulationx

圖15 simulationx仿真結(jié)果Fig.15 the result of the simulationx

從上述仿真結(jié)果可知，簡(jiǎn)歷的DCT系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、離合器切換控制仿真模型及控制滿足要求。

6 結(jié)論

1.針對(duì)雙離合自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述了雙離合自動(dòng)變速器的工作原理。

2.應(yīng)用romax軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的雙離合自動(dòng)變速器各個(gè)關(guān)鍵零部件，齒輪、軸承、軸、花鍵，進(jìn)行了強(qiáng)度分析，分析結(jié)果滿足強(qiáng)度要求。

3.分析了雙離合自動(dòng)變速器傳遞扭矩和切換時(shí)序?qū)Q擋品質(zhì)的影響、以及影響其換擋品質(zhì)的因素。提出了換擋過(guò)程離合器的切換策略，建立了simulationx動(dòng)力學(xué)仿真模型。仿真結(jié)果表明所建立的DCT系統(tǒng)換擋過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型和離合器切換控制策略可較好的實(shí)現(xiàn)換擋品質(zhì)。

［1］ 楊偉斌等.雙離合式自動(dòng)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)的建模及換擋特性.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007（7）：188－193.

［2］ 劉振軍等.雙離合式自動(dòng)變速器換擋品質(zhì)分析與控制.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（5）：29－33.

［3］ 劉艷芳.simulationx精解與實(shí)例.機(jī)械工業(yè)出版社.

［4］ 郭曉琳.雙離合器自動(dòng)變速器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模及仿真研究［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，20（1）：48－51.

［5］ 顏志鵬等.雙離合器自動(dòng)變速器換擋過(guò)程仿真分析［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，23（4）：1－6.