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        雙離合自動變速器設(shè)計及換擋品質(zhì)分析

        2015-01-08 03:39:26
        傳動技術(shù) 2015年1期
        關(guān)鍵詞:差速器檔位離合器

        牛 波 董 偉

        華晨汽車工程研究院,沈陽110141

        0 前言

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

        DCT綜合了液力機械自動變速器(AT)和電控機械式自動變速器(AMT)的優(yōu)點,傳動效率高、無動力終斷、結(jié)構(gòu)簡單,可以根據(jù)現(xiàn)有的手動變速器的結(jié)構(gòu)形式,靈活地進行DCT的改造設(shè)計,有利于手動變速器向自動變速器的升級,可以保護現(xiàn)有手動變速器的生產(chǎn)設(shè)備投資,生產(chǎn)繼承性好[1]。

        對于DCT開發(fā)而言,采用仿真分析法可高效快速地分析傳動系統(tǒng)的各個零部件的強度剛度,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

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

        雙離合變速器的工作過程是:

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

        變速器在降擋時,同樣有兩個檔位是結(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)進行判斷的,踩油門踏板時,變速器控制器(TCU)判定為升檔過程,做好升檔準備踩制動踏板時,變速器控制器(TCU)判定為降擋過程,為降擋做好準備。

        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行,而降擋經(jīng)常會跳躍降擋,雙離合變速器在手動模式下也可以進行跳躍降擋,例如,從6擋降到3擋時,連續(xù)按3下降擋按鈕,變速器就會從6擋降到3擋,但是如果從6擋降到2擋時,變速器就會降到5擋,從5擋直接降到2擋。在跳躍降擋時,如果起始檔位和最終檔位屬于同一個離合器控制的,則會通過另一個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離合器控制的,則可以直接跳躍降至所定檔位。

        各個檔位的動力傳遞如下圖所示:

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

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

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

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

        6擋:內(nèi)部離合器——外部驅(qū)動軸——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傳動系統(tǒng)的建模

        2.1 DCT傳動系統(tǒng)的romax模型

        根據(jù)實測參數(shù)在romax軟件中建立總成DCT模型,如圖1所示。已完成對各個零部件的強度分析。

        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標準,方法B。表面熱處理工藝采用滲碳淬火。在有實測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

        齒輪強度分析結(jié)果

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

        花鍵強度分析結(jié)果

        軸承強度分析結(jié)果

        3 換擋品質(zhì)評價

        (1)換擋時間

        車輛動力性與加速時間和加速度等指標有關(guān),可以從這些指標的角度考慮換擋過程車輛的動力性。換擋時間代表換擋過程持續(xù)時間的長短,該值較小時,換擋的瞬態(tài)過程較短,動力性較好。

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

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

        ts——換擋時間

        t1、t2—— 換擋開始和終了時刻。

        (2)換擋過程的平順性[2]

        換擋過程的平順性,即換擋過程平穩(wěn)而無沖擊地進行。但因車輛動力傳動系統(tǒng)是多轉(zhuǎn)動慣量系統(tǒng),換擋過程并非瞬時可以完成,所以對于DCT傳動系統(tǒng),其換擋過程中的傳動比發(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)過一段滑磨的過程,不可避免地伴有轉(zhuǎn)矩擾動,產(chǎn)生換擋沖擊。

        沖擊度j是車輛縱向加速度a對時間的導(dǎo)數(shù),其數(shù)學(xué)表達式為

        汽車加速度為

        根據(jù)車輛傳動系方程

        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)動慣量。

        θout——為輸出角位移。

        可見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個方面,一是發(fā)動機轉(zhuǎn)矩波動,二是離合器切換過程引起的轉(zhuǎn)矩變化。由于DCT換擋過程時間很短,發(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制受到一定限制,在傳動系結(jié)構(gòu)一定的前提下,離合器切換控制時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換擋過程中2個離合器通過滑摩進行扭矩的切換,離合器工作在滑摩工況,產(chǎn)生的滑摩功會導(dǎo)致離合器部件溫度升高,過高的溫升會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

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

        圖11 升檔過程轉(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

        換擋控制實際上是換擋過程中對離合器C1和C2傳遞扭矩的控制。升檔過程離合器C1、C2轉(zhuǎn)速和扭矩變化如圖所示,將換擋離合器切換過程分為4個時間段,t0為換擋起始時間,C2壓緊力開始逐漸減小,C1壓緊力開始增大,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)動機油門保持不變,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時刻,C2開始滑摩,轉(zhuǎn)矩階段結(jié)束,進入慣性階段。t1~t2時刻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)動機的扭矩關(guān)系很小,以3擋對應(yīng)離合器C1的轉(zhuǎn)速為目標轉(zhuǎn)速對發(fā)動機進行控制,同時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)檢測到C1輸入輸出轉(zhuǎn)速差小于設(shè)定值時換擋過程結(jié)束。[4]

        圖12 升檔過程離合器輸入扭矩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,簡歷的DCT系統(tǒng)動力學(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.針對雙離合自動變速器的結(jié)構(gòu),詳細闡述了雙離合自動變速器的工作原理。

        2.應(yīng)用romax軟件對所設(shè)計的雙離合自動變速器各個關(guān)鍵零部件,齒輪、軸承、軸、花鍵,進行了強度分析,分析結(jié)果滿足強度要求。

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

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

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

        [3] 劉艷芳.simulationx精解與實例.機械工業(yè)出版社.

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

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

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