牛 波 董 偉
華晨汽車工程研究院,沈陽(yáng)110141
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。
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
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。
分析工況如下圖:
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
(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
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
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。
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.