陳德民， 梁彥涵， 張　宏,2

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072; 2. 77169部隊(duì)， 四川 崇州 611233)

磁流變雙離合自動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)

陳德民1， 梁彥涵1， 張宏1,2

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072; 2. 77169部隊(duì)， 四川 崇州 611233)

摘要：為了簡(jiǎn)化雙離合自動(dòng)變速器(Dual Clutch Transmission，DCT)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方法，設(shè)計(jì)了一種能傳遞某型B級(jí)轎車(chē)最大轉(zhuǎn)矩的磁流變雙離合自動(dòng)變速器(Magneto-Rheological Dual Clutch Transmission，MRDCT)，并仿真分析了其磁場(chǎng)分布情況，得到了線圈通入電流與所傳遞轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。仿真結(jié)果表明：磁流變雙離合器能滿足轉(zhuǎn)矩傳遞的要求。最后設(shè)計(jì)并簡(jiǎn)要介紹了MRDCT的結(jié)構(gòu)和換擋過(guò)程。

關(guān)鍵詞：磁流變液； 雙離合器； 雙離合變速器

雙離合自動(dòng)變速器(Dual Clutch Transmission，DCT)是一種在手動(dòng)變速器基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的自動(dòng)變速器，其自誕生以來(lái)發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用到汽車(chē)上[1-2]。DCT具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，其最大特點(diǎn)是在汽車(chē)換擋過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力不中斷。但DCT的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方法復(fù)雜，加工難度大，已成為制約我國(guó)DCT發(fā)展的瓶頸[3-4]。磁流變液是一種受磁場(chǎng)控制的智能材料,在磁場(chǎng)作用下，它能在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)由牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢姆塑性體，黏度以數(shù)量級(jí)增大，剪切屈服應(yīng)力大大提高；當(dāng)磁場(chǎng)消失，磁流變液又回到牛頓流體狀態(tài)。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程是可逆的[5]。

筆者把磁流變液應(yīng)用到變速器中，用磁流變雙離合器來(lái)取代傳統(tǒng)的摩擦片式雙離合器，通過(guò)剪切磁流變液來(lái)傳遞動(dòng)力，設(shè)計(jì)了一種磁流變雙離合自動(dòng)變速器(Magneto-Rheological Dual Clutch Transmi-ssion，MRDCT)，以期達(dá)到簡(jiǎn)化DCT機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方法的目的。

1磁流變液及磁流變雙離合器

1.1磁流變液

磁流變液主要由磁性顆粒、基礎(chǔ)載液和添加劑等組成[6]。無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，磁性顆粒分散在基礎(chǔ)載液中，磁流變液表觀為具有良好流動(dòng)性的牛頓流體;在外磁場(chǎng)作用下，磁性顆粒沿磁場(chǎng)方向呈有規(guī)則的鏈?zhǔn)鵂钆帕?，磁流變液由牛頓流體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢姆塑性體,磁流變液的黏度增大，流動(dòng)性較低，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程可在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成：這就是磁流變效應(yīng)，其示意圖如圖1所示。磁流變雙離合器正是通過(guò)剪切磁場(chǎng)作用下形成的這種鏈?zhǔn)鵂罱Y(jié)構(gòu)來(lái)傳遞動(dòng)力。

圖1　磁流變效應(yīng)

1.2磁流變雙離合器

為了傳遞某型B級(jí)轎車(chē)最大儲(chǔ)備轉(zhuǎn)矩375 N·m，筆者曾設(shè)計(jì)了一種筒式結(jié)構(gòu)的磁流變雙離合器[7]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。磁流變雙離合器采用了1根輸入軸、2根輸出軸，2個(gè)磁流變單離合器(即內(nèi)離合器和外離合器)在徑向嵌套。

圖2　磁流變雙離合器的結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證內(nèi)、外2個(gè)離合器能否滿足轉(zhuǎn)矩傳遞要求以及分析它們之間的電磁干擾情況，利用Ansoft軟件仿真了不同電流下雙離合器中磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。由于受電源功率影響，在汽車(chē)上磁流變雙離合器最大電流不超過(guò)3 A。

1.2.1內(nèi)離合器磁場(chǎng)仿真

內(nèi)離合器工作時(shí)，其控制線圈通入電流，而外離合器的控制線圈不通入電流，工作區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖3所示?？梢钥闯觯和怆x合器工作區(qū)域中磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)量級(jí)在10-2以下，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可忽略不計(jì)。筆者在以前的研究中得到內(nèi)離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩T1與磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系為[7]

T1=179.608L1×(-160.8B3-54.05B2+

130.8B-5.7)，

(1)

式中：L1為內(nèi)離合器工作區(qū)域長(zhǎng)度,m。

圖3　內(nèi)離合器工作時(shí)工作區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

根據(jù)仿真結(jié)果，由式(1)得到不同電流下內(nèi)離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩,如表1所示。

表1　不同電流下內(nèi)離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩

根據(jù)表1進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到內(nèi)離合器傳遞轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)系為

T1=-13.344I3+29.879 5I2+

166.708 1I-0.992 3。

(2)

由式(2)可得：當(dāng)電流達(dá)到2.77 A時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)傳遞375 N·m這一目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。

上述結(jié)果表明：內(nèi)離合器滿足轉(zhuǎn)矩傳遞要求，且工作時(shí)對(duì)外離合器的電磁干擾很小。

1.2.2外離合器磁場(chǎng)仿真

外離合器工作時(shí),內(nèi)離合器線圈中無(wú)電流。圖4為外離合器線圈中通入不同電流時(shí)工作區(qū)域中磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布?？梢钥闯觯和怆x合器工作時(shí)對(duì)內(nèi)離合器的電磁干擾也很小。

圖4　外離合器工作時(shí)工作區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

外離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩T2與磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系為[7]

T2=282.6L2×(-160.8B3-54.05B2+

130.8B-5.7),

(3)

式中：L2為外離合器工作區(qū)域長(zhǎng)度,m。

根據(jù)仿真結(jié)果,得到不同電流下外離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩,如表2所示。

表2　不同電流下外離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩

根據(jù)表2進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到的外離合器傳遞轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)系為

T2=-13.344I3+29.879 5I2+

166.708 1I-3.965 9。

(4)

由式(4)可知：線圈中的電流達(dá)到2.3 A時(shí)，外離合器可傳遞375 N·m轉(zhuǎn)矩，說(shuō)明外離合器滿足轉(zhuǎn)矩傳遞要求。

2磁流變雙離合自動(dòng)變速器

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用磁流變雙離合器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的摩擦式雙離合器，利用磁流變液獨(dú)特的磁流變效應(yīng)來(lái)傳遞汽車(chē)轉(zhuǎn)矩，得到了磁流變雙離合自動(dòng)變速器，其傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5　磁流變雙離合自動(dòng)變速器傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

由圖5可知：1)與傳統(tǒng)的DCT相比，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)不變；2)采用的磁流變雙離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去了采用摩擦式雙離合器時(shí)的雙質(zhì)量飛輪等減振器；3)在控制方面，省去了傳統(tǒng)的DCT體積較大的液壓控制模塊，磁流變雙離合器只需通過(guò)控制通入線圈的電流即可實(shí)現(xiàn)對(duì)分離與結(jié)合的控制；4)在變速器中，1、3、5、R擋由磁流變雙離合器中的內(nèi)離合器控制，2、4、6擋由外離合器控制；5)磁流變雙離合器中的外離合器花鍵輸出端與變速箱的空心軸連接，而內(nèi)離合器輸出軸則與變速箱的實(shí)心軸連接,這樣，動(dòng)力就可以由2個(gè)離合器通過(guò)2根輸入軸傳到變速箱。

2.2換擋過(guò)程

MRDCT工作時(shí)，2個(gè)離合器之間交替配合，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力不間斷換擋。筆者以1擋起步換到2擋為例，說(shuō)明磁流變雙離合自動(dòng)變速器的換擋過(guò)程。

1) 起步時(shí)，換擋操縱機(jī)構(gòu)把1擋齒輪嚙合，然后內(nèi)離合器線圈中通入電流并結(jié)合，車(chē)輛起步，變速器掛上了1擋，此時(shí)的外離合器是分離狀態(tài)；

2) 當(dāng)車(chē)速升高到接近2擋的換擋車(chē)速時(shí)，換擋控制器向換擋操縱機(jī)構(gòu)發(fā)送指令，操縱2擋同步器結(jié)合，進(jìn)入預(yù)選擋狀態(tài)；

3) 當(dāng)車(chē)速達(dá)到升擋速度時(shí)，控制系統(tǒng)向離合器的控制系統(tǒng)發(fā)送切換命令，減小內(nèi)離合器控制線圈中的電流，同時(shí)增大外離合器控制線圈中的電流，此時(shí)內(nèi)離合器逐漸分離，外離合器逐漸結(jié)合；

4) 當(dāng)內(nèi)離合器完全分離、外離合器完全結(jié)合時(shí)，車(chē)輛換到了2擋。

3結(jié)論

筆者提出了磁流變雙離合器和磁流變雙離合自動(dòng)變速器的概念，從理論上分析了筒式磁流變雙離合器的轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型，以某B級(jí)轎車(chē)為例，設(shè)計(jì)了一款多筒式磁流變雙離合器，并對(duì)其在最大車(chē)載電流下的磁場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：內(nèi)、外2個(gè)離合器能各自滿足轉(zhuǎn)矩傳遞要求，且它們之間的電磁干擾很小。此外，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了磁流變離合器的轉(zhuǎn)矩傳遞能力，試驗(yàn)結(jié)果表明:該離合器能滿足雙離合變速器的實(shí)際使用要求。最后，基于傳統(tǒng)的DCT結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性高、反應(yīng)速

度快的磁流變雙離合自動(dòng)變速器，為產(chǎn)品工程化提供技術(shù)支持。但本文對(duì)磁流變雙離合自動(dòng)變速器的研究還不夠深入，特別是未考慮離合器工作時(shí)產(chǎn)生的溫升對(duì)磁流變液工作區(qū)磁場(chǎng)的影響，下一步將從這個(gè)方面開(kāi)展研究。

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(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Design of Magneto-Rheological Dual Clutch Transmission

CHEN De-min1, LIANG Yan-han1, ZHANG Hong1,2

(. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Troop No.77169 of PLA, Chongzhou 611233, China)

Abstract：To simplify the mechanical structure and control methods of Dual Clutch Transmission (DCT), a Magneto-Rheological Dual Clutch Transmission (MRDCT) is designed, which can transimit maximum torque of a B-class car. Its magnetic field distribution is simulated and analyzed, and the relationships between current and torque are got. The results show that the MRF dual clutch can meet the torque transmission demand. At last, a MRDCT is designed and introduced, and it’s shift progress is analyzed.

Key words:Magneto-Rheological Fluid (MRF); dual clutch; Dual Clutch Transmission (DCT)

文章編號(hào)：1672-1497(2016)01-0044-04

收稿日期：2015-12-08

基金項(xiàng)目：軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目； 北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(3152023)

作者簡(jiǎn)介：陳德民(1965-)，男，副教授，博士。

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.211

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.01.009