(上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司，上海 201804)

0 前言

自動(dòng)變速箱技術(shù)長(zhǎng)年被日本及歐美企業(yè)壟斷，隨著國(guó)內(nèi)自動(dòng)變速器車輛的銷售占比不斷升高，油耗和排放法規(guī)的日益加嚴(yán)，各主機(jī)廠為降低成本、提高效率及擺脫產(chǎn)能的束縛，開(kāi)始自主研發(fā)生產(chǎn)自動(dòng)變速箱。本文結(jié)合上汽雙離合器變速箱(DCT)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，對(duì)DCT的開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行介紹。

1 DCT的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)前期通過(guò)調(diào)研市場(chǎng)上的變速箱發(fā)展趨勢(shì)、客戶需求及結(jié)合內(nèi)部匹配需求，圍繞低油耗、低成本展開(kāi)，并兼顧零部件的平臺(tái)化及共線生產(chǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)目標(biāo)設(shè)定。由于其開(kāi)發(fā)涉及多個(gè)開(kāi)發(fā)部門之間的協(xié)作，為了更好的管理項(xiàng)目開(kāi)發(fā)進(jìn)度及規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，上汽采用了全球動(dòng)力總成開(kāi)發(fā)流程(GPDP)，設(shè)立了PG9至PG1共9個(gè)項(xiàng)目結(jié)點(diǎn)，來(lái)確保每個(gè)階段的開(kāi)發(fā)情況。

1.1 硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

在DCT硬件設(shè)計(jì)方面，首先根據(jù)設(shè)計(jì)輸入，完成各個(gè)小總成方案的設(shè)計(jì)、總成3D數(shù)模、總布置的準(zhǔn)備工作，并采用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)完成齒軸、殼體、差速器、潤(rùn)滑系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及校核，其次要做好外購(gòu)零件的選型及定點(diǎn)工作，如雙離合器、閥體、同步器、駐車機(jī)構(gòu)、軸承等。下面將介紹幾個(gè)重要零部件的布置情況。

1.1.1 齒軸布置與總布置的確定

變速箱的齒軸布置設(shè)計(jì)不僅對(duì)變速箱質(zhì)量和長(zhǎng)度有重要影響，同時(shí)也與變速箱的控制策略相關(guān)。因?yàn)殡p離合器變速箱的2個(gè)離合器分別控制著不同的檔位，車輛停車后撥叉預(yù)掛的位置會(huì)影響起步的控制策略，圖1為上汽某變速箱的齒軸布置及對(duì)應(yīng)的換檔原理矩陣表，該變速箱在車輛停車后1檔與R檔分別由2個(gè)不同的離合器控制，避免冷車起動(dòng)換檔操作造成的卡滯風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 齒軸布置及換檔原理矩陣表

在齒軸布置鎖定后，變速箱在整車的布置檢查也是必不可少的，與變速箱相關(guān)的硬件主要包括：左縱梁、副車架、蓄電池托盤、傳動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向機(jī)等零部件，這些整車零件容易與變速箱形成干涉。需要根據(jù)輸入條件，如懸置剛度、動(dòng)力總成的質(zhì)量、慣量和重心位置、DCT各檔傳動(dòng)比、發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩、懸置的位置和角度、驅(qū)動(dòng)半軸移動(dòng)節(jié)中心位置等。圖2為某DCT項(xiàng)目在整車中的總布置狀態(tài)。

圖2 變速箱總布置和部分動(dòng)態(tài)包絡(luò)圖

1.1.2 速比的設(shè)計(jì)

速比的選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)很多，在設(shè)計(jì)DCT速比的時(shí)候，一般要考慮等速油耗、新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)油耗、發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率、起步能力、排放、最高車速、爬坡性能、最高檔的最低穩(wěn)定車速、最低檔的穩(wěn)定車速、各檔動(dòng)力因數(shù)計(jì)算等。圖3為速比設(shè)計(jì)時(shí)的部分過(guò)程圖。

圖3 速比設(shè)計(jì)過(guò)程圖

1.1.3 殼體的有限元分析

殼體的正向建模過(guò)程如圖4所示，殼體的有限元分析結(jié)果如下：

(1) 振動(dòng)特性分析：箱體的瞬態(tài)響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)噪聲分析；

(2) 變速箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析：靜強(qiáng)度分析、動(dòng)強(qiáng)度分析、疲勞分析等；

(3) 測(cè)試試驗(yàn)：摸底試驗(yàn)、計(jì)算邊界條件測(cè)試、最終測(cè)試評(píng)價(jià)分析。

分析工況主要包括：一檔100%扭矩傳遞、轉(zhuǎn)向工況、汽車最大加速度工況、汽車最大減速工況和變速箱最大跳動(dòng)工況。

圖4 正向建模的分析

圖5為殼體有限元分析的部分過(guò)程圖，顯示在不同的沖擊下殼體的受力情況。

圖5 殼體應(yīng)力云計(jì)算

1.1.4 潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潤(rùn)滑策略的設(shè)計(jì)對(duì)雙離合的變速箱是至關(guān)重要的，該策略的制定會(huì)關(guān)系到變速箱的加油總量及系統(tǒng)的攪油功率損失，尤其濕式雙離合變速箱對(duì)于潤(rùn)滑策略更加敏感。目前潤(rùn)滑的方式主要有強(qiáng)制潤(rùn)滑、引導(dǎo)潤(rùn)滑、飛濺潤(rùn)滑3種模式，制定每個(gè)零件的潤(rùn)滑策略、潤(rùn)滑油的來(lái)源及驅(qū)動(dòng)源需要整體設(shè)計(jì)規(guī)劃。表1為某變速箱的潤(rùn)滑系統(tǒng)策略。

表1 變速箱的潤(rùn)滑策略

1.1.5 液壓系統(tǒng)及離合器設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響著變速箱換檔響應(yīng)的快慢及換檔噪聲，所以在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，壓力和流量的控制策略，低泄露或零泄漏閥體及高精度電磁閥的設(shè)計(jì)選擇至關(guān)重要。以撥叉活塞缸的壓力分析為例進(jìn)行闡述，首先分析撥叉QVFS閥的工作過(guò)程，如圖6所示。

圖6 QVFS閥的工作過(guò)程

目前，液壓系統(tǒng)的供油方式主要有純機(jī)械泵方式、電子泵+機(jī)械泵、純電子泵3種方式，主流的主要為后兩者。雙離合器分為干式和濕式，在設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)型式方面都有諸多不同之處，包括扭矩、容量、空間布置、質(zhì)量級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等[1]。目前雙離合的技術(shù)仍然掌握在國(guó)外供應(yīng)商手中，因此離合器應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)需求作為外購(gòu)件進(jìn)行選擇。

1.2 軟件及標(biāo)定開(kāi)發(fā)

一款優(yōu)秀的變速箱除硬件方面具備優(yōu)勢(shì)外，軟件方面同樣高的要求，主要表現(xiàn)在換檔響應(yīng)快、換檔平順及安全性高等。DCT的軟件開(kāi)發(fā)一般參照軟件過(guò)程改進(jìn)和能力測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)(ASPICE)或者能力成熟度集成模型(CMMI)流程，以ASPICE為例，主要經(jīng)歷需求定義、軟件設(shè)計(jì)、軟件測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試幾大階段,如圖7所示。在前期軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，根據(jù)安全法規(guī)、整車功能、基本功能和其他控制器交互功能等各方面要求，形成系統(tǒng)需求和系統(tǒng)架構(gòu)，然后分解軟件需求并進(jìn)行軟件架構(gòu)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，然后借助Matlab/Simulink軟件工具建立控制模型并進(jìn)行單元測(cè)試和回路模型(MIL)測(cè)試，待控制器樣機(jī)出來(lái)后生成初始的軟件代碼刷新到控制器中進(jìn)行硬件回路(HIL)測(cè)試，對(duì)前期定義的需求進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)后進(jìn)入到標(biāo)定階段。

基于初版測(cè)試通過(guò)的軟件經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化，形成50%的標(biāo)定數(shù)據(jù)發(fā)布支持臺(tái)架測(cè)試，主要實(shí)現(xiàn)變速箱基本功能、液壓層性能達(dá)到階段性目標(biāo)。在發(fā)動(dòng)機(jī)軟件和整車開(kāi)發(fā)到達(dá)匹配階段后，在整車上開(kāi)始性能標(biāo)定，標(biāo)定過(guò)程中要綜合考慮外部環(huán)境(溫度、路況)、駕駛員習(xí)慣(油門開(kāi)度、制動(dòng))、發(fā)動(dòng)機(jī)及周邊控制器狀態(tài)和變速箱狀態(tài)等參數(shù)，并進(jìn)行不斷的優(yōu)化，最終釋放階段性軟件供整車測(cè)試。在整車試驗(yàn)過(guò)程中除了正常的耐久試驗(yàn)，還需要經(jīng)歷環(huán)境試驗(yàn)(高寒、高熱、高原)適應(yīng)性測(cè)試，不斷發(fā)布65%、80%、99%階段的數(shù)據(jù)，最終形成100%標(biāo)定發(fā)布。

1.3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證及制造

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在硬件和軟件設(shè)計(jì)初步完成后，除問(wèn)題檢查及驗(yàn)證除仿真外，還需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)驗(yàn)證分為臺(tái)架和整車兩部分。臺(tái)架試驗(yàn)的工況包括輸入轉(zhuǎn)速、扭矩、時(shí)間等要素，工況設(shè)計(jì)需要對(duì)車輛負(fù)荷譜進(jìn)行轉(zhuǎn)化，如圖8所示。

圖7 軟件開(kāi)發(fā)流程

圖8 道路負(fù)荷譜原始數(shù)據(jù)

變速箱負(fù)荷譜是綜合考慮不同客戶的使用情況，對(duì)典型的道路和載重情況采集的一系列負(fù)荷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)綜合計(jì)算，等效到整車的全壽命使用里程，并最終用于變速箱的設(shè)計(jì)分析和臺(tái)架試驗(yàn)[2]。負(fù)荷譜一般情況下參考Miner疲勞累積計(jì)算公式轉(zhuǎn)化成試驗(yàn)工況。

將負(fù)荷譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到變速器得到和最大扭矩對(duì)應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速，表2為某DCT項(xiàng)目的臺(tái)架試驗(yàn)工況。

表2 臺(tái)架試驗(yàn)工況

除了臺(tái)架耐久試驗(yàn)外，DCT的開(kāi)發(fā)還需要進(jìn)行性能試驗(yàn)及整車試驗(yàn)，表3為DCT的常規(guī)試驗(yàn)清單。

表3 是雙離合器變速箱的常規(guī)試驗(yàn)清單

針對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)及整車的制造、臺(tái)架資源的落實(shí)、整車試驗(yàn)的安排以及試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的試驗(yàn)問(wèn)題報(bào)告(TIR)需要得到及時(shí)響應(yīng)處理，這需要項(xiàng)目管理制定好詳細(xì)計(jì)劃，出現(xiàn)任何問(wèn)題，都會(huì)造成項(xiàng)目時(shí)間的延遲。

1.3.2 變速箱的制造

DCT的變速箱量產(chǎn)制造除了需要考慮到傳統(tǒng)的機(jī)械加工及裝配之外，還要著重考慮清潔度及下線校驗(yàn)問(wèn)題。由于DCT的齒軸精度要求相對(duì)較高，所以對(duì)應(yīng)的加工設(shè)備的先進(jìn)程度及人員素質(zhì)也相對(duì)較高，這就要求在試生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)小批量生產(chǎn)暴露一些加工問(wèn)題，并不斷解決優(yōu)化，直到產(chǎn)品穩(wěn)定。同時(shí)，清潔度也是整個(gè)生產(chǎn)及裝配過(guò)程中的重要問(wèn)題，這需要從工廠的整體環(huán)境、自制件加工后的清洗、外購(gòu)件在供應(yīng)商處的清潔度控制、以及進(jìn)廠后零件的包裝、員工著裝等各方面來(lái)保證清潔度。為了確保變速箱清潔度的穩(wěn)定，在后續(xù)生產(chǎn)中要定期抽檢進(jìn)行測(cè)量。

下線檢測(cè)是變速箱出廠的最后檢驗(yàn)手段，所以檢測(cè)臺(tái)架標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定直接關(guān)系到變速箱是否能夠順利下線，由于DCT在國(guó)內(nèi)是相對(duì)比較前沿的技術(shù)，所以標(biāo)準(zhǔn)的制定需要樣本數(shù)的不斷積累和修正。

一款DCT的成功開(kāi)發(fā)，除了本身零部件設(shè)計(jì)能力、制造能力、開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)?zāi)芰?、生產(chǎn)能力，以及質(zhì)量保證能力外，零部件的供應(yīng)商選擇也起著重要作用，考慮到DCT變速箱的部分零件要求比傳統(tǒng)的變速箱高，所以選擇實(shí)力較強(qiáng)的供應(yīng)商，如離合器生產(chǎn)商博格華納、LUK等， TCU生產(chǎn)商BOSCH、聯(lián)合電子等。實(shí)力較強(qiáng)的供應(yīng)商對(duì)后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題能夠很快找到原因并進(jìn)行解決，能有效縮短試驗(yàn)進(jìn)度。

2 結(jié)論

DCT的開(kāi)發(fā)對(duì)于自主品牌來(lái)說(shuō)是新的嘗試，開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到問(wèn)題是不可避免的，本文結(jié)合上汽DCT項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程，對(duì)DCT速比的選擇、齒軸的設(shè)計(jì)、殼體的設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)軟件的架構(gòu)及開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行了闡述，這對(duì)國(guó)內(nèi)的變速箱的開(kāi)發(fā)有一定的借鑒意義。