吳剛，朱桂慶，劉偉東，楊云波，李巖

（130011 吉林省 長春市 中國第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院）

0 引言

最大爬坡度是汽車動力性的重要指標(biāo)，對于DCT 車型而言，爬坡過程帶來的過熱問題是制約當(dāng)前DCT 車型開發(fā)的重要因素。其中，雙離合變速器基于奇、偶兩個(gè)離合器控制，相比于AT 變速器具有更優(yōu)越的能量傳遞效率，但離合器結(jié)合的滑摩過程會產(chǎn)生大量的熱，散熱系統(tǒng)如果不能將熱量及時(shí)帶走，就會形成較大的熱應(yīng)力，容易損壞摩擦副，熱量累積超過材料許用極限時(shí)，摩擦材料就會燒蝕或者脫落[1]。

從當(dāng)前DCT 車型系統(tǒng)控制來講，當(dāng)摩擦片溫度超過限值，系統(tǒng)會限制發(fā)動機(jī)扭矩輸出，并點(diǎn)亮故障燈，強(qiáng)制用戶停車?yán)鋮s，隨著溫度降低逐漸解除對發(fā)動機(jī)扭矩的限制。這個(gè)過程雖然有效保護(hù)了變速器硬件不受破壞，但是一定程度上限制了用戶使用工況，所以需從硬件及控制上入手，解決超溫問題，最大可能地滿足用戶的使用需求。圖1 為濕式離合器結(jié)構(gòu)圖。

圖1 濕式離合器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Wet clutch structure diagram

1 DCT 車型坡路起步過程

1.1 坡道起步受力分析

如圖2 所示，假設(shè)車輛為后驅(qū)車型，且當(dāng)前為D 擋，AUTO HOLD 激活狀態(tài)，制動器抱死車輪。當(dāng)駕駛員踩下油門踏板，驅(qū)動力Fk逐漸增加，系統(tǒng)檢測到車輛滿足正向驅(qū)動條件時(shí)，AUTO HOLD解除，逐漸撤掉輪端制動力Fμ，保證車輛能正常坡道起步[2]。

圖2 受力分析Fig.2 Force analysis

式中：f——滾動阻力系數(shù)；δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；A——迎風(fēng)面積；CD——空氣阻力系數(shù)；FZ1、FZ2——作用在前、后輪上的地面法向反作用力。

AUTO HOLD 解除之后車輛將正常起步，車速建立過程中發(fā)動機(jī)與離合器速差較大，且起步過程驅(qū)動扭矩Fk較大，將會在離合器摩擦副表面產(chǎn)生大量的熱。

1.2 坡道起步扭矩傳遞路徑

發(fā)動機(jī)工作時(shí)，動力經(jīng)離合器外殼體傳遞到對偶鋼片，鋼片開始旋轉(zhuǎn)，D 擋駐車時(shí)整車處于半聯(lián)動狀態(tài)。踩下加速踏板，隨著發(fā)動機(jī)扭矩增加，離合器控制扭矩增加，DCT 系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值進(jìn)行閉環(huán)控制。離合器控制扭矩經(jīng)摩擦系數(shù)換算，表現(xiàn)為壓力作用在對偶鋼片上，壓緊摩擦片，通過摩擦作用，將扭矩傳遞出去。

1.3 坡道起步產(chǎn)熱過程

摩擦副結(jié)合過程中，由于速差的存在，產(chǎn)生大量的滑摩功，熱量經(jīng)冷卻系統(tǒng)被帶走，維持摩擦副表面溫度相對穩(wěn)定。

滑摩功的計(jì)算公式[3]：

式中：W——滑摩功；Tc——離合器控制扭矩；ωe——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；ωn——離合器轉(zhuǎn)速。

滑摩功與離合器控制扭矩、速差、滑摩時(shí)間相關(guān)。坡道起步相對于普通起步工況，其需要更大的扭矩、更長的滑摩時(shí)間、更大的滑摩速差，是對雙離合變速器的硬件能力、散熱能力的極大考驗(yàn)。

1.4 坡道起步散熱過程

離合器中有冷卻油液存在，其能及時(shí)帶走離合器滑摩時(shí)產(chǎn)生的大量熱量，同時(shí)起到潤滑、保護(hù)摩擦片，減少磨損的作用。

熱量傳遞的方式主要有3 種：熱傳遞、熱對流、熱輻射，其中熱對流換熱是摩擦副與潤滑油之間換熱的主要方式。對流換熱又可根據(jù)流體動力來源分為自然對流換熱與強(qiáng)制對流換熱，雙離合變速器的潤滑油都以泵驅(qū)動形式[4]，所以屬于強(qiáng)制對流換熱。

換熱方程為：

式中：Q——對流換熱速率；α——對流傳熱系數(shù)；Tw、tw——熱、冷表面溫度；S——傳熱面積。

對流換熱系數(shù)的影響因素眾多，如粘度、密度、比熱容、換熱表面的形狀、布置等。

坡道起步相對于水平路面起步，需要克服更大的阻力，起步過程DCT 車型通過鋼片與摩擦材料間的摩擦力將發(fā)動機(jī)動力輸出到輪端，起步過程將會產(chǎn)生大量的滑摩熱，熱量經(jīng)冷卻系統(tǒng)帶走，如單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生熱量太多，超過冷卻系統(tǒng)散熱能力，熱量累積導(dǎo)致局部高溫，溫度超過鋼片、摩擦片的承受能力時(shí)，就會導(dǎo)致摩擦副燒蝕。

2 DCT 溫度模型及控制邏輯

2.1 溫度模型

在DCT 車輛行駛中，系統(tǒng)會時(shí)時(shí)計(jì)算摩擦副表面溫度，但是由于運(yùn)轉(zhuǎn)過程中摩擦副處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，無法有效固定溫度傳感器，且無線測溫設(shè)備價(jià)格高昂，目前不能得到廣泛應(yīng)用。DCT 控制過程中，表面溫度均以模型計(jì)算值為準(zhǔn)，根據(jù)模型計(jì)算溫度值進(jìn)行相應(yīng)控制。

溫度模型如下：

式中：Tc——離合器控制扭矩；ωe，ωn——發(fā)動機(jī)、離合器轉(zhuǎn)速，rad/s；HFactor——加熱系數(shù)；CFactor——冷卻系數(shù)；tw——模型計(jì)算摩擦副溫度；t——潤滑油溫度；Δ t——溫度變化速率，℃/s。

應(yīng)當(dāng)指出，模型計(jì)算溫度值與真實(shí)表面溫度值是存在偏差的，文中第4 節(jié)將針對偏差進(jìn)行修正。

2.2 基本控制邏輯

起步控制過程中，控制系統(tǒng)根據(jù)模型計(jì)算的表面溫度執(zhí)行相應(yīng)控制，基本控制邏輯如表1 所示。

表1 基本控制邏輯Tab.1 Basic control logic

3 離合器表面超溫問題解決路徑

3.1 DCT 結(jié)構(gòu)簡圖

本文以某車企自主開發(fā)的縱置雙離合變速器為研究對象，該變速器采用機(jī)械泵冷卻，圖3 為其結(jié)構(gòu)簡圖。

圖3 DCT 結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 DCT structure diagram

雙離合變速器的產(chǎn)熱與散熱是一個(gè)復(fù)雜的問題，對于一個(gè)既定的動力總成系統(tǒng)，為解決其大坡度起步表面超溫問題，從以下3 個(gè)角度展開分析：減少產(chǎn)熱、增加散熱、校準(zhǔn)模型參數(shù)。

3.2 減少產(chǎn)熱

如車型1 擋或R 擋匹配更大的總速比，車輛保持相同起步加速度，離合器控制扭矩將減小。由式（3）可知，相同的坡起過程產(chǎn)熱量將減小，溫升速率減小，最高表面溫度值減小。

限制發(fā)動機(jī)扭矩輸出能有效減小單位時(shí)間產(chǎn)熱量，但是爬坡過程中時(shí)間增加。從臺架測試及實(shí)車控制過程中會發(fā)現(xiàn)，坡路起步表面溫度趨勢是先升高后逐漸降低[5]，限制發(fā)動機(jī)扭矩能有效降低最高溫度值。圖4 為坡道起步轉(zhuǎn)速與表面溫度隨時(shí)間變化的示意圖。

圖4 DCT 起步示意圖Fig.4 Diagram of launch

減小坡道起步加速度與限制發(fā)動機(jī)扭矩輸出作用類似，但減小起步加速度可以通過減小起步過程油門踏板開度來實(shí)現(xiàn)。

3.3 增加散熱

降低變速器基礎(chǔ)油溫。正常駕駛工況下，變速器油通過發(fā)動機(jī)冷卻水進(jìn)行冷卻，適當(dāng)降低發(fā)動機(jī)平衡水溫，能有效降低變速器平衡油溫，由式（4）可知，油溫越低越有利于散熱。

提高坡道起步過程發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，油泵轉(zhuǎn)速提高，冷卻流量增加。實(shí)際臺架測試中，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化冷卻流量變化如圖5 所示

圖5 流量隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系Fig.5 Relationship between flow rate and speed

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，起步過程速差增加。由式（5）可知，升溫速率與速差成正比，降溫速率與流量成正比。為便于分析發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化對產(chǎn)熱、散熱的影響比重，引入流量增益與轉(zhuǎn)速增益的比值。

式中：Lf1、Lf0——兩個(gè)轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的冷卻流量；ωe1，ωe0——不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；α——流量增益與轉(zhuǎn)速增益的比值。

如圖6 所示，坡路起步轉(zhuǎn)速控制在1 600 r/min附近，對整個(gè)DCT 系統(tǒng)散熱平衡最有利。

圖6 增益變化規(guī)律Fig.6 Gain change law

在DCT 潤滑油路控制過程中，主油路控制優(yōu)先級高于潤滑油路，由于液壓閥體存在泄漏，維持過高的主油壓會導(dǎo)致潤滑油路流量不足，適當(dāng)降低主油路壓力，對坡道起步工況的散熱是有利的。

增加電動泵及更改機(jī)械泵速比均有利于提高潤滑流量。在變速器開發(fā)初期應(yīng)當(dāng)充分考慮熱負(fù)荷問題，設(shè)計(jì)與爬坡能力相匹配的散熱系統(tǒng)。

3.4 校準(zhǔn)模型參數(shù)

校準(zhǔn)模型中的HFactor、CFactor系數(shù)。根據(jù)臺架實(shí)測值增加油溫、車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等維度，不斷修正系數(shù)，讓模型計(jì)算值更加接近真實(shí)測量值，詳細(xì)試驗(yàn)方案見第4 節(jié)。

本節(jié)從減少產(chǎn)熱、增加散熱、校準(zhǔn)溫度模型參數(shù)三個(gè)維度闡述了解決表面超溫問題的方法路徑，起步控制轉(zhuǎn)速為1 600 r/min 附近對起步工況散熱最有利。本文將采用限制發(fā)動機(jī)輸出扭矩、減小坡道起步加速度的方式減少產(chǎn)熱；通過控制合理的起步轉(zhuǎn)速、適當(dāng)降低主油路壓力的方式增加散熱；通過變速器臺架試驗(yàn)校準(zhǔn)溫度模型參數(shù)。

4 校準(zhǔn)溫度模型參數(shù)

4.1 試驗(yàn)方案

4.1.1 臺架系統(tǒng)簡圖

試驗(yàn)系統(tǒng)簡圖如圖7 所示。試驗(yàn)離合器總成的外離合器包含6 個(gè)對偶鋼片和5 個(gè)摩擦片，溫度傳感器布置上選取預(yù)埋熱電偶的方式進(jìn)行，布置方式見圖8；傳感器布置在鋼片外徑上，打孔深度8 mm，見圖9。試驗(yàn)中采用無線測溫設(shè)備，整個(gè)測試模塊安裝在離合器總成內(nèi)部。

圖7 試驗(yàn)系統(tǒng)簡圖Fig.7 Test system diagram

圖8 傳感器布置示意圖Fig.8 Diagram of sensor layout

圖9 打孔深度及位置Fig.9 Drilling depth and location

4.1.2 試驗(yàn)條件

（a）測試臺架設(shè)置為speed-speed 模式；

（b）按試驗(yàn)計(jì)劃依次設(shè)定輸入轉(zhuǎn)速、離合器轉(zhuǎn)速，按不同油溫分別進(jìn)行測試，離合器控制壓力按斜坡控制，1 s 內(nèi)到達(dá)命令壓力；

（c）實(shí)時(shí)監(jiān)測離合器鋼片溫度，在表面溫度達(dá)到報(bào)警限值或達(dá)到平衡時(shí)，立即卸載離合器壓力；

（d）具體試驗(yàn)條件如表1 所示。

表1 試驗(yàn)條件Tab.1 Test conditions

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)測試過程中模型計(jì)算值與表面實(shí)測溫度值的差異不斷修正相應(yīng)系數(shù)，讓模型計(jì)算值貼近實(shí)測溫度值，同時(shí)需保留50℃溫差余量（由于坡起工況從離合器總成出來的熱油并不能與油底殼中的油充分混合，導(dǎo)致溫度傳感器實(shí)測油溫會低于實(shí)際參與循環(huán)潤滑油的油溫，故需要留有安全余量），修正過程如圖10 所示。最終得到包含發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、離合器轉(zhuǎn)速、油溫相關(guān)的模型系數(shù)。

圖10 試驗(yàn)結(jié)果修正Fig.11 Correction of test results

5 實(shí)車控制及標(biāo)定過程

5.1 計(jì)算最大允許輸出扭矩

選擇最有利的起步轉(zhuǎn)速1 600 r/min，通過臺架測試我們得到最合理的模型系數(shù)，以報(bào)警溫度限值（T1-Δt）為溫度值代入式（7），計(jì)算得到溫升速率為0 時(shí)允許的最大控制扭矩。在溫升速率為0 之后，隨著車速增加，速差減小，溫升速率變?yōu)樨?fù)值，表面溫度開始下降，通過這種方法能計(jì)算出在保證摩擦副不超溫情況下的最大輸出扭矩。通過限制發(fā)動機(jī)扭矩輸出，保證上坡過程摩擦副不超溫。

式中：Tcmax——允許發(fā)動機(jī)輸出最大扭矩；T1——報(bào)警溫度限值；Δ t——報(bào)警余量，避免觸發(fā)報(bào)警；tw——摩擦副入口油溫；HFactor——加熱系數(shù)；CFactor——冷卻系數(shù)。

轉(zhuǎn)速1 600 r/min 下Lf已知，即可求出在保證離合器摩擦副不超溫情況下最大輸出扭矩。

在Tcmax的條件下，坡道起步離合器表面是不會超溫的，其考慮了最大速差下允許的輸出扭矩，能滿足駕駛?cè)藛T通過油門、剎車控制車速反復(fù)坡起的需求。

實(shí)際坡道起步過程中，在離合器表面溫度較低時(shí)，由式（7）可知，模型計(jì)算溫升速率大于0，表面溫度增加，隨著表面溫度達(dá)到T1-Δt附近溫升速率逐漸減為0，隨著速差減小模型計(jì)算值逐漸減小。在已知最大允許輸出扭矩的情況下，能計(jì)算出最大爬坡度。

5.2 大坡度起步工程目標(biāo)的達(dá)成

以某車企DCT 車型為驗(yàn)證對象，車輛驅(qū)動形式為后驅(qū)，整備質(zhì)量2 100 kg，D 擋零車速坡道起步工程目標(biāo)為30%。試驗(yàn)前車輛已經(jīng)充分預(yù)熱，變速器油溫達(dá)到常溫環(huán)境下平衡油溫，HHC 工作狀態(tài)正常。分別采用優(yōu)化前后的控制策略，進(jìn)行30%的坡道零車速起步測試，具體測試結(jié)果如圖11、圖12 所示。

圖11 優(yōu)化前坡道起步數(shù)據(jù)Fig.11 Ramp start data before optimization

圖12 優(yōu)化后坡道起步數(shù)據(jù)Fig.12 Ramp start data after optimization

未優(yōu)化發(fā)動機(jī)輸出扭矩、起步轉(zhuǎn)速、溫度模型參數(shù)、冷卻流量時(shí)，30%坡道起步，離合器表面溫度超過限扭值，觸發(fā)發(fā)動機(jī)限扭，發(fā)動機(jī)扭矩快速減小，由于液壓系統(tǒng)遲滯，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速拖低。

通過限制發(fā)動機(jī)扭矩輸出值、提高起步轉(zhuǎn)速、優(yōu)化溫度模型參數(shù)、提高冷卻流量，解決了D 擋30%的坡道起步超溫問題。對比起步轉(zhuǎn)速降低了250 r/min，鋼片表面最高溫度降低了40℃，達(dá)成了坡道起步的工程目標(biāo)。

5.3 其他坡度起步表現(xiàn)

當(dāng)坡度值小于30%，小于工程目標(biāo)值，發(fā)動機(jī)扭矩經(jīng)限扭之后輸出的最大值為Tcmax，坡度值越小，坡道起步過程加速度越大。由于踩油門坡道起步過程發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速需從怠速轉(zhuǎn)速快速提升到1 600 r/min 附近，為改善較小坡度起步的動力響應(yīng)性，策略上應(yīng)將坡度值較小的起步過程區(qū)分控制，匹配相對較小的起步轉(zhuǎn)速。

當(dāng)坡度值大于30%，超過工程目標(biāo)值，發(fā)動機(jī)扭矩經(jīng)限扭之后輸出的最大值為Tcmax，坡度值越大，坡道起步過程加速度越小。限制發(fā)動機(jī)扭矩輸出值、提高起步轉(zhuǎn)速、優(yōu)化溫度模型參數(shù)、提高冷卻流量能有效避免離合器表面超溫，但過大的坡度車輛將無法順利完成零車速坡道起步,所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)車型設(shè)定合理的工程目標(biāo)。

6 結(jié)語

本文通過限制發(fā)動機(jī)輸出扭矩，減小車輛坡道起步加速度，合理控制起步轉(zhuǎn)速，優(yōu)化主油路壓力，修正溫度模型參數(shù)，解決了DCT 車型大坡度起步表面超溫的問題。并且，通過系統(tǒng)的最大散熱能力反向推導(dǎo)出最大爬坡度，對于DCT 車型最大爬坡度工程目標(biāo)設(shè)定有著指導(dǎo)意義。同時(shí)應(yīng)該看到，最大爬坡能力是受散熱能力限制的，除了進(jìn)行相應(yīng)系數(shù)及流量調(diào)整以外，硬件設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的，需要設(shè)計(jì)人員在開發(fā)初期根據(jù)最大爬坡度目標(biāo)匹配相應(yīng)的散熱系統(tǒng)。由于限制了發(fā)動機(jī)輸出扭矩，會影響部分其他工況的表現(xiàn)，需從策略上區(qū)分，避免相互影響。由于1、R 擋速比不同，且采用不同的離合器傳扭，所以需要根據(jù)整車工程目標(biāo)分別進(jìn)行驗(yàn)證。