理想狀態(tài)下的雙離合自動變速器升擋過程滑磨功分析

向永樂，楊翔宇，謝 明，吳張兵

(重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶 400054)

雙離合自動變速器(dual clutch transmission，DCT)結(jié)合了自動變速器(automatic transmission，AT)和機(jī)械式自動變速器(automated mechanical transmission，AMT)在舒適性和經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢，且傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊［1］，同時消除了AMT在換擋過程中動力中斷的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了動力性換擋［2］。因此，雙離合自動變速器具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。按冷卻介質(zhì)可將其分為干式雙離合自動變速器和濕式雙離合自動變速器，前者是靠空氣冷卻而后者則是靠油液冷卻。在頻繁換擋過程中產(chǎn)生大量滑磨功以致摩擦片溫度過高甚至失效仍為當(dāng)前一大難題。本文就其升擋過程中離合器C1與離合器C2所產(chǎn)生的滑磨功進(jìn)行探討。

1 DCT結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)

圖1所示為雙中間軸式干式離合器1、2擋結(jié)構(gòu)簡圖。該DCT系統(tǒng)有7個擋位，2個離合器C1，C2交替工作，其中離合器C1與1，3，5，7擋相連，離合器C2與2，4，6及倒擋相連。以1擋升2擋為例，升擋過程中，離合器C1逐漸分離，離合器C2逐漸結(jié)合，離合器C1與離合器C2有一段重疊工作時間，本文將其稱為重疊量。根據(jù)不同的控制策略其重疊量也不相同。為論述方便，本文統(tǒng)稱逐漸結(jié)合的離合器為結(jié)合離合器，逐漸脫開的離合器為脫開離合器。

圖1 雙離合器1、2擋結(jié)構(gòu)簡圖

2 控制策略的選定及所研究車型相關(guān)參數(shù)

不同的換擋控制策略決定了離合器的具體工作過程，在此以不同的重疊量制定3種典型控制策略進(jìn)行分析探討。離合器C1所能傳遞的力矩TC1與離合器C2所能傳遞的力矩TC2隨時間t按如下3種控制策略變化(均以離合器C2開始結(jié)合為0時刻參考點(diǎn))。

本文研究的車型有關(guān)參數(shù)如下:

1擋傳動比(i1):3.764;

2擋傳動比(i2):2.272;

驅(qū)動橋減速比(i0):4.437;

汽車總質(zhì)量(W):1800 kg;

車輪滾動半徑(RT):45 cm;

離合器轉(zhuǎn)矩容量(Tmax):250 N·m。

為研究方便，本文作如下假設(shè):

1)1擋升2擋發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化很小，本文假定其恒

定不變，傳遞的力矩可在極限范圍內(nèi)改變;

2)1、2擋車輛速度較低，忽略風(fēng)阻的影響。

3 控制策略1

3.1 C1滑磨情況分析

根據(jù)滑磨功的計(jì)算公式可知，計(jì)算滑磨功須知道離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速差和傳遞力矩的大小以及滑磨的時間。因此，準(zhǔn)確地判斷離合器何時開始滑磨(本文將其稱為始滑點(diǎn))與何時停止滑磨(本文將其稱為止滑點(diǎn))至關(guān)重要。

在該種控制策略下離合器C1開始分離的同時，離合器C2就開始結(jié)合，C1在0.5 s完全分離，C2在0.5 s結(jié)合完畢。在離合器C1，C2重疊工作的過程中，C1與C2共同傳遞動力。由于離合器的轉(zhuǎn)矩容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車輛1擋行駛時離合器C1從動盤上的阻力矩，加之離合器C2的助力作用，離合器C1并非一開始分離就立即進(jìn)入滑磨狀態(tài)。換言之，在1擋升2擋的過程中，存在這樣一個階段，即離合器C1已經(jīng)開始分離卻尚未進(jìn)入滑磨狀態(tài)，本文將該階段稱之為平衡態(tài)階段。

在平衡態(tài)階段，離合器C1所傳遞的力矩為靜摩擦力矩，大小由離合器C2所傳遞的力矩與道路阻力矩共同決定，并非與其當(dāng)前所能傳遞的力矩相等。因此在平衡態(tài)階段有如下力矩平衡方程:

式(1)中:T'C1為離合器C1實(shí)際傳遞的力矩;TC2為離合器C2所能傳遞的力矩;MT1為1擋道路阻力矩，可用下式計(jì)算［3］:

式(2)中:W為汽車總質(zhì)量;g為重力加速度;i0為驅(qū)動橋減速比;ik為k擋傳動比;φ為道路阻力系數(shù)，可用下式計(jì)算

式(3)中:f為滾動阻力系數(shù)，微型車、輕型車及轎車可取f=0.015;α為坡度角度。

由力矩平衡方程分析可知:當(dāng)離合器C2單獨(dú)傳遞的力矩尚不足以克服當(dāng)前阻力矩時，離合器C1與離合器C2共同克服阻力矩以維持車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)，車輛仍以1擋速度行駛。隨著TC2的增加，離合器C1實(shí)際所傳遞的力矩T'C1逐漸減小。與此同時，離合器C1所能傳遞的力矩TC1也在減小。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入平衡方程可得:當(dāng)t=0.024 s時，T'C1=0，TC1=238 N。由此可知:經(jīng)過0.024 s離合器C2單獨(dú)所傳遞的力矩就已經(jīng)足以平衡阻力矩，但此時離合器C1尚未完全分離，那么之后C1所傳遞的力矩將會變?yōu)樽枇?，會阻礙車輛加速，本文將其稱之為反拖。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)t=0.321 s時=TC1，也就是說離合器C1在0.321 s才進(jìn)入滑磨狀態(tài)，車輛的速度才開始改變，即t=0.321 s為C1的始滑點(diǎn)。那么在0.024～0.321 s內(nèi)C1傳遞的力矩仍然為靜摩擦力矩，且為起阻礙作用的反拖力矩。當(dāng)C1完全分離時，C1就停止滑磨，即 t=0.5 s為 C1的止滑點(diǎn)。在0.321～0.5 s內(nèi)C1從動盤角速度為

式(4)中:ω0為C1主動盤角速度;β1為C1從動盤角加速度，可由式(5)計(jì)算。

J1為汽車1擋當(dāng)量慣量，J1可由式(6)計(jì)算。

在控制策略1下，離合器C1所產(chǎn)生的滑磨功(0.321 ≦ t≦ 0.5)為

該控制策略下力矩與滑磨功隨時間變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 控制策略1力矩及C1滑磨功變化情況

3.2 C2滑磨情況分析

由于1擋傳動比i1大于2擋傳動比i2，離合器C2開始結(jié)合時其主、從動盤并不同速，則0時刻即為C2的始滑點(diǎn)。t=0.321 s時其從動盤才開始有角加速度，在0.321≤t≤0.5 s內(nèi) C2從動盤角速度為

式(8)中:ω20為離合器C2從動盤初速度;β2為C2從動盤角加速度，可由式(9)計(jì)算。

式(9)中:MT2為汽車2擋道路阻力矩;J2為汽車2擋當(dāng)量慣量。

由此可算得t=0.5 s時，離合器C2主、從動盤仍未達(dá)到同速，也就是說離合器C2已經(jīng)結(jié)合完畢后，C2還未停止滑磨。由此可見:0.5 s以后，C2從動盤仍會繼續(xù)加速;0.5 s到C2主、從動盤同速之前，其從動盤角速度為

式(11)中β'2為C2從動盤0.5 s以后的角加速度，可由式(12)計(jì)算。

計(jì)算可得t=1.537 s為C2主、從動盤達(dá)到同速，即t=1.537 s為C2的止滑點(diǎn)。由以上分析可知:升擋過程中離合器C2的滑磨功須分3段分別計(jì)算，即

該控制策略下力矩與C2滑磨功隨時間變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 控制策略1力矩及C2滑磨功變化情況

4 控制策略2

與控制策略1的分析相同，在該種控制策略下，當(dāng)離合器C2單獨(dú)傳遞的力矩足以克服阻力矩時，離合器C1恰好完全分離，那么離合器C1在整個換擋過程產(chǎn)生的滑磨功為0。離合器C2的始滑點(diǎn)為t=0 s，止滑點(diǎn)為t=1.388 s?；スθ苑?個階段來計(jì)算，升擋過程中總滑磨功為3段滑磨功之和，即

在該控制策略下力矩與滑磨功隨時間變化的情況如圖4所示。

圖4 控制策略2力矩及C2滑磨功變化情況

5 控制策略3

由力矩平衡方程可算得該控制策略下，t=0.009 s時，TC1=T'C1。也就是說當(dāng)離合器C2單獨(dú)傳遞的力矩還不足以克服阻力矩時，C1已進(jìn)入滑磨狀態(tài)。在此情況下，換擋過程中車速會出現(xiàn)下降，將會出現(xiàn)動力不足。C1始滑點(diǎn)為t=0.009 s，止滑點(diǎn)為 t=0.018 s，所產(chǎn)生的滑磨功為(0.009 ≦t≦ 0.018)

該控制策略下力矩與C1滑磨功隨時間變化如圖5所示。

圖5 控制策略3力矩及C1滑磨功變化情況

C2的滑磨功須分為4個階段來計(jì)算，即

第1 階段:0≤t≤0.009 s

第2 階段:0.009≤t≤0.018 s

第3 階段:0.018≤t≤0.5 s

第4 階段:0.5≤t≤1.388 s

該控制策略下力矩與C2滑磨功隨時間變化的情況如圖6所示。

圖6 控制策略3力矩及C2滑磨功變化情況

6 結(jié)束語

雙離合自動變速器在升擋過程中，脫開離合器并非一開始減壓就立即進(jìn)入滑磨狀態(tài)，其始滑點(diǎn)為其實(shí)際傳遞力矩等于當(dāng)前可傳遞最大力矩時刻點(diǎn)。對于結(jié)合離合器，加壓結(jié)束并不代表其滑磨結(jié)束，其止滑點(diǎn)只能以主、從動盤同速確定。

由3種控制策略仿真結(jié)果的分析可知:C1與C2適當(dāng)?shù)闹丿B量，可使脫開離合器在整個升擋過程中滑磨功為0，同時結(jié)合離合器滑磨功最小，因此從滑磨功方面考慮該控制策略最優(yōu);過大的重疊量會使脫開離合器造成反拖，會延長升擋時間，造成結(jié)合離合器產(chǎn)生較大的滑磨功，對C1、C2均不利;過小的重疊量會造成換擋過程動力不足，影響動力的連續(xù)性，車速將有下降。無論采取何種控制策略，升擋過程中脫開離合器產(chǎn)生的滑磨功都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)合離合器產(chǎn)生的滑磨功。

后續(xù)的研究中，可根據(jù)實(shí)際發(fā)動機(jī)的特性曲線來建立模型，以實(shí)現(xiàn)更精確的計(jì)算。

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