DCT 車型大坡度起步超溫問題控制方法研究

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，對于DCT 車型而言，爬坡過程帶來的過熱問題是制約當前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帶走，就會形成較大的熱應力，容易損壞摩擦副，熱量累積超過材料許用極限時，摩擦材料就會燒蝕或者脫落[1]。

從當前DCT 車型系統(tǒng)控制來講，當摩擦片溫度超過限值，系統(tǒng)會限制發(fā)動機扭矩輸出，并點亮故障燈，強制用戶停車冷卻，隨著溫度降低逐漸解除對發(fā)動機扭矩的限制。這個過程雖然有效保護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 為濕式離合器結構圖。

圖1 濕式離合器結構圖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，假設車輛為后驅(qū)車型，且當前為D 擋，AUTO HOLD 激活狀態(tài)，制動器抱死車輪。當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，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)動機工作時，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 擋駐車時整車處于半聯(lián)動狀態(tài)。踩下加速踏板，隨著發(fā)動機扭矩增加，離合器控制扭矩增加，DCT 系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值進行閉環(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。

滑摩功的計算公式[3]：

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

滑摩功與離合器控制扭矩、速差、滑摩時間相關。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。

1.4 坡道起步散熱過程

離合器中有冷卻油液存在，其能及時帶走離合器滑摩時產(chǎn)生的大量熱量，同時起到潤滑、保護摩擦片，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，熱量累積導致局部高溫，溫度超過鋼片、摩擦片的承受能力時，就會導致摩擦副燒蝕。

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)會時時計算摩擦副表面溫度，但是由于運轉(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，且無線測溫設備價格高昂，目前不能得到廣泛應用。DCT 控制過程中，表面溫度均以模型計算值為準，根據(jù)模型計算溫度值進行相應控制。

溫度模型如下：

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

應當指出，模型計算溫度值與真實表面溫度值是存在偏差的，文中第4 節(jié)將針對偏差進行修正。

2.2 基本控制邏輯

起步控制過程中，控制系統(tǒng)根據(jù)模型計算的表面溫度執(zhí)行相應控制，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 結構簡圖

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，該變速器采用機械泵冷卻，圖3 為其結構簡圖。

圖3 DCT 結構簡圖Fig.3 DCT structure diagram

雙離合變速器的產(chǎn)熱與散熱是一個復雜的問題，對于一個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 個角度展開分析：減少產(chǎn)熱、增加散熱、校準模型參數(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)動機扭矩輸出能有效減小單位時間產(chǎn)熱量，但是爬坡過程中時間增加。從臺架測試及實車控制過程中會發(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現(xiàn)。

3.3 增加散熱

降低變速器基礎油溫。正常駕駛工況下，變速器油通過發(fā)動機冷卻水進行冷卻，適當降低發(fā)動機平衡水溫，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)動機轉(zhuǎn)速，油泵轉(zhuǎn)速提高，冷卻流量增加。實際臺架測試中，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化冷卻流量變化如圖5 所示

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

發(fā)動機轉(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——兩個轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的冷卻流量；ωe1，ωe0——不同發(fā)動機轉(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致潤滑油路流量不足，適當降低主油路壓力，對坡道起步工況的散熱是有利的。

增加電動泵及更改機械泵速比均有利于提高潤滑流量。在變速器開發(fā)初期應當充分考慮熱負荷問題，設計與爬坡能力相匹配的散熱系統(tǒng)。

3.4 校準模型參數(shù)

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

本節(jié)從減少產(chǎn)熱、增加散熱、校準溫度模型參數(shù)三個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、適當降低主油路壓力的方式增加散熱；通過變速器臺架試驗校準溫度模型參數(shù)。

4 校準溫度模型參數(shù)

4.1 試驗方案

4.1.1 臺架系統(tǒng)簡圖

試驗系統(tǒng)簡圖如圖7 所示。試驗離合器總成的外離合器包含6 個對偶鋼片和5 個摩擦片，溫度傳感器布置上選取預埋熱電偶的方式進行，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。試驗中采用無線測溫設備，整個測試模塊安裝在離合器總成內(nèi)部。

圖7 試驗系統(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 試驗條件

（a）測試臺架設置為speed-speed 模式；

（b）按試驗計劃依次設定輸入轉(zhuǎn)速、離合器轉(zhuǎn)速，按不同油溫分別進行測試，離合器控制壓力按斜坡控制，1 s 內(nèi)到達命令壓力；

（c）實時監(jiān)測離合器鋼片溫度，在表面溫度達到報警限值或達到平衡時，立即卸載離合器壓力；

（d）具體試驗條件如表1 所示。

表1 試驗條件Tab.1 Test conditions

4.2 試驗結果

根據(jù)測試過程中模型計算值與表面實測溫度值的差異不斷修正相應系數(shù)，讓模型計算值貼近實測溫度值，同時需保留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，導致溫度傳感器實測油溫會低于實際參與循環(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)動機轉(zhuǎn)速、離合器轉(zhuǎn)速、油溫相關的模型系數(shù)。

圖10 試驗結果修正Fig.11 Correction of test results

5 實車控制及標定過程

5.1 計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)，以報警溫度限值（T1-Δt）為溫度值代入式（7），計算得到溫升速率為0 時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)樨撝担砻鏈囟乳_始下降，通過這種方法能計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)動機輸出最大扭矩；T1——報警溫度限值；Δ t——報警余量，避免觸發(fā)報警；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，能滿足駕駛人員通過油門、剎車控制車速反復坡起的需求。

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

5.2 大坡度起步工程目標的達成

以某車企DCT 車型為驗證對象，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為30%。試驗前車輛已經(jīng)充分預熱，變速器油溫達到常溫環(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，進行30%的坡道零車速起步測試，具體測試結果如圖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)動機輸出扭矩、起步轉(zhuǎn)速、溫度模型參數(shù)、冷卻流量時，30%坡道起步，離合器表面溫度超過限扭值，觸發(fā)發(fā)動機限扭，發(fā)動機扭矩快速減小，由于液壓系統(tǒng)遲滯，導致發(fā)動機轉(zhuǎn)速拖低。

通過限制發(fā)動機扭矩輸出值、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℃，達成了坡道起步的工程目標。

5.3 其他坡度起步表現(xiàn)

當坡度值小于30%，小于工程目標值，發(fā)動機扭矩經(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性，策略上應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。

當坡度值大于30%，超過工程目標值，發(fā)動機扭矩經(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,所以應當根據(jù)車型設定合理的工程目標。

6 結語

本文通過限制發(fā)動機輸出扭矩，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出最大爬坡度，對于DCT 車型最大爬坡度工程目標設定有著指導意義。同時應該看到，最大爬坡能力是受散熱能力限制的，除了進行相應系數(shù)及流量調(diào)整以外，硬件設計是最關鍵的，需要設計人員在開發(fā)初期根據(jù)最大爬坡度目標匹配相應的散熱系統(tǒng)。由于限制了發(fā)動機輸出扭矩，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)整車工程目標分別進行驗證。