DCT離合器分離結(jié)合時(shí)間仿真分析

任永強(qiáng)，張 軍，劉 凱

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

雙離合器自動(dòng)變速器(Dual Clutch Transmission，DCT）是一種新型的自動(dòng)變速器，它的輸入軸總成是由一根實(shí)心軸和一根空心軸組合而成的雙傳動(dòng)輸入系統(tǒng)，數(shù)擋的輸入齒輪和偶數(shù)擋的輸入齒輪分別布置在這兩根輸入軸上。一個(gè)離合器與實(shí)心輸入軸相聯(lián)，控制奇數(shù)擋;另一個(gè)離合器與空心輸入軸相聯(lián)，控制偶數(shù)擋。通過(guò)兩個(gè)離合器的交替切換完成換擋過(guò)程，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力換擋，即在不切斷動(dòng)力的情況下轉(zhuǎn)換傳動(dòng)比，從而縮短換擋時(shí)間，有效提高換擋品質(zhì)。

DCT由機(jī)械系統(tǒng)部分和控制系統(tǒng)部分組成，機(jī)械系統(tǒng)除雙離合器模塊外，同步器、齒輪副等零部件和傳統(tǒng)的手動(dòng)變速器類(lèi)似，技術(shù)難度不大。控制系統(tǒng)是DCT的核心技術(shù)，而DCT的控制系統(tǒng)主要是雙離合器的控制，研究雙離合器的控制，對(duì)DCT的換擋性能有重要意義。雙離合器的控制一直是學(xué)者研究的熱點(diǎn)，秦大同等［1］在Matlab/Simulink軟件平臺(tái)上，建立兩離合器起步控制仿真模型，進(jìn)行仿真分析并與單離合器起步仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。吳光強(qiáng)等［2］從分離離合器提前放油和避免功率循環(huán)現(xiàn)象出發(fā)，提出了3種改進(jìn)的DCT換擋過(guò)程中分離離合器的作動(dòng)方式，并進(jìn)行了仿真。劉振軍等［3］應(yīng)用ANSYS分析軟件對(duì)雙離合器摩擦副壓盤(pán)瞬態(tài)溫度場(chǎng)、重載坡道重復(fù)起步時(shí)壓盤(pán)溫度變化和壓盤(pán)熱容量對(duì)溫升影響進(jìn)行了仿真分析，提出了減小摩擦副溫升，提高離合器使用壽命的措施。譚勇［4］基于Matlab/Simulink軟件，建立了Simulink模型，對(duì)濕式雙離合器換檔進(jìn)行了仿真計(jì)算，并通過(guò)仿真結(jié)果，定性分析了正壓力變化斜率、終始?jí)毫蛢呻x合器配合時(shí)序?qū)袷诫p離合器換檔性能指標(biāo)的影響。在本研究中，應(yīng)用ADAMS仿真分析雙離合器的正壓力變化對(duì)換擋時(shí)間的影響，通過(guò)仿真結(jié)果定性的分析正壓力的變化規(guī)律對(duì)雙離合器的換擋時(shí)間的影響。

1 DCT的換擋過(guò)程

DCT的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，以3擋換4擋為例分析DCT的換擋過(guò)程。車(chē)輛在3擋行駛時(shí)離合器C1處于結(jié)合狀態(tài)，離合器C2處于分離狀態(tài)，不傳遞動(dòng)力。當(dāng)車(chē)輛加速至接近4擋的換擋點(diǎn)時(shí)，TCU(變速器控制單元）控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動(dòng)4擋同步器A2將擋位提前結(jié)合，一旦車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)全部滿(mǎn)足換入4擋換擋點(diǎn)時(shí)，TCU輸出指令控制離合器C1執(zhí)行機(jī)構(gòu)的油壓降低，同時(shí)離合器C2的執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力升高，離合器1分離過(guò)程與離合器2結(jié)合過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，兩個(gè)離合器動(dòng)力傳遞交替切換，直到離合器C1完全分離，離合器C2完全接合，整個(gè)換擋過(guò)程結(jié)束。

圖1 雙離合器自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)示意圖

2 雙離合器的仿真模型

2.1 雙離合器的SolidWorks模型

由于ADAMS軟件自身的三維建模能力比較薄弱，若直接采用ADAMS建模，建模過(guò)程較為復(fù)雜。本研究中先用專(zhuān)業(yè)的三維造型軟件SolidWorks建立模型，再導(dǎo)入ADAMS中。本文將雙離合器簡(jiǎn)化為三個(gè)圓環(huán)，輸入盤(pán)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，離合器C1輸出盤(pán)與輸出一軸連接，離合器C2輸出盤(pán)與輸出二軸連接，建立的三維模型如圖2所示。

圖2 雙離合器簡(jiǎn)化模型

2.2 雙離合器的虛擬樣機(jī)模型

由于ADAMS軟件對(duì)Parasolid接口文件識(shí)別較好，可有效避免裝配體在格式轉(zhuǎn)化中數(shù)據(jù)丟失或出錯(cuò)的問(wèn)題，所以把SolidWorks里生成的SLDASM文件導(dǎo)入ADAMS之前另存為 Parasolid格式。打開(kāi)ADAMS/View，導(dǎo)入轉(zhuǎn)化后的文件。三維實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS/View后，各零部件之間毫無(wú)聯(lián)系地獨(dú)立存在于ADAMS/View環(huán)境中。因此，必須對(duì)模型添加適當(dāng)?shù)募s束、運(yùn)動(dòng)和力等，才能建立其仿真模型即虛擬樣機(jī)。為輸入盤(pán)添加旋轉(zhuǎn)副和一個(gè)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)速度為10200deg/s(即1700r/min），為C1輸出盤(pán)和C2輸出盤(pán)添加圓柱副，兩個(gè)輸出盤(pán)分別與輸入盤(pán)之間添加接觸，對(duì)兩個(gè)輸出盤(pán)施加沿軸向單向力。建立的ADAMS模型如圖3所示。

圖3 雙離合器ADAMS模型

設(shè)置兩個(gè)離合器輸出盤(pán)與發(fā)動(dòng)機(jī)輸入盤(pán)的靜摩擦系數(shù)選為0.16，動(dòng)摩擦系數(shù)選為0.15。設(shè)置離合器C1的負(fù)載為10Nm，離合器C2的負(fù)載為280Nm，壓力特性正是本文所要研究的對(duì)象。

3 壓力特性對(duì)離合器結(jié)合時(shí)間的影響

3.1 離合器的結(jié)合時(shí)間

DCT換擋時(shí)間是反映汽車(chē)換擋品質(zhì)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，過(guò)長(zhǎng)的換擋時(shí)間會(huì)直接影響車(chē)輛的動(dòng)力性和效率;過(guò)短的換擋時(shí)間，必然導(dǎo)致過(guò)大的加速度，從而增大傳動(dòng)系的動(dòng)載荷，影響傳動(dòng)系部件的使用壽命，同時(shí)由于濕式離合器對(duì)滑摩過(guò)程產(chǎn)生熱量的速度敏感，換擋時(shí)間會(huì)影響摩擦元件的壽命。以升擋為例，換擋時(shí)間t公式為:

式中:t1——換擋開(kāi)始，分離離合器從完全結(jié)合到控制油壓為零的時(shí)間;

t2——結(jié)合離合器從開(kāi)始滑摩到完全結(jié)合的過(guò)程。

換擋過(guò)程中，t1和t2有部分的重疊。從式(1）可以看出，換擋時(shí)間是由兩部分組成，本課題重點(diǎn)分析雙離合器的切換時(shí)間，分析離合器的切換時(shí)間對(duì)研究離合器對(duì)滑摩階段的熱量的敏感性，以及對(duì)離合器的使用壽命有重要意義。離合器換擋時(shí)間如果過(guò)長(zhǎng)必然影響加速性能;時(shí)間過(guò)短，就要求離合器的接合速度很快，必然會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊度。

3.2 正壓力對(duì)結(jié)合時(shí)間的影響

DCT換擋過(guò)程的正壓力是由液壓缸提供的，壓力變化方式多種多樣，但從整體變化趨勢(shì)來(lái)看，分離離合器是由一定的初始?jí)毫ο陆档搅悖雍想x合器是由零上升到一定的終了壓力。鑒于壓力變化方式的復(fù)雜性，本課題做如下假設(shè):

①兩離合器正壓力均勻變化

②分離離合器的初始?jí)毫徒雍想x合器的終了壓力相等

③結(jié)合離合器的壓力開(kāi)始時(shí)間和分離離合器的壓力消失時(shí)間相同

在這種特殊情況下，確定壓力變化過(guò)程主要有三種情況:

(1）不同時(shí)間上升到相同的壓力。

圖4是作用在離合器C1和C2上的正壓力按不同時(shí)間上升到相同的壓力變化時(shí)，進(jìn)行換擋過(guò)程仿真分析中兩個(gè)離合器的角速度隨時(shí)間變化的仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。仿真的其他條件均相同，換擋開(kāi)始時(shí)(0s），作用在離合器C1上的正壓力為40000N，作用在離合器C2上的正壓力為0N，此后離合器C1上的正壓力分別在0.05s、0.1s、0.2s和0.4s的時(shí)間下降到0N，離合器C2上的正壓力分別在0.05s、0.1s、0.2s、0.4s的時(shí)間直線(xiàn)上升到40000N。

圖4 離合器C2的角速度的變化曲線(xiàn)

圖4中曲線(xiàn)1，2，3，4分別表示正壓力在0.05s，01s，0.2s，0.4s內(nèi)上升到設(shè)定值時(shí)，接合離合器 C2的角速度隨時(shí)間變化的情況。從圖4可以看出，當(dāng)作用在兩個(gè)離合器上的正壓力在0.05s內(nèi)升降進(jìn)行換擋時(shí)，僅需要0.21s完成換擋，隨著變化時(shí)間的漸長(zhǎng)，換擋時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，當(dāng)正壓力在0.4s內(nèi)升降時(shí)，則需要0.83s才可以完成換擋過(guò)程。這說(shuō)明換擋過(guò)程中，作用在兩個(gè)離合器上的正壓力變化速度與換擋時(shí)間有直接關(guān)系，變化速度越快，換擋時(shí)間越短。換擋品質(zhì)要求換擋時(shí)間盡量短，這就要應(yīng)該使作用在兩個(gè)離合器上的正壓力變化率盡量大。

(2）相同時(shí)間內(nèi)上升到不同壓力。

圖5是作用在離合器C1和C2上的正壓力在相同時(shí)間上升到不同的壓力時(shí)，進(jìn)行換擋過(guò)程仿真分析中離合器C2的角速度隨時(shí)間變化的仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。仿真的其他條件均相同，換擋開(kāi)始時(shí)(0s），作用在離合器C1上的正壓力分別為20000N，40000N，60000N，80000N，作用在離合器 C2 上的正壓力為0N，此后離合器C1上的正壓力在0.1s時(shí)間下降到0N，離合器C2上的正壓力在相同時(shí)間0.05s內(nèi)分別上升到20000N，40000N，60000N，80000N。

圖5中曲線(xiàn)1，2，3，4分別表示正壓力在0.1s內(nèi)上升到 20000N，40000N，60000N，80000N 時(shí)，接合離合器C2的角速度隨時(shí)間變化的情況。從圖5可以看出，當(dāng)作用在兩個(gè)離合器上的正壓力在0.1s內(nèi)上升到80000N時(shí)，僅需要0.17s完成換擋，隨著變化時(shí)間正壓力的逐漸減小，換擋時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，當(dāng)正壓力在0.1s內(nèi)上升到20000N時(shí)，則需要0.61s才能完成換擋過(guò)程。分析可知，在相同時(shí)間內(nèi)作用在兩個(gè)離合器上的正壓力與換擋時(shí)間有直接關(guān)系，正壓力越大，換擋時(shí)間越短。換擋品質(zhì)要求換擋時(shí)間盡量短，這就要應(yīng)該使作用在兩個(gè)離合器上的正壓力盡量大。

圖5 離合器C2的角速度的變化曲線(xiàn)

(3）以相同斜率上升到不同的始終壓力。

圖6是作用在離合器C1和C2上的正壓力按相同斜率上升到不同的始終壓力規(guī)律變化時(shí)，進(jìn)行換擋過(guò)程仿真分析中結(jié)合離合器的角速度隨時(shí)間變化的仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。仿真的其他條件均相同，換擋開(kāi)始時(shí)(0s），作用在離合器C1上的正壓力為分別為 20000N，40000N，60000N，80000N 作用在離合器C2上的正壓力為0N，此后離合器C1上的正壓力分別在0.05s、0.1s、0.15s和0.2s的時(shí)間下降到0N，離合器 C2上的正壓力分別在0.05s、0.1s、0.15s、0.2s的時(shí)間直線(xiàn)上升到20000N，40000N，60000N，80000N。

圖6 離合器C2的角速度的變化曲線(xiàn)

圖6中曲線(xiàn)1，2，3，4分別表示正壓力以相同的斜率上升到 20000N，40000N，60000N，80000N 時(shí)，接合離合器C2的角速度隨時(shí)間變化的情況。從圖6可以看出，當(dāng)作用在兩個(gè)離合器上的正壓力以相同斜率上升到80000N時(shí)，需要0.33s完成換擋，隨著正壓力的逐漸減小，換擋時(shí)間逐漸變短，當(dāng)正壓力以相同斜率上升到40000N時(shí)，則需要0.23s就能完成換擋過(guò)程，然而，過(guò)小的正壓力卻導(dǎo)致?lián)Q擋時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，當(dāng)正壓力以相同斜率上升到20000N時(shí)，需要0.51s完成換擋過(guò)程。分析可知，當(dāng)正壓力變化斜率相同時(shí)，作用在兩個(gè)離合器上的正壓力與換擋時(shí)間有直接關(guān)系，在正壓力足夠大的情況下，正壓力越大，換擋時(shí)間越長(zhǎng)。換擋品質(zhì)要求換擋時(shí)間盡量短，這就要應(yīng)該使作用在兩個(gè)離合器上的正壓力盡量小，但有一定的限制范圍。

4 結(jié)束語(yǔ)

在本研究中，對(duì)雙離合器的ADAMS模型進(jìn)行了換擋過(guò)程的仿真分析，通過(guò)對(duì)不同情況仿真結(jié)果的比較，定性的分析了不同時(shí)間上升到相同的壓力，相同時(shí)間內(nèi)上升到不同壓力和以相同斜率上升到不同的始終壓力三種情況下，換擋品質(zhì)的比較分析。得出了如下結(jié)論:換擋過(guò)程中，在同樣的始終壓力情況下，壓力變化時(shí)間越短，換擋時(shí)間越短;在同樣的時(shí)間內(nèi)上升到設(shè)定的壓力值情況下，始終壓力越大，換擋時(shí)間越短;在相同斜率上升到不同的始終壓力的情況下，在壓力大于一定值的情況下，換擋時(shí)間越長(zhǎng)，存在一個(gè)最佳的壓力值，使換擋時(shí)間最短。

［1］秦大同，劉永剛，胡建軍，等.雙離合器式自動(dòng)變速器兩離合器起步控制與仿真［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(18）:121-127.

［2］吳光強(qiáng)，張德明.基于最優(yōu)控制理論的DCT離合器升擋作動(dòng)方式的研究［J］.汽車(chē)工程，2009，31(3）:258-261.

［3］劉振軍，王穎穎，秦大同.DCT離合器熱負(fù)荷仿真研究［J］. 中國(guó)機(jī)械工程，2009，20(14）:1753-1757.

［4］譚勇.DCT離合器分離接合規(guī)律的仿真研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2007.

［5］李增剛.ADAMS入門(mén)詳解與實(shí)例［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［6］趙志強(qiáng).濕式雙離合器自動(dòng)變速器建模及仿真分析［D］. 長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2009.

［7］劉振軍，董小洪，秦大同，等.雙離合器自動(dòng)變速換擋品質(zhì)分析與控制［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(5）:29-34.

［8］何寧，趙治國(guó)，李瑜婷.雙離合器自動(dòng)變速器換擋規(guī)律及其仿真評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2011，22(3）:367-373.

［9］呂濟(jì)明.雙離合器自動(dòng)變速器坡道起步仿真控制研究［D］. 長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2008.

［10］張建國(guó).雙離合器式自動(dòng)變速器控制品質(zhì)評(píng)價(jià)與優(yōu)化［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2011.