基于CAE 仿真的量產雙離合器自動變速器開發實踐

陳 勇，羅大國，付 軍，陳 華，賈 院

(浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228)

前言

雙離合器自動變速器(以下簡稱DCT)技術是近年來全球汽車行業新發展起來的先進的自動變速器技術，以其擁有手動變速器的靈活性和自動變速器的舒適性，并能提供無間斷的動力輸出的巨大優勢，成為各大汽車企業研發的熱點，是未來變速器的發展方向［1－2］。

在變速器研發的過程中充分利用CAE仿真技術，具有縮短研發周期，預測產品在整個生命周期內的可靠性，通過優化找出產品設計最佳方案，在產品制造前預先發現潛在問題，模擬各種試驗，減少試驗時間和經費等優勢［3］。

本文中以吉利汽車研究院某款雙離合器自動變速器為研究對象，以NVH分析方法研究變速器總成的NVH性能，改善變速器振動噪聲;以CFD分析方法研究變速器總成和油軌單體的潤滑性能，有效評價變速器總成的潤滑性能，并為其設計改進提供參考;采用MASTA軟件研究傳動系統的疲勞壽命，確保其滿足設計要求;采用動力學分析方法研究駐車機構的性能，提高其可靠性;采用AMESIM一維仿真評價液壓系統的性能，通過優化參數，提高液壓系統性能;最后闡述了采用拓撲優化方法改進殼體結構，提高其強度和剛度。通過相應的基礎試驗，驗證了CAE分析方法的可靠性，并依據分析結果，改進設計方案，使產品的各項性能達到了預期目標，降低了整機驗證的技術風險，提高了產品研發效率。

1 NVH分析在變速器開發中的應用

NVH性能是評價汽車品質最重要的技術指標之一［4］。通過CAE分析技術對變速器噪聲進行早期預測，并提出改進方案，優化變速器結構，可提高變速器的NVH性能。

1.1 變速器傳遞誤差分析

齒輪嘯叫的激勵源是齒輪的傳遞誤差［5］。傳遞誤差減小可降低由它所引起的周期動態激勵，從而達到降低噪聲的目的［6］，因而對變速器進行齒輪傳遞誤差分析，控制齒輪精度，優化齒輪嚙合效果，減小輪齒間的載荷波動和靜傳動誤差波動幅值，使靜傳動誤差曲線平滑，能減小齒輪的嚙合頻率激勵和低倍頻的嚙合頻率激勵，從而有效地減小變速器的嘯叫噪聲。

在概念設計階段，采用MASTA軟件進行齒輪傳遞誤差分析，并通過齒輪微觀修形來改善傳遞誤差。圖1和圖2為傳遞誤差分析模型和分析結果，圖3為齒輪修形前后接觸應力云圖對比。圖4為同類型齒輪修形前后接觸斑點試驗結果對比。從圖3和圖4可見，經過齒輪微觀修形后，齒輪嚙合效果明顯改善，驗證了該方法的可行性。

1.2 變速器嘯叫噪聲分析

采用Virtual.Lab軟件仿真分析變速器的嘯叫噪聲，驗證結構改變對變速器噪聲的改進效果，圖5為齒輪改進前后嘯叫噪聲的云圖對比。從圖中可知，改進后變速器的嘯叫噪聲明顯減小。圖6為同類型變速器的NVH試驗結果，從圖中可知，改進后車內噪聲明顯降低。因此采用有限元分析方法，在設計階段評價變速器NVH性能，并改進設計方案，為改善變速器振動噪聲提供了一種有效可行的技術路線。

2 CFD仿真在變速器潤滑效果評價上的應用

此款雙離合器自動變速器主要采用壓力潤滑、飛濺潤滑和油浴潤滑3種方式，以實現對變速器所有運動接觸部件的潤滑，具體表現為強制潤滑、飛濺潤滑和油道潤滑3種手段。這3種潤滑手段的效果直接影響到變速器的性能，所以潤滑效果的評價是變速器設計中的重要環節。

2.1 潤滑效果CFD仿真分析

雙離合器自動變速器各擋位齒輪的潤滑主要采用強制潤滑。使用變速器油泵并經閥體調節后將潤滑油輸送到潤滑油軌，最后通過潤滑油軌將潤滑油輸送到齒輪，實現齒輪的強制潤滑。油軌的潤滑效果直接影響各擋位齒輪的潤滑［7］。采用FLUENT軟件對油軌進行CFD分析，得到各個噴口的油液噴出情況(形狀、距離、流量和流速等)，驗證其潤滑效果，為油軌的設計和改進提供依據，并建立變速器整體模型，觀察油軌在變速器內的工作狀況。

圖7為油軌單體的CFD分析結果。從圖中可知，各個噴口均有油液噴出，靠近入口的噴口噴油量較大，遠離入口的噴口噴油量較少，與實際相符。

浸入油液中的齒輪將潤滑油從油池帶到摩擦副上而形成飛濺潤滑。圖8為在變速器整體模型中模擬主減速器齒輪的飛濺潤滑效果。由圖可知，飛濺起來的油液能夠到達指定區域，實現對規定區域的潤滑。變速器殼體上的擋油板將齒輪飛濺起來的油液匯入集油槽內，然后流入中空的傳動軸內實現對各個齒輪與軸之間滾針軸承的潤滑。為驗證擋油板和集油槽的效果，對變速器進行油道潤滑。圖9為油道潤滑效果。從圖中可知，飛濺起來的油液能夠通過擋油板和重力作用流入集油槽內，各個集油槽均有油液流入，可實現對各個齒輪與傳動軸之間滾針軸承的潤滑。

2.2 變速器潤滑系統臺架試驗

2.2.1 油軌單體試驗

為驗證樣機實際工況下潤滑性能和潤滑系統仿真結果，進行油軌單體試驗和樣機臺架潤滑試驗。

圖10為油軌單體試驗臺。試驗結果表明，各噴嘴的噴射方向完全能到達指定潤滑對象，油軌的噴射效果滿足設計要求。圖11為油軌潤滑仿真與試驗結果對比。從圖中可知，油軌各個噴口的流量仿真值與試驗值較一致，由此可驗證CFD仿真分析方法能夠較好地模擬油軌的強制潤滑效果。

2.2.2 變速器總成潤滑試驗

為驗證變速器的潤滑效果，以指導該項目變速器潤滑系統的優化方向，對變速器總成進行潤滑試驗，驗證其在實際工況下的潤滑效果。

圖12為變速器潤滑試驗臺架，通過試驗驗證變速器潤滑系統的潤滑效果，并且驗證潤滑仿真分析的結果。圖13為同類型變速器的潤滑試驗與仿真結果對比。從圖中可知，各個擋位傳動軸進油情況與試驗觀測情況基本一致，驗證了CFD仿真分析方法能較好地模擬變速器總成的潤滑效果。

3 疲勞壽命分析在傳動系統開發中的應用

在產品設計初期對其進行疲勞壽命分析，找到結構的薄弱環節，提出合理的改進方案，能夠大幅度減少或最終取代部分疲勞耐久試驗［8］。

采用MASTA軟件對傳動系統和軸承等進行疲勞壽命分析。圖14為考慮了殼體剛度的傳動系統疲勞壽命分析模型，表1和表2分別為齒輪和軸承的疲勞壽命分析結果。從表中可知，各齒輪和軸承的疲勞壽命都滿足設計要求。

表1 齒輪的疲勞壽命分析結果

表2 軸承疲勞壽命分析結果

4 多體動力學在駐車系統開發中的應用

駐車機構作為自動變速器中涉及安全的部件，其性能是否滿足設計要求至關重要?？赏ㄟ^對駐車機構進行多體動力學仿真，模擬其力學行為，獲得工作過程中駐車機構的換擋轉矩、沖擊力和臨界駐車速度等，對其強度、安全性和穩定性等做出有效評價。

4.1 駐車機構換擋感覺仿真分析

采用ADAMS、Pro/E和HyperWorks對駐車機構進行聯合仿真，建立其剛柔耦合多體動力學模型，獲得工作過程中的換擋轉矩，駐車機構多體動力學模型如圖15所示。

4.2 駐車機構臺架試驗

對駐車機構進行換擋感覺試驗，獲得其從P-RN-D-N-R-P過程的換擋轉矩，評價駐車機構的換擋感覺，同時驗證駐車機構多體動力學仿真結果，圖16為駐車機構試驗臺架。圖17為換擋轉矩仿真與試驗曲線對比。從圖中可知，仿真與試驗曲線吻合較好，證明了基于剛柔耦合的駐車機構多體動力學分析方法的準確性和運用該方法對駐車機構性能進行評價的可行性。由此可以在設計階段通過仿真分析的方法對駐車機構換擋感覺進行預測和評價，以提高零部件性能和設計效率。

5 AMESIM仿真分析在液壓系統開發中的應用

5.1 液壓系統仿真分析

應用AMESIM仿真軟件，建立變速器液壓系統仿真模型，進行液壓系統泄漏、壓力、流量、節流孔和油道等分析。通過優化設計參數來減少液壓系統的泄漏和壓力損耗，提高液壓系統的效率，同時能預測液壓系統的性能，并對所涉及的系統進行整體分析和評估，從而達到優化系統、縮短設計周期和提高系統穩定性的目的。圖18為液壓換擋控制系統在惡劣工況(高溫、大間隙)下的仿真模型。為減少該系統泄漏量，在換擋電磁閥前增加了節流孔OR1。節流孔OR1太大時無法減少泄漏量;太小時則可能導致換擋控制油壓p1太小、響應慢，無法滿足換擋需求。因此須對節流孔進行仿真分析，圖19為不同節流孔直徑d時換擋控制油壓p1的批處理仿真結果。圖20和圖21分別為離合器控制油路仿真模型和仿真結果。由圖可以看到，控制油路油道截面大小對離合器響應的影響。變速器設計目標中有換擋響應和精度要求，通過該批處理，可指導節流孔和油道截面的設計。圖21中D1～D4為閥體油道直徑，d1～d4為離合器油道等效直徑。

5.2 液壓系統試驗

對液壓系統進行系統響應試驗，評價液壓系統的響應性能，同時驗證仿真分析結果。圖22為液壓系統試驗的離合器油壓試驗結果，由于閥體中未控制離合器會將管道內的油卸掉，故先把即將接合的離合器管道進行快速充油動作，此刻即將分離的離合器作分離準備，當即將接合的離合器管道內油壓穩定后，逐步提高壓力，此刻即將分離離合器配合作降壓動作，此過程為轉矩交替過程。一旦轉矩階段完成，立刻控制油壓進行轉速階段控制，控制發動機轉速與即將接合離合器同步，此刻可能會立刻提升油壓來反拖發動機。如果此時實際油壓不能及時響應控制油壓，就會出現發動機轉速遲滯，延長換擋時間，同時由于此刻發動機轉矩逐步恢復，響應性差有可能會造成發動機轉速跑飛。當發動機轉速與即將接合的離合器轉速的差在設定值之內，即發動機轉速接近即將接合離合器轉速，此刻進入滑摩控制階段，也就意味著擋位交替動作完成，從圖22中可知試驗結果與實際情況相符。

由圖19、圖21與圖22對比可知，液壓系統響應遲滯時間的試驗結果與仿真分析結果較為一致，由此驗證采用AMESIM可較為準確地模擬液壓系統的響應性能，從而縮短設計周期，提高系統穩定性。

6 結構分析在零部件設計中的應用

6.1 關鍵零部件強度和剛度校核

近年來隨著汽車技術的發展，對變速器承載能力和工作可靠性的要求越來越高，在變速器開發中對其主要零部件進行強度和剛度的校核意義十分重大［9］。在雙離合器自動變速器的研發過程中，采用有限元方法對變速器關鍵零部件進行強度和剛度的校核，并以此作為零部件優化分析的基礎，變速器關鍵零部件的強度分析如圖23所示。

6.2 關鍵零部件優化分析

市場對變速器性能要求越來越高，更新周期也越來越短［10］。面對這一形勢，在設計初期采用優化分析技術，確保零部件的結構為最優方案，減少不斷改進次數，縮短研發周期。

采用OptiStruct對變速器殼體進行拓撲優化分析，在確保零件滿足強度和剛度要求的前提下，進行輕量化設計，優化后變速器殼體質量減少5.1%，同時最大應力由194.3MPa減小至145.6MPa，達到了輕量化目的。拓撲優化前后的殼體結構如圖24所示。

7 結論

以某款雙離合器自動變速器為研究對象，闡述了其在研發過程中采用CAE仿真技術進行變速器NVH性能研究、變速器潤滑系統流場模擬與效果評價、傳動系統疲勞耐久性分析、以剛柔耦合多體動力學為手段的駐車系統性能評價、采用AMESIM一維仿真評價液壓系統的性能和以拓撲優化為手段的零部件輕量化設計等，同時對比相應基礎試驗結果，驗證CAE分析的可靠性，由此說明CAE仿真技術在變速器研發過程中對其性能進行預測和評價的準確性與可行性。

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