濕式雙離合器自動(dòng)變速器應(yīng)用匹配技術(shù)

陳 飛， 張魁榜， 方志勤， 崔 剛

(1.江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心變速箱研究院，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

雙離合器自動(dòng)變速器(DCT，dual clutch transmission)由于其生產(chǎn)成本低、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳遞動(dòng)力不中斷及燃油經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，市場(chǎng)份額逐漸增加，2020年達(dá)到接近400萬(wàn)輛的市場(chǎng)規(guī)模[1-4]，如圖1所示。

圖1 2020年變速器銷量(萬(wàn)輛)與市場(chǎng)份額預(yù)測(cè)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者就DCT變速器控制系統(tǒng)、起步控制、離合器滑模、換擋品質(zhì)等做了大量研究。文獻(xiàn)[5]對(duì)目前DCT控制系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)做了分析和總結(jié)，主要是起步控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、優(yōu)化方法，完善智能換擋體系和改善換擋品質(zhì)的方法，硬件在環(huán)仿真技術(shù)應(yīng)用于DCT控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6—7]主要對(duì)換擋規(guī)律和換擋品質(zhì)進(jìn)行了深入研究，文獻(xiàn)[6]搭建了精確的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型，在此基礎(chǔ)上提出的三參數(shù)換擋規(guī)律具有較好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。文獻(xiàn)[7]將換擋過(guò)程分為5個(gè)階段，定性分析了離合器壓力變化對(duì)換擋品質(zhì)的影響。文獻(xiàn)[8—9]基于駕駛員經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立起步過(guò)程中的模糊規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)離合器的模糊起步控制。但就DCT變速器硬件匹配、性能匹配和電氣匹配方面的綜合研究甚少，本文基于江淮自主研發(fā)的某款濕式DCT變速器，提出DCT變速器應(yīng)用匹配的原則，同時(shí)闡述DCT變速器在應(yīng)用過(guò)程中與發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸、冷卻系統(tǒng)及操縱機(jī)構(gòu)等的匹配過(guò)程、方法和要求，為DCT變速器在產(chǎn)品匹配開(kāi)發(fā)過(guò)程提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，方便工程應(yīng)用。

1 研究對(duì)象

1.1 DCT變速器結(jié)構(gòu)

圖2是江淮汽車某款濕式DCT變速器示意圖，其采用兩組彼此獨(dú)立的多片-濕式離合器組合、內(nèi)外嵌套的雙輸入軸、雙輸出軸、水冷方式、獨(dú)立外掛的變速箱控制單元(transmission control unit，TCU)。

圖2 某款DCT變速器示意圖

1.2 DCT變速器主要技術(shù)參數(shù)

本文研究的濕式DCT變速器的部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 匹配原則

表1 部分技術(shù)參數(shù)

首先應(yīng)根據(jù)整車性能、傳動(dòng)系參數(shù)和尺寸要求，選擇合適性能參數(shù)和外形尺寸的變速箱，然后通過(guò)計(jì)算、仿真、試驗(yàn)等手段來(lái)估計(jì)和驗(yàn)證整車性能，最終使變速箱在整車中布置合理，與整車、發(fā)動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)各接口尺寸匹配合理，使整車具有最優(yōu)或滿足設(shè)計(jì)要求的性能。

在滿足整車布置和性能要求的基礎(chǔ)上，變速箱盡可能選用現(xiàn)有產(chǎn)品，若現(xiàn)有產(chǎn)品無(wú)法滿足匹配要求，可以對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，以到達(dá)通用化設(shè)計(jì)，縮減開(kāi)發(fā)成本。

基于以上考慮，提出DCT變速箱在應(yīng)用匹配過(guò)程中的幾點(diǎn)匹配原則，具體如下：

1)保證變速箱的邊界與整車零部件周邊間隙合理，特殊要求的邊界做具體分析。

2)滿足整車性能目標(biāo)要求[10]。該原則主要是保證滿足整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，DCT變速器可以通過(guò)速比調(diào)整(一般調(diào)整主減速比)適當(dāng)?shù)靥嵘噭?dòng)力性或者經(jīng)濟(jì)性。

3)滿足相關(guān)法規(guī)要求[10](排放政策、kw/t數(shù)規(guī)定)。

4)保證足夠的最小離地間隙，一般動(dòng)力總成不應(yīng)低于副車架下表面。

5)DCT軟硬件盡最大可能通用化設(shè)計(jì)。

關(guān)于匹配原則的說(shuō)明。

原則1、5都是基于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

合理間隙一般靜態(tài)間隙為10 mm，動(dòng)態(tài)間隙為20 mm，特殊要求的邊界比如DCT變速器某零部件與發(fā)動(dòng)機(jī)催化器的間隙，滿足普通間隙的基礎(chǔ)上還要滿足熱害要求。

最小的離地間隙在以前國(guó)標(biāo)GB/T 3730中是有規(guī)定的，一般為150 mm左右。現(xiàn)在雖然取消了這項(xiàng)硬性規(guī)定，但車企依然非常重視這一指標(biāo)。

好的產(chǎn)品一定是滿足市場(chǎng)需求，本文提出動(dòng)力總成不低于副車架下表面為最小離地間隙的極限，是為了避免動(dòng)力總成的磕碰。

3 硬件匹配

硬件匹配主要闡述DCT變速箱匹配整車、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等過(guò)程中與變速箱安裝、運(yùn)行密切相關(guān)的各系統(tǒng)接口參數(shù)或匹配設(shè)計(jì)要求。

3.1 整車

DCT變速箱與整車的匹配主要關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1)DCT變速箱在整車發(fā)艙中的布置，即安裝姿態(tài)(位置和角度)；

2)DCT變速箱與周圍零部件的間隙檢查確認(rèn)；

3)TCU布置、DCT變速箱外部控制線束布置；

4)DCT變速箱在發(fā)艙中的拆裝維修方便性；

5)DCT變速箱在發(fā)艙中的熱害要求、耐腐蝕要求和涉水要求。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)

DCT變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)的硬件匹配主要關(guān)注兩部分：離合器與雙質(zhì)量飛輪(Dual mass flywheel，DMF)的匹配，DCT變速箱法蘭面與發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭面(簡(jiǎn)稱發(fā)變面)的匹配。

圖3是離合器與DMF匹配示意和發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭端面。法蘭端面的序號(hào)是發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的連接孔，其中：序號(hào)6和序號(hào)10為定位銷孔，螺栓從發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)安裝；序號(hào)1、2、3為螺紋孔，螺栓從變速箱側(cè)安裝；序號(hào)4、5、7、8、9為光孔，其中序號(hào)4、5兩孔需安裝起動(dòng)機(jī)，螺栓從變速箱側(cè)安裝，序號(hào)7、8、9孔位的螺栓從發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)安裝。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)硬件相關(guān)接口

離合器和DMF通過(guò)花鍵剛性連接，要保證離合器花鍵和DMF花鍵的有效連接長(zhǎng)度。如圖2所示，DMF最大外徑與離殼體飛輪腔最大外徑也要保證3 mm以上間隙。

變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)連接面的匹配根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體圖紙、定位銷圖紙?jiān)O(shè)計(jì)變速箱法蘭端面，其次是法蘭面連接螺栓的規(guī)格，通過(guò)CAE分析保證強(qiáng)度和可靠性等要求。

雙質(zhì)量飛輪的性能對(duì)DCT變速箱的敲齒、異響有很大影響，DCT變速箱對(duì)DMF的性能指標(biāo)主要要求是發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速段輸出至變速箱角加速度值。格特拉克的DCT變速箱在匹配DMF時(shí)限定發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速段輸出至變速箱角加速度值小于500 rad/s2；里卡多在DCT變速箱工程應(yīng)用中也限定此值小于500 rad/s2；長(zhǎng)城汽車搭載DCT變速箱匹配的DMF限定此值小于400 rad/s2。發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速段輸出至變速箱角加速度具體值還要根據(jù)整車的NVH性能測(cè)試結(jié)果。

3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)主要是從發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端，經(jīng)變速箱，到傳動(dòng)軸和輪胎，本文研究的傳動(dòng)系統(tǒng)僅關(guān)注變速箱與傳動(dòng)軸之間的匹配。

DCT變速箱與傳動(dòng)軸的匹配重點(diǎn)關(guān)注差速器、油封與傳動(dòng)軸的匹配設(shè)計(jì)。根據(jù)變速箱最大輸入轉(zhuǎn)矩、差速器相關(guān)參數(shù)、油封邊界尺寸和匹配要求開(kāi)展傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)匹配。圖4為傳動(dòng)軸與差速器、油封匹配示意圖。表2為某款DCT的油封使用匹配要求。

3.4 冷卻系統(tǒng)

DCT變速箱的冷卻要求涉及變速箱的傳動(dòng)效率、換擋策略和發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)要求。變速箱過(guò)低的油溫使變速箱傳動(dòng)效率低下，換擋遲緩，導(dǎo)致車輛油

圖4 傳動(dòng)軸與差速器、油封匹配示意圖

表2 油封使用匹配要求

耗增加；過(guò)高的油溫會(huì)使機(jī)械部件潤(rùn)滑不良、磨損嚴(yán)重，影響使用壽命：因此，DCT變速箱的冷卻至關(guān)重要。一般濕式DCT變速箱多采用水冷方式，并將DCT變速箱的冷卻回路布置在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)回路的旁通回路中。目前主流的布置基本是與發(fā)動(dòng)機(jī)暖風(fēng)并聯(lián)，也可與發(fā)動(dòng)機(jī)暖風(fēng)串聯(lián)，甚至與散熱器并聯(lián)。

DCT變速箱的冷卻是靠油冷器(如圖2所示)與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的匹配完成的，本文研究對(duì)象油冷器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)空調(diào)暖風(fēng)芯子回路中，其原理如圖5所示。

硬件匹配主要關(guān)注DCT變速箱油冷器與發(fā)動(dòng)機(jī)暖風(fēng)之間的管路接口參數(shù)和管路的布置。匹配要求主要是油冷器的冷卻能力、進(jìn)水溫度、節(jié)溫器的開(kāi)啟溫度等。

1．缸體水套；2.缸蓋水套；3.水泵；4.發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油冷卻器；5.節(jié)流閥 ；

3.5 操縱機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)換擋手柄通過(guò)拉絲與DCT變速箱的駐車機(jī)構(gòu)相連，如圖6所示。在手柄設(shè)計(jì)過(guò)程中需保證換擋手柄移動(dòng)行程與駐車?yán)鬓D(zhuǎn)動(dòng)行程相匹配，即圖6中換擋手柄的PRNDS各擋行程與拉索球的PRNDS各擋行程匹配。同時(shí)考慮拉絲在整車中的布置。

換擋手柄與駐車機(jī)構(gòu)的匹配主要關(guān)注拉索球進(jìn)出P擋力，各擋位下拉索球到拉絲支架的距離，以及換擋手柄進(jìn)出P擋力。

駐車機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求如下：

1)駐車機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，需限定車速范圍，如車速小于5 km/h時(shí)才允許駐車實(shí)現(xiàn)。

2)整車掛P擋后，需限定車輛溜動(dòng)距離。

3)滿載車輛可僅靠駐車機(jī)構(gòu)停在30%坡道上，具體坡度值不同主機(jī)廠可能要求不同。

4)水平路面和極限工況下限定進(jìn)出P擋換擋力，保護(hù)駐車機(jī)構(gòu)和人車安全。

3.6 懸置系統(tǒng)

懸置系統(tǒng)匹配主要定義DCT變速箱與整車連接懸置部分的參數(shù)和接口形式，其由整車負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，需要變速箱提供質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及安裝孔位關(guān)系等信息，安裝孔位關(guān)系包括安裝孔數(shù)量、孔的相對(duì)分布位置、安裝孔螺紋規(guī)格。懸置系統(tǒng)一般有3點(diǎn)支撐或4點(diǎn)支撐，其直接影響整車NVH性能，對(duì)整車品質(zhì)有較大影響，需通過(guò)CAE仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證等手段確認(rèn)懸置系統(tǒng)的合理匹配。

圖6 駐車-換擋拉絲-換擋手柄連接示意圖

4 性能匹配

性能匹配主要是匹配的DCT變速箱能夠滿足整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求。變速箱可以通過(guò)調(diào)整速比，為了盡量通用化，一般調(diào)整主減速比來(lái)提升整車的動(dòng)力性或者經(jīng)濟(jì)性。

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期通過(guò)軟件仿真(如cruise軟件)，計(jì)算整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。需要整車相關(guān)參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)和變速箱參數(shù)，如整車整備質(zhì)量、滿載質(zhì)量、軸距、滑行阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)油耗特性數(shù)據(jù)、全油門(mén)轉(zhuǎn)矩特性數(shù)據(jù)、變速箱擋位速比、變速箱效率等。

將仿真計(jì)算結(jié)果、性能開(kāi)發(fā)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，如滿足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)要求，后期進(jìn)行整車試驗(yàn)驗(yàn)證。如不能滿足目標(biāo)要求，則需要整車實(shí)施節(jié)油措施進(jìn)行優(yōu)化，如發(fā)動(dòng)機(jī)啟停技術(shù)、智能發(fā)電機(jī)、電子節(jié)溫器，或者變速箱調(diào)整主減速比、優(yōu)化換擋規(guī)律[11-13]，也可通過(guò)整車標(biāo)定進(jìn)行優(yōu)化。

5 電氣匹配

DCT變速箱軟件與整車電氣的匹配主要視整車配置要求和CAN(controller area network，控制器局域網(wǎng)絡(luò))信號(hào)列表定義而定，整車配置和DCT變速箱軟件開(kāi)發(fā)工作相關(guān)的部分配置如表3所示。

表3 DCT軟件開(kāi)發(fā)功能對(duì)應(yīng)的部分配置表

注：—代表不配備；○代表開(kāi)發(fā)預(yù)留，可選配；●代表裝配

如根據(jù)動(dòng)力總成類型，TCU會(huì)把變速箱類型(如0代表MT；1代表AT；2代表DCT等)發(fā)送到CAN總線上，同理EMS(engine management system，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng))會(huì)把發(fā)動(dòng)機(jī)類型(如0代表1.2TGDI；1代表1.6DVVT；2代表2.0VVT等)發(fā)送到CAN總線上，供其他控制模塊使用；根據(jù)擋位顯示，TCU會(huì)把當(dāng)前占用擋位(如1代表1擋；2代表2擋等)發(fā)到CAN總線上，供ICM接收在儀表上顯示當(dāng)前擋位。

DCT變速箱軟件在滿足通信協(xié)議和診斷協(xié)議的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)與EMS、ESP(electronic stability program，車身電子穩(wěn)定系統(tǒng))、ICM(Instrument control module，組合儀表)等模塊的通信和功能要求。其次DCT變速箱軟件對(duì)EMS的控制精度有一定的要求，主要從怠速控制、轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)3個(gè)方面進(jìn)行要求，比如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩增加動(dòng)態(tài)響應(yīng)(如圖7所示)的要求如下：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩小于100 Nm，響應(yīng)時(shí)間Tt小于40 ms時(shí)，轉(zhuǎn)矩誤差E在±5 Nm范圍內(nèi)；大于100 Nm，響應(yīng)時(shí)間Tt小于40 ms時(shí)，E為(±5%×Tq)Nm。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩增加動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求

6 結(jié)論

1)本文提出了DCT變速器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的匹配原則，在遵循匹配原則的基礎(chǔ)上，明確了DCT變速器匹配整車、發(fā)動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)的接口和匹配要求，對(duì)性能匹配、電氣系統(tǒng)匹配所需參數(shù)和過(guò)程作了簡(jiǎn)要說(shuō)明。

2)從硬件匹配、性能匹配和電氣匹配3個(gè)方面出發(fā)，能夠在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期全面且系統(tǒng)地完成DCT變速器的匹配工作。

3)本文對(duì)DCT變速器的實(shí)際應(yīng)用匹配提供了理論依據(jù)和支持，對(duì)DCT變速器在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和后期匹配應(yīng)用過(guò)程中具有重大借鑒意義。