基于DCT車輛大扭矩動力降擋熱負荷問題的標定研究

張學鋒 楊云波 王昊 武斐 董宇

（中國第一汽車集團有限公司研發總院，長春 130011）

主題詞：雙離合自動變速器 動力降擋 熱負荷 標定

1 前言

雙離合器式自動變速器（Dual Clutch Transmission,DCT）在換擋過程中不存在動力中斷，換擋迅速平穩，不僅保證了車輛的加速性，而且很大程度地改善了車輛的舒適性、經濟性，可適用于各種排量的汽車，已經成為自動變速器發展的新趨勢[1-2]。

在車輛實際行駛過程中，駕駛員為滿足急加速或超車的工況需求，通常會進行大油門或全油門操作，此時為了提升車輛的加速能力變速器會進行動力降擋，由于此時離合器傳遞扭矩較大，降擋過程中離合器表面的熱負荷會迅速增大，一方面會出現離合器表面溫度超溫報警問題，另一方面會加快摩擦片磨損從而嚴重影響離合器的使用壽命。

影響耕地變化的因子錯綜復雜，歸納起來有社會經濟和自然因素方面。從對耕地數量的影響來看，又分為增加耕地的因素 (如開墾)和減耕地的因素 (城市化、基本建設、退耕還林)兩種[4]。這些因素不僅與因變量之間存在著相關關系，而且相互之間存在耦合關聯。如果單純的相關分析，必然存在一定的差冗余，從錢塘江流域耕地變化的實際情況看，人類活動是主要影響因素，因此本文主要分析社會經濟驅動力對耕地變化的影響。

針對DCT車輛大扭矩動力降擋工況，本文分析了換擋過程及離合器表面熱負荷產生的原因，并對換擋過程的滑摩功進行了計算，通過標定手段對滑摩功的產生進行有效控制，在不影響駕駛性能的情況下將離合器表面的升溫控制在了合理范圍內。

2 大扭矩動力降擋熱負荷分析

2.1 基于雙參數換擋規律的動力降檔

換擋規律通常分為單參數、雙參數、三參數3種，單參數換擋規律只與車速相關，不能很好地反映駕駛員意圖，已不使用；三參數換擋規律由于考慮到加速度因素，實際運用存在一定困難，故目前多采用雙參數換擋規律[3]。在車輛行駛過程中，駕駛員準備超車或急加速時會進行大油門或全油門操作，根據設定的雙參數換擋規律（圖1），油門踏板從a點至b點或從c點至d點，變速器將執行6降3或7降4等大扭矩動力降擋動作。

圖1 大油門動力降檔示意

2.2 大扭矩動力降擋各過程分析

DCT傳動原理見圖2，該系統由7個前進擋和1個倒擋組成，在換擋過程中奇、偶數離合器扭矩進行交換。

圖2 DCT傳動原理

在車輛行駛過程中進行大油門加速時，如果控制器發出的目標擋位是3擋，由于當前擋位為6擋并且預掛了7擋，那么變速器會進行摘7擋掛3擋的動作，掛3擋成功后進行3擋離合器充油，充油結束后進入調速等待階段，慣性相結束后進入扭矩相階段，在此階段6擋離合器的分離和3擋離合器的結合是同時進行的，這樣就保證了發動機輸出的動力沒有中斷，在設定的時間里完成扭矩交換，換擋過程結束[4]。為便于分析，將DCT動力降擋過程簡化為如圖3所示。

裝載DCT的車輛在動力降擋過程要經歷以下幾個階段：

將f(x)的具體表達式代入φ2,并利用φ和φ′在x=-b(或x=b)處的連續性,確定各個參數,并得到最終φ(x,z)的解,由ψ(x,z)=(z-φ(x,z))U,可求出受地形影響后大氣運動流函數的值并繪出流線。在下節將給出一個具體的例子。

a.變速器高擋運行階段。該階段車輛穩定運行，6擋離合器接合，3擋離合器分離，此時3擋、6擋離合器傳遞轉矩為：

變速器輸出扭矩To為：

式中，μ為摩擦片摩擦因數；F2為偶數離合器彈簧壓緊力；Z2為偶數離合器摩擦片摩擦面數；R20、R21分別為偶數離合器摩擦片外徑和內徑。

用于電力系統動態狀態估計的改進魯棒無跡卡爾曼濾波算法//曲正偉,董一兵,王云靜,陳亮//(10):87

b.慣性相階段。該階段6擋離合器持續傳遞扭矩，3擋離合器分開，此時3擋、6擋離合器傳遞轉矩為：

式中，Tc1為奇數離合器傳遞扭矩；Tc2為偶數離合器傳遞扭矩；i6為6擋傳遞速比；Te為發動機扭矩。

a. 增大摘、掛擋力，縮短摘、掛擋時間。根據式（10），在滿足NVH及硬件可靠性的情況下，適當增大摘、掛擋力，縮短摘、掛擋時間可縮短時間t1-t2，進而減小滑摩功的產生。

圖3 DCT動力降擋過程

變速器輸出扭矩To為：

c.扭矩相階段。該階段6擋離合器開始分離，3擋離合器開始接合，此時傳遞的轉矩已經開始重新分配，3擋、6擋離合器傳遞轉矩為：

譯 文 ：We willcontinue to strengthen the Party’s ability to purify itself,and forever maintain its close ties with the people.

1994年分稅制改革后，我國對中央和地方政府事權進行了粗線條劃分，中央和地方政府各自獨立的事權劃分不清晰，共同事權比較多，但其中的界限又不很清楚。一個較具說服力的例子是中央政府公務員占全國公務員人數的6%左右，若考慮同口徑下把公立學校的教師納入公務員統計人數的話，這一比例可能在4%以下。而在可比的其他大國，這一比例大都在30%以上①。從這個數字可以看出，中央政府大多數的事權和支出責任由中央層層下放給地方。由于政府間事權和支出責任劃分模糊，共同事務不斷增多，最終導致支出體系的混亂。

式中，F1為奇數離合器彈簧壓緊力；Z1為奇數離合器摩擦片摩擦面數；R10、R11分別為奇數離合器摩擦片外徑和內徑。

b.縮短目標擋位充油時間。充裕的充油時間可保證離合器油腔徹底充油及后續油壓響應，但在一定程度上會影響換擋時間而增加滑摩時間，因此需優化各充油參數，在滿足充油需求情況下盡可能縮短充油時間。

d.變速器低擋運行階段。該階段車輛重新達到穩定運行狀態，3擋離合器接合，6擋離合器處于分離狀態，此時3擋、6擋離合器傳遞轉矩為：

變速器輸出扭矩To為：

式中，i3為3擋傳遞速比。

2.3 大扭矩動力降擋階段的熱平衡及影響因素

在離合器接合過程中，濕式離合器摩擦表面滑摩發熱，滑摩產生的熱量可由滑摩功計算，滑摩功是離合器熱負荷計算的基礎。在動力降擋各階段下，當大油門動力6擋降3擋時，6擋偶數離合器產生的滑摩功為：

式中，Tc2為6擋離合器傳遞扭矩；t1為動力降擋調速開始時刻；t2為摘、掛擋結束時刻；t3為3擋充油結束時刻；t4為調速結束時刻；t5為扭矩交換結束時刻；ne為發動機角速度；w2為6擋離合器角速度。

鐵皮石斛是我國傳統的名貴中藥材，富含多糖、氨基酸、生物堿等活性成分，具有消炎祛熱，養陰生津，補益脾胃的功效。我校生命科學體驗館植物組織培養室育有大量的鐵皮石斛苗，作為學生拓展課植物組織培養的材料。學生在撰寫植物組培實驗報告查找資料的過程中，發現了大量有關鐵皮石斛藥用價值的記載。在商業廣告宣傳盛行的社會環境下，學生提出質疑：鐵皮石斛提高人體免疫力的功效有多少可信度？能否通過設計一些簡單的實驗進行驗證？在這些問題的驅動下，師生共同開展了如下探究活動。

糖尿病為臨床常見慢性代謝疾病類型，肺炎為糖尿病發生率最高的并發癥類型，通過實施接種肺炎疫苗，可以有效“防御”肺炎疾病。但是目前階段的糖尿病患者實際接種肺炎疫苗情況不理想[1]。該次研究2016年1月—2017年12月工作旨在探討1 000例糖尿病患者接種肺炎疫苗的影響因素分析。現報道如下。

離合器冷卻油單位時間從摩擦片上帶走的熱量計算式為[6]：

前段時間有個朋友說：“我不能上環，老公又不愿意戴套，已經流產9次了，怎么辦啊？”“那可以吃避孕藥啊。”“啊？避孕藥？那多傷身體啊!”流產9次不傷身體？吃避孕藥反倒傷身體？看來大家對避孕藥的誤會很深啊！

根據對知識和技術推動經濟增長的作用視角的不同，經濟增長模型主要有三大類：哈羅德中性型、希克斯中性型和索洛中性型（包玉香，2012）。由于本文研究的是老齡化對產業結構的影響，選用哈羅德中性的新古典經濟增長模型，即Y=Kα(AL)β，其中α+β=1。該模型中主要包括四個變量：產量Y、資本K、知識或技術A和勞動L，考慮到時間因素t，經濟產出的生產函數可表示為：

由式（11）可知，冷卻油進、出口溫度與當時系統熱負荷相關，且冷卻油熱容量是其特定屬性，通過增大單位時間內的冷卻液流量是提高冷卻效率的主要途徑。但是冷卻流量過大會影響摘、掛擋速度，進而影響換擋過程，所以在設定最大允許流量的情況下，只能通過減小滑摩功的途徑解決大扭矩動力降擋的熱負荷問題。

由式（10）可知，滑摩功由摘、掛擋時間、充油時間、調速等待時間、扭矩交換時間及在此時間內傳遞的扭矩和滑摩差共同決定，所以若要減小滑摩功，應從換擋各階段的時間、滑摩差和離合器傳遞扭矩等方面進行優化。然而濕式離合器摩擦片熱容量較小，瞬時較大的滑摩功會導致離合器摩擦片溫度迅速上升，濕式雙離合器的主要散熱方式是冷卻油散熱，如果冷卻油無法及時將熱量帶走，摩擦片會由于溫度過高而導致摩擦材料燒蝕。保證離合器溫度平衡的基本條件是離合器發熱過程與散熱過程之間的平衡[5]。

3 大扭矩動力降擋標定方案

在大扭矩動力降擋過程中，決定離合器熱負荷的滑摩功主要取決于離合器傳遞的扭矩、離合器主從動盤的轉速差及滑摩時間，因此在保證駕駛性的前提下，應盡快控制離合器的動作以縮短滑摩時間，從而降低離合器滑摩功和熱負荷[7-8]。由于大扭矩動力降擋過程中傳遞扭矩不能改變，所以若減小滑摩功就應從縮短滑摩時間、減小滑摩差和增大冷卻流量等方面入手。

聲吶分辨力是指在多目標環境下對相鄰2個目標的最小可分辨能力，一般按照目標的方位、距離、速度和加速度等參數來分辨，其中距離分辨力和速度分辨力僅取決于信號的形式及其參數。在采用匹配濾波的條件下，模糊函數是與目標距離和速度有關的信號回波通過匹配濾波器之后的輸出[2]，可用來衡量信號對具有不同距離和不同速度的2個目標的分辨能力。當目標相對靜止時，回波信號僅體現出時間延遲和衰減;當目標相對運動時，回波信號還會產生多普勒頻移和時間上的壓縮或展寬。

變速器輸出扭矩To為：

式中，QL為冷卻油經摩擦片帶走的熱量；tin為冷卻油進入離合器前溫度；tout為冷卻油從離合器甩出后溫度；τ為摩擦副冷卻時間；qL為單位時間單個摩擦副的冷卻油量；CLγL為單位體積內冷卻液的熱容量。

c.調整整個調速過程時間。調整6擋降3擋的調速時間，使摘掛擋時間、充油時間和調速時間相匹配，這樣不但可將調速時間t1-t4縮短，又可消除調速等待階段時間t3-t4。

d.調整調速過程發動機調速曲線。如果如圖3中實線①所示，當發動機轉速先上升較快再較慢上升時，會加大發動機與離合器之間的速差，增加滑摩功的產生。若在調速過程中發動機控制轉速歷程盡可能均勻變化，如圖3中虛線②所示，則能減小偶數離合器和發動機的速差，減小滑摩功。

e.減小扭矩交換時間，從而減小滑摩時間。由圖3、式（10）可知，在大扭矩6擋降3擋過程中，偶數離合器產生的滑摩功更大，更易超溫，如果減小扭矩交換時間，使偶數離合器更快卸載，既可減少滑摩時間又可減小產生滑摩的負載，可有效減少滑摩功的產生。

f.增大換擋過程中離合器冷卻流量。在摘、掛擋時，若冷卻流量過大，冷卻油的拖拽作用會造成摘、掛擋困難。為保證最佳冷卻效果，可在摘、掛擋時將冷卻流量減小，掛擋結束后再以最大流量進行冷卻。

4 試驗驗證

4.1 試驗方法

為驗證所提出標定策略的可行性，以某搭載DCT變速器的混合動力車輛為對象進行試驗驗證。該車動力總成主要參數如表1所列。試驗時使用同一車輛（滿載）、同一駕駛員、在同一路面上行駛，車輛行駛至較高油溫（約為100℃）時，分別利用新標定策略數據和原始標定數據進行大油門動力降擋試驗，試驗結果見圖4～圖7。

表1 試驗車輛動力總成主要參數

圖4 優化數據前換擋過程

圖5 優化數據后換擋過程

4.2 試驗驗證

4.2.1 熱負荷驗證

由圖4～圖7可看出，兩次試驗的駕駛工況及初始離合器表面溫度幾乎一致（約100℃），但是使用新標定策略數據后，大扭矩動力降擋后的調速時間由1.60 s減少至1.19 s，扭矩交換時間由0.65 s減少至0.45 s，動力降擋過程產生的滑摩功由65.6 kJ減小至39.4 kJ，負載離合器表面升溫由155℃減小至113℃，離合器表面瞬時升溫明顯減小。

4.2.2 駕駛性驗證

如圖4和圖5所示，相同駕駛工況下踩下相同油門開度后，使用新標定策略數據后整車加速響應明顯加快，響應時間由1.8 s縮至1.3 s，加速度變化率變化不大，最大加速度變化率即沖擊度由12 m/s3增大為13.3 m/s3。

圖6 優化數據前熱負荷和沖擊度

由上述分析可知，應用新的標定策略數據后，在大扭矩動力降擋駕駛中，換擋總時間減小了24%，離合器表面升溫減小了27%，整車加速度響應時間減小了28%，整車最大沖擊度只增大了10%，處于可接受范圍內。

圖7 優化數據后熱負荷和沖擊度

5 結束語

本文根據DCT車輛整車試驗過程中出現的離合器表面溫度超溫報警問題，分析了DCT在大扭矩動力降擋過程離合器熱負荷過大的原因，以及影響滑摩功產生的主要因素，通過多種途徑減少了滑摩功的產生并增大了冷卻流量，最后根據設定的原則進行了優化標定和實車試驗，試驗結果表明，此方法對DCT大扭矩動力降擋工況熱負荷問題優化效果明顯且可操作性強。