雙離合自動變速器效率提升的方法及其對整車油耗的影響

王小明　譚艷軍　林霄喆　方少權

摘 要：文章以7速濕式雙離合自動變速器（dual clutch transmission，DCT）的效率為研究對象，對其影響因素進行分析，研究變速器潤滑油量和殼體導油結構優化對其的影響，通過構建機械效率損傷模型，運用仿真分析和試驗相結合，分析測量了優化后的變速器效率對整車油耗的優化效果。試驗仿真數據顯示：減少離合器腔體存油量、適當變速器大齒圈攪油損失，對提高效率減少油耗有極大影響。文章構建了有效的效率仿真模型，為分析變速箱效率提供了快速有效的方法;最后通過優化腔體和油量提高變速箱的效率，整車經濟性數據顯示油耗有明顯的改善，此思路為搭載濕式雙離合變速器的車輛油耗改善提供指導及依據。關鍵詞：濕式雙離合器式自動變速器;傳動效率;攪油損失;潤滑油量;經濟性;計算模型中圖分類號：U463.212? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）01-129-05

Abstract： For the seven-speed wet dual clutch automatic transmission （dual clutch transmission， DCT）. The influence factors of affecting the transmission efficiency of the transmission is analyzed， and the transmission oil lubricating oil quantity and guide shell structure building damage model and mechanical efficiency through the simulation analysis and test， the combination of analysis to measure the optimized effect of the transmission efficiency of the optimization of vehicle fuel consumption. The test results show that reducing the oil storage in the clutch cavity and decreasing the lubricating oil can improve the transmission efficiency. An effective efficiency simulation model was built in this paper， which provides a fast and effective method to analyze the efficiency of gearbox. Finally， by optimizing the cavity and oil volume to improve the efficiency of the gearbox， the economic data of the vehicle shows that the fuel consumption has been significantly improved. This idea provides guidance and basis for the improvement of fuel consumption of vehicles equipped with wet dual-clutch transmission.Keywords： DUAL WET Transmission; Efficiency; Churning loss; Oil level; Economic; Simulation modelCLC NO.： U463.212? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-129-05

前言

在全球強烈抑制地球溫室氣體排放的背景下，為了降低排放，提高汽車的燃油效率，世界各國導入了油耗法規，要求不斷嚴苛《汽車產業中長期發展規劃》2020年以后，中國政府將施行世界最嚴的油耗法規，在2020年乘用車新車油耗將由5L/100km降至2025年的4L/100km，綜合現有各類自動變速器的特點，DCT相較AT有更高的傳動效率，相較CVT有更大的扭矩傳遞能力，其克服了動力中斷、扭矩限制、傳動效率低等缺點，兼具駕駛安全和舒適特性。特別是濕式型DCT可搭載從經濟性轎車到跑車、從傳統汽車到混合動力汽車的各個級別、各種類型的車型;并且基于現代電液控制技術在DCT平臺的全面應用，DCT現已完全適應怠速啟停、起步蠕動、坡道保持、且可以在其基礎上擴展開發出混合動力功能。因此，現階段眾多車企都將開發DCT及混動產品作為汽車動力發展的主要方向，如圖1 所示。

在整個變速器行業乃至整個汽車行業，電氣化、高效化都是未來汽車發展的重要方向，對濕式變速箱而言，其效率的高低最直接反應的是整車的油耗[1]。

眾多因素影響著濕式雙離合器的效率，但其中變速箱的齒輪攪油損失占主要影響，齒輪的嚙合及離合器的分離結合、以及其他密封、軸承、泵類等零件的磨損及效率也占部分影響[2]。本文主要從變速箱油的液位高度即油量和離合器攪油損失等兩個較為重要且容易實施方案驗證的因素進行探討，通過仿真分析、試驗驗證等手段，分析離合器攪油、液位高度對濕式雙離合變速器傳動效率的影響，為濕式雙離合變速箱效率的提升提供可靠的技術方案和思路，為廣大變速箱的效率提升和優化提供可靠的依據。

1 研究對象

1.1 DCT變速器結構

通過研究吉利某款首發變速箱的工作原理及其構造，對其效率的提升進行分析。研究的變速箱為雙離合多片式靜液高壓控制雙離合變速箱，兩個離合器分別擴展至變速箱的奇數檔位和偶數檔位，通過高效的靜液高壓離合器分離執行機構控制雙離合器的閉合等動作，同時每個檔位均配置了傳統的同步器和換擋裝置，選換檔操作采用了有別于傳動液壓控制模塊的電機執行機構，對離合器對應的每個擋位，進行選換檔操作。雙離合變速箱的速比范圍為：2.95～16.401。該研究對象的原理圖和軸向結構剖視圖如圖2和圖3所示。

方案1：如圖5左側方案1所示，出油口位置在離合器殼體下端;

方案2：如圖5中間所示，出油口位置在離合器殼體下端，出油口面與方案1有差異;

方案3：如右圖5右側方案3所示，出油口位置在離合器殼體側面。

1.4 模型說明

模型包括離合器殼、輸入軸及離合器數據;

模型只保留離合器腔體及離合器外端輪廓;

離合器殼體壁厚省略，只保留流體區域;

如下圖6所示，考慮離合器內部結構復雜，生成網格數量較大，計算耗時較長等原因對離合器結構進行模型簡化。

仿真結果圖7：

圖8為離合器腔內存油量對比結果，從圖中可以看出，方案三即出油口位置在離合器腔體側面靠上的方案腔內存油量較少。

從三個方案離合器腔內存油量結果來看，方案3即出油口位置在離合器腔體側面靠上位置相對存油量較少，方案較優。

1.5 降油量仿真分析

通過油位試驗（最低油位試驗、最高油位試驗、油位油溫試驗、不同擋位油位變化試驗）確定 DCT變速器潤滑油用量[6]?，F量產的本文的研究對象實際潤滑油量為4.5L。對于其他油量的研究將在本文繼續開展，主要研究液位從4.5L，依次逐漸0.5L減少，直至油量到3.5L。

1.5.1 模型標定

根據攪油損失數學模型，進行仿真輸入，得到如圖9的各檔位的效率曲線;由于仿真的模型存在部分接口信息及模型修正問題，本文采用實測數據對該仿真模型進行物理標定和修正。

從該仿真結果看出：將油量分別降低0.5升和1升（相當于油位分別降低10mm和20mm），扭矩損失平均降低25% ～45%。

圖11和圖12的仿真結果表明：

在1檔時4.0L油量效率相對提升1.0%;

在4檔時4.0L油量效率相對提升1.5% ;

在7檔時4.0L油量效率相對提升2.0%;

1.6 傳動效率實測試驗

1.6.1 試驗臺架

式中：

η為效率;

Tin、nin為變速器輸入端扭矩和轉速;

TL、nL為變速器左端輸出扭矩和轉速;

TR、nR為變速器右端輸出扭矩和轉速;

1.6.2 試驗方法

根據變速箱在整車上的安裝方向和角度在試驗臺架上安裝變速器，使安裝后的變速箱與整車裝配角度位置一致;連接變速箱加載電機、輸出電機、扭矩、轉速、油溫傳感器等，按表 1 中工況調整擋位、油溫、輸入轉速、輸入轉矩，進行傳動效率試驗[5]。

實際傳動效率試驗溫度按 60℃～80℃，依次遞增20℃;輸入轉矩按最大轉矩的 20% ～100%，依次遞增;輸入轉速按 700 /1000 /1500 /2000 /3000 /4000 /5000 /6000r / min。

因為變速箱正常工作溫度在（85±5）℃ 左右，同時參考格特拉克、愛信等變速箱，選取溫度 40、60、80℃ ，扭矩選取35Nm、50Nm、75Nm、100Nm、150 Nm幾個工況，選擇轉速700～3000 r/min（常用轉速段低于 3000 r/min），進行效率測試。

1.6.3 試驗數據

變速箱的實物效率測試臺架如圖14所示。按照 2.6.1的試驗方法及（6）式的計算方法，開展試驗，采集表1所需要所有數據，本文以溫80℃、無預掛檔的1、4、7檔數據為例，進行展示，比較殼體導油孔改善和降油量前后效率改善情況對比，所采集的對比數據如圖15所示。

1.6.4 效率測試結果

由圖15及圖12可知，效率仿真數據和實測數據一致性高，降低潤滑油用量，在不同檔位、扭矩、轉速下，效率值會提升0.5～5%個點。

由于變速器液位不能無下限降低，為防止在極端傾斜狀況會出現的吸空等現象，企業在進行了不同液位的液位臺架及整車試驗后，驗證4.0L液位方案可行。

2 效率提升對油耗的影響

為測試變速箱效率提升對整車經濟性帶來的影響[7]，本文選擇了吉利某款搭載了該變速箱的整車進行了不同工況下的經濟性數據對比：

本文選取的整車相關參數見表2：

由表3分析，在變速箱結構及效率改善0.5～5%后，整車油耗降低了0.39%～0.84%個點;

3 結論

（1）通過模擬仿真及實測對比分析的手段，驗證了效率仿真模型的可行性，設計人員可重復使用，為后期分析變速箱效率提供了快速有效的方法。

（2）本文主要通過構建機械效率損傷模型，運用試驗及仿真的手段，分析了減少離合器腔體存油量、適當降低變速器大齒圈攪油損失，為此后搭載濕式雙離合變速器的效率及其車輛油耗改善提供指導及依據。

（3）通過分析雙離合自動變速器效率及搭載整車經濟性試驗結果，識別其影響整車油耗的相關因素，變速箱的效率對整車的油耗影響較為明顯。通過效率提升0.5～5%，整車油耗降低了約0.39%～0.84%個點，為搭載雙離合變速器車輛油耗改善提供指導。

參考文獻

[1] 霍曉強，吳傳虎.齒輪傳動系統攪油損失的試驗研究[J].機械傳動2007，31（1）：63-65.

[2] 陳飛，方志勤，崔剛.雙離合器式自動變速器傳動效率影響因素分析[J].西華大學學報：自然科學版，2018.

[3] British Standards Institute BS ISO/TR 14179-1：2001， Gears-Ther -mal Capacity-Part 1： Rating Gear Drives with Thermal Equilibrium at 95 °C Sump Temperature.Part 2：Thermal Load- carrying Capacity， 2001.

[4] Zhou X， Walker P， Zhang N， et al. Numerical and experimental inves -tigation of drag torque in a two-speed dual clutch transmission[J]. Mechanism and Machine Theory， 2014， 79：46-63.

[5] C. Changenet， P. Velex， A model for the prediction of churning losses in geared transmissions-preliminary results， J.Mech. Des.129 （1） （2006） 128-133.

[6] 邱明明，唐凱聰.雙離合自動變速器傳動效率理論計算與實驗研究[J].機械傳動，2014，12-0091-05.

[7] 王治平，章新.汽車變速器傳動效率的建模與仿真[J].汽車工程， 2014，36（10） ： 1285.