DCT 車(chē)型大坡度起步超溫問(wèn)題控制方法研究

吳剛，朱桂慶，劉偉東，楊云波，李巖

（130011 吉林省 長(zhǎng)春市 中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司研發(fā)總院）

0 引言

最大爬坡度是汽車(chē)動(dòng)力性的重要指標(biāo)，對(duì)于DCT 車(chē)型而言，爬坡過(guò)程帶來(lái)的過(guò)熱問(wèn)題是制約當(dāng)前DCT 車(chē)型開(kāi)發(fā)的重要因素。其中，雙離合變速器基于奇、偶兩個(gè)離合器控制，相比于A(yíng)T 變速器具有更優(yōu)越的能量傳遞效率，但離合器結(jié)合的滑摩過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的熱，散熱系統(tǒng)如果不能將熱量及時(shí)帶走，就會(huì)形成較大的熱應(yīng)力，容易損壞摩擦副，熱量累積超過(guò)材料許用極限時(shí)，摩擦材料就會(huì)燒蝕或者脫落[1]。

從當(dāng)前DCT 車(chē)型系統(tǒng)控制來(lái)講，當(dāng)摩擦片溫度超過(guò)限值，系統(tǒng)會(huì)限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出，并點(diǎn)亮故障燈，強(qiáng)制用戶(hù)停車(chē)?yán)鋮s，隨著溫度降低逐漸解除對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的限制。這個(gè)過(guò)程雖然有效保護(hù)了變速器硬件不受破壞，但是一定程度上限制了用戶(hù)使用工況，所以需從硬件及控制上入手，解決超溫問(wèn)題，最大可能地滿(mǎn)足用戶(hù)的使用需求。圖1 為濕式離合器結(jié)構(gòu)圖。

圖1 濕式離合器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Wet clutch structure diagram

1 DCT 車(chē)型坡路起步過(guò)程

1.1 坡道起步受力分析

如圖2 所示，假設(shè)車(chē)輛為后驅(qū)車(chē)型，且當(dāng)前為D 擋，AUTO HOLD 激活狀態(tài)，制動(dòng)器抱死車(chē)輪。當(dāng)駕駛員踩下油門(mén)踏板，驅(qū)動(dòng)力Fk逐漸增加，系統(tǒng)檢測(cè)到車(chē)輛滿(mǎn)足正向驅(qū)動(dòng)條件時(shí)，AUTO HOLD解除，逐漸撤掉輪端制動(dòng)力Fμ，保證車(chē)輛能正常坡道起步[2]。

圖2 受力分析Fig.2 Force analysis

式中：f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；A——迎風(fēng)面積；CD——空氣阻力系數(shù)；FZ1、FZ2——作用在前、后輪上的地面法向反作用力。

AUTO HOLD 解除之后車(chē)輛將正常起步，車(chē)速建立過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器速差較大，且起步過(guò)程驅(qū)動(dòng)扭矩Fk較大，將會(huì)在離合器摩擦副表面產(chǎn)生大量的熱。

1.2 坡道起步扭矩傳遞路徑

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，動(dòng)力經(jīng)離合器外殼體傳遞到對(duì)偶鋼片，鋼片開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，D 擋駐車(chē)時(shí)整車(chē)處于半聯(lián)動(dòng)狀態(tài)。踩下加速踏板，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩增加，離合器控制扭矩增加，DCT 系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值進(jìn)行閉環(huán)控制。離合器控制扭矩經(jīng)摩擦系數(shù)換算，表現(xiàn)為壓力作用在對(duì)偶鋼片上，壓緊摩擦片，通過(guò)摩擦作用，將扭矩傳遞出去。

1.3 坡道起步產(chǎn)熱過(guò)程

摩擦副結(jié)合過(guò)程中，由于速差的存在，產(chǎn)生大量的滑摩功，熱量經(jīng)冷卻系統(tǒng)被帶走，維持摩擦副表面溫度相對(duì)穩(wěn)定。

滑摩功的計(jì)算公式[3]：

式中：W——滑摩功；Tc——離合器控制扭矩；ωe——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；ωn——離合器轉(zhuǎn)速。

滑摩功與離合器控制扭矩、速差、滑摩時(shí)間相關(guān)。坡道起步相對(duì)于普通起步工況，其需要更大的扭矩、更長(zhǎng)的滑摩時(shí)間、更大的滑摩速差，是對(duì)雙離合變速器的硬件能力、散熱能力的極大考驗(yàn)。

1.4 坡道起步散熱過(guò)程

離合器中有冷卻油液存在，其能及時(shí)帶走離合器滑摩時(shí)產(chǎn)生的大量熱量，同時(shí)起到潤(rùn)滑、保護(hù)摩擦片，減少磨損的作用。

熱量傳遞的方式主要有3 種：熱傳遞、熱對(duì)流、熱輻射，其中熱對(duì)流換熱是摩擦副與潤(rùn)滑油之間換熱的主要方式。對(duì)流換熱又可根據(jù)流體動(dòng)力來(lái)源分為自然對(duì)流換熱與強(qiáng)制對(duì)流換熱，雙離合變速器的潤(rùn)滑油都以泵驅(qū)動(dòng)形式[4]，所以屬于強(qiáng)制對(duì)流換熱。

換熱方程為：

式中：Q——對(duì)流換熱速率；α——對(duì)流傳熱系數(shù)；Tw、tw——熱、冷表面溫度；S——傳熱面積。

對(duì)流換熱系數(shù)的影響因素眾多，如粘度、密度、比熱容、換熱表面的形狀、布置等。

坡道起步相對(duì)于水平路面起步，需要克服更大的阻力，起步過(guò)程DCT 車(chē)型通過(guò)鋼片與摩擦材料間的摩擦力將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出到輪端，起步過(guò)程將會(huì)產(chǎn)生大量的滑摩熱，熱量經(jīng)冷卻系統(tǒng)帶走，如單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生熱量太多，超過(guò)冷卻系統(tǒng)散熱能力，熱量累積導(dǎo)致局部高溫，溫度超過(guò)鋼片、摩擦片的承受能力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致摩擦副燒蝕。

2 DCT 溫度模型及控制邏輯

2.1 溫度模型

在DCT 車(chē)輛行駛中，系統(tǒng)會(huì)時(shí)時(shí)計(jì)算摩擦副表面溫度，但是由于運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中摩擦副處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，無(wú)法有效固定溫度傳感器，且無(wú)線(xiàn)測(cè)溫設(shè)備價(jià)格高昂，目前不能得到廣泛應(yīng)用。DCT 控制過(guò)程中，表面溫度均以模型計(jì)算值為準(zhǔn)，根據(jù)模型計(jì)算溫度值進(jìn)行相應(yīng)控制。

溫度模型如下：

式中：Tc——離合器控制扭矩；ωe，ωn——發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器轉(zhuǎn)速，rad/s；HFactor——加熱系數(shù)；CFactor——冷卻系數(shù)；tw——模型計(jì)算摩擦副溫度；t——潤(rùn)滑油溫度；Δ t——溫度變化速率，℃/s。

應(yīng)當(dāng)指出，模型計(jì)算溫度值與真實(shí)表面溫度值是存在偏差的，文中第4 節(jié)將針對(duì)偏差進(jìn)行修正。

2.2 基本控制邏輯

起步控制過(guò)程中，控制系統(tǒng)根據(jù)模型計(jì)算的表面溫度執(zhí)行相應(yīng)控制，基本控制邏輯如表1 所示。

表1 基本控制邏輯Tab.1 Basic control logic

3 離合器表面超溫問(wèn)題解決路徑

3.1 DCT 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本文以某車(chē)企自主開(kāi)發(fā)的縱置雙離合變速器為研究對(duì)象，該變速器采用機(jī)械泵冷卻，圖3 為其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖3 DCT 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 DCT structure diagram

雙離合變速器的產(chǎn)熱與散熱是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)于一個(gè)既定的動(dòng)力總成系統(tǒng)，為解決其大坡度起步表面超溫問(wèn)題，從以下3 個(gè)角度展開(kāi)分析：減少產(chǎn)熱、增加散熱、校準(zhǔn)模型參數(shù)。

3.2 減少產(chǎn)熱

如車(chē)型1 擋或R 擋匹配更大的總速比，車(chē)輛保持相同起步加速度，離合器控制扭矩將減小。由式（3）可知，相同的坡起過(guò)程產(chǎn)熱量將減小，溫升速率減小，最高表面溫度值減小。

限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出能有效減小單位時(shí)間產(chǎn)熱量，但是爬坡過(guò)程中時(shí)間增加。從臺(tái)架測(cè)試及實(shí)車(chē)控制過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，坡路起步表面溫度趨勢(shì)是先升高后逐漸降低[5]，限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩能有效降低最高溫度值。圖4 為坡道起步轉(zhuǎn)速與表面溫度隨時(shí)間變化的示意圖。

圖4 DCT 起步示意圖Fig.4 Diagram of launch

減小坡道起步加速度與限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出作用類(lèi)似，但減小起步加速度可以通過(guò)減小起步過(guò)程油門(mén)踏板開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3 增加散熱

降低變速器基礎(chǔ)油溫。正常駕駛工況下，變速器油通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水進(jìn)行冷卻，適當(dāng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)平衡水溫，能有效降低變速器平衡油溫，由式（4）可知，油溫越低越有利于散熱。

提高坡道起步過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，油泵轉(zhuǎn)速提高，冷卻流量增加。實(shí)際臺(tái)架測(cè)試中，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化冷卻流量變化如圖5 所示

圖5 流量隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系Fig.5 Relationship between flow rate and speed

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，起步過(guò)程速差增加。由式（5）可知，升溫速率與速差成正比，降溫速率與流量成正比。為便于分析發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)產(chǎn)熱、散熱的影響比重，引入流量增益與轉(zhuǎn)速增益的比值。

式中：Lf1、Lf0——兩個(gè)轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的冷卻流量；ωe1，ωe0——不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；α——流量增益與轉(zhuǎn)速增益的比值。

如圖6 所示，坡路起步轉(zhuǎn)速控制在1 600 r/min附近，對(duì)整個(gè)DCT 系統(tǒng)散熱平衡最有利。

圖6 增益變化規(guī)律Fig.6 Gain change law

在DCT 潤(rùn)滑油路控制過(guò)程中，主油路控制優(yōu)先級(jí)高于潤(rùn)滑油路，由于液壓閥體存在泄漏，維持過(guò)高的主油壓會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油路流量不足，適當(dāng)降低主油路壓力，對(duì)坡道起步工況的散熱是有利的。

增加電動(dòng)泵及更改機(jī)械泵速比均有利于提高潤(rùn)滑流量。在變速器開(kāi)發(fā)初期應(yīng)當(dāng)充分考慮熱負(fù)荷問(wèn)題，設(shè)計(jì)與爬坡能力相匹配的散熱系統(tǒng)。

3.4 校準(zhǔn)模型參數(shù)

校準(zhǔn)模型中的HFactor、CFactor系數(shù)。根據(jù)臺(tái)架實(shí)測(cè)值增加油溫、車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等維度，不斷修正系數(shù)，讓模型計(jì)算值更加接近真實(shí)測(cè)量值，詳細(xì)試驗(yàn)方案見(jiàn)第4 節(jié)。

本節(jié)從減少產(chǎn)熱、增加散熱、校準(zhǔn)溫度模型參數(shù)三個(gè)維度闡述了解決表面超溫問(wèn)題的方法路徑，起步控制轉(zhuǎn)速為1 600 r/min 附近對(duì)起步工況散熱最有利。本文將采用限制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、減小坡道起步加速度的方式減少產(chǎn)熱；通過(guò)控制合理的起步轉(zhuǎn)速、適當(dāng)降低主油路壓力的方式增加散熱；通過(guò)變速器臺(tái)架試驗(yàn)校準(zhǔn)溫度模型參數(shù)。

4 校準(zhǔn)溫度模型參數(shù)

4.1 試驗(yàn)方案

4.1.1 臺(tái)架系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖7 所示。試驗(yàn)離合器總成的外離合器包含6 個(gè)對(duì)偶鋼片和5 個(gè)摩擦片，溫度傳感器布置上選取預(yù)埋熱電偶的方式進(jìn)行，布置方式見(jiàn)圖8；傳感器布置在鋼片外徑上，打孔深度8 mm，見(jiàn)圖9。試驗(yàn)中采用無(wú)線(xiàn)測(cè)溫設(shè)備，整個(gè)測(cè)試模塊安裝在離合器總成內(nèi)部。

圖7 試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.7 Test system diagram

圖8 傳感器布置示意圖Fig.8 Diagram of sensor layout

圖9 打孔深度及位置Fig.9 Drilling depth and location

4.1.2 試驗(yàn)條件

（a）測(cè)試臺(tái)架設(shè)置為speed-speed 模式；

（b）按試驗(yàn)計(jì)劃依次設(shè)定輸入轉(zhuǎn)速、離合器轉(zhuǎn)速，按不同油溫分別進(jìn)行測(cè)試，離合器控制壓力按斜坡控制，1 s 內(nèi)到達(dá)命令壓力；

（c）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)離合器鋼片溫度，在表面溫度達(dá)到報(bào)警限值或達(dá)到平衡時(shí)，立即卸載離合器壓力；

（d）具體試驗(yàn)條件如表1 所示。

表1 試驗(yàn)條件Tab.1 Test conditions

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)測(cè)試過(guò)程中模型計(jì)算值與表面實(shí)測(cè)溫度值的差異不斷修正相應(yīng)系數(shù)，讓模型計(jì)算值貼近實(shí)測(cè)溫度值，同時(shí)需保留50℃溫差余量（由于坡起工況從離合器總成出來(lái)的熱油并不能與油底殼中的油充分混合，導(dǎo)致溫度傳感器實(shí)測(cè)油溫會(huì)低于實(shí)際參與循環(huán)潤(rùn)滑油的油溫，故需要留有安全余量），修正過(guò)程如圖10 所示。最終得到包含發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、離合器轉(zhuǎn)速、油溫相關(guān)的模型系數(shù)。

圖10 試驗(yàn)結(jié)果修正Fig.11 Correction of test results

5 實(shí)車(chē)控制及標(biāo)定過(guò)程

5.1 計(jì)算最大允許輸出扭矩

選擇最有利的起步轉(zhuǎn)速1 600 r/min，通過(guò)臺(tái)架測(cè)試我們得到最合理的模型系數(shù)，以報(bào)警溫度限值（T1-Δt）為溫度值代入式（7），計(jì)算得到溫升速率為0 時(shí)允許的最大控制扭矩。在溫升速率為0 之后，隨著車(chē)速增加，速差減小，溫升速率變?yōu)樨?fù)值，表面溫度開(kāi)始下降，通過(guò)這種方法能計(jì)算出在保證摩擦副不超溫情況下的最大輸出扭矩。通過(guò)限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出，保證上坡過(guò)程摩擦副不超溫。

式中：Tcmax——允許發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大扭矩；T1——報(bào)警溫度限值；Δ t——報(bào)警余量，避免觸發(fā)報(bào)警；tw——摩擦副入口油溫；HFactor——加熱系數(shù)；CFactor——冷卻系數(shù)。

轉(zhuǎn)速1 600 r/min 下Lf已知，即可求出在保證離合器摩擦副不超溫情況下最大輸出扭矩。

在Tcmax的條件下，坡道起步離合器表面是不會(huì)超溫的，其考慮了最大速差下允許的輸出扭矩，能滿(mǎn)足駕駛?cè)藛T通過(guò)油門(mén)、剎車(chē)控制車(chē)速反復(fù)坡起的需求。

實(shí)際坡道起步過(guò)程中，在離合器表面溫度較低時(shí)，由式（7）可知，模型計(jì)算溫升速率大于0，表面溫度增加，隨著表面溫度達(dá)到T1-Δt附近溫升速率逐漸減為0，隨著速差減小模型計(jì)算值逐漸減小。在已知最大允許輸出扭矩的情況下，能計(jì)算出最大爬坡度。

5.2 大坡度起步工程目標(biāo)的達(dá)成

以某車(chē)企DCT 車(chē)型為驗(yàn)證對(duì)象，車(chē)輛驅(qū)動(dòng)形式為后驅(qū)，整備質(zhì)量2 100 kg，D 擋零車(chē)速坡道起步工程目標(biāo)為30%。試驗(yàn)前車(chē)輛已經(jīng)充分預(yù)熱，變速器油溫達(dá)到常溫環(huán)境下平衡油溫，HHC 工作狀態(tài)正常。分別采用優(yōu)化前后的控制策略，進(jìn)行30%的坡道零車(chē)速起步測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果如圖11、圖12 所示。

圖11 優(yōu)化前坡道起步數(shù)據(jù)Fig.11 Ramp start data before optimization

圖12 優(yōu)化后坡道起步數(shù)據(jù)Fig.12 Ramp start data after optimization

未優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、起步轉(zhuǎn)速、溫度模型參數(shù)、冷卻流量時(shí)，30%坡道起步，離合器表面溫度超過(guò)限扭值，觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)限扭，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩快速減小，由于液壓系統(tǒng)遲滯，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速拖低。

通過(guò)限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出值、提高起步轉(zhuǎn)速、優(yōu)化溫度模型參數(shù)、提高冷卻流量，解決了D 擋30%的坡道起步超溫問(wèn)題。對(duì)比起步轉(zhuǎn)速降低了250 r/min，鋼片表面最高溫度降低了40℃，達(dá)成了坡道起步的工程目標(biāo)。

5.3 其他坡度起步表現(xiàn)

當(dāng)坡度值小于30%，小于工程目標(biāo)值，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩經(jīng)限扭之后輸出的最大值為T(mén)cmax，坡度值越小，坡道起步過(guò)程加速度越大。由于踩油門(mén)坡道起步過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速需從怠速轉(zhuǎn)速快速提升到1 600 r/min 附近，為改善較小坡度起步的動(dòng)力響應(yīng)性，策略上應(yīng)將坡度值較小的起步過(guò)程區(qū)分控制，匹配相對(duì)較小的起步轉(zhuǎn)速。

當(dāng)坡度值大于30%，超過(guò)工程目標(biāo)值，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩經(jīng)限扭之后輸出的最大值為T(mén)cmax，坡度值越大，坡道起步過(guò)程加速度越小。限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出值、提高起步轉(zhuǎn)速、優(yōu)化溫度模型參數(shù)、提高冷卻流量能有效避免離合器表面超溫，但過(guò)大的坡度車(chē)輛將無(wú)法順利完成零車(chē)速坡道起步,所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)車(chē)型設(shè)定合理的工程目標(biāo)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)限制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，減小車(chē)輛坡道起步加速度，合理控制起步轉(zhuǎn)速，優(yōu)化主油路壓力，修正溫度模型參數(shù)，解決了DCT 車(chē)型大坡度起步表面超溫的問(wèn)題。并且，通過(guò)系統(tǒng)的最大散熱能力反向推導(dǎo)出最大爬坡度，對(duì)于DCT 車(chē)型最大爬坡度工程目標(biāo)設(shè)定有著指導(dǎo)意義。同時(shí)應(yīng)該看到，最大爬坡能力是受散熱能力限制的，除了進(jìn)行相應(yīng)系數(shù)及流量調(diào)整以外，硬件設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的，需要設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)初期根據(jù)最大爬坡度目標(biāo)匹配相應(yīng)的散熱系統(tǒng)。由于限制了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，會(huì)影響部分其他工況的表現(xiàn)，需從策略上區(qū)分，避免相互影響。由于1、R 擋速比不同，且采用不同的離合器傳扭，所以需要根據(jù)整車(chē)工程目標(biāo)分別進(jìn)行驗(yàn)證。