濕式雙離合自動變速器起步平順性分析及優化

白景峰，樊立桃，田廣召，紀曉輝，柳彥濤

摘? 要：為解決濕式雙離合自動變速器（DCT）起步飛車問題，通過對雙離合器進行摩擦系數理論分析及臺架測試，得到摩擦系數與溫度、壓力、滑摩轉速關系，并得到飛車與摩擦特性與滑摩轉速負相關存在關系，并摩擦片溝槽深度進行整改（>0.2mm），保證摩擦特性的正相關，改善整車飛車問題。

關鍵詞：濕式雙離合器；起步飛車；摩擦特性；負相關

中圖分類號：U463.211+.2? ? ?文獻標志碼：B? ? ?文章編號：1005-2550（2023）03-0032-05

Analysis and Optimization of Launch Smoothness for Wet Dual Clutch Transmission

BAI Jing-feng， FAN Li-tao， TIAN Guang-zhao， JI Xiao-hui， LIU Yan-tao，

（HYCET Transmission Technology Hebei Co.， Ltd.， Baoding 071000 ， China）

Abstract： In order to solve engine flare issue in wet dual clutch transmission （DCT）， through theoretical analysis of friction coefficient of dual clutch and bench test， the relationship between friction coefficient and temperature， pressure and sliding friction rotation speed is obtained， and it is obtained that there is a negative correlation between friction characteristics and sliding friction rotation speed， and the groove depth of friction plate is rectified （>0.2mm） to ensure the positive correlation of friction characteristics and improve the problem of vehicle flare speed.

Key Words： wet dual clutch; engine flare; friction coefficient; negative

引? ? 言

隨著人們對汽車品質要求及駕駛舒適性的提升，濕式雙離合自動變速器（DCT，全稱：Dual Clutch Transmission）依據其換擋迅速，駕駛方便性，無動力中斷，開車成本較低及操作要求簡單等特點逐漸成為人們關注的焦點[1]。早在1999年，德國大眾公司與博格華納公司聯手制造出世界首款可量產的 Dual Tronic （R） 技術濕式雙離合變速器[2]。2003年，大眾汽車成功開發出6擋DSG雙離合自動變速器，并將其安裝在高爾夫車型上，成為第一個將DCT安裝在量產車的汽車廠商[3]。

隨著DCT技術的逐漸成熟，起步及換擋平順性成為人們日常討論的話題。自動變速器控制系統主要要解決的三個問題：何時起步、怎樣起步（起步過程控制）和起步如何（起步品質評價）[4]。

本文依據某車企開發的濕式雙離合自動變速器中的離合器（如圖1所示）進行整車起步平順性研究，并針對倒檔起步飛車問題進行問題分析解決，并提出整改方案。

1? ? 濕式雙離合器摩擦結構

濕式雙離合器與干式離合器主要區別為濕式離合器在油液作用下進行工作。摩擦特性的主要傳遞由離合器對偶片、摩擦片及油液共同組成，在起步過程中摩擦片與對偶片進行相對轉動，即離合器滑摩轉速，且在油液的作用下產生摩擦力，從而進行離合器傳遞扭矩[6]。

某車型在裝配完變速器試車過程中，倒檔小油門起步發生整車飛車現象。具體工況：倒檔過程中，發動機油門踏板約20%深度，發動機轉速飆升至2000rpm左右，實際發動機需求轉速1400rpm左右，轉速飆升600rpm，且伴隨著變速器輸入轉速轉速波動（如圖2所示）。若離合器長期在此工況工作，將出現熱量累積并燒蝕離合器等現象，嚴重影響離合器壽命及駕駛安全性。

2? ? 原因分析

2.1? ?飛車基本原理

整車進行起步控制過程中，依據發動機扭矩進行離合器需求扭矩請求，變速器TCU單元將離合器需求扭矩進行轉化為離合器需求壓力，通過控制電磁閥開度可得到離合器實際壓力，離合器實際壓力通過離合器摩擦片及鋼片間的滑摩作用產生實際扭矩，具體控制過程如圖3所示。

當離合器實際扭矩低于離合器需求扭矩時，整車將產生飛車現象，同時離合器摩擦特性作為離合器扭矩傳遞的關鍵點，因此對摩擦特性的研究成本解決此問題的關鍵。

2.2? ?濕式離合器摩擦特性研究

濕式離合器摩擦特性并非一成不變，隨著外界環境的變化（即使用條件），摩擦特性所展現的性能也存在較大差異，其中最主要的影響因素包含油液溫度、摩擦片作用壓力和相對滑摩轉速等。

（1）油液溫度對摩擦系數的影響

離合器摩擦副之間存在油膜，離合器油液溫度的高低將影響油液粘度的大小，從而影響離合器摩擦系數的建立。其中鎖著油膜的建立可以分為邊界潤滑摩擦狀態，混合摩擦狀態和液力摩擦狀態。

依據摩擦系數流體動力學分析可知（如圖4所示），在邊界潤滑摩擦狀態，油液粘度對摩擦特性影響較小，在混合摩擦狀態隨著油液粘度的增加，摩擦系數逐漸降低，而液力摩擦狀態下，隨著粘度的增加，摩擦特性逐漸增加。其中整車在起步階段處于混合摩擦狀態，因此隨著溫度的升高，摩擦特性逐漸降低。

（2）摩擦片作用壓力對摩擦特性的影響

摩擦片參與摩擦的材料多數為紙基材料，摩擦片與對偶片接觸表面為不規則的粗糙表面，由圖6中可知，壓力會影響摩擦片接觸狀態， 因此摩擦特性的分析需從微觀接觸進行分析。

離合器扭矩計算主要涉及離合器摩擦副的數量，摩擦材料內外徑，活塞結構尺寸等。通過向離合器執行腔充壓力又（ATF），對活塞產生一定軸向壓力，從而壓緊摩擦板及鋼板，鋼板和摩擦板之間由于摩擦作用產生摩擦力，通過其他機械連接結構傳遞一定的扭矩[5]。

離合器實際扭矩計算公式如下：

Tc=μ×Fn×n×re? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：

Tc：離合器實際扭矩（Nm）；

μ：離合器摩擦系數；

Fn：活塞腔對摩擦副壓力（N）；

Fn=P（活塞壓力）×A（活塞面積）

n：摩擦副數量；

re：摩擦副有效半徑（m）

其中 r1 為摩擦副外徑，r2為摩擦副內徑。

依據扭矩特性計算公式可知，摩擦特性參數的計算如下：u=T/（P×A×n×re）? ? ? ? ? ? ? ? （2）

因此通過公式（2）可知，在其他條件一定的情況下，摩擦特性參數u隨著正壓力的增加而減小。

（3）滑摩轉速對摩擦特性的影響

依據流體動力學模型可知，油膜所謂摩擦特性傳遞的重要介質，滑摩轉速將影響油膜的建立，可將油膜流體進行模型簡化，簡化模型如圖5所示：

依據流體動力學內摩擦定律可知，相鄰流層之間的內摩擦力與流層接觸面積和液層之間滑摩轉速梯度成正比[6]，即

T=η×A×dv/dh? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，T為相鄰液層之間內摩擦力；η為油液的動力粘度，其中動力粘度由油液本身特性及環境溫度和壓強共同影響，其中溫度越低粘度約高，壓強在超過50Mpa后對動力粘度存在顯著影響，因此在本文研究中不進行研究，v為相對運動速；A為摩擦面積，即對偶鋼片和摩擦片宏觀摩擦接觸面積；h為油膜厚度[6]。

因此，依據公式（3）可知，在外界條件一定的情況下，摩擦特性參數隨著滑摩轉速的升高而升高，基本呈現正相關關系。

3? ? 離合器摩擦系數測試

為研究離合器摩擦特性的關系，制定摩擦特性測試工況（如圖6所示）。測試工況如表1所示：

摩擦特性隨溫度及壓力的變化如圖（7）所示，依據測試結果可知，在高壓力區域摩擦特性隨溫度的變化而產生較小變化，在低壓區域隨著溫度的升高而降低。隨著壓力的升高，摩擦特性參數逐漸降低。

摩擦特性滑摩轉速的變化如圖（8）所示摩，由測試結果可知，鎖著滑摩轉速的升高，在低壓區域摩擦特性逐漸升高，但在高壓條件下，摩擦特性存在輕微負相關。

由此可知，整車飛車為離合器摩擦特性隨滑摩轉速的上升而出現短暫負相關導致，因此，解決離合器摩擦特性負相關即可解決離合器飛車問題。

4? ? 方案整改

通過對流體動力學模型進行分析及離合器摩擦片摩擦特性驗證可知，離合器摩擦特性負相關出現在離合器摩擦片上。同時針對離合器摩擦片進行詳細確認，發現離合器摩擦片溝槽存在嚴重磨損，磨損后溝槽深度約0.1mm-0.15mm，具體情況如圖9及圖10所示。

通過對摩擦片加工工藝進行分析，離合器溝槽為沖壓形成，當離合器摩擦片材料沖壓模具磨損后會造成離合器溝槽變淺，在相同油液流經摩擦片表面時造成油液在摩擦片和對偶片間油液累積，從而引起短時間混合摩擦，進而造成離合器摩擦特性負相關。

通過修正離合器摩擦片沖壓模具，保證離合器摩擦片溝槽存在足夠深度后進行測試，修改前后摩擦片溝槽深度保證0.2mm以上。

修改后摩擦片溝槽形式如圖11所示：

采用相同測試零部件及測試工況進行測試驗證，可得到如圖12測試結果。

基于正相關摩擦特性的零部件裝車驗證后，整車飛車現象消失，問題解決。

5? ? 結論

本文通過離合器分析摩擦特性參數與溫度、壓力和滑摩轉速的關系，并進行試驗測試得到以下結論：

（1）離合器摩擦特性隨溫度的變化在低壓條件下變化明顯，在高壓條件下，基本無變化；

（2）離合器摩擦特性隨著壓力的升高而逐漸降低；

（3）當摩擦特性隨著滑摩轉速的變化而出現負相關時，整車出現飛車情況；

（4）摩擦特性負相關主要來源于摩擦片溝槽深度，當摩擦片溝槽深度>0.2mm以后，負相關現象消失，整車飛車情況消失。

參考文獻：

[1]翁曉明. 濕式雙離合器變速器換擋品質的研究[J]. 汽車工程，2009，31（10）：927-931.

[2]操劍鋒. 濕式雙離合器自動變速器仿真技術研究[D]. 長春： 吉林大學， 2007.

[3]Rudolph F，Steinberg I，Guünter F. Die Doppelkupplung des Direktschalt-getriebes DSG der Volkswagen AG[J]. VDI-Ber，2003，1786：401–411.

[4]雷玉龍. DCT換擋品質評價與控制仿真研究[A]. 國際汽車變速器及驅動技術研討會論文集，2015.04：1-26.

[5]葛敬廣，張笑. 液力自動變速器離合器設計[J]. 傳動技術，2017.06，31（2）：25-29/44.Ge J G， Zhang X. Clutch Design of Automatic Transmission[J]. Drive System Technique，2017.06， 31（2）：25-29/44.

[6]韓旭鑫，吳娜等.濕式離合器摩擦副摩擦特性機理探究[J]. 汽車科技，2022.04：84-88.

白景峰

畢業于西北農林科技大學，碩士研究生學歷。現就職于蜂巢傳動科技河北有限公司，任濕式離合器設計組長，主要研究方向為自動變速器濕式離合器系統設計開發與應用。

專家推薦語

李少華

東風商用車技術中心動力總成部

傳動系統總工程師? 研究員高級工程師

本文論述了濕式雙離合自動變速器中的離合器整車起步平順性研究工作，并針對倒檔起步飛車問題進行分析及試驗論證，得出改進措施。本文介紹關于濕式雙離合自動變速器中離合器的開發，有一定參考意義。