濕式雙離合變速器車型應用快速開發

劉亮　梅欣

摘 要：為了縮短濕式雙離合變速器與整車匹配研發周期，提高市場占比，基于企業本身積累的豐富開發經驗知識，在項目初期充分運用CAE仿真進行離合器熱性能，齒輪軸、軸承耐久耐久性能等關鍵變速器壽命可行性分析，減少項目后期實際運行時間周期，在樣機制作過程中使用快速靈活的加工生產方式，如銑削鋁塊制作變速器殼體， 3D打印等，變速器控制軟件本身功能已經開發處于較高成熟度，只需對新匹配車型其他控制器進行信號通訊匹配調整，并具備與自身結構特性匹配的智能閉環PID控制，簡化了變速器與整車駕駛性標定工作。通過上述方式，實現了縮短雙離合器變速器項目正式開發周期至一年以內。

關鍵詞：濕式雙離合 離合器熱容量 耐久 控制軟件

1 前言

近年來，中國汽車乘用車市場，自動擋車型市場占有率逐年上升。這背后主要原因為：自動變速箱操作相對簡單，加之國內交通擁堵狀況，省去了駕駛員頻繁換擋之苦；降低了車輛駕駛的難度，讓越來越多的人敢于開車上路。根據市場調研和統計數據顯示，自動變速器的年銷量增速一直高于汽車市場增速，國產車從20多年前沒有自動變速器發展到現在自動變速器裝車率已超過1/3。

常見的自動變速器分別是液力自動變速器（AT）、電控機械自動變速器（AMT）、機械無極自動變速器（CVT）、雙離合自動變速器（DCT）。其中，雙離合自動變速器（DCT）如下表1所示，由于其接近手動檔的高效率，換擋時無扭矩損失，無動力中斷，舒適性較好等特點，加上日益嚴格的國家油耗法規要求，成為了越來越多的整車廠新車型動力總成開發的首選，如國內主要的長城汽車7DCT，吉利汽車7DCT等。根據IHS分析數據，DCT雙離合變速器在市場占比將超過50%。此外，雙離合自動變速器還能夠支持快速擴展為混合動力車型，如P0結構48V BSG，P2.5結構混合動力雙離合變速器HDT（hybrid dual-clutch transmission）等。

雙離合變速器已經走到了第三代產品，解決前兩代機械油泵降低效率及干式離合器過熱等問題。離合器仍然為濕式離合器，并配有可調節流量的電子機械離合器冷卻泵，最大程度降低了離合器本身的拖曳扭矩，在保證了熱容量的前提下，減少了效率損失。雙離合器變速器保持了手動變速箱高效齒輪嚙合傳遞的方式，相比AT傳遞效率高，整車百公里油耗低7%左右。在實際運行時，升檔更積極，動力響應更快，帶給駕駛人員更加運動的行駛感受。

隨著國內汽車市場競爭愈發激烈，各大主機廠都在縮短自己的車型研發周期，通過不斷的推陳出新，旨在擴大自己品牌的市場占有率。動力總成（發動機匹配變速箱）作為關鍵整車部件同樣需要縮短或者找到能夠快速匹配新研發方式。按照以往如大眾，通用等汽車公司常規動力總成研發項目常規時間為36個月-24個月，主要限制條件為硬件開模制作時間，以及發動機軟件ECU及變速器軟件TCU標定所需要的三高（即高溫/高寒/高原）驗證時間，拉長了整個項目的時間跨度。本文講述了一種基于一定成熟度的發動機，匹配雙離合變速器的快速研發方式，實現新匹配車型在12個月內實現量產。

2 項目前期可行性研究及確認

2.1 新匹配車型項目與現有量產基礎機型對比差異確認：變速器差降（diff-drop）與中心距（center distance），見圖1：

2.1.1 差降（diff-drop）： 差速器半軸中心軸與發動機曲軸中心軸在垂直方向的落差。

2.1.2 中心距（center distance）：變速器一軸即輸入軸與差速器中心的距離。

上述變化點一般受新匹配車型發動機及半軸位置變化而需要調整，影響變速箱內部潤滑油液面，對內部零部件浸油潤滑及甩油潤滑產生影響，進而影響變速箱整體耐久性能。

齒輪速比（Gear ratio）：一般受新車型動力及油耗要求而需要變化，不同齒數的齒輪在不同中心距中，宏觀參數（模數，壓力角等）及微觀參數（齒形，齒向等）都將受到影響而發生變化，需要對新設計進行耐久分析。

2.2 項目可行性分析對于快速判斷一個項目是否可行或出現潛在市場問題起著至關重要的作用。針對雙離合器變速器，有兩項必須提前識別確認的技術分析項，為離合器熱容量、齒輪軸及軸承耐久壽命。

2.2.1 離合器熱容量

基于市場售后經驗，制定出相關容易出現離合器由于不斷摩擦導致過熱的駕駛工況，如表2，通過CAE仿真計算，圖2為工況之一的計算結果，由此識別確認是否容易出現離合器溫度過熱問題，識別出風險工況，并確認是否可以通過后期的發動機及變速箱匹配標定加以優化。

2.2.2 齒輪軸及軸承耐久壽命

一般主機廠OEM會提出變速器的設計壽命要求，如16萬公里，可靠度B04或者24萬公里，可靠度B10，以及其他可能的耐久總里程。主機廠需要提供對應該設計總里程下的載荷譜，即基于要求設計壽命下的：不同擋位，不同發動機扭矩段下的循環次數。

齒輪軸耐久計算依據ISO 6336-2006 （直齒輪和斜齒輪承載能力的計算）得出安全系數值，如表3。并按照彎曲疲勞需滿足≥1.1，接觸疲勞≥1原則進行判定。一般由于彎曲疲勞失效模式較嚴重（如斷齒）故要求更高安全系數 。此外，還可以考慮對個別薄弱齒輪通過齒面、齒根強力噴丸的工藝實現約15%耐久安全系數提高。

通過ROMAX 軟件計算各軸承壽命，依據ISO/TS 16281滾動軸承 額定動載荷和額定壽命判定原則，各軸承壽命損傷需小于100%，如果接近100%則已經靠近失效邊界，按照經驗損傷需要小于80%則軸承壽命較為可靠，如表4。

基于上述離合器，齒輪軸及軸承的可行性判斷，抓住了變速器主要關鍵零件的耐久可靠性，確保了后續項目快速開發過程中不會出現重大設計問題。

3 項目正式開發過程

3.1 樣機制造及試驗，主要涉及齒輪和殼體

齒輪：有受速比變化需求引起的齒數調整，一般主要受客戶整車動力和經濟性匹配影響，對速比進行改動；有受到齒輪嘯叫要求提高引起的齒輪宏觀參數（如螺旋角）及微觀參數（齒形，齒向等）調整，一般受新匹配整車結構設計差異而導致原齒輪設計嘯叫水平被傳遞路徑放大。B樣階段齒輪可采用整形磨齒工藝，與一般齒輪加工工藝相比，增加了關鍵的滾齒開粗及磨齒整形兩個工序，即精車兩端→滾齒開粗→磨齒整形→磨棱→清洗→熱處理→清理拋丸→硬車→熱后磨齒→成品檢測，該特殊工藝避免了采購新齒輪參數滾齒刀具，即靈活實現不同[整形磨齒工藝設計 袁方星]齒輪宏觀、微觀參數加工，又縮短了項目周期至少一個月時間，滿足了臺架及整車驗證需求。

殼體：一般主要受到客戶新匹配發動機影響，需要依據新發動機后端面設計匹配的變速器離合器殼體，而殼體在CATIA軟件設計過程中，已經將與發動機接口面設計單獨分層，方便實現快速變更設計。對于B樣軟模階段，可以采用近年來興起的‘CNC鋁雕技術，即通過機床加工銑一塊適當大小的鋁塊，加工出一個離合器殼體。該技術與以往的砂鑄件對比，提高了零件材料穩定性和避免了砂鑄工藝殼體厚大部分容易出現氣孔、裂紋等的問題，此外，平均45天的制造周期，也可以有效的控制項目周期。對于C樣硬模階段，與客戶完成設計確認并獲得開模指令后，可在最快95天內完成壓鑄模具開發，開始交付殼體毛坯。

異形件：變速箱設計過程中可能涉及到部分異形件的開發，如為滿足局部特殊位置潤滑需求的導油蓋；主要為變速箱內部油液引流至目標零件，無需受力承載，材質一般為塑料件，按照以往的經驗需要開快速成型模具來生產樣件。對于B樣軟模階段，使用3D打印技術，即用已完成的3D設計圖紙導入到3D打印程序中，即可快速加工出所需產品。與以往的開模后生產樣件模式對比，3D打印技術靈活快速，樣件試裝或試驗過程中如需變更，可快速修改產品圖紙后重新打印樣件，可節約開模所需約30天制造周期。

3.2 開發驗證試驗，即設計驗證，旨在確認設計是否滿足變速箱基本功能及耐久要求

主要試驗為如下類型：變速箱高速耐久試驗，變速箱潤滑試驗，變速箱高扭耐久試驗等，以驗證變速箱本體的基本功能及可靠性。變速器為一個復雜的變速箱機械系統，在機械產品可靠性分析中，宜用威布爾分布來描述。為了最短時間內完成有效試驗驗證，對應的試驗策略應選用刪失試驗Ⅱ類[汽車變速箱可靠性試驗設計_汪文華]，即定數截尾試驗，提前確認試驗樣本數量，可延長單次試驗時間，達到規定的時間就停止試驗。按照行業經驗變速器耐久設計使用壽命24萬公里，可靠性B10，置信度C50，選取試驗樣本數量2個。即給定型號的變速器有50%的可信在一個生產批次內將至多允許10%以內的變速器數量在達到24萬公里之前出現故障。

基于試驗的可靠度、置信度、確認的試驗樣本數量以及確認試驗的時間長度，可以計算出不同樣本量需要完成的試驗變化量，其關系式為：

R=（1-C）1/λN

λ=（）3

其中R為可靠度，C為置信度，N為定義的試驗樣本數量，λ為服從威布爾參數分布的試驗周期比值關系式，Tnew為新樣本量下單次試驗時間，T為原試驗設定單次試驗時間。

如表5，可知選取最少樣本量2，增加試驗時間周期的至原試驗比例的150%，也能滿足可靠性B10C50要求，可實現將試驗周期縮短約2個月。

3.3 變速器TCU控制軟件標定開發：

3.3.1 軟件開發

變速器控制單元TCU 的控制軟件在早期研發時期已經做了分層處理，為了能更快的進行新客戶OEM車型的快速開發。如圖3， 只需要對AP及VP層面軟件進行新開發車型的軟件制作及標定即可，減少了繁雜軟件開發及測試過程。

3.3.2 整車適配標定

基于已經具有一定成熟度的整車發動機及DCT變速器軟件主要的工作內容如下：

換擋線（shift map）標定：基于車型的動力性，油耗，舒適性等要求，根據油門和車速進行變速器升降擋點調整適配，可以在實際車輛未裝配前，基于AVL公司的CRUISE軟件提前進行無車狀態的桌面標定。

換擋過程：基于變速器控制單元TCU 與發動機控制單元ECU信號交互，完成變速器內部兩個離合器的打開與結合控制，從而實現扭矩交互，實現換擋，保證換擋過程中無頓挫，或動力中斷感受。

蠕行與起步

● 蠕行：通過車速（一般小于6 km/h）的閉環PI來控制離合器的扭矩，從而控制車速穩定到目標車速內。

● 起步：通過不同油門開度，變速器TCU設定不同的起步轉速，由控制離合器的扭矩來控制發動機轉速達到標定的目標起步轉速

特殊工況標定：智能化NVH噪音異響優化等，AJC-Anti judder control防抖動控制，離合器泵壓力過濾功能，減少由變速器控制導致的整車抖動問題；

由于變速器軟件的高度成熟及PID閉環控制的更多運用，減少了變速器標定工程師的工作量。

此外，高溫、高原、高寒變速器軟件標定試驗驗證均可在一年即12個月內完成，結合上述高成熟度及智能化TCU軟件，給變速器標定效率帶來了巨大好處，縮短了標定開發周期，也確保新車型駕駛性及時達到上市要求。

4 結語

本文講述通過企業自身不斷的技術積累，開發出了一套快速且可靠的濕式雙離合變速器新車型研發流程；基于可靠的溫度熱模型，及耐久仿真分析，在項目研發前段就確認關鍵可行性，為項目后期順利進行創造了有利前提，項目研發過程中，不斷創新利用新制造加工等技術，提高效率，縮短研發周期，為企業在日益激烈的自動變速器領域提升競爭力。

參考文獻：

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