雙離合自動變速器臺架路譜試驗方法研究

摘" 要：介紹了一種基于雙離合變速器的路譜采集及臺架試驗應用方法，通過前期實車采集路譜數(shù)據(jù)、轉化合成臺架路譜測試方法、開展動力總成級的臺架路譜測試，對雙離合自動變速器質量進行評價。試驗結果顯示，臺架路譜測試工況達成與整車測試基本一致，針對硬件驗證可對整車開展有效替代。

關鍵詞：路譜測試；雙離合自動變速器；臺架試驗

中圖分類號：U463.2" " " "文獻標識碼：A" " " "文章編號：1005-2550（2024）01-0016-06

Test Method Analysis of Double Clutch Automatic Transmission Road Load Spectrum

LI He， Qin Quan-xing， ZHANG Fan， YANG Fei， YANG Dong-dong

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

Abstract： This paper introduces a road spectrum collection and bench application method based on dual clutch transmission， through the early real vehicle collection of road spectrum data， conversion to synthetic road spectrum bench test specification， carry out Bench Road spectrum test of powertrain level and evaluate the quality of dual clutch automatic transmission. The test results show that the same result between the Road load spectrum bench test and vehicle test， which is a sufficient hardware verification replacement of vehicle test.

Key Words： Road Spectrum Test; Double Clutch Automatic Transmission; Bench Test

前" " 言

雙離合器自動變速器（Double clutch transmission，又稱DCT）是當前各類乘用車使用的常見變速器之一，其以MT（Manual Transmission 手動變速器）為結構原型，增加了雙離合器、電液控制器、TCU（transmission control unit變速器控制單元）等結構，實現(xiàn)了在整車上的自動換擋、傳輸扭矩的作用。其耐久性作為重點考核指標之一，尤其受到生產(chǎn)者及客戶的重視[1-4]。

研發(fā)測試過程中，如何精準的完成變速器壽命評價，探測出零部件的設計薄弱點，同時又需要避免過剩設計導致成本增加，是汽車工程師們重點思考的問題。整車試驗無疑是最貼近客戶最真實的驗證方法，但是其周期長（司機休息、天氣影響等）、消耗成本高（燃油費、過路費、維修費等）、事故易發(fā)等因素，難以保障開發(fā)項目的節(jié)點及成本要求。因此，需要用一種臺架試驗的方式重現(xiàn)整車測試工況，同時通過工況合理調整，縮短驗證周期，支撐項目開發(fā)的節(jié)點要求。

1" " 動力總成臺架原理[5]

動力總成臺架的搭建盡量使用汽車動力總成系統(tǒng)部件或模擬整車的搭建環(huán)境，具體如下：

1. 核心的動力總成系統(tǒng)發(fā)動機、變速器、控制器使用整車部件；

2. 進氣系統(tǒng)采用整車空氣濾清器及管路；

3. 中冷系統(tǒng)使用試驗室中冷設備水冷代替整車冷卻器風冷保證冷卻效果，同時空氣管路盡可能短，減少壓降盡量模擬整車的搭建環(huán)境；

4. 燃油系統(tǒng)使用油耗儀進行冷卻并控制壓力，保證燃油的穩(wěn)定供給；

5. 排氣系統(tǒng)使用整車的三元催化器及GPF等排氣管路匹配試驗室管路，盡量保證和整車相同的排氣背壓；

6. 發(fā)動機水冷系統(tǒng)使用試驗室水冷設備代替整車冷卻器風冷保證冷卻效果，保證發(fā)動機的運行效率；

7. 變速器油冷系統(tǒng)使用試驗室油冷設備代替整車冷卻器風冷，并精準控制溫度保證測試需求；

8. 變速器的輸出端通過整車傳動軸連接到臺架輸出電機1及輸出電機2。

除保留發(fā)動機變速器各控制信號（如進氣流量、進氣溫度壓力、機油壓力、轉速等）信號外，為保證試驗設備及動力總成的運行狀態(tài)，試驗室監(jiān)控中冷前后溫度壓力、進出水溫度壓力、機油溫度壓力、機油壓力、排氣渦后溫度壓力、變速器油溫等信號，并將信號接入臺架控制系統(tǒng)，設定停機限值，異常后及時停機。

其機械結構如圖1所示。臺架的輸出電機1、輸出電機2模擬整車的車輪，根據(jù)不同運行條件（車速、坡度、油門等），臺架計算機軟件調整輸出電機的扭矩，以模擬實車輪胎阻力。

臺架系統(tǒng)同時連接TCU（變速器控制單元）和ECU（發(fā)動機控制單元），模擬整車信號（剎車、油門等）發(fā)送給兩個控制單元，控制臺架電機根據(jù)不同的工況，綜合模擬坡道阻力、風阻、胎阻等等，同時記錄下整個過程的交互數(shù)據(jù)；同時TCU和ECU也進行通訊，對擋位信號、轉速信號、扭矩請求等實時進行著響應，控制原理如圖2所示：

2" " 路譜采集及處理[6-8]

實車扭矩采集：在整車半軸（side shaft）上粘貼半軸扭矩傳感器（應變片，可通過測量半軸應力變化），通過信號接受發(fā)射器（signal sending and receiving set）無線傳輸功能將半軸的扭矩信號采集到數(shù)采設備里并轉換成CAN信號發(fā)送至CANBus。

整車數(shù)據(jù)采集：通過CANBus記錄整車里面的CAN信號，包括車速、油門、擋位、發(fā)動機扭矩、轉速、制動、振動、油溫值、油壓值等， 整車實時運行時支撐動力系統(tǒng)邏輯交互的所有信號。

數(shù)據(jù)合成：筆記本電腦（Laptop）通過CANbus同時記錄采集的半軸扭矩信號和整車信號，這樣可保證所有的信號在相同時間坐標軸內。

設備裝配調試完畢后，開始路譜測試，以長城某車型為例，路譜采集的里程分配如表1所示：

通過對各個路況的數(shù)據(jù)處理整合，隨機挑選每個工況里面的12段數(shù)據(jù)，車速分布圖如圖4所示：

數(shù)據(jù)的抽取與使用：針對于雙離合自動變速器測試而言，其主要耐久性能關注點為離合器耐久性、軸齒強度等，因此主要抽取與扭矩、轉速、擋位等強相關信號作為基礎數(shù)據(jù)進行相關計算。

以離合器耐久性計算為例，提取8000公里不同路況下的路譜數(shù)據(jù)，可直接獲得發(fā)動機轉速、扭矩和擋位等信號，把換擋載荷和時間頻次關系，轉換為離合器滑磨熱量與時間的頻次關系，同時提取數(shù)據(jù)中各載荷對應的各個擋位換擋的頻次，這樣可以獲得在各個擋位下，不同載荷等級對應的離合器滑磨熱量值，得到路譜采集里程的比值，通過各個工況里程在整車全壽命中里程的占比，計算得到雙離合器的全壽命熱量值。基于熱量值等效原理（疲勞損傷等效原理）選取產(chǎn)生較大疲勞強度的整車工況，作為臺架試驗小循環(huán)設計的輸入（如油門和車速），可提高工況選擇的精準性，為科學嚴謹制定臺架的試驗循環(huán)及載荷譜提供了依據(jù)。這樣的好處是臺架試驗的覆蓋工況更廣，更貼近實際情況，能夠快速驗證變速器的質量可靠性及耐久性，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

計算離合器的熱量值的公式：

Q=?N×（P實 ?PKP）×S×μ×n×r×η×t" " "（1）

式中：

Q——滑磨功熱量

?N——離合器滑差

P實——滑磨階段實際油壓

PKP——離合器KP點油壓

S——活塞面積

μ——摩擦系數(shù)

n——摩擦片的面積

r——有效半徑

η——效率

t——時間

注意：根據(jù)車輛使用場景的不同，計算數(shù)據(jù)時應根據(jù)車輛使用場景進行校準計算，如城市工況占預計客戶使用工況百分比為d城市，國道百分比為d國道，山路百分比為d山路，高速百分比為d高速。應保證d城市+d國道+d山路+d高速=100%。

則貼近實車使用場景的總滑磨熱量為（“Q城市”為在城市道路上產(chǎn)生的總的滑磨功熱量，“L城市”，指的是統(tǒng)計“Q城市”時所基于的城市道路的里程）

Q總=300000×（（Q城市/L城市）×d城市+（Q國道/L國道）×d國道+（Q山路/L山路）×d山路 +（Q高速/L高速）×d高速）……（依據(jù)車設計壽命為30萬公里）

汽車在行駛過程中主要靠自動變速器中的齒輪組合來實現(xiàn)變速變矩。同樣，軸齒強度的評估可以把連續(xù)綿密的扭矩，分解為不同的扭矩點，根據(jù)各個扭矩點不同轉速下的維持時間，評估對各個軸齒的損傷程度。其計算方法為：1.依據(jù)采集的路譜數(shù)據(jù)中的半軸扭矩通過速比換算到DCT的輸入端（也可以用發(fā)動機扭矩，需測量比對其與外加扭矩傳感器的準確性），轉速采用發(fā)動機轉速，得到了不同擋位條件下轉速-扭矩點的轉數(shù)分布；2.通過路譜實采里程與整車壽命的比值，將轉速扭矩點分布換算至整個生命周期的分布；3. 利用麥恩納計算公式，將連續(xù)的扭矩轉數(shù)等效計算至分段的扭矩中轉數(shù)，如式2所示；4. 用對應下的轉速，將轉數(shù)換算成時間（時間min=轉數(shù)/相應轉速）。

式中：

ND：目標扭矩的轉數(shù)

Ni：采集的扭矩對應的轉數(shù)

TD：目標扭矩（分段的扭矩點）

Ti：采集的扭矩

K：系數(shù)（根據(jù)經(jīng)驗值一般取值5或者6，值越小計算結果越嚴苛）

該公式可以通過指數(shù)K來對工況的耐久能力進行縮放，從而影響載荷工況損壞程度的評估，以此對惡劣工況的選擇進行限制。

換擋耐久可通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法，提取到不同檔位在不同轉速下的換擋次數(shù)，從而得出整個壽命總的換擋次數(shù)。

各個汽車廠家正在大力開展對混動車型的研發(fā)，混動車型隨著用戶使用場景的不同、充電的便利性、電池SOC的變化，具體到個體汽車的話，其純電應用工況與混動應用工況會有較大不同，其齒輪、離合器等損傷積累也不同[9]。

3" " 臺架應用

整車全壽命的離合器總熱量、軸齒損傷值等得到后，就需要設計臺架試驗工況，通過調整不同的工況組合， 以滿足在測試周期范圍內，用最少的時間及工況循環(huán)驗證整車的全壽命離合器總熱量及軸齒損傷值。

為了加速驗證，同時參考整車極限工況，在臺架測試工程中需要以實際工況為基礎設計的不同的小循環(huán)，如加減速、連續(xù)換擋、最高車速、頻繁起步、蠕行上坡等等，舉例如圖5所示：

動力總成在臺架上安裝后如圖6所示，其中安裝了發(fā)動機及變速器的主體、發(fā)動機進排氣、半軸、通訊線束、冷卻管道、燃油供給系統(tǒng)等等。其在臺架上的試跑數(shù)據(jù)計算累計損傷，可參考上文中的計算公式，與所得路譜離合器、軸齒目標損傷做對比，來調整不同小循環(huán)的組合和次數(shù)，將不同的小循環(huán)調整后歸納為一個大循環(huán)，這樣一個完整的大循環(huán)就涵蓋了汽車實車的所有嚴苛工況。大循環(huán)次數(shù)的累計，達到臺架損傷與實際整車損傷等效（離合器損傷及齒輪損傷都需要達到等效值）的目的。動力總成臺架一個小循環(huán)的試驗數(shù)據(jù)如圖7所示。

試驗完成后的對比：通過對整車試驗10萬公里及等效10萬公里的臺架試驗的測試結果對比，試驗后離合器摩擦片、齒輪磨損程度結果非常相近，兩組對比試驗的離合器功能正常，鋼片沒有變色或燒傷痕跡，如圖8所示：

在耐久對比測試后離合器外觀狀態(tài)一樣的情況下，我們做了離合器耐久后性能參數(shù)的測試，如圖9所示。根據(jù)圖示可知，離合器摩擦系數(shù)在臺架耐久與整車耐久試驗前后雖有微小不同，但均表現(xiàn)出了隨滑磨轉速一樣的變化趨勢，性能參數(shù)變化穩(wěn)定一致，進一步驗證了臺架試驗對整車試驗的硬件驗證可替代性。這種趨勢變化的穩(wěn)定帶來的就是變速器整箱邏輯控制離合器時穩(wěn)定精準，降低整車的闖動感，提高駕駛舒適性。

4" " 研究結論

采用本文的雙離合器變速箱整車道路耐久試驗到臺架耐久試驗的關聯(lián)方法，根據(jù)整車道路試驗和臺架試驗的結果對比分析，得出如下結論：

1. 相同等效公里數(shù)下，整車測試結果與臺架測試結果基本相同，誤差在7%以內，如圖8/9所示；

2. 考核硬件為前提下，動力總成臺架試驗耐久驗證可有效替代整車試驗。

參考文獻：

[1]姚雙.雙離合自動變速器結構原理及控制方式淺談[J].汽車實用技術，2019，44（21）：214-216+219.

[2]韋昊，李志遠，于博，等.雙離合變速器技術原理及發(fā)展前景[J].科技創(chuàng)新導報，2017，14（9）：74-75.

[3]張曉明，汪新云.DCT 自動變速箱發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J].汽車科技，2019（3）：22-27.

[4]牛銘奎，高炳釗，葛安林.雙離合器式自動變速器系統(tǒng)[J].汽車技術，2004（6）：1-3.

[5]張喜明，徐宜，馬蕊等.傳動裝置齒輪耐久性臺架試驗方法研究[J].車輛與動力技術，2019（1）：43-49.

[6]陳東升，鐘其水，陳欣．車輛變速箱齒輪彎曲疲勞壽命的估算[J]．機械設計，2002，19（5）：36-39．

[7]陳傳堯. 疲勞與斷裂[M]. 武漢： 華中科技大學出版社，22001．

[8]丁小輝．汽車傳動系統(tǒng)動態(tài)載荷譜研究[D]．重慶： 重慶理工大學，2013．

[9]楊冬生，白云輝，孫浩. 基于雙離合變速器的混合動力傳動系統(tǒng)及其控制策略[J]. 北京汽車，2016（3）：22-25.

專家推薦語

王" "坤

東風汽車集團有限公司研發(fā)總院" 整車技術部副總工程師" 高級工程師

本論文介紹了一種基于雙離合自動變速器道路耐久試驗的驗證規(guī)范，構建了雙離合自動變速器耐久臺架試驗臺。通過實車道路試驗載荷譜數(shù)據(jù)采集，道路試驗數(shù)據(jù)和臺架試驗激勵的關聯(lián)，驅動臺架運動，進行臺架耐久試驗。通過道路耐久試驗和臺架耐久試驗后的數(shù)據(jù)及零部件狀態(tài)對比分析，驗證了雙離合自動變速器臺架耐久驗證的有效性、合理性。

李" "賀

畢業(yè)于北京科技大學，碩士研究生學歷。現(xiàn)就職于蜂巢傳動科技河北有限公司，任研究院試驗部負責人，主要研究方向為自動變速器、混動變速器、純電動力總成測試開發(fā)與應用，已發(fā)表文章數(shù)篇。