雙離合器式自動(dòng)變速器傳動(dòng)效率影響因素分析

陳　飛，方志勤，崔　剛(江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心變速箱研究院，安徽 合肥　230601)

雙離合器式自動(dòng)變速器(dual clutch transmission，DCT)基于自身優(yōu)點(diǎn)(燃油經(jīng)濟(jì)性好、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低及傳遞動(dòng)力不中斷等)在國內(nèi)外的市場份額逐漸增加，隨著越來越多的企業(yè)投入到DCT的研發(fā)和車型應(yīng)用上，DCT成為增長速度最快的自動(dòng)變速器，DCT市場將穩(wěn)步增長，2020年達(dá)到接近400萬輛的市場規(guī)模[1-4]，如圖1所示。

變速器自動(dòng)化、高效化是未來發(fā)展的重點(diǎn)，DCT變速器傳動(dòng)效率的高低直接影響整車燃油經(jīng)濟(jì)性能。

圖1　2020年變速器銷量(萬輛)與市場份額預(yù)測

傳動(dòng)效率越高，燃油經(jīng)濟(jì)性越好；同時(shí)能減小排放，更好地保護(hù)環(huán)境。影響DCT變速器傳動(dòng)效率的因素[5]很多，主要有齒輪攪油損失、齒輪嚙合損失、雙離合器式損失、同步器滑磨，以及油泵、潤滑油油量等等。本文主要從離合器主油壓、潤滑油油量和齒輪攪油3個(gè)較為重要且容易實(shí)施方案驗(yàn)證的因素進(jìn)行探討，通過試驗(yàn)手段，分析離合器主油壓、潤滑油油量、齒輪攪油對DCT變速器傳動(dòng)效率的影響，從而為提高變速器傳動(dòng)效率提供技術(shù)方案和方法，為DCT變速器傳動(dòng)效率的優(yōu)化提供依據(jù)，方便了工程應(yīng)用。

1　研究對象

1.1　DCT變速器結(jié)構(gòu)

本文所研究的對象為江淮汽車自主開發(fā)的某款DCT變速器，其由2個(gè)彼此獨(dú)立的多片-濕式離合器組合而成。2個(gè)離合器由電液控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)其開啟與閉合。離合器K1連接1，3，5擋，K2連接2，4，6擋。原則上整車在運(yùn)動(dòng)過程中總有一個(gè)離合器處于力的傳遞鏈中，而另外一個(gè)離合器則已經(jīng)被切換到另一個(gè)擋位，但是離合器還處于開啟狀態(tài)。對離合器對應(yīng)的每個(gè)擋位，均配置了傳統(tǒng)的同步器和換擋裝置，各擋位傳動(dòng)比為15.978、9.337、5.997、4.413、3.469、2.655，R擋傳動(dòng)比13.092。某款DCT變速器原理圖和結(jié)構(gòu)剖視圖如圖2和圖3所示。

圖2　某款DCT變速器原理圖

圖3　某款DCT變速器結(jié)構(gòu)剖視圖

1.2　齒輪攪油損失

攪油損失[6]與浸油深度、旋轉(zhuǎn)零部件的數(shù)量及尺寸等因素息息相關(guān)。由于本文研究對象DCT變速器的結(jié)構(gòu)，主要的攪油損失來自差速器的主減從動(dòng)齒輪。齒輪攪油損失的數(shù)學(xué)模型[7]如下：

Pj=0.00143e-0.0082n/i。

(1)

式中：Pj為攪油功率損失， kW；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；i為某擋位下的變速器總速比。

為了降低差速器主減從動(dòng)齒輪的攪油損失，在差速器周圍增加擋油板，擋油板的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　擋油板結(jié)構(gòu)

1.3　DCT變速器油量和離合器主油壓

通過油位試驗(yàn)(最低油位試驗(yàn)、最高油位試驗(yàn)、油位油溫試驗(yàn)、不同擋位油位變化試驗(yàn))確定DCT變速器潤滑油用量。本文研究對象所用潤滑油用量為6.3 L。為了確認(rèn)潤滑油用量對傳動(dòng)效率的影響，對油量為6.0 L和5.7 L開展測試驗(yàn)證。油位試驗(yàn)如圖5所示。

圖5　油位試驗(yàn)

雙離合器式主油壓是根據(jù)離合器扭壓比特性和滑磨特性計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，本文研究對象最大輸入轉(zhuǎn)矩為200 Nm。

2　傳動(dòng)效率試驗(yàn)

2.1　試驗(yàn)臺(tái)架

圖6為傳動(dòng)效率試驗(yàn)臺(tái)架簡圖。傳動(dòng)效率計(jì)算公式[8]為

η=(T左·n左+T右·n右)/(T輸入·n輸入)。

(2)

式中：η為效率；T左為變速器左輸出端轉(zhuǎn)矩；T右為變速器右輸出端轉(zhuǎn)矩；T輸入為變速器輸入端轉(zhuǎn)矩；n左為變速器左輸出端轉(zhuǎn)速；n右為變速器右輸出端轉(zhuǎn)速；n輸入為變速器輸入端轉(zhuǎn)速。

2.2　試驗(yàn)方法

在加載臺(tái)架上安裝變速器，變速器安裝角度與整車安裝角度一致，連接變速箱與加載電機(jī)間傳動(dòng)軸；連接變速箱油溫控制系統(tǒng)，按要求加注潤滑油，確定油位；驅(qū)動(dòng)變速器，按表1中工況調(diào)整擋位、主油壓、離合器壓力、油溫、輸入轉(zhuǎn)速、輸入轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行傳動(dòng)效率試驗(yàn)。傳動(dòng)效率試驗(yàn)臺(tái)架簡圖如圖6所示。傳動(dòng)效率試驗(yàn)工況如表1所示。

1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)；2.輸入轉(zhuǎn)矩儀；3.被測變速器；4.輸出轉(zhuǎn)矩儀；5.負(fù)載電機(jī)；6.傳動(dòng)軸與聯(lián)軸器。

表1　傳動(dòng)效率試驗(yàn)工況

注：表中各參數(shù)為組合關(guān)系；R擋試驗(yàn)過程中輸入轉(zhuǎn)速最高取3 000 r/min。

實(shí)際傳動(dòng)效率試驗(yàn)溫度按60、80、90、100 ℃；輸入轉(zhuǎn)矩按最大轉(zhuǎn)矩的20%、40%、60%、80%、100%；輸入轉(zhuǎn)速按800/1 000/1 500/2 000/3 000/4 000/5 000/6 000 r/min。因?yàn)樽兯傧湔９ぷ鳒囟仍?90±5) ℃左右，同時(shí)參考企標(biāo)，選取溫度90 ℃，轉(zhuǎn)矩選取40 Nm和200 Nm兩種極限工況，選擇轉(zhuǎn)速800～3 000 r/min(常用轉(zhuǎn)速段低于3 000 r/min)，進(jìn)行以下方案的驗(yàn)證，具體方案見表2。

表2　傳動(dòng)效率試驗(yàn)方案

2.3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7是DCT變速器傳動(dòng)效率試驗(yàn)臺(tái)架的實(shí)物圖。按照2.2的試驗(yàn)方法和方案開展試驗(yàn)，記錄每個(gè)方案從1擋到6擋再到R擋的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。以溫度90 ℃、輸入轉(zhuǎn)矩40和200 Nm、擋位4擋、主油壓1.15 MPa為例，所采集的數(shù)據(jù)如表3所示。

按照傳動(dòng)效率計(jì)算公式得出各工況下的傳動(dòng)效率。江淮汽車企標(biāo)評價(jià)各擋位傳動(dòng)效率的工況定義為轉(zhuǎn)速3 000 r/min，油溫(90±5) ℃，轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩200 Nm時(shí)的穩(wěn)態(tài)效率。各擋穩(wěn)態(tài)傳動(dòng)效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

圖7　傳動(dòng)效率試驗(yàn)臺(tái)架

表3　傳動(dòng)效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3(續(xù))

表4　各擋穩(wěn)態(tài)傳動(dòng)效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：表3、表4中符號的含義與本文公式(2)中的含義一致。

將各工況下采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到各方案下的傳動(dòng)效率，如圖8—10所示。為了保證變量單一，拆除差速器擋油板后，多加0.05 L的潤滑油，以保證潤滑油在變速器中的油位一致，保證試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的一致性。

3　數(shù)據(jù)分析

3.1　離合器主油壓對傳動(dòng)效率的影響

由圖8可知，離合器主油路壓力較大，會(huì)降低變速器的傳動(dòng)效率，因此DCT變速器離合器主油路的壓力越小越好，離合器主油壓主要由油泵提供，油壓小，油泵負(fù)載就小，從而傳動(dòng)效率越高；但離合器油壓也不能過小，要保證離合器在變速器最大輸入轉(zhuǎn)矩下能夠完全貼合，需要最小的主油壓，該主油壓通過離合器的扭壓特性計(jì)算得出。

3.2　潤滑油量對傳動(dòng)效率的影響

由圖9可知，降低潤滑油用量，會(huì)提升變速器的傳動(dòng)效率。降低潤滑油用量，即減小差速器的攪油損失，潤滑油越少，攪油損失越小；但潤滑油用量是在極端工況下，為防止油泵吸空，根據(jù)油位試驗(yàn)所得，不能為了提升傳動(dòng)效率而減少太多潤滑油量。

圖8　不同離合器主油壓對應(yīng)傳動(dòng)效率對比

圖9　不同潤滑油量對應(yīng)傳動(dòng)效率對比

3.3　差速器擋油板對傳動(dòng)效率的影響

由圖10可知，安裝差速器擋油板會(huì)提高傳動(dòng)效率。差速器擋油板的結(jié)構(gòu)對傳動(dòng)效率影響較大，擋油板結(jié)構(gòu)若不合理，安裝反而會(huì)降低傳動(dòng)效率。主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不合理的擋油板會(huì)使差速器攪油阻力增大，因此差速器擋油板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須根據(jù)DCT變速器殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖10(a)中5擋顯示無擋油板效率反而高，對比圖10中其他各擋位數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)異常可能是由于試驗(yàn)過程中溫度變化或者轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起的。

圖10　有無擋油板對應(yīng)傳動(dòng)效率對比

4　結(jié)論

1)本文主要分析了離合器主油壓、潤滑油用量及差速器擋油板對DCT變速器傳動(dòng)效率的影響。離合器主油壓和潤滑油用量越小越有利于提高傳動(dòng)效率，但要根據(jù)離合器扭壓特性和DCT結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)；安裝擋油板是為了減小差速器周圍潤滑油用量，減小攪油損失，但前提是擋油板結(jié)構(gòu)合理。

2)通過試驗(yàn)手段驗(yàn)證了影響DCT變速器傳動(dòng)效率的部分因素，為傳動(dòng)效率提升提供了依據(jù)，對工程研究和應(yīng)用有重大參考意義。

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