wDCT液壓控制系統(tǒng)AMESim建模與分析

戴豐

上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心 上海 201805

1 前言

濕式雙離合器式自動變速器（wDCT）由電控單元發(fā)出控制信號，推動液壓執(zhí)行元件動作，能同時控制兩臺離合器的運作。換擋過程中兩個離合器配合使用，與當(dāng)前擋位相聯(lián)的離合器分離，同時，與目標(biāo)擋位相聯(lián)的離合器接合，在整個換擋期間能確保至少有一組齒輪在輸出動力。DCT能夠消除駕駛員換擋技術(shù)的差異、減輕駕駛強度、提高經(jīng)濟性和動力性、改進(jìn)舒適性和安全性，因此在自動變速領(lǐng)域具有強大的競爭力和廣闊的應(yīng)用前景。

液壓控制系統(tǒng)作為wDCT的關(guān)鍵子系統(tǒng)，通過泵源提供足夠流量的油液和壓力，實現(xiàn)擋位自動控制、離合器自動控制、冷卻與潤滑控制，主要分為主油路、冷卻潤滑油路、離合器控制油路、換擋油路四個部分。主油路實現(xiàn)主油路流量和壓力的控制，冷卻潤滑油路實現(xiàn)離合器冷卻潤滑、齒軸冷卻潤滑、液壓油本身冷卻，離合器控制油路實現(xiàn)對離合器的打開與關(guān)閉，換擋油路實現(xiàn)對擋位的控制。一個完善的液壓控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，仿真技術(shù)已被業(yè)界廣泛認(rèn)作液壓元件或系統(tǒng)設(shè)計階段的必要手段。因此，對液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析非常必要。

目前，對wDCT液壓控制系統(tǒng)的研究主要集中于雙離合器控制、電磁閥特性、邏輯閥特性等。秦大同等[1]建立了電控機械式自動變速器和雙離合器自動變速器的離合器起步統(tǒng)一動力學(xué)模型，實現(xiàn)了AMT 和DCT 統(tǒng)一的離合器最優(yōu)起步控制。鐘圓等[2]建立了濕式DCT離合器壓力控制系統(tǒng)模型，提出了DCT換擋過程中離合器壓力控制策略。張德明[3]建立了離合器油道特性模型、離合器油腔充油特性模型以及電液比例閥的數(shù)學(xué)模型，對油腔容積變化時對離合器管道特性的影響、管道直徑、油腔容積對充油時間的影響進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。朱波等[4]分析了液壓系統(tǒng)的直接控制電磁閥的結(jié)構(gòu)原理，并對其進(jìn)行分解建立了精確的系統(tǒng)模型。秦娜等[5]對其液壓控制系統(tǒng)中主要壓力控制滑閥進(jìn)行了建模仿真，闡述了控制參數(shù)對液壓系統(tǒng)的影響。

本文利用AMESim軟件對wDCT液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行整體建模與分析，利用試驗數(shù)據(jù)對仿真模型進(jìn)行驗證，得到了液壓控制系統(tǒng)的高精度仿真模型，對液壓控制系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)提供了建議和指導(dǎo)。

2 wDCT液壓控制系統(tǒng)建模

wDCT液壓控制系統(tǒng)通過壓力比例閥和流量比例閥的共同作用，實現(xiàn)快速和準(zhǔn)確的壓力控制和流量控制，某型wDCT液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 某型wDCT液壓控制系統(tǒng)原理圖

泵源系統(tǒng)應(yīng)用機械泵1和電子泵2組合而成的混合泵，機械泵持續(xù)工作，電子泵按需工作，減小機械泵體積的同時可滿足不同工況下的壓力和流量需求。通過wDCT控制單元(TCU)預(yù)先給定的壓力信號，利用壓力比例閥5控制主油路壓力，同時控制滑閥6閥芯向左移動，使油液進(jìn)入冷卻潤滑油路。通過滑閥9來控制整個系統(tǒng)中液壓油在潤滑和冷卻油路中的流量分配。通過壓力比例閥12控制奇數(shù)離合器的分離和接合，從而達(dá)到動力的傳遞和斷開，偶數(shù)離合器的控制方式也一樣。通過壓力比例閥13和流量比例閥14的串聯(lián)，實現(xiàn)換擋執(zhí)行器的動作。

閥體總成主要分為主油路、冷卻潤滑油路、離合器控制油路、換擋油路四個部分，各個部分的工作說明如下：

（1）主油路工作說明如下：

液壓油在油泵的作用下將流向主油路內(nèi)的主油路壓力控制閥，該閥可以通過控制主油路調(diào)壓滑閥閥芯移動控制主油路壓力，當(dāng)主油路壓力超過一定限度，將導(dǎo)致減壓閥打開適當(dāng)降低主油路壓力，保證主油路壓力不會過高；如果主油路調(diào)壓滑閥在高壓下打開過快，該滑閥會打開某通道使主油路釋放一部分油液到油泵的吸油口，這樣就限制了主油路中的最大壓力。減壓閥和主油路調(diào)壓滑閥共同控制著主油路壓力使得這個壓力不會過大也不會過小。

（2）冷卻潤滑油路工作說明如下：

主油路壓力建立起來之后，通過主油路調(diào)節(jié)滑閥的調(diào)節(jié)，油液流向冷卻潤滑油路。冷卻潤滑油路的油液分開兩路，一路通向離合器潤滑油路，一路通向帶有油冷器的冷卻油路。同時，冷卻潤滑油路上設(shè)置安全閥，防止該油路壓力過高。當(dāng)壓力過高時，安全閥打開，釋放一部分油液到油泵的吸油口。電磁閥推動離合器潤滑調(diào)節(jié)閥的閥芯，控制通向離合器潤滑油路的流量。油冷器的設(shè)置可以保證整個液壓系統(tǒng)的油液溫度不會過高。

（3）離合器控制油路工作說明如下：

離合器控制油路分為奇數(shù)油路和偶數(shù)油路，每個控制油路由壓力電磁閥、減震器、壓力傳感器組成，電磁閥控制壓力，減震器吸收壓力沖擊，壓力傳感器反饋壓力信號，組成一個離合器控制的閉合回路。兩個控制油路相對獨立，當(dāng)一個控制油路有故障的時候，另一個控制油路仍可以正常工作而不受影響。

（4）換擋油路工作說明如下：

通過壓力比例閥和流量比例閥的串聯(lián)，給換擋執(zhí)行器提供壓力和流量，從而推動換擋活塞動作。通過組合共有8種工作狀態(tài)，奇數(shù)擋位和偶數(shù)擋位互為分開，最多可對應(yīng)7個前進(jìn)擋和1個后退擋。

此外，還包含一些輔助部分，主要包括由油泵組成的泵源部分，吸濾器、壓濾器等組成的過濾部分，以及供給齒軸飛濺潤滑的部分等等。

比例電磁閥作為整個系統(tǒng)的核心零部件，起著關(guān)鍵作用，比例閥模型的準(zhǔn)確與否，直接影響到整個系統(tǒng)的仿真精度。比例閥是電磁閥內(nèi)比例電磁鐵輸入電壓信號產(chǎn)生相應(yīng)動作，使閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變并以此完成與輸入電壓成比例壓力、流量輸出的元件，閥芯位移以機械、液壓或電等形式進(jìn)行反饋。DCT液壓控制系統(tǒng)中常見比例閥分為開關(guān)閥、壓力比例閥、流量比例閥三種，其中壓力比例閥又可細(xì)分為常高型（NH）和常低型（NL）。比例閥主要由電磁部分和閥芯部分組成，電磁部分產(chǎn)生電磁力，推動閥芯動作。電磁力由輸入電流和閥芯位移決定，這部分主要根據(jù)試驗數(shù)據(jù)生成一張三維查詢表供建模時使用。試驗結(jié)果顯示，電磁力與電流和閥芯位移的關(guān)系如下：電磁力隨著電流增大而增大，同時隨著閥芯位移的增大而減小。

圖2 主油路壓力曲線仿真與試驗數(shù)據(jù)對比

壓力比例閥和流量比例閥的電磁部分相同，但閥芯部分結(jié)構(gòu)區(qū)別較大，根據(jù)閥芯部分的具體結(jié)構(gòu)，分別針對NH、NL壓力比例閥及流量比例閥，利用AMESim進(jìn)行建模。由NH、NL壓力比例閥PI曲線、流量比例閥QI仿真與試驗數(shù)據(jù)對比可以得到，仿真曲線與試驗曲線重合度較高，比例閥仿真模型精度較高。以比例電磁閥模型為基礎(chǔ)，同時通過對各個滑閥的建模，共同組成wDCT液壓控制系統(tǒng)模型?；谝簤嚎刂葡到y(tǒng)模型，仿真得到的主油路壓力與主油路比例閥的控制電流之間的關(guān)系曲線，同時與試驗數(shù)據(jù)做比較，如圖2所示。由圖可知，兩者曲線趨勢一致，對比曲線重合度較高，進(jìn)一步驗證液壓控制系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性。

圖3 怠速工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速與油泵流量曲線

3 wDCT液壓控制系統(tǒng)工況仿真分析

以建立的wDCT液壓控制系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行液壓控制系統(tǒng)工況仿真分析。以發(fā)動機啟動怠速工況為例，仿真條件如下：油溫為90℃，主油路比例閥控制電流為0.8A，潤滑油路比例閥控制電流為0A，整個過程中無換擋動作和離合器動作，發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線以及得到的油泵出口流量曲線如圖3所示，仿真時發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線與發(fā)動機啟動時的實際曲線一致。此工況下主油路壓力動態(tài)曲線，以及冷卻與潤滑油路流量的分配關(guān)系如圖4所示。

圖4 怠速工況下主油路壓力與冷卻潤滑流量分配關(guān)系

主油路壓力到達(dá)穩(wěn)定值后，離合器油路和油冷器油路的冷卻潤滑流量曲線趨勢一致，穩(wěn)定值的比值約為1.45，與實際測量比值1.46基本一致，進(jìn)一步驗證了整個模型的準(zhǔn)確度。冷卻潤滑油路的流量比值對整個系統(tǒng)的流量分配、泵源選型有著非常重要的作用。

4 結(jié)論

本文以比例閥模型為基礎(chǔ)，對wDCT液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行整體建模與分析，得到如下結(jié)論：

（1）通過與試驗數(shù)據(jù)比較，得到了高精度的比例閥模型和wDCT液壓控制系統(tǒng)模型。

（2）以wDCT液壓控制系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行工況仿真分析，得到了離合器油路和油冷器油路的冷卻潤滑流量比值，該比值對整個系統(tǒng)的流量分配、泵源選型有著非常重要的作用。

（3）高精度的wDCT液壓控制系統(tǒng)模型，為液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。