濕式雙離合器自動變速器應用匹配技術

陳 飛， 張魁榜， 方志勤， 崔 剛

(1.江淮汽車股份有限公司技術中心變速箱研究院，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學機械工程學院，安徽 合肥 230009)

雙離合器自動變速器(DCT，dual clutch transmission)由于其生產(chǎn)成本低、傳動效率高、結構簡單、傳遞動力不中斷及燃油經(jīng)濟性好等優(yōu)點被廣泛使用，市場份額逐漸增加，2020年達到接近400萬輛的市場規(guī)模[1-4]，如圖1所示。

圖1 2020年變速器銷量(萬輛)與市場份額預測

國內外學者就DCT變速器控制系統(tǒng)、起步控制、離合器滑模、換擋品質等做了大量研究。文獻[5]對目前DCT控制系統(tǒng)的幾個關鍵技術做了分析和總結，主要是起步控制技術的發(fā)展現(xiàn)狀、優(yōu)化方法，完善智能換擋體系和改善換擋品質的方法，硬件在環(huán)仿真技術應用于DCT控制系統(tǒng)。文獻[6—7]主要對換擋規(guī)律和換擋品質進行了深入研究，文獻[6]搭建了精確的發(fā)動機動態(tài)模型，在此基礎上提出的三參數(shù)換擋規(guī)律具有較好的經(jīng)濟性和動力性。文獻[7]將換擋過程分為5個階段，定性分析了離合器壓力變化對換擋品質的影響。文獻[8—9]基于駕駛員經(jīng)驗數(shù)據(jù)建立起步過程中的模糊規(guī)則，從而實現(xiàn)離合器的模糊起步控制。但就DCT變速器硬件匹配、性能匹配和電氣匹配方面的綜合研究甚少，本文基于江淮自主研發(fā)的某款濕式DCT變速器，提出DCT變速器應用匹配的原則，同時闡述DCT變速器在應用過程中與發(fā)動機、傳動軸、冷卻系統(tǒng)及操縱機構等的匹配過程、方法和要求，為DCT變速器在產(chǎn)品匹配開發(fā)過程提供理論依據(jù)和指導，方便工程應用。

1 研究對象

1.1 DCT變速器結構

圖2是江淮汽車某款濕式DCT變速器示意圖，其采用兩組彼此獨立的多片-濕式離合器組合、內外嵌套的雙輸入軸、雙輸出軸、水冷方式、獨立外掛的變速箱控制單元(transmission control unit，TCU)。

圖2 某款DCT變速器示意圖

1.2 DCT變速器主要技術參數(shù)

本文研究的濕式DCT變速器的部分技術參數(shù)如表1所示。

2 匹配原則

表1 部分技術參數(shù)

首先應根據(jù)整車性能、傳動系參數(shù)和尺寸要求，選擇合適性能參數(shù)和外形尺寸的變速箱，然后通過計算、仿真、試驗等手段來估計和驗證整車性能，最終使變速箱在整車中布置合理，與整車、發(fā)動機等系統(tǒng)各接口尺寸匹配合理，使整車具有最優(yōu)或滿足設計要求的性能。

在滿足整車布置和性能要求的基礎上，變速箱盡可能選用現(xiàn)有產(chǎn)品，若現(xiàn)有產(chǎn)品無法滿足匹配要求，可以對現(xiàn)有產(chǎn)品進行優(yōu)化，以到達通用化設計，縮減開發(fā)成本。

基于以上考慮，提出DCT變速箱在應用匹配過程中的幾點匹配原則，具體如下：

1)保證變速箱的邊界與整車零部件周邊間隙合理，特殊要求的邊界做具體分析。

2)滿足整車性能目標要求[10]。該原則主要是保證滿足整車的動力性和經(jīng)濟性，DCT變速器可以通過速比調整(一般調整主減速比)適當?shù)靥嵘噭恿π曰蛘呓?jīng)濟性。

3)滿足相關法規(guī)要求[10](排放政策、kw/t數(shù)規(guī)定)。

4)保證足夠的最小離地間隙，一般動力總成不應低于副車架下表面。

5)DCT軟硬件盡最大可能通用化設計。

關于匹配原則的說明。

原則1、5都是基于項目開發(fā)經(jīng)驗總結。

合理間隙一般靜態(tài)間隙為10 mm，動態(tài)間隙為20 mm，特殊要求的邊界比如DCT變速器某零部件與發(fā)動機催化器的間隙，滿足普通間隙的基礎上還要滿足熱害要求。

最小的離地間隙在以前國標GB/T 3730中是有規(guī)定的，一般為150 mm左右?，F(xiàn)在雖然取消了這項硬性規(guī)定，但車企依然非常重視這一指標。

好的產(chǎn)品一定是滿足市場需求，本文提出動力總成不低于副車架下表面為最小離地間隙的極限，是為了避免動力總成的磕碰。

3 硬件匹配

硬件匹配主要闡述DCT變速箱匹配整車、發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等過程中與變速箱安裝、運行密切相關的各系統(tǒng)接口參數(shù)或匹配設計要求。

3.1 整車

DCT變速箱與整車的匹配主要關注以下幾點：

1)DCT變速箱在整車發(fā)艙中的布置，即安裝姿態(tài)(位置和角度)；

2)DCT變速箱與周圍零部件的間隙檢查確認；

3)TCU布置、DCT變速箱外部控制線束布置；

4)DCT變速箱在發(fā)艙中的拆裝維修方便性；

5)DCT變速箱在發(fā)艙中的熱害要求、耐腐蝕要求和涉水要求。

3.2 發(fā)動機

DCT變速箱與發(fā)動機的硬件匹配主要關注兩部分：離合器與雙質量飛輪(Dual mass flywheel，DMF)的匹配，DCT變速箱法蘭面與發(fā)動機法蘭面(簡稱發(fā)變面)的匹配。

圖3是離合器與DMF匹配示意和發(fā)動機法蘭端面。法蘭端面的序號是發(fā)動機與變速箱的連接孔，其中：序號6和序號10為定位銷孔，螺栓從發(fā)動機側安裝；序號1、2、3為螺紋孔，螺栓從變速箱側安裝；序號4、5、7、8、9為光孔，其中序號4、5兩孔需安裝起動機，螺栓從變速箱側安裝，序號7、8、9孔位的螺栓從發(fā)動機側安裝。

圖3 發(fā)動機硬件相關接口

離合器和DMF通過花鍵剛性連接，要保證離合器花鍵和DMF花鍵的有效連接長度。如圖2所示，DMF最大外徑與離殼體飛輪腔最大外徑也要保證3 mm以上間隙。

變速箱與發(fā)動機連接面的匹配根據(jù)發(fā)動機缸體圖紙、定位銷圖紙設計變速箱法蘭端面，其次是法蘭面連接螺栓的規(guī)格，通過CAE分析保證強度和可靠性等要求。

雙質量飛輪的性能對DCT變速箱的敲齒、異響有很大影響，DCT變速箱對DMF的性能指標主要要求是發(fā)動機全轉速段輸出至變速箱角加速度值。格特拉克的DCT變速箱在匹配DMF時限定發(fā)動機全轉速段輸出至變速箱角加速度值小于500 rad/s2；里卡多在DCT變速箱工程應用中也限定此值小于500 rad/s2；長城汽車搭載DCT變速箱匹配的DMF限定此值小于400 rad/s2。發(fā)動機全轉速段輸出至變速箱角加速度具體值還要根據(jù)整車的NVH性能測試結果。

3.3 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)主要是從發(fā)動機曲軸輸出端，經(jīng)變速箱，到傳動軸和輪胎，本文研究的傳動系統(tǒng)僅關注變速箱與傳動軸之間的匹配。

DCT變速箱與傳動軸的匹配重點關注差速器、油封與傳動軸的匹配設計。根據(jù)變速箱最大輸入轉矩、差速器相關參數(shù)、油封邊界尺寸和匹配要求開展傳動軸的設計匹配。圖4為傳動軸與差速器、油封匹配示意圖。表2為某款DCT的油封使用匹配要求。

3.4 冷卻系統(tǒng)

DCT變速箱的冷卻要求涉及變速箱的傳動效率、換擋策略和發(fā)動機的暖機要求。變速箱過低的油溫使變速箱傳動效率低下，換擋遲緩，導致車輛油

圖4 傳動軸與差速器、油封匹配示意圖

表2 油封使用匹配要求

耗增加；過高的油溫會使機械部件潤滑不良、磨損嚴重，影響使用壽命：因此，DCT變速箱的冷卻至關重要。一般濕式DCT變速箱多采用水冷方式，并將DCT變速箱的冷卻回路布置在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)回路的旁通回路中。目前主流的布置基本是與發(fā)動機暖風并聯(lián)，也可與發(fā)動機暖風串聯(lián)，甚至與散熱器并聯(lián)。

DCT變速箱的冷卻是靠油冷器(如圖2所示)與發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的匹配完成的，本文研究對象油冷器布置在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)空調暖風芯子回路中，其原理如圖5所示。

硬件匹配主要關注DCT變速箱油冷器與發(fā)動機暖風之間的管路接口參數(shù)和管路的布置。匹配要求主要是油冷器的冷卻能力、進水溫度、節(jié)溫器的開啟溫度等。

1．缸體水套；2.缸蓋水套；3.水泵；4.發(fā)動機機油冷卻器；5.節(jié)流閥 ；

3.5 操縱機構

傳統(tǒng)換擋手柄通過拉絲與DCT變速箱的駐車機構相連，如圖6所示。在手柄設計過程中需保證換擋手柄移動行程與駐車拉索轉動行程相匹配，即圖6中換擋手柄的PRNDS各擋行程與拉索球的PRNDS各擋行程匹配。同時考慮拉絲在整車中的布置。

換擋手柄與駐車機構的匹配主要關注拉索球進出P擋力，各擋位下拉索球到拉絲支架的距離，以及換擋手柄進出P擋力。

駐車機構的技術要求如下：

1)駐車機構功能實現(xiàn)時，需限定車速范圍，如車速小于5 km/h時才允許駐車實現(xiàn)。

2)整車掛P擋后，需限定車輛溜動距離。

3)滿載車輛可僅靠駐車機構停在30%坡道上，具體坡度值不同主機廠可能要求不同。

4)水平路面和極限工況下限定進出P擋換擋力，保護駐車機構和人車安全。

3.6 懸置系統(tǒng)

懸置系統(tǒng)匹配主要定義DCT變速箱與整車連接懸置部分的參數(shù)和接口形式，其由整車負責開發(fā)設計，需要變速箱提供質心、轉動慣量及安裝孔位關系等信息，安裝孔位關系包括安裝孔數(shù)量、孔的相對分布位置、安裝孔螺紋規(guī)格。懸置系統(tǒng)一般有3點支撐或4點支撐，其直接影響整車NVH性能，對整車品質有較大影響，需通過CAE仿真分析和試驗驗證等手段確認懸置系統(tǒng)的合理匹配。

圖6 駐車-換擋拉絲-換擋手柄連接示意圖

4 性能匹配

性能匹配主要是匹配的DCT變速箱能夠滿足整車動力性和經(jīng)濟性要求。變速箱可以通過調整速比，為了盡量通用化，一般調整主減速比來提升整車的動力性或者經(jīng)濟性。

產(chǎn)品開發(fā)前期通過軟件仿真(如cruise軟件)，計算整車動力性和經(jīng)濟性。需要整車相關參數(shù)、發(fā)動機相關參數(shù)和變速箱參數(shù)，如整車整備質量、滿載質量、軸距、滑行阻力、發(fā)動機油耗特性數(shù)據(jù)、全油門轉矩特性數(shù)據(jù)、變速箱擋位速比、變速箱效率等。

將仿真計算結果、性能開發(fā)目標進行對比分析，如滿足動力性和經(jīng)濟性目標要求，后期進行整車試驗驗證。如不能滿足目標要求，則需要整車實施節(jié)油措施進行優(yōu)化，如發(fā)動機啟停技術、智能發(fā)電機、電子節(jié)溫器，或者變速箱調整主減速比、優(yōu)化換擋規(guī)律[11-13]，也可通過整車標定進行優(yōu)化。

5 電氣匹配

DCT變速箱軟件與整車電氣的匹配主要視整車配置要求和CAN(controller area network，控制器局域網(wǎng)絡)信號列表定義而定，整車配置和DCT變速箱軟件開發(fā)工作相關的部分配置如表3所示。

表3 DCT軟件開發(fā)功能對應的部分配置表

注：—代表不配備；○代表開發(fā)預留，可選配；●代表裝配

如根據(jù)動力總成類型，TCU會把變速箱類型(如0代表MT；1代表AT；2代表DCT等)發(fā)送到CAN總線上，同理EMS(engine management system，發(fā)動機管理系統(tǒng))會把發(fā)動機類型(如0代表1.2TGDI；1代表1.6DVVT；2代表2.0VVT等)發(fā)送到CAN總線上，供其他控制模塊使用；根據(jù)擋位顯示，TCU會把當前占用擋位(如1代表1擋；2代表2擋等)發(fā)到CAN總線上，供ICM接收在儀表上顯示當前擋位。

DCT變速箱軟件在滿足通信協(xié)議和診斷協(xié)議的基礎上，實現(xiàn)與EMS、ESP(electronic stability program，車身電子穩(wěn)定系統(tǒng))、ICM(Instrument control module，組合儀表)等模塊的通信和功能要求。其次DCT變速箱軟件對EMS的控制精度有一定的要求，主要從怠速控制、轉速控制和轉矩響應3個方面進行要求，比如發(fā)動機轉矩增加動態(tài)響應(如圖7所示)的要求如下：當發(fā)動機輸出轉矩小于100 Nm，響應時間Tt小于40 ms時，轉矩誤差E在±5 Nm范圍內；大于100 Nm，響應時間Tt小于40 ms時，E為(±5%×Tq)Nm。

圖7 發(fā)動機轉矩增加動態(tài)響應要求

6 結論

1)本文提出了DCT變速器在實際應用過程中的匹配原則，在遵循匹配原則的基礎上，明確了DCT變速器匹配整車、發(fā)動機等系統(tǒng)的接口和匹配要求，對性能匹配、電氣系統(tǒng)匹配所需參數(shù)和過程作了簡要說明。

2)從硬件匹配、性能匹配和電氣匹配3個方面出發(fā)，能夠在產(chǎn)品開發(fā)初期全面且系統(tǒng)地完成DCT變速器的匹配工作。

3)本文對DCT變速器的實際應用匹配提供了理論依據(jù)和支持，對DCT變速器在產(chǎn)品開發(fā)和后期匹配應用過程中具有重大借鑒意義。