基于DCT車輛大扭矩動力降擋熱負(fù)荷問題的標(biāo)定研究

張學(xué)鋒 楊云波 王昊 武斐 董宇

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，長春 130011）

主題詞：雙離合自動變速器 動力降擋 熱負(fù)荷 標(biāo)定

1 前言

雙離合器式自動變速器（Dual Clutch Transmission,DCT）在換擋過程中不存在動力中斷，換擋迅速平穩(wěn)，不僅保證了車輛的加速性，而且很大程度地改善了車輛的舒適性、經(jīng)濟(jì)性，可適用于各種排量的汽車，已經(jīng)成為自動變速器發(fā)展的新趨勢[1-2]。

在車輛實(shí)際行駛過程中，駕駛員為滿足急加速或超車的工況需求，通常會進(jìn)行大油門或全油門操作，此時(shí)為了提升車輛的加速能力變速器會進(jìn)行動力降擋，由于此時(shí)離合器傳遞扭矩較大，降擋過程中離合器表面的熱負(fù)荷會迅速增大，一方面會出現(xiàn)離合器表面溫度超溫報(bào)警問題，另一方面會加快摩擦片磨損從而嚴(yán)重影響離合器的使用壽命。

影響耕地變化的因子錯(cuò)綜復(fù)雜，歸納起來有社會經(jīng)濟(jì)和自然因素方面。從對耕地?cái)?shù)量的影響來看，又分為增加耕地的因素 (如開墾)和減耕地的因素 (城市化、基本建設(shè)、退耕還林)兩種[4]。這些因素不僅與因變量之間存在著相關(guān)關(guān)系，而且相互之間存在耦合關(guān)聯(lián)。如果單純的相關(guān)分析，必然存在一定的差冗余，從錢塘江流域耕地變化的實(shí)際情況看，人類活動是主要影響因素，因此本文主要分析社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力對耕地變化的影響。

針對DCT車輛大扭矩動力降擋工況，本文分析了換擋過程及離合器表面熱負(fù)荷產(chǎn)生的原因，并對換擋過程的滑摩功進(jìn)行了計(jì)算，通過標(biāo)定手段對滑摩功的產(chǎn)生進(jìn)行有效控制，在不影響駕駛性能的情況下將離合器表面的升溫控制在了合理范圍內(nèi)。

2 大扭矩動力降擋熱負(fù)荷分析

2.1 基于雙參數(shù)換擋規(guī)律的動力降檔

換擋規(guī)律通常分為單參數(shù)、雙參數(shù)、三參數(shù)3種，單參數(shù)換擋規(guī)律只與車速相關(guān)，不能很好地反映駕駛員意圖，已不使用；三參數(shù)換擋規(guī)律由于考慮到加速度因素，實(shí)際運(yùn)用存在一定困難，故目前多采用雙參數(shù)換擋規(guī)律[3]。在車輛行駛過程中，駕駛員準(zhǔn)備超車或急加速時(shí)會進(jìn)行大油門或全油門操作，根據(jù)設(shè)定的雙參數(shù)換擋規(guī)律（圖1），油門踏板從a點(diǎn)至b點(diǎn)或從c點(diǎn)至d點(diǎn)，變速器將執(zhí)行6降3或7降4等大扭矩動力降擋動作。

圖1 大油門動力降檔示意

2.2 大扭矩動力降擋各過程分析

DCT傳動原理見圖2，該系統(tǒng)由7個(gè)前進(jìn)擋和1個(gè)倒擋組成，在換擋過程中奇、偶數(shù)離合器扭矩進(jìn)行交換。

圖2 DCT傳動原理

在車輛行駛過程中進(jìn)行大油門加速時(shí)，如果控制器發(fā)出的目標(biāo)擋位是3擋，由于當(dāng)前擋位為6擋并且預(yù)掛了7擋，那么變速器會進(jìn)行摘7擋掛3擋的動作，掛3擋成功后進(jìn)行3擋離合器充油，充油結(jié)束后進(jìn)入調(diào)速等待階段，慣性相結(jié)束后進(jìn)入扭矩相階段，在此階段6擋離合器的分離和3擋離合器的結(jié)合是同時(shí)進(jìn)行的，這樣就保證了發(fā)動機(jī)輸出的動力沒有中斷，在設(shè)定的時(shí)間里完成扭矩交換，換擋過程結(jié)束[4]。為便于分析，將DCT動力降擋過程簡化為如圖3所示。

裝載DCT的車輛在動力降擋過程要經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：

將f(x)的具體表達(dá)式代入φ2,并利用φ和φ′在x=-b(或x=b)處的連續(xù)性,確定各個(gè)參數(shù),并得到最終φ(x,z)的解,由ψ(x,z)=(z-φ(x,z))U,可求出受地形影響后大氣運(yùn)動流函數(shù)的值并繪出流線。在下節(jié)將給出一個(gè)具體的例子。

a.變速器高擋運(yùn)行階段。該階段車輛穩(wěn)定運(yùn)行，6擋離合器接合，3擋離合器分離，此時(shí)3擋、6擋離合器傳遞轉(zhuǎn)矩為：

變速器輸出扭矩To為：

式中，μ為摩擦片摩擦因數(shù)；F2為偶數(shù)離合器彈簧壓緊力；Z2為偶數(shù)離合器摩擦片摩擦面數(shù)；R20、R21分別為偶數(shù)離合器摩擦片外徑和內(nèi)徑。

用于電力系統(tǒng)動態(tài)狀態(tài)估計(jì)的改進(jìn)魯棒無跡卡爾曼濾波算法//曲正偉,董一兵,王云靜,陳亮//(10):87

b.慣性相階段。該階段6擋離合器持續(xù)傳遞扭矩，3擋離合器分開，此時(shí)3擋、6擋離合器傳遞轉(zhuǎn)矩為：

式中，Tc1為奇數(shù)離合器傳遞扭矩；Tc2為偶數(shù)離合器傳遞扭矩；i6為6擋傳遞速比；Te為發(fā)動機(jī)扭矩。

a. 增大摘、掛擋力，縮短摘、掛擋時(shí)間。根據(jù)式（10），在滿足NVH及硬件可靠性的情況下，適當(dāng)增大摘、掛擋力，縮短摘、掛擋時(shí)間可縮短時(shí)間t1-t2，進(jìn)而減小滑摩功的產(chǎn)生。

圖3 DCT動力降擋過程

變速器輸出扭矩To為：

c.扭矩相階段。該階段6擋離合器開始分離，3擋離合器開始接合，此時(shí)傳遞的轉(zhuǎn)矩已經(jīng)開始重新分配，3擋、6擋離合器傳遞轉(zhuǎn)矩為：

譯 文 ：We willcontinue to strengthen the Party’s ability to purify itself,and forever maintain its close ties with the people.

1994年分稅制改革后，我國對中央和地方政府事權(quán)進(jìn)行了粗線條劃分，中央和地方政府各自獨(dú)立的事權(quán)劃分不清晰，共同事權(quán)比較多，但其中的界限又不很清楚。一個(gè)較具說服力的例子是中央政府公務(wù)員占全國公務(wù)員人數(shù)的6%左右，若考慮同口徑下把公立學(xué)校的教師納入公務(wù)員統(tǒng)計(jì)人數(shù)的話，這一比例可能在4%以下。而在可比的其他大國，這一比例大都在30%以上①。從這個(gè)數(shù)字可以看出，中央政府大多數(shù)的事權(quán)和支出責(zé)任由中央層層下放給地方。由于政府間事權(quán)和支出責(zé)任劃分模糊，共同事務(wù)不斷增多，最終導(dǎo)致支出體系的混亂。

式中，F(xiàn)1為奇數(shù)離合器彈簧壓緊力；Z1為奇數(shù)離合器摩擦片摩擦面數(shù)；R10、R11分別為奇數(shù)離合器摩擦片外徑和內(nèi)徑。

b.縮短目標(biāo)擋位充油時(shí)間。充裕的充油時(shí)間可保證離合器油腔徹底充油及后續(xù)油壓響應(yīng)，但在一定程度上會影響換擋時(shí)間而增加滑摩時(shí)間，因此需優(yōu)化各充油參數(shù)，在滿足充油需求情況下盡可能縮短充油時(shí)間。

d.變速器低擋運(yùn)行階段。該階段車輛重新達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，3擋離合器接合，6擋離合器處于分離狀態(tài)，此時(shí)3擋、6擋離合器傳遞轉(zhuǎn)矩為：

變速器輸出扭矩To為：

式中，i3為3擋傳遞速比。

2.3 大扭矩動力降擋階段的熱平衡及影響因素

在離合器接合過程中，濕式離合器摩擦表面滑摩發(fā)熱，滑摩產(chǎn)生的熱量可由滑摩功計(jì)算，滑摩功是離合器熱負(fù)荷計(jì)算的基礎(chǔ)。在動力降擋各階段下，當(dāng)大油門動力6擋降3擋時(shí)，6擋偶數(shù)離合器產(chǎn)生的滑摩功為：

式中，Tc2為6擋離合器傳遞扭矩；t1為動力降擋調(diào)速開始時(shí)刻；t2為摘、掛擋結(jié)束時(shí)刻；t3為3擋充油結(jié)束時(shí)刻；t4為調(diào)速結(jié)束時(shí)刻；t5為扭矩交換結(jié)束時(shí)刻；ne為發(fā)動機(jī)角速度；w2為6擋離合器角速度。

鐵皮石斛是我國傳統(tǒng)的名貴中藥材，富含多糖、氨基酸、生物堿等活性成分，具有消炎祛熱，養(yǎng)陰生津，補(bǔ)益脾胃的功效。我校生命科學(xué)體驗(yàn)館植物組織培養(yǎng)室育有大量的鐵皮石斛苗，作為學(xué)生拓展課植物組織培養(yǎng)的材料。學(xué)生在撰寫植物組培實(shí)驗(yàn)報(bào)告查找資料的過程中，發(fā)現(xiàn)了大量有關(guān)鐵皮石斛藥用價(jià)值的記載。在商業(yè)廣告宣傳盛行的社會環(huán)境下，學(xué)生提出質(zhì)疑：鐵皮石斛提高人體免疫力的功效有多少可信度？能否通過設(shè)計(jì)一些簡單的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證？在這些問題的驅(qū)動下，師生共同開展了如下探究活動。

糖尿病為臨床常見慢性代謝疾病類型，肺炎為糖尿病發(fā)生率最高的并發(fā)癥類型，通過實(shí)施接種肺炎疫苗，可以有效“防御”肺炎疾病。但是目前階段的糖尿病患者實(shí)際接種肺炎疫苗情況不理想[1]。該次研究2016年1月—2017年12月工作旨在探討1 000例糖尿病患者接種肺炎疫苗的影響因素分析?，F(xiàn)報(bào)道如下。

離合器冷卻油單位時(shí)間從摩擦片上帶走的熱量計(jì)算式為[6]：

前段時(shí)間有個(gè)朋友說：“我不能上環(huán)，老公又不愿意戴套，已經(jīng)流產(chǎn)9次了，怎么辦啊？”“那可以吃避孕藥啊。”“??？避孕藥？那多傷身體啊!”流產(chǎn)9次不傷身體？吃避孕藥反倒傷身體？看來大家對避孕藥的誤會很深??！

根據(jù)對知識和技術(shù)推動經(jīng)濟(jì)增長的作用視角的不同，經(jīng)濟(jì)增長模型主要有三大類：哈羅德中性型、希克斯中性型和索洛中性型（包玉香，2012）。由于本文研究的是老齡化對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響，選用哈羅德中性的新古典經(jīng)濟(jì)增長模型，即Y=Kα(AL)β，其中α+β=1。該模型中主要包括四個(gè)變量：產(chǎn)量Y、資本K、知識或技術(shù)A和勞動L，考慮到時(shí)間因素t，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的生產(chǎn)函數(shù)可表示為：

由式（11）可知，冷卻油進(jìn)、出口溫度與當(dāng)時(shí)系統(tǒng)熱負(fù)荷相關(guān)，且冷卻油熱容量是其特定屬性，通過增大單位時(shí)間內(nèi)的冷卻液流量是提高冷卻效率的主要途徑。但是冷卻流量過大會影響摘、掛擋速度，進(jìn)而影響換擋過程，所以在設(shè)定最大允許流量的情況下，只能通過減小滑摩功的途徑解決大扭矩動力降擋的熱負(fù)荷問題。

由式（10）可知，滑摩功由摘、掛擋時(shí)間、充油時(shí)間、調(diào)速等待時(shí)間、扭矩交換時(shí)間及在此時(shí)間內(nèi)傳遞的扭矩和滑摩差共同決定，所以若要減小滑摩功，應(yīng)從換擋各階段的時(shí)間、滑摩差和離合器傳遞扭矩等方面進(jìn)行優(yōu)化。然而濕式離合器摩擦片熱容量較小，瞬時(shí)較大的滑摩功會導(dǎo)致離合器摩擦片溫度迅速上升，濕式雙離合器的主要散熱方式是冷卻油散熱，如果冷卻油無法及時(shí)將熱量帶走，摩擦片會由于溫度過高而導(dǎo)致摩擦材料燒蝕。保證離合器溫度平衡的基本條件是離合器發(fā)熱過程與散熱過程之間的平衡[5]。

3 大扭矩動力降擋標(biāo)定方案

在大扭矩動力降擋過程中，決定離合器熱負(fù)荷的滑摩功主要取決于離合器傳遞的扭矩、離合器主從動盤的轉(zhuǎn)速差及滑摩時(shí)間，因此在保證駕駛性的前提下，應(yīng)盡快控制離合器的動作以縮短滑摩時(shí)間，從而降低離合器滑摩功和熱負(fù)荷[7-8]。由于大扭矩動力降擋過程中傳遞扭矩不能改變，所以若減小滑摩功就應(yīng)從縮短滑摩時(shí)間、減小滑摩差和增大冷卻流量等方面入手。

聲吶分辨力是指在多目標(biāo)環(huán)境下對相鄰2個(gè)目標(biāo)的最小可分辨能力，一般按照目標(biāo)的方位、距離、速度和加速度等參數(shù)來分辨，其中距離分辨力和速度分辨力僅取決于信號的形式及其參數(shù)。在采用匹配濾波的條件下，模糊函數(shù)是與目標(biāo)距離和速度有關(guān)的信號回波通過匹配濾波器之后的輸出[2]，可用來衡量信號對具有不同距離和不同速度的2個(gè)目標(biāo)的分辨能力。當(dāng)目標(biāo)相對靜止時(shí)，回波信號僅體現(xiàn)出時(shí)間延遲和衰減;當(dāng)目標(biāo)相對運(yùn)動時(shí)，回波信號還會產(chǎn)生多普勒頻移和時(shí)間上的壓縮或展寬。

變速器輸出扭矩To為：

式中，QL為冷卻油經(jīng)摩擦片帶走的熱量；tin為冷卻油進(jìn)入離合器前溫度；tout為冷卻油從離合器甩出后溫度；τ為摩擦副冷卻時(shí)間；qL為單位時(shí)間單個(gè)摩擦副的冷卻油量；CLγL為單位體積內(nèi)冷卻液的熱容量。

c.調(diào)整整個(gè)調(diào)速過程時(shí)間。調(diào)整6擋降3擋的調(diào)速時(shí)間，使摘掛擋時(shí)間、充油時(shí)間和調(diào)速時(shí)間相匹配，這樣不但可將調(diào)速時(shí)間t1-t4縮短，又可消除調(diào)速等待階段時(shí)間t3-t4。

d.調(diào)整調(diào)速過程發(fā)動機(jī)調(diào)速曲線。如果如圖3中實(shí)線①所示，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速先上升較快再較慢上升時(shí)，會加大發(fā)動機(jī)與離合器之間的速差，增加滑摩功的產(chǎn)生。若在調(diào)速過程中發(fā)動機(jī)控制轉(zhuǎn)速歷程盡可能均勻變化，如圖3中虛線②所示，則能減小偶數(shù)離合器和發(fā)動機(jī)的速差，減小滑摩功。

e.減小扭矩交換時(shí)間，從而減小滑摩時(shí)間。由圖3、式（10）可知，在大扭矩6擋降3擋過程中，偶數(shù)離合器產(chǎn)生的滑摩功更大，更易超溫，如果減小扭矩交換時(shí)間，使偶數(shù)離合器更快卸載，既可減少滑摩時(shí)間又可減小產(chǎn)生滑摩的負(fù)載，可有效減少滑摩功的產(chǎn)生。

f.增大換擋過程中離合器冷卻流量。在摘、掛擋時(shí)，若冷卻流量過大，冷卻油的拖拽作用會造成摘、掛擋困難。為保證最佳冷卻效果，可在摘、掛擋時(shí)將冷卻流量減小，掛擋結(jié)束后再以最大流量進(jìn)行冷卻。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證所提出標(biāo)定策略的可行性，以某搭載DCT變速器的混合動力車輛為對象進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。該車動力總成主要參數(shù)如表1所列。試驗(yàn)時(shí)使用同一車輛（滿載）、同一駕駛員、在同一路面上行駛，車輛行駛至較高油溫（約為100℃）時(shí)，分別利用新標(biāo)定策略數(shù)據(jù)和原始標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行大油門動力降擋試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4～圖7。

表1 試驗(yàn)車輛動力總成主要參數(shù)

圖4 優(yōu)化數(shù)據(jù)前換擋過程

圖5 優(yōu)化數(shù)據(jù)后換擋過程

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.2.1 熱負(fù)荷驗(yàn)證

由圖4～圖7可看出，兩次試驗(yàn)的駕駛工況及初始離合器表面溫度幾乎一致（約100℃），但是使用新標(biāo)定策略數(shù)據(jù)后，大扭矩動力降擋后的調(diào)速時(shí)間由1.60 s減少至1.19 s，扭矩交換時(shí)間由0.65 s減少至0.45 s，動力降擋過程產(chǎn)生的滑摩功由65.6 kJ減小至39.4 kJ，負(fù)載離合器表面升溫由155℃減小至113℃，離合器表面瞬時(shí)升溫明顯減小。

4.2.2 駕駛性驗(yàn)證

如圖4和圖5所示，相同駕駛工況下踩下相同油門開度后，使用新標(biāo)定策略數(shù)據(jù)后整車加速響應(yīng)明顯加快，響應(yīng)時(shí)間由1.8 s縮至1.3 s，加速度變化率變化不大，最大加速度變化率即沖擊度由12 m/s3增大為13.3 m/s3。

圖6 優(yōu)化數(shù)據(jù)前熱負(fù)荷和沖擊度

由上述分析可知，應(yīng)用新的標(biāo)定策略數(shù)據(jù)后，在大扭矩動力降擋駕駛中，換擋總時(shí)間減小了24%，離合器表面升溫減小了27%，整車加速度響應(yīng)時(shí)間減小了28%，整車最大沖擊度只增大了10%，處于可接受范圍內(nèi)。

圖7 優(yōu)化數(shù)據(jù)后熱負(fù)荷和沖擊度

5 結(jié)束語

本文根據(jù)DCT車輛整車試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的離合器表面溫度超溫報(bào)警問題，分析了DCT在大扭矩動力降擋過程離合器熱負(fù)荷過大的原因，以及影響滑摩功產(chǎn)生的主要因素，通過多種途徑減少了滑摩功的產(chǎn)生并增大了冷卻流量，最后根據(jù)設(shè)定的原則進(jìn)行了優(yōu)化標(biāo)定和實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，此方法對DCT大扭矩動力降擋工況熱負(fù)荷問題優(yōu)化效果明顯且可操作性強(qiáng)。