濕式雙離合器扭矩傳遞特性對換擋品質(zhì)影響的研究*

郝洪濤 嚴(yán) 冬 馬 輝

(1.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,銀川 750021； 2.寧夏智能裝備CAE重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750021)

1 前言

隨著汽車性能不斷提升以及電子化程度不斷提高，自動(dòng)變速器已逐漸成為市場上的主流[1]，而濕式雙離合自動(dòng)變速器(Wet Dual Clutch Transmission，WDCT)是近幾年增長速度最快的汽車自動(dòng)變速器之一。在雙離合變速器開發(fā)過程中，起步及換擋的控制效果對于改善駕駛舒適性、提高車輛動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性有著重要的意義。因此，提高濕式雙離合器扭矩傳遞模型的精確程度有著十分重要的意義。

濕式離合器傳遞的扭矩分為粘性扭矩和粗糙扭矩，對于濕式離合器扭矩傳遞模型的研究，國內(nèi)外許多學(xué)者都做出了自己的貢獻(xiàn)。Yang.Y[2]等人提出了改進(jìn)的雷諾方程，使其適用于不同粗糙表面、不同形式表面溝槽、不同材料滲透性以及其他不同性質(zhì)的濕式離合器，進(jìn)一步完善了濕式離合器扭矩傳遞模型。Josko Deur、Timothy M. Cameron[3,4]等也各自提出了相應(yīng)的模型，使得濕式離合器扭矩傳遞模型的精確程度再一次提升，但仍未加入溫度對于自動(dòng)變速器油(Automatic Transmission Fluid，ATF)粘度以及摩擦片摩擦因素影響的關(guān)系表達(dá)式。國內(nèi)吉林大學(xué)馮巍[5]通過充分考慮離合器油溫、離合器摩擦片相對滑摩速度、液壓油粘度等參數(shù)來進(jìn)一步提高離合器扭矩模型的精度，為實(shí)現(xiàn)離合器傳遞扭矩的精確控制打下理論基礎(chǔ)。

對濕式雙離合器變速器的控制中，以往的研究通常認(rèn)為與濕式離合器傳遞的粗糙扭矩相比，粘性扭矩的影響較小，因此在已有模型中的濕式離合器扭矩傳遞特性對粘性扭矩的體現(xiàn)微乎其微，甚至直接忽略不予考慮，由于這樣的扭矩傳遞模型是無法精確反映出濕式離合器扭矩傳遞特性的，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的控制策略研究必然會(huì)出現(xiàn)誤差。因此文獻(xiàn)[6-8]中作者試圖通過實(shí)時(shí)估計(jì)離合器傳遞扭矩來克服模型不精確帶來的誤差。與此同時(shí)，建立相對完善的濕式離合器扭矩傳遞模型并研究粘性扭矩對濕式雙離合器的品質(zhì)影響顯得十分必要。本文在研究前人成果的基礎(chǔ)上，充分考慮了各種影響因素，通過建立基于Matlab/Simulink的濕式雙離合器的扭矩傳遞模型，探究不同因素對扭矩傳遞特性的影響以及是否考慮粘性扭矩對車輛換擋品質(zhì)好壞的影響，為今后更加精準(zhǔn)的制定控制策略奠定良好的理論基礎(chǔ)。

2 濕式離合器扭矩傳遞模型構(gòu)建

2.1 濕式離合器扭矩傳遞特性的數(shù)學(xué)模型

濕式離合器接合與分離過程中所傳遞的扭矩Tf主要由粘性扭矩Th和粗糙扭矩Ta組成：

Tf=Th+Ta

(1)

(2)

(3)

式中，n為摩擦副數(shù)量，ri為摩擦片內(nèi)徑，ro為摩擦片外徑，σ為摩擦片與對偶鋼片粗糙度均方根值，h為油膜厚度，ωslip為離合器主從動(dòng)盤間轉(zhuǎn)速差，φ=φ(h/σ)為流量因素，它的表達(dá)式與h/σ的大小有關(guān)：

(4)

λ為AFT粘度，其與油溫Tem的關(guān)系可由下式計(jì)算：

(5)

式中N與k的值可由試驗(yàn)確定。

μ為摩擦片摩擦因數(shù)，可式(6)進(jìn)行計(jì)算：

(6)

式中vslip為平均滑磨速度：

(7)

E為摩擦材料楊氏模量，AN為摩擦里襯總面積，Da為微凸體密度，β為微凸體曲率半徑。Rc為摩擦片有效摩擦半徑，其隨摩擦片磨損狀況變化，當(dāng)摩擦片磨損較小時(shí)：

(8)

當(dāng)磨損量較大時(shí)：

(9)

油膜厚度h基于修正雷諾方程的隨時(shí)間變化率的表達(dá)式如下：

(10)

其中，φ(h)為表面拓?fù)鋵W(xué)流量因素：

(11)

ξ(h)為摩擦材料滲透性因素：

(12)

式中d為摩擦材料的厚度，Kper為摩擦材料滲透系數(shù)。

g(h)為表面粗糙度因素，其中erf(x)為誤差方程：

(13)

(14)

Papp為作用在離合器上的壓力，Pc(h)為平均粗糙接觸壓力：

(15)

AGrv摩擦面的溝槽面積。

以上表達(dá)式，均為非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的狀態(tài)方程，當(dāng)式(10)中Pc(h)=Papp時(shí)，即dh/dt=0，油膜厚度h不隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，稱該狀態(tài)為平衡態(tài)，此時(shí)油膜厚度heqbm的表達(dá)式為：

(16)

相應(yīng)的，當(dāng)系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)，粘性扭矩Th的表達(dá)式也會(huì)發(fā)生變化，若離合器處于鎖止?fàn)顟B(tài)，即ωslip=0，此時(shí)粘性扭矩Theqbm=0，所有傳遞的扭矩均為粗糙扭矩。此時(shí)粘性扭矩Theqbm的表達(dá)式受流量因素φ(h/σ)影響，當(dāng)0

(17)

當(dāng)1.3

(18)

當(dāng)4

(19)

2.2 離合器扭矩傳遞模型的建立及仿真分析

根據(jù)式(1)至式(19)，基于Matlab/Simulink建立濕式離合器扭矩傳遞仿真模型(如圖1所示)，所搭建的模型由油膜厚度模塊、粘性扭矩模塊以及粗糙扭矩模塊三部分組成。該模型可研究離合器主從動(dòng)片轉(zhuǎn)速差、溫度和作用壓力變化時(shí)對離合器傳遞扭矩的影響。模型中所用的具體參數(shù)值如表1所示。下面通過仿真研究溫度和轉(zhuǎn)速差對濕式離合器扭矩傳遞特性的影響。

圖1 扭矩傳遞模型Fig.1 Torque transfer model

在圖2和圖3中，作用壓力Papp和離合器主從動(dòng)盤初始轉(zhuǎn)速差相同，考察變速器油液溫度(ATF)對傳遞扭矩的影響。分別設(shè)置ATF為70 ℃、90 ℃和110 ℃進(jìn)行仿真，由圖2可以看出溫度對粘性扭矩有著顯著的影響，溫度越低，粘性扭矩其波動(dòng)越大。由圖3可看出油液溫度越低，粗糙扭矩傳遞響應(yīng)越慢。溫度對粗糙扭矩產(chǎn)生影響的原因在于溫度對油液粘度的影響，溫度越低，油液粘度越高，此時(shí)對離合器施加壓力，油膜厚度的變化響應(yīng)越慢，主從動(dòng)盤接合所需的時(shí)間越長，因此粗糙扭矩產(chǎn)生一定的響應(yīng)延遲，響應(yīng)速率也相應(yīng)降低。

表1 仿真主要參數(shù)數(shù)值

圖2 溫度對粘性扭矩的影響Fig.2 Effect of temperature on hydrodynamic torque

圖3 溫度對粗糙扭矩的影響Fig.3 Effect of temperature on asperity torque

保持變速器油液溫度相同，當(dāng)離合器主從動(dòng)盤初始轉(zhuǎn)速差分別為500 r/min、1000 r/min以及1500 r/min時(shí)，濕式離合器接合過程中的傳遞扭矩變化情況如圖4和圖5中所示。由圖可知，離合器主從動(dòng)盤初始轉(zhuǎn)速差越小，扭矩傳遞響應(yīng)越慢，扭矩峰值越低，扭矩波動(dòng)越小，接合更加平緩。離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差對分別對粘性扭矩和粗糙扭矩的影響也是不同的，離合器主從動(dòng)盤初始轉(zhuǎn)速差對粗糙扭矩影響效果遠(yuǎn)不如粘性扭矩，但總體趨勢都是主從動(dòng)盤初始轉(zhuǎn)速差越大，粘性扭矩和粗糙扭矩響應(yīng)速度越快，粘性扭矩的峰值也越高。

圖4 轉(zhuǎn)速差對粘性扭矩的影響Fig.4 Effect of rotational speed difference on hydrodynamic torque

圖5 轉(zhuǎn)速差對粗糙扭矩的影響Fig.5 Effect of rotational speed difference on asperity torque

3 扭矩傳遞特性對換擋品質(zhì)的影響

3.1 基于Simdriveline的整車模型的構(gòu)建

為了考察扭矩傳遞特性對車輛換擋品質(zhì)的影響，建立了基于Simdriveline的整車模型。整車模型包括四個(gè)部分：發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、雙離合變速器模塊、變速器控制模塊以及車身模塊，如圖6所示。建模中所用到的整車參數(shù)如表2所示。

3.2 離合器換擋品質(zhì)的評價(jià)指標(biāo)

(1) 離合器滑磨功

評價(jià)換擋過程中影響離合器使用壽命的指標(biāo)主要是離合器滑磨功，它表示離合器在接合過程中主從動(dòng)摩擦片間由于相對滑動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦做功大小，定義為：

(20)

式中，TC1為離合器C1的傳遞扭矩，Tc2為離合器C2的傳遞扭矩，ωc1為離合器C1的轉(zhuǎn)速，ωc2為離合器C2的轉(zhuǎn)速，t1為換擋開始時(shí)刻，t2為換擋結(jié)束時(shí)刻,ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖6 整車模型Fig.6 Full vehicle model表2 整車仿真涉及的主要參數(shù)Table 2 Main parameter values used in vehicle simulation

整車參數(shù)數(shù)值整車質(zhì)量kg1600空氣阻力系數(shù)0.3車輛迎風(fēng)面積m22.3車輛軸距m2.7車輛輪距m1.5變速器1 擋傳動(dòng)比15.35變速器2 擋傳動(dòng)比9.30變速器3 擋傳動(dòng)比6.10變速器4 擋傳動(dòng)比4.39變速器5 擋傳動(dòng)比3.46變速器6 擋傳動(dòng)比2.78變速器R 擋傳動(dòng)比13.24主減速器傳動(dòng)比4.16車輪滾動(dòng)半徑m0.3車輪滾動(dòng)阻力系數(shù)0.02

(2) 沖擊度

沖擊度是評價(jià)換擋時(shí)離合器接合過程平穩(wěn)程度的指標(biāo)，它是車輛縱向加速度的變化率，即：

(21)

式中，v為車輛行駛速度，a為車輛行駛加速度。

由上式可以看出要滿足沖擊度指標(biāo)，控制的關(guān)鍵是保證離合器在滑摩階段傳遞的扭矩變化平穩(wěn)。滑摩功與離合器傳遞扭矩及主從動(dòng)盤角速度有關(guān)，沖擊度只與變速器輸出扭矩的變化率有關(guān)。因此離合器傳遞扭矩的變化會(huì)影響到換擋品質(zhì)。

3.3 粘性扭矩對換擋品質(zhì)的影響

在以往的研究中通常認(rèn)為粘性扭矩對系統(tǒng)的影響較小，在仿真過程中往往忽略不計(jì)。在同樣的溫度(90 ℃)及其他條件下，本文將對有無粘性扭矩附加模塊的模型進(jìn)行仿真對比，通過兩個(gè)不同模型間仿真結(jié)果的比較，研究濕式離合器粘性扭矩對于車輛換擋品質(zhì)的影響。系統(tǒng)仿真的初始條件為車輛速度為零，油門開度輸入為0.5。

通過圖7可知，有附加粘性扭矩模型較無附加粘性扭矩模型在仿真時(shí)間第5至7秒，即1擋切換2擋時(shí)刻的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速峰值有所提高，且切換至2擋后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生較小幅度的波動(dòng)，說明有附加粘性扭矩模型的濕式雙離合器會(huì)對發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生拖曳作用，可能使換擋過程中的車輛產(chǎn)生較大幅度的抖動(dòng)，影響車輛的換擋平穩(wěn)性，需要通過換擋策略等方式加以控制。

圖7 粘性扭矩對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響Fig.7 Influence of hydrodynamic torque on engine speed

對比圖8、圖9(圖中Wc1為離合器C1的滑摩功，Wc2為離合器C2的滑摩功)可以看出有附加粘性扭矩模型較無附加粘性扭矩模型在仿真時(shí)間4至8秒內(nèi)，產(chǎn)生了更大的滑摩功，通過觀察1擋切換2擋后的滑摩功變化，可以得出更明顯的結(jié)論：由于濕式離合器粘性扭矩的影響，不僅僅在離合器接合的過程之中產(chǎn)生了更大的滑摩功，而且對于處于分離狀態(tài)下離合器的滑摩功也有著一定的影響。如果不能在控制器設(shè)計(jì)工作中充分考慮由此產(chǎn)生的額外滑摩功，離合器的實(shí)際使用壽命將偏離理論設(shè)計(jì)壽命值，且由離合器磨損產(chǎn)生的抖動(dòng)將會(huì)對車輛的整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)造成危害。

圖10、圖11分別為未考慮粘性扭矩及考慮粘性扭矩的車輛換擋沖擊度變化圖，通過對比可以看出有附加粘性扭矩模型較無附加粘性扭矩模型在1擋切換2擋時(shí)，所產(chǎn)生的車輛換擋沖擊度會(huì)更大些，對車輛的換擋平順性以及乘車舒適性產(chǎn)生了較大的影響。并且由于存在粘性扭矩的影響，使得車輛換擋時(shí)間有所提前。綜合圖7～圖10可以看出，粘性扭矩的存在確實(shí)會(huì)對車輛的換擋品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。

圖8 未考慮粘性扭矩的離合器滑摩功變化

Fig.8 Change of friction work without considering hydrodynamic torque

圖9 考慮粘性扭矩的離合器滑摩功變化Fig.9 Change of friction work considering hydrodynamic torque

圖10 未考慮粘性扭矩的換擋沖擊度變化

Fig.10 Change of shift jerk without considering hydrodynamic torque

4 結(jié)論

本文分析了濕式離合器扭矩傳遞特性的有關(guān)公式，并以此為基礎(chǔ)搭建了基于Matlab/Simulink的濕式離合器扭矩傳遞模型，探究了不同溫度及轉(zhuǎn)速差條件下濕式離合器扭矩傳遞特性的變化，分析結(jié)果表明溫度和轉(zhuǎn)速差對粘性扭矩的影響要高于其對粗糙扭矩的影響。在此基礎(chǔ)上，為研究濕式離合器扭矩傳遞特性變化對裝備WDCT的整車性能影響搭建了基于SimDriveline的整車模型，通過仿真分析表明濕式離合器接合及分離過程中產(chǎn)生的粘性扭矩會(huì)對換擋品質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定影響。因此，濕式雙離合器接合及分離過程中的粘性扭矩不應(yīng)僅作粗略忽略，在今后的研究中應(yīng)該對粘性扭矩的影響給予充分的重視。

圖11 考慮粘性扭矩的換擋沖擊度變化Fig.11 Change of shift jerk considering hydrodynamic torque