DCT變速箱液壓系統(tǒng)的能耗分析與優(yōu)化研究

王中華 鄭海兵 楊士先

摘 要：本文將針對變速箱液壓系統(tǒng)中油泵及電磁閥的能量消耗，建立液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)計(jì)算模型。以DCT變速箱為例，基于NEDC循環(huán)，展開能耗計(jì)算分析。并基于現(xiàn)有的DCT液壓系統(tǒng)，給出了降低能耗的措施。

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng);數(shù)學(xué)模型;能量消耗

0 序言

降低能耗提升效率是變速箱技術(shù)發(fā)展永恒不變的主題。變速箱作為傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其能耗研究一直備受關(guān)注。從手動變速箱到自動變速箱的變化，主要增加的為自動化的控制系統(tǒng)，而電控液壓式控制系統(tǒng)是現(xiàn)有大多數(shù)自動變速箱的采用的技術(shù)方案。自動化的控制系統(tǒng)，無論是采用何種形式，都會產(chǎn)生能耗的損失，造成變速箱效率的降低。

本文將基于DCT液壓控制系統(tǒng)，展開液壓系統(tǒng)的能耗計(jì)算分析，同時對液壓系統(tǒng)的能耗優(yōu)化展開研究，提升變速箱總成的效率。

1 DCT液壓控制系統(tǒng)的介紹

為如圖1所示，為一款DCT的液壓原理圖，該系統(tǒng)由四個部分組成，其中A部分代表檔位控制系統(tǒng)，B部分代表雙離合器控制系統(tǒng)，C部分為冷卻潤滑系統(tǒng)，D部分為壓力供給調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

檔位控制系統(tǒng)，通過31-奇數(shù)檔壓力調(diào)節(jié)閥，33-奇數(shù)檔流量調(diào)節(jié)電磁閥35-奇數(shù)檔選檔電磁閥，實(shí)現(xiàn)奇數(shù)檔（1檔，3檔，5檔）的接合與脫開，同理，通過32-偶數(shù)擋壓力調(diào)節(jié)電磁閥，34-偶數(shù)擋流量調(diào)節(jié)電磁閥36-偶數(shù)擋檔位選擇電磁閥，實(shí)現(xiàn)偶數(shù)擋（2檔，4檔，6檔）和R檔的接合與脫開。

離合器控制系統(tǒng)，通過25-離合器1壓力調(diào)節(jié)電磁閥和27-離合器1支路開關(guān)電磁閥控制離合器1支路的壓力，實(shí)現(xiàn)離合器1的接合和脫開，同理，通過26-離合器2壓力調(diào)節(jié)電磁閥和29-離合器2支路開關(guān)電磁閥控制離合器2支路的壓力，實(shí)現(xiàn)離合器2的接合與分離。

冷卻控制系統(tǒng)，齒軸系統(tǒng)和雙離合器采用強(qiáng)制潤滑，41-離合器冷卻閥可以根據(jù)雙離合器冷卻流量需求實(shí)現(xiàn)實(shí)際流量的調(diào)節(jié)。

壓力供給調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的機(jī)械泵實(shí)現(xiàn)壓力油的供給，37-主壓力調(diào)節(jié)電磁閥和38-主壓力調(diào)節(jié)滑閥，共同作用，實(shí)現(xiàn)主壓力的調(diào)節(jié)。

2 液壓系統(tǒng)的能耗分析

DCT液壓系統(tǒng)耗能主要來源于兩部分：+一是由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動的齒輪泵為液壓系統(tǒng)提供動力而產(chǎn)生的耗能;二是由靠蓄電池供電通過TCU（變速箱控制單元）驅(qū)動的電磁閥動作而產(chǎn)生的耗能。

2.1 油泵能耗數(shù)學(xué)模型

2.3 DCT液壓系統(tǒng)的能耗計(jì)算

對于變速箱能耗分析，NEDC循環(huán)工況為一種具有代表性典型工況，下面將基于該工況分析液壓系統(tǒng)的能耗。

（1）齒輪泵的能耗計(jì)算分析。當(dāng)前的液壓系統(tǒng)采用了一個排量為16.8cc/rev的齒輪泵，油泵驅(qū)動的扭矩受出口壓力和轉(zhuǎn)速而影響，油泵的驅(qū)動扭矩可用下式5進(jìn)行計(jì)算（基于當(dāng)前的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和油泵出口壓力）。

說明：公式5，通過油泵臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)（不同出口壓力和不同轉(zhuǎn)速下的油泵扭矩測試值而得到）擬合而得到。

根據(jù)軟件實(shí)時控制策略，得到主壓力控制值和當(dāng)前的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，即可求解得出實(shí)時驅(qū)動油泵所需的扭矩，然采用公式1和公式2即可計(jì)算出驅(qū)動油泵所消耗的功以及驅(qū)動油泵所需要的平均功率。

通過計(jì)算，在NEDC循環(huán)工況下，驅(qū)動油泵所消耗的功為296.31 kJ，平均消耗功率為251.11 W。

（2）電磁閥的能耗計(jì)算。當(dāng)前的液壓系統(tǒng)，所有的電磁閥的供電電壓按照12V進(jìn)行計(jì)算，對于電磁閥的工作電流，以實(shí)際采集電磁閥的工作電流進(jìn)行計(jì)算。

基于NEDC循環(huán)工況采集的電磁閥實(shí)際電流，12個電磁閥功總共消耗能量為73.302 kJ，平均功率消耗為62.12 W。

另外，從圖2中，可以看出25和26兩個離合器開關(guān)電磁閥消耗能量最大，約占總能量消耗的57%。其次為37主壓力調(diào)節(jié)閥，占總消耗的15%，然后為41-離合器冷卻調(diào)節(jié)閥，占總消耗的13%，27，28兩個離合器壓力控制閥占總消耗的14%。剩余電磁閥占總能量消耗的1%。

從上述計(jì)算，可以得出，基于NEDC循環(huán)工況，當(dāng)前的液壓控制系統(tǒng)總功消耗為369.612 kJ，平均功率消耗為313.23 W。

3 液壓系統(tǒng)能耗的優(yōu)化措施

3.1 電子泵技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)在市面上的大多數(shù)自動變速箱只布置有一個機(jī)械泵，機(jī)械泵在設(shè)計(jì)時，受到用戶的需求（機(jī)限工況下的需求）和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，往往設(shè)計(jì)了一個較大的排量，機(jī)械泵輸出的流量，在正常工況下，常常會大于用戶的需求。容積造成功率的損失和浪費(fèi)。

隨著電子泵技術(shù)的不斷發(fā)展，開始應(yīng)用于自動變速箱，小排量的機(jī)械泵+電子泵的油液供給系統(tǒng)逐漸會成為自動變速箱液壓控制系統(tǒng)的標(biāo)配。其中小排量的機(jī)械泵用于滿足正常工況下的用戶的需求，而電子泵只有在機(jī)械泵不能滿足用戶需求時進(jìn)行壓力和流量的補(bǔ)充。

按照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和市場上電子泵產(chǎn)品，通常選擇一個200～250 w的電子泵產(chǎn)品，用于系統(tǒng)的補(bǔ)充，這時機(jī)械泵的排量可以縮小至原來尺寸的2/3，小排量的機(jī)械泵排量設(shè)定為11 cc/rev。

對于小排量油泵的驅(qū)動扭矩，可以按照下面的公式進(jìn)行計(jì)算;

基于NEDC循環(huán)工況，使用公式1和公式2，可以計(jì)算出使用小排量油泵在該工況下驅(qū)動油泵所消耗的功為218.79 kJ，平均功率消耗為185.41 W。

式7中，代表電子油泵所消耗的功，代表電子油泵的功率，代表電子泵的出口壓力，代表電子油泵出口流量，代表電子泵的工作時間;式8中，代表電子油泵基于NEDC循環(huán)工況的平均功率。

3.2 液壓控制系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)2.3章節(jié)的計(jì)算結(jié)果，25，26-離合器開關(guān)閥的能量消耗占到所有電磁閥能量消耗的57%，這兩個電磁閥在系統(tǒng)中起到安全的作用，只有在27，28-離合器壓力控制閥出現(xiàn)故障（壓力不能關(guān)閉）時，這兩個閥可以關(guān)閉，保證整車的行駛安全。隨著能量消耗的要求，可以取消25，26-離合器開關(guān)閥，當(dāng)離合器壓力控制閥出現(xiàn)故障時（壓力不能關(guān)閉），通過改變控制策略，降低主壓力（降低至離合器壓力結(jié)合點(diǎn)以下），也可以實(shí)現(xiàn)離合器動力的切斷，保證整車的行駛安全。

通過減少電磁閥，在NEDC循環(huán)工況下，電磁閥的能量消耗，可降低至31.65 kJ，平均功率消耗降低至26.82 W。

通過電子泵技術(shù)的應(yīng)用和電磁閥數(shù)量的減少，DCT液壓系統(tǒng)的能量消耗降低至252.38 kJ，平均功率消耗為213.88 W。相對于原系統(tǒng)，平均功率損耗減少100 W。當(dāng)量于0.3 L/100 km的油耗。

4 結(jié)論

從計(jì)算結(jié)果可以看出，變速箱液壓系統(tǒng)的能量消耗，主要來自于油泵系統(tǒng)，但是液壓控制系統(tǒng)造成的能量消耗同樣不能忽視。

變速箱電子油泵的應(yīng)用以及控制系統(tǒng)的優(yōu)化，可以帶來液壓系統(tǒng)能耗降低約三分之一，可以更好滿足法規(guī)的要求及實(shí)現(xiàn)顧客的滿意。

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基金項(xiàng)目：安徽省重點(diǎn)研究與開發(fā)項(xiàng)目-新型商用車AMT產(chǎn)品開發(fā)（201904a05020023）

作者簡介：王中華（1984-），男，山西陽泉人，研究生，工程師，研究方向：自動變速箱液壓系統(tǒng)開發(fā)。