濕式雙離合自動(dòng)變速器起步平順性分析及優(yōu)化

白景峰，樊立桃，田廣召，紀(jì)曉輝，柳彥濤

摘? 要：為解決濕式雙離合自動(dòng)變速器（DCT）起步飛車問題，通過對(duì)雙離合器進(jìn)行摩擦系數(shù)理論分析及臺(tái)架測(cè)試，得到摩擦系數(shù)與溫度、壓力、滑摩轉(zhuǎn)速關(guān)系，并得到飛車與摩擦特性與滑摩轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)存在關(guān)系，并摩擦片溝槽深度進(jìn)行整改（>0.2mm），保證摩擦特性的正相關(guān)，改善整車飛車問題。

關(guān)鍵詞：濕式雙離合器；起步飛車；摩擦特性；負(fù)相關(guān)

中圖分類號(hào)：U463.211+.2? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2023）03-0032-05

Analysis and Optimization of Launch Smoothness for Wet Dual Clutch Transmission

BAI Jing-feng， FAN Li-tao， TIAN Guang-zhao， JI Xiao-hui， LIU Yan-tao，

（HYCET Transmission Technology Hebei Co.， Ltd.， Baoding 071000 ， China）

Abstract： In order to solve engine flare issue in wet dual clutch transmission （DCT）， through theoretical analysis of friction coefficient of dual clutch and bench test， the relationship between friction coefficient and temperature， pressure and sliding friction rotation speed is obtained， and it is obtained that there is a negative correlation between friction characteristics and sliding friction rotation speed， and the groove depth of friction plate is rectified （>0.2mm） to ensure the positive correlation of friction characteristics and improve the problem of vehicle flare speed.

Key Words： wet dual clutch; engine flare; friction coefficient; negative

引? ? 言

隨著人們對(duì)汽車品質(zhì)要求及駕駛舒適性的提升，濕式雙離合自動(dòng)變速器（DCT，全稱：Dual Clutch Transmission）依據(jù)其換擋迅速，駕駛方便性，無動(dòng)力中斷，開車成本較低及操作要求簡(jiǎn)單等特點(diǎn)逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。早在1999年，德國(guó)大眾公司與博格華納公司聯(lián)手制造出世界首款可量產(chǎn)的 Dual Tronic （R） 技術(shù)濕式雙離合變速器[2]。2003年，大眾汽車成功開發(fā)出6擋DSG雙離合自動(dòng)變速器，并將其安裝在高爾夫車型上，成為第一個(gè)將DCT安裝在量產(chǎn)車的汽車廠商[3]。

隨著DCT技術(shù)的逐漸成熟，起步及換擋平順性成為人們?nèi)粘Ｓ懻摰脑掝}。自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)主要要解決的三個(gè)問題：何時(shí)起步、怎樣起步（起步過程控制）和起步如何（起步品質(zhì)評(píng)價(jià)）[4]。

本文依據(jù)某車企開發(fā)的濕式雙離合自動(dòng)變速器中的離合器（如圖1所示）進(jìn)行整車起步平順性研究，并針對(duì)倒檔起步飛車問題進(jìn)行問題分析解決，并提出整改方案。

1? ? 濕式雙離合器摩擦結(jié)構(gòu)

濕式雙離合器與干式離合器主要區(qū)別為濕式離合器在油液作用下進(jìn)行工作。摩擦特性的主要傳遞由離合器對(duì)偶片、摩擦片及油液共同組成，在起步過程中摩擦片與對(duì)偶片進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即離合器滑摩轉(zhuǎn)速，且在油液的作用下產(chǎn)生摩擦力，從而進(jìn)行離合器傳遞扭矩[6]。

某車型在裝配完變速器試車過程中，倒檔小油門起步發(fā)生整車飛車現(xiàn)象。具體工況：倒檔過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)油門踏板約20%深度，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速飆升至2000rpm左右，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)速1400rpm左右，轉(zhuǎn)速飆升600rpm，且伴隨著變速器輸入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速波動(dòng)（如圖2所示）。若離合器長(zhǎng)期在此工況工作，將出現(xiàn)熱量累積并燒蝕離合器等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響離合器壽命及駕駛安全性。

2? ? 原因分析

2.1? ?飛車基本原理

整車進(jìn)行起步控制過程中，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩進(jìn)行離合器需求扭矩請(qǐng)求，變速器TCU單元將離合器需求扭矩進(jìn)行轉(zhuǎn)化為離合器需求壓力，通過控制電磁閥開度可得到離合器實(shí)際壓力，離合器實(shí)際壓力通過離合器摩擦片及鋼片間的滑摩作用產(chǎn)生實(shí)際扭矩，具體控制過程如圖3所示。

當(dāng)離合器實(shí)際扭矩低于離合器需求扭矩時(shí)，整車將產(chǎn)生飛車現(xiàn)象，同時(shí)離合器摩擦特性作為離合器扭矩傳遞的關(guān)鍵點(diǎn)，因此對(duì)摩擦特性的研究成本解決此問題的關(guān)鍵。

2.2? ?濕式離合器摩擦特性研究

濕式離合器摩擦特性并非一成不變，隨著外界環(huán)境的變化（即使用條件），摩擦特性所展現(xiàn)的性能也存在較大差異，其中最主要的影響因素包含油液溫度、摩擦片作用壓力和相對(duì)滑摩轉(zhuǎn)速等。

（1）油液溫度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

離合器摩擦副之間存在油膜，離合器油液溫度的高低將影響油液粘度的大小，從而影響離合器摩擦系數(shù)的建立。其中鎖著油膜的建立可以分為邊界潤(rùn)滑摩擦狀態(tài)，混合摩擦狀態(tài)和液力摩擦狀態(tài)。

依據(jù)摩擦系數(shù)流體動(dòng)力學(xué)分析可知（如圖4所示），在邊界潤(rùn)滑摩擦狀態(tài)，油液粘度對(duì)摩擦特性影響較小，在混合摩擦狀態(tài)隨著油液粘度的增加，摩擦系數(shù)逐漸降低，而液力摩擦狀態(tài)下，隨著粘度的增加，摩擦特性逐漸增加。其中整車在起步階段處于混合摩擦狀態(tài)，因此隨著溫度的升高，摩擦特性逐漸降低。

（2）摩擦片作用壓力對(duì)摩擦特性的影響

摩擦片參與摩擦的材料多數(shù)為紙基材料，摩擦片與對(duì)偶片接觸表面為不規(guī)則的粗糙表面，由圖6中可知，壓力會(huì)影響摩擦片接觸狀態(tài)， 因此摩擦特性的分析需從微觀接觸進(jìn)行分析。

離合器扭矩計(jì)算主要涉及離合器摩擦副的數(shù)量，摩擦材料內(nèi)外徑，活塞結(jié)構(gòu)尺寸等。通過向離合器執(zhí)行腔充壓力又（ATF），對(duì)活塞產(chǎn)生一定軸向壓力，從而壓緊摩擦板及鋼板，鋼板和摩擦板之間由于摩擦作用產(chǎn)生摩擦力，通過其他機(jī)械連接結(jié)構(gòu)傳遞一定的扭矩[5]。

離合器實(shí)際扭矩計(jì)算公式如下：

Tc=μ×Fn×n×re? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：

Tc：離合器實(shí)際扭矩（Nm）；

μ：離合器摩擦系數(shù)；

Fn：活塞腔對(duì)摩擦副壓力（N）；

Fn=P（活塞壓力）×A（活塞面積）

n：摩擦副數(shù)量；

re：摩擦副有效半徑（m）

其中 r1 為摩擦副外徑，r2為摩擦副內(nèi)徑。

依據(jù)扭矩特性計(jì)算公式可知，摩擦特性參數(shù)的計(jì)算如下：u=T/（P×A×n×re）? ? ? ? ? ? ? ? （2）

因此通過公式（2）可知，在其他條件一定的情況下，摩擦特性參數(shù)u隨著正壓力的增加而減小。

（3）滑摩轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦特性的影響

依據(jù)流體動(dòng)力學(xué)模型可知，油膜所謂摩擦特性傳遞的重要介質(zhì)，滑摩轉(zhuǎn)速將影響油膜的建立，可將油膜流體進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化模型如圖5所示：

依據(jù)流體動(dòng)力學(xué)內(nèi)摩擦定律可知，相鄰流層之間的內(nèi)摩擦力與流層接觸面積和液層之間滑摩轉(zhuǎn)速梯度成正比[6]，即

T=η×A×dv/dh? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，T為相鄰液層之間內(nèi)摩擦力；η為油液的動(dòng)力粘度，其中動(dòng)力粘度由油液本身特性及環(huán)境溫度和壓強(qiáng)共同影響，其中溫度越低粘度約高，壓強(qiáng)在超過50Mpa后對(duì)動(dòng)力粘度存在顯著影響，因此在本文研究中不進(jìn)行研究，v為相對(duì)運(yùn)動(dòng)速；A為摩擦面積，即對(duì)偶鋼片和摩擦片宏觀摩擦接觸面積；h為油膜厚度[6]。

因此，依據(jù)公式（3）可知，在外界條件一定的情況下，摩擦特性參數(shù)隨著滑摩轉(zhuǎn)速的升高而升高，基本呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

3? ? 離合器摩擦系數(shù)測(cè)試

為研究離合器摩擦特性的關(guān)系，制定摩擦特性測(cè)試工況（如圖6所示）。測(cè)試工況如表1所示：

摩擦特性隨溫度及壓力的變化如圖（7）所示，依據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，在高壓力區(qū)域摩擦特性隨溫度的變化而產(chǎn)生較小變化，在低壓區(qū)域隨著溫度的升高而降低。隨著壓力的升高，摩擦特性參數(shù)逐漸降低。

摩擦特性滑摩轉(zhuǎn)速的變化如圖（8）所示摩，由測(cè)試結(jié)果可知，鎖著滑摩轉(zhuǎn)速的升高，在低壓區(qū)域摩擦特性逐漸升高，但在高壓條件下，摩擦特性存在輕微負(fù)相關(guān)。

由此可知，整車飛車為離合器摩擦特性隨滑摩轉(zhuǎn)速的上升而出現(xiàn)短暫負(fù)相關(guān)導(dǎo)致，因此，解決離合器摩擦特性負(fù)相關(guān)即可解決離合器飛車問題。

4? ? 方案整改

通過對(duì)流體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析及離合器摩擦片摩擦特性驗(yàn)證可知，離合器摩擦特性負(fù)相關(guān)出現(xiàn)在離合器摩擦片上。同時(shí)針對(duì)離合器摩擦片進(jìn)行詳細(xì)確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)離合器摩擦片溝槽存在嚴(yán)重磨損，磨損后溝槽深度約0.1mm-0.15mm，具體情況如圖9及圖10所示。

通過對(duì)摩擦片加工工藝進(jìn)行分析，離合器溝槽為沖壓形成，當(dāng)離合器摩擦片材料沖壓模具磨損后會(huì)造成離合器溝槽變淺，在相同油液流經(jīng)摩擦片表面時(shí)造成油液在摩擦片和對(duì)偶片間油液累積，從而引起短時(shí)間混合摩擦，進(jìn)而造成離合器摩擦特性負(fù)相關(guān)。

通過修正離合器摩擦片沖壓模具，保證離合器摩擦片溝槽存在足夠深度后進(jìn)行測(cè)試，修改前后摩擦片溝槽深度保證0.2mm以上。

修改后摩擦片溝槽形式如圖11所示：

采用相同測(cè)試零部件及測(cè)試工況進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，可得到如圖12測(cè)試結(jié)果。

基于正相關(guān)摩擦特性的零部件裝車驗(yàn)證后，整車飛車現(xiàn)象消失，問題解決。

5? ? 結(jié)論

本文通過離合器分析摩擦特性參數(shù)與溫度、壓力和滑摩轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試得到以下結(jié)論：

（1）離合器摩擦特性隨溫度的變化在低壓條件下變化明顯，在高壓條件下，基本無變化；

（2）離合器摩擦特性隨著壓力的升高而逐漸降低；

（3）當(dāng)摩擦特性隨著滑摩轉(zhuǎn)速的變化而出現(xiàn)負(fù)相關(guān)時(shí)，整車出現(xiàn)飛車情況；

（4）摩擦特性負(fù)相關(guān)主要來源于摩擦片溝槽深度，當(dāng)摩擦片溝槽深度>0.2mm以后，負(fù)相關(guān)現(xiàn)象消失，整車飛車情況消失。

參考文獻(xiàn)：

[1]翁曉明. 濕式雙離合器變速器換擋品質(zhì)的研究[J]. 汽車工程，2009，31（10）：927-931.

[2]操劍鋒. 濕式雙離合器自動(dòng)變速器仿真技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)春： 吉林大學(xué)， 2007.

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[6]韓旭鑫，吳娜等.濕式離合器摩擦副摩擦特性機(jī)理探究[J]. 汽車科技，2022.04：84-88.

白景峰

畢業(yè)于西北農(nóng)林科技大學(xué)，碩士研究生學(xué)歷?，F(xiàn)就職于蜂巢傳動(dòng)科技河北有限公司，任濕式離合器設(shè)計(jì)組長(zhǎng)，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)變速器濕式離合器系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用。

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李少華

東風(fēng)商用車技術(shù)中心動(dòng)力總成部

傳動(dòng)系統(tǒng)總工程師? 研究員高級(jí)工程師

本文論述了濕式雙離合自動(dòng)變速器中的離合器整車起步平順性研究工作，并針對(duì)倒檔起步飛車問題進(jìn)行分析及試驗(yàn)論證，得出改進(jìn)措施。本文介紹關(guān)于濕式雙離合自動(dòng)變速器中離合器的開發(fā)，有一定參考意義。