濕式雙離合變速器車型應(yīng)用快速開發(fā)

劉亮　梅欣

摘 要：為了縮短濕式雙離合變速器與整車匹配研發(fā)周期，提高市場占比，基于企業(yè)本身積累的豐富開發(fā)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，在項(xiàng)目初期充分運(yùn)用CAE仿真進(jìn)行離合器熱性能，齒輪軸、軸承耐久耐久性能等關(guān)鍵變速器壽命可行性分析，減少項(xiàng)目后期實(shí)際運(yùn)行時(shí)間周期，在樣機(jī)制作過程中使用快速靈活的加工生產(chǎn)方式，如銑削鋁塊制作變速器殼體， 3D打印等，變速器控制軟件本身功能已經(jīng)開發(fā)處于較高成熟度，只需對(duì)新匹配車型其他控制器進(jìn)行信號(hào)通訊匹配調(diào)整，并具備與自身結(jié)構(gòu)特性匹配的智能閉環(huán)PID控制，簡化了變速器與整車駕駛性標(biāo)定工作。通過上述方式，實(shí)現(xiàn)了縮短雙離合器變速器項(xiàng)目正式開發(fā)周期至一年以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：濕式雙離合 離合器熱容量 耐久 控制軟件

1 前言

近年來，中國汽車乘用車市場，自動(dòng)擋車型市場占有率逐年上升。這背后主要原因?yàn)椋鹤詣?dòng)變速箱操作相對(duì)簡單，加之國內(nèi)交通擁堵狀況，省去了駕駛員頻繁換擋之苦；降低了車輛駕駛的難度，讓越來越多的人敢于開車上路。根據(jù)市場調(diào)研和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，自動(dòng)變速器的年銷量增速一直高于汽車市場增速，國產(chǎn)車從20多年前沒有自動(dòng)變速器發(fā)展到現(xiàn)在自動(dòng)變速器裝車率已超過1/3。

常見的自動(dòng)變速器分別是液力自動(dòng)變速器（AT）、電控機(jī)械自動(dòng)變速器（AMT）、機(jī)械無極自動(dòng)變速器（CVT）、雙離合自動(dòng)變速器（DCT）。其中，雙離合自動(dòng)變速器（DCT）如下表1所示，由于其接近手動(dòng)檔的高效率，換擋時(shí)無扭矩?fù)p失，無動(dòng)力中斷，舒適性較好等特點(diǎn)，加上日益嚴(yán)格的國家油耗法規(guī)要求，成為了越來越多的整車廠新車型動(dòng)力總成開發(fā)的首選，如國內(nèi)主要的長城汽車7DCT，吉利汽車7DCT等。根據(jù)IHS分析數(shù)據(jù)，DCT雙離合變速器在市場占比將超過50%。此外，雙離合自動(dòng)變速器還能夠支持快速擴(kuò)展為混合動(dòng)力車型，如P0結(jié)構(gòu)48V BSG，P2.5結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力雙離合變速器HDT（hybrid dual-clutch transmission）等。

雙離合變速器已經(jīng)走到了第三代產(chǎn)品，解決前兩代機(jī)械油泵降低效率及干式離合器過熱等問題。離合器仍然為濕式離合器，并配有可調(diào)節(jié)流量的電子機(jī)械離合器冷卻泵，最大程度降低了離合器本身的拖曳扭矩，在保證了熱容量的前提下，減少了效率損失。雙離合器變速器保持了手動(dòng)變速箱高效齒輪嚙合傳遞的方式，相比AT傳遞效率高，整車百公里油耗低7%左右。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，升檔更積極，動(dòng)力響應(yīng)更快，帶給駕駛?cè)藛T更加運(yùn)動(dòng)的行駛感受。

隨著國內(nèi)汽車市場競爭愈發(fā)激烈，各大主機(jī)廠都在縮短自己的車型研發(fā)周期，通過不斷的推陳出新，旨在擴(kuò)大自己品牌的市場占有率。動(dòng)力總成（發(fā)動(dòng)機(jī)匹配變速箱）作為關(guān)鍵整車部件同樣需要縮短或者找到能夠快速匹配新研發(fā)方式。按照以往如大眾，通用等汽車公司常規(guī)動(dòng)力總成研發(fā)項(xiàng)目常規(guī)時(shí)間為36個(gè)月-24個(gè)月，主要限制條件為硬件開模制作時(shí)間，以及發(fā)動(dòng)機(jī)軟件ECU及變速器軟件TCU標(biāo)定所需要的三高（即高溫/高寒/高原）驗(yàn)證時(shí)間，拉長了整個(gè)項(xiàng)目的時(shí)間跨度。本文講述了一種基于一定成熟度的發(fā)動(dòng)機(jī)，匹配雙離合變速器的快速研發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)新匹配車型在12個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

2 項(xiàng)目前期可行性研究及確認(rèn)

2.1 新匹配車型項(xiàng)目與現(xiàn)有量產(chǎn)基礎(chǔ)機(jī)型對(duì)比差異確認(rèn)：變速器差降（diff-drop）與中心距（center distance），見圖1：

2.1.1 差降（diff-drop）： 差速器半軸中心軸與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸中心軸在垂直方向的落差。

2.1.2 中心距（center distance）：變速器一軸即輸入軸與差速器中心的距離。

上述變化點(diǎn)一般受新匹配車型發(fā)動(dòng)機(jī)及半軸位置變化而需要調(diào)整，影響變速箱內(nèi)部潤滑油液面，對(duì)內(nèi)部零部件浸油潤滑及甩油潤滑產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響變速箱整體耐久性能。

齒輪速比（Gear ratio）：一般受新車型動(dòng)力及油耗要求而需要變化，不同齒數(shù)的齒輪在不同中心距中，宏觀參數(shù)（模數(shù)，壓力角等）及微觀參數(shù)（齒形，齒向等）都將受到影響而發(fā)生變化，需要對(duì)新設(shè)計(jì)進(jìn)行耐久分析。

2.2 項(xiàng)目可行性分析對(duì)于快速判斷一個(gè)項(xiàng)目是否可行或出現(xiàn)潛在市場問題起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)雙離合器變速器，有兩項(xiàng)必須提前識(shí)別確認(rèn)的技術(shù)分析項(xiàng)，為離合器熱容量、齒輪軸及軸承耐久壽命。

2.2.1 離合器熱容量

基于市場售后經(jīng)驗(yàn)，制定出相關(guān)容易出現(xiàn)離合器由于不斷摩擦導(dǎo)致過熱的駕駛工況，如表2，通過CAE仿真計(jì)算，圖2為工況之一的計(jì)算結(jié)果，由此識(shí)別確認(rèn)是否容易出現(xiàn)離合器溫度過熱問題，識(shí)別出風(fēng)險(xiǎn)工況，并確認(rèn)是否可以通過后期的發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱匹配標(biāo)定加以優(yōu)化。

2.2.2 齒輪軸及軸承耐久壽命

一般主機(jī)廠OEM會(huì)提出變速器的設(shè)計(jì)壽命要求，如16萬公里，可靠度B04或者24萬公里，可靠度B10，以及其他可能的耐久總里程。主機(jī)廠需要提供對(duì)應(yīng)該設(shè)計(jì)總里程下的載荷譜，即基于要求設(shè)計(jì)壽命下的：不同擋位，不同發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩段下的循環(huán)次數(shù)。

齒輪軸耐久計(jì)算依據(jù)ISO 6336-2006 （直齒輪和斜齒輪承載能力的計(jì)算）得出安全系數(shù)值，如表3。并按照彎曲疲勞需滿足≥1.1，接觸疲勞≥1原則進(jìn)行判定。一般由于彎曲疲勞失效模式較嚴(yán)重（如斷齒）故要求更高安全系數(shù) 。此外，還可以考慮對(duì)個(gè)別薄弱齒輪通過齒面、齒根強(qiáng)力噴丸的工藝實(shí)現(xiàn)約15%耐久安全系數(shù)提高。

通過ROMAX 軟件計(jì)算各軸承壽命，依據(jù)ISO/TS 16281滾動(dòng)軸承 額定動(dòng)載荷和額定壽命判定原則，各軸承壽命損傷需小于100%，如果接近100%則已經(jīng)靠近失效邊界，按照經(jīng)驗(yàn)損傷需要小于80%則軸承壽命較為可靠，如表4。

基于上述離合器，齒輪軸及軸承的可行性判斷，抓住了變速器主要關(guān)鍵零件的耐久可靠性，確保了后續(xù)項(xiàng)目快速開發(fā)過程中不會(huì)出現(xiàn)重大設(shè)計(jì)問題。

3 項(xiàng)目正式開發(fā)過程

3.1 樣機(jī)制造及試驗(yàn)，主要涉及齒輪和殼體

齒輪：有受速比變化需求引起的齒數(shù)調(diào)整，一般主要受客戶整車動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性匹配影響，對(duì)速比進(jìn)行改動(dòng)；有受到齒輪嘯叫要求提高引起的齒輪宏觀參數(shù)（如螺旋角）及微觀參數(shù)（齒形，齒向等）調(diào)整，一般受新匹配整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異而導(dǎo)致原齒輪設(shè)計(jì)嘯叫水平被傳遞路徑放大。B樣階段齒輪可采用整形磨齒工藝，與一般齒輪加工工藝相比，增加了關(guān)鍵的滾齒開粗及磨齒整形兩個(gè)工序，即精車兩端→滾齒開粗→磨齒整形→磨棱→清洗→熱處理→清理拋丸→硬車→熱后磨齒→成品檢測，該特殊工藝避免了采購新齒輪參數(shù)滾齒刀具，即靈活實(shí)現(xiàn)不同[整形磨齒工藝設(shè)計(jì) 袁方星]齒輪宏觀、微觀參數(shù)加工，又縮短了項(xiàng)目周期至少一個(gè)月時(shí)間，滿足了臺(tái)架及整車驗(yàn)證需求。

殼體：一般主要受到客戶新匹配發(fā)動(dòng)機(jī)影響，需要依據(jù)新發(fā)動(dòng)機(jī)后端面設(shè)計(jì)匹配的變速器離合器殼體，而殼體在CATIA軟件設(shè)計(jì)過程中，已經(jīng)將與發(fā)動(dòng)機(jī)接口面設(shè)計(jì)單獨(dú)分層，方便實(shí)現(xiàn)快速變更設(shè)計(jì)。對(duì)于B樣軟模階段，可以采用近年來興起的‘CNC鋁雕技術(shù)，即通過機(jī)床加工銑一塊適當(dāng)大小的鋁塊，加工出一個(gè)離合器殼體。該技術(shù)與以往的砂鑄件對(duì)比，提高了零件材料穩(wěn)定性和避免了砂鑄工藝殼體厚大部分容易出現(xiàn)氣孔、裂紋等的問題，此外，平均45天的制造周期，也可以有效的控制項(xiàng)目周期。對(duì)于C樣硬模階段，與客戶完成設(shè)計(jì)確認(rèn)并獲得開模指令后，可在最快95天內(nèi)完成壓鑄模具開發(fā)，開始交付殼體毛坯。

異形件：變速箱設(shè)計(jì)過程中可能涉及到部分異形件的開發(fā)，如為滿足局部特殊位置潤滑需求的導(dǎo)油蓋；主要為變速箱內(nèi)部油液引流至目標(biāo)零件，無需受力承載，材質(zhì)一般為塑料件，按照以往的經(jīng)驗(yàn)需要開快速成型模具來生產(chǎn)樣件。對(duì)于B樣軟模階段，使用3D打印技術(shù)，即用已完成的3D設(shè)計(jì)圖紙導(dǎo)入到3D打印程序中，即可快速加工出所需產(chǎn)品。與以往的開模后生產(chǎn)樣件模式對(duì)比，3D打印技術(shù)靈活快速，樣件試裝或試驗(yàn)過程中如需變更，可快速修改產(chǎn)品圖紙后重新打印樣件，可節(jié)約開模所需約30天制造周期。

3.2 開發(fā)驗(yàn)證試驗(yàn)，即設(shè)計(jì)驗(yàn)證，旨在確認(rèn)設(shè)計(jì)是否滿足變速箱基本功能及耐久要求

主要試驗(yàn)為如下類型：變速箱高速耐久試驗(yàn)，變速箱潤滑試驗(yàn)，變速箱高扭耐久試驗(yàn)等，以驗(yàn)證變速箱本體的基本功能及可靠性。變速器為一個(gè)復(fù)雜的變速箱機(jī)械系統(tǒng)，在機(jī)械產(chǎn)品可靠性分析中，宜用威布爾分布來描述。為了最短時(shí)間內(nèi)完成有效試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)策略應(yīng)選用刪失試驗(yàn)Ⅱ類[汽車變速箱可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)_汪文華]，即定數(shù)截尾試驗(yàn)，提前確認(rèn)試驗(yàn)樣本數(shù)量，可延長單次試驗(yàn)時(shí)間，達(dá)到規(guī)定的時(shí)間就停止試驗(yàn)。按照行業(yè)經(jīng)驗(yàn)變速器耐久設(shè)計(jì)使用壽命24萬公里，可靠性B10，置信度C50，選取試驗(yàn)樣本數(shù)量2個(gè)。即給定型號(hào)的變速器有50%的可信在一個(gè)生產(chǎn)批次內(nèi)將至多允許10%以內(nèi)的變速器數(shù)量在達(dá)到24萬公里之前出現(xiàn)故障。

基于試驗(yàn)的可靠度、置信度、確認(rèn)的試驗(yàn)樣本數(shù)量以及確認(rèn)試驗(yàn)的時(shí)間長度，可以計(jì)算出不同樣本量需要完成的試驗(yàn)變化量，其關(guān)系式為：

R=（1-C）1/λN

λ=（）3

其中R為可靠度，C為置信度，N為定義的試驗(yàn)樣本數(shù)量，λ為服從威布爾參數(shù)分布的試驗(yàn)周期比值關(guān)系式，Tnew為新樣本量下單次試驗(yàn)時(shí)間，T為原試驗(yàn)設(shè)定單次試驗(yàn)時(shí)間。

如表5，可知選取最少樣本量2，增加試驗(yàn)時(shí)間周期的至原試驗(yàn)比例的150%，也能滿足可靠性B10C50要求，可實(shí)現(xiàn)將試驗(yàn)周期縮短約2個(gè)月。

3.3 變速器TCU控制軟件標(biāo)定開發(fā)：

3.3.1 軟件開發(fā)

變速器控制單元TCU 的控制軟件在早期研發(fā)時(shí)期已經(jīng)做了分層處理，為了能更快的進(jìn)行新客戶OEM車型的快速開發(fā)。如圖3， 只需要對(duì)AP及VP層面軟件進(jìn)行新開發(fā)車型的軟件制作及標(biāo)定即可，減少了繁雜軟件開發(fā)及測試過程。

3.3.2 整車適配標(biāo)定

基于已經(jīng)具有一定成熟度的整車發(fā)動(dòng)機(jī)及DCT變速器軟件主要的工作內(nèi)容如下：

換擋線（shift map）標(biāo)定：基于車型的動(dòng)力性，油耗，舒適性等要求，根據(jù)油門和車速進(jìn)行變速器升降擋點(diǎn)調(diào)整適配，可以在實(shí)際車輛未裝配前，基于AVL公司的CRUISE軟件提前進(jìn)行無車狀態(tài)的桌面標(biāo)定。

換擋過程：基于變速器控制單元TCU 與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU信號(hào)交互，完成變速器內(nèi)部兩個(gè)離合器的打開與結(jié)合控制，從而實(shí)現(xiàn)扭矩交互，實(shí)現(xiàn)換擋，保證換擋過程中無頓挫，或動(dòng)力中斷感受。

蠕行與起步

● 蠕行：通過車速（一般小于6 km/h）的閉環(huán)PI來控制離合器的扭矩，從而控制車速穩(wěn)定到目標(biāo)車速內(nèi)。

● 起步：通過不同油門開度，變速器TCU設(shè)定不同的起步轉(zhuǎn)速，由控制離合器的扭矩來控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到標(biāo)定的目標(biāo)起步轉(zhuǎn)速

特殊工況標(biāo)定：智能化NVH噪音異響優(yōu)化等，AJC-Anti judder control防抖動(dòng)控制，離合器泵壓力過濾功能，減少由變速器控制導(dǎo)致的整車抖動(dòng)問題；

由于變速器軟件的高度成熟及PID閉環(huán)控制的更多運(yùn)用，減少了變速器標(biāo)定工程師的工作量。

此外，高溫、高原、高寒變速器軟件標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證均可在一年即12個(gè)月內(nèi)完成，結(jié)合上述高成熟度及智能化TCU軟件，給變速器標(biāo)定效率帶來了巨大好處，縮短了標(biāo)定開發(fā)周期，也確保新車型駕駛性及時(shí)達(dá)到上市要求。

4 結(jié)語

本文講述通過企業(yè)自身不斷的技術(shù)積累，開發(fā)出了一套快速且可靠的濕式雙離合變速器新車型研發(fā)流程；基于可靠的溫度熱模型，及耐久仿真分析，在項(xiàng)目研發(fā)前段就確認(rèn)關(guān)鍵可行性，為項(xiàng)目后期順利進(jìn)行創(chuàng)造了有利前提，項(xiàng)目研發(fā)過程中，不斷創(chuàng)新利用新制造加工等技術(shù)，提高效率，縮短研發(fā)周期，為企業(yè)在日益激烈的自動(dòng)變速器領(lǐng)域提升競爭力。

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