湿式双离合器压力控制系统研究

2011-07-25辛明厚郭晓林陈德民武东民

液压与气动 2011年1期

辛明厚，郭晓林，孙伟，陈德民，武东民，陈赣

(装甲兵工程学院机械工程系，北京 100072)

双离合自动变速器(DCT)是一种新型的自动变速器，它将变速器挡位按奇、偶数分别布置在与两个离合器所联接的两个输入轴上，通过离合器的交替切换完成换档过程，实现动力换档[1]。DCT与液力自动变速器、金属带式无级自动变速器及电控机械式自动变速器相比具有较大优势，一方面提高了车辆动力性能，另外它增加了车辆的行驶经济性和舒适性[2]。

1 DCT液压系统工作原理

在湿式双离合自动变速器中，换档控制与离合器压力控制均是由液压系统完成的。而其液压系统根据其功能的不同可以分为以下几个分系统：主压力控制系统、冷却润滑系统、离合器压力控制系统和挡位控制系统。DCT液压系统原理如图 1所示。

DCT液压泵采用的是内啮合齿轮泵，它安装在变速器的后方，发动机直接驱动液压泵，为整个系统提供压力油液。在泵压力输出处安装有机械式限压安全阀，在压力大于限定压力时，该阀会打开，油液进入回油油路，达到泄压的目的。

主压力调节系统(主压力滑阀、N217高速电磁阀、节流孔等)控制着主油路压力，它能根据换换挡策略等控制规律的需要输出合适压力。N217为高速电磁阀，是主压力滑阀的先导阀，它输入的占空比控制着主压力滑阀的位置，从而控制着整个液压系统的主压力。

冷却润滑系统实际上由两个系统组成，一个负责变速器机械部分的润滑，包括齿轮传动部分及双离合器等，另一个是双离合器的冷却系统，由于双离合器在起步、换挡等过程当中有滑磨，会产生一些热量，为保证双离合器的正常工作必须有合适的冷却系统。安装于离合器出油口的温度传感器可以检测到双离合器的温度，此信号将反馈于控制单元，控制单元经过计算将控制信号输出至高速电磁阀 N218，N218是离合器冷却机油滑阀的先导阀，因此反馈信号通过它可以完成对流量的控制。

离合器压力控制系统由安全滑阀、高速电磁阀、比例压力阀组成，整体控制思路如下：在主压力控制阀对压力进行调整之后，安全滑阀对离合器油路的压力进一步调整，再由比例压力阀对离合器的压力进行精确控制，作用于离合器活塞的压力，使摩擦片产生轴向位移。轴向配有复位弹簧，能够实现离合器的接合与分离。

下面对主压力控制系统与离合器压力控制系统进行重点分析，它们在 DCT液压系统中起着至关重要的作用。

2 主压力控制系统

主压力控制系统结构如图 2所示，其仿真模型如图 3所示。N217为高速电磁阀，是主压力滑阀的先导阀。

图1 DCT液压系统原理

图2 主压力控制系统结构原理图

图3 主压力控制系统模型

图2中的 5、3结构对应图 3中的 c、d，为滑阀开度，滑阀其余部分采用阀腔模块进行搭建，a为液压泵插值模块，利用实验数据进行插值。b代表节流孔，e用来模拟图 2中 2处弹簧活塞结构。该仿真模型从结构上尽可能地还原滑阀的实际尺寸。输入 PWM信号为 50 HZ，高速电磁阀采用理想模型，即不考虑电磁铁及物理响应滞后的影响。

图4为主压力控制系统的控制压力对输入占空比的响应曲线。从图 4可以看出主压力随着占空比输入的增大而减小，其中占空比在 20到 60一段的线性度较好。有利于电控系统对主压力的控制。高速电磁阀N217为常闭式高速电磁阀，即当无 PWM信号输入情况下 N217处于关闭状态，该状态下，滑阀主要受到左右两端压力及弹簧力的作用，这三个力平衡，滑阀处于静止状态，停留在阀体左侧。

图4 压力占空比响应曲线

当 N217输入 PWM信号之后，N217逐渐趋于开启，进油口经过 N217进行卸油，如图 2所示，消耗于节流孔 6、7上的压力降增大，2处压力降低，从而破坏了滑阀的平衡状态，并使其向右移动，此时，3处与 5处滑阀开度打开，进油口通过这两处卸压，即主压力降低，从而达到了控制主油路油压的目的。

另外主压力控制系统还起到了稳压的作用。如，在 N217无输入情况下，它能使系统的主压力保持在 2 MPa左右。如图 5所示，在仿真中使发动机转速从1200 r/min阶跃到 2000 r/m in，N217输入占空比为 0，图 6为主压力变化曲线，主压力随着发动机转速阶跃产生一个阶跃的波动，但是它并没有稳定在阶跃的最高点迅速恢复到原来的压力。

图5 发动机转速突变

图6 发动机转速阶跃

液压泵是直接由发动机提供动力输入，因此在发动机转速阶跃之后液压泵的输出流量增加，从而导致系统主压力有升高，但是主压力滑阀在这里起到了稳压的作用，图 7为主压力滑阀的阀芯位移曲线，可以看到在发动机转速阶跃之后阀蕊的位移增大了，如图 2所示，即 3处的开度增大，增大了回油速度，从而抵消掉转速升高带来的影响。

图7 主压力滑阀阀芯位移

3 离合器压力控制系统

主油压经过主压力调节系统、安全滑阀调压系统，最后进入比例压力阀，对进入离合器的压力进行精确控制。比例压力阀对压力的控制相对于主压力系统及安全滑阀调压系统具有高线性度，高精度的特点。比例压力阀结构原理如图 8所示。

图8 比例压力阀结构原理图

当比例电磁铁输入控制电流时，衔铁推杆输出的推力推动阀芯运动，与作用在阀芯上的液压力平衡，从而决定了滑阀开度值，该比例压力阀开度值变化微小，若忽略液动力的影响，则可认为在平衡条件下，这种比例压力阀所控制的压力与比例电磁铁的输出电磁力成正比，从而与输入比例电磁铁的控制电流近似成正比。

值得注意的是该阀与一般的比例压力阀不同，如图 8所示，它没有弹簧，比例电磁铁输出的力直接与作用在阀芯上的液压力平衡，加快了阀芯的响应速度。另外，该阀用来控制自动变速器的离合器油缸，在离合器的接合与分离过程中会产生振动，从而导致油压波动，而 f处的弹簧蓄能器能够起到一个缓冲的作用，从而削弱振动。

比例压力阀仿真模型如图 9所示，油液参数的设置同主压力控制系统，该比例压力阀模型采用带弹簧活塞为背压元件，如图中 E所示。图 9中 A、B分别代表比例压力阀的两处滑阀开度(如图 8中 h、g所示)，图中 C、D分别代表比例压力阀中的两处节流孔，其中图中 F为缓冲蓄能器。

图9 比例压力阀仿真模型

如图 8所示，从安全滑阀输出的压力油经过进油口 c进入比例压力阀，经过滑阀开度 g进行降压，最后输入到离合器活塞，从而控制离合器的接合与分离。但是离合器的油腔容积有限，而且在工作时也并不是一直向活塞中充油，因此从 d输出的液压油需要经过滑阀开度 h流入回油油路，产生流量，来保证流经 h开度的压降稳定，从而保证离合器活塞压力稳定，当阀芯处于最左端时，离合器活塞压力经过 h开度完成卸压。

在仿真中对比例压力阀输入一斜坡信号，该信号时长为 10s，占空比从 0增大到 100%。比例压力阀的斜坡响应曲线如图 10中曲线 1所示，其中在两端占空比较大与较小时存在死区，经过滑阀开度 h流入回油油路的流量如图 10中曲线 2所示，图 11中 g、h曲线分别代表图 8中两个滑阀开度 g、h值的变化曲线，排除死区部分的影响，可见随着占空比的不断增大，滑阀g开度值不断增大，滑阀 h开度值不断减小，与此同时比例压力阀输出压力线性增加，而经过 h开度流入泄油回路的流量不断减小。

图10 斜坡信号响应曲线

图11 开度响应曲线

如图 8所示，比例压力阀存在两个节流孔 i、j，这两个孔能够对比例压力阀的响应速度产生较大影响。在两次仿真过程中，分别对比例压力阀输入同一个占空比阶跃信号，如图 12所示，随着节流孔 j与节流孔 i直径的减小，压力响应时间变长，超调变大。对系统不利，但是这两个节流孔的直径也不是越大越好，根据工作工况及油性质等因素的不同，它们之间存在一个最优的匹配关系。

图12 节流孔直径对压力响应的影响

DCT对离合器压力的控制要求是非常高的，它直接影响到 DCT的换挡品质，而比例压力阀承担着对离合器压力进行精确控制的任务。图 13为比例压力阀压力占空比响应曲线。

从图 13可以看出，占空比在 10%之前与 90%之后该阀对压力的控制存在死区，如图 14所示为比例压力阀阀芯位移曲线，可以看到阀芯在两端位置未能正常响应，因此在两端位置不具有可控性，占空比在 10%与 90%之间，该阀对压力的控制比较理想，输出压力与输入占空比成正比关系，而且线性度很高。比例压力阀与安全滑阀、主压力阀相比，具有高精度，高响应的特点，从而满足对离合器压力精确控制的要求。

图13 占空比压力响应曲线

图14 阀芯位移曲线

4 台架实验

由于 DCT液压系统比较复杂，而且在用 AMESim仿真分析过程当中对其中的一些结构进行了理想化处理，因此需要通过实验对仿真进行验证。图 15为实验台架。

图15 DCT液压系统验台

实验数据处理如图 16所示，实验结果与仿真结果对比可以发现尽管存在误差，但是两者能够基本吻合，验证了仿真模型的正确性。

对比分析可以看出：由于仿真过程当中存在不同程度的理想化导致仿真结果比较理想，各种阀的特性曲线线性范围更大，效果更好，如实验得到比例压力阀的有效区间为 20%到 95%，其死区范围比仿真结果要大很多，这是由于仿真过程中对某些条件的忽略造成的。尽管如此比例压力阀的线性程度最高，他是离合器压力精确控制的关键，它的占空比可调范围最大，线性程度更高。