双离合自动变速器降挡过程滑磨功分析

向永乐，杨翔宇，谢明，张君

(重庆理工大学车辆工程学院，重庆 400054)

双离合自动变速器降挡过程滑磨功分析

向永乐，杨翔宇，谢明，张君

(重庆理工大学车辆工程学院，重庆 400054)

分析了双离合自动变速器降挡过程中离合器C1与C2的滑磨情况。根据某车型有关参数，利用Matlab对选取的3种典型控制策略进行计算分析，给出了降挡过程中离合器C1与C2滑磨时间的判定依据与角速度的计算方法。计算了3种控制策略下离合器C1与C2的滑磨功，并对其进行了分析对比。

双离合器;控制策略;滑磨功

双离合自动变速器(dual clutch tansmission，DCT)结合了自动变速器(automatic transmission，AT)和机械式自动变速器(automated mechanical transmission，AMT)在舒适性和经济性方面的优势，不仅传动效率高、结构紧凑［1］，还消除了AMT在换挡过程中动力中断的缺点，实现了动力性换挡［2］。因此，双离合自动变速器具有广阔的发展空间和应用前景。然而由频繁换挡过程中产生的大量滑磨功导致的摩擦片温度过高甚至失效仍为当前一大难题。本文就降挡过程中离合器C1与离合器C2所产生的滑磨功进行分析。

1 DCT结构及工作特点

图1为双中间轴式干式离合器1，2挡结构简图。2个离合器C1，C2共用同一个主动盘交替工作，其中:离合器C1负责空心轴上1，3，5，7挡的动力传递;离合器C2负责实心轴上2，4，6及倒挡的动力传递。以2挡降1挡为例，在降挡过程中，离合器C2逐渐分离，离合器C1逐渐结合，离合器C2与离合器C1前后交替工作，两者将有一段重叠工作时间，本文称为重叠量。根据不同的控制策略，重叠量也不相同。为论述方便，本文统称换挡过程中逐渐结合的离合器为结合离合器，逐渐脱开的离合器为脱开离合器。

图1 双离合器1，2挡结构简图

2 控制策略的选定及所研究车型相关参数

不同的换挡控制策略决定了离合器的具体工作过程，本文选取3种典型控制策略进行分析。离合器C1所能传递的力矩TC1与离合器C2所能传递的力矩TC2随时间t按如下3种控制策略变化(均以离合器C1开始结合时为0时刻参考点):

控制策略1

控制策略2

控制策略3

TC2=-11 108-500·t，-22.71≤t≤-22.21

本文研究的车型有关参数如下:

1挡传动比(i1):3. 764;

2挡传动比(i2):2. 272;

驱动桥减速比(i0):4. 437;

汽车总质量(W):1 800 kg;

车轮滚动半径(RT):45 cm;

离合器转矩容量(Tmax):250 N·m。

为研究方便，本文作如下假设:①所用发动机为理想原动机;②1，2挡车辆速度较低，忽略风阻的影响。

为判断离合器的滑磨情况，滑磨功的计算必不可少。为计算滑磨功必需知道离合器的滑磨时间、转速差及滑磨力矩的大小。因此，为完成滑磨功的计算，须确定以下3点:①离合器何时开始滑磨与何时停止滑磨，本文将其分别称为始滑点与止滑点;②离合器主、从动盘的角速度差的计算方法;③离合器传递滑动摩擦力矩的大小。

2.1 控制策略1的分析2.1.1C2滑磨情况分析

该控制策略下，离合器C1，C2的重叠量为0.5 s。由于离合器C2的转矩容量远大于汽车2挡行驶时的阻力矩，因此C2分离初始时刻所传递的力矩为静摩擦力矩，C2并未进入滑磨状态。当C2尚未滑磨时，汽车仍以2挡速度行驶，那么离合器C1从动盘转速将高于主动盘转速，因此C1一开始结合就立即进入滑磨状态，且C1所传递的力矩与C2所传递的力矩方向相反，使C2所传递的静摩擦力矩增大。本文将离合器从动盘转速高于主动盘转速时所传递的力矩称为反拖力矩。因此存在这样一个阶段，C2已经开始减压却尚未进入滑磨，本文称之为平衡态阶段。在该阶段有如下力矩平衡方程:

式(1)中:T'C1为离合器C1实际所传递的力矩; T'C2为离合器C2实际所传递的力矩;MT2为2挡道路阻力矩，可用下式计算［3］:式(2)中:W为汽车总质量;g为重力加速度;i0为驱动桥减速比;ik为k挡传动比;φ为道路阻力系数，φ可用下式计算

式(3)中:f为滚动阻力系数，微型车、轻型车及轿车可取f=0. 015;α为坡度。

由力矩平衡方程分析可知:在平衡态阶段，离合器C2实际所传递的力矩由阻力矩与离合器C1实际所传递的力矩共同决定。由于离合器C1开始结合就进入滑磨且其所传递的力矩为反拖力矩，所以该阶段T'C1=-TC1。随着TC1的增大，T'C2随之增大，然而离合器C2所能传递的力矩TC2逐渐减小，那么当T'C2=TC2时离合器C2将进入滑磨状态，且此后T'C2始终与TC2相等。代入相关数据算得当t=0.179 s时C2进入滑磨，即t=0.179 s为C2的始滑点。显然，C2分离完毕就停止滑磨，即t=0.5 s为C2止滑点。在0.179～0.5 s内C2从动盘角速度为

式(4)中:ω0为C2主动盘角速度;β2为C2从动盘角加速度，可由下式计算:

式(5)中:J2为汽车2挡当量惯量;J2可由下式计算［3］:

在该控制策略下，离合器C2所产生的滑磨功(0.179≤t≤0.5)为

在该控制策略下C1，C2所传递的力矩及C2滑磨功随时间的变化关系如图2所示。

2.1.2 C1 滑磨情况分析

根据本文对C2的滑磨情况分析可知:C1自开始结合就立即进入滑磨状态，因此t=0 s为C1的始滑点。0～0.179 s内汽车仍以2挡车速行驶，因此C1从动盘转速恒定为

图2 控制策略1下C1，C2所传递的力矩及C2滑磨功变化情况

0.179s以后离合器C1从动盘开始有角加速度，0.179～0.5 s内C1从动盘角速度为

式(9)中:β1为C1从动盘角加速度，可由下式计算:

式(10)中:MT1为汽车1挡道路阻力矩;J1为汽车1挡当量惯量。

由此可算得当t=0.5 s时，离合器C1从动盘角速度仍高于主动盘角速度，即当离合器C1已经结合完毕后，C1仍未停止滑磨。由此可见，0.5 s以后C1从动盘仍会继续减速。从0.5 s到C1主、从动盘同速之前，C1从动盘角加速度恒定，其角速度为

式(11)中β'2为C1从动盘0.5 s以后的角加速度，可由下式计算:

计算可得当t=0.968 s时C1主、从动盘达到同速，即t=0.968 s为C1的止滑点。由以上分析可知:降挡过程中离合器C1的滑磨功须分为3个阶段进行计算。

第1阶段:0≤t≤0.179 s

第2阶段:0.179≤t≤0.5 s

降挡过程中C1产生的总滑磨功为3个阶段滑磨功之和。

2.1.3 C1实际传递力矩分析

由本文分析可知，离合器C1从开始结合到其主、从动盘同速之前，C1所传递的力矩始终为反拖力矩，即其所传递的力矩使车速加速下降，力矩与阻力矩同向，为负值。当C1主、从动盘达到同速时，其传递的力矩由负值瞬间变为正值，以克服车辆行驶阻力矩，即在降挡的过程中离合器C1实际所传递的力矩T'C1有突变，其主、从动盘同速点即为力矩突变点，也为止滑点。该控制策略下C1，C2所传递的力矩及C1滑磨功随时间变化关系如图3所示。

第3阶段:0.5≤t≤0.968 s

图3 控制策略1下C1，C2所传递的力矩及C1滑磨功变化情况

2.2 控制策略2的分析

同于控制策略1的分析，该控制策略下离合器C2在t=0.066 s时进入滑磨状态，t=0.2 s时终止滑磨，C1，C2所传递的力矩及C2的滑磨功如图4所示。图中时间以离合器C1开始结合时为0时刻参考点，时间为负值表示离合器C1开始结合之前离合器C2就已经开始分离。

由本文有关C1从动盘角速度的计算方法可得:该控制策略下，离合器C1主、从动盘的同速时刻为t=0.894 s。C1所产生的滑磨功分以下4个阶段来进行计算:

第1阶段:0≤t≤0.066 s;

第2阶段:0.066≤t≤0.2 s;

第3阶段:0.2≤t≤0.5 s;

第4阶段:0.5≤t≤0.894 s。

其中第1，2，4阶段C1从动盘角速度算法分别同于控制策略1中1，2，3阶段C1从动盘角速度算法。第3阶段C1从动盘角速度为

其中β'1为C1从动盘在0.2～0.5 s内的角加速度，可由下式计算:

图4 控制策略2下C1，C2所传递力矩及C2滑磨功变化情况

在该控制策略下C1，C2所传递的力矩及C1滑磨功随时间变化关系如图5所示。

图5 控制策略2下C1，C2所传递力矩及C1滑磨功变化情况

2.3 控制策略3的分析

综合控制策略1与控制策略2的分析，在控制策略3下C1，C2所传递的力矩及C1，C2滑磨功随时间的变化关系如图6所示。

由图6可知:在该控制策略下，离合器C1，C2所产生的滑磨功都相当小，但其动力中断时间较长。因此，降挡过程中C1，C2无重叠量，可使C1，C2滑磨功均很小。

图6 控制策略3下C1，C2所传递力矩及各自滑磨功变化情况

3 结束语

双离合自动变速器在降挡过程中，脱开离合器并非一开始减压就立即进入滑磨状态，其始滑点为离合器所能传递的力矩等于当前离合器从动盘上负载力矩的时刻点。对于结合离合器，加压结束并非滑磨结束的标志，其止滑点只能以主、从动盘同速时确定。

降挡过程中，C1与C2重叠工作对两者均不利，重叠量越大，两者滑磨功越大。采用C2完全脱开以后C1再结合的控制策略，可使C2滑磨功在整个降挡过程中达到最小值。当离合器C1在其从动盘转速还高于其主动盘转速时结合，则会产生反拖力矩，且在主、从动盘达到同转速时出现力矩突变。结合离合器上所产生的滑磨功须分阶段计算，根据不同的控制策略其所分阶段亦不相同。

本文填补了双离合自动变速器降挡过程中离合器始滑点与止滑点判定依据的空白，为滑磨功的计算奠定了重要基础，亦为离合器温度的研究创造了前提条件。在后续的研究中，可根据实际发动机特性曲线建立模型以完成更精确计算。

［1］Kulkarni M，Shim T，Zhang Yi.Shift dynamics and con

trol of dual clutch transmission［J］.Mechanism and Machine Theory，2007，42(2):168-182.

［2］Goetz M，Levesley M，Corolla D.Integrated power train control of gearshifts on twin clutch transmissions［J］. SAE，2004(1):1637.

［3］汽车工程手册.实验篇［M］.北京:人民交通出版社，2000:153-154.

［4］Goetz M，Levesley M C，Crolla D A I.Dynamics and control of gearshifts on twin clutch transmissions［J］.Journal of Automobile Engineer，2005，219(D8):951-963.

［5］Ge Anlin，Others.Research on Dynamic 3-parameter Gear-Shift Schedule［J］.SAE，1991(2):488.

［6］KULKARNI M，SHIM T，ZHANG Y.Shift dynamics and control of dual-clutch transmissions［J］.Mechani-sm and Machine Theory，2007，42(2):168-182.

［7］ZHANG Y，CHEN X，ZHANG X，et al.Dynamic modeling and simulation of adual-clutch automated lays-haft transmission［J］.Journal of Mechanical Design，2005，127 (2):302-307.

［8］AMIR I A，QIN Datong，LIU Zhenjun.A control strategy on starting up of vehicle with automatic manual transmissions［J］.Information Technology Journal，2005，4(2): 140-145.

［9］Kulkarni M，Shim T，Zhang Yi.Shift dynamics and control of dual～clutch Transmission Mechanism and Machine Theory［M］.USA:［s.n.］，2006.

［10］Schnetzler S，Petersson J，MUrtonen P.Quality Assurance of Driver Comfort for Automatic Transmissions［J］. SAE，2000(1):175.

［11］Persson J.Intergrated powertrain control—a literature survey on longitudinal vibrations，drivability aspects and，future challenges［D］.Sweden:Chalmers University，2004.

［12］葛安林.车辆自动变速理论与设计［M］.北京:机械工业出版社，1991.

［13］金伦，程秀生，葛安林，等.AMT换挡过程的离合器控制［J］.汽车技术，2006(1):11-13.

［14］吴光强，杨伟斌，秦大同.双离合器式自动变速器控制系统的关键技术［J］.机械工程学报，2007，43(2):13 -21.

［15］张哲诚.浅析双离合器自动变速系统模型的建立［J］.中国高新技术企业，2010，18.

［16］屠海峰.基于DCT结构的动力换档过程研究［D］.重庆:重庆理工大学，2010.

［17］李瑜婷，赵治国，章桐.DCT变速器双离合器压力最优控制方法的仿真研究［J］.中国机械工程，2010，21 (12):1496-1501.

［18］杨昭.双离合器自动变速器动力学建模及仿真研究［D］.吉林:吉林大学，2007.

(责任编辑 何杰玲)

Sliding Friction Work of Dry Dual Clutch Automatic Transmission in Downshift Process

XIANG Yong-le，YANG Xiang-yu，XIE Ming，ZHANG Jun

(School of Vehicle Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

This paper analyzed the clutch1 and clutch2’s friction of dual clutch automatic transmission in downshift process.Based on the parameters of a car，we selected and analyzed three kinds of typical control strategies，and gave the discriminant basis of clutch1 and clutch2’s sliding wear time. We calculated clutch1 and clutch2’s sliding friction work of three kinds of control strategy and analyzed it comparatively.

dual clutch;control strategy;sliding friction work

U463

A

1674-8425(2014)06-0014-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.06.003

2013-10-25

重庆市教委科技项目(KJ080619)

向永乐(1988—)，男，硕士研究生，主要从事双离合器自动变速的研究。

向永乐，杨翔宇，谢明，等.双离合自动变速器降挡过程滑磨功分析［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(6):14-18.

format:XIANG Yong-le，YANG Xiang-yu，XIE Ming，et al.Sliding Friction Work of Dry Dual Clutch Automatic Transmission in Downshift Process［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(6):14-18.