双离合自动变速器效率提升的方法及其对整车油耗的影响

王小明　谭艳军　林霄喆　方少权

摘 要：文章以7速濕式双离合自动变速器（dual clutch transmission，DCT）的效率为研究对象，对其影响因素进行分析，研究变速器润滑油量和壳体导油结构优化对其的影响，通过构建机械效率损伤模型，运用仿真分析和试验相结合，分析测量了优化后的变速器效率对整车油耗的优化效果。试验仿真数据显示：减少离合器腔体存油量、适当变速器大齿圈搅油损失，对提高效率减少油耗有极大影响。文章构建了有效的效率仿真模型，为分析变速箱效率提供了快速有效的方法;最后通过优化腔体和油量提高变速箱的效率，整车经济性数据显示油耗有明显的改善，此思路为搭载湿式双离合变速器的车辆油耗改善提供指导及依据。关键词：湿式双离合器式自动变速器;传动效率;搅油损失;润滑油量;经济性;计算模型中图分类号：U463.212  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）01-129-05

Abstract： For the seven-speed wet dual clutch automatic transmission （dual clutch transmission， DCT）. The influence factors of affecting the transmission efficiency of the transmission is analyzed， and the transmission oil lubricating oil quantity and guide shell structure building damage model and mechanical efficiency through the simulation analysis and test， the combination of analysis to measure the optimized effect of the transmission efficiency of the optimization of vehicle fuel consumption. The test results show that reducing the oil storage in the clutch cavity and decreasing the lubricating oil can improve the transmission efficiency. An effective efficiency simulation model was built in this paper， which provides a fast and effective method to analyze the efficiency of gearbox. Finally， by optimizing the cavity and oil volume to improve the efficiency of the gearbox， the economic data of the vehicle shows that the fuel consumption has been significantly improved. This idea provides guidance and basis for the improvement of fuel consumption of vehicles equipped with wet dual-clutch transmission.Keywords： DUAL WET Transmission; Efficiency; Churning loss; Oil level; Economic; Simulation modelCLC NO.： U463.212  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）01-129-05

前言

在全球强烈抑制地球温室气体排放的背景下，为了降低排放，提高汽车的燃油效率，世界各国导入了油耗法规，要求不断严苛《汽车产业中长期发展规划》2020年以后，中国政府将施行世界最严的油耗法规，在2020年乘用车新车油耗将由5L/100km降至2025年的4L/100km，综合现有各类自动变速器的特点，DCT相较AT有更高的传动效率，相较CVT有更大的扭矩传递能力，其克服了动力中断、扭矩限制、传动效率低等缺点，兼具驾驶安全和舒适特性。特别是湿式型DCT可搭载从经济性轿车到跑车、从传统汽车到混合动力汽车的各个级别、各种类型的车型;并且基于现代电液控制技术在DCT平台的全面应用，DCT现已完全适应怠速启停、起步蠕动、坡道保持、且可以在其基础上扩展开发出混合动力功能。因此，现阶段众多车企都将开发DCT及混动产品作为汽车动力发展的主要方向，如图1 所示。

在整个变速器行业乃至整个汽车行业，电气化、高效化都是未来汽车发展的重要方向，对湿式变速箱而言，其效率的高低最直接反应的是整车的油耗[1]。

众多因素影响着湿式双离合器的效率，但其中变速箱的齿轮搅油损失占主要影响，齿轮的啮合及离合器的分离结合、以及其他密封、轴承、泵类等零件的磨损及效率也占部分影响[2]。本文主要从变速箱油的液位高度即油量和离合器搅油损失等两个较为重要且容易实施方案验证的因素进行探讨，通过仿真分析、试验验证等手段，分析离合器搅油、液位高度对湿式双离合变速器传动效率的影响，为湿式双离合变速箱效率的提升提供可靠的技术方案和思路，为广大变速箱的效率提升和优化提供可靠的依据。

1 研究对象

1.1 DCT变速器結构

通过研究吉利某款首发变速箱的工作原理及其构造，对其效率的提升进行分析。研究的变速箱为双离合多片式静液高压控制双离合变速箱，两个离合器分别扩展至变速箱的奇数档位和偶数档位，通过高效的静液高压离合器分离执行机构控制双离合器的闭合等动作，同时每个档位均配置了传统的同步器和换挡装置，选换档操作采用了有别于传动液压控制模块的电机执行机构，对离合器对应的每个挡位，进行选换档操作。双离合变速箱的速比范围为：2.95～16.401。该研究对象的原理图和轴向结构剖视图如图2和图3所示。

方案1：如图5左侧方案1所示，出油口位置在离合器壳体下端;

方案2：如图5中间所示，出油口位置在离合器壳体下端，出油口面与方案1有差异;

方案3：如右图5右侧方案3所示，出油口位置在离合器壳体侧面。

1.4 模型说明

模型包括离合器壳、输入轴及离合器数据;

模型只保留离合器腔体及离合器外端轮廓;

离合器壳体壁厚省略，只保留流体区域;

如下图6所示，考虑离合器内部结构复杂，生成网格数量较大，计算耗时较长等原因对离合器结构进行模型简化。

仿真结果图7：

图8为离合器腔内存油量对比结果，从图中可以看出，方案三即出油口位置在离合器腔体侧面靠上的方案腔内存油量较少。

从三个方案离合器腔内存油量结果来看，方案3即出油口位置在离合器腔体侧面靠上位置相对存油量较少，方案较优。

1.5 降油量仿真分析

通过油位试验（最低油位试验、最高油位试验、油位油温试验、不同挡位油位变化试验）确定 DCT变速器润滑油用量[6]。现量产的本文的研究对象实际润滑油量为4.5L。对于其他油量的研究将在本文继续开展，主要研究液位从4.5L，依次逐渐0.5L减少，直至油量到3.5L。

1.5.1 模型标定

根据搅油损失数学模型，进行仿真输入，得到如图9的各档位的效率曲线;由于仿真的模型存在部分接口信息及模型修正问题，本文采用实测数据对该仿真模型进行物理标定和修正。

从该仿真结果看出：将油量分别降低0.5升和1升（相当于油位分别降低10mm和20mm），扭矩损失平均降低25% ～45%。

图11和图12的仿真结果表明：

在1档时4.0L油量效率相对提升1.0%;

在4档时4.0L油量效率相对提升1.5% ;

在7档时4.0L油量效率相对提升2.0%;

1.6 传动效率实测试验

1.6.1 试验台架

式中：

η为效率;

Tin、nin为变速器输入端扭矩和转速;

TL、nL为变速器左端输出扭矩和转速;

TR、nR为变速器右端输出扭矩和转速;

1.6.2 试验方法

根据变速箱在整车上的安装方向和角度在试验台架上安装变速器，使安装后的变速箱与整车装配角度位置一致;连接变速箱加载电机、输出电机、扭矩、转速、油温传感器等，按表 1 中工况调整挡位、油温、输入转速、输入转矩，进行传动效率试验[5]。

实际传动效率试验温度按 60℃～80℃，依次递增20℃;输入转矩按最大转矩的 20% ～100%，依次递增;输入转速按 700 /1000 /1500 /2000 /3000 /4000 /5000 /6000r / min。

因为变速箱正常工作温度在（85±5）℃ 左右，同时参考格特拉克、爱信等变速箱，选取温度 40、60、80℃ ，扭矩选取35Nm、50Nm、75Nm、100Nm、150 Nm几个工况，选择转速700～3000 r/min（常用转速段低于 3000 r/min），进行效率测试。

1.6.3 试验数据

变速箱的实物效率测试台架如图14所示。按照 2.6.1的试验方法及（6）式的计算方法，开展试验，采集表1所需要所有数据，本文以温80℃、无预挂档的1、4、7档数据为例，进行展示，比较壳体导油孔改善和降油量前后效率改善情况对比，所采集的对比数据如图15所示。

1.6.4 效率测试结果

由图15及图12可知，效率仿真数据和实测数据一致性高，降低润滑油用量，在不同档位、扭矩、转速下，效率值会提升0.5～5%个点。

由于变速器液位不能无下限降低，为防止在极端倾斜状况会出现的吸空等现象，企业在进行了不同液位的液位台架及整车试验后，验证4.0L液位方案可行。

2 效率提升对油耗的影响

为测试变速箱效率提升对整车经济性带来的影响[7]，本文选择了吉利某款搭载了该变速箱的整车进行了不同工况下的经济性数据对比：

本文选取的整车相关参数见表2：

由表3分析，在变速箱结构及效率改善0.5～5%后，整车油耗降低了0.39%～0.84%个点;

3 结论

（1）通过模拟仿真及实测对比分析的手段，验证了效率仿真模型的可行性，设计人员可重复使用，为后期分析变速箱效率提供了快速有效的方法。

（2）本文主要通过构建机械效率损伤模型，运用试验及仿真的手段，分析了减少离合器腔体存油量、适当降低变速器大齿圈搅油损失，为此后搭载湿式双离合变速器的效率及其车辆油耗改善提供指导及依据。

（3）通过分析双离合自动变速器效率及搭载整车经济性试验结果，识别其影响整车油耗的相关因素，变速箱的效率对整车的油耗影响较为明显。通过效率提升0.5～5%，整车油耗降低了约0.39%～0.84%个点，为搭载双离合变速器车辆油耗改善提供指导。

参考文献

[1] 霍曉强，吴传虎.齿轮传动系统搅油损失的试验研究[J].机械传动2007，31（1）：63-65.

[2] 陈飞，方志勤，崔刚.双离合器式自动变速器传动效率影响因素分析[J].西华大学学报：自然科学版，2018.

[3] British Standards Institute BS ISO/TR 14179-1：2001， Gears-Ther -mal Capacity-Part 1： Rating Gear Drives with Thermal Equilibrium at 95 °C Sump Temperature.Part 2：Thermal Load- carrying Capacity， 2001.

[4] Zhou X， Walker P， Zhang N， et al. Numerical and experimental inves -tigation of drag torque in a two-speed dual clutch transmission[J]. Mechanism and Machine Theory， 2014， 79：46-63.

[5] C. Changenet， P. Velex， A model for the prediction of churning losses in geared transmissions-preliminary results， J.Mech. Des.129 （1） （2006） 128-133.

[6] 邱明明，唐凯聪.双离合自动变速器传动效率理论计算与实验研究[J].机械传动，2014，12-0091-05.

[7] 王治平，章新.汽车变速器传动效率的建模与仿真[J].汽车工程， 2014，36（10） ： 1285.