DCT变速箱液压系统的能耗分析与优化研究

王中华 郑海兵 杨士先

摘 要：本文将针对变速箱液压系统中油泵及电磁阀的能量消耗，建立液压系统数学计算模型。以DCT变速箱为例，基于NEDC循环，展开能耗计算分析。并基于现有的DCT液压系统，给出了降低能耗的措施。

关键词：液压系统;数学模型;能量消耗

0 序言

降低能耗提升效率是變速箱技术发展永恒不变的主题。变速箱作为传动系统的关键环节，其能耗研究一直备受关注。从手动变速箱到自动变速箱的变化，主要增加的为自动化的控制系统，而电控液压式控制系统是现有大多数自动变速箱的采用的技术方案。自动化的控制系统，无论是采用何种形式，都会产生能耗的损失，造成变速箱效率的降低。

本文将基于DCT液压控制系统，展开液压系统的能耗计算分析，同时对液压系统的能耗优化展开研究，提升变速箱总成的效率。

1 DCT液压控制系统的介绍

为如图1所示，为一款DCT的液压原理图，该系统由四个部分组成，其中A部分代表档位控制系统，B部分代表双离合器控制系统，C部分为冷却润滑系统，D部分为压力供给调节系统。

档位控制系统，通过31-奇数档压力调节阀，33-奇数档流量调节电磁阀35-奇数档选档电磁阀，实现奇数档（1档，3档，5档）的接合与脱开，同理，通过32-偶数挡压力调节电磁阀，34-偶数挡流量调节电磁阀36-偶数挡档位选择电磁阀，实现偶数挡（2档，4档，6档）和R档的接合与脱开。

离合器控制系统，通过25-离合器1压力调节电磁阀和27-离合器1支路开关电磁阀控制离合器1支路的压力，实现离合器1的接合和脱开，同理，通过26-离合器2压力调节电磁阀和29-离合器2支路开关电磁阀控制离合器2支路的压力，实现离合器2的接合与分离。

冷却控制系统，齿轴系统和双离合器采用强制润滑，41-离合器冷却阀可以根据双离合器冷却流量需求实现实际流量的调节。

压力供给调节系统，由发动机驱动的机械泵实现压力油的供给，37-主压力调节电磁阀和38-主压力调节滑阀，共同作用，实现主压力的调节。

2 液压系统的能耗分析

DCT液压系统耗能主要来源于两部分：+一是由发动机直接驱动的齿轮泵为液压系统提供动力而产生的耗能;二是由靠蓄电池供电通过TCU（变速箱控制单元）驱动的电磁阀动作而产生的耗能。

2.1 油泵能耗数学模型

2.3 DCT液压系统的能耗计算

对于变速箱能耗分析，NEDC循环工况为一种具有代表性典型工况，下面将基于该工况分析液压系统的能耗。

（1）齿轮泵的能耗计算分析。当前的液压系统采用了一个排量为16.8cc/rev的齿轮泵，油泵驱动的扭矩受出口压力和转速而影响，油泵的驱动扭矩可用下式5进行计算（基于当前的发动机转速和油泵出口压力）。

说明：公式5，通过油泵台架试验数据（不同出口压力和不同转速下的油泵扭矩测试值而得到）拟合而得到。

根据软件实时控制策略，得到主压力控制值和当前的发动机转速，即可求解得出实时驱动油泵所需的扭矩，然采用公式1和公式2即可计算出驱动油泵所消耗的功以及驱动油泵所需要的平均功率。

通过计算，在NEDC循环工况下，驱动油泵所消耗的功为296.31 kJ，平均消耗功率为251.11 W。

（2）电磁阀的能耗计算。当前的液压系统，所有的电磁阀的供电电压按照12V进行计算，对于电磁阀的工作电流，以实际采集电磁阀的工作电流进行计算。

基于NEDC循环工况采集的电磁阀实际电流，12个电磁阀功总共消耗能量为73.302 kJ，平均功率消耗为62.12 W。

另外，从图2中，可以看出25和26两个离合器开关电磁阀消耗能量最大，约占总能量消耗的57%。其次为37主压力调节阀，占总消耗的15%，然后为41-离合器冷却调节阀，占总消耗的13%，27，28两个离合器压力控制阀占总消耗的14%。剩余电磁阀占总能量消耗的1%。

从上述计算，可以得出，基于NEDC循环工况，当前的液压控制系统总功消耗为369.612 kJ，平均功率消耗为313.23 W。

3 液压系统能耗的优化措施

3.1 电子泵技术的应用

现在市面上的大多数自动变速箱只布置有一个机械泵，机械泵在设计时，受到用户的需求（机限工况下的需求）和发动机转速的限制，往往设计了一个较大的排量，机械泵输出的流量，在正常工况下，常常会大于用户的需求。容积造成功率的损失和浪费。

随着电子泵技术的不断发展，开始应用于自动变速箱，小排量的机械泵+电子泵的油液供给系统逐渐会成为自动变速箱液压控制系统的标配。其中小排量的机械泵用于满足正常工况下的用户的需求，而电子泵只有在机械泵不能满足用户需求时进行压力和流量的补充。

按照设计经验和市场上电子泵产品，通常选择一个200～250 w的电子泵产品，用于系统的补充，这时机械泵的排量可以缩小至原来尺寸的2/3，小排量的机械泵排量设定为11 cc/rev。

对于小排量油泵的驱动扭矩，可以按照下面的公式进行计算;

基于NEDC循环工况，使用公式1和公式2，可以计算出使用小排量油泵在该工况下驱动油泵所消耗的功为218.79 kJ，平均功率消耗为185.41 W。

式7中，代表电子油泵所消耗的功，代表电子油泵的功率，代表电子泵的出口压力，代表电子油泵出口流量，代表电子泵的工作时间;式8中，代表电子油泵基于NEDC循环工况的平均功率。

3.2 液压控制系统优化

根据2.3章节的计算结果，25，26-离合器开关阀的能量消耗占到所有电磁阀能量消耗的57%，这两个电磁阀在系统中起到安全的作用，只有在27，28-离合器压力控制阀出现故障（压力不能关闭）时，这两个阀可以关闭，保证整车的行驶安全。随着能量消耗的要求，可以取消25，26-离合器开关阀，当离合器压力控制阀出现故障时（压力不能关闭），通过改变控制策略，降低主压力（降低至离合器压力结合点以下），也可以实现离合器动力的切断，保证整车的行驶安全。

通过减少电磁阀，在NEDC循环工况下，电磁阀的能量消耗，可降低至31.65 kJ，平均功率消耗降低至26.82 W。

通过电子泵技术的应用和电磁阀数量的减少，DCT液压系统的能量消耗降低至252.38 kJ，平均功率消耗为213.88 W。相对于原系统，平均功率损耗减少100 W。当量于0.3 L/100 km的油耗。

4 结论

从计算结果可以看出，变速箱液压系统的能量消耗，主要来自于油泵系统，但是液压控制系统造成的能量消耗同样不能忽视。

变速箱电子油泵的应用以及控制系统的优化，可以带来液压系统能耗降低约三分之一，可以更好满足法规的要求及实现顾客的满意。

参考文献：

[1]黄宗益.现代轿车自动变速器原理和设计[M].同济大学出版社，2006.

[2]李壮云.液压气动与液力工程手册[M].电子工业出版社，2008.

基金项目：安徽省重点研究与开发项目-新型商用车AMT产品开发（201904a05020023）

作者简介：王中华（1984-），男，山西阳泉人，研究生，工程师，研究方向：自动变速箱液压系统开发。