湿式双离合变速器滑摩过程温度的测量与分析

黄操，张伟，李云虹，樊嘉坤

广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434

0 引言

随着传动技术的不断发展，湿式双离合自动变速器(dual clutch transmission,DCT)逐渐被广大消费者所接受，市场普及率逐步扩大。双离合器作为DCT的核心部件，决定着整车动力响应及换挡平顺性的性能。在汽车行驶过程中，双离合器中的摩擦副频繁地进行结合与分离，会产生大量的热量。离合器温度过高会导致离合器失效进而影响整个传动系统的可靠性。因此，对离合器滑摩过程中温度变化规律的研究具有重要意义。

目前国内外许多学者对离合器滑摩过程中摩擦片的温度分布问题进行了广泛研究。牛铭奎运用灰色理论预测了离合器工作温度，并对离合器控制策略进行改进；郑欣等通过CFD仿真分析了频繁换挡工况下影响摩擦副温度变化的原因；王颖颖建立了发动机-变速器联合起步的数学模型，通过对摩擦副温升过程的研究,分析了离合器摩擦副温升影响因素。Newcomb基于摩擦面热流相等的假设提出了摩擦片表面温度计算的数值方法；Abdullah利用ANSYS计算得到摩擦片沿半径方向温度的分布;Sun建立了离合器摩擦片有限元模型，利用 ANSYS 计算得到不同材料的摩擦片在离合器频繁接合下温度的变化;Velardocchia提出离合器的线性温升模型，计算了离合器钢片滑摩表面的温度。

综上所述，目前对离合器摩擦片温度的研究方法多采用数值计算或者有限元仿真，直接通过试验测量的研究较少。本文设计了湿式双离合器滑摩过程温度测量系统，通过该测试系统对离合器滑摩过程中摩擦片温度及摩擦因数的变化规律进行了研究。

1 测试系统的组成

湿式双离合器滑摩过程温度测量系统的总体结构如图1所示。变速器油温测量系统通过在放油螺栓位置加装温度传感器，实时监控试验过程中变速器的油温。冷却系统根据变速器油温测量系统采集的温度数据进行自动对油温进行冷却，满足试验温度条件，同时具有离合器超温保护的作用。变速器控制系统通过上位机对变速器进行控制，包括挡位切换、离合器结合等。离合器温度测量系统通过布置在离合器钢片上的K型温度传感器采集离合器片上的温度，经过导电滑环进行信号传输，通过设备采集温度信号并发至上位机。

图1 湿式双离合器滑摩过程温度测量系统的总体结构

2 测试系统工作原理

测试系统中离合器温度的采集方式是将传感器直接布置在离合器钢片上，传感器布置如图2所示。通过线束将温度信号引出，实现离合器温度信号实时采集。

图2 传感器布置

由于离合器钢片随着离合器进行旋转运动，存在导线缠绕的问题，无法直接将线束引出，此测试系统采用导电滑环来解决导线缠绕问题。变速器输入端连接方式如图3所示。

图3 变速器输入端连接方式

变速器输入端主要包括离合器壳体、湿式双离合器、轴套、导电滑环、变速器安装板、变速器安装支架、驱动花键、输入轴承座。驱动花键固定在输入轴承座上，轴套两端分别与驱动花键及湿式双离合器连接，实现动力驱动。导电滑环分为定子和转子两部分，其中定子固定在变速器安装板上，转子固定在轴套上，与驱动花键同步转动。温度信号线束从离合器钢片端引出后与转子连接，随着驱动花键同步旋转，通过线束将定子与数据采集设备连接，最终将离合器温度上传至上位机。

3 测试工况

湿式双离合变速器发生离合器滑摩的工况主要发生在车辆起步及换挡过程中的离合器交互。车辆在不同坡度的路况下受力情况不一样，对应路况上的起步及换挡时的离合器交互时的滑摩工况也有所区别。水平状态下车辆受力分析如图4所示。

图4 水平状态下车辆受力分析

图中，为牵引力，为摩擦力，为重力。假设摩擦因数为，车辆起步时要满足：

>=

(1)

上坡状态下车辆受力分析如图5所示。

图5 上坡状态下车辆受力分析

上坡状态车辆起步要满足:

>=(cos+sin)

(2)

下坡状态下车辆受力分析如图6所示。

图6 下坡状态下车辆受力分析

下坡状态车辆起步要满足:

>=(sin-cos)

(3)

为了模拟不同工况下可能存在的滑摩工况，确定了测试工况，详见表1。

表1 测试工况

4 测试数据分析

根据上文所述的湿式双离合器滑摩过程温度测量系统进行测试台架的搭建，如图7所示。

图7 测试台架的搭建

基于该测试系统的工作原理完成了某湿式双离合变速器不同滑摩工况的离合器温度测量。本文以偶数离合器测试结果为例，对测试数据进行分析。

不同工况下相同钢片上温度随扭矩的变化曲线如图8所示。由图可以看出：不同工况下钢片稳定温度及温升速率均与输入扭矩成正比，输入扭矩越大，温升速率越高，稳定温度越高。钢片温度变化主要发生在离合器压力建立阶段，压力稳定后钢片温度会趋于稳定。

图8 不同工况下相同钢片上温度随扭矩的变化曲线

相同输入扭矩下相同钢片上温度随转速差的变化曲线如图9所示。

图9 相同输入扭矩下相同钢片上温度随转速差的变化曲线

由图9可以看出：钢片稳定温度及温升速率与输入和输出转速差成正比，转速差越大温升速率越高，稳定温度越高。

相同转速差和相同扭矩下相同钢片上温度随输入和输出转速的变化曲线如图10所示。由图可以看出，在转速差及输入扭矩相同的情况下，温升速率基本一致，但最终稳定温度有较大差别。由图还可以看出，工况1(输入转速750 r/min-输出转速0)的稳定温度均比工况3(输入转速1 500 r/min-输出转速750 r/min)的稳定温度高。该现象表明：转速差及输入扭矩相同的情况下，单侧转动滑摩产生的热量比双侧转动滑摩产生的热量多，即怠速工况下滑摩产生的热量比换挡过程中滑摩产生的热量多。

图10 相同转速差和相同扭矩下相同钢片上温度随输入和输出转速的变化曲线

5 摩擦因数计算

离合器滑摩过程中温度上升的主要原因是由于离合器摩擦片与对偶钢片之间的摩擦产生大量的热量。摩擦因数是摩擦特性表征的关键参数，其数值过大会导致离合器升温过快，严重的会烧坏离合器；数值过小则离合器的传扭特性差。摩擦因数对整车的标定控制至关重要，可通过测量离合器传递扭矩和离合器压力间接测得。根据文献[9]，摩擦因数的计算公式为

(4)

式中：为离合器的传递转矩，N·m;为离合器摩擦副数；为离合器摩擦片的内径，m；为离合器摩擦片的外径，m；为离合器压力，N·m;为离合器活塞面积，m；为离合器活塞回位弹簧预紧力，N。

本文对某湿式双离合变速器进行了不同滑摩工况的离合器温度测试，根据式(4)对偶数离合器滑摩过程中摩擦因数的变化情况进行计算，离合器相关参数见表2。

表2 离合器相关参数

不同工况和不同扭矩下摩擦因数随压力的变化曲线如图11所示。由图可知，摩擦因数与压力成负相关，压力上升，摩擦因数不断减小。文献[10-11]指出，由于纸基摩擦材料具有较强的弹塑性和多孔性，实际接触面积与压力不呈线性关系，导致摩擦因数与压力成负相关。该现象表明：在压力建立初期，离合器具有较高的摩擦因数，有利于扭矩的快速传递，动力响应快；压力稳定后，摩擦因数逐渐趋于稳定，动力传递平顺，无顿挫感。

图11 不同工况和不同扭矩下摩擦因数随压力的变化曲线

6 结论

(1)基于湿式双离合器滑摩过程温度测量系统对某湿式双离合器滑摩过程中离合器温度进行了测量，测试数据真实反映了离合器滑摩过程中温度变化情况，验证了该测试系统的可行性。

(2)测试结果表明离合器滑摩温度与输入扭矩、转速差成正相关；冷却流量的控制策略可根据输入扭矩、转速差来进行动态调整，防止离合器热失效。

(3)分析了离合器滑摩过程中摩擦因数的变化规律：摩擦因数与压力成负相关，并逐渐趋于稳定。