湿式双离合自动变速器起步平顺性分析及优化

白景峰，樊立桃，田广召，纪晓辉，柳彦涛

摘  要：为解决湿式双离合自动变速器（DCT）起步飞车问题，通过对双离合器进行摩擦系数理论分析及台架测试，得到摩擦系数与温度、压力、滑摩转速关系，并得到飞车与摩擦特性与滑摩转速负相关存在关系，并摩擦片沟槽深度进行整改（>0.2mm），保证摩擦特性的正相关，改善整车飞车问题。

关键词：湿式双离合器；起步飞车；摩擦特性；负相关

中图分类号：U463.211+.2     文献标志码：B     文章编号：1005-2550（2023）03-0032-05

Analysis and Optimization of Launch Smoothness for Wet Dual Clutch Transmission

BAI Jing-feng， FAN Li-tao， TIAN Guang-zhao， JI Xiao-hui， LIU Yan-tao，

（HYCET Transmission Technology Hebei Co.， Ltd.， Baoding 071000 ， China）

Abstract： In order to solve engine flare issue in wet dual clutch transmission （DCT）， through theoretical analysis of friction coefficient of dual clutch and bench test， the relationship between friction coefficient and temperature， pressure and sliding friction rotation speed is obtained， and it is obtained that there is a negative correlation between friction characteristics and sliding friction rotation speed， and the groove depth of friction plate is rectified （>0.2mm） to ensure the positive correlation of friction characteristics and improve the problem of vehicle flare speed.

Key Words： wet dual clutch; engine flare; friction coefficient; negative

引    言

随着人们对汽车品质要求及驾驶舒适性的提升，湿式双离合自动变速器（DCT，全稱：Dual Clutch Transmission）依据其换挡迅速，驾驶方便性，无动力中断，开车成本较低及操作要求简单等特点逐渐成为人们关注的焦点[1]。早在1999年，德国大众公司与博格华纳公司联手制造出世界首款可量产的 Dual Tronic （R） 技术湿式双离合变速器[2]。2003年，大众汽车成功开发出6挡DSG双离合自动变速器，并将其安装在高尔夫车型上，成为第一个将DCT安装在量产车的汽车厂商[3]。

随着DCT技术的逐渐成熟，起步及换挡平顺性成为人们日常讨论的话题。自动变速器控制系统主要要解决的三个问题：何时起步、怎样起步（起步过程控制）和起步如何（起步品质评价）[4]。

本文依据某车企开发的湿式双离合自动变速器中的离合器（如图1所示）进行整车起步平顺性研究，并针对倒档起步飞车问题进行问题分析解决，并提出整改方案。

1    湿式双离合器摩擦结构

湿式双离合器与干式离合器主要区别为湿式离合器在油液作用下进行工作。摩擦特性的主要传递由离合器对偶片、摩擦片及油液共同组成，在起步过程中摩擦片与对偶片进行相对转动，即离合器滑摩转速，且在油液的作用下产生摩擦力，从而进行离合器传递扭矩[6]。

某车型在装配完变速器试车过程中，倒档小油门起步发生整车飞车现象。具体工况：倒档过程中，发动机油门踏板约20%深度，发动机转速飙升至2000rpm左右，实际发动机需求转速1400rpm左右，转速飙升600rpm，且伴随着变速器输入转速转速波动（如图2所示）。若离合器长期在此工况工作，将出现热量累积并烧蚀离合器等现象，严重影响离合器寿命及驾驶安全性。

2    原因分析

2.1   飞车基本原理

整车进行起步控制过程中，依据发动机扭矩进行离合器需求扭矩请求，变速器TCU单元将离合器需求扭矩进行转化为离合器需求压力，通过控制电磁阀开度可得到离合器实际压力，离合器实际压力通过离合器摩擦片及钢片间的滑摩作用产生实际扭矩，具体控制过程如图3所示。

当离合器实际扭矩低于离合器需求扭矩时，整车将产生飞车现象，同时离合器摩擦特性作为离合器扭矩传递的关键点，因此对摩擦特性的研究成本解决此问题的关键。

2.2   湿式离合器摩擦特性研究

湿式离合器摩擦特性并非一成不变，随着外界环境的变化（即使用条件），摩擦特性所展现的性能也存在较大差异，其中最主要的影响因素包含油液温度、摩擦片作用压力和相对滑摩转速等。

（1）油液温度对摩擦系数的影响

离合器摩擦副之间存在油膜，离合器油液温度的高低将影响油液粘度的大小，从而影响离合器摩擦系数的建立。其中锁着油膜的建立可以分为边界润滑摩擦状态，混合摩擦状态和液力摩擦状态。

依据摩擦系数流体动力学分析可知（如图4所示），在边界润滑摩擦状态，油液粘度对摩擦特性影响较小，在混合摩擦状态随着油液粘度的增加，摩擦系数逐渐降低，而液力摩擦状态下，随着粘度的增加，摩擦特性逐渐增加。其中整车在起步阶段处于混合摩擦状态，因此随着温度的升高，摩擦特性逐渐降低。

（2）摩擦片作用压力对摩擦特性的影响

摩擦片参与摩擦的材料多数为纸基材料，摩擦片与对偶片接触表面为不规则的粗糙表面，由图6中可知，压力会影响摩擦片接触状态， 因此摩擦特性的分析需从微观接触进行分析。

离合器扭矩计算主要涉及离合器摩擦副的数量，摩擦材料内外径，活塞结构尺寸等。通过向离合器执行腔充压力又（ATF），对活塞产生一定轴向压力，从而压紧摩擦板及钢板，钢板和摩擦板之间由于摩擦作用产生摩擦力，通过其他机械连接结构传递一定的扭矩[5]。

离合器实际扭矩计算公式如下：

Tc=μ×Fn×n×re                   （1）

式中：

Tc：离合器实际扭矩（Nm）；

μ：离合器摩擦系数；

Fn：活塞腔对摩擦副压力（N）；

Fn=P（活塞压力）×A（活塞面积）

n：摩擦副数量；

re：摩擦副有效半径（m）

其中 r1 为摩擦副外径，r2为摩擦副内径。

依据扭矩特性计算公式可知，摩擦特性参数的计算如下：u=T/（P×A×n×re）                （2）

因此通过公式（2）可知，在其他条件一定的情况下，摩擦特性参数u随着正压力的增加而减小。

（3）滑摩转速对摩擦特性的影响

依据流体动力学模型可知，油膜所谓摩擦特性传递的重要介质，滑摩转速将影响油膜的建立，可将油膜流体进行模型简化，简化模型如图5所示：

依据流体动力学内摩擦定律可知，相邻流层之间的内摩擦力与流层接触面积和液层之间滑摩转速梯度成正比[6]，即

T=η×A×dv/dh                   （3）

式中，T为相邻液层之间内摩擦力；η为油液的动力粘度，其中动力粘度由油液本身特性及环境温度和压强共同影响，其中温度越低粘度约高，压强在超过50Mpa后对动力粘度存在显著影响，因此在本文研究中不进行研究，v为相对运动速；A为摩擦面积，即对偶钢片和摩擦片宏观摩擦接触面积；h为油膜厚度[6]。

因此，依据公式（3）可知，在外界条件一定的情况下，摩擦特性参数随着滑摩转速的升高而升高，基本呈现正相关关系。

3    离合器摩擦系数测试

为研究离合器摩擦特性的关系，制定摩擦特性测试工况（如图6所示）。测试工况如表1所示：

摩擦特性随温度及压力的变化如图（7）所示，依据测试结果可知，在高压力区域摩擦特性随温度的变化而产生较小变化，在低压区域随着温度的升高而降低。随着压力的升高，摩擦特性参数逐渐降低。

摩擦特性滑摩转速的变化如图（8）所示摩，由测试结果可知，锁着滑摩转速的升高，在低压区域摩擦特性逐渐升高，但在高压条件下，摩擦特性存在轻微负相关。

由此可知，整车飞车为离合器摩擦特性随滑摩转速的上升而出现短暂负相关导致，因此，解决离合器摩擦特性负相关即可解决离合器飞车问题。

4    方案整改

通过对流体动力学模型进行分析及离合器摩擦片摩擦特性验证可知，离合器摩擦特性负相关出现在离合器摩擦片上。同时针对离合器摩擦片进行详细确认，发现离合器摩擦片沟槽存在严重磨损，磨损后沟槽深度约0.1mm-0.15mm，具体情况如图9及图10所示。

通过对摩擦片加工工艺进行分析，离合器沟槽为冲压形成，当离合器摩擦片材料冲压模具磨损后会造成离合器沟槽变浅，在相同油液流经摩擦片表面时造成油液在摩擦片和对偶片间油液累积，从而引起短时间混合摩擦，进而造成离合器摩擦特性负相关。

通过修正离合器摩擦片冲压模具，保证离合器摩擦片沟槽存在足够深度后进行测试，修改前后摩擦片沟槽深度保证0.2mm以上。

修改后摩擦片沟槽形式如图11所示：

采用相同测试零部件及测试工况进行测试验证，可得到如图12测试结果。

基于正相关摩擦特性的零部件装车验证后，整车飞车现象消失，问题解决。

5    结论

本文通过离合器分析摩擦特性参数与温度、压力和滑摩转速的关系，并进行试验测试得到以下结论：

（1）离合器摩擦特性随温度的变化在低压条件下变化明显，在高压条件下，基本无变化；

（2）离合器摩擦特性随着压力的升高而逐渐降低；

（3）当摩擦特性随着滑摩转速的变化而出现负相关时，整车出现飞车情况；

（4）摩擦特性负相关主要来源于摩擦片沟槽深度，当摩擦片沟槽深度>0.2mm以后，负相关现象消失，整车飞车情况消失。

参考文献：

[1]翁晓明. 湿式双离合器变速器换挡品质的研究[J]. 汽车工程，2009，31（10）：927-931.

[2]操剑锋. 湿式双离合器自动变速器仿真技术研究[D]. 长春： 吉林大学， 2007.

[3]Rudolph F，Steinberg I，Guünter F. Die Doppelkupplung des Direktschalt-getriebes DSG der Volkswagen AG[J]. VDI-Ber，2003，1786：401–411.

[4]雷玉龙. DCT换挡品质评价与控制仿真研究[A]. 国际汽车变速器及驱动技术研讨会论文集，2015.04：1-26.

[5]葛敬广，张笑. 液力自动变速器离合器设计[J]. 传动技术，2017.06，31（2）：25-29/44.Ge J G， Zhang X. Clutch Design of Automatic Transmission[J]. Drive System Technique，2017.06， 31（2）：25-29/44.

[6]韓旭鑫，吴娜等.湿式离合器摩擦副摩擦特性机理探究[J]. 汽车科技，2022.04：84-88.

白景峰

毕业于西北农林科技大学，硕士研究生学历。现就职于蜂巢传动科技河北有限公司，任湿式离合器设计组长，主要研究方向为自动变速器湿式离合器系统设计开发与应用。

专家推荐语

李少华

东风商用车技术中心动力总成部

传动系统总工程师  研究员高级工程师

本文论述了湿式双离合自动变速器中的离合器整车起步平顺性研究工作，并针对倒档起步飞车问题进行分析及试验论证，得出改进措施。本文介绍关于湿式双离合自动变速器中离合器的开发，有一定参考意义。