郝洪濤 嚴(yán) 冬 馬 輝

(1.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,銀川 750021； 2.寧夏智能裝備CAE重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750021)

1 前言

隨著汽車(chē)性能不斷提升以及電子化程度不斷提高，自動(dòng)變速器已逐漸成為市場(chǎng)上的主流[1]，而濕式雙離合自動(dòng)變速器(Wet Dual Clutch Transmission，WDCT)是近幾年增長(zhǎng)速度最快的汽車(chē)自動(dòng)變速器之一。在雙離合變速器開(kāi)發(fā)過(guò)程中，起步及換擋的控制效果對(duì)于改善駕駛舒適性、提高車(chē)輛動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性有著重要的意義。因此，提高濕式雙離合器扭矩傳遞模型的精確程度有著十分重要的意義。

濕式離合器傳遞的扭矩分為粘性扭矩和粗糙扭矩，對(duì)于濕式離合器扭矩傳遞模型的研究，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都做出了自己的貢獻(xiàn)。Yang.Y[2]等人提出了改進(jìn)的雷諾方程，使其適用于不同粗糙表面、不同形式表面溝槽、不同材料滲透性以及其他不同性質(zhì)的濕式離合器，進(jìn)一步完善了濕式離合器扭矩傳遞模型。Josko Deur、Timothy M. Cameron[3,4]等也各自提出了相應(yīng)的模型，使得濕式離合器扭矩傳遞模型的精確程度再一次提升，但仍未加入溫度對(duì)于自動(dòng)變速器油(Automatic Transmission Fluid，ATF)粘度以及摩擦片摩擦因素影響的關(guān)系表達(dá)式。國(guó)內(nèi)吉林大學(xué)馮巍[5]通過(guò)充分考慮離合器油溫、離合器摩擦片相對(duì)滑摩速度、液壓油粘度等參數(shù)來(lái)進(jìn)一步提高離合器扭矩模型的精度，為實(shí)現(xiàn)離合器傳遞扭矩的精確控制打下理論基礎(chǔ)。

對(duì)濕式雙離合器變速器的控制中，以往的研究通常認(rèn)為與濕式離合器傳遞的粗糙扭矩相比，粘性扭矩的影響較小，因此在已有模型中的濕式離合器扭矩傳遞特性對(duì)粘性扭矩的體現(xiàn)微乎其微，甚至直接忽略不予考慮，由于這樣的扭矩傳遞模型是無(wú)法精確反映出濕式離合器扭矩傳遞特性的，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的控制策略研究必然會(huì)出現(xiàn)誤差。因此文獻(xiàn)[6-8]中作者試圖通過(guò)實(shí)時(shí)估計(jì)離合器傳遞扭矩來(lái)克服模型不精確帶來(lái)的誤差。與此同時(shí)，建立相對(duì)完善的濕式離合器扭矩傳遞模型并研究粘性扭矩對(duì)濕式雙離合器的品質(zhì)影響顯得十分必要。本文在研究前人成果的基礎(chǔ)上，充分考慮了各種影響因素，通過(guò)建立基于Matlab/Simulink的濕式雙離合器的扭矩傳遞模型，探究不同因素對(duì)扭矩傳遞特性的影響以及是否考慮粘性扭矩對(duì)車(chē)輛換擋品質(zhì)好壞的影響，為今后更加精準(zhǔn)的制定控制策略奠定良好的理論基礎(chǔ)。

2 濕式離合器扭矩傳遞模型構(gòu)建

2.1 濕式離合器扭矩傳遞特性的數(shù)學(xué)模型

濕式離合器接合與分離過(guò)程中所傳遞的扭矩Tf主要由粘性扭矩Th和粗糙扭矩Ta組成：

Tf=Th+Ta

(1)

(2)

(3)

式中，n為摩擦副數(shù)量，ri為摩擦片內(nèi)徑，ro為摩擦片外徑，σ為摩擦片與對(duì)偶鋼片粗糙度均方根值，h為油膜厚度，ωslip為離合器主從動(dòng)盤(pán)間轉(zhuǎn)速差，φ=φ(h/σ)為流量因素，它的表達(dá)式與h/σ的大小有關(guān)：

(4)

λ為AFT粘度，其與油溫Tem的關(guān)系可由下式計(jì)算：

(5)

式中N與k的值可由試驗(yàn)確定。

μ為摩擦片摩擦因數(shù)，可式(6)進(jìn)行計(jì)算：

(6)

式中vslip為平均滑磨速度：

(7)

E為摩擦材料楊氏模量，AN為摩擦里襯總面積，Da為微凸體密度，β為微凸體曲率半徑。Rc為摩擦片有效摩擦半徑，其隨摩擦片磨損狀況變化，當(dāng)摩擦片磨損較小時(shí)：

(8)

當(dāng)磨損量較大時(shí)：

(9)

油膜厚度h基于修正雷諾方程的隨時(shí)間變化率的表達(dá)式如下：

(10)

其中，φ(h)為表面拓?fù)鋵W(xué)流量因素：

(11)

ξ(h)為摩擦材料滲透性因素：

(12)

式中d為摩擦材料的厚度，Kper為摩擦材料滲透系數(shù)。

g(h)為表面粗糙度因素，其中erf(x)為誤差方程：

(13)

(14)

Papp為作用在離合器上的壓力，Pc(h)為平均粗糙接觸壓力：

(15)

AGrv摩擦面的溝槽面積。

以上表達(dá)式，均為非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的狀態(tài)方程，當(dāng)式(10)中Pc(h)=Papp時(shí)，即dh/dt=0，油膜厚度h不隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，稱(chēng)該狀態(tài)為平衡態(tài)，此時(shí)油膜厚度heqbm的表達(dá)式為：

(16)

相應(yīng)的，當(dāng)系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)，粘性扭矩Th的表達(dá)式也會(huì)發(fā)生變化，若離合器處于鎖止?fàn)顟B(tài)，即ωslip=0，此時(shí)粘性扭矩Theqbm=0，所有傳遞的扭矩均為粗糙扭矩。此時(shí)粘性扭矩Theqbm的表達(dá)式受流量因素φ(h/σ)影響，當(dāng)0

(17)

當(dāng)1.3

(18)

當(dāng)4

(19)

2.2 離合器扭矩傳遞模型的建立及仿真分析

根據(jù)式(1)至式(19)，基于Matlab/Simulink建立濕式離合器扭矩傳遞仿真模型(如圖1所示)，所搭建的模型由油膜厚度模塊、粘性扭矩模塊以及粗糙扭矩模塊三部分組成。該模型可研究離合器主從動(dòng)片轉(zhuǎn)速差、溫度和作用壓力變化時(shí)對(duì)離合器傳遞扭矩的影響。模型中所用的具體參數(shù)值如表1所示。下面通過(guò)仿真研究溫度和轉(zhuǎn)速差對(duì)濕式離合器扭矩傳遞特性的影響。

圖1 扭矩傳遞模型Fig.1 Torque transfer model

在圖2和圖3中，作用壓力Papp和離合器主從動(dòng)盤(pán)初始轉(zhuǎn)速差相同，考察變速器油液溫度(ATF)對(duì)傳遞扭矩的影響。分別設(shè)置ATF為70 ℃、90 ℃和110 ℃進(jìn)行仿真，由圖2可以看出溫度對(duì)粘性扭矩有著顯著的影響，溫度越低，粘性扭矩其波動(dòng)越大。由圖3可看出油液溫度越低，粗糙扭矩傳遞響應(yīng)越慢。溫度對(duì)粗糙扭矩產(chǎn)生影響的原因在于溫度對(duì)油液粘度的影響，溫度越低，油液粘度越高，此時(shí)對(duì)離合器施加壓力，油膜厚度的變化響應(yīng)越慢，主從動(dòng)盤(pán)接合所需的時(shí)間越長(zhǎng)，因此粗糙扭矩產(chǎn)生一定的響應(yīng)延遲，響應(yīng)速率也相應(yīng)降低。

表1 仿真主要參數(shù)數(shù)值

圖2 溫度對(duì)粘性扭矩的影響Fig.2 Effect of temperature on hydrodynamic torque

圖3 溫度對(duì)粗糙扭矩的影響Fig.3 Effect of temperature on asperity torque

保持變速器油液溫度相同，當(dāng)離合器主從動(dòng)盤(pán)初始轉(zhuǎn)速差分別為500 r/min、1000 r/min以及1500 r/min時(shí)，濕式離合器接合過(guò)程中的傳遞扭矩變化情況如圖4和圖5中所示。由圖可知，離合器主從動(dòng)盤(pán)初始轉(zhuǎn)速差越小，扭矩傳遞響應(yīng)越慢，扭矩峰值越低，扭矩波動(dòng)越小，接合更加平緩。離合器主從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速差對(duì)分別對(duì)粘性扭矩和粗糙扭矩的影響也是不同的，離合器主從動(dòng)盤(pán)初始轉(zhuǎn)速差對(duì)粗糙扭矩影響效果遠(yuǎn)不如粘性扭矩，但總體趨勢(shì)都是主從動(dòng)盤(pán)初始轉(zhuǎn)速差越大，粘性扭矩和粗糙扭矩響應(yīng)速度越快，粘性扭矩的峰值也越高。

圖4 轉(zhuǎn)速差對(duì)粘性扭矩的影響Fig.4 Effect of rotational speed difference on hydrodynamic torque

圖5 轉(zhuǎn)速差對(duì)粗糙扭矩的影響Fig.5 Effect of rotational speed difference on asperity torque

3 扭矩傳遞特性對(duì)換擋品質(zhì)的影響

3.1 基于Simdriveline的整車(chē)模型的構(gòu)建

為了考察扭矩傳遞特性對(duì)車(chē)輛換擋品質(zhì)的影響，建立了基于Simdriveline的整車(chē)模型。整車(chē)模型包括四個(gè)部分：發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、雙離合變速器模塊、變速器控制模塊以及車(chē)身模塊，如圖6所示。建模中所用到的整車(chē)參數(shù)如表2所示。

3.2 離合器換擋品質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1) 離合器滑磨功

評(píng)價(jià)換擋過(guò)程中影響離合器使用壽命的指標(biāo)主要是離合器滑磨功，它表示離合器在接合過(guò)程中主從動(dòng)摩擦片間由于相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦做功大小，定義為：

(20)

式中，TC1為離合器C1的傳遞扭矩，Tc2為離合器C2的傳遞扭矩，ωc1為離合器C1的轉(zhuǎn)速，ωc2為離合器C2的轉(zhuǎn)速，t1為換擋開(kāi)始時(shí)刻，t2為換擋結(jié)束時(shí)刻,ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖6 整車(chē)模型Fig.6 Full vehicle model表2 整車(chē)仿真涉及的主要參數(shù)Table 2 Main parameter values used in vehicle simulation

整車(chē)參數(shù)數(shù)值整車(chē)質(zhì)量kg1600空氣阻力系數(shù)0.3車(chē)輛迎風(fēng)面積m22.3車(chē)輛軸距m2.7車(chē)輛輪距m1.5變速器1 擋傳動(dòng)比15.35變速器2 擋傳動(dòng)比9.30變速器3 擋傳動(dòng)比6.10變速器4 擋傳動(dòng)比4.39變速器5 擋傳動(dòng)比3.46變速器6 擋傳動(dòng)比2.78變速器R 擋傳動(dòng)比13.24主減速器傳動(dòng)比4.16車(chē)輪滾動(dòng)半徑m0.3車(chē)輪滾動(dòng)阻力系數(shù)0.02

(2) 沖擊度

沖擊度是評(píng)價(jià)換擋時(shí)離合器接合過(guò)程平穩(wěn)程度的指標(biāo)，它是車(chē)輛縱向加速度的變化率，即：

(21)

式中，v為車(chē)輛行駛速度，a為車(chē)輛行駛加速度。

由上式可以看出要滿(mǎn)足沖擊度指標(biāo)，控制的關(guān)鍵是保證離合器在滑摩階段傳遞的扭矩變化平穩(wěn)?；εc離合器傳遞扭矩及主從動(dòng)盤(pán)角速度有關(guān)，沖擊度只與變速器輸出扭矩的變化率有關(guān)。因此離合器傳遞扭矩的變化會(huì)影響到換擋品質(zhì)。

3.3 粘性扭矩對(duì)換擋品質(zhì)的影響

在以往的研究中通常認(rèn)為粘性扭矩對(duì)系統(tǒng)的影響較小，在仿真過(guò)程中往往忽略不計(jì)。在同樣的溫度(90 ℃)及其他條件下，本文將對(duì)有無(wú)粘性扭矩附加模塊的模型進(jìn)行仿真對(duì)比，通過(guò)兩個(gè)不同模型間仿真結(jié)果的比較，研究濕式離合器粘性扭矩對(duì)于車(chē)輛換擋品質(zhì)的影響。系統(tǒng)仿真的初始條件為車(chē)輛速度為零，油門(mén)開(kāi)度輸入為0.5。

通過(guò)圖7可知，有附加粘性扭矩模型較無(wú)附加粘性扭矩模型在仿真時(shí)間第5至7秒，即1擋切換2擋時(shí)刻的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速峰值有所提高，且切換至2擋后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生較小幅度的波動(dòng)，說(shuō)明有附加粘性扭矩模型的濕式雙離合器會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生拖曳作用，可能使換擋過(guò)程中的車(chē)輛產(chǎn)生較大幅度的抖動(dòng)，影響車(chē)輛的換擋平穩(wěn)性，需要通過(guò)換擋策略等方式加以控制。

圖7 粘性扭矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響Fig.7 Influence of hydrodynamic torque on engine speed

對(duì)比圖8、圖9(圖中Wc1為離合器C1的滑摩功，Wc2為離合器C2的滑摩功)可以看出有附加粘性扭矩模型較無(wú)附加粘性扭矩模型在仿真時(shí)間4至8秒內(nèi)，產(chǎn)生了更大的滑摩功，通過(guò)觀察1擋切換2擋后的滑摩功變化，可以得出更明顯的結(jié)論：由于濕式離合器粘性扭矩的影響，不僅僅在離合器接合的過(guò)程之中產(chǎn)生了更大的滑摩功，而且對(duì)于處于分離狀態(tài)下離合器的滑摩功也有著一定的影響。如果不能在控制器設(shè)計(jì)工作中充分考慮由此產(chǎn)生的額外滑摩功，離合器的實(shí)際使用壽命將偏離理論設(shè)計(jì)壽命值，且由離合器磨損產(chǎn)生的抖動(dòng)將會(huì)對(duì)車(chē)輛的整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)造成危害。

圖10、圖11分別為未考慮粘性扭矩及考慮粘性扭矩的車(chē)輛換擋沖擊度變化圖，通過(guò)對(duì)比可以看出有附加粘性扭矩模型較無(wú)附加粘性扭矩模型在1擋切換2擋時(shí)，所產(chǎn)生的車(chē)輛換擋沖擊度會(huì)更大些，對(duì)車(chē)輛的換擋平順性以及乘車(chē)舒適性產(chǎn)生了較大的影響。并且由于存在粘性扭矩的影響，使得車(chē)輛換擋時(shí)間有所提前。綜合圖7～圖10可以看出，粘性扭矩的存在確實(shí)會(huì)對(duì)車(chē)輛的換擋品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。

圖8 未考慮粘性扭矩的離合器滑摩功變化

Fig.8 Change of friction work without considering hydrodynamic torque

圖9 考慮粘性扭矩的離合器滑摩功變化Fig.9 Change of friction work considering hydrodynamic torque

圖10 未考慮粘性扭矩的換擋沖擊度變化

Fig.10 Change of shift jerk without considering hydrodynamic torque

4 結(jié)論

本文分析了濕式離合器扭矩傳遞特性的有關(guān)公式，并以此為基礎(chǔ)搭建了基于Matlab/Simulink的濕式離合器扭矩傳遞模型，探究了不同溫度及轉(zhuǎn)速差條件下濕式離合器扭矩傳遞特性的變化，分析結(jié)果表明溫度和轉(zhuǎn)速差對(duì)粘性扭矩的影響要高于其對(duì)粗糙扭矩的影響。在此基礎(chǔ)上，為研究濕式離合器扭矩傳遞特性變化對(duì)裝備WDCT的整車(chē)性能影響搭建了基于SimDriveline的整車(chē)模型，通過(guò)仿真分析表明濕式離合器接合及分離過(guò)程中產(chǎn)生的粘性扭矩會(huì)對(duì)換擋品質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定影響。因此，濕式雙離合器接合及分離過(guò)程中的粘性扭矩不應(yīng)僅作粗略忽略，在今后的研究中應(yīng)該對(duì)粘性扭矩的影響給予充分的重視。

圖11 考慮粘性扭矩的換擋沖擊度變化Fig.11 Change of shift jerk considering hydrodynamic torque