双离合器变速器换挡品质的研究

双离合器变速器换挡品质的研究

1减轻驾驶强度随着汽车的日益普及，自动驾驶控制的发展提出了降低驾驶员在驾驶过程中的工作量，并开展了一些自动控制功能。提高车辆乘坐舒适度，减少振动和振动。根据车辆的实际需要，自动变速器产生。1.1dsg/双行政dtZF公司的RudolfFranke早在1938~1940年就进行过DCT的研究,并第一个申请了DCT专利,该变速器曾经在载货车上试验过,但是没有投入批量生产。2003年初大众汽车公司率先在GolfR32和AudiTT两款车型上使用DSG(Direktschaltgetriebe)。2007年6月,大众推出了DSG干式双离合器变速器DQ200,最大转矩为250N·m,并由LuK公司提供干式双离合器。格特拉克(Getrag)成系列地设计了适合不同整车布置的4种DCT结构,并派生出5种变型。并且运用于VolvoS40、FordFocus、Ferrari、BMWM3等车型上。由保时捷和ZF公司共同开发的7挡湿式DCT,首先配备在保时捷911Carrera上;2005年12月,Ricardo公司在柏林举办的第四届国际CTI研讨会上,首次展示了专门为Bugatti-Veyron超级跑车开发的7挡DCT,证明了DCT完全可以胜任大功率、大转速的高加速性动力传递。此外,一些知名企业也加入了DCT的开发。1.2安装空间小、宜先有双离合器自动变速器是一种新型自动变速器,与AT、CVT和AMT相比,具有燃油经济性好,结构紧凑,所需安装空间小;起步性能和换挡品质好;能够充分利用MT的生产设备及生产工艺经验,便于在中国尽快产业化等优点。如今,AT的统治地位暂时无法撼动,尽管AMT、CVT得到了一定的发展,但只能在有限条件下使用,而DCT在各种排量的汽车上的使用,正迅速往主流自动变速器方向发展。1.3换挡控制单元DCT换挡采取两个离合器的交替工作,引起挡位的切换。首先由变速器电子控制系统根据采集的节气门开度、车速、发动机转速、挡位等信息进行综合的判断,若达到换挡条件,将通过控制液压系统中的电磁阀,由电磁阀来控制执行结构,以达到挡位切换的目的。随着人们对乘用车的舒适性、操控性的要求也越来越高,要求变速器控制单元(TCU)能更精确地进行换挡控制。对驾驶者来说,希望换挡平顺,加速冲击小,有持续的动力输出。2换挡冲击换挡过程中,离合器接合和分离的程度,摩擦转矩的变化,换挡时间的长短等都会引起换挡冲击。影响换挡品质的主要因素:油压的调节与交替,换挡时间的长短,对发动机转矩响应的控制,同步器的选择,速比间隔,减振措施。2.1油压调节和交替2.1.1烧损分离器如果油压低,离合器传递转矩不足会产生打滑,换挡时间过长甚至无法换挡,产生的热量会烧损离合器;相反,如果油压过高,离合器结合和滑摩时间短,会产生冲击。2.1.2合成分离器湿式DCT在换挡时与AT相似,一个离合器的压力降低,使之分离的同时,另外一个离合器压力升高,使之接合。如果油压交替过早,此时两个离合器都传递较大的转矩,会产生转矩重叠从而损坏传动系;如果油压交替过晚,此时一个离合器已经脱开,而另一个还处于滑摩状态,不能传递足够的转矩,而产生动力中断。这两者都影响换挡品质。2.2影响整车动力性的因素换挡时间的长短影响油压交替的快慢,换挡时间长,舒适性会好一些,但是产生的热量多,还会对整车的动力性造成一定的影响;换挡时间短,充油速度快会引起离合器的扰动,同时,离合器摩擦转矩发生变化过快时,会引起车辆的冲击。2.3发动机输出力车辆在行进过程中,不仅受到行驶阻力,还会承受因路况的变化而产生的动载荷。若发动机输出力矩发生变化,动载荷的影响会更加严重。比如车辆进入泥泞路面时,挡位需要马上降低,但此时发动机的转速还比较高,路面阻力的变化会导致挡位变化时产生严重冲击。2.4减少燃油能耗挡位越多、速比间隔越小,发动机就越有机会发挥最大功率附近的高功率,因而提高了汽车的加速和爬坡能力,同时发动机在低燃油消耗区工作的可能性也越大,从而降低了油耗。因此挡位增多能改善动力性和燃油经济性。另外,挡位的多少还影响到挡与挡之间的传动比比值,比值过大会造成换挡困难,导致换挡冲击大。2.5换挡冲击换挡时要进行啮合的一对齿轮或啮合套的啮合线速度不相等,所以在啮合时会发生冲击,即换挡冲击。输入、输出端转速差越大,同步难度越大,越容易产生冲击;输入端的转动惯量越大,产生的冲击越大。在整个同步过程中,会出现两次冲击,第一次为同步摩擦力矩所致,第二次为齿套与啮合齿撞击所致,优化同步器的结构可以改善换挡中的冲击。2.6换挡过程中产生的共振多缸发动机是间隔地轮流做功,给曲轴施加了一个周期变化的扭转外力,令曲轴转动忽慢忽快,转矩呈脉动输出,缸数越少越明显。分析曲轴的扭振时,对其进行傅立叶展开得到若干不同阶的不同振幅的简谐力矩。当某一阶力矩的频率与传动系固有频率一致时,则产生共振。在共振时,扭转振动的振幅和由此产生的噪声特别大。为了消除这种共振现象,可在传动系中串联一个弹性阻尼装置,这样做同时可以减缓汽车起步或换挡过程中离合器动作时产生的冲击力。由于上述因素,换挡过程中不可避免地要发生一定程度的冲击。正确地分析产生冲击的原因是改善换挡品质的基础,DCT与其他自动变速器在换挡过程中的不同点是双离合器与同步器的配合工作。本文着重从油压的调节与交替、换挡时间的长短和对发动机转矩响应的控制3个主要影响因素进行深入分析,并采用了江淮汽车公司(JAC)的5AMT、4AT及DCT相关项目的试验数据来说明。3合成缸的转速离合器是靠摩擦元件所产生的摩擦力来传递转矩的。除了结构参数外,摩擦转矩主要取决于摩擦因数和离合器油缸的压紧油压。这两个因素在离合器的结合过程中都是变动的。合理地控制换挡过程中油压的变化规律,能够有效地限制变速器输出轴上的转矩扰动,得到良好的换挡品质,使车速平稳地过渡。3.1按需增压,按需压实离合器油压的变化会影响离合器的传递转矩,离合器转矩为M=FμRdnK(1)式中F为作用于摩擦片上的总压紧力(N);μ为摩擦片动摩擦因数;Rd为摩擦片平均摩擦半径(m);K为压紧力损失系数。F=(Fj+FyL-Ft)in(2)其中Fj为油缸的静压力(N);FyL为回位弹簧的作用力(N);in为压力杠杆比,当无压力杠杆时,in=1;Ft为油液离心力产生的动压力(N)。由此可见,离合器转矩M与Fj成正比,在整车负荷较小,车速高时,离合器传递转矩降低,因此所需油压也会随之下降。换挡开始,接合元件充油初期,希望充油迅速,消除离合器摩擦片间隙后,由于液压系统刚度较大,油压瞬时会升高很快,此时,希望有一段合适的油压上升时间和合适的油压上升规律,并且在设计摩擦元件时,总是将传递最大转矩和储备系数的乘积定为摩擦转矩,超过了正常传递功率的需要,将引起较大转矩扰动。油门越小,超出量越大,冲击越严重。为此,应控制执行油压,按需调压,改善品质,常用的方法有:采用主压力可调,使其随油门开度,车速大小及排挡变换而自动调节压力。从JAC的4AT各挡所需油压值可以看出,1、2挡离合器油压1MPa左右,3、4挡油压0.58~0.69MPa,而倒挡则达到了1.27~1.76MPa。在发动机转速相同的情况下,挡位高时传递的转矩小。据公式(1),高挡需要的油压小。油泵转速增高出口压力增大,但目前不需要这么高的油压,过多的油会从泄压阀泄流一部分。油泵出口压力在调压阀处各口的压力与弹簧力达到不同的平衡,得到主油道中不同的压力值。一般来说,离合器工作包含分离、滑摩和接合3个阶段。两个离合器转矩交替点必须控制在滑摩过程中。3.2旋转控制3.2.1交替时间控制要求换挡平稳而且响应要快,因此须对一个接合元件分离和另一个接合元件接合的时间进行控制,若交替时间控制不当,重叠不足或过多,都会影响换挡品质。3.2.2发动机转向响应3.2.2.转速响应根据车辆冲击度的公式:j=d2vdt2=i0igηδM0r⋅∂Te∂α⋅dαdt(3)j=d2vdt2=i0igηδΜ0r⋅∂Τe∂α⋅dαdt(3)式中j为车辆冲击度;ig为变速器传动比,i0为主减速比;r为轮胎滚动半径,α为油门开度,Te为由油门开度α和发动机转速决定的发动机输出转矩;M0为汽车总质量;δ为旋转质量换算系数。由式(3)可以看出,车辆的冲击度与发动机的输出转矩对时间的一阶导数成正比,为了降低冲击度,须对发动机的油门进行控制。用1挡起步,随着发动机转速的提高,汽车的行驶速度也随之增加。当发动机转速达到n2(对应的车速为ua1=0.377n2rig1i0ua1=0.377n2rig1i0)时开始换挡。假设换挡过程中车速没有降低,则换上2挡时,发动机的转速应该下降到n1(对应的车速为ua2=0.377n1rig2i0=ua1ua2=0.377n1rig2i0=ua1),离合器才能平顺无冲击地接合。因假设换挡过程中车速没有降低,即变速器输出轴的转速不变,故ig1/ig2=n2/n1。在发动机的控制中,转速是靠转矩来控制的,因此在换挡过程中根据离合器的转矩变化,也需要对发动机的转矩进行控制。以JAC瑞鹰5AMT以1挡换2挡为例,如图1和图2所示。在转矩响应阶段,ECU根据踏板对节气门开度的控制来感应期望的转矩,根据发动机的转矩和车速来判断转矩下降的时间长短,即图中转矩下降的过程。图2为1-2换挡过程,在准备换挡的同时,转矩响应开始,随着转矩慢慢降低,离合器逐渐分离;待离合器完全分离时,开始换挡、同步,这一阶段转矩要保证稳定;待同步完成后,离合器在滑摩中逐渐接合,同时转矩升高;待离合器滑摩结束时,转矩响应结束,完成一个换挡过程。3.2.2.发动机转速影响图3~图6上面的曲线为发动机的转速变化与换挡品质的关系。图3所示是好的换挡品质,图4在离合器分离的过程中,发动机转速迅速升高,趋于“飞车”,造成力矩急剧变化,使驾驶员产生前冲后仰的颠簸。由图5看到,在离合器分离的过程中,发动机转速突然降低,会使力矩急剧下降,造成动力中断,使驾驶员产生前冲的感觉。图6是在测试JACDCT样车时发生了互锁,两个离合器油压过早交替,造成两个输出轴都输出一定的转矩,这是不允许的。3.3润油产品对换能素质的影响根据式(1),稳定的摩擦因数是转矩传递的保证。润滑油对换挡品质的影响主要是对摩擦因数以及抗震颤性的影响。3.3.1改进剂对小鼠湿地合合力的影响一般来说,主要根据起动和离合器切换来研究摩擦因数。恰当的离合器摩擦特性能够有效控制换挡舒适性和换挡时间。在滑摩过程中无冲击和噪声,需要稳定增加摩擦因数。在离合器接合过程中总的转矩为液压转矩(hydrodynamictorque)及边界转矩(asperitytorque)之和,在离合器接合之初,主要是液压产生的摩擦力,在结合过程中,边界转矩起主导作用。摩擦改进剂对控制低速时离合器接合过程的末期摩擦力有很大的影响。动态的摩擦因数直接影响离合器的转矩能力,静态值则保证转矩的保持能力,如图7所示。摩擦因数跟驾驶习惯与换挡冲击的接受程度有关。注重驾驶乐趣和动力性时,双离合器油采用较高的摩擦因数;而追求换挡舒适性,在低速时采用了更低的摩擦因数。此外,稳定的摩擦因数也是保证转矩传递品质的关键。3.3.2转速差出现加速过快时根据图8所示,随着滑差转速的增加,为保证结合时传递的转矩,摩擦因数随之增加可以提高抗震颤性;转速差超过100时,摩擦因数下降过快的话,造成在换挡时传递转矩不足,会发生抖动。由图8所示,4根斜线从左到右依次是第1、2、3、4代润滑油摩擦因数与抗震颤性的关系,第一代油品,摩擦因数小才不会发生抖动,到第四代,不发生抖动的情况下可以达到较大的摩擦因数。3.4启动过程的质量控制3.4.1车辆启动过程的影响冲击度J指车辆纵向加速度a的变化率,起步过程中产生的冲击度主要与车辆本身特性及离合器接合速度有关。3.4.2jac瑞鹰5mt起步过程油门的变化与离合器的接合速度对汽车冲击度影响较大,因此若要提高平顺性,就必须合理地控制油门变化和离合器接合速度。控制起步的品质主要是维持发动机恒速起步和离合器的接合量与接合速度的控制。图9为JAC瑞鹰5AMT起步过程。试验结果说明起步过程中,发动机的转速与离合器转速变化一致,期望转矩与发动机输出转矩一致,这样才能保证起步的品质。3.5同步器优先接合对大众GOLFGTI测试过程中发现,在解决换挡品质还可以采用同步器优先于离合器接合。在P挡时,N和R挡同步器接合;N挡时,R和2挡同步器接合;1挡时,1和2挡同步器接合;2挡时,需要变换多路阀的位置,3挡同步器可以接合;其他高挡因速比间隔小,可以不采用同步器优先接合的换挡策略。同步器的优先接合可以解决发动机实际输出转矩与期望转矩不一致导致对同步器的影响,可以改善换挡品质。4换挡过程间的矛盾如图10所示,Z