磁流變雙離合自動變速器的設計

陳德民， 梁彥涵， 張　宏,2

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072; 2. 77169部隊， 四川 崇州 611233)

磁流變雙離合自動變速器的設計

陳德民1， 梁彥涵1， 張宏1,2

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072; 2. 77169部隊， 四川 崇州 611233)

摘要：為了簡化雙離合自動變速器(Dual Clutch Transmission，DCT)復雜的機械結(jié)構(gòu)和控制方法，設計了一種能傳遞某型B級轎車最大轉(zhuǎn)矩的磁流變雙離合自動變速器(Magneto-Rheological Dual Clutch Transmission，MRDCT)，并仿真分析了其磁場分布情況，得到了線圈通入電流與所傳遞轉(zhuǎn)矩的關系。仿真結(jié)果表明：磁流變雙離合器能滿足轉(zhuǎn)矩傳遞的要求。最后設計并簡要介紹了MRDCT的結(jié)構(gòu)和換擋過程。

關鍵詞：磁流變液； 雙離合器； 雙離合變速器

雙離合自動變速器(Dual Clutch Transmission，DCT)是一種在手動變速器基礎上開發(fā)出來的自動變速器，其自誕生以來發(fā)展迅速，被廣泛應用到汽車上[1-2]。DCT具有良好的燃油經(jīng)濟性和動力性，其最大特點是在汽車換擋過程中能夠?qū)崿F(xiàn)動力不中斷。但DCT的機械結(jié)構(gòu)和控制方法復雜，加工難度大，已成為制約我國DCT發(fā)展的瓶頸[3-4]。磁流變液是一種受磁場控制的智能材料,在磁場作用下，它能在毫秒級時間內(nèi)由牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢姆塑性體，黏度以數(shù)量級增大，剪切屈服應力大大提高；當磁場消失，磁流變液又回到牛頓流體狀態(tài)。整個反應過程是可逆的[5]。

筆者把磁流變液應用到變速器中，用磁流變雙離合器來取代傳統(tǒng)的摩擦片式雙離合器，通過剪切磁流變液來傳遞動力，設計了一種磁流變雙離合自動變速器(Magneto-Rheological Dual Clutch Transmi-ssion，MRDCT)，以期達到簡化DCT機械結(jié)構(gòu)和控制方法的目的。

1磁流變液及磁流變雙離合器

1.1磁流變液

磁流變液主要由磁性顆粒、基礎載液和添加劑等組成[6]。無磁場時，磁性顆粒分散在基礎載液中，磁流變液表觀為具有良好流動性的牛頓流體;在外磁場作用下，磁性顆粒沿磁場方向呈有規(guī)則的鏈束狀排列，磁流變液由牛頓流體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢姆塑性體,磁流變液的黏度增大，流動性較低，整個反應過程可在毫秒級時間內(nèi)完成：這就是磁流變效應，其示意圖如圖1所示。磁流變雙離合器正是通過剪切磁場作用下形成的這種鏈束狀結(jié)構(gòu)來傳遞動力。

圖1　磁流變效應

1.2磁流變雙離合器

為了傳遞某型B級轎車最大儲備轉(zhuǎn)矩375 N·m，筆者曾設計了一種筒式結(jié)構(gòu)的磁流變雙離合器[7]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。磁流變雙離合器采用了1根輸入軸、2根輸出軸，2個磁流變單離合器(即內(nèi)離合器和外離合器)在徑向嵌套。

圖2　磁流變雙離合器的結(jié)構(gòu)

為了驗證內(nèi)、外2個離合器能否滿足轉(zhuǎn)矩傳遞要求以及分析它們之間的電磁干擾情況，利用Ansoft軟件仿真了不同電流下雙離合器中磁感應強度的分布。由于受電源功率影響，在汽車上磁流變雙離合器最大電流不超過3 A。

1.2.1內(nèi)離合器磁場仿真

內(nèi)離合器工作時，其控制線圈通入電流，而外離合器的控制線圈不通入電流，工作區(qū)域磁感應強度分布如圖3所示。可以看出：外離合器工作區(qū)域中磁感應強度數(shù)量級在10-2以下，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可忽略不計。筆者在以前的研究中得到內(nèi)離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩T1與磁感應強度B之間的關系為[7]

T1=179.608L1×(-160.8B3-54.05B2+

130.8B-5.7)，

(1)

式中：L1為內(nèi)離合器工作區(qū)域長度,m。

圖3　內(nèi)離合器工作時工作區(qū)域磁感應強度分布

根據(jù)仿真結(jié)果，由式(1)得到不同電流下內(nèi)離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩,如表1所示。

表1　不同電流下內(nèi)離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩

根據(jù)表1進行數(shù)據(jù)擬合，得到內(nèi)離合器傳遞轉(zhuǎn)矩與電流的關系為

T1=-13.344I3+29.879 5I2+

166.708 1I-0.992 3。

(2)

由式(2)可得：當電流達到2.77 A時，即可實現(xiàn)傳遞375 N·m這一目標轉(zhuǎn)矩。

上述結(jié)果表明：內(nèi)離合器滿足轉(zhuǎn)矩傳遞要求，且工作時對外離合器的電磁干擾很小。

1.2.2外離合器磁場仿真

外離合器工作時,內(nèi)離合器線圈中無電流。圖4為外離合器線圈中通入不同電流時工作區(qū)域中磁感應強度的分布。可以看出：外離合器工作時對內(nèi)離合器的電磁干擾也很小。

圖4　外離合器工作時工作區(qū)域磁感應強度分布

外離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩T2與磁感應強度B之間的關系為[7]

T2=282.6L2×(-160.8B3-54.05B2+

130.8B-5.7),

(3)

式中：L2為外離合器工作區(qū)域長度,m。

根據(jù)仿真結(jié)果,得到不同電流下外離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩,如表2所示。

表2　不同電流下外離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩

根據(jù)表2進行數(shù)據(jù)擬合，得到的外離合器傳遞轉(zhuǎn)矩與電流的關系為

T2=-13.344I3+29.879 5I2+

166.708 1I-3.965 9。

(4)

由式(4)可知：線圈中的電流達到2.3 A時，外離合器可傳遞375 N·m轉(zhuǎn)矩，說明外離合器滿足轉(zhuǎn)矩傳遞要求。

2磁流變雙離合自動變速器

2.1結(jié)構(gòu)設計

用磁流變雙離合器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的摩擦式雙離合器，利用磁流變液獨特的磁流變效應來傳遞汽車轉(zhuǎn)矩，得到了磁流變雙離合自動變速器，其傳動簡圖如圖5所示。

圖5　磁流變雙離合自動變速器傳動簡圖

由圖5可知：1)與傳統(tǒng)的DCT相比，齒輪傳動系統(tǒng)不變；2)采用的磁流變雙離合器結(jié)構(gòu)簡單，省去了采用摩擦式雙離合器時的雙質(zhì)量飛輪等減振器；3)在控制方面，省去了傳統(tǒng)的DCT體積較大的液壓控制模塊，磁流變雙離合器只需通過控制通入線圈的電流即可實現(xiàn)對分離與結(jié)合的控制；4)在變速器中，1、3、5、R擋由磁流變雙離合器中的內(nèi)離合器控制，2、4、6擋由外離合器控制；5)磁流變雙離合器中的外離合器花鍵輸出端與變速箱的空心軸連接，而內(nèi)離合器輸出軸則與變速箱的實心軸連接,這樣，動力就可以由2個離合器通過2根輸入軸傳到變速箱。

2.2換擋過程

MRDCT工作時，2個離合器之間交替配合，實現(xiàn)了動力不間斷換擋。筆者以1擋起步換到2擋為例，說明磁流變雙離合自動變速器的換擋過程。

1) 起步時，換擋操縱機構(gòu)把1擋齒輪嚙合，然后內(nèi)離合器線圈中通入電流并結(jié)合，車輛起步，變速器掛上了1擋，此時的外離合器是分離狀態(tài)；

2) 當車速升高到接近2擋的換擋車速時，換擋控制器向換擋操縱機構(gòu)發(fā)送指令，操縱2擋同步器結(jié)合，進入預選擋狀態(tài)；

3) 當車速達到升擋速度時，控制系統(tǒng)向離合器的控制系統(tǒng)發(fā)送切換命令，減小內(nèi)離合器控制線圈中的電流，同時增大外離合器控制線圈中的電流，此時內(nèi)離合器逐漸分離，外離合器逐漸結(jié)合；

4) 當內(nèi)離合器完全分離、外離合器完全結(jié)合時，車輛換到了2擋。

3結(jié)論

筆者提出了磁流變雙離合器和磁流變雙離合自動變速器的概念，從理論上分析了筒式磁流變雙離合器的轉(zhuǎn)矩計算模型，以某B級轎車為例，設計了一款多筒式磁流變雙離合器，并對其在最大車載電流下的磁場分布進行了仿真，結(jié)果表明：內(nèi)、外2個離合器能各自滿足轉(zhuǎn)矩傳遞要求，且它們之間的電磁干擾很小。此外，通過試驗測試了磁流變離合器的轉(zhuǎn)矩傳遞能力，試驗結(jié)果表明:該離合器能滿足雙離合變速器的實際使用要求。最后，基于傳統(tǒng)的DCT結(jié)構(gòu)，設計了一款結(jié)構(gòu)簡單、可控性高、反應速

度快的磁流變雙離合自動變速器，為產(chǎn)品工程化提供技術(shù)支持。但本文對磁流變雙離合自動變速器的研究還不夠深入，特別是未考慮離合器工作時產(chǎn)生的溫升對磁流變液工作區(qū)磁場的影響，下一步將從這個方面開展研究。

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[7]Chen D M, Zhang H, Cai Q G. Design of Automobile Magneto-rheological Fluid Dual-clutch[C]∥Proceedings of the 3rd International Conference on Mechanical Engineering and Intelligent Systems. Yinchuan，China: Atlantis Press, 2015: 601-605.

(責任編輯: 尚菲菲)

Design of Magneto-Rheological Dual Clutch Transmission

CHEN De-min1, LIANG Yan-han1, ZHANG Hong1,2

(. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Troop No.77169 of PLA, Chongzhou 611233, China)

Abstract：To simplify the mechanical structure and control methods of Dual Clutch Transmission (DCT), a Magneto-Rheological Dual Clutch Transmission (MRDCT) is designed, which can transimit maximum torque of a B-class car. Its magnetic field distribution is simulated and analyzed, and the relationships between current and torque are got. The results show that the MRF dual clutch can meet the torque transmission demand. At last, a MRDCT is designed and introduced, and it’s shift progress is analyzed.

Key words:Magneto-Rheological Fluid (MRF); dual clutch; Dual Clutch Transmission (DCT)

文章編號：1672-1497(2016)01-0044-04

收稿日期：2015-12-08

基金項目：軍隊科研計劃項目； 北京市自然科學基金資助項目(3152023)

作者簡介：陳德民(1965-)，男，副教授，博士。

中圖分類號：U463.211

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.01.009