干式雙離合器實時溫度模型與過熱保護策略研究

高 晶

(上海汽車變速器有限公司，上海 201800)

0 引言

雙離合變速器(DCT)是一種汽車用自動變速器，具有換擋快、動力無間斷、燃油經濟性高等優(yōu)點，近年逐漸發(fā)展成自動變速器的主流之一。雙離合器作為其主要部件，可分為濕式和干式兩種，其中濕式雙離合器冷卻方式為油冷，干式為風冷。原理和結構上的區(qū)別使得干式雙離合器效率更高且成本更低，適合小排量汽車搭載。但干式的缺點是熱容量較小，散熱性能較差，在變速器頻繁換擋，離合器負荷較大的工況中，離合器摩擦會產生大量熱量[1]，使溫度急劇上升，導致干式雙離合器的加速磨損，傳遞扭矩能力下降，壽命降低，還會影響換擋品質[2]。因此對干式雙離合器工作溫度監(jiān)控及過熱保護策略的研究[3]就顯得尤為重要。

對于干式雙離合器溫度模型的研究，有研究者采用了有限元法[4, 5]進行仿真，該方法仿真結果準確度較高，但計算量較大，適合于離線仿真研究溫度變化規(guī)律，不適合集成在車載變速器控制單元(TCU)中進行在線計算；也有研究者建立了離合器溫度場的簡化模型[6-8]用于實時計算溫度。

出于技術難度和成本考慮，難以在量產的變速箱上搭載用于直接監(jiān)測離合器表面溫度的傳感器。因此本研究的目的就是建立一套干式雙離合變速器溫度計算模型，盡可能準確地實時計算雙離合器表面溫度。本研究將仿真計算、臺架試驗與實車試驗三者緊密結合，反復迭代優(yōu)化參數(shù)并驗證溫度模型的準確性與可靠性；再進一步以該模型輸出的計算溫度為依據(jù)，設計了多級過熱保護策略，從而避免離合器過熱損壞，同時最大程度上保證了換擋品質。

1 基于傳熱理論的干式雙離合器溫度模型建模

根據(jù)干式雙離合器總成機械結構，將其簡化分解為中間盤、離合器壓盤1、離合器壓盤2、壓盤蓋1、壓盤蓋2及殼體共6個單元，而在總成內部參與熱交換的介質還有殼體內的空氣。將壓盤1、中間盤和壓盤2三者摩擦得到的摩擦熱視為內熱源，總成內部各單元進行熱交換的同時，殼體、殼體內空氣與外部的發(fā)動機冷卻液、發(fā)動機艙環(huán)境空氣也存在熱交換。分析個單元間的具體熱交換形式如圖1所示。

圖1 干式雙離合器熱交換示意圖

Fig.1 Thermal transfer forms between each unit of dry dual clutch

忽略離合器摩擦副之間微量的空氣，可以認為摩擦產生的熱量全部傳遞給壓盤和中間盤。殼體空氣與離合器總成內部各單元及外部發(fā)動機艙環(huán)境均存在接觸，因此認為均存在熱對流形式的熱量傳遞。而壓盤通常工作于高溫狀態(tài)，因此需要考慮壓盤對壓盤蓋的熱輻射能量?？紤]到各單元材料表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠小于內部導熱系數(shù)，可以采用參數(shù)集中法，即認為每個單元內的溫度是均勻的(單元內任意位置的溫度均相等)。

基于以上的分析，建立雙離合器溫度數(shù)學模型如下：

摩擦功及熱量：

P=Trq×|ωe-ωc|

(1)

(2)

式中P為滑摩功(W)；Trq為摩擦扭矩(Nm)；ωe為中間盤角速度(rad/s)；ωc為壓盤角速度(rad/s)；L為t0(s)時間內產生熱量(J)。

質量件溫度：

M×Cp×dT=Qin-Qout

(3)

(4)

式中M為DCT質量件的質量(kg)；CP為質量件比熱容(J/kg℃)；dT為溫度變化量(℃)；Qin為熱輸入(J)；Qout為熱輸出(J)；T為質量件溫度(℃)；T0為質量件初始溫度，該值的預估需要考慮下電時間和環(huán)境溫度。

熱輻射換熱公式：

(5)

式中Q1為熱輻射傳熱量(J)；Cn為輻射系數(shù)(W/m2k4)；T1為物體1的熱力學溫度(K)；T2為物體2的熱力學溫度(K)；F1為輻射體的輻射表面積(m2)。

熱對流換熱公式：

Q2=α(tw-tf)F2

(6)

式中Q2為對流傳熱量(W)；α為對流傳熱系數(shù)(W/m2℃)，其受到發(fā)動機轉速(殼體空氣流動速度)和殼體空氣溫度影響；tw為壁面溫度(℃)；tf為流體(殼體空氣)溫度(℃)；F為對流換熱面積(m2)。

熱傳導換熱公式：

Q3=λ(Te-Th)A/l

(7)

式中Q3為熱傳導熱量(W)；λ為導熱系數(shù)(W/m℃)；Te為發(fā)動機冷卻水溫度(℃)；Th為離合器殼體溫度(℃)；A為導熱面積(m2)；l為導熱部分厚度(m)。

根據(jù)上述熱學模型，基于Matlab / Simulink搭建實時溫度計算模型如圖2所示。其中各單元體溫度模型的輸入是該單元體的物理特性參數(shù)，與之有熱交換的其他單元體的溫度值，以及其他計算所需的車輛信息(如力矩、發(fā)動機轉速、車速等)；輸出是該單元體的溫度。由于溫度模型的準確性與上述各項參數(shù)的設置密切相關，可將參數(shù)設定為標定量，將該模型集成入DCT控制軟件，利用工具自動生成代碼并刷寫入控制器(TCU)中，用來在臺架和實車上測試調整參數(shù)及驗證模型準確性。

圖2 基于Matlab / Simulink的干式雙離合器溫度模型

2 試驗方案

參數(shù)設置是影響溫度模型準確度和可靠性的重要因素。在本模型中存在兩類參數(shù)，第一類是可以查詢到材料物理特性或可測量的幾何尺寸，表1給出了這一類的主要參數(shù)。第二類是一些不容易直接取得參數(shù)，諸如對流換熱系數(shù)、輻射系數(shù)、導熱系數(shù)、部分換熱面積等，這類參數(shù)需要經過仿真、試驗、標定等手段去獲得或優(yōu)化。而參數(shù)優(yōu)化的方法取決于現(xiàn)實可行試驗方案，本研究中在DCT總成上安裝溫度傳感器進行臺架與實車試驗，以實際測溫度為目標，用仿真優(yōu)化的方法獲得第二類模型參數(shù)，使溫度模型計算值盡可能接近實測值。

表1 材料物理特性參數(shù)表

工程領域測溫度常用到熱電偶和紅外傳感器。熱電偶適合于接觸式測量，紅外傳感器適合于非接觸式測量。對于殼體內空氣溫度和殼體溫度可以用熱電偶測量。在實車上由于中間盤為高速旋轉件且內部間隙較小，使用紅外傳感器測量其外圓溫度。為進一步研究如何通過中間盤外圓溫度來表達其最高溫度，設計了基于雙離合器總成的臺架試驗，即在臺架上用電機直接驅動壓盤進行摩擦，而中間盤處于固定靜止的狀態(tài)。這樣可以將熱電偶埋入中間盤測試其內部溫度，再根據(jù)兩者的實驗數(shù)據(jù)進行對比研究。

如圖3所示，紅色標注為紅外傳感器用于測量中間盤溫度(通孔安裝，2處)；綠色標注為熱電偶用于測試空氣溫度(通孔安裝，3處)；藍色標注為熱電偶用于測試殼體溫度(盲孔安裝，2處)。橙色標準為臺架試驗中埋入中間盤的熱電偶，用于測量中間盤中部溫度。

圖3 溫度傳感器安裝位置示意圖

3 參數(shù)標定與試驗驗證

集成有溫度模型的DCT控制軟件和加裝溫度傳感器的DCT總成都準備完成后，首先進行臺架試驗。為模擬實車典型的間歇性升溫工況，設置摩擦轉速差150 rpm，通過臺架控制離合器壓緊力，使中間盤溫度按如下趨勢變化：環(huán)境溫度→50 ℃→40 ℃→100 ℃→90 ℃→150 ℃→140 ℃→200 ℃→190 ℃→250 ℃→冷卻至環(huán)境溫度。如圖4所示，中間盤外圓溫度比中部溫度偏低，且隨著溫度的升高，兩者的差異也逐漸增大。將兩者做線性擬合分析，可以認為在中高溫段的升溫過程中兩者的線性關系為：內部溫度(℃)=外圓溫度(℃)×1.13。

圖4 臺架試驗中間盤外圓溫度、中部溫度與修正溫度對比

溫度計算模型是較為復雜的非線性系統(tǒng)，因此需要通過離線仿真計算的方法獲取第2節(jié)中所述的未知參數(shù)。在實車上進行大量實驗并采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)需要包括所有溫度模型需要的輸入信號，以及所有加裝傳感器溫度信號，并使用這些數(shù)據(jù)在Matlab參數(shù)優(yōu)化工具箱(如遺傳算法)中進行計算。將實車采集的信號輸入溫度模型，并賦予未知參數(shù)初值和邊界條件，可計算出中間盤溫度T1；而紅外傳感器實測中間盤外圓溫度經修正(升溫段×1.13)得到內部溫度T2。優(yōu)化計算的目標即為T1與T2在整個測試時間段做最小二乘法誤差在可接受范圍內。再將通過優(yōu)化計算獲取的參數(shù)寫入溫度模型，進行實車測試驗證，觀測計算溫度是否與實測溫度誤差在可接受范圍內。經過多次迭代調整，最終得到一組最佳參數(shù)，經大量實驗(包括整車三高試驗)驗證無問題后即可鎖定。

圖5顯示了應用這組參數(shù)進行實車城市路況試驗的情況，模型計算溫度與實測溫度在升溫段誤差范圍基本滿足±10 ℃(100 ℃以下)或±10%(100 ℃以上)，滿足工程應用需求。值得注意的是，該溫度模型在應用于不同車型時，因發(fā)動機艙布置不同，散熱環(huán)境不同，相關參數(shù)必須要重新優(yōu)化調整，以模擬出更接近實際的離合器計算溫度。

圖5 實車城市路況模型計算溫度與實測修正溫度對比

4 過熱保護策略

由于干式離合器存在風冷散熱能力不強的特點，如果遇到極端工況，如連續(xù)大油門坡起，或連續(xù)踩松油門使變速箱連續(xù)升降檔，熱量不斷堆積，可能使離合器溫度超過安全范圍。為此必須要對過熱工況做相關的診斷和保護策略，防止離合器繼續(xù)升溫。

該策略的保護對象是離合器摩擦片，因此須關注溫度模型計算出的中間盤、壓盤1和壓盤2三者溫度中的最高值，以該值作為提示過熱的依據(jù)。保護策略并不屬于常規(guī)控制策略，必然會影響到駕駛品質。比較好的方法是在過熱溫度以下設置多級保護，保護效果逐級增加，而對駕駛品質的影響也逐級增加。根據(jù)摩擦材料測試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，250 ℃以內是安全使用溫度(已考慮安全系數(shù))，因此在190 ℃至250 ℃之間設置了3級保護。其中第1級保護激活閾值190 ℃為經實車測試常溫下常規(guī)駕駛一般不會達到的溫度，以避免保護策略頻繁激活影響駕駛品質。而保護措施的設計，從發(fā)熱與散熱的角度看可以分為減少摩擦生熱和加強外部散熱；從人機交互的角度看可以分為控制器自主執(zhí)行保護控制和提示駕駛員減少極端工況。具體來說有：

1) 減少摩擦生熱的措施包括：減少離合器滑摩工況，如蠕行、升降檔；在滑摩工況中加大離合器傳遞扭矩，使離合器快速結合，減小滑摩時間；

2) 加強外部散熱的措施包括：請求風冷系統(tǒng)加強散熱能力；請求整車進氣格柵打開等；

3) 提示駕駛員措施包括：蜂鳴、亮燈、文字提示離合器溫度過高，減少激烈駕駛，或盡快停車等。

表2列出了搭載該款變速箱的某項目的離合器過熱保護策略。經測試驗證，應用這樣逐級增加保護措施的控制策略，在大多數(shù)非極端工況下，溫度并未達到最高級就已經能被控制住，在保護離合器的同時也減小了對駕駛品質的影響；而在極端工況情況下亦能夠防止離合器溫度超過安全值。值得一提的是，將離合器完全打開不傳遞任何扭矩，也能有效防止升溫，但會造成整車動力丟失，降低了整車行駛的安全性。因此在極端情況下保護策略也只能盡量將離合器鎖死避免摩擦，而不是將離合器完全打開。

在離合器溫度模型和過熱保護策略開發(fā)過程中，應結合整車開發(fā)周期，將這兩者應用在每一個階段的整車耐久試驗與環(huán)境試驗中，并在試驗結束后分析試驗數(shù)據(jù)，對試驗用變速箱進行拆解分析，以確認離合器磨損程度在合理范圍內，從而驗證溫度模型與保護策略的可靠性，最終鎖定軟件和參數(shù)。

表2 分級過熱保護策略

5 結論

本研究基于干式雙離合器的結構與基本熱學原理，將離合器主要部件簡化成熱學單元，分析了各單元之間的熱傳遞形式，并根據(jù)三種基本傳熱形式理論公式搭建了離合器總成系統(tǒng)的溫度數(shù)學模型。分析離合器工作特點和現(xiàn)有的試驗條件，確立了溫度模型中未知參數(shù)的獲得方法：即在離合器總成上加裝溫度傳感器，通過臺架試驗和實車試驗測得中間盤內部溫度；再以此溫度為目標，通過使用Matlab參數(shù)優(yōu)化工具箱，用離線仿真優(yōu)化的方法獲得合適的模型參數(shù)；應用該組參數(shù)再次進行實車測試；經過多次迭代優(yōu)化最終鎖定參數(shù)。經驗證，模型計算溫度與經修正的傳感器實測溫度誤差在可接受范圍內。在此基礎上進一步設計了過熱保護策略：以參與離合器摩擦的三個單元的最高計算溫度為依據(jù)，從多角度分析了可行的保護措施，并設計了分級逐步激活措施的策略，在保護離合器的同時也將對駕駛品質的影響降到最低程度。最終通過整車耐久試驗與環(huán)境試驗，驗證了該溫度模型和過熱保護策略的可靠性。