DCT變速箱液壓系統的能耗分析與優化研究

王中華 鄭海兵 楊士先

摘 要：本文將針對變速箱液壓系統中油泵及電磁閥的能量消耗，建立液壓系統數學計算模型。以DCT變速箱為例，基于NEDC循環，展開能耗計算分析。并基于現有的DCT液壓系統，給出了降低能耗的措施。

關鍵詞：液壓系統;數學模型;能量消耗

0 序言

降低能耗提升效率是變速箱技術發展永恒不變的主題。變速箱作為傳動系統的關鍵環節，其能耗研究一直備受關注。從手動變速箱到自動變速箱的變化，主要增加的為自動化的控制系統，而電控液壓式控制系統是現有大多數自動變速箱的采用的技術方案。自動化的控制系統，無論是采用何種形式，都會產生能耗的損失，造成變速箱效率的降低。

本文將基于DCT液壓控制系統，展開液壓系統的能耗計算分析，同時對液壓系統的能耗優化展開研究，提升變速箱總成的效率。

1 DCT液壓控制系統的介紹

為如圖1所示，為一款DCT的液壓原理圖，該系統由四個部分組成，其中A部分代表檔位控制系統，B部分代表雙離合器控制系統，C部分為冷卻潤滑系統，D部分為壓力供給調節系統。

檔位控制系統，通過31-奇數檔壓力調節閥，33-奇數檔流量調節電磁閥35-奇數檔選檔電磁閥，實現奇數檔（1檔，3檔，5檔）的接合與脫開，同理，通過32-偶數擋壓力調節電磁閥，34-偶數擋流量調節電磁閥36-偶數擋檔位選擇電磁閥，實現偶數擋（2檔，4檔，6檔）和R檔的接合與脫開。

離合器控制系統，通過25-離合器1壓力調節電磁閥和27-離合器1支路開關電磁閥控制離合器1支路的壓力，實現離合器1的接合和脫開，同理，通過26-離合器2壓力調節電磁閥和29-離合器2支路開關電磁閥控制離合器2支路的壓力，實現離合器2的接合與分離。

冷卻控制系統，齒軸系統和雙離合器采用強制潤滑，41-離合器冷卻閥可以根據雙離合器冷卻流量需求實現實際流量的調節。

壓力供給調節系統，由發動機驅動的機械泵實現壓力油的供給，37-主壓力調節電磁閥和38-主壓力調節滑閥，共同作用，實現主壓力的調節。

2 液壓系統的能耗分析

DCT液壓系統耗能主要來源于兩部分：+一是由發動機直接驅動的齒輪泵為液壓系統提供動力而產生的耗能;二是由靠蓄電池供電通過TCU（變速箱控制單元）驅動的電磁閥動作而產生的耗能。

2.1 油泵能耗數學模型

2.3 DCT液壓系統的能耗計算

對于變速箱能耗分析，NEDC循環工況為一種具有代表性典型工況，下面將基于該工況分析液壓系統的能耗。

（1）齒輪泵的能耗計算分析。當前的液壓系統采用了一個排量為16.8cc/rev的齒輪泵，油泵驅動的扭矩受出口壓力和轉速而影響，油泵的驅動扭矩可用下式5進行計算（基于當前的發動機轉速和油泵出口壓力）。

說明：公式5，通過油泵臺架試驗數據（不同出口壓力和不同轉速下的油泵扭矩測試值而得到）擬合而得到。

根據軟件實時控制策略，得到主壓力控制值和當前的發動機轉速，即可求解得出實時驅動油泵所需的扭矩，然采用公式1和公式2即可計算出驅動油泵所消耗的功以及驅動油泵所需要的平均功率。

通過計算，在NEDC循環工況下，驅動油泵所消耗的功為296.31 kJ，平均消耗功率為251.11 W。

（2）電磁閥的能耗計算。當前的液壓系統，所有的電磁閥的供電電壓按照12V進行計算，對于電磁閥的工作電流，以實際采集電磁閥的工作電流進行計算。

基于NEDC循環工況采集的電磁閥實際電流，12個電磁閥功總共消耗能量為73.302 kJ，平均功率消耗為62.12 W。

另外，從圖2中，可以看出25和26兩個離合器開關電磁閥消耗能量最大，約占總能量消耗的57%。其次為37主壓力調節閥，占總消耗的15%，然后為41-離合器冷卻調節閥，占總消耗的13%，27，28兩個離合器壓力控制閥占總消耗的14%。剩余電磁閥占總能量消耗的1%。

從上述計算，可以得出，基于NEDC循環工況，當前的液壓控制系統總功消耗為369.612 kJ，平均功率消耗為313.23 W。

3 液壓系統能耗的優化措施

3.1 電子泵技術的應用

現在市面上的大多數自動變速箱只布置有一個機械泵，機械泵在設計時，受到用戶的需求（機限工況下的需求）和發動機轉速的限制，往往設計了一個較大的排量，機械泵輸出的流量，在正常工況下，常常會大于用戶的需求。容積造成功率的損失和浪費。

隨著電子泵技術的不斷發展，開始應用于自動變速箱，小排量的機械泵+電子泵的油液供給系統逐漸會成為自動變速箱液壓控制系統的標配。其中小排量的機械泵用于滿足正常工況下的用戶的需求，而電子泵只有在機械泵不能滿足用戶需求時進行壓力和流量的補充。

按照設計經驗和市場上電子泵產品，通常選擇一個200～250 w的電子泵產品，用于系統的補充，這時機械泵的排量可以縮小至原來尺寸的2/3，小排量的機械泵排量設定為11 cc/rev。

對于小排量油泵的驅動扭矩，可以按照下面的公式進行計算;

基于NEDC循環工況，使用公式1和公式2，可以計算出使用小排量油泵在該工況下驅動油泵所消耗的功為218.79 kJ，平均功率消耗為185.41 W。

式7中，代表電子油泵所消耗的功，代表電子油泵的功率，代表電子泵的出口壓力，代表電子油泵出口流量，代表電子泵的工作時間;式8中，代表電子油泵基于NEDC循環工況的平均功率。

3.2 液壓控制系統優化

根據2.3章節的計算結果，25，26-離合器開關閥的能量消耗占到所有電磁閥能量消耗的57%，這兩個電磁閥在系統中起到安全的作用，只有在27，28-離合器壓力控制閥出現故障（壓力不能關閉）時，這兩個閥可以關閉，保證整車的行駛安全。隨著能量消耗的要求，可以取消25，26-離合器開關閥，當離合器壓力控制閥出現故障時（壓力不能關閉），通過改變控制策略，降低主壓力（降低至離合器壓力結合點以下），也可以實現離合器動力的切斷，保證整車的行駛安全。

通過減少電磁閥，在NEDC循環工況下，電磁閥的能量消耗，可降低至31.65 kJ，平均功率消耗降低至26.82 W。

通過電子泵技術的應用和電磁閥數量的減少，DCT液壓系統的能量消耗降低至252.38 kJ，平均功率消耗為213.88 W。相對于原系統，平均功率損耗減少100 W。當量于0.3 L/100 km的油耗。

4 結論

從計算結果可以看出，變速箱液壓系統的能量消耗，主要來自于油泵系統，但是液壓控制系統造成的能量消耗同樣不能忽視。

變速箱電子油泵的應用以及控制系統的優化，可以帶來液壓系統能耗降低約三分之一，可以更好滿足法規的要求及實現顧客的滿意。

參考文獻：

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[2]李壯云.液壓氣動與液力工程手冊[M].電子工業出版社，2008.

基金項目：安徽省重點研究與開發項目-新型商用車AMT產品開發（201904a05020023）

作者簡介：王中華（1984-），男，山西陽泉人，研究生，工程師，研究方向：自動變速箱液壓系統開發。