濕式雙離合變速器滑摩過程溫度的測量與分析

黃操，張偉，李云虹，樊嘉坤

廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434

0 引言

隨著傳動技術(shù)的不斷發(fā)展，濕式雙離合自動變速器(dual clutch transmission,DCT)逐漸被廣大消費者所接受，市場普及率逐步擴大。雙離合器作為DCT的核心部件，決定著整車動力響應(yīng)及換擋平順性的性能。在汽車行駛過程中，雙離合器中的摩擦副頻繁地進行結(jié)合與分離，會產(chǎn)生大量的熱量。離合器溫度過高會導(dǎo)致離合器失效進而影響整個傳動系統(tǒng)的可靠性。因此，對離合器滑摩過程中溫度變化規(guī)律的研究具有重要意義。

目前國內(nèi)外許多學(xué)者對離合器滑摩過程中摩擦片的溫度分布問題進行了廣泛研究。牛銘奎運用灰色理論預(yù)測了離合器工作溫度，并對離合器控制策略進行改進；鄭欣等通過CFD仿真分析了頻繁換擋工況下影響摩擦副溫度變化的原因；王穎穎建立了發(fā)動機-變速器聯(lián)合起步的數(shù)學(xué)模型，通過對摩擦副溫升過程的研究,分析了離合器摩擦副溫升影響因素。Newcomb基于摩擦面熱流相等的假設(shè)提出了摩擦片表面溫度計算的數(shù)值方法；Abdullah利用ANSYS計算得到摩擦片沿半徑方向溫度的分布;Sun建立了離合器摩擦片有限元模型，利用 ANSYS 計算得到不同材料的摩擦片在離合器頻繁接合下溫度的變化;Velardocchia提出離合器的線性溫升模型，計算了離合器鋼片滑摩表面的溫度。

綜上所述，目前對離合器摩擦片溫度的研究方法多采用數(shù)值計算或者有限元仿真，直接通過試驗測量的研究較少。本文設(shè)計了濕式雙離合器滑摩過程溫度測量系統(tǒng)，通過該測試系統(tǒng)對離合器滑摩過程中摩擦片溫度及摩擦因數(shù)的變化規(guī)律進行了研究。

1 測試系統(tǒng)的組成

濕式雙離合器滑摩過程溫度測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。變速器油溫測量系統(tǒng)通過在放油螺栓位置加裝溫度傳感器，實時監(jiān)控試驗過程中變速器的油溫。冷卻系統(tǒng)根據(jù)變速器油溫測量系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù)進行自動對油溫進行冷卻，滿足試驗溫度條件，同時具有離合器超溫保護的作用。變速器控制系統(tǒng)通過上位機對變速器進行控制，包括擋位切換、離合器結(jié)合等。離合器溫度測量系統(tǒng)通過布置在離合器鋼片上的K型溫度傳感器采集離合器片上的溫度，經(jīng)過導(dǎo)電滑環(huán)進行信號傳輸，通過設(shè)備采集溫度信號并發(fā)至上位機。

圖1 濕式雙離合器滑摩過程溫度測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2 測試系統(tǒng)工作原理

測試系統(tǒng)中離合器溫度的采集方式是將傳感器直接布置在離合器鋼片上，傳感器布置如圖2所示。通過線束將溫度信號引出，實現(xiàn)離合器溫度信號實時采集。

圖2 傳感器布置

由于離合器鋼片隨著離合器進行旋轉(zhuǎn)運動，存在導(dǎo)線纏繞的問題，無法直接將線束引出，此測試系統(tǒng)采用導(dǎo)電滑環(huán)來解決導(dǎo)線纏繞問題。變速器輸入端連接方式如圖3所示。

圖3 變速器輸入端連接方式

變速器輸入端主要包括離合器殼體、濕式雙離合器、軸套、導(dǎo)電滑環(huán)、變速器安裝板、變速器安裝支架、驅(qū)動花鍵、輸入軸承座。驅(qū)動花鍵固定在輸入軸承座上，軸套兩端分別與驅(qū)動花鍵及濕式雙離合器連接，實現(xiàn)動力驅(qū)動。導(dǎo)電滑環(huán)分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，其中定子固定在變速器安裝板上，轉(zhuǎn)子固定在軸套上，與驅(qū)動花鍵同步轉(zhuǎn)動。溫度信號線束從離合器鋼片端引出后與轉(zhuǎn)子連接，隨著驅(qū)動花鍵同步旋轉(zhuǎn)，通過線束將定子與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接，最終將離合器溫度上傳至上位機。

3 測試工況

濕式雙離合變速器發(fā)生離合器滑摩的工況主要發(fā)生在車輛起步及換擋過程中的離合器交互。車輛在不同坡度的路況下受力情況不一樣，對應(yīng)路況上的起步及換擋時的離合器交互時的滑摩工況也有所區(qū)別。水平狀態(tài)下車輛受力分析如圖4所示。

圖4 水平狀態(tài)下車輛受力分析

圖中，為牽引力，為摩擦力，為重力。假設(shè)摩擦因數(shù)為，車輛起步時要滿足：

>=

(1)

上坡狀態(tài)下車輛受力分析如圖5所示。

圖5 上坡狀態(tài)下車輛受力分析

上坡狀態(tài)車輛起步要滿足:

>=(cos+sin)

(2)

下坡狀態(tài)下車輛受力分析如圖6所示。

圖6 下坡狀態(tài)下車輛受力分析

下坡狀態(tài)車輛起步要滿足:

>=(sin-cos)

(3)

為了模擬不同工況下可能存在的滑摩工況，確定了測試工況，詳見表1。

表1 測試工況

4 測試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上文所述的濕式雙離合器滑摩過程溫度測量系統(tǒng)進行測試臺架的搭建，如圖7所示。

圖7 測試臺架的搭建

基于該測試系統(tǒng)的工作原理完成了某濕式雙離合變速器不同滑摩工況的離合器溫度測量。本文以偶數(shù)離合器測試結(jié)果為例，對測試數(shù)據(jù)進行分析。

不同工況下相同鋼片上溫度隨扭矩的變化曲線如圖8所示。由圖可以看出：不同工況下鋼片穩(wěn)定溫度及溫升速率均與輸入扭矩成正比，輸入扭矩越大，溫升速率越高，穩(wěn)定溫度越高。鋼片溫度變化主要發(fā)生在離合器壓力建立階段，壓力穩(wěn)定后鋼片溫度會趨于穩(wěn)定。

圖8 不同工況下相同鋼片上溫度隨扭矩的變化曲線

相同輸入扭矩下相同鋼片上溫度隨轉(zhuǎn)速差的變化曲線如圖9所示。

圖9 相同輸入扭矩下相同鋼片上溫度隨轉(zhuǎn)速差的變化曲線

由圖9可以看出：鋼片穩(wěn)定溫度及溫升速率與輸入和輸出轉(zhuǎn)速差成正比，轉(zhuǎn)速差越大溫升速率越高，穩(wěn)定溫度越高。

相同轉(zhuǎn)速差和相同扭矩下相同鋼片上溫度隨輸入和輸出轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖10所示。由圖可以看出，在轉(zhuǎn)速差及輸入扭矩相同的情況下，溫升速率基本一致，但最終穩(wěn)定溫度有較大差別。由圖還可以看出，工況1(輸入轉(zhuǎn)速750 r/min-輸出轉(zhuǎn)速0)的穩(wěn)定溫度均比工況3(輸入轉(zhuǎn)速1 500 r/min-輸出轉(zhuǎn)速750 r/min)的穩(wěn)定溫度高。該現(xiàn)象表明：轉(zhuǎn)速差及輸入扭矩相同的情況下，單側(cè)轉(zhuǎn)動滑摩產(chǎn)生的熱量比雙側(cè)轉(zhuǎn)動滑摩產(chǎn)生的熱量多，即怠速工況下滑摩產(chǎn)生的熱量比換擋過程中滑摩產(chǎn)生的熱量多。

圖10 相同轉(zhuǎn)速差和相同扭矩下相同鋼片上溫度隨輸入和輸出轉(zhuǎn)速的變化曲線

5 摩擦因數(shù)計算

離合器滑摩過程中溫度上升的主要原因是由于離合器摩擦片與對偶鋼片之間的摩擦產(chǎn)生大量的熱量。摩擦因數(shù)是摩擦特性表征的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)值過大會導(dǎo)致離合器升溫過快，嚴重的會燒壞離合器；數(shù)值過小則離合器的傳扭特性差。摩擦因數(shù)對整車的標(biāo)定控制至關(guān)重要，可通過測量離合器傳遞扭矩和離合器壓力間接測得。根據(jù)文獻[9]，摩擦因數(shù)的計算公式為

(4)

式中：為離合器的傳遞轉(zhuǎn)矩，N·m;為離合器摩擦副數(shù)；為離合器摩擦片的內(nèi)徑，m；為離合器摩擦片的外徑，m；為離合器壓力，N·m;為離合器活塞面積，m；為離合器活塞回位彈簧預(yù)緊力，N。

本文對某濕式雙離合變速器進行了不同滑摩工況的離合器溫度測試，根據(jù)式(4)對偶數(shù)離合器滑摩過程中摩擦因數(shù)的變化情況進行計算，離合器相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 離合器相關(guān)參數(shù)

不同工況和不同扭矩下摩擦因數(shù)隨壓力的變化曲線如圖11所示。由圖可知，摩擦因數(shù)與壓力成負相關(guān)，壓力上升，摩擦因數(shù)不斷減小。文獻[10-11]指出，由于紙基摩擦材料具有較強的彈塑性和多孔性，實際接觸面積與壓力不呈線性關(guān)系，導(dǎo)致摩擦因數(shù)與壓力成負相關(guān)。該現(xiàn)象表明：在壓力建立初期，離合器具有較高的摩擦因數(shù)，有利于扭矩的快速傳遞，動力響應(yīng)快；壓力穩(wěn)定后，摩擦因數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，動力傳遞平順，無頓挫感。

圖11 不同工況和不同扭矩下摩擦因數(shù)隨壓力的變化曲線

6 結(jié)論

(1)基于濕式雙離合器滑摩過程溫度測量系統(tǒng)對某濕式雙離合器滑摩過程中離合器溫度進行了測量，測試數(shù)據(jù)真實反映了離合器滑摩過程中溫度變化情況，驗證了該測試系統(tǒng)的可行性。

(2)測試結(jié)果表明離合器滑摩溫度與輸入扭矩、轉(zhuǎn)速差成正相關(guān)；冷卻流量的控制策略可根據(jù)輸入扭矩、轉(zhuǎn)速差來進行動態(tài)調(diào)整，防止離合器熱失效。

(3)分析了離合器滑摩過程中摩擦因數(shù)的變化規(guī)律：摩擦因數(shù)與壓力成負相關(guān)，并逐漸趨于穩(wěn)定。