關于濕式雙離合變速器多檔降檔超溫研究與優化

熊雨師

摘 要：濕式雙離合變速器的離合器全部浸泡在變速器油液中，相比于干式雙離合變速器可以更好的降低離合器的工作溫度，延長離合器的使用壽命。但是對于瞬間高溫工況，離合器片依然有超溫的風險。文章主要對濕式雙離合變速器汽車多檔位動力降檔過程中出現的離合器超溫問題進行分析與研究，通過縮短換檔時間、降低換檔速差和降低換檔過程中的發動機扭矩來減少摩擦功，從而避免離合器超溫的風險。

關鍵詞：汽車 雙離合變速器 多檔位降檔 離合器片超溫

1 引言

目前國內整車廠使用的雙離合變速器種類主流為濕式雙離合變速器，它相比于早先普遍使用的干式雙離合變速器的優點在于：濕式雙離合變速器將離合器片完全浸泡在變速器油里，通過較低溫度的變速器油快速傳導離合器片摩擦瞬間產生的高溫，以保證高頻率大負荷的工況下，離合器片溫度上升緩慢且依然保持原有的性能，不會出現過熱失效等情況。但在產品研發過程中發現，即便是濕式離合器變速器，其離合器片在特殊工況下也有超溫的風險，可能會在駕駛過程中出現安全隱患。

文章重點分析研究濕式雙離合變速器多檔位降檔過程中的離合器超溫原因及相應的優化方案。

2 多檔位降檔離合器超溫原因

當前自動變速器的檔位越來越多，在緊急加速的工況下，多檔位降檔的使用頻率也開始上升。多檔位降檔過程中產生的熱量相比于單檔位降檔要大得多。

以麥格納7速濕式雙離合變速器為例，其支持的最多跨檔位降檔的數量是連續降4個檔位。可實現的降檔工況是駕駛員踩下大油門后從7檔降至3檔的緊急加速過程。該款變速器有兩個離合器，離合器1控制奇數檔位，離合器2控制偶數檔位。當觸發7檔降3檔時，7檔和3檔都屬于離合器1控制，在變速器控制中定義為同軸換檔，必須借助偶數檔位作為中間檔進行動力銜接。整個換檔過程就會分解為7檔降4檔，然后4檔降3檔。

如圖1所示為整個7檔降3檔的換檔過程：1—目標檔位，2—換檔轂1位置，3—換檔轂2位置，4—發動機轉速，5—輸入軸1轉速，6—輸入軸2轉速，7—發動機飛輪端扭矩，8—離合器1扭矩，9—離合器2扭矩，10—油門踏板位置。在這個過程中，變速器內部動作過程分解為：換檔轂2從6檔摘出掛入4檔、離合器1控制扭矩將發動機轉速調速至4檔同步轉速，離合器2液壓充油、扭矩交換將扭矩傳遞給4檔、換檔轂1從7檔摘出掛入3檔、離合器2控制扭矩將發動機轉速調速至3檔同步轉速、離合器1液壓充油、扭矩交換將扭矩傳遞給3檔，最終完成整個換檔過程。

4檔為中間檔位在使用過程中，其使用的離合器2一直處于滑摩狀態，而7檔降3檔的換檔時間在所有換擋組合中最長、滑摩差最大，并且該工況發動機扭矩普遍已經達到最大值，離合器片2所承受的摩擦功最大，導致離合器片2所到達的溫度最高，情況最惡劣。

圖2所示為某DCT試驗車在90℃變速器油溫以及30℃環境溫度的初始測試環境下所測得的數據，離合器片2最高溫度在發動機與3檔輸入軸轉速同步的瞬間達到最大值為263℃，幾乎接近離合器片的溫度報警線，離合器片2累積摩擦功為63Kj，通常情況下最大單次換檔摩擦功最高30Kj。若變速器油溫和環境溫度在更高更惡劣的情況下必然觸發超溫報警。

3 離合器片摩擦功原理

摩擦功公式[1]如下：

（1）

式中：t0—起始時間；

t1—結束時間；

Tc—離合器扭矩；

ωe—發動機轉速；

ωc—輸入軸轉速。

由式（1）可知，離合器片的溫升主要由離合器片所承受的摩擦功決定。摩擦功由摩擦時間、離合器滑摩差和離合器摩擦扭矩三部分組成。

溫升計算公式[2]如下

（2）

式中：—離合器片承受的摩擦功；

c—變速器的平均比熱容；

m—離合器片質量。

在整車硬件設計完成后，變速器內部比熱容與整車風冷水冷系統已經固化不變。由式（2）可知，干式雙離合變速器因為離合器片沒有變速器油的冷卻效果，相當于比熱容非常小，當離合器片承受的摩擦功過高，導致離合器片摩擦材料的溫度急劇上升。在TCU軟件控制策略的保護下，會在離合器片到達其設計承受最高溫度前打開離合器以防止離合器片進一步燒蝕導致離合器片失效。但整車駕駛過程中出會現動力中斷并觸發變速器報警，這也是干式離合器深受詬病的原因之一。

而濕式雙離合變速器的離合器片在變速器油的冷卻幫助下，其較大的平均比熱容可以吸收一大部分摩擦功，但是在過大的摩擦功、炎熱的外部環境以及較高的變速器油溫的情況下，同樣會使得離合器片溫度上升過高直至超過離合器片設計承受最高溫度，導致觸發變速器保護功能出現動力中斷，這種情況需要在設計過程中進行規避，確保駕駛過程不出現過熱的情況。

4 測試方法及測試工具

麥格納7速濕式雙離合變速器自帶1個變速器油溫傳感器以及2個輸入軸傳感器，并且該測試變速器額外加裝離合器片溫度傳感器如圖3。可以獲得精確的變速器油溫、離合器片溫度與轉速等信息，發動機轉速及發動機飛輪端扭矩均使用整車CAN信號，精度可以得到保證。

采集數據時的測試環境一致，均在90℃變速器油溫以及30℃環境溫度下進行測試。另外，使用搭載麥格納濕式雙離合變速器的某試驗車、ETAS 582. 1數據采集儀及INCA7. 1軟件，通過采集整車行駛過程中的關鍵數據包括變速器檔位、換檔轂位置、發動機轉速、輸入軸1和2轉速、發動機飛輪端扭矩、離合器1和2傳遞的扭矩、變速器油溫、離合器片2摩擦功、離合器片2溫度及整車車速等相關信號。將采集到的數據存入筆記本電腦，用 MDA 軟件進行分析處理。圖4所示為測試所用工具實物圖。

通過分析比較不同優化方案下采集到的離合器片摩擦功以及最高溫度來評判優化方案的改進情況。

5 多檔位降檔離合器超溫優化方案

本研究的優化的方向從如何降低摩擦功的角度來分析優化超溫的問題，過程中通過更改或增加TCU控制軟件策略，可以實現以下方案。

方案1：縮短摩擦時間

原始方案中7檔降3檔的換檔時間實測為3.2s，過程中離合器片2始終處于滑摩狀態，那么縮短換檔時間也就等效于縮短滑摩時間。通過優化換檔過程控制邏輯，縮短變速器調速和扭矩交換時間，結果如圖5優化后的換檔時間壓縮到2.7s。經過測試發現其離合器片2最高溫度由原始方案的263℃降低至245℃，離合器片2累積摩擦功降低至42Kj。

縮短換檔時間的同時還能優化整車動力性效果，故后續優化方案均基于方案1的優化效果作進一步分析。

方案2：減小離合器滑摩差

（3）

將（3）帶入ωe-ωc可得：ωe-ωc

（4）

式中：—目標檔位速比；

—當前檔位速比。

由式（4）可知，滑摩差由當前發動機轉速和固定的檔位速比成正比。要減小滑摩差，可以通過限制7檔降3檔的最高允許轉速的策略來實現。

方案2采用限制最高允許發動機在1200rpm之內才可以執行7檔降3檔，測試結果離合器片2溫度最高215℃，離合器片2累積摩擦功降低至34Kj。

方案3：減小離合器摩擦扭矩

通過更改TCU軟件接口并向ECU發出請求，限制并降低換檔過程中發動機的飛輪端扭矩最大值，來降低離合器端的扭矩輸出。測試結果離合器片2最高溫度僅有150℃，累積摩擦功為14Kj，溫度控制效果最好。

6 優化結果對比以及結論

表1為以上三種方案的關鍵數值對比， 通過離合器總摩擦功和離合器溫度上升差可以看出，方案3的優化效果最為明顯，離合器片2的最高溫度在相同的測試工況下降低113℃。其次為方案2，離合器片2最高溫度降低42℃。方案1離合器片2最高溫度降低18℃。

方案1的負面影響在于：因為加快變速器換擋過程，需要變速器內部執行機構滿足相應的耐久規范，對硬件設計有一定的要求。

方案2的負面影響在于：會降低觸發7降3的最高車速。更改前后對比發現，原先試驗車在86kph時可以觸發7檔降3檔，限制發動機轉速后，觸發7檔降3檔的允許車速降低為70kph，導致70kph-86kph的車速范圍內，變速器最多只能執行7檔降4檔，導致整車動力性變弱，過多的犧牲整車高速巡航再加速能力，在緊急超車工況下可能會引起駕駛員抱怨。

其中，方案3的負面影響在于：在變速器調速階段，整車加速度因離合器端傳遞扭矩降低而導致整車加速感偏弱。

因此，在TCU軟件策略上可以選擇僅在高變速器油溫的工況下使用方案3來限制發動機飛輪端扭矩，用于避免極端工況下變速器出現離合器過熱的情況的發生。在方案3也無法避免超溫的極端情況下，可以適當配合使用方案2雙管齊下。而在變速器低油溫的工況下在多次實測確保離合器片不超溫的前提下，可以不采取任何措施，使得整車動力性不受到變速器的保護限制。

最終的方案選擇，需要根據實際情況進行判斷與區域劃分，并且使用相應軟件策略進行功能的實現。

參考文獻：

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