濕式雙離合器壓力控制系統(tǒng)研究

辛明厚，郭曉林，孫 偉，陳德民，武東民，陳 贛

(裝甲兵工程學院 機械工程系，北京 100072)

雙離合自動變速器(DCT)是一種新型的自動變速器，它將變速器擋位按奇、偶數(shù)分別布置在與兩個離合器所聯(lián)接的兩個輸入軸上，通過離合器的交替切換完成換檔過程，實現(xiàn)動力換檔[1]。DCT與液力自動變速器、金屬帶式無級自動變速器及電控機械式自動變速器相比具有較大優(yōu)勢，一方面提高了車輛動力性能，另外它增加了車輛的行駛經(jīng)濟性和舒適性[2]。

1 DCT液壓系統(tǒng)工作原理

在濕式雙離合自動變速器中，換檔控制與離合器壓力控制均是由液壓系統(tǒng)完成的。而其液壓系統(tǒng)根據(jù)其功能的不同可以分為以下幾個分系統(tǒng)：主壓力控制系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)、離合器壓力控制系統(tǒng)和擋位控制系統(tǒng)。DCT液壓系統(tǒng)原理如圖 1所示。

DCT液壓泵采用的是內嚙合齒輪泵，它安裝在變速器的后方，發(fā)動機直接驅動液壓泵，為整個系統(tǒng)提供壓力油液。在泵壓力輸出處安裝有機械式限壓安全閥，在壓力大于限定壓力時，該閥會打開，油液進入回油油路，達到泄壓的目的。

主壓力調節(jié)系統(tǒng)(主壓力滑閥、N217高速電磁閥、節(jié)流孔等)控制著主油路壓力，它能根據(jù)換換擋策略等控制規(guī)律的需要輸出合適壓力。N217為高速電磁閥，是主壓力滑閥的先導閥，它輸入的占空比控制著主壓力滑閥的位置，從而控制著整個液壓系統(tǒng)的主壓力。

冷卻潤滑系統(tǒng)實際上由兩個系統(tǒng)組成，一個負責變速器機械部分的潤滑，包括齒輪傳動部分及雙離合器等，另一個是雙離合器的冷卻系統(tǒng)，由于雙離合器在起步、換擋等過程當中有滑磨，會產(chǎn)生一些熱量，為保證雙離合器的正常工作必須有合適的冷卻系統(tǒng)。安裝于離合器出油口的溫度傳感器可以檢測到雙離合器的溫度，此信號將反饋于控制單元，控制單元經(jīng)過計算將控制信號輸出至高速電磁閥 N218，N218是離合器冷卻機油滑閥的先導閥，因此反饋信號通過它可以完成對流量的控制。

離合器壓力控制系統(tǒng)由安全滑閥、高速電磁閥、比例壓力閥組成，整體控制思路如下：在主壓力控制閥對壓力進行調整之后，安全滑閥對離合器油路的壓力進一步調整，再由比例壓力閥對離合器的壓力進行精確控制，作用于離合器活塞的壓力，使摩擦片產(chǎn)生軸向位移。軸向配有復位彈簧，能夠實現(xiàn)離合器的接合與分離。

下面對主壓力控制系統(tǒng)與離合器壓力控制系統(tǒng)進行重點分析，它們在 DCT液壓系統(tǒng)中起著至關重要的作用。

2 主壓力控制系統(tǒng)

主壓力控制系統(tǒng)結構如圖 2所示，其仿真模型如圖 3所示。N217為高速電磁閥，是主壓力滑閥的先導閥。

圖1 DCT液壓系統(tǒng)原理

圖2 主壓力控制系統(tǒng)結構原理圖

圖3 主壓力控制系統(tǒng)模型

圖2中的 5、3結構對應圖 3中的 c、d，為滑閥開度，滑閥其余部分采用閥腔模塊進行搭建，a為液壓泵插值模塊，利用實驗數(shù)據(jù)進行插值。b代表節(jié)流孔，e用來模擬圖 2中 2處彈簧活塞結構。該仿真模型從結構上盡可能地還原滑閥的實際尺寸。輸入 PWM信號為 50 HZ，高速電磁閥采用理想模型，即不考慮電磁鐵及物理響應滯后的影響。

圖4為主壓力控制系統(tǒng)的控制壓力對輸入占空比的響應曲線。從圖 4可以看出主壓力隨著占空比輸入的增大而減小，其中占空比在 20到 60一段的線性度較好。有利于電控系統(tǒng)對主壓力的控制。高速電磁閥N217為常閉式高速電磁閥，即當無 PWM信號輸入情況下 N217處于關閉狀態(tài)，該狀態(tài)下，滑閥主要受到左右兩端壓力及彈簧力的作用，這三個力平衡，滑閥處于靜止狀態(tài)，停留在閥體左側。

圖4 壓力占空比響應曲線

當 N217輸入 PWM信號之后，N217逐漸趨于開啟，進油口經(jīng)過 N217進行卸油，如圖 2所示，消耗于節(jié)流孔 6、7上的壓力降增大，2處壓力降低，從而破壞了滑閥的平衡狀態(tài)，并使其向右移動，此時，3處與 5處滑閥開度打開，進油口通過這兩處卸壓，即主壓力降低，從而達到了控制主油路油壓的目的。

另外主壓力控制系統(tǒng)還起到了穩(wěn)壓的作用。如，在 N217無輸入情況下，它能使系統(tǒng)的主壓力保持在 2 MPa左右。如圖 5所示，在仿真中使發(fā)動機轉速從1200 r/min階躍到 2000 r/m in，N217輸入占空比為 0，圖 6為主壓力變化曲線，主壓力隨著發(fā)動機轉速階躍產(chǎn)生一個階躍的波動，但是它并沒有穩(wěn)定在階躍的最高點迅速恢復到原來的壓力。

圖5 發(fā)動機轉速突變

圖6 發(fā)動機轉速階躍

液壓泵是直接由發(fā)動機提供動力輸入，因此在發(fā)動機轉速階躍之后液壓泵的輸出流量增加，從而導致系統(tǒng)主壓力有升高，但是主壓力滑閥在這里起到了穩(wěn)壓的作用，圖 7為主壓力滑閥的閥芯位移曲線，可以看到在發(fā)動機轉速階躍之后閥蕊的位移增大了，如圖 2所示，即 3處的開度增大，增大了回油速度，從而抵消掉轉速升高帶來的影響。

圖7 主壓力滑閥閥芯位移

3 離合器壓力控制系統(tǒng)

主油壓經(jīng)過主壓力調節(jié)系統(tǒng)、安全滑閥調壓系統(tǒng)，最后進入比例壓力閥，對進入離合器的壓力進行精確控制。比例壓力閥對壓力的控制相對于主壓力系統(tǒng)及安全滑閥調壓系統(tǒng)具有高線性度，高精度的特點。比例壓力閥結構原理如圖 8所示。

圖8 比例壓力閥結構原理圖

當比例電磁鐵輸入控制電流時，銜鐵推桿輸出的推力推動閥芯運動，與作用在閥芯上的液壓力平衡，從而決定了滑閥開度值，該比例壓力閥開度值變化微小，若忽略液動力的影響，則可認為在平衡條件下，這種比例壓力閥所控制的壓力與比例電磁鐵的輸出電磁力成正比，從而與輸入比例電磁鐵的控制電流近似成正比。

值得注意的是該閥與一般的比例壓力閥不同，如圖 8所示，它沒有彈簧，比例電磁鐵輸出的力直接與作用在閥芯上的液壓力平衡，加快了閥芯的響應速度。另外，該閥用來控制自動變速器的離合器油缸，在離合器的接合與分離過程中會產(chǎn)生振動，從而導致油壓波動，而 f處的彈簧蓄能器能夠起到一個緩沖的作用，從而削弱振動。

比例壓力閥仿真模型如圖 9所示，油液參數(shù)的設置同主壓力控制系統(tǒng)，該比例壓力閥模型采用帶彈簧活塞為背壓元件，如圖中 E所示。圖 9中 A、B分別代表比例壓力閥的兩處滑閥開度(如圖 8中 h、g所示)，圖中 C、D分別代表比例壓力閥中的兩處節(jié)流孔，其中圖中 F為緩沖蓄能器。

圖9 比例壓力閥仿真模型

如圖 8所示，從安全滑閥輸出的壓力油經(jīng)過進油口 c進入比例壓力閥，經(jīng)過滑閥開度 g進行降壓，最后輸入到離合器活塞，從而控制離合器的接合與分離。但是離合器的油腔容積有限，而且在工作時也并不是一直向活塞中充油，因此從 d輸出的液壓油需要經(jīng)過滑閥開度 h流入回油油路，產(chǎn)生流量，來保證流經(jīng) h開度的壓降穩(wěn)定，從而保證離合器活塞壓力穩(wěn)定，當閥芯處于最左端時，離合器活塞壓力經(jīng)過 h開度完成卸壓。

在仿真中對比例壓力閥輸入一斜坡信號，該信號時長為 10s，占空比從 0增大到 100%。比例壓力閥的斜坡響應曲線如圖 10中曲線 1所示，其中在兩端占空比較大與較小時存在死區(qū)，經(jīng)過滑閥開度 h流入回油油路的流量如圖 10中曲線 2所示，圖 11中 g、h曲線分別代表圖 8中兩個滑閥開度 g、h值的變化曲線，排除死區(qū)部分的影響，可見隨著占空比的不斷增大，滑閥g開度值不斷增大，滑閥 h開度值不斷減小，與此同時比例壓力閥輸出壓力線性增加，而經(jīng)過 h開度流入泄油回路的流量不斷減小。

圖10 斜坡信號響應曲線

圖11 開度響應曲線

如圖 8所示，比例壓力閥存在兩個節(jié)流孔 i、j，這兩個孔能夠對比例壓力閥的響應速度產(chǎn)生較大影響。在兩次仿真過程中，分別對比例壓力閥輸入同一個占空比階躍信號，如圖 12所示，隨著節(jié)流孔 j與節(jié)流孔 i直徑的減小，壓力響應時間變長，超調變大。對系統(tǒng)不利，但是這兩個節(jié)流孔的直徑也不是越大越好，根據(jù)工作工況及油性質等因素的不同，它們之間存在一個最優(yōu)的匹配關系。

圖12 節(jié)流孔直徑對壓力響應的影響

DCT對離合器壓力的控制要求是非常高的，它直接影響到 DCT的換擋品質，而比例壓力閥承擔著對離合器壓力進行精確控制的任務。圖 13為比例壓力閥壓力占空比響應曲線。

從圖 13可以看出，占空比在 10%之前與 90%之后該閥對壓力的控制存在死區(qū)，如圖 14所示為比例壓力閥閥芯位移曲線，可以看到閥芯在兩端位置未能正常響應，因此在兩端位置不具有可控性，占空比在 10%與 90%之間，該閥對壓力的控制比較理想，輸出壓力與輸入占空比成正比關系，而且線性度很高。比例壓力閥與安全滑閥、主壓力閥相比，具有高精度，高響應的特點，從而滿足對離合器壓力精確控制的要求。

圖13 占空比壓力響應曲線

圖14 閥芯位移曲線

4 臺架實驗

由于 DCT液壓系統(tǒng)比較復雜，而且在用 AMESim仿真分析過程當中對其中的一些結構進行了理想化處理，因此需要通過實驗對仿真進行驗證。圖 15為實驗臺架。

圖15 DCT液壓系統(tǒng)驗臺

實驗數(shù)據(jù)處理如圖 16所示，實驗結果與仿真結果對比可以發(fā)現(xiàn)盡管存在誤差，但是兩者能夠基本吻合，驗證了仿真模型的正確性。

對比分析可以看出：由于仿真過程當中存在不同程度的理想化導致仿真結果比較理想，各種閥的特性曲線線性范圍更大，效果更好，如實驗得到比例壓力閥的有效區(qū)間為 20%到 95%，其死區(qū)范圍比仿真結果要大很多，這是由于仿真過程中對某些條件的忽略造成的。盡管如此比例壓力閥的線性程度最高，他是離合器壓力精確控制的關鍵，它的占空比可調范圍最大，線性程度更高。

圖16 占空比壓力特性

5 結論

本文對濕式雙離合自動變速器的液壓系統(tǒng)進行介紹，并通過 AMESim軟件重點對其主壓力控制系統(tǒng)，離合器壓力控制系統(tǒng)進行仿真分析，得到了其液壓系統(tǒng)的靜態(tài)工作特性并深入分析了其工作原理，為下一步壓力控制器的設計及控制規(guī)律的開發(fā)提供依據(jù)。

[1] 吳光強，楊偉斌，等.雙離合自動變速器控制系統(tǒng)的關鍵技術[J].機械工程學報，2007(2).

[2] 肖穎.雙離合器液壓執(zhí)行機構的設計與研究[D].上海交通大學碩士論文，2008.