基于CAE 仿真的量產(chǎn)雙離合器自動(dòng)變速器開(kāi)發(fā)實(shí)踐

陳 勇，羅大國(guó)，付 軍，陳 華，賈 院

(浙江吉利汽車(chē)研究院有限公司，杭州 311228)

前言

雙離合器自動(dòng)變速器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DCT)技術(shù)是近年來(lái)全球汽車(chē)行業(yè)新發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)的自動(dòng)變速器技術(shù)，以其擁有手動(dòng)變速器的靈活性和自動(dòng)變速器的舒適性，并能提供無(wú)間斷的動(dòng)力輸出的巨大優(yōu)勢(shì)，成為各大汽車(chē)企業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)，是未來(lái)變速器的發(fā)展方向［1－2］。

在變速器研發(fā)的過(guò)程中充分利用CAE仿真技術(shù)，具有縮短研發(fā)周期，預(yù)測(cè)產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)的可靠性，通過(guò)優(yōu)化找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳方案，在產(chǎn)品制造前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，模擬各種試驗(yàn)，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)等優(yōu)勢(shì)［3］。

本文中以吉利汽車(chē)研究院某款雙離合器自動(dòng)變速器為研究對(duì)象，以NVH分析方法研究變速器總成的NVH性能，改善變速器振動(dòng)噪聲;以CFD分析方法研究變速器總成和油軌單體的潤(rùn)滑性能，有效評(píng)價(jià)變速器總成的潤(rùn)滑性能，并為其設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考;采用MASTA軟件研究傳動(dòng)系統(tǒng)的疲勞壽命，確保其滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;采用動(dòng)力學(xué)分析方法研究駐車(chē)機(jī)構(gòu)的性能，提高其可靠性;采用AMESIM一維仿真評(píng)價(jià)液壓系統(tǒng)的性能，通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，提高液壓系統(tǒng)性能;最后闡述了采用拓?fù)鋬?yōu)化方法改進(jìn)殼體結(jié)構(gòu)，提高其強(qiáng)度和剛度。通過(guò)相應(yīng)的基礎(chǔ)試驗(yàn)，驗(yàn)證了CAE分析方法的可靠性，并依據(jù)分析結(jié)果，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，使產(chǎn)品的各項(xiàng)性能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，降低了整機(jī)驗(yàn)證的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高了產(chǎn)品研發(fā)效率。

1 NVH分析在變速器開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

NVH性能是評(píng)價(jià)汽車(chē)品質(zhì)最重要的技術(shù)指標(biāo)之一［4］。通過(guò)CAE分析技術(shù)對(duì)變速器噪聲進(jìn)行早期預(yù)測(cè)，并提出改進(jìn)方案，優(yōu)化變速器結(jié)構(gòu)，可提高變速器的NVH性能。

1.1 變速器傳遞誤差分析

齒輪嘯叫的激勵(lì)源是齒輪的傳遞誤差［5］。傳遞誤差減小可降低由它所引起的周期動(dòng)態(tài)激勵(lì)，從而達(dá)到降低噪聲的目的［6］，因而對(duì)變速器進(jìn)行齒輪傳遞誤差分析，控制齒輪精度，優(yōu)化齒輪嚙合效果，減小輪齒間的載荷波動(dòng)和靜傳動(dòng)誤差波動(dòng)幅值，使靜傳動(dòng)誤差曲線平滑，能減小齒輪的嚙合頻率激勵(lì)和低倍頻的嚙合頻率激勵(lì)，從而有效地減小變速器的嘯叫噪聲。

在概念設(shè)計(jì)階段，采用MASTA軟件進(jìn)行齒輪傳遞誤差分析，并通過(guò)齒輪微觀修形來(lái)改善傳遞誤差。圖1和圖2為傳遞誤差分析模型和分析結(jié)果，圖3為齒輪修形前后接觸應(yīng)力云圖對(duì)比。圖4為同類(lèi)型齒輪修形前后接觸斑點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從圖3和圖4可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)齒輪微觀修形后，齒輪嚙合效果明顯改善，驗(yàn)證了該方法的可行性。

1.2 變速器嘯叫噪聲分析

采用Virtual.Lab軟件仿真分析變速器的嘯叫噪聲，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)改變對(duì)變速器噪聲的改進(jìn)效果，圖5為齒輪改進(jìn)前后嘯叫噪聲的云圖對(duì)比。從圖中可知，改進(jìn)后變速器的嘯叫噪聲明顯減小。圖6為同類(lèi)型變速器的NVH試驗(yàn)結(jié)果，從圖中可知，改進(jìn)后車(chē)內(nèi)噪聲明顯降低。因此采用有限元分析方法，在設(shè)計(jì)階段評(píng)價(jià)變速器NVH性能，并改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，為改善變速器振動(dòng)噪聲提供了一種有效可行的技術(shù)路線。

2 CFD仿真在變速器潤(rùn)滑效果評(píng)價(jià)上的應(yīng)用

此款雙離合器自動(dòng)變速器主要采用壓力潤(rùn)滑、飛濺潤(rùn)滑和油浴潤(rùn)滑3種方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變速器所有運(yùn)動(dòng)接觸部件的潤(rùn)滑，具體表現(xiàn)為強(qiáng)制潤(rùn)滑、飛濺潤(rùn)滑和油道潤(rùn)滑3種手段。這3種潤(rùn)滑手段的效果直接影響到變速器的性能，所以潤(rùn)滑效果的評(píng)價(jià)是變速器設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。

2.1 潤(rùn)滑效果CFD仿真分析

雙離合器自動(dòng)變速器各擋位齒輪的潤(rùn)滑主要采用強(qiáng)制潤(rùn)滑。使用變速器油泵并經(jīng)閥體調(diào)節(jié)后將潤(rùn)滑油輸送到潤(rùn)滑油軌，最后通過(guò)潤(rùn)滑油軌將潤(rùn)滑油輸送到齒輪，實(shí)現(xiàn)齒輪的強(qiáng)制潤(rùn)滑。油軌的潤(rùn)滑效果直接影響各擋位齒輪的潤(rùn)滑［7］。采用FLUENT軟件對(duì)油軌進(jìn)行CFD分析，得到各個(gè)噴口的油液噴出情況(形狀、距離、流量和流速等)，驗(yàn)證其潤(rùn)滑效果，為油軌的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)，并建立變速器整體模型，觀察油軌在變速器內(nèi)的工作狀況。

圖7為油軌單體的CFD分析結(jié)果。從圖中可知，各個(gè)噴口均有油液噴出，靠近入口的噴口噴油量較大，遠(yuǎn)離入口的噴口噴油量較少，與實(shí)際相符。

浸入油液中的齒輪將潤(rùn)滑油從油池帶到摩擦副上而形成飛濺潤(rùn)滑。圖8為在變速器整體模型中模擬主減速器齒輪的飛濺潤(rùn)滑效果。由圖可知，飛濺起來(lái)的油液能夠到達(dá)指定區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)定區(qū)域的潤(rùn)滑。變速器殼體上的擋油板將齒輪飛濺起來(lái)的油液匯入集油槽內(nèi)，然后流入中空的傳動(dòng)軸內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)齒輪與軸之間滾針軸承的潤(rùn)滑。為驗(yàn)證擋油板和集油槽的效果，對(duì)變速器進(jìn)行油道潤(rùn)滑。圖9為油道潤(rùn)滑效果。從圖中可知，飛濺起來(lái)的油液能夠通過(guò)擋油板和重力作用流入集油槽內(nèi)，各個(gè)集油槽均有油液流入，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)齒輪與傳動(dòng)軸之間滾針軸承的潤(rùn)滑。

2.2 變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)

2.2.1 油軌單體試驗(yàn)

為驗(yàn)證樣機(jī)實(shí)際工況下潤(rùn)滑性能和潤(rùn)滑系統(tǒng)仿真結(jié)果，進(jìn)行油軌單體試驗(yàn)和樣機(jī)臺(tái)架潤(rùn)滑試驗(yàn)。

圖10為油軌單體試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)結(jié)果表明，各噴嘴的噴射方向完全能到達(dá)指定潤(rùn)滑對(duì)象，油軌的噴射效果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。圖11為油軌潤(rùn)滑仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從圖中可知，油軌各個(gè)噴口的流量仿真值與試驗(yàn)值較一致，由此可驗(yàn)證CFD仿真分析方法能夠較好地模擬油軌的強(qiáng)制潤(rùn)滑效果。

2.2.2 變速器總成潤(rùn)滑試驗(yàn)

為驗(yàn)證變速器的潤(rùn)滑效果，以指導(dǎo)該項(xiàng)目變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)的優(yōu)化方向，對(duì)變速器總成進(jìn)行潤(rùn)滑試驗(yàn)，驗(yàn)證其在實(shí)際工況下的潤(rùn)滑效果。

圖12為變速器潤(rùn)滑試驗(yàn)臺(tái)架，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑效果，并且驗(yàn)證潤(rùn)滑仿真分析的結(jié)果。圖13為同類(lèi)型變速器的潤(rùn)滑試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比。從圖中可知，各個(gè)擋位傳動(dòng)軸進(jìn)油情況與試驗(yàn)觀測(cè)情況基本一致，驗(yàn)證了CFD仿真分析方法能較好地模擬變速器總成的潤(rùn)滑效果。

3 疲勞壽命分析在傳動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命分析，找到結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，提出合理的改進(jìn)方案，能夠大幅度減少或最終取代部分疲勞耐久試驗(yàn)［8］。

采用MASTA軟件對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)和軸承等進(jìn)行疲勞壽命分析。圖14為考慮了殼體剛度的傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞壽命分析模型，表1和表2分別為齒輪和軸承的疲勞壽命分析結(jié)果。從表中可知，各齒輪和軸承的疲勞壽命都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表1 齒輪的疲勞壽命分析結(jié)果

表2 軸承疲勞壽命分析結(jié)果

4 多體動(dòng)力學(xué)在駐車(chē)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

駐車(chē)機(jī)構(gòu)作為自動(dòng)變速器中涉及安全的部件，其性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求至關(guān)重要。可通過(guò)對(duì)駐車(chē)機(jī)構(gòu)進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真，模擬其力學(xué)行為，獲得工作過(guò)程中駐車(chē)機(jī)構(gòu)的換擋轉(zhuǎn)矩、沖擊力和臨界駐車(chē)速度等，對(duì)其強(qiáng)度、安全性和穩(wěn)定性等做出有效評(píng)價(jià)。

4.1 駐車(chē)機(jī)構(gòu)換擋感覺(jué)仿真分析

采用ADAMS、Pro/E和HyperWorks對(duì)駐車(chē)機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合仿真，建立其剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，獲得工作過(guò)程中的換擋轉(zhuǎn)矩，駐車(chē)機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)模型如圖15所示。

4.2 駐車(chē)機(jī)構(gòu)臺(tái)架試驗(yàn)

對(duì)駐車(chē)機(jī)構(gòu)進(jìn)行換擋感覺(jué)試驗(yàn)，獲得其從P-RN-D-N-R-P過(guò)程的換擋轉(zhuǎn)矩，評(píng)價(jià)駐車(chē)機(jī)構(gòu)的換擋感覺(jué)，同時(shí)驗(yàn)證駐車(chē)機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，圖16為駐車(chē)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)架。圖17為換擋轉(zhuǎn)矩仿真與試驗(yàn)曲線對(duì)比。從圖中可知，仿真與試驗(yàn)曲線吻合較好，證明了基于剛?cè)狁詈系鸟v車(chē)機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)分析方法的準(zhǔn)確性和運(yùn)用該方法對(duì)駐車(chē)機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的可行性。由此可以在設(shè)計(jì)階段通過(guò)仿真分析的方法對(duì)駐車(chē)機(jī)構(gòu)換擋感覺(jué)進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，以提高零部件性能和設(shè)計(jì)效率。

5 AMESIM仿真分析在液壓系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

5.1 液壓系統(tǒng)仿真分析

應(yīng)用AMESIM仿真軟件，建立變速器液壓系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行液壓系統(tǒng)泄漏、壓力、流量、節(jié)流孔和油道等分析。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)減少液壓系統(tǒng)的泄漏和壓力損耗，提高液壓系統(tǒng)的效率，同時(shí)能預(yù)測(cè)液壓系統(tǒng)的性能，并對(duì)所涉及的系統(tǒng)進(jìn)行整體分析和評(píng)估，從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)、縮短設(shè)計(jì)周期和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。圖18為液壓換擋控制系統(tǒng)在惡劣工況(高溫、大間隙)下的仿真模型。為減少該系統(tǒng)泄漏量，在換擋電磁閥前增加了節(jié)流孔OR1。節(jié)流孔OR1太大時(shí)無(wú)法減少泄漏量;太小時(shí)則可能導(dǎo)致?lián)Q擋控制油壓p1太小、響應(yīng)慢，無(wú)法滿(mǎn)足換擋需求。因此須對(duì)節(jié)流孔進(jìn)行仿真分析，圖19為不同節(jié)流孔直徑d時(shí)換擋控制油壓p1的批處理仿真結(jié)果。圖20和圖21分別為離合器控制油路仿真模型和仿真結(jié)果。由圖可以看到，控制油路油道截面大小對(duì)離合器響應(yīng)的影響。變速器設(shè)計(jì)目標(biāo)中有換擋響應(yīng)和精度要求，通過(guò)該批處理，可指導(dǎo)節(jié)流孔和油道截面的設(shè)計(jì)。圖21中D1～D4為閥體油道直徑，d1～d4為離合器油道等效直徑。

5.2 液壓系統(tǒng)試驗(yàn)

對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)響應(yīng)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)液壓系統(tǒng)的響應(yīng)性能，同時(shí)驗(yàn)證仿真分析結(jié)果。圖22為液壓系統(tǒng)試驗(yàn)的離合器油壓試驗(yàn)結(jié)果，由于閥體中未控制離合器會(huì)將管道內(nèi)的油卸掉，故先把即將接合的離合器管道進(jìn)行快速充油動(dòng)作，此刻即將分離的離合器作分離準(zhǔn)備，當(dāng)即將接合的離合器管道內(nèi)油壓穩(wěn)定后，逐步提高壓力，此刻即將分離離合器配合作降壓動(dòng)作，此過(guò)程為轉(zhuǎn)矩交替過(guò)程。一旦轉(zhuǎn)矩階段完成，立刻控制油壓進(jìn)行轉(zhuǎn)速階段控制，控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與即將接合離合器同步，此刻可能會(huì)立刻提升油壓來(lái)反拖發(fā)動(dòng)機(jī)。如果此時(shí)實(shí)際油壓不能及時(shí)響應(yīng)控制油壓，就會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速遲滯，延長(zhǎng)換擋時(shí)間，同時(shí)由于此刻發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩逐步恢復(fù)，響應(yīng)性差有可能會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跑飛。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與即將接合的離合器轉(zhuǎn)速的差在設(shè)定值之內(nèi)，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近即將接合離合器轉(zhuǎn)速，此刻進(jìn)入滑摩控制階段，也就意味著擋位交替動(dòng)作完成，從圖22中可知試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況相符。

由圖19、圖21與圖22對(duì)比可知，液壓系統(tǒng)響應(yīng)遲滯時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果較為一致，由此驗(yàn)證采用AMESIM可較為準(zhǔn)確地模擬液壓系統(tǒng)的響應(yīng)性能，從而縮短設(shè)計(jì)周期，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

6 結(jié)構(gòu)分析在零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

6.1 關(guān)鍵零部件強(qiáng)度和剛度校核

近年來(lái)隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)變速器承載能力和工作可靠性的要求越來(lái)越高，在變速器開(kāi)發(fā)中對(duì)其主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核意義十分重大［9］。在雙離合器自動(dòng)變速器的研發(fā)過(guò)程中，采用有限元方法對(duì)變速器關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核，并以此作為零部件優(yōu)化分析的基礎(chǔ)，變速器關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度分析如圖23所示。

6.2 關(guān)鍵零部件優(yōu)化分析

市場(chǎng)對(duì)變速器性能要求越來(lái)越高，更新周期也越來(lái)越短［10］。面對(duì)這一形勢(shì)，在設(shè)計(jì)初期采用優(yōu)化分析技術(shù)，確保零部件的結(jié)構(gòu)為最優(yōu)方案，減少不斷改進(jìn)次數(shù)，縮短研發(fā)周期。

采用OptiStruct對(duì)變速器殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，在確保零件滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求的前提下，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后變速器殼體質(zhì)量減少5.1%，同時(shí)最大應(yīng)力由194.3MPa減小至145.6MPa，達(dá)到了輕量化目的。拓?fù)鋬?yōu)化前后的殼體結(jié)構(gòu)如圖24所示。

7 結(jié)論

以某款雙離合器自動(dòng)變速器為研究對(duì)象，闡述了其在研發(fā)過(guò)程中采用CAE仿真技術(shù)進(jìn)行變速器NVH性能研究、變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)流場(chǎng)模擬與效果評(píng)價(jià)、傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞耐久性分析、以剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)為手段的駐車(chē)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、采用AMESIM一維仿真評(píng)價(jià)液壓系統(tǒng)的性能和以拓?fù)鋬?yōu)化為手段的零部件輕量化設(shè)計(jì)等，同時(shí)對(duì)比相應(yīng)基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證CAE分析的可靠性，由此說(shuō)明CAE仿真技術(shù)在變速器研發(fā)過(guò)程中對(duì)其性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性與可行性。

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