濕式DCT離合器冷卻控制策略研究

王振鎖 羅先杰

聯(lián)合汽車電子有限公司，上海 201206

0 引言

離合器的摩擦元件在換擋過程中由于相對滑動產(chǎn)生的大量摩擦熱使其表面溫度急劇升高，若不能及時將摩擦熱轉(zhuǎn)移，可能導(dǎo)致摩擦元件出現(xiàn)高溫?zé)g或翹曲等問題。濕式雙離合器的摩擦副部分浸泡在油液中，冷卻油液的強(qiáng)制對流換熱作用可以帶走部分多余熱量，將離合器的溫度控制在安全區(qū)間，因此合理的冷卻控制對濕式雙離合器的穩(wěn)定工作具有至關(guān)重要的作用。

目前有大量多片式離合器單次接合過程的溫度-應(yīng)力場研究及其影響因素分析或濕式離合器熱流體動力學(xué)研究[1-3]，但關(guān)于整車應(yīng)用中實(shí)時的冷卻控制策略研究文獻(xiàn)較少。本文以濕式雙離合變速器為對象，介紹了液壓系統(tǒng)冷卻流量的影響因素和換擋過程離合器的生熱機(jī)理，制定了一套適用于濕式雙離合器的冷卻控制策略并進(jìn)行整車測試研究。

1 冷卻控制策略

1.1DCT液壓系統(tǒng)

圖1為變速箱冷卻系統(tǒng)的液壓示意圖，發(fā)動機(jī)帶動機(jī)械泵轉(zhuǎn)動將油箱內(nèi)油液帶入系統(tǒng)的主油路，然后通過主調(diào)壓閥的控制建立油路的主油壓，部分經(jīng)過主調(diào)壓閥的油液通過流量閥1和流量閥2的控制可作為系統(tǒng)的潤滑油和離合器的冷卻油使用，而電子泵可直接將油液從油箱泵入離合器中作為冷卻油使用。TCU通過對流量閥、電子泵和主調(diào)壓閥的控制來實(shí)現(xiàn)對離合器的冷卻目的。

從圖1可知，機(jī)械泵可提供的冷卻流量主要與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、主調(diào)壓閥的開度、油溫和流量閥的開度相關(guān)，電子泵可提供的冷卻流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速、油溫和流量閥2的開度相關(guān)。整車上無流量傳感器，機(jī)械泵及電子泵在不同工況下提供流量的能力預(yù)先通過仿真分析和臺架測試完成。系統(tǒng)中的兩個溫度傳感器可以監(jiān)測變速箱油底殼油溫(T1)和離合器冷卻油出口處油溫(T2)，油溫的變化可間接反映摩擦副的熱狀態(tài)，對冷卻的策略制定提供參考。

1.2基于流量的冷卻控制策略

摩擦熱是導(dǎo)致離合器溫度升高的最重要原因，根據(jù)離合器當(dāng)前滑摩功率和冷卻油溫度確定需求的冷卻流量是最直接的方式，圖2表示一種基于流量的冷卻控制流程。

圖1 冷卻系統(tǒng)示意圖

圖2 冷卻控制流程圖

換擋時DCT的兩套摩擦副會同時工作，因此TCU需實(shí)時計(jì)算兩套摩擦副的滑摩功率，根據(jù)計(jì)算結(jié)果查表獲得需求的冷卻流量。離合器滑摩功率的計(jì)算方式比較通用，在此不再贅述。離合器的滑摩功率與需求冷卻流量的關(guān)系一般由離合器供應(yīng)商提供，也可通過臺架試驗(yàn)測試離合器在不同工況下的最優(yōu)冷卻流量[4]。為了達(dá)到良好的冷卻效果，單次換擋過程需求的冷卻流量采用由離合器1和離合器2滑摩功率確定冷卻流量的歷史最大值。

根據(jù)傳熱學(xué)理論[5]，離合器結(jié)構(gòu)和材料確定的情況下，冷卻液溫度、流量的大小和摩擦副的轉(zhuǎn)速是影響對流換熱量的重要因素。相同流量下T2與T1的差值一定程度反映了摩擦副與冷卻液的溫差，T1相對穩(wěn)定的情況下，油溫的溫差越大表明離合器的溫度也越高，因此T2與T1的差值確定的冷卻流量作為基礎(chǔ)量。T1的值越大表明當(dāng)前冷卻油液換熱能力越弱，此時需要增加冷卻油的流量以達(dá)到換熱效果，因此T1確定冷卻的流量作為增加量。油溫確定的冷卻需求流量等于基礎(chǔ)流量與增加流量的疊加。

離合器需求的冷卻流量取基于滑摩功率確定流量和基于溫度確定流量的最大值。TCU實(shí)時計(jì)算當(dāng)前需求的冷卻流量和當(dāng)前工況通過流量閥的冷卻流量，然后將需求的冷卻流量分解至流量閥和電子泵。離合器需求的冷卻流量優(yōu)先從機(jī)械泵獲取，當(dāng)機(jī)械泵可提供的冷卻流量小于需求流量時可由電子泵補(bǔ)充不足的流量。

1.3特殊工況的冷卻控制策略

某些特殊工況下，為了降低能耗或避免離合器過熱燒蝕，TCU需要對流量分解結(jié)果做單獨(dú)處理后再輸出控制結(jié)果。當(dāng)前變速箱處于P、N檔和停機(jī)等工況時，離合器不會發(fā)生主動滑摩，此時為降低能耗可以主動減小離合器需求的冷卻流量，通過延長冷卻時間以自然冷卻的方式來達(dá)到冷卻目的。

圖2所示的冷卻控制策略是根據(jù)離合器當(dāng)前的滑摩功率和油溫等參數(shù)進(jìn)行被動冷卻控制。車輛進(jìn)入坡道起步，大油門升檔或強(qiáng)制降檔等惡劣工況時，離合器會產(chǎn)生大量摩擦熱，當(dāng)TCU識別到這類工況時可以對離合器進(jìn)行主動冷卻控制。

離合器在換擋時通?？梢苑譃閳D3(a)所示的幾個階段，A階段主要作用為消除摩擦副的間隙，此時沒有摩擦功產(chǎn)生。B階段和C階段分離側(cè)離合器和結(jié)合側(cè)離合器的轉(zhuǎn)速變化劇烈，有大量摩擦熱產(chǎn)生?；诹髁康目刂撇呗灾校鋮s流量優(yōu)先選取通過流量閥1的流量，當(dāng)通過流量閥1流量小于需求的冷卻流量時再開啟流量閥2，流量閥2通常在B階段才開啟。但當(dāng)TCU預(yù)判離合器即將產(chǎn)生大量摩擦熱時，可在A階段提前將流量閥1和流量閥2開啟，請求開啟的時間大于換擋A階段和B階段的時間和，如圖3(b)所示。

圖3 DCT換擋過程冷卻控制策略示意圖

變速箱液壓系統(tǒng)的冷卻能力有限，駕駛員操作不當(dāng)或摩擦副分離不徹底等會使離合器持續(xù)長時間滑摩時，此時產(chǎn)熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冷卻液帶走的熱量，會造成摩擦副的表面溫度急劇增加，摩擦元件有燒蝕的風(fēng)險(xiǎn)。TCU可基于累積的摩擦功和油溫判斷是否觸發(fā)離合器的熱保護(hù)功能。

開啟大冷卻流量會降低系統(tǒng)主油壓，也增加非工作離合器的拖曳力矩，使得同步器動作有摘掛檔失敗的風(fēng)險(xiǎn)，因此開啟大流量冷卻的同時也需要同步器和主油壓控制模塊做相應(yīng)的補(bǔ)償。

2 整車效果驗(yàn)證

整車上TCU對離合器的熱狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)貫穿變速箱的整個生命周期并實(shí)時發(fā)出相應(yīng)的冷卻控制信號。下文以需求冷卻流量為例說明連續(xù)換擋及連續(xù)Creep工況中的冷卻控制策略。

車輛起步工況中離合器具有傳遞扭矩大和相對速差大等特點(diǎn)，通常起步完成后緊接著會有連續(xù)換擋的動作，足夠的冷卻流量可防止摩擦元件的溫度增長過快，為下次換擋創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。圖4表示車輛在連續(xù)升檔工況中的測試數(shù)據(jù)，從圖中可知，換擋時接合側(cè)離合器的滑摩功率較大，最大可達(dá)18 KW。換擋過程最終需求的冷卻流量(qreq)體現(xiàn)為根據(jù)滑摩功率確定的冷卻流量(qfricreq)，從8 L/min至12 L/min不等。穩(wěn)態(tài)檔位時離合器沒有滑摩或僅微滑摩，需求的冷卻流量表現(xiàn)為根據(jù)油溫確定的冷卻流量，從測試結(jié)果中可以看到，升檔過程油溫緩慢升高，穩(wěn)態(tài)過程需求的冷卻流量也在增加，從起步前4 L/min增加至8 L/min。盡管整個過程離合器連續(xù)動作，但T1維持在80左右，離合器升至5檔時T2從87增長至95，整個過程油溫穩(wěn)定在合理的范圍，沒有持續(xù)性劇烈增長。

圖4 連續(xù)換擋工況下的冷卻控制

圖5表示連續(xù)Creep工況的測試數(shù)據(jù)， t=5 s時車輛駛?cè)?的坡道，t=40 s時結(jié)束上坡駛?cè)肫铰?，全程油門踏板的開度為0，剎車踏板的開度為0。進(jìn)入坡道后離合器傳遞的扭矩增加，同時車速降低導(dǎo)致變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速(n1)降低，離合器相對轉(zhuǎn)速差增加，離合器有持續(xù)滑摩的動作。整個creep過程離合器的滑摩功率大致為3.5 kW，遠(yuǎn)小于換擋時離合器的滑摩功率，但是通常Creep工況下離合器持續(xù)滑摩的時間較長，依然會產(chǎn)生大量摩擦熱，在t=10 s至t=22 s時間內(nèi)T2從96持續(xù)增加至105。

圖5 連續(xù)Creep工況下的冷卻控制

坡道行駛過程，滑摩功率確定的冷卻流量(qfricreq)為3 L/min左右，t=15 s前油溫穩(wěn)定，最終的需求流量(qreq)表現(xiàn)為根據(jù)滑摩功率確定的流量。t=15 s后T2持續(xù)增加，根據(jù)油溫確定的冷卻流量也迅速增加，最終需求的冷卻流量約等于11 L/min時T2趨于穩(wěn)定。t=35 s后滑摩功率逐漸減小，T2降低后需求的冷卻流量也開始減小。全過程TCU恰當(dāng)?shù)呐袛嗔水?dāng)前離合器的狀態(tài)，及時施加了大流量冷卻，保障了離合器的功能安全。

3 總結(jié)

本文提出了一種適用于濕式雙離合器的冷卻控制策略，通過離合器滑摩功率及油溫評估離合器的熱狀態(tài)并確定離合器需求的冷卻流量，根據(jù)油路結(jié)構(gòu)分析了冷卻流量的來源及影響因素。為滿足燃油經(jīng)濟(jì)性和離合器安全工作等需求，討論了特殊工況下的主動冷卻控制措施，最后通過實(shí)車測試，驗(yàn)證了控制策略的有效性。

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