DCT离合器分离结合时间仿真分析

任永强，张 军，刘 凯

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009）

0 引言

双离合器自动变速器(Dual Clutch Transmission，DCT）是一种新型的自动变速器，它的输入轴总成是由一根实心轴和一根空心轴组合而成的双传动输入系统，数挡的输入齿轮和偶数挡的输入齿轮分别布置在这两根输入轴上。一个离合器与实心输入轴相联，控制奇数挡;另一个离合器与空心输入轴相联，控制偶数挡。通过两个离合器的交替切换完成换挡过程，实现动力换挡，即在不切断动力的情况下转换传动比，从而缩短换挡时间，有效提高换挡品质。

DCT由机械系统部分和控制系统部分组成，机械系统除双离合器模块外，同步器、齿轮副等零部件和传统的手动变速器类似，技术难度不大。控制系统是DCT的核心技术，而DCT的控制系统主要是双离合器的控制，研究双离合器的控制，对DCT的换挡性能有重要意义。双离合器的控制一直是学者研究的热点，秦大同等［1］在Matlab/Simulink软件平台上，建立两离合器起步控制仿真模型，进行仿真分析并与单离合器起步仿真结果进行对比。吴光强等［2］从分离离合器提前放油和避免功率循环现象出发，提出了3种改进的DCT换挡过程中分离离合器的作动方式，并进行了仿真。刘振军等［3］应用ANSYS分析软件对双离合器摩擦副压盘瞬态温度场、重载坡道重复起步时压盘温度变化和压盘热容量对温升影响进行了仿真分析，提出了减小摩擦副温升，提高离合器使用寿命的措施。谭勇［4］基于Matlab/Simulink软件，建立了Simulink模型，对湿式双离合器换档进行了仿真计算，并通过仿真结果，定性分析了正压力变化斜率、终始压力和两离合器配合时序对湿式双离合器换档性能指标的影响。在本研究中，应用ADAMS仿真分析双离合器的正压力变化对换挡时间的影响，通过仿真结果定性的分析正压力的变化规律对双离合器的换挡时间的影响。

1 DCT的换挡过程

DCT的典型结构如图1所示，以3挡换4挡为例分析DCT的换挡过程。车辆在3挡行驶时离合器C1处于结合状态，离合器C2处于分离状态，不传递动力。当车辆加速至接近4挡的换挡点时，TCU(变速器控制单元）控制执行机构推动4挡同步器A2将挡位提前结合，一旦车辆运行状态全部满足换入4挡换挡点时，TCU输出指令控制离合器C1执行机构的油压降低，同时离合器C2的执行机构压力升高，离合器1分离过程与离合器2结合过程同时进行，两个离合器动力传递交替切换，直到离合器C1完全分离，离合器C2完全接合，整个换挡过程结束。

图1 双离合器自动变速器结构示意图

2 双离合器的仿真模型

2.1 双离合器的SolidWorks模型

由于ADAMS软件自身的三维建模能力比较薄弱，若直接采用ADAMS建模，建模过程较为复杂。本研究中先用专业的三维造型软件SolidWorks建立模型，再导入ADAMS中。本文将双离合器简化为三个圆环，输入盘与发动机连接，离合器C1输出盘与输出一轴连接，离合器C2输出盘与输出二轴连接，建立的三维模型如图2所示。

图2 双离合器简化模型

2.2 双离合器的虚拟样机模型

由于ADAMS软件对Parasolid接口文件识别较好，可有效避免装配体在格式转化中数据丢失或出错的问题，所以把SolidWorks里生成的SLDASM文件导入ADAMS之前另存为 Parasolid格式。打开ADAMS/View，导入转化后的文件。三维实体模型导入ADAMS/View后，各零部件之间毫无联系地独立存在于ADAMS/View环境中。因此，必须对模型添加适当的约束、运动和力等，才能建立其仿真模型即虚拟样机。为输入盘添加旋转副和一个驱动，驱动速度为10200deg/s(即1700r/min），为C1输出盘和C2输出盘添加圆柱副，两个输出盘分别与输入盘之间添加接触，对两个输出盘施加沿轴向单向力。建立的ADAMS模型如图3所示。

图3 双离合器ADAMS模型

设置两个离合器输出盘与发动机输入盘的静摩擦系数选为0.16，动摩擦系数选为0.15。设置离合器C1的负载为10Nm，离合器C2的负载为280Nm，压力特性正是本文所要研究的对象。

3 压力特性对离合器结合时间的影响

3.1 离合器的结合时间

DCT换挡时间是反映汽车换挡品质的经济技术指标，过长的换挡时间会直接影响车辆的动力性和效率;过短的换挡时间，必然导致过大的加速度，从而增大传动系的动载荷，影响传动系部件的使用寿命，同时由于湿式离合器对滑摩过程产生热量的速度敏感，换挡时间会影响摩擦元件的寿命。以升挡为例，换挡时间t公式为:

式中:t1——换挡开始，分离离合器从完全结合到控制油压为零的时间;

t2——结合离合器从开始滑摩到完全结合的过程。

换挡过程中，t1和t2有部分的重叠。从式(1）可以看出，换挡时间是由两部分组成，本课题重点分析双离合器的切换时间，分析离合器的切换时间对研究离合器对滑摩阶段的热量的敏感性，以及对离合器的使用寿命有重要意义。离合器换挡时间如果过长必然影响加速性能;时间过短，就要求离合器的接合速度很快，必然会产生较大的冲击度。

3.2 正压力对结合时间的影响

DCT换挡过程的正压力是由液压缸提供的，压力变化方式多种多样，但从整体变化趋势来看，分离离合器是由一定的初始压力下降到零，接合离合器是由零上升到一定的终了压力。鉴于压力变化方式的复杂性，本课题做如下假设:

①两离合器正压力均匀变化

②分离离合器的初始压力和接合离合器的终了压力相等

③结合离合器的压力开始时间和分离离合器的压力消失时间相同

在这种特殊情况下，确定压力变化过程主要有三种情况:

(1）不同时间上升到相同的压力。

图4是作用在离合器C1和C2上的正压力按不同时间上升到相同的压力变化时，进行换挡过程仿真分析中两个离合器的角速度随时间变化的仿真计算结果对比图。仿真的其他条件均相同，换挡开始时(0s），作用在离合器C1上的正压力为40000N，作用在离合器C2上的正压力为0N，此后离合器C1上的正压力分别在0.05s、0.1s、0.2s和0.4s的时间下降到0N，离合器C2上的正压力分别在0.05s、0.1s、0.2s、0.4s的时间直线上升到40000N。

图4 离合器C2的角速度的变化曲线

图4中曲线1，2，3，4分别表示正压力在0.05s，01s，0.2s，0.4s内上升到设定值时，接合离合器 C2的角速度随时间变化的情况。从图4可以看出，当作用在两个离合器上的正压力在0.05s内升降进行换挡时，仅需要0.21s完成换挡，随着变化时间的渐长，换挡时间逐渐变长，当正压力在0.4s内升降时，则需要0.83s才可以完成换挡过程。这说明换挡过程中，作用在两个离合器上的正压力变化速度与换挡时间有直接关系，变化速度越快，换挡时间越短。换挡品质要求换挡时间尽量短，这就要应该使作用在两个离合器上的正压力变化率尽量大。

(2）相同时间内上升到不同压力。

图5是作用在离合器C1和C2上的正压力在相同时间上升到不同的压力时，进行换挡过程仿真分析中离合器C2的角速度随时间变化的仿真计算结果对比图。仿真的其他条件均相同，换挡开始时(0s），作用在离合器C1上的正压力分别为20000N，40000N，60000N，80000N，作用在离合器 C2 上的正压力为0N，此后离合器C1上的正压力在0.1s时间下降到0N，离合器C2上的正压力在相同时间0.05s内分别上升到20000N，40000N，60000N，80000N。

图5中曲线1，2，3，4分别表示正压力在0.1s内上升到 20000N，40000N，60000N，80000N 时，接合离合器C2的角速度随时间变化的情况。从图5可以看出，当作用在两个离合器上的正压力在0.1s内上升到80000N时，仅需要0.17s完成换挡，随着变化时间正压力的逐渐减小，换挡时间逐渐变长，当正压力在0.1s内上升到20000N时，则需要0.61s才能完成换挡过程。分析可知，在相同时间内作用在两个离合器上的正压力与换挡时间有直接关系，正压力越大，换挡时间越短。换挡品质要求换挡时间尽量短，这就要应该使作用在两个离合器上的正压力尽量大。

图5 离合器C2的角速度的变化曲线

(3）以相同斜率上升到不同的始终压力。

图6是作用在离合器C1和C2上的正压力按相同斜率上升到不同的始终压力规律变化时，进行换挡过程仿真分析中结合离合器的角速度随时间变化的仿真计算结果对比图。仿真的其他条件均相同，换挡开始时(0s），作用在离合器C1上的正压力为分别为 20000N，40000N，60000N，80000N 作用在离合器C2上的正压力为0N，此后离合器C1上的正压力分别在0.05s、0.1s、0.15s和0.2s的时间下降到0N，离合器 C2上的正压力分别在0.05s、0.1s、0.15s、0.2s的时间直线上升到20000N，40000N，60000N，80000N。

图6 离合器C2的角速度的变化曲线

图6中曲线1，2，3，4分别表示正压力以相同的斜率上升到 20000N，40000N，60000N，80000N 时，接合离合器C2的角速度随时间变化的情况。从图6可以看出，当作用在两个离合器上的正压力以相同斜率上升到80000N时，需要0.33s完成换挡，随着正压力的逐渐减小，换挡时间逐渐变短，当正压力以相同斜率上升到40000N时，则需要0.23s就能完成换挡过程，然而，过小的正压力却导致换挡时间过长，当正压力以相同斜率上升到20000N时，需要0.51s完成换挡过程。分析可知，当正压力变化斜率相同时，作用在两个离合器上的正压力与换挡时间有直接关系，在正压力足够大的情况下，正压力越大，换挡时间越长。换挡品质要求换挡时间尽量短，这就要应该使作用在两个离合器上的正压力尽量小，但有一定的限制范围。

4 结束语

在本研究中，对双离合器的ADAMS模型进行了换挡过程的仿真分析，通过对不同情况仿真结果的比较，定性的分析了不同时间上升到相同的压力，相同时间内上升到不同压力和以相同斜率上升到不同的始终压力三种情况下，换挡品质的比较分析。得出了如下结论:换挡过程中，在同样的始终压力情况下，压力变化时间越短，换挡时间越短;在同样的时间内上升到设定的压力值情况下，始终压力越大，换挡时间越短;在相同斜率上升到不同的始终压力的情况下，在压力大于一定值的情况下，换挡时间越长，存在一个最佳的压力值，使换挡时间最短。

［1］秦大同，刘永刚，胡建军，等.双离合器式自动变速器两离合器起步控制与仿真［J］.机械工程学报，2010，46(18）:121-127.

［2］吴光强，张德明.基于最优控制理论的DCT离合器升挡作动方式的研究［J］.汽车工程，2009，31(3）:258-261.

［3］刘振军，王颖颖，秦大同.DCT离合器热负荷仿真研究［J］. 中国机械工程，2009，20(14）:1753-1757.

［4］谭勇.DCT离合器分离接合规律的仿真研究［D］.武汉:华中科技大学，2007.

［5］李增刚.ADAMS入门详解与实例［M］.北京:国防工业出版社，2006.

［6］赵志强.湿式双离合器自动变速器建模及仿真分析［D］. 长沙:湖南大学，2009.

［7］刘振军，董小洪，秦大同，等.双离合器自动变速换挡品质分析与控制［J］.重庆大学学报，2010，33(5）:29-34.

［8］何宁，赵治国，李瑜婷.双离合器自动变速器换挡规律及其仿真评价［J］.中国机械工程，2011，22(3）:367-373.

［9］吕济明.双离合器自动变速器坡道起步仿真控制研究［D］. 长春:吉林大学，2008.

［10］张建国.双离合器式自动变速器控制品质评价与优化［D］.长春:吉林大学，2011.