磁流变双离合自动变速器的设计

陈德民， 梁彦涵， 张　宏,2

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072; 2. 77169部队， 四川 崇州 611233)

磁流变双离合自动变速器的设计

陈德民1， 梁彦涵1， 张宏1,2

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072; 2. 77169部队， 四川 崇州 611233)

摘要：为了简化双离合自动变速器(Dual Clutch Transmission，DCT)复杂的机械结构和控制方法，设计了一种能传递某型B级轿车最大转矩的磁流变双离合自动变速器(Magneto-Rheological Dual Clutch Transmission，MRDCT)，并仿真分析了其磁场分布情况，得到了线圈通入电流与所传递转矩的关系。仿真结果表明：磁流变双离合器能满足转矩传递的要求。最后设计并简要介绍了MRDCT的结构和换挡过程。

关键词：磁流变液； 双离合器； 双离合变速器

双离合自动变速器(Dual Clutch Transmission，DCT)是一种在手动变速器基础上开发出来的自动变速器，其自诞生以来发展迅速，被广泛应用到汽车上[1-2]。DCT具有良好的燃油经济性和动力性，其最大特点是在汽车换挡过程中能够实现动力不中断。但DCT的机械结构和控制方法复杂，加工难度大，已成为制约我国DCT发展的瓶颈[3-4]。磁流变液是一种受磁场控制的智能材料,在磁场作用下，它能在毫秒级时间内由牛顿流体转变为宾汉姆塑性体，黏度以数量级增大，剪切屈服应力大大提高；当磁场消失，磁流变液又回到牛顿流体状态。整个反应过程是可逆的[5]。

笔者把磁流变液应用到变速器中，用磁流变双离合器来取代传统的摩擦片式双离合器，通过剪切磁流变液来传递动力，设计了一种磁流变双离合自动变速器(Magneto-Rheological Dual Clutch Transmi-ssion，MRDCT)，以期达到简化DCT机械结构和控制方法的目的。

1磁流变液及磁流变双离合器

1.1磁流变液

磁流变液主要由磁性颗粒、基础载液和添加剂等组成[6]。无磁场时，磁性颗粒分散在基础载液中，磁流变液表观为具有良好流动性的牛顿流体;在外磁场作用下，磁性颗粒沿磁场方向呈有规则的链束状排列，磁流变液由牛顿流体迅速转变为宾汉姆塑性体,磁流变液的黏度增大，流动性较低，整个反应过程可在毫秒级时间内完成：这就是磁流变效应，其示意图如图1所示。磁流变双离合器正是通过剪切磁场作用下形成的这种链束状结构来传递动力。

图1　磁流变效应

1.2磁流变双离合器

为了传递某型B级轿车最大储备转矩375 N·m，笔者曾设计了一种筒式结构的磁流变双离合器[7]，其结构如图2所示。磁流变双离合器采用了1根输入轴、2根输出轴，2个磁流变单离合器(即内离合器和外离合器)在径向嵌套。

图2　磁流变双离合器的结构

为了验证内、外2个离合器能否满足转矩传递要求以及分析它们之间的电磁干扰情况，利用Ansoft软件仿真了不同电流下双离合器中磁感应强度的分布。由于受电源功率影响，在汽车上磁流变双离合器最大电流不超过3 A。

1.2.1内离合器磁场仿真

内离合器工作时，其控制线圈通入电流，而外离合器的控制线圈不通入电流，工作区域磁感应强度分布如图3所示。可以看出：外离合器工作区域中磁感应强度数量级在10-2以下，产生的转矩可忽略不计。笔者在以前的研究中得到内离合器传递的转矩T1与磁感应强度B之间的关系为[7]

T1=179.608L1×(-160.8B3-54.05B2+

130.8B-5.7)，

(1)

式中：L1为内离合器工作区域长度,m。

图3　内离合器工作时工作区域磁感应强度分布

根据仿真结果，由式(1)得到不同电流下内离合器传递的转矩,如表1所示。

表1　不同电流下内离合器传递的转矩

根据表1进行数据拟合，得到内离合器传递转矩与电流的关系为

T1=-13.344I3+29.879 5I2+

166.708 1I-0.992 3。

(2)

由式(2)可得：当电流达到2.77 A时，即可实现传递375 N·m这一目标转矩。

上述结果表明：内离合器满足转矩传递要求，且工作时对外离合器的电磁干扰很小。

1.2.2外离合器磁场仿真

外离合器工作时,内离合器线圈中无电流。图4为外离合器线圈中通入不同电流时工作区域中磁感应强度的分布。可以看出：外离合器工作时对内离合器的电磁干扰也很小。

图4　外离合器工作时工作区域磁感应强度分布

外离合器传递的转矩T2与磁感应强度B之间的关系为[7]

T2=282.6L2×(-160.8B3-54.05B2+

130.8B-5.7),

(3)

式中：L2为外离合器工作区域长度,m。

根据仿真结果,得到不同电流下外离合器传递的转矩,如表2所示。

表2　不同电流下外离合器传递的转矩

根据表2进行数据拟合，得到的外离合器传递转矩与电流的关系为

T2=-13.344I3+29.879 5I2+

166.708 1I-3.965 9。

(4)

由式(4)可知：线圈中的电流达到2.3 A时，外离合器可传递375 N·m转矩，说明外离合器满足转矩传递要求。

2磁流变双离合自动变速器

2.1结构设计

用磁流变双离合器来代替传统的摩擦式双离合器，利用磁流变液独特的磁流变效应来传递汽车转矩，得到了磁流变双离合自动变速器，其传动简图如图5所示。

图5　磁流变双离合自动变速器传动简图

由图5可知：1)与传统的DCT相比，齿轮传动系统不变；2)采用的磁流变双离合器结构简单，省去了采用摩擦式双离合器时的双质量飞轮等减振器；3)在控制方面，省去了传统的DCT体积较大的液压控制模块，磁流变双离合器只需通过控制通入线圈的电流即可实现对分离与结合的控制；4)在变速器中，1、3、5、R挡由磁流变双离合器中的内离合器控制，2、4、6挡由外离合器控制；5)磁流变双离合器中的外离合器花键输出端与变速箱的空心轴连接，而内离合器输出轴则与变速箱的实心轴连接,这样，动力就可以由2个离合器通过2根输入轴传到变速箱。

2.2换挡过程

MRDCT工作时，2个离合器之间交替配合，实现了动力不间断换挡。笔者以1挡起步换到2挡为例，说明磁流变双离合自动变速器的换挡过程。

1) 起步时，换挡操纵机构把1挡齿轮啮合，然后内离合器线圈中通入电流并结合，车辆起步，变速器挂上了1挡，此时的外离合器是分离状态；

2) 当车速升高到接近2挡的换挡车速时，换挡控制器向换挡操纵机构发送指令，操纵2挡同步器结合，进入预选挡状态；

3) 当车速达到升挡速度时，控制系统向离合器的控制系统发送切换命令，减小内离合器控制线圈中的电流，同时增大外离合器控制线圈中的电流，此时内离合器逐渐分离，外离合器逐渐结合；

4) 当内离合器完全分离、外离合器完全结合时，车辆换到了2挡。

3结论

笔者提出了磁流变双离合器和磁流变双离合自动变速器的概念，从理论上分析了筒式磁流变双离合器的转矩计算模型，以某B级轿车为例，设计了一款多筒式磁流变双离合器，并对其在最大车载电流下的磁场分布进行了仿真，结果表明：内、外2个离合器能各自满足转矩传递要求，且它们之间的电磁干扰很小。此外，通过试验测试了磁流变离合器的转矩传递能力，试验结果表明:该离合器能满足双离合变速器的实际使用要求。最后，基于传统的DCT结构，设计了一款结构简单、可控性高、反应速

度快的磁流变双离合自动变速器，为产品工程化提供技术支持。但本文对磁流变双离合自动变速器的研究还不够深入，特别是未考虑离合器工作时产生的温升对磁流变液工作区磁场的影响，下一步将从这个方面开展研究。

参考文献：

[1]吴佐铭, 褚超美, 顾健华, 等. 双离合自动变速器技术现状及应用前景[J]. 机械科学与技术, 2008, 27(11): 1351-1355.

[2]荆崇波, 苑士华, 郭晓林. 双离合器自动变速器及其应用前景分析[J]. 机械传动, 2005, 29(3): 56-58.

[3]刘振军, 秦大同, 叶明, 等. 车辆双离合器自动变速传动技术研究进展分析[J].农业机械学报, 2005, 36(11): 161- 164.

[4]刘国强, 陈德民, 孙伟, 等. 双离合器自动变速器液压控制系统中高速电磁阀特性及控制研究[J]. 液压与气动, 2011, (2): 38-40.

[5]汪建晓, 孟光. 磁流变液研究进展[J]. 航空学报, 2002, 23(1): 6-12.

[6]张进秋, 张建, 孔亚男, 等. 磁流变液及其应用研究综述[J]. 装甲兵工程学院学报, 2010, 24(2): 1-6.

[7]Chen D M, Zhang H, Cai Q G. Design of Automobile Magneto-rheological Fluid Dual-clutch[C]∥Proceedings of the 3rd International Conference on Mechanical Engineering and Intelligent Systems. Yinchuan，China: Atlantis Press, 2015: 601-605.

(责任编辑: 尚菲菲)

Design of Magneto-Rheological Dual Clutch Transmission

CHEN De-min1, LIANG Yan-han1, ZHANG Hong1,2

(. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Troop No.77169 of PLA, Chongzhou 611233, China)

Abstract：To simplify the mechanical structure and control methods of Dual Clutch Transmission (DCT), a Magneto-Rheological Dual Clutch Transmission (MRDCT) is designed, which can transimit maximum torque of a B-class car. Its magnetic field distribution is simulated and analyzed, and the relationships between current and torque are got. The results show that the MRF dual clutch can meet the torque transmission demand. At last, a MRDCT is designed and introduced, and it’s shift progress is analyzed.

Key words:Magneto-Rheological Fluid (MRF); dual clutch; Dual Clutch Transmission (DCT)

文章编号：1672-1497(2016)01-0044-04

收稿日期：2015-12-08

基金项目：军队科研计划项目； 北京市自然科学基金资助项目(3152023)

作者简介：陈德民(1965-)，男，副教授，博士。

中图分类号：U463.211

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.01.009