干式双离合器实时温度模型与过热保护策略研究

高 晶

(上海汽车变速器有限公司，上海 201800)

0 引言

双离合变速器(DCT)是一种汽车用自动变速器，具有换挡快、动力无间断、燃油经济性高等优点，近年逐渐发展成自动变速器的主流之一。双离合器作为其主要部件，可分为湿式和干式两种，其中湿式双离合器冷却方式为油冷，干式为风冷。原理和结构上的区别使得干式双离合器效率更高且成本更低，适合小排量汽车搭载。但干式的缺点是热容量较小，散热性能较差，在变速器频繁换挡，离合器负荷较大的工况中，离合器摩擦会产生大量热量[1]，使温度急剧上升，导致干式双离合器的加速磨损，传递扭矩能力下降，寿命降低，还会影响换挡品质[2]。因此对干式双离合器工作温度监控及过热保护策略的研究[3]就显得尤为重要。

对于干式双离合器温度模型的研究，有研究者采用了有限元法[4, 5]进行仿真，该方法仿真结果准确度较高，但计算量较大，适合于离线仿真研究温度变化规律，不适合集成在车载变速器控制单元(TCU)中进行在线计算；也有研究者建立了离合器温度场的简化模型[6-8]用于实时计算温度。

出于技术难度和成本考虑，难以在量产的变速箱上搭载用于直接监测离合器表面温度的传感器。因此本研究的目的就是建立一套干式双离合变速器温度计算模型，尽可能准确地实时计算双离合器表面温度。本研究将仿真计算、台架试验与实车试验三者紧密结合，反复迭代优化参数并验证温度模型的准确性与可靠性；再进一步以该模型输出的计算温度为依据，设计了多级过热保护策略，从而避免离合器过热损坏，同时最大程度上保证了换挡品质。

1 基于传热理论的干式双离合器温度模型建模

根据干式双离合器总成机械结构，将其简化分解为中间盘、离合器压盘1、离合器压盘2、压盘盖1、压盘盖2及壳体共6个单元，而在总成内部参与热交换的介质还有壳体内的空气。将压盘1、中间盘和压盘2三者摩擦得到的摩擦热视为内热源，总成内部各单元进行热交换的同时，壳体、壳体内空气与外部的发动机冷却液、发动机舱环境空气也存在热交换。分析个单元间的具体热交换形式如图1所示。

图1 干式双离合器热交换示意图

Fig.1 Thermal transfer forms between each unit of dry dual clutch

忽略离合器摩擦副之间微量的空气，可以认为摩擦产生的热量全部传递给压盘和中间盘。壳体空气与离合器总成内部各单元及外部发动机舱环境均存在接触，因此认为均存在热对流形式的热量传递。而压盘通常工作于高温状态，因此需要考虑压盘对压盘盖的热辐射能量。考虑到各单元材料表面传热系数远小于内部导热系数，可以采用参数集中法，即认为每个单元内的温度是均匀的(单元内任意位置的温度均相等)。

基于以上的分析，建立双离合器温度数学模型如下：

摩擦功及热量：

P=Trq×|ωe-ωc|

(1)

(2)

式中P为滑摩功(W)；Trq为摩擦扭矩(Nm)；ωe为中间盘角速度(rad/s)；ωc为压盘角速度(rad/s)；L为t0(s)时间内产生热量(J)。

质量件温度：

M×Cp×dT=Qin-Qout

(3)

(4)

式中M为DCT质量件的质量(kg)；CP为质量件比热容(J/kg℃)；dT为温度变化量(℃)；Qin为热输入(J)；Qout为热输出(J)；T为质量件温度(℃)；T0为质量件初始温度，该值的预估需要考虑下电时间和环境温度。

热辐射换热公式：

(5)

式中Q1为热辐射传热量(J)；Cn为辐射系数(W/m2k4)；T1为物体1的热力学温度(K)；T2为物体2的热力学温度(K)；F1为辐射体的辐射表面积(m2)。

热对流换热公式：

Q2=α(tw-tf)F2

(6)

式中Q2为对流传热量(W)；α为对流传热系数(W/m2℃)，其受到发动机转速(壳体空气流动速度)和壳体空气温度影响；tw为壁面温度(℃)；tf为流体(壳体空气)温度(℃)；F为对流换热面积(m2)。

热传导换热公式：

Q3=λ(Te-Th)A/l

(7)

式中Q3为热传导热量(W)；λ为导热系数(W/m℃)；Te为发动机冷却水温度(℃)；Th为离合器壳体温度(℃)；A为导热面积(m2)；l为导热部分厚度(m)。

根据上述热学模型，基于Matlab / Simulink搭建实时温度计算模型如图2所示。其中各单元体温度模型的输入是该单元体的物理特性参数，与之有热交换的其他单元体的温度值，以及其他计算所需的车辆信息(如力矩、发动机转速、车速等)；输出是该单元体的温度。由于温度模型的准确性与上述各项参数的设置密切相关，可将参数设定为标定量，将该模型集成入DCT控制软件，利用工具自动生成代码并刷写入控制器(TCU)中，用来在台架和实车上测试调整参数及验证模型准确性。

图2 基于Matlab / Simulink的干式双离合器温度模型

2 试验方案

参数设置是影响温度模型准确度和可靠性的重要因素。在本模型中存在两类参数，第一类是可以查询到材料物理特性或可测量的几何尺寸，表1给出了这一类的主要参数。第二类是一些不容易直接取得参数，诸如对流换热系数、辐射系数、导热系数、部分换热面积等，这类参数需要经过仿真、试验、标定等手段去获得或优化。而参数优化的方法取决于现实可行试验方案，本研究中在DCT总成上安装温度传感器进行台架与实车试验，以实际测温度为目标，用仿真优化的方法获得第二类模型参数，使温度模型计算值尽可能接近实测值。

表1 材料物理特性参数表

工程领域测温度常用到热电偶和红外传感器。热电偶适合于接触式测量，红外传感器适合于非接触式测量。对于壳体内空气温度和壳体温度可以用热电偶测量。在实车上由于中间盘为高速旋转件且内部间隙较小，使用红外传感器测量其外圆温度。为进一步研究如何通过中间盘外圆温度来表达其最高温度，设计了基于双离合器总成的台架试验，即在台架上用电机直接驱动压盘进行摩擦，而中间盘处于固定静止的状态。这样可以将热电偶埋入中间盘测试其内部温度，再根据两者的实验数据进行对比研究。

如图3所示，红色标注为红外传感器用于测量中间盘温度(通孔安装，2处)；绿色标注为热电偶用于测试空气温度(通孔安装，3处)；蓝色标注为热电偶用于测试壳体温度(盲孔安装，2处)。橙色标准为台架试验中埋入中间盘的热电偶，用于测量中间盘中部温度。

图3 温度传感器安装位置示意图

3 参数标定与试验验证

集成有温度模型的DCT控制软件和加装温度传感器的DCT总成都准备完成后，首先进行台架试验。为模拟实车典型的间歇性升温工况，设置摩擦转速差150 rpm，通过台架控制离合器压紧力，使中间盘温度按如下趋势变化：环境温度→50 ℃→40 ℃→100 ℃→90 ℃→150 ℃→140 ℃→200 ℃→190 ℃→250 ℃→冷却至环境温度。如图4所示，中间盘外圆温度比中部温度偏低，且随着温度的升高，两者的差异也逐渐增大。将两者做线性拟合分析，可以认为在中高温段的升温过程中两者的线性关系为：内部温度(℃)=外圆温度(℃)×1.13。

图4 台架试验中间盘外圆温度、中部温度与修正温度对比

温度计算模型是较为复杂的非线性系统，因此需要通过离线仿真计算的方法获取第2节中所述的未知参数。在实车上进行大量实验并采集数据，数据需要包括所有温度模型需要的输入信号，以及所有加装传感器温度信号，并使用这些数据在Matlab参数优化工具箱(如遗传算法)中进行计算。将实车采集的信号输入温度模型，并赋予未知参数初值和边界条件，可计算出中间盘温度T1；而红外传感器实测中间盘外圆温度经修正(升温段×1.13)得到内部温度T2。优化计算的目标即为T1与T2在整个测试时间段做最小二乘法误差在可接受范围内。再将通过优化计算获取的参数写入温度模型，进行实车测试验证，观测计算温度是否与实测温度误差在可接受范围内。经过多次迭代调整，最终得到一组最佳参数，经大量实验(包括整车三高试验)验证无问题后即可锁定。

图5显示了应用这组参数进行实车城市路况试验的情况，模型计算温度与实测温度在升温段误差范围基本满足±10 ℃(100 ℃以下)或±10%(100 ℃以上)，满足工程应用需求。值得注意的是，该温度模型在应用于不同车型时，因发动机舱布置不同，散热环境不同，相关参数必须要重新优化调整，以模拟出更接近实际的离合器计算温度。

图5 实车城市路况模型计算温度与实测修正温度对比

4 过热保护策略

由于干式离合器存在风冷散热能力不强的特点，如果遇到极端工况，如连续大油门坡起，或连续踩松油门使变速箱连续升降档，热量不断堆积，可能使离合器温度超过安全范围。为此必须要对过热工况做相关的诊断和保护策略，防止离合器继续升温。

该策略的保护对象是离合器摩擦片，因此须关注温度模型计算出的中间盘、压盘1和压盘2三者温度中的最高值，以该值作为提示过热的依据。保护策略并不属于常规控制策略，必然会影响到驾驶品质。比较好的方法是在过热温度以下设置多级保护，保护效果逐级增加，而对驾驶品质的影响也逐级增加。根据摩擦材料测试数据的数据，250 ℃以内是安全使用温度(已考虑安全系数)，因此在190 ℃至250 ℃之间设置了3级保护。其中第1级保护激活阈值190 ℃为经实车测试常温下常规驾驶一般不会达到的温度，以避免保护策略频繁激活影响驾驶品质。而保护措施的设计，从发热与散热的角度看可以分为减少摩擦生热和加强外部散热；从人机交互的角度看可以分为控制器自主执行保护控制和提示驾驶员减少极端工况。具体来说有：

1) 减少摩擦生热的措施包括：减少离合器滑摩工况，如蠕行、升降档；在滑摩工况中加大离合器传递扭矩，使离合器快速结合，减小滑摩时间；

2) 加强外部散热的措施包括：请求风冷系统加强散热能力；请求整车进气格栅打开等；

3) 提示驾驶员措施包括：蜂鸣、亮灯、文字提示离合器温度过高，减少激烈驾驶，或尽快停车等。

表2列出了搭载该款变速箱的某项目的离合器过热保护策略。经测试验证，应用这样逐级增加保护措施的控制策略，在大多数非极端工况下，温度并未达到最高级就已经能被控制住，在保护离合器的同时也减小了对驾驶品质的影响；而在极端工况情况下亦能够防止离合器温度超过安全值。值得一提的是，将离合器完全打开不传递任何扭矩，也能有效防止升温，但会造成整车动力丢失，降低了整车行驶的安全性。因此在极端情况下保护策略也只能尽量将离合器锁死避免摩擦，而不是将离合器完全打开。

在离合器温度模型和过热保护策略开发过程中，应结合整车开发周期，将这两者应用在每一个阶段的整车耐久试验与环境试验中，并在试验结束后分析试验数据，对试验用变速箱进行拆解分析，以确认离合器磨损程度在合理范围内，从而验证温度模型与保护策略的可靠性，最终锁定软件和参数。

表2 分级过热保护策略

5 结论

本研究基于干式双离合器的结构与基本热学原理，将离合器主要部件简化成热学单元，分析了各单元之间的热传递形式，并根据三种基本传热形式理论公式搭建了离合器总成系统的温度数学模型。分析离合器工作特点和现有的试验条件，确立了温度模型中未知参数的获得方法：即在离合器总成上加装温度传感器，通过台架试验和实车试验测得中间盘内部温度；再以此温度为目标，通过使用Matlab参数优化工具箱，用离线仿真优化的方法获得合适的模型参数；应用该组参数再次进行实车测试；经过多次迭代优化最终锁定参数。经验证，模型计算温度与经修正的传感器实测温度误差在可接受范围内。在此基础上进一步设计了过热保护策略：以参与离合器摩擦的三个单元的最高计算温度为依据，从多角度分析了可行的保护措施，并设计了分级逐步激活措施的策略，在保护离合器的同时也将对驾驶品质的影响降到最低程度。最终通过整车耐久试验与环境试验，验证了该温度模型和过热保护策略的可靠性。