基于湿式双离合器自动变速器的动力学建模

在高速发展的计算机技术应用于换档变速系统 的背景下，汽车变速系统技术整体上是由手动换档 向自动换档发展，应用于汽车的自动变速器种类繁 多，本研究着重对湿式双离合变速器的动力学建模 进行分析。
1 双离合器变速器
1． 1 双离合器变速器简介 目前广泛使用于汽车的自动变速器主要有机械
变速器（ manual transmission，MT） 、自动机械变速器 （ automated manual transmission，AMT） 、自动变速器 （ automatic transmission，AT） 、无级变速器 （ continuously variable transmission，CVT） 和双离合器自动变 速器（ dual clutch transmission，DCT） 等。双 离 合 器
面上的压强（ MPa） ，μ 为摩擦系数，R1 、R2 分别为摩 擦盘工作面的内、外半径（ m） ，A 为离合器的总摩擦 面积（ m2 ） ，z 为摩擦面数，RV 为当量摩擦半径（ m） 。 2． 3 双离合器自动变速器换档动力学模型建模
车辆动力传动系统是一个连续、复杂的多质量、 多自由度系统，为了简化仿真求解的复杂程度，保证 仿真过程的顺利进行，在建立模型前对整个系统进 行适当的简化是非常必要的［6］，因此可以做出如下 假设：
自动变速器 DCT 是目前世界上最先进的、具有革命 性的自动变速器。它可以像自动变速器 AT 那样实 现动力换档，从而克服机械手动变速器 MT 换档时 动力中 断 的 缺 点； 而 且 DCT 有 机 地 集 成 了 AT 和 AMT 在舒适性和经济性方面的优点，具有较好的换 档品质和车辆动力性、经济性［1］。DCT 的研究虽然 在国内起步不久，但是由于其优良的性能及对现有 生产设备条件很好的继承性而备受重视，具有宽广 的发展前景。
（ a） 离合器 1、2 均匀滑摩
（ b） 离合器 1 接合、离合器 2 滑摩 （ c） 离合器 2 接合、离合器 1 滑摩 图 3 湿式 DCT 三种理想工作模式
而实际湿式 DCT 在换档过程中，一个离合器由 接合到滑摩再到分离状态，另一个离合器由分离到 滑摩再到接合状态，为了使动力不中断，两个离合器 必然存在工作重叠的部分，即换档切换的过程是一 个离合器开始滑摩分离，同时另一个离合器开始滑 摩接合的过程，所以如果简单地将湿式 DCT 只简化 为上述三种工作模式进行建模是不可信的。
Dynamic Modeling Based on the Wet Double Clutch Transmission
LI Da-sheng，SHI Huai-rong，LV Ming
（ Department of Mechanical and Electronic Engineering，Bengbu College，Bengbu，233030，Anhui）
面积一般较小，所以在建模时忽略表面开槽对接合
面积的影响。另由于圆盘摩擦片离合器摩擦片间为
串联安装，进一步简化认为各摩擦面间所承受的轴
向压紧力 Q 和压强 P 均相同，因此可得单摩擦面上
的压强为：
P
=
π（
Q R22 －
R21 ）
ຫໍສະໝຸດ Baidu
。
单摩擦面上的摩擦转矩为：
∫ Tp = 2πuP
R2 R1
R2 dR
= 23πuP（
图 1 双离合器自动变速器的工作原理结构简图
按照两个湿式双离合器的布置通常分为轴向平 行式和径向嵌套式两种布置方式，如图 2 所示。两 种湿式双离合器在换档时一个离合器分离，另一个 离合器接合，实现轮流将发动机的动力传递到自动 变速器的两根输入轴上。轴向平行式湿式双离合器 的特点是接合时较平稳、柔和、径向尺寸较小、轴向 尺寸较大、结构相对复杂。径向嵌套式湿式双离合 器因内离合器嵌套在外离合器环形摩擦片组内，具 有轴向尺寸较小、体积较小、结构相对简单的特点。
图 2 湿式双离合器的两种布置方式
2 湿式双离合器自动变速器建模
2． 1 建模基础 车辆传动装置的分析、设计和优化是一个非常
复杂的过程，通常需要进行大量的样机试验。因此， 建立使用便捷灵活、有预测性的面向湿式 DCT 开发 的模拟仿真平台有着重要意义。使用仿真模拟系 统，可缩短产品研制时间、降低开发成本。特别是在 初始设计阶 段，设 计 方 案 的 多 变 性，以 及 受 研 发 时 间、试验技术、试验条件和经费的限制，无法实现对 每种方案都进行实物试验测试。而目前随着基于计 算机技术发展的基础上对传动系统动力学研究已取 得了很大进展，数学建模与仿真已成为湿式 DCT 开 发的关键技术，而对装载有湿式 DCT 车辆的动力传 动系统的动力学仿真模型，将对湿式 DCT 换档、起 步、控制等相关问题的研究提供坚实的基础。
因为升档过程和降档过程相似，本研究以升档 过程为例，可以将升档过程划分为四个阶段，升档时 由低档状态开始→转矩相阶段→惯性相阶段→高档 状态稳定。转矩相阶段是指此时低档的离合器摩擦 元件开始分离打滑，负责高档的离合器摩擦元件还 未开始接触打滑，在此阶段各构件之间只有转矩的 重新分配与变动，并未产生急剧的转速变化，因此可 以忽略惯性的影响。惯性相阶段是指此时两个离合
擦过程进行了分析，建立了湿式双离合器接合过程的当量摩擦半径和摩擦转矩建模以及湿式离合器自动变速器换
档的动力学模型，为湿式多片离合器的进一步研究提供了相关的理论依据。
关键词：湿式双离合器； 接合特性； 当量摩擦半径； 动力学建模
中图分类号：U463． 211
文献标识码：A
文章编号：（2012）02 － 0020 － 04
DCT 的工作原理如图 1 所示。DCT 使用两个 离合器，除了空档之外，稳定工作时有一个离合器处 于接合 状 态，另 一 个 离 合 器 则 处 于 分 离 状 态。即 DCT 各档位主动齿轮按奇、偶数档位分别与输入轴 上设置的两个湿式离合器 1、2 连接，离合器 1、2 交
收稿日期：2011 － 12 － 02 基金项目：蚌埠学院自然科学研究项目（ 2010ZR05） 。 作者简介：李大胜（ 1978 － ） ，男，安徽蚌埠人，讲师，硕士。
李大胜等 基于湿式双离合器自动变速器的动力学建模
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替传递工作动力以实现分别负责 1、3、5 档和 2、4、6 档的档位变换［2］。 1． 2 湿式双离合器与干式双离合器
离合器是连接发动机和自动变速器以实现动力 传递的关键部件，目前产品化的 DCT 一般采用的双 离合器分为干式单片和湿式多片两大类。干式单片 离合器具有结构简单、价格便宜、传递效率高、储备 系数大的优点。而湿式多片离合器则具有摩擦系数 稳定、磨损小和使用寿命高； 结构尺寸较小、易于布 置、操作性和控制品质好； 用油冷却，可长时间滑摩； 换档冲 击 小，换 档 品 质 好 等 优 点［3］。此 处 以 湿 式 DCT 为主要研究对象。
Abstract： This thesis begins with characteristics of wet double clutch transmission （ DCT） ，analyzes the engagement process based on the analysis of the friction type and lubrication mechanism of DCT． And it also builds the equivalent friction radius and friction torque in the engagement process of DCT and the DCT dynamic model for simulation，which provides related theoretical basis for the further research of the wet DCT． Key words： wet double clutch transmission； engagement characteristic； equivalent friction radius； dynamic modeling
目前离合器摩擦片衬面材料主要分为两大类： 一类是金属型的，另一类是非金属型的。近年来由 于纸质摩擦衬面具有摩擦系数大、动静摩擦系数差 值小、弹性强、疏松性好及良好的润滑保持性能等特 性，在小客车自动传动中得到推广，用来代替铜基粉 末冶金衬面，降低了成本与重量，改善了舒适性。
纸质摩擦衬面的湿式离合器接合过程包括三个 阶段。第一阶段是挤压阶段： 此阶段润滑油液渗透 到多孔的摩擦材料中，阻碍离合器接合。但随着载 荷的逐渐增加，油液被挤压出接触面，也称为挤压油 膜阶段。第二阶段是压紧阶段： 此阶段多孔材料仍 有很薄的油膜，但随着离合器继续压紧接合，润滑油 继续被挤出，油膜压力和粗糙接触共同支撑法向载 荷，属于混合摩擦。随着载荷压力的继续增加，摩擦 表面逐渐变形来支撑更大的压力。第三个阶段是粗 糙接触阶段： 当润滑油全部流出纸质摩擦衬面，油压 不再支撑载荷，此时离合器摩擦片粗糙接触支撑了 所有载荷，粗糙转矩等于接合转矩，此时属于边界摩 擦［5］。
在建模前还需要对离合器摩擦片模型进行一定 简化。因为湿式摩擦片通常在表面开槽，主要作用 是使润滑油迅速流出并将摩擦热量带出，防止超过
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蚌埠学院学报 2012 年 4 月 第 1 卷 第 2 期（ 总第 2 期）
纸质摩擦衬面允许的工作温度发生烧结现象。由于
表面开槽形式不尽相同，而且开槽面积相对于接合
动力传动系统的简化建模方法目前主要有集中 参数建模方法和混合建模法。前者是将车辆动力传 动系统看作是由无弹性的惯性环节和无惯性的弹性 环节组成； 后者是对参数集中的元件采用逐点微分 方程建模，而分布参数的元件则采用偏微分方法建 模，从而改善了实际系统和模型的相似性［4］。 2． 2 双离合器当量摩擦半径和摩擦转矩建模
R32
－
R31 ）
。
而多摩擦面离合器的总摩擦面积为 A = zπ（ R22
－ R21 ） ，则多摩擦面离合器的摩擦转矩为 Tu = zTp =
2zπ3uP（ R32 － R31 ）
=
uPAR V ，其中
RV
2（ =
3（
R32 R22
－ －
R31 ） R21 ）
。
以上模型中： Q 为轴向压紧力（ N） ，P 为单摩擦
器摩擦元件都处于打滑状态，也就是离合器 C1 开 始滑摩分离，离合器 C2 开始滑摩接合，此时转矩发 生变化的同时伴有转速和传动比的急剧变化，此阶 段是湿式 DCT 换档时产生冲击度最大的阶段。具 体即湿式 DCT 在升档时将切断离合器 C1 的供油， 离合器 C1 开始逐渐泄油而卸压分离； 与此同时，离 合器 C2 油路被接通，随油压不断升高，其摩擦片间 隙逐渐被消除，主、从动片受压以不同的转速相对滑 摩，直至压紧停止打滑成为整体传递转矩。此时传 动比由低档的 i1 转变为高档的 i2 ，这就进入升档过 程的第四个阶段，即高档状态稳定状态。因此湿式 DCT 的 C1 与 C2 中的离合器摩擦元件完全分离和 接合的过程中，有一段重叠的滑摩过程，直到主、被 动系统转速相等时滑摩才结束，所以不可避免地伴 有转矩扰动，产生相应的换档冲击［7］。图 4 为建立
2 012 年4 月 第1卷 第2期
Journal of Bengbu College
Apr . 2 0 1 2 Vol. 1，No. 2
基于湿式双离合器自动变速器的动力学建模
李大胜，石怀荣，吕 明
（ 蚌埠学院 机械与电子工程系，安徽 蚌埠 233030）
摘 要：从湿式双离合器的工作特点入手，在分析多片离合器的摩擦类型和润滑机理的基础上，对湿式离合器的摩
（ 1） 假设各旋转件之间都是刚性联接，而且每 个旋转件只有一个自由度；
（ 2） 假设轴承和轴承座的弹性以及齿轮啮合弹 性可以忽略不计且各轴无横向振动；
（ 3） 假设非啮合齿轮的转动惯量和动态过程中 产生的惯性矩可以忽略不计；
（ 4） 假设可以忽略系统的间隙和阻尼。 在湿式双离合器自动变速器工作过程中，如果 将离合器完全分离及滑摩脱离状态简化看成一个状 态，则可认为每个离合器有两种工作状态，即完全分 离及滑摩脱离状态和完全接合状态。据此，湿式双 离合器有内、外离合器均分离，外离合器接合、内离 合器分离，外离合器分离、内离合器接合三种工作模 式，如图 3 所示。