濕式雙離合器測試系統研究

陸 亮

(上海汽車變速器有限公司 上海 201822)

0 引言

雙離合器是DCT變速箱核心零部件之一，作為發動機與變速箱連接的橋梁，是動力傳遞的重要一環。離合器的設計非常關鍵，特別是雙離合器，結構復雜、工況復雜、測試要求高，當前雙離合器的核心技術牢牢掌握在BorgWarner、LUK等國外企業手中。國內變速箱企業開發DCT變速箱，針對雙離合器模塊，僅僅是應用，針對核心技術指標要求甚至不具備基本的測試與驗證手段，為了更好提升這方面的能力，本文詳細介紹針對雙離合器工程的測試要求及測試臺架。

1 雙離合器結構及測試要求

如1圖所示，雙離合器主要由以下部分構成：主輪轂、執行機構、摩擦系統、復位彈簧、扭轉減震器、扭矩模塊等，通過奇偶離合器交替運行，配合換擋系統，實現動力的不間斷傳遞。

圖1 雙離合器結構Fig.1 Double clutch structure

雙離合器的開發設計主要考慮以下幾個方面的性能指標：1)扭矩要求：名義承載扭矩、瞬時超載扭矩、摩擦系數、扭矩增益、目標扭矩下的壓力、遲滯、平衡活塞補償能力、拖曳扭矩、波紋片的剛度特性、扭矩一致性、扭矩響應等；2)壓力要求：產生名義扭矩時的最大壓力、離合器峰值壓力、離合器泄漏量等；3)滑摩情況：極限工況下的最大可承受滑摩能量、極限工況下的最大可承受滑摩功率、允許永久微滑摩轉速，及其相關流量、最大潤滑流量、潤滑流量需求矩陣、坡道起步能力、坡道保持能力、起步情況等。

針對以上性能要求，雙離合器需要至少進行以下測試試驗，如表1所示。

表1 試驗項目

2 臺架總體性能需求

該臺架適用于濕式雙離合器總成各種性能與耐久試驗，總體結構如圖2所示，需要滿足以下技術參數要求:

1) 輸入扭矩范圍：±(0～500)Nm；

2) 輸入轉速范圍： 0～7 000 rpm；

3) 離合器總成活塞油壓范圍： 0～40 bar;

4) 離合器總成潤滑油流量范圍：0～35 L/min；

5) 離合器總成直徑范圍：300±40 mm; 厚度范圍: 140 mm±40 mm;

6) 離合器總成質量：≤20 kg；

7) 預充壓力上升時間<100 ms；

8) 臺架參數測試精度及控制精度:

扭矩穩態控制精度±1%；

扭矩測量精度±0.05%FS(滿量程)；

轉速穩態控制精度±2 rpm；

轉速測量精度±1 r/min；

油溫控制精度±2 ℃；

油溫測量精度±0.5%(量程為0～150 ℃)；

系統采樣測量最高頻率≥1 kHz。

圖2 雙離合器臺架總體結構圖Fig.2 Double clutch gantry overall structure

3 臺架控制系統總體結構設計

試驗臺具備以下基本功能：

1) 控制功能：測試過程中對雙離合器的控制和整車工況的模擬；

2) 數據采集功能：滿足雙離合器試驗過程中所有數據采集的要求

3) 數據處理：電機速度、車速顯示、變速器擋位及換擋過程中工作狀態。

如圖3所示，臺架整體結構采用電封閉、機械開式，系統主要由以下幾個部分構成：主驅動電機、輸入傳感器、被試離合器、輸出傳感器、輸出加載電機、變頻器、PLC控制器、工控機等。變頻器采用共直流母線方式，且電源模塊具備饋電能力，多余的電量可以通過饋電模塊直接返回到電網。

圖3 雙離合器臺架系統組成圖Fig.3 Dual clutch gantry system composition diagram

4 臺架硬件系統設計

4.1 臺架控制系統

臺架主控制系統主要由NI PXI工控機(上位機)、PLC(實時控制系統)、分布式I/O、變頻器和數據采集組成。其中工控機主要完成總線運行的狀態字、各種過程數據的初始化;PLC實現對變頻器系統的實時控制與監控;I/O將各處轉速/扭矩傳感器、壓力傳感器、換檔操作機構狀態信號傳回到PLC，并將PLC發出的控制命令送給各執行器；變頻器實現對變頻調速電機的閉環矢量控制；數據采集系統實現對臺架關鍵傳感器信號及變速內部信號的高速采集。

圖4 臺架控制系統Fig.4 Bench control system

PXI是一種由NI公司發布的堅固的基于PC的測量和自動化平臺，PXI結合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI(緊湊PCI)的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性發展成適合于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范。滿足精確定時與高帶寬的測試需求。本臺架工控機采用NI PXIe-8135系統，處理器為2.3 GHz四核Intel Core i7-3610QE (單核Turbo Boost模式下最大3.3 GHz)，具有高達8 GB/s系統帶寬和4 GB/s插槽帶寬，滿足DCT變速箱控制與高速采集需求。

臺架下位機為PLC S7-300，主要完成對試驗臺的動力系統和輔助系統的順序邏輯控制、故障信號處理以及FIBUS DP、Ethernet TCP/IP網絡通訊。監控系統除完成電氣系統的診斷、報警和存儲、監控電氣系統，并實時給定轉速、給定轉矩，實現動力輸出、測功機加載、關鍵數據的監控。

臺架通訊包括OPC(TCP/IP)、profibus和CAN總線三個部分，其中上位機和PLC之間通過OPC方式進行通訊，PLC與變頻器S120之間通過profibus進行通訊控制，上位機與變速箱TCU之間通過CAN總線進行通訊控制。

4.2 臺架動力系統

動力系統模塊采用西門子S120系列變頻器驅動，能實現速度閉環控制、轉矩控制、位置控制多種控制方式，該變頻器采用的西門子IGBT技術，是西門子公司推出的全新的集V/F、矢量控制及伺服控制于一體的驅動控制系統。模塊化的結構設計，使安裝、維護簡單易行。在變頻器的輸入端配置與之配套的4%的電抗器，以抑制電網電壓突變和操作過電壓引起的電流沖擊，平滑電源電壓中包含的尖峰脈沖，或平滑橋式整流電路換相時產生的電壓缺陷, 有效地保護變頻器和改善功率因數，它既能阻止來自電網的干擾，又能減少整流單元產生的諧波電流對電網的污染。

總體結構如下圖5所示，電源單元模塊額定功率為200 kW；驅動模塊額定功率為200 kW；加載模塊額定功率為200 kW。

圖5 雙離合器臺架電機控制系統Fig.5 Double clutch gantry motor control system

4.3 傳感器及數據采集系統

臺架傳感器主要包括以下幾種傳感器：

1) 扭矩傳感器：采用HBM高精度傳感器,測量精度滿足±0.05%FS，用于采集變速箱輸入端與輸出端扭矩；

2) 轉速傳感器：采用光電編碼器,測量精度滿足±1 rpm，用于采集變速箱輸入端及輸出端轉速；

3) 溫度傳感器：采用PT00和熱電偶，根據需要配合使用，用于采集和監控臺架軸承座、變速箱油溫等相關器件的溫度，一旦異常及時報警。

4) 壓力傳感器：主要使用高精度壓力傳感器，用于采集離合器油路的壓力，滿足高溫狀態下壓力測量需求；

5) 振動傳感器：用于實時采集和監控臺架及變速箱試驗時的振動情況，對設備及變速箱故障進行早期診斷。

臺架數據采集系統采用NI-DAQ系統和ETAS系統配合使用，其中NI-DAQ系統采用NI CompactDAQ 8槽以太網機箱，可測量最多256路通道的電子、物理、機械或聲音信號，同時運行最多7個硬件定時模擬I/O、數字I/O或計數器/定時器操作。ETAS系統采用ES592和ES400系列，一方面滿足臺架數據采集需要，另一方面滿足離合器標定與控制要求。

5 臺架軟件系統設計

5.1 軟件系統基本功能

臺架軟件基于LabVIEW系統開發，實現的主要功能是通過對電機和變速器油溫的控制，模擬傳動系統的各種工作狀況，通過測量轉速、輸入扭矩、輸出扭矩、油溫以及相關參數來考核傳動系統的性能指標。軟件總體結構分為兩部分：臺架控制、配置軟件和數據采集分析軟件。具體包括以下幾個模塊：試驗臺測控基本模塊，程序載荷譜壽命試驗模塊、離合器試驗模塊、參數標定、文件及數據管理、信號圖形顯示、信號處理、數據查看等功能。

圖6 臺架控制軟件系統Fig.6 Software system of frame control

圖7 數據采集分析軟件系統Fig.7 Data acquisition and analysis software system

軟件系統主要功能如下：

1) 數據測量及記錄。

2) 臺架報警設置，系統提供了兩級報警、保護機制，使用人員可以通過對報警參數管理來設置需要報警的參數以及報警值。

3) 手動控制與調試功能，主要用于臺架手動控制及更換被試件時的調試需要。

圖8 臺架軟件系統部分界面Fig.8 Partial interface of software system of the platform

4) 試驗過程和工況參數設置。通過對試驗過程和工況參數設置是為了實現系統的自動控制功能，先設定一組實驗過程數據，系統將根據這一組實驗過程數據自動完成一個完整的試驗，在這一試驗過程中若無異常情況發生，不需要人工干預。

5) 報警參數的管理。主要設置報警參數，以及每個報警參數的報警值和保護值，以及相應的動作。

6) 數據后處理分析功能，用于進行數據分析，生成報告，數據存儲速率至少≥1 kHz，且可調，具備濾波功能以及采樣數據的平均處理功能。

5.2 系統道路模擬功能

臺架配置的實時控制系統具備道路模擬能力，如圖9所示，系統根據整車質量、重力加速度、坡度、滾動阻力、風阻等參數，通過simulink建模，模擬整車道路工況，表達式如下：

g——重力加速度(9.81 m/s2)

m——整車質量 (eg:1 337 kg)

Ftractive——牽引力

Fair——空氣阻力

Froll——車輪阻力

α——坡度

圖9 道路模擬模型Fig.9 Road simulation model

6 臺架機械及液壓系統

6.1 臺架機械系統

臺架試驗倉是該臺架核心結構部件之一，通過特殊的工裝夾具實現離合的安裝與固定，如圖10所示，離合器兩端通過軸承座支撐，該軸承座需滿足高溫及密封性要求。

圖10 試驗倉結構

Fig.10 Structure of test chamber

6.2 臺架液壓系統

液壓系統設計是該臺架核心技術之一，需同時滿足溫度、壓力、流量控制要求，模擬離合器控制工況，系統原理設計如下，共包含三個回路：兩路壓力控制回路，一路流量控制回路。

7 典型測試工況

1) 離合器壓力-扭矩曲線的測試工況

為得到離合器的壓力-扭矩曲線，離合器的主動盤與被動盤必須處于打滑狀態。測試過程中，輸入電機與輸出電機都工作在轉速模式，輸入端的轉速差設定為50 rpm。并且緩慢地閉合離合器，這樣就可以得到同步采集的3組時間序列：離合器電磁閥的設定電流、離合器電磁閥的實際壓力和輸入端的實際扭矩。測試結果如圖12所示。

2) 拖曳扭矩測試

換擋點的拖曳扭矩：在不同的油溫下、設定不同的流量，輸入端轉速控制在某一固定轉速，輸出轉速控制在upshift點轉速和downshift點轉速之間變化，測定每種工況下的拖曳扭矩。

怠速點的拖曳扭矩：輸入端轉速工況為發動機怠速點，輸出端轉速為0，離合器壓力控制均為0 Bar，測定該工況下的拖曳扭矩。

圖11 液壓原理圖

Fig.11 Hydraulic schematic diagram

圖12 壓力與扭矩響應工況Fig.12 Pressure and torque response conditions

圖13 拖曳扭矩測試工況Fig.13 Test condition of towing torque

8 總結

1) 本文具體介紹了雙離合器臺架系統設計與開發，為雙離合器總成開發做好測試準備；

2) 為了滿足臺架運行需求，設計開發了臺架硬件系統，滿足了臺架控制需求；

3) 設計研發了一套離合器控制與數采系統，滿足濕式雙離合器的控制與數采需求；

4) 為了滿足臺架與離合器的試驗需求，基于LabVIE開發出一套臺架測控系統軟件。