基于AMESIM的DCT動(dòng)力換擋品質(zhì)仿真

王黎明，張 君，李志立，屠海峰

WANG Li-ming, ZHANG Jun, LI Zhi-li, TU Hai-feng

（重慶理工大學(xué) 重慶汽車學(xué)院，重慶 400050）

0 引言

雙離合器式自動(dòng)變速器（DCT）是一種新型的自動(dòng)變速器，它將變速器檔位按奇偶分別布置在與兩個(gè)離合器所聯(lián)接的輸入軸上，通過(guò)離合器的交替切換完成換檔過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力不間斷換檔，具有效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性、舒適性等特點(diǎn)[1]。許多學(xué)者對(duì)DCT仿真中使用了不同的工具如MATLAB[2,3],MATLAB和Stateflow[2,3,4]，Modelica/Dymola[5]。本文使用AMESIM多學(xué)科仿真軟件建立DCT系統(tǒng)模型并對(duì)換擋品質(zhì)進(jìn)行了仿真分析。LMS Imagine.Lab AMESim提供了一個(gè)系統(tǒng)工程高級(jí)建摸環(huán)境，基于直接圖形接口，工程系統(tǒng)仿真可以運(yùn)用應(yīng)用庫(kù)在一個(gè)平臺(tái)上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入的分析?？梢匝芯咳魏卧蛳到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能[6]。

1 DCT結(jié)構(gòu)及換擋工作原理

使用AMESIM軟件的動(dòng)力傳動(dòng)庫(kù)，機(jī)械庫(kù)，信號(hào)控制庫(kù)建立雙離合器自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)模型如圖1所示：兩個(gè)獨(dú)立的的離合器組，一個(gè)齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。離合器CL1與檔位1，3，5連接在軸1上；離合器CL2與檔位2，4連接在軸3上。車輛起步時(shí)，自動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)通過(guò)同步器S3將檔位切換為Ⅰ檔，離合器CL1接合，車輛換入Ⅰ檔運(yùn)行后，此時(shí)離合器CL2處于分離狀態(tài)，不傳遞動(dòng)力[7]，但是離合器CL2的主動(dòng)部分是運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的，提前掛好的預(yù)選檔位Ⅱ檔的從動(dòng)部分也是運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的。換檔時(shí)ECU控制自動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)通過(guò)同步器S3將檔位提前換入Ⅱ 檔，實(shí)現(xiàn)檔位的變換[7,8,9]。

圖1 DCT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

把發(fā)動(dòng)機(jī)看作一個(gè)二階的自由系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型為[3]：

式中Te—發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，ne—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，α—油門開(kāi)度，ki(i=1，2，3…9)—為常數(shù)。

運(yùn)用AMESIM的信號(hào)控制庫(kù)和機(jī)械庫(kù)模塊建立發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)AMESIM仿真模型

根據(jù)以上的數(shù)學(xué)模型，某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油門開(kāi)度在0～100%，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1200～5200r·min-1時(shí)，用AMESIM軟件table editor工具編輯模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲面擬合[11]得到發(fā)動(dòng)機(jī)的特性圖如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖

3 DCT的動(dòng)力換檔數(shù)學(xué)模型[12]

以Ⅰ檔升到Ⅱ檔過(guò)程為例，升檔時(shí)，離合器CL1隨著油壓的釋放由接合變?yōu)榛ィ浑x合器CL2隨著油壓的升高逐漸由滑磨到接合，兩個(gè)過(guò)程存在著接合時(shí)序關(guān)系，同時(shí)工作過(guò)程也有重合部分。以升檔過(guò)程為例進(jìn)行推導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，低檔傳動(dòng)比為i1，高檔傳動(dòng)比為i2，由運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系可以得到整個(gè)換檔過(guò)程中系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

式中：Je—轉(zhuǎn)換到離合器主動(dòng)邊的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jv—轉(zhuǎn)換到變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tl—作用在輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量上的阻力矩

4 換擋品質(zhì)[1]

換擋品質(zhì)是指在保證汽車動(dòng)力性與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)壽命的前提下，車輛能夠迅速而且平穩(wěn)地?fù)Q檔的程度，集中體現(xiàn)為舒適性。對(duì)換檔過(guò)程的要求是：車速變化平順，不出現(xiàn)過(guò)高的瞬時(shí)加速度或減速度，使乘客無(wú)不舒服感，并降低動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)零部件中的動(dòng)載荷。換檔品質(zhì)可以用換檔時(shí)間、沖擊度和滑磨功三項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。

4.1 換擋時(shí)間

雙離合器的換檔時(shí)間是從換檔指令開(kāi)始到某一檔位平穩(wěn)運(yùn)行結(jié)束。其表達(dá)式為：

式(4)中，t1—換檔開(kāi)始，低檔位由完全接合到剛好完全分離的時(shí)間， t2—高檔位離合器由滑磨到完全接合的過(guò)程，△t12—兩離合器同時(shí)滑磨時(shí)間重疊部分。

換檔時(shí)間主要是離合器組滑磨的時(shí)間，它受接合速度以及沖擊度的限制。雙離合器自動(dòng)變速器的換檔時(shí)間一般為0.2-0.4s，如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響加速性能；時(shí)間過(guò)短產(chǎn)生較大的沖擊度[13]。

為了求出滑磨時(shí)間，建立如圖4所示的離合器動(dòng)力學(xué)模型。

圖4 離合器動(dòng)力學(xué)模型

由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩，阻力矩等都是隨時(shí)間變化的量，非線性的。假設(shè)不考慮駕駛員的技能，在離合器瞬間接合的過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、阻力矩都是常量。

對(duì)于主動(dòng)部分

得到

當(dāng)ne=nc的時(shí)候，離合器的滑磨結(jié)束，可以求出滑磨時(shí)間為[14]：

式中nc—離合器從動(dòng)件轉(zhuǎn)速，Tz—換算到離合器上的阻力矩，Ja—汽車及其掛車總平移質(zhì)量換算到離合器從動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

4.2 沖擊度

平穩(wěn)性的要求是以沖擊度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)的，車輛的沖擊度以加速度的變化率來(lái)表示如下，

各國(guó)對(duì)沖擊度的標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的，德國(guó)為10 m/s3，前蘇聯(lián)的為31.36m/s3，我國(guó)推薦沖擊度最佳值為：[j]=17.64m/s3。

4.3 滑磨功

滑磨功是評(píng)價(jià)其滑磨嚴(yán)重程度來(lái)說(shuō)明離合器接合過(guò)程中的負(fù)荷狀況。其表達(dá)函數(shù)為

式中，t0—從接合開(kāi)始到滑磨終了的時(shí)間，Tc—摩擦力矩，ns—發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器從動(dòng)件轉(zhuǎn)速差。

運(yùn)用信號(hào)控制庫(kù)，動(dòng)力傳動(dòng)庫(kù)，機(jī)械庫(kù)建立離合器滑磨功計(jì)算仿真模型如圖5所示。

圖5 滑磨功AMESIM仿真模型

5 仿真實(shí)例

仿真時(shí)需要的主要參數(shù)如下：仿真開(kāi)始時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩60Nm,整車質(zhì)量m=1450kg, 迎風(fēng)面積A=2.28m2,風(fēng)阻系數(shù)Cd=0.32, 車輪半徑r=0.31m, 空氣密度ρ=1.226kg/m3 ,主減速比i=4.19,i1=3.73 ,i 2=1.96,i3=1.32,i4=0.95,i5=0.76,R1,R2=150mm,r1,r2=105mm,f=0.1,z1,z2=10,A1,A2=0.0254m2, Je=0.15,J1=0.1, J2=0.1, J3=0.01，采用直線型換擋規(guī)律,仿真開(kāi)始時(shí)間0s，換擋開(kāi)始時(shí)間5s，離合器CL1，CL2換檔時(shí)間同步時(shí)，在終始?jí)毫?0000N下，離合器的換檔時(shí)間分別為0.2s,0.7s,1.2s,1.7s,2.2s下的沖擊度和滑磨功變化曲線如圖6(a)、圖(b)所示。

圖6 換檔時(shí)間不同時(shí)的沖擊度和滑磨功

6 結(jié)論

使用AMESIM工具軟件建立了DCT系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、滑磨功的仿真模型，分析了換擋時(shí)間，沖擊度、滑磨功之間的相互關(guān)系，在換檔過(guò)程中，作用在兩個(gè)離合器上的換擋時(shí)間與換檔產(chǎn)生的滑磨功和車輛沖擊度有直接關(guān)系，時(shí)間越短，產(chǎn)生的滑磨功越小，但車輛沖擊度越大。利用建立的仿真模型和整車具體參數(shù)進(jìn)行了升檔換擋過(guò)程的仿真計(jì)算，得到了在離合器換擋同步時(shí)，換擋時(shí)間參數(shù)的變化對(duì)滑磨功和車輛沖擊度的影響曲線圖，仿真結(jié)果驗(yàn)證了換檔時(shí)間、滑磨功越小，車輛沖擊度三者之間的關(guān)系。

[1]張?jiān)?qiáng).基于DCT結(jié)構(gòu)的動(dòng)力換檔模型與液壓控制特性的研究[D].重慶：重慶理工大學(xué),2008.

[2]Manish Kulkarni,Taehyun Shim,Yi Zhang.Shift dynamics and control of dual-clutch transmissions.Mechanism and Mchine Theory,2006,2.

[3]葛威.DCT換檔過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析與仿真研究.[D].吉林：吉林大學(xué),2008.

[4]顏志鵬,秦大同.雙離合器自動(dòng)變速器換擋過(guò)程仿真分析[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),2009,41-6.

[5]ZHANG Y,ChEN X, JIANG H,et al.Dynamic modeling and simulation of a dual-clutch automated lay-shaft transmission[J].Journal of Mechanical Design, Transactionsof the ASME,2005,127(2)：302-307.

[6]http：//www.amesim.com.cn/

[7]荊崇波,苑士華,郭曉林.雙離合器自動(dòng)變速器及其應(yīng)用前景分析[J].機(jī)械傳動(dòng),2005,29(3)：56-58.

[8]牛銘奎,程秀生,高炳釗,等.雙離合器式自動(dòng)變速器換檔特性研究[J].汽車工程,2004,4(26)：453-457.

[9]牛銘奎,高炳釗,葛安林,等.雙離合器式自動(dòng)變速器系統(tǒng)[J].汽車技術(shù),2004(6)：1-3

[10]操劍鋒.濕式雙離合器自動(dòng)變速器仿真技術(shù)研究：[D].吉林：吉林大學(xué),2007,8-9,13.

[11]付永領(lǐng).AMESIM系統(tǒng)建模和仿真——從入門到精通[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[12]顧振宇.雙離合器自動(dòng)式自動(dòng)變速器電液控制系統(tǒng)研究[D].吉林：吉林大學(xué),2007.

[13]楊昭.雙離合器自動(dòng)變速器動(dòng)力學(xué)模型與仿真：[D].吉林：吉林大學(xué),2007，

[14]張國(guó)勝,方宗德,牛秦玉.最佳動(dòng)力換檔規(guī)律的制定與仿真研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2005,7(24).