選擇性輸出的雙離合器自動變速器建模及仿真分析

朱耀文， 王其東， 孫保群

（1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學 汽車工程技術研究院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

與手動變速器和自動變速器相比較而言，雙離合器自動變速器（DCT）同時具備了它們的優(yōu)點，傳動效率高，不僅保證了車輛的動力性和經(jīng)濟性，而且改善了車輛的行駛舒適性［1］。雙離合自動變速器主要由機械傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構成，控制系統(tǒng)是其關鍵的組成部分。

傳統(tǒng)的動態(tài)建模和仿真都是在汽車動力學的基礎上，運用Simulink搭建數(shù)學模型，尤其對于DCT系統(tǒng)，建模過程相當復雜［2］。

本文應用物理建模工具箱SimDriveline建模，不需要復雜的數(shù)學推導，簡化建模過程，動態(tài)響應更具體更真實，為運用一種新的建模工具搭建傳動系統(tǒng)動力學模型以及DCT控制系統(tǒng)的設計提供一定的經(jīng)驗。

1 DCT結構及其工作原理

1.1 DCT結構

選擇性輸出的雙離合器自動變速器采用雙行星輪系結構，利用制動實現(xiàn)換擋，可以通過變速器殼體進行供油，提高了變速器換擋機構的工作穩(wěn)定性和可靠性。

由于采用制動器，因此，不但可以使用常見的多片式摩擦片實現(xiàn)制動，也可以采用盤式制動器或者制動鼓式制動器實現(xiàn)換擋功能，可以有效簡化控制方式和控制環(huán)節(jié)［3］。變速器三維結構如圖1所示，為同時便于觀察內部結構，對其殼體作了半透視化處理。

圖1 雙離合器自動變速器三維結構

1.2 DCT工作原理

傳統(tǒng)的DCT通過2個離合器的交替切換來完成換擋過程，而該變速器則通過控制離合器和同步器的工作狀態(tài)即可實現(xiàn)換擋。

工作原理如圖2所示，其中虛線箭頭部分表示一擋動力傳遞路線。

空擋時，所有同步器處在中位，離合器處于分離狀態(tài)；一擋時，撥叉使得同步器Ⅲ左位，同步器Ⅱ右位，離合器Ⅱ結合，此時在行星輪系中，太陽輪輸入，齒圈固定，行星架輸出；判斷升至二擋時，撥叉使得同步器Ⅰ右位，完成預掛擋，離合器Ⅱ逐漸分離，而離合器Ⅰ逐漸結合，直至換擋成功。判斷升至三擋時，撥叉使得同步器Ⅱ左位，完成預掛擋，離合器Ⅰ逐漸分離，而離合器Ⅱ逐漸結合，直至換擋成功，此時行星輪系為直接擋輸出。判斷升至四擋時，撥叉使得同步器Ⅰ左位，完成預掛擋，離合器Ⅱ逐漸分離，而離合器Ⅰ逐漸結合，直至換擋成功。而在倒擋時，同步器Ⅲ右位，同步器Ⅰ左位，離合器Ⅰ結合，離合器Ⅱ分離。

圖2 雙離合器自動變速器工作原理

2 傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)模型的構建

2.1 SimDriveline簡介

Simulink工具箱中的SimDriveline模塊庫［4］，是專門為車輛動力傳動系統(tǒng)建模仿真設計的。與傳統(tǒng)的數(shù)學模型不同，SimDriveline采用基本元素法按照實際物理系統(tǒng)來構建，可以直接選用發(fā)動機、離合器、變速器、轉動慣量、車輪等自定義模塊，能建立并仿真車輛動力傳動系統(tǒng)的機構模型，還可以通過它模擬、分析及控制車輛的各種系統(tǒng)，同時模型接口間以力矩傳遞為主，具有雙向性，動態(tài)特性很好，極大地方便了動力傳動系統(tǒng)模型的構建。

2.2 構建各部分模型

2.2.1 發(fā)動機模型

發(fā)動機是汽車的動力源泉，其輸出的轉矩經(jīng)過傳動系傳遞給驅動輪產(chǎn)生牽引力，從而驅動汽車行駛，因此，發(fā)動機模型是整個汽車系統(tǒng)模型的基礎。本文采用SimDriveline元件庫中提供的Generic Engine模塊。

2.2.2 變速器模型

在SimDriveline模塊庫中，離合器模型如圖3a所示，P端口是控制壓力接口，也是控制系統(tǒng)的接口，由控制器控制。B端口是主動軸接口，F(xiàn)端口是從動軸接口。行星輪系如圖3b所示，C是行星架，R是齒圈，S是太陽輪。依據(jù)變速器結構，將行星輪系及其他元件相互連接，即可構建出變速器傳動系統(tǒng)模型。

圖3c是一、三擋時變速器的模型。執(zhí)行器控制同步器的移動位置，將行星輪系的齒圈制動，或將齒圈與太陽輪鎖定，從而分別實現(xiàn)一、三擋動力傳遞。

2.2.3 控制系統(tǒng)模型

雙離合自動變速器的核心和關鍵部分就是換擋規(guī)律的制定和離合器的控制。在該Simulink模型中，以2個離合器的滑摩狀態(tài)、油門開度、發(fā)動機轉速、車速作為輸入信號，實現(xiàn)擋位的制定及離合器油壓的控制［5－8］。

圖3 變速器傳動系統(tǒng)部分模型

2.2.4 車體及輪胎模型

車體模型采用SimDriveline中的Vehicle Body模塊，輪胎采用 Magic Formula（MF）模型。此外還有轉動慣量及環(huán)境設置模塊，相對簡單。

2.3 整車模型

如圖4所示，將前面建立的各個模型進行連接，即可得到裝有選擇性輸出的雙離合器自動變速器車輛的整車動力學模型。

圖4 整車動力學模型

3 仿真結果

為了驗證所建模型的合理性，按照自定義信號發(fā)生器給定的油門踏板輸入信號，對前面所建立的包括控制模型在內的整車模型進行仿真，得到各仿真結果，如圖5所示。圖5a為仿真過程中發(fā)動機轉速的變化情況；圖5b為汽車實時車速；圖5c顯示了當前仿真時刻的工作擋位，其中，當擋位為0.5、1.5、2.5、3.5時，表示在掛入相應擋位之前，同步器預先接合，實現(xiàn)預掛擋；圖5d為換擋過程中，作用在2個離合器片上的油壓。在DCT升擋時刻，換擋控制機構接到控制系統(tǒng)發(fā)來的換擋指令，控制低擋離合器開始降低壓力分離、高擋離合器升高壓力結合，2個離合器分離與結合相互配合，切換工作狀態(tài)，從而最終順利實現(xiàn)擋位的切換。

圖5 仿真結果

4 結束語

本文建立了車輛雙離合器自動變速器仿真系統(tǒng)并進行了仿真實驗，仿真結果與理論分析相一致，得到的實驗數(shù)據(jù)符合實際情況，證明該模型能夠比較準確地模擬離合器換擋過程的動態(tài)特性，具有較好的實用價值，為DCT換擋規(guī)律與控制策略的研究及其系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)提供了理論基礎。

本文采用SimDriveline建立雙離合自動變速器模型，結果表明：SimDriveline作為一個高效、直觀的動力系統(tǒng)物理建模工具，大大簡化了建模的復雜性，縮短了DCT研發(fā)時間，同時也降低了成本，在DCT以及整個動力傳動系統(tǒng)設計中具有良好的應用前景。

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