雙離合自動變速器換擋的控制與仿真

王 勇，易 軍

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

雙離合器式自動變速器（DCT）綜合了液力機(jī)械自動變速器和電控機(jī)械自動變速器［1］的優(yōu)點(diǎn)，傳動效率高、結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低.DCT的基本原理相當(dāng)于采用兩套變速器和兩個(gè)離合器，一個(gè)變速器處于工作狀態(tài)時(shí)另一變速器空轉(zhuǎn)，通過兩個(gè)離合器的切換來實(shí)現(xiàn)兩變速器交替進(jìn)入工作狀態(tài)，可在動力切斷時(shí)間很短的情況下完成換擋，消除了AMT切斷動力換擋帶來的換擋沖擊問題，不僅提高了車輛的動力性和經(jīng)濟(jì)性，而且極大地改善了車輛運(yùn)行的舒適性［2］.

1 雙離合器結(jié)構(gòu)及其換擋工作原理

雙離合器自動變速器采用兩個(gè)離合器分別與變速器的兩個(gè)輸入軸相連：一個(gè)離合器與變速器的奇數(shù)檔輸入軸相連，另一個(gè)離合器與偶數(shù)檔相連.兩個(gè)離合器交替作用傳遞動力（圖1）.

圖1 雙離合器機(jī)構(gòu)簡圖

當(dāng)車輛以某個(gè)檔位行駛時(shí)，DCT的電控單元會根據(jù)相關(guān)信息來判斷即將工作的下一檔位，并指令換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)先嚙合這一檔位.當(dāng)汽車達(dá)到換擋點(diǎn)時(shí)，將正在工作的離合器分離，同時(shí)將另一個(gè)離合器結(jié)合，兩個(gè)離合器的分離與結(jié)合是同時(shí)進(jìn)行的，并且在兩個(gè)離合器的切換過程中只會使發(fā)動機(jī)的動力傳遞出現(xiàn)一個(gè)減弱的過程，而不需要完全切斷動力，駕駛者幾乎感覺不到換擋時(shí)離合器的分離和結(jié)合的變化.整個(gè)過程可以快速而平穩(wěn)地經(jīng)行，不會出現(xiàn)扭矩中斷現(xiàn)象，即可實(shí)現(xiàn)動力換擋［3］.

2 雙離合器換擋動力學(xué)模型及動力學(xué)分析

2.1 雙離合器換擋動力學(xué)模型

據(jù)雙離合器結(jié)構(gòu)和工作原理，可以建立雙離合器換擋動力學(xué)模型（圖2）.圖中：Te為發(fā)動機(jī)的輸出扭矩；Tc1、Tc2為離合器C1、C2傳遞的扭矩；T1、T2為離合器C1、C2反作用扭矩；Td為對車輛輸出的扭矩；Ie為發(fā)動機(jī)和離合器主動部分的轉(zhuǎn)動慣量；Ic1、Ic2為離合器C1、C2從動部分及連接部分的轉(zhuǎn)動慣量；ωc1、ωc2為離合器C1、C2的角速度；ωe為發(fā)動機(jī)的角速度；ωd為車輪的角速度；i1、i2為離合器C1、C2的傳動比；i0為減速器的傳動比.

圖2 雙離合器換擋模型

2.2 雙離合器換擋的數(shù)學(xué)模型

發(fā)動機(jī)模型為

離合器C1模型為

離合器C2模型為

汽車整車模型為

其中：

式中：α為汽車加速度；R為車輪滾動半徑；θ為道路坡度角；CD為汽車滾動阻力系數(shù)；f為空氣阻力系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積；v為車輛行駛時(shí)的速度.

2.3 雙離合器換擋過程分析

一般情況下，DCT升檔過程要經(jīng)歷三個(gè)階段：低檔—慣性相—高檔［4］.以2檔升3檔為例，此時(shí)離合器C1控制3檔，離合器C2控制2檔.

1）低檔運(yùn)行：此時(shí)離合器C2接合，離合器C1分離，對車輛的輸出扭矩由離合器C1提供，此時(shí)車輛處于穩(wěn)態(tài).

2）慣性相：在此階段離合器C2開始放油，油壓不斷下降，出現(xiàn)打滑，離合器C1充油，也開始打滑；此時(shí)不僅有輸出扭矩的變化，各部分傳動比也出現(xiàn)變化，是產(chǎn)生沖擊度最大的階段［5］.這時(shí)離合器C1、C2所傳遞的扭矩由油壓P1、P2決定［6］.

式中：U1、U2為離合器C1、C2的摩擦系數(shù)；S1、S2為離合器C1、C2的作用面積；P1、P2為離合器C1、C2的作用壓力；R10、R11、R20、R21為離合器C1、C2的摩擦片外徑和內(nèi)徑；Z1、Z2為摩擦片數(shù).

由于此時(shí)離合器在打滑，所以離合器從動片的角速度ωc1、ωc2由車輪的角速度ωd決定，即：

3）高檔運(yùn)行：此階段離合器C1接合，離合器C2分離，對車輛的輸出扭矩由離合器C2提供，車輛又重新恢復(fù)穩(wěn)態(tài).

3 雙離合器的換擋的評價(jià)指標(biāo)及控制策略

3.1 換擋品質(zhì)的評價(jià)指標(biāo)

3.1.1 沖擊度 車輛的沖擊度以加速度的變化率

來表示.

3.1.2 滑摩功 滑摩功是指離合器主從動片間滑動摩擦力矩做的功

其中（ω1－ω2）是主從動片的角速度差.

3.2 雙離合器的控制策略

根據(jù)雙離合器的換擋評價(jià)指標(biāo)，現(xiàn)僅以沖擊度作為研究對象，使其最小為零，則要求換擋過程中保證沖擊度j＝0，故要求dv／dt＝a（a為常數(shù)），即要求車輛在換擋過程時(shí)中勻加速行駛，保證加速度不變.根據(jù)換擋過程分析，可知沖擊度產(chǎn)生是在慣性相，故以這階段為研究對象，使其沖擊度為零.根據(jù)以上控制目標(biāo)，聯(lián)立式（2）－（5）和（7）可以得到

其中：f（v）與初速v，加速度a和汽車本身參數(shù)有關(guān).根據(jù)式（6）、（8），相應(yīng)的離合器C1、C2之間的油壓關(guān)系可以表示為：

可知，若離合器油壓在換擋過程中滿足關(guān)系式（9），則通過傳動系傳遞給車輛的轉(zhuǎn)矩在克服各種阻力矩的作用后，正好可以使車輛保持同一加速度行駛，即可實(shí)現(xiàn)無沖擊換擋.

由式（1）和（8）可得到發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系為

由于發(fā)動機(jī)本身是激勵(lì)源，應(yīng)該保證其轉(zhuǎn)速變化盡可能平穩(wěn)［7］，即在換擋時(shí)間內(nèi)使轉(zhuǎn)速從離合器C2平穩(wěn)過渡到離合器C1，所以：

式中：ωC20為離合器C2換擋開始時(shí)的角速度；ωC11為離合器C1換擋結(jié)束時(shí)的角速度；t0為換擋時(shí)間.

由發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性知道，發(fā)動機(jī)的輸出扭矩Te是轉(zhuǎn)速We和油門開度 的函數(shù)關(guān)系，則根據(jù)（10）有

綜上所述：要想使換擋過程沖擊度為零，必須使加速度α為常數(shù)，加速度α為常數(shù)，則必須使離合器C1、C2滿足關(guān)系式（8）、（9），同時(shí)由于離合器的扭矩是由發(fā)動機(jī)輸出來的，所以發(fā)動機(jī)的油門開度也必須滿足式（12）.這就是換擋無沖擊的條件.

4 仿真模型的建立與分析

4.1 建立仿真模型

根據(jù)以上分析，以二檔升三檔為例，可預(yù)測汽車換擋時(shí)的初速、加速度以及換擋時(shí)間，并假設(shè)離合器C1的正壓力是線性增加［8］，則根據(jù)式（9），在臨界條件離合器C2換擋結(jié)束時(shí)正壓力為零，可以推出P1＝149 270t.

以某轎車為研究對象，利用 Matlab／simulink對其換擋過程進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如下：總質(zhì)量M，1137kg；空 氣 阻 尼 系 數(shù)CD，0.3；迎 風(fēng) 面 積A，2.295m2；車輪半徑R，0.312m；滾動阻力系數(shù)f，0.009 2；初速度v，10m／s；加速度α，0.5m／s2；i0，3.64；i1，4.17；i2，2.34；i3，1.52；i4，1.14；i5，0.87；i6，0.69；U，0.15；S，0.0128m2；Z，2；Ie，0.28kg · m2；Ic1，3.23kg · m2；Ic2，2.10kg·m2.

各部分仿真計(jì)算模型如圖3－圖8.

圖3 發(fā)動機(jī)角速度計(jì)算模型

4.2 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖9－圖14.由圖9和圖10看出，當(dāng)離合器C1的正壓力隨時(shí)間線性變化時(shí)，離合器C2的正壓力也接近線性變化.而由式（13）可知，離合器C2的正壓力中含有f（v）項(xiàng)，草藥即含有t2項(xiàng)，所以應(yīng)該是二次曲線.后經(jīng)過驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)t2項(xiàng)系數(shù)遠(yuǎn)小于一次項(xiàng)的系數(shù)，可以忽略不計(jì)，所以在圖像上顯示的是線性的，即離合器C1、C2的正壓力都是線性變化的，這有利于對離合器壓力的控制.

由圖11看出，在整個(gè)換擋過程中，車輛油門開度由31.92%上升到34.48%，前0.6s接近線性，后0.4s比較平滑，這與人們踩油門也比較符合.

由圖12知，離合器C1、C2以及發(fā)動機(jī)的角速度都是線性變化的，這是因?yàn)樵诮o定初速和加速度的情況下，滑摩過程中離合器C1、C2從動片角速度都取決于整車的速度和加速度，所以當(dāng)加速度不變時(shí)，角速度呈線性變化.而發(fā)動機(jī)在控制過程中就保證其是線性變化的.由圖13，14知，當(dāng)控制離合器和發(fā)動機(jī)的參數(shù)滿足式（8）、（9）、（12）時(shí)，可以保證車輛在換擋過程中的沖擊度為零，滑摩功也平穩(wěn)增加.

5 結(jié)論

1）基于雙離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理建立其動力學(xué)模型，分析換擋過程，確定沖擊度產(chǎn)生于慣性相.

2）以沖擊度為零為約束條件，推導(dǎo)出兩離合器油壓和發(fā)動機(jī)油門開度應(yīng)滿足的關(guān)系式.通過仿真驗(yàn)證表明：當(dāng)兩離合器油壓和油門開度滿足一定關(guān)系時(shí)，可以保證沖擊度為零.

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