濕式雙離合自動(dòng)變速器換擋控制策略研究

任華林 ，孫偉 ，徐萬(wàn)洪，馬春南

（1.浙江萬(wàn)里揚(yáng)股份有限公司，浙江 金華 321025；2.裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系，北京 100072）

1 引言

雙離合器自動(dòng)變速器DCT（Dual Clutch Transmission）是1940 年代出現(xiàn)的一種機(jī)械式自動(dòng)變速器，但近幾年才發(fā)展起來(lái)，其工作原理可以理解為兩個(gè)變速箱交替工作，每個(gè)變速箱上聯(lián)接一個(gè)濕式多片式離合器［1］，通過(guò)控制離合器即可使這兩個(gè)變速器交替進(jìn)入工作，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力不間斷的輸出［2］，如圖1 所示為雙離合器自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)原理圖。

圖1 濕式雙離合器自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 DCT 換擋過(guò)程評(píng)價(jià)指標(biāo)

換擋品質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)有兩個(gè)：沖擊度和滑摩功。

2.1 沖擊度

目前一般以沖擊度來(lái)評(píng)價(jià)汽車的換擋平順性，沖擊度定義為車輛的縱向加速度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式［3］為：

式中，v-汽車車速，m/s；a-汽車加速度，m/s2。

由式（1）可知，沖擊度與汽車的加速度變化率成正比，這說(shuō)明沖擊度能較好地反映換擋過(guò)程的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)。不同國(guó)家給出了不同的沖擊度限定標(biāo)準(zhǔn)［4］，德國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)為：j＜10m/s3，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)為：j＜17.64m/s3。

2.2 滑摩功

滑摩功是指離合器主從動(dòng)摩擦片間滑動(dòng)摩擦力矩所做的功，它反映了換擋過(guò)程中離合器滑摩所產(chǎn)生的熱量［5］。

其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Tc-離合器傳遞扭矩，N·m；ω1-離合器主動(dòng)部分角速度，rad/s；ω2-離合器從動(dòng)部分角速度，rad/s；t1-離合器滑摩開(kāi)始時(shí)間，s；t2-離合器滑摩結(jié)束時(shí)間，s。

滑摩過(guò)程產(chǎn)生的熱被離合器摩擦片、鋼片以及油液所吸收，使得摩擦片、鋼片的溫度以及油液的溫度升高，高溫對(duì)摩擦片的壽命以及摩擦系數(shù)都有較大影響，因此在換擋過(guò)程中必須合理控制滑摩功的大小。

3 離合器扭矩傳遞分析

濕式離合器依靠作用在摩擦片上的液壓壓緊力來(lái)傳遞扭矩［6］。當(dāng)離合器處于滑摩狀態(tài)時(shí)，離合器所傳遞的扭矩為

其中，sign（ωr）是符號(hào)函數(shù)，由下式確定：

式中：ωr-離合器主、從動(dòng)部分的相對(duì)轉(zhuǎn)速；μd-濕式離合器動(dòng)摩擦系數(shù)；S-濕式離合器活塞作用面積；Pn-濕式離合器活塞作用壓力；Z-濕式離合器摩擦副數(shù)；R-濕式離合器摩擦片外徑；r-濕式離合器摩擦片內(nèi)徑。

4 離合器控制策略制定

由式（3）可知，在數(shù)值上離合器所傳遞的扭矩為：

圖2 離合器請(qǐng)求扭矩及發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩變化示意圖

圖3 換擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化示意圖

由于摩擦系數(shù)μd、摩擦片有效面積S、摩擦副數(shù)Z、離合器摩擦片外徑R、離合器摩擦片內(nèi)徑r 均由離合器結(jié)構(gòu)決定，因此K為常數(shù)，從而在滑摩過(guò)程中離合器所傳遞的扭矩與施加在離合器上的壓力成正比；反過(guò)來(lái)，若已知離合器應(yīng)當(dāng)傳遞的扭矩（稱為離合器的請(qǐng)求扭矩），則可計(jì)算出施加在離合器上的液壓力，從而實(shí)現(xiàn)換擋過(guò)程中對(duì)離合器的控制。下面以2 擋升3 擋為例，分析濕式雙離合器自動(dòng)變速器的換擋過(guò)程，如圖2 所示為換擋過(guò)程離合器請(qǐng)求扭矩及發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩變化示意圖，如圖3 所示為換擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化示意圖。

（Ⅰ）低擋穩(wěn)定運(yùn)行相：雙離合器的結(jié)構(gòu)決定了此類自動(dòng)變速器可以實(shí)現(xiàn)預(yù)掛擋，因而此階段主要實(shí)現(xiàn)選擋、掛擋，兩離合器之間并沒(méi)有動(dòng)力的交換，不屬于換擋過(guò)程的范疇。

（Ⅱ）低擋轉(zhuǎn)矩相：離合器C2的請(qǐng)求扭矩在t1時(shí)刻降至A2，此值一般為（105%Tc～120%）Te（Te為發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前扭矩）。由于離合器的請(qǐng)求扭矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，因而離合器C2 并不會(huì)滑摩。

（Ⅲ）慣性相：離合器C2的請(qǐng)求扭矩逐漸減小，至t4時(shí)刻降為0，在此過(guò)程中施加在離合器C2 上的壓力也逐漸降低。離合器C2 請(qǐng)求減小的速率為（A2-B2）/（t4-t1），t4-t1在程序中設(shè)為500ms，從而離合器C2的分離速率為每10ms 減?。?.1%～2.4%）Te。由于DCT 換擋過(guò)程很短，一般可認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩恒定，因此可近似認(rèn)為離合器的分離是勻速的。在離合器C2 分離的同時(shí)離合器C1 也在緩慢結(jié)合，離合器C1的請(qǐng)求扭矩變化為A1→B1→C1，此階段是控制的核心和難點(diǎn)。如果A1到B1上升過(guò)慢或B1→C1過(guò)小，都會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)“飛車”，如果A1到B1上升過(guò)快或B1→C1過(guò)大，又會(huì)導(dǎo)致兩離合器出現(xiàn)干涉，出現(xiàn)“掛雙擋”現(xiàn)象。

（Ⅳ）高擋轉(zhuǎn)矩相：離合器1 完全分離，離合器2 仍處于滑摩狀態(tài)，為了減小同步時(shí)間，應(yīng)減小節(jié)氣門開(kāi)度以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（Ⅴ）高擋穩(wěn)定運(yùn)行相：離合器2 滑摩結(jié)束，換擋完畢。但為了增大離合器的扭矩儲(chǔ)備，離合器C1的請(qǐng)求扭矩會(huì)繼續(xù)上升，相應(yīng)的離合器壓力也會(huì)增大。

根據(jù)上述分析，編寫控制程序，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)濕式雙離合器自動(dòng)變速器的控制。

5 試驗(yàn)研究

5.1 試驗(yàn)控制系統(tǒng)

圖4 試驗(yàn)控制器結(jié)構(gòu)原理框圖

本試驗(yàn)是基于大眾旗下的斯科達(dá)某型車進(jìn)行的，試驗(yàn)所用控制器的原理框圖如圖4 所示。該試驗(yàn)所用控制器 由 TMS320F28xx 系 列DSP 處理器1，多傳感器信號(hào)輸入通道、信號(hào)輸出通道、電磁閥控制驅(qū)動(dòng)模塊2，CAN 通訊總線3，電源模塊4 以及各傳感器組成。各轉(zhuǎn)速、壓力、位置信號(hào)經(jīng)相應(yīng)傳感器采集后傳至DSP 控制處理器，經(jīng)DSP 控制處理器1根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)存的換擋邏輯和換檔規(guī)律處理后傳送至輸出信號(hào)通道和電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊2，使雙離合器、變速器選擋機(jī)構(gòu)、散熱系統(tǒng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)變速器的控制，如圖5所示為試驗(yàn)所用控制器實(shí)物圖。

圖5 試驗(yàn)控制器實(shí)物圖

5.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)制定出的離合器控制策略，以2 擋升3 擋為例反復(fù)進(jìn)行換擋試驗(yàn)，經(jīng)記錄、分析后得試驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖8 所示，其中圖6（a）為離合器請(qǐng)求扭矩以及發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩變化曲線，圖6（b）為離合器壓力變化曲線，圖6（c）為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入1 軸和輸入2 軸轉(zhuǎn)速變化曲線，圖6（d）為沖擊度曲線。

圖6 離合器交錯(cuò)過(guò)小試驗(yàn)曲線

圖6 所示為離合器交錯(cuò)過(guò)小的試驗(yàn)結(jié)果。如圖6（a）所示，離合器C2在t1時(shí)刻的請(qǐng)求扭矩為105%Tε（點(diǎn)A2），離合器C2的分離速率為每10ms 請(qǐng)求扭矩減小2.1%Tε；t2-t1為300ms，離合器C1 請(qǐng)求扭矩由0（點(diǎn)A1）上升至85%Tε（點(diǎn)B1），結(jié)合速率為每10ms 增大2.8%Tε，t2至t3階段，離合器C1 請(qǐng)求扭矩保持在85%Tε。由圖6（c）可知，由于B1點(diǎn)到C1點(diǎn)的請(qǐng)求扭矩過(guò)小，此時(shí)又因離合器C1即將分離請(qǐng)求扭矩也較小，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了“飛車”，增大了離合器滑摩功。

圖7 所示為離合器交錯(cuò)過(guò)大的試驗(yàn)結(jié)果。t1時(shí)刻離合器C2的請(qǐng)求扭矩為110%Tε，分離速率為每10ms 減小2.2%Tε；t2-t1為250ms，離合器C1 扭矩由t1時(shí)刻的0（點(diǎn)A1）上升至100%Tε（點(diǎn)B1），結(jié)合速率為4%Tε，t2至t3階段離合器C1 請(qǐng)求扭矩保持在100%Tε。由圖7（c）可知，由于離合器C1 結(jié)合過(guò)快，導(dǎo)致兩離合器出現(xiàn)了干涉，這樣會(huì)嚴(yán)重?fù)p害離合器，同時(shí)也會(huì)使換擋品質(zhì)變差，必須竭力避免，在此過(guò)程中沖擊度最大為8.4m/s3。

圖7 離合器交錯(cuò)過(guò)大試驗(yàn)曲線

圖8 離合器交錯(cuò)合適試驗(yàn)曲線

圖8 所示為離合器交錯(cuò)合適的試驗(yàn)結(jié)果。t1時(shí)刻離合器C2 請(qǐng)求扭矩為110%Tε，分離速率為2.2%Tε；t2-t1為300ms，B1為90%Tε，離合器C1的結(jié)合速率為3%Tε，t2～t3離合器C1 請(qǐng)求扭矩保持在90%Tε。由圖8（c）、圖8（d）可知，在離合器交錯(cuò)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)，沖擊度較小，整個(gè)過(guò)程中最大沖擊度為2.3m/s3。

4.3 連續(xù)升擋試驗(yàn)

通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)可得出獲得較好換擋品質(zhì)的條件為：在離合器C2 分離速率為每10ms 減小2.1%Tε～2.4%Tε的情況下，離合器C1的結(jié)合速率應(yīng)為3%Tε，并在t2～t3階段穩(wěn)定在87%Tε～95%Tε。

根據(jù)制定的換擋控制方法，在平坦路面上進(jìn)行連續(xù)升擋試驗(yàn)，記錄并分析試驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。由圖9 可以看出，連續(xù)換擋過(guò)程平穩(wěn)迅速，沖擊度最大為6.1m/s3，符合理想換擋品質(zhì)的要求，說(shuō)明前面試驗(yàn)分析得出的控制方法是合理可行的，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

圖9 連續(xù)升擋試驗(yàn)曲線

5 結(jié)語(yǔ)

雙離合器自動(dòng)變速器的換擋是一個(gè)復(fù)雜的非線性過(guò)程，影響其換擋品質(zhì)的因素非常多，本文僅從離合器交錯(cuò)程度方面進(jìn)行了論述及試驗(yàn)，對(duì)于其他影響因素，如發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩調(diào)節(jié)、油液溫度等沒(méi)有考慮，且由于能力及試驗(yàn)條件有限，對(duì)于離合器控制策略的研究較為淺顯，今后還需進(jìn)一步深化。

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