雙離合器自動(dòng)變速器換擋控制策略研究

于 英，肖 棒，彭耀潤(rùn)，蘭士新，周 平

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.總裝工程兵科研一所，江蘇 無錫 214035)

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雙離合器自動(dòng)變速器換擋控制策略研究

于 英1，肖 棒1，彭耀潤(rùn)1，蘭士新2，周 平2

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.總裝工程兵科研一所，江蘇 無錫 214035)

換擋控制是研究雙離合器自動(dòng)變速器(DCT)的一個(gè)重要方面，在建立DCT車輛傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，分析換擋過程輸出軸轉(zhuǎn)矩變化、發(fā)動(dòng)機(jī)和雙離合器的轉(zhuǎn)速特性；針對(duì)換擋過程開環(huán)控制方法的不足，提出了離合器的壓力控制方法，及聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制的DCT車輛換擋過程離合器接合控制策略；建立了DCT車輛換擋過程Simulink仿真模型，對(duì)其換擋特性進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：在換擋過程中，輸出軸轉(zhuǎn)矩沒有過多的波動(dòng)，能夠改善DCT車輛換擋品質(zhì)。

車輛工程；雙離合器自動(dòng)變速器；換擋控制；控制策略；仿真分析

0 引 言

雙離合器自動(dòng)變速器(DCT)具備手動(dòng)變速器構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)，具有很好的換擋品質(zhì)和車輛動(dòng)力性,已成為當(dāng)前較為熱門的汽車自動(dòng)變速器之一[1]。DCT 換擋時(shí)為避免動(dòng)力中斷，理論上,要求一個(gè)離合器分離和另一個(gè)離合器接合應(yīng)同時(shí)發(fā)生，才能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力無中斷換擋和消除換擋沖擊。如果控制不當(dāng)可能造成兩個(gè)擋位之間的互鎖干涉或動(dòng)力中斷，使傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷，造成離合器滑摩、自激振動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊及換擋沖擊等現(xiàn)象，表現(xiàn)為變速器輸出軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。而對(duì)于DCT而言，不存在人工干預(yù)的因素，完全由TCU 控制，要提高換擋品質(zhì)，就必須在變速器換擋過程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出進(jìn)行控制，而一個(gè)有效的解決措施就是對(duì)離合器，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行聯(lián)合控制。

不少文獻(xiàn)已對(duì)離合器換擋過程采用不同的控制策略進(jìn)行了研究。Sun Chengshun等[2]基于最優(yōu)控制極值原理，綜合考慮沖擊度和滑摩功指標(biāo)，得到離合器的最優(yōu)接合軌線，但是沒有綜合考慮換擋過程中其他品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響；孫賢安等[3]考慮寄生功率現(xiàn)象的模糊換擋控制策略可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力不中斷換擋，優(yōu)化了換擋品質(zhì)，但沒有把發(fā)動(dòng)機(jī)的控制納入到換擋控制策略中；劉振軍等[4]在分析換擋品質(zhì)的基礎(chǔ)上，依據(jù)換擋時(shí)序，提出了聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制對(duì)換擋過程各個(gè)階段離合器預(yù)緊力控制的控制策略，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，整個(gè)換擋過程中沖擊度滿足平順性要求, 達(dá)到了較好的換擋品質(zhì)要求，但沒有考慮換擋過程中離合器的非線性運(yùn)動(dòng)。

為抑制變速器輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)、提高換擋品質(zhì)。筆者提出了以兩離合器轉(zhuǎn)矩變化率作為控制輸入，對(duì)離合器轉(zhuǎn)矩變化率進(jìn)行限制的離合器的壓力控制方法，控制離合器只能在一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)。并聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、雙離合器的聯(lián)合控制來提高換擋品質(zhì)。

1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型

相對(duì)于AT而言，DCT沒有液力變矩器來減小換擋沖擊，在換擋過程中，需要建立雙離合器自動(dòng)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)模型來描述其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。DCT車輛傳動(dòng)系統(tǒng)模型示意如圖1。

圖1 DCT車輛傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器動(dòng)力學(xué)方程如式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：Je為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jd為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Te為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，可從發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速we和節(jié)氣門開度α組成的轉(zhuǎn)矩特性Map圖上獲得；Tc1為連接實(shí)心軸的離合器1的轉(zhuǎn)矩；Tc2為連接空心軸的離合器2的轉(zhuǎn)矩；Td為飛輪轉(zhuǎn)矩。

依據(jù)離合器幾何性質(zhì)及摩擦特性，離合器轉(zhuǎn)矩可表示為[5-6]：

Tck=μckRckFnksign(wd-wck)，(k=1,2)

(3)

式中：μck為離合器表面的摩擦系數(shù)；Rck為離合器片的有效半徑；Fnk為離合器的壓力。

離合器的動(dòng)力學(xué)特性由式(4)、式(5)表示：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：it為變速器傳動(dòng)比；if為主減速比；Jc，Jt分別為離合器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、變速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩Ts動(dòng)力學(xué)模型如式(8)：

(8)

式中：Ks為輸出軸剛度；bs為輸出軸的阻尼系數(shù)；θw為車輪轉(zhuǎn)角；ww為車輪轉(zhuǎn)速；wt為輸出軸轉(zhuǎn)速。

假設(shè)輪胎為一個(gè)沒有滑移的滾動(dòng)體，且分配在軸上的驅(qū)動(dòng)力可以忽略。這樣的假設(shè)使得車輪轉(zhuǎn)速ww和車速νv的關(guān)系簡(jiǎn)單化，即νv=rwww。車輪動(dòng)力學(xué)模型可用式(9)表示：

(9)

式中：Jw為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ttrac為作用在輪胎上的驅(qū)動(dòng)力矩，由輪胎和路面間的摩擦而產(chǎn)生，Ttrac=Ftracrw(Tw為驅(qū)動(dòng)力矩，等于輸出軸上的力矩乘以主減速比，即Tw=ifTf)。

包含道路滾動(dòng)阻力Froll和空氣阻力Faero的車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型由式(10)表示：

(10)

Froll=MVgfcosθr

式中：Mv為整車質(zhì)量；g為重力加速度；θr為道路坡度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，Cd為空氣阻力系數(shù)；AF為迎風(fēng)面積；νx為車速；rw為輪胎半徑。

結(jié)合式(9)和式(10)，可得：

(11)

式(11)的外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tload可由式(12)表示：

(12)

2 換擋過程分析

2.1 換擋過程

換擋尤其是在升擋過程按照轉(zhuǎn)矩傳遞可分為2個(gè)階段[7]，如圖2。第1階段是轉(zhuǎn)矩相階段，從換擋指令開始到輸出扭矩為最低值；第2階段是慣性相階段，這一階段轉(zhuǎn)速同步，擋位改變時(shí)，動(dòng)能的變化會(huì)引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)。在本文中，按照兩個(gè)離合器的功能分為接合離合器和分離離合器。接合離合器僅做接合運(yùn)動(dòng)，分離離合器僅做分離運(yùn)動(dòng)。

圖2 DCT控制思路的示意

圖3 1擋升2擋發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器轉(zhuǎn)速特性

在t∈[tc,tt]時(shí)間段，對(duì)于接合離合器而言，轉(zhuǎn)矩不斷增大，對(duì)于分離離合器，轉(zhuǎn)矩逐步減小到0。在t∈[tt,ti]階段，期望接合離合器轉(zhuǎn)矩稍小些，但為減少換擋時(shí)間，接合離合器轉(zhuǎn)矩變化率在這一范圍內(nèi)應(yīng)大些，但過多的轉(zhuǎn)矩變化將導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)共振。在t∈[ti,ts]，接合離合器可能會(huì)打滑，傳動(dòng)軸也可能會(huì)波動(dòng)。達(dá)到同步點(diǎn)ts后，換擋過程結(jié)束。

2.2 開環(huán)控制

由于很難確定離合器扭矩等級(jí)大小和兩離合器的同步點(diǎn)，目前的換擋開環(huán)控制方法很大程度上依賴于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。一般情況下，沒有達(dá)到預(yù)期效果的換擋性能通常也被接受。因此換擋過程中，與不確定因素相關(guān)的異常情況常發(fā)生，影響了乘坐舒適性。

開環(huán)控制作為一種傳統(tǒng)的控制方法，基于開環(huán)控制的直線型換擋過程示意如圖4。接合離合器開始接合后，離合器轉(zhuǎn)速有些波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致車輛的不良顛振。盡管離合器轉(zhuǎn)速軌跡可經(jīng)一系列的實(shí)驗(yàn)測(cè)試后進(jìn)一步改善，但是只能是在一定程度上抑制，因?yàn)榭刂破魅狈呻x合器的反饋信息。如果反饋控制器能采用實(shí)時(shí)信息，比如轉(zhuǎn)矩軌跡，那么控制性能將會(huì)有所提高。

圖4 換擋過程的開環(huán)控制(1擋升2擋)

3 DCT的換擋控制

3.1 控制思路

筆者提出了限制離合器轉(zhuǎn)矩變化率的控制策略。策略的關(guān)鍵是控制離合器僅能在一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)。例如，控制接合離合器的壓力逐步增大或維持不變，另外，也控制分離離合器的壓力逐步減小或維持不變，使其只在一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)。一旦離合器開始運(yùn)動(dòng)，就不允許離合器朝最初的位置運(yùn)動(dòng)。通過避免執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非線性運(yùn)動(dòng)，離合器將更快的完成接合?？梢罁?jù)DCT的物理特性來制作包含離合器轉(zhuǎn)矩負(fù)變化率的反饋信號(hào)。由于DCT可使用兩個(gè)離合器作為控制輸入，在離合器的控制過程中，兩離合器的相互協(xié)作具有很大優(yōu)勢(shì)。換擋過程中，以前饋控制作為基線控制器，主要的依據(jù)是接合離合器接合過程和分離離合器的分離過程都分別按各自的軸向力平滑曲線接合或分離。

3.1.1 接合離合器

當(dāng)作用在接合離合器上的壓力逐漸減小時(shí)，控制輸入的輸出被限制在一個(gè)維持不變的狀態(tài)，因?yàn)榻雍想x合器的壓力變化率被限制為非負(fù)。此時(shí)，如果分離離合器的軸向力也是維持不變，則接合離合器獲得的信號(hào)是壓力在減小。

3.1.2 分離離合器

當(dāng)作用在分離離合器上的壓力逐漸增大時(shí)，由于分離離合器上的壓力沒有正變化率，分離離合器的壓力維持不變。此時(shí)，如果接合離合器的壓力也是不變狀態(tài)，則分離離合器的壓力將減小。

該控制策略不僅限制了接合離合器的壓力的負(fù)變化，而且能實(shí)現(xiàn)與作為另一執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分離離合器協(xié)作控制。結(jié)果，離合器沒有出現(xiàn)停頓和向后循環(huán)運(yùn)動(dòng)，離合器接合得更快。

3.2 控制策略

集合x(t,x0,u)∈Rn表示DCT 傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的動(dòng)態(tài)軌跡。x0∈Rn表示初始狀態(tài)，u=[uon,uoff]表示控制輸入，T∈R2。uon和uoff分別表示接合離合器、分離離合器的轉(zhuǎn)矩。在這系統(tǒng)中，作如下假設(shè)：

1)控制輸入的矢量值函數(shù)u是連續(xù)可微且滿足：

2)u(t)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)是有界的：

控制策略定義在離散時(shí)間域內(nèi)，如式(13)、式(14)：

uon[(i+1)ΔT]=

(13)

uon,ci(iΔT)=uon,FF(iΔT)

uon,is(iΔT)=uon,FF(iΔT)+uon,FB(iΔT)

uon,FB(iΔT)=kpeon(iΔT)+∫iΔT(i+1)ΔTkIeon(iΔT)dt

uoff[(i+1)ΔT]=

(14)

式中：uon,FF為接合離合器的前饋控制輸入；uon,FB為接合離合器的反饋控制輸入；uoff,FF為分離離合器的前饋控制輸入；i為采樣時(shí)刻；ΔT為采樣周期；eon為接合離合器的轉(zhuǎn)矩跟蹤誤差，eon=Tcd-Tc。

控制策略的控制示意如圖5。

圖5 DCT控制策略的示意

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)控制

換擋過程中，傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的突變會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩出乎意料的下降(例如在轉(zhuǎn)矩相階段)，這主要是由于傳遞扭矩的瞬時(shí)中斷。換擋完成時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩恢復(fù)到新的轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)比對(duì)應(yīng)的期望值(例如在慣性相階段)。此時(shí)的轉(zhuǎn)矩通常會(huì)超過期望值，主要是因?yàn)樵趹T性相階段傳遞轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致車輛的突然前進(jìn)，影響舒適性[8]。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的減少必須被考慮到換擋控制策略中。例如，為實(shí)現(xiàn)升檔，離合器是被控制的，在離合器接合開始的時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制器須定義目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)值，如果發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速太低，發(fā)動(dòng)機(jī)就有可能熄火，發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速太高，將會(huì)導(dǎo)致?lián)Q擋品質(zhì)的惡化。所以，對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩減少的目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速必須選擇恰當(dāng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速主要是由兩離合器轉(zhuǎn)速和期望的換擋時(shí)間決定的，因?yàn)閾Q擋是在很短的一段時(shí)間內(nèi)完成，認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間是線性變化的。1擋升2擋，發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速可定義為：

(15)

wc1a(t)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)可從時(shí)間t∈[tc,ti]內(nèi)的測(cè)量信號(hào)獲得。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制器可簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)為：

(16)

式中：Kpe，KIe為反饋增益。

Kpe和KIe需要合理確定，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩同時(shí)也被轉(zhuǎn)速跟蹤誤差的反饋直接控制，期望的發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速是設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和怠速轉(zhuǎn)速的最大值，策略的控制框圖如圖6，該策略可作為抑制傳動(dòng)系統(tǒng)波動(dòng)的一個(gè)有效途徑。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制框

4 仿真結(jié)果

建立DCT車輛換擋Simulink仿真模型，對(duì)1擋升2擋過程進(jìn)行仿真。仿真中DCT 車輛主要仿真參數(shù)：整車質(zhì)量Mv為2 050 kg；變速器傳動(dòng)比i1=3.41，i2=2.32；主減速比if1=3.972，if2=4.364；輪胎半徑rw=0.37；空氣阻力系數(shù)Cd=0.35；迎風(fēng)面積AF=2.24 m2；滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.014 2。

1擋升2擋過程，發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器1、離合器2的轉(zhuǎn)速曲線如圖7，兩離合器轉(zhuǎn)速同步是從1.0～1.5 s。

圖7 1擋升2擋發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器轉(zhuǎn)速曲線

在離合器2接合之前，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩減小，以減小換擋沖擊，如圖8。

圖8 1擋升2擋發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩

圖9顯示了在離合器2開始接合后的一段時(shí)間，輸出軸轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)有所減小。

圖9 1擋升2擋輸出軸轉(zhuǎn)矩

圖10證實(shí)了離合器的壓力控制方法的合理性，接合離合器的壓力包含了前饋和反饋控制，而分離離合器的壓力僅有前饋控制的推理而得到。在1.1 s時(shí)刻，當(dāng)基線反饋控制器要求接合離合器轉(zhuǎn)矩是負(fù)轉(zhuǎn)矩變化率變化時(shí)，分離離合器轉(zhuǎn)矩維持不變。可見該控制方法可以防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不良影響，如執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非線性運(yùn)動(dòng)。

圖10 1擋升2擋離合器轉(zhuǎn)矩

5 結(jié) 語

提出了一種新的DCT車輛換擋控制策略，控制策略充分利用了雙離合器系統(tǒng)的獨(dú)特特性。結(jié)果顯示了接合離合器轉(zhuǎn)矩是不減函數(shù)，分離離合器轉(zhuǎn)矩是不增函數(shù)。為分析和驗(yàn)證控制策略，對(duì)裝備DCT的車輛模型進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該控制策略能保證在快速換擋時(shí)，車輛具有較好的換擋品質(zhì)。

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Shift Control Strategy of Dual Clutch Transmission

Yu Ying1,Xiao Bang1, Peng Yaorun1, Lan Shixin2, Zhou Ping2

( 1. School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China;2. The First Engineering Scientific Research Institute of the General Armaments Department, Wuxi 214035, Jiangsu, China)

Shift control is an important aspect of study for Double Clutch Transmission (DCT). Based on the establishment of a driveline model of vehicle mounted with DCT, the change of output torque and speed characteristics of engine and double clutch were analyzed during shift process. Aiming at the shortcomings of the open-loop control during shift process, a control method of clutch pressure and the control strategy that engine speed/torque control were combined during shift process were put forward. A simulation model of shift process for vehicle mounted with DCT was established, and its shift characteristics was simulated and analyzed. The simulation results indicate that shift is performed without excessive oscillations of shaft torque and the control strategy can control shift quality well.

vehicle engineering; Double Clutch Transmission (DCT); shift control; control strategy; simulation analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.30

2013-09-13；

2013-12-20

于 英(1957—)，女，黑龍江呼蘭人，副教授，主要從事車輛傳動(dòng)及控制方面的研究。E-mail：yuying682@163.com。

U463.21

A

1674-0696(2015)04-151-05