雙離合變速器建模仿真及分析

尤銀剛，羅　映，孔慶祥（.山重建機(jī)有限公司，山東臨沂76000；.山東建筑大學(xué)，濟(jì)南500；.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南5006）

雙離合變速器建模仿真及分析

尤銀剛1，羅映2，孔慶祥3
（1.山重建機(jī)有限公司，山東臨沂276000；2.山東建筑大學(xué)，濟(jì)南250101；3.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

針對(duì)現(xiàn)有的雙離合變速器技術(shù)，基于Matlab/Simulink平臺(tái)，利用基于模型的設(shè)計(jì)思想建立5速雙離合變速器簡(jiǎn)化模型，同時(shí)建立發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化模型提供動(dòng)力輸出，建立車身簡(jiǎn)化模型提供負(fù)載。在物理模型基礎(chǔ)上進(jìn)行基于模型的雙離合器控制程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基本的車輛起步和行進(jìn)間自動(dòng)換擋功能。最后對(duì)控制程序與變速器模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，對(duì)仿真得到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、擋位等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用以驗(yàn)證控制程序的可行性，同時(shí)也對(duì)雙離合變速器的工作原理和優(yōu)越性進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

雙離合變速器；Matlab/Simulink；基于模型

汽車自動(dòng)變速器主要有電控機(jī)械式（AMT）、液力機(jī)械式（AT）以及無級(jí)自動(dòng)變速器（CVT）3種類型［1］，其中AT和CVT在換擋時(shí)無動(dòng)力中斷，但燃油經(jīng)濟(jì)性較差［2］，AMT機(jī)械效率較高，但換擋時(shí)存在動(dòng)力中斷的問題［3］。雙離合變速器DCT（dual clutch transmission）克服了上述自動(dòng)變速器系統(tǒng)的不足，除了擁有手動(dòng)變速器的靈活性及自動(dòng)變速器的舒適性外，還能提供無間斷的動(dòng)力輸出。

在應(yīng)用方面，國外DCT的技術(shù)主要掌握在博格華納、格特拉克和LUK以及菲亞特動(dòng)力科技4家零部件企業(yè)手中，其他變速器企業(yè)諸如ZF等雖然也擁有DCT技術(shù)，但均未大批量推向市場(chǎng)［4］。國內(nèi)DCT還處于樣機(jī)的開發(fā)階段，且目前還存在很多技術(shù)性問題。由于DCT的生產(chǎn)裝置只需通過對(duì)現(xiàn)有的手動(dòng)擋變速器生產(chǎn)線稍加改造便可使用［5］，符合我國國情，因此得到政府和行業(yè)高度重視，目前正處于快速發(fā)展時(shí)期。

基于模型設(shè)計(jì)（MBD）是一種新型的設(shè)計(jì)方法。該方法利用Matlab的Simulink、stateflow及其他工具箱構(gòu)建模型并進(jìn)行仿真分析，最后由Simulink自動(dòng)生成代碼。MBD的優(yōu)勢(shì)在于不僅能提高代碼的可移植性、可讀性和可靠性，還可將開發(fā)周期縮短至傳統(tǒng)方法的20%～50%［6］。對(duì)于DCT系統(tǒng)而言，應(yīng)用MBD可以忽略一些次要因素，將精力集中在系統(tǒng)層面的搭建上。本文將重點(diǎn)介紹DCT模型的整體設(shè)計(jì)和仿真分析過程。

1　DCT系統(tǒng)建模

1.1DCT原理與組成

圖1是某DCT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖［7］，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸與雙離合器相連，2個(gè)離合分別通過實(shí)心軸、空心軸與奇數(shù)擋、偶數(shù)擋相連。工作時(shí)一個(gè)離合貼合作為當(dāng)前擋位，另一個(gè)離合脫開，同時(shí)選擋機(jī)構(gòu)預(yù)選下一個(gè)擋位。換擋時(shí)當(dāng)前擋位的離合逐漸脫開，另一個(gè)離合逐漸貼合。

圖1　雙離合變速器結(jié)構(gòu)

1.2系統(tǒng)總體模型

如圖2所示，DCT系統(tǒng)主要由控制器和控制對(duì)象兩部分組成?？刂破髫?fù)責(zé)對(duì)2個(gè)離合器貼合力的大小、油門開度大小、各擋位同步器結(jié)合和分離等實(shí)施控制；控制對(duì)象包括雙離合變速器、車身、輪胎模型等。本模型變速器有5個(gè)擋位，其中離合器1對(duì)應(yīng)的是1，3，5擋，離合器2對(duì)應(yīng)2，4擋。

圖2　系統(tǒng)總體模型

1.3發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)模型（圖3）有2個(gè)輸入端口和2個(gè)輸出端口。輸入為節(jié)氣門開度信號(hào)T、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體參數(shù)B，輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速rpm以及發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸參數(shù)F［8］。

圖3　發(fā)動(dòng)機(jī)模型

1.4變速器模型

變速器模型輸入輸出信號(hào)如表1所示。變速器模型負(fù)責(zé)把發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速、扭矩等信息通過擋位的傳動(dòng)比轉(zhuǎn)換輸出后傳遞給車身。雙離合器變速器包括2個(gè)離合器以及對(duì)應(yīng)的2套齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，接收控制部分輸出2個(gè)離合器貼合力P1、P2以及換擋撥叉動(dòng)作信號(hào)（非傳動(dòng)軸期望擋位）。變速器實(shí)現(xiàn)這些控制，并向控制部分反饋2個(gè)轉(zhuǎn)速差信號(hào)s1和s2。變速器模型如圖4所示。

表1　雙離合器信號(hào)說明

圖4　變速器模型

1.5車身模型

車身的參數(shù)化模型［9］為發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器提供負(fù)載信息。如圖5所示，車身模型有6個(gè)端口，2個(gè)輸入信號(hào)（W：風(fēng)速，beta：路面傾角）；3個(gè)輸出信號(hào)（V：車速，NF：汽車前輪車輪力，NR：汽車后輪車輪力）以及與輪胎連接的機(jī)械軸。此模型模擬車輛的質(zhì)量為1 600 kg，初始速度為0，底盤高度為0.5 m，風(fēng)速為5 m/s，路面傾角為0°。

圖5　車身模型

2　變速器控制策略模型

變速器控制策略模型實(shí)時(shí)檢測(cè)離合器輸入輸出軸的轉(zhuǎn)速、當(dāng)前車速以及油門踏板，計(jì)算并判斷擋位切換時(shí)機(jī)，得出2個(gè)離合的貼合力大小，并進(jìn)行非傳動(dòng)軸擋位的預(yù)選，得出下一擋信息。此外在正扭轉(zhuǎn)升擋時(shí)為了防止轉(zhuǎn)速下降［10］，還要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行干預(yù)。整個(gè)控制模型的輸入輸出如表2所示。

表2　控制器模型輸入輸出信號(hào)

2.1總體控制邏輯

模型控制部分總體邏輯控制如圖6所示。擋位狀態(tài)控制部分負(fù)責(zé)檢測(cè)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及輸入輸出軸轉(zhuǎn)速差。當(dāng)判斷需要進(jìn)行擋位切換時(shí)改變擋位狀態(tài)標(biāo)志的值，向離合控制部分表示需要進(jìn)行離合切換。離合控制部分負(fù)責(zé)接收換擋信息，并控制2個(gè)離合貼合力漸變以實(shí)現(xiàn)離合切換過程。預(yù)選下個(gè)擋位部分負(fù)責(zé)比較實(shí)時(shí)車速和設(shè)定換擋車速，得出非傳動(dòng)軸應(yīng)該結(jié)合的擋位，并進(jìn)一步得出變速箱內(nèi)部各個(gè)擋位撥叉的動(dòng)作指令。發(fā)動(dòng)機(jī)控制部分根據(jù)扭矩需求得出節(jié)氣門開度大小，并在換擋時(shí)通過節(jié)氣門開度信號(hào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。

圖6　總體邏輯控制圖

2.2擋位狀態(tài)控制

如圖7所示，G為擋位狀態(tài)標(biāo)志，當(dāng)G為整數(shù)時(shí)，代表變速器當(dāng)前工作的擋位，當(dāng)G不是整數(shù)時(shí)，代表變速器正處在換擋狀態(tài)中。其中：G為0.5表示車輛處于起步狀態(tài)；G為1表示當(dāng)前擋位為1擋；G為1.5表示變速器正處于1擋升2擋或者2擋降1擋的過程中；G為2.5，3.5，4.5同理。U/D代表“Up”或“Down”，即升擋或降擋。

對(duì)車輛的換擋控制分2種情況：

1）起步狀態(tài)的處理。當(dāng)G為0.5時(shí)，這時(shí)若離合器1輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速差s1小于10，表示起步完成，則對(duì)G加0.5，進(jìn)入1擋行駛狀態(tài)；當(dāng)G為1時(shí)，若發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于800 r/min，表示車速過低，需要分離離合器，防止發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，則對(duì)G減0.5，進(jìn)入起步狀態(tài)。

2）如果車輛起步完成，并處在某個(gè)擋位行駛時(shí)，其升降擋主要取決于當(dāng)前車速和油門踏板標(biāo)定的換擋車速間的關(guān)系。如果前者比后者大，升一擋，反之，則降一擋。圖8顯示了1擋升2擋判斷邏輯，mph12為參考油門踏板得出的1擋升2擋的車速，當(dāng)G為1和車速mph大于mph12同時(shí)滿足時(shí)就會(huì)得出E為0.5，對(duì)應(yīng)的G由1變?yōu)?.5，表示車輛進(jìn)入了1擋升2擋過程。直到離合切換完成，參考換擋完成標(biāo)志，再把G由1.5變?yōu)?。

圖7　換擋狀態(tài)

圖8　1擋升2擋

變速器共5個(gè)擋位，其他擋位的升擋和降擋判斷與1擋升2擋是類似的。

2.3擋位切換過程處理

換擋切換過程實(shí)際就是離合切換過程，根據(jù)擋位狀態(tài)G主要分為3種情況。

1）G為0.5，也就是起步狀態(tài)，此時(shí)離合器2完全分離，離合器2貼合力P2為0；離合器1貼合力P1與油門踏板關(guān)聯(lián)，隨著油門踏板位置加大增大P1，離合逐漸貼合，完成起步。

2）G為整數(shù)，表示車輛在某個(gè)擋位行駛，則該擋位所關(guān)聯(lián)的離合器的貼合力保持最大，另一個(gè)離合器的貼合力為0。

3）G為其他小數(shù)，表示進(jìn)入換擋過程，此時(shí)根據(jù)G值和U/D值判斷離合切換方向，原擋位關(guān)聯(lián)離合器的貼合力逐漸減小，新?lián)跷魂P(guān)聯(lián)離合器的貼合力同步逐漸加大，此貼合力達(dá)到最大則說明擋位切換完成，同時(shí)把換擋完成標(biāo)志位Complete置1。

圖9是離合器1切換到離合器2的過程。離合器2的貼合壓力P2從0逐漸達(dá)到最大值2 MPa，離合器1的貼合壓力P1同步從2 MPa逐漸減小到0。此過程在1擋升2擋、3擋升4擋、3擋降2擋、5擋降4擋的情況下發(fā)生。

圖9　離合器1和離合器2切換過程

2.4下個(gè)擋位的預(yù)選

在處于分離狀態(tài)的離合器上選擇下個(gè)擋位Next gear時(shí)使用就近原則［11］，1擋時(shí)Next gear是2擋，2擋時(shí)把當(dāng)前車速mph和2擋降1擋車速mph12、2擋升3擋車速mph23做比較，mph與哪個(gè)更為接近，Next gear即為哪個(gè)擋位。以此類推，處在3擋、4擋和5擋時(shí)候是一樣的情況。

Next gear選定和嚙合發(fā)生在車輛行駛過程中并根據(jù)車速不斷調(diào)整，這樣一來，換擋時(shí)只需切換離合器即可。

2.5換擋撥叉動(dòng)作控制

變速器使用同步器將某個(gè)擋位的齒輪與傳動(dòng)軸結(jié)合在一起以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。變速器控制器驅(qū)動(dòng)換擋撥叉帶動(dòng)同步器來選擇某個(gè)擋位的齒輪。下個(gè)擋位的預(yù)選過程就是驅(qū)動(dòng)某個(gè)撥叉的過程。模型對(duì)變速箱結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)化處理，設(shè)置5個(gè)同步器，對(duì)應(yīng)5個(gè)擋位［12］，控制程序輸出5個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，等效于5個(gè)同步器的換擋撥叉動(dòng)作。

圖10所示的是5個(gè)擋位對(duì)應(yīng)的同步器的控制程序，U1～U5即相當(dāng)于5個(gè)換擋撥叉動(dòng)作信號(hào)。在滿足變速器穩(wěn)定在某個(gè)擋位并且下個(gè)擋位對(duì)應(yīng)的離合器完全分離的條件下，將下個(gè)擋位信息傳遞給圖10所示程序，得到該傳動(dòng)軸上所有擋位的換擋撥叉的動(dòng)作信號(hào)，并保證只有一個(gè)是使同步器嚙合的動(dòng)作，其余是使同步器分離的動(dòng)作。之后傳遞給對(duì)應(yīng)的同步器使其嚙合。例如要選擇3擋，前提應(yīng)該是當(dāng)前Gear state為2或4，同時(shí)P1小于0.2 MPa，Next gear為3，則最終輸出的U1、U5為-1，U3為1，表示1擋、5擋的同步器脫離，3擋同步器嚙合。

圖10　齒形離合器控制邏輯

3　仿真曲線分析

圖11～13表示在油門踏板加一階躍信號(hào)后，車輛從起步狀態(tài)逐漸升至4擋過程中擋位狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速的變化過程。

在圖11中，擋位狀態(tài)起始值為0.5，說明起始狀態(tài)為起步狀態(tài)，在1.5，2.5、3.5短暫停留表示此時(shí)是擋位切換過程。在圖12中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降是因?yàn)閾跷簧?，傳?dòng)比減小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)刻正是圖11擋位的切換時(shí)刻。在圖13中，車輛從1擋升至4擋過程中，車速平滑升高無波動(dòng)，說明控制邏輯正確可行，能夠控制雙離合變速器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋功能。

圖11　擋位變化曲線

圖12　發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖13　車速變化曲線

4　結(jié)束語

本文建立了雙離合變速器的基本模型和控制程序模型。仿真結(jié)果表明：雙離合變速器在起步和換擋過程中車速不會(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，說明不會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力間斷，換擋舒適性有所提高。但模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，比如離合器分離與貼合過程、換擋過程中發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)等。

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（責(zé)任編輯劉舸）

Simulation Modeling and Analysis of Dual Clutch Transm ission

YOU Yin-gang1，LUO Ying2，KONG Qing-xiang3
（1.Strong Construction Machinery Co.，Ltd.，Linyi276000，China；2.Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

In view of the existing dual-clutch transmission technology，based on Matlab/Simulink platform，we established a simplified model of 5-speed dual-clutch transmission by using themodelbased design idea.At the same time，we established a simplifiedmodel of engine for power outputting and a simplified model for automobile body providing the load.Based on the physicalmodel，we designed the control program and realized the basic function of start and automatic shift.Finally，we made the joint simulation of the control program and the transmissionmodel，and analyzed the data of engine speed，automobile speed and gears to verify the feasibility of the model and to validate the working principle and advantages of dual-clutch transmission at the same time.

dual-clutch transmission；Matlab/Simulink；model-based design

U463.212

A

1674-8425（2015）05-0006-06

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.05.002

2015-01-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50575129）

尤銀剛（1975—），男，山東人，工程師，主要從事工程機(jī)械電氣控制系統(tǒng)等方面的研究。

尤銀剛，羅映，孔慶祥.雙離合變速器建模仿真及分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015（5）：6 -11.

form at：YOU Yin-gang，LUO Ying，KONG Qing-xiang.Simulation Modeling and Analysisof Dual Clutch Transmission［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（5）：6-11.