雙離合自動(dòng)變速器系統(tǒng)建模與仿真研究

陳 亮， 郝洪濤， 倪凡凡， 嚴(yán) 冬(寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750021)

隨著車輛操縱自動(dòng)化的快速發(fā)展，汽車自動(dòng)變速器正呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì).DCT作為一種新型的自動(dòng)變速器，既保持了傳統(tǒng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，又能夠?qū)崿F(xiàn)在無(wú)動(dòng)力中斷的情況下轉(zhuǎn)換傳動(dòng)比，縮短換擋時(shí)間，有效地提高了換擋品質(zhì)，從而改善了車輛行駛的舒適性，具有廣闊的發(fā)展前景[1-2].

1 DCT結(jié)構(gòu)及其工作原理

文中所述的DCT采用雙中間軸式機(jī)構(gòu)，如圖1所示，其傳動(dòng)裝置由兩根帶同步器的輸入軸C1和C2、兩根平行布置的中間軸m1和m2、兩個(gè)多片離合器、多個(gè)同步器及差速器等組成.兩根輸入軸分別為空心軸和實(shí)心軸，空心軸空套在實(shí)心軸上，使用選擇性輸出方式將變速器奇、偶數(shù)擋輸出齒輪分別布置在兩根中間軸上，其中，奇數(shù)擋輸入軸與離合器C1相連，偶數(shù)擋輸入軸與離合器C2相連，通過(guò)雙離合器的交替接合及切換不同的同步器狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)動(dòng)力間斷換擋，經(jīng)由不同輸出軸實(shí)現(xiàn)扭矩變換和輸出.

車輛在空擋時(shí)，所有同步器處在中位，兩離合器的主、從動(dòng)部分均分離.當(dāng)車輛起步時(shí)，以1升2擋為例，這時(shí)1擋同步器和1擋齒輪嚙合，1擋傳遞扭矩大于車輛行駛阻力，車輛開(kāi)始起步.當(dāng)車速繼續(xù)增加達(dá)到升擋點(diǎn)時(shí)，2擋同步器和2擋齒輪嚙合，同時(shí)變速箱控制單元 ( Transmission Control Unit，TCU)控制離合器C2的油壓P2開(kāi)始增大，使得離合器C2開(kāi)始慢慢接合，同時(shí)離合器C1的油壓P1開(kāi)始減小，離合器C1逐漸分離，當(dāng)離合器C2完全接合、離合器C1完全分離時(shí)，整個(gè)換擋過(guò)程結(jié)束，保證了換擋中發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩被連續(xù)傳遞到車輪；其余升、降擋過(guò)程與此類似[3].

圖1 DCT結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 整車動(dòng)力學(xué)建模

采用前向建模方法對(duì)整車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行建模，控制框圖見(jiàn)圖2.

圖2 DCT系統(tǒng)控制原理圖圖

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立是研究車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，選擇以節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速兩參數(shù)值作為系統(tǒng)模型的輸入值，以轉(zhuǎn)矩和角速度作為輸出值，選擇有載動(dòng)態(tài)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)輸出扭矩與穩(wěn)態(tài)輸出扭矩的關(guān)系可以近似地表示為

(1)

式中：n為轉(zhuǎn)速；ωe為角速度；γ為扭矩下降系數(shù)(取0.07～0.09)；Te為發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出扭矩；Ted為動(dòng)態(tài)輸出扭矩.

建立發(fā)動(dòng)機(jī)有載動(dòng)態(tài)仿真模型如圖3.

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

由圖3可知，該發(fā)動(dòng)機(jī)模型以二維特性表為核心，并將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到特性表中，通過(guò)輸入不同的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值，利用圖表插值方法得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出值.

3.2 雙離合變速器模型

為了方便建模，對(duì)DCT系統(tǒng)作如下簡(jiǎn)化：

1)假設(shè)傳動(dòng)系是由無(wú)慣性彈性環(huán)節(jié)和無(wú)彈性慣性環(huán)節(jié)構(gòu)成；

2)忽略同步器移動(dòng)和離合器接合分離引起的軸的橫向移動(dòng)；

3)不考慮齒輪嚙合彈性、軸承與軸承座的彈性、系統(tǒng)的阻尼和間隙；

4)簡(jiǎn)化后,DCT可視為一個(gè)離散系統(tǒng).

在車輛換擋過(guò)程中，DCT升擋過(guò)程按兩個(gè)離合器的工作狀態(tài)分為5個(gè)階段[4]：低擋傳動(dòng)階段-低擋轉(zhuǎn)矩階段-慣性階段-高擋轉(zhuǎn)矩階段-高擋傳動(dòng)階段.其對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型可分別描述為：

(1)低擋傳動(dòng)階段：C1接合，C2分離.

(2)

(2)低擋轉(zhuǎn)矩階段：C1完全接合，C2處于滑摩狀態(tài).

(3)

(3)慣性階段：C1、C2均處于滑摩狀態(tài).

(4)

(4)高擋轉(zhuǎn)矩階段：C1滑摩狀態(tài)，C2接合.

(5)

(5)高擋傳動(dòng)階段：C1分離，C2接合.

(6)

離合器從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速與變速器輸出轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

(7)

符號(hào)函數(shù)為：

(8)

離合器主從盤(pán)轉(zhuǎn)速度：

Δω=ωe-ωc

(9)

式中：Tc3、Ie為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tc1、Tc2為離合器C1和C2輸出轉(zhuǎn)矩；Ic1、Ic2，ωc1、ωc2依次為離合器C1和C2從動(dòng)盤(pán)慣量和轉(zhuǎn)速；ic1g、ic2g為奇、偶數(shù)擋位傳動(dòng)比；i0為主減速器傳動(dòng)比；Tout、ωo為變速器輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；ud、A、Z依次為離合器動(dòng)摩擦系數(shù)、活塞面積和摩擦副數(shù)；P1、P2分別為C1和C2的油壓；r11、r12、r21、r22依次為離合器C1和C2摩擦片內(nèi)、外徑.

所建DCT系統(tǒng)仿真模型如圖4.

圖4 變速器系統(tǒng)仿真模型

3.3 換擋邏輯控制模型[5-6]

采用Simulink/Stateflow建立換擋規(guī)律存儲(chǔ)模塊和換擋邏輯控制模塊；圖5為換擋控制流程圖,用來(lái)說(shuō)明車輛的具體換擋控制過(guò)程.

圖5 換擋控制流程圖

3.4 整車動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)整車模型做如下簡(jiǎn)化：

1)不考慮風(fēng)速產(chǎn)生的行駛阻力；

2)忽略汽車行駛過(guò)程中的任何方向的擺動(dòng)；

3)選擇行駛路面為平整路面.

汽車行駛時(shí),需克服的阻力

Ft=∑F=Ff+FW+Fi+Fj，

(9)

(10)

又變速器輸入與輸出扭矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

Tout=igi0Ted.

(11)

聯(lián)立(10)和(11)式可得

(12)

式中：m為整車質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為路面坡度(取α=0)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ρ為空氣密度；v為車速；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)(取δ=1.3)；ηT為傳動(dòng)效率；ig為變速器某擋位比；i0為主減比；r為車輪半徑.

3.5 整車仿真模型

整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型如圖6所示.

圖6 整車系統(tǒng)模型

4 仿真結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)模型離線仿真

整車系統(tǒng)模型搭建完畢后，進(jìn)行離線仿真，仿真結(jié)果如圖7，其中：圖(a)所示為節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，其取值范圍為0～50%；圖(b)表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，由圖可知，每次換擋時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速均出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，接著又迅速上升，這是因?yàn)樯龘鹾笥捎趽跷粋鲃?dòng)比減小，因此，在車輪速度相同的情況下，需要的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)降低，符合仿真的要求. 圖(c)表示當(dāng)前擋位和預(yù)測(cè)的下一擋位，整個(gè)過(guò)程進(jìn)行連續(xù)升擋操作，換擋迅速，且在換擋同時(shí)，系統(tǒng)能準(zhǔn)確判斷出下一擋位值.圖(d)表示實(shí)時(shí)車速曲線，從圖中可以看出車速曲線光滑，加速度變化較小，且換擋對(duì)車速影響小，整個(gè)換擋過(guò)程車速未出現(xiàn)較大波動(dòng)，且最大車速小于100 km/h，符合建模要求.

圖7 Simulink模型的仿真結(jié)果

4.2 快速原型仿真試驗(yàn)

以dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)為平臺(tái)，進(jìn)行快速原型仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖8，模型仿真結(jié)果和可執(zhí)行代碼仿真結(jié)果一致.證明了所建整車系統(tǒng)模型的合理性和代碼的正確性.

圖8 ControlDesk快速原型仿真結(jié)果

5 結(jié) 論

依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、雙離合變速器及整車各部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，建立了整車傳動(dòng)系統(tǒng)模型，研究其控制策略，并通過(guò)仿真結(jié)果證明了該模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬換擋過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，快速原型仿真結(jié)果證明了所建整車模型的合理性和可行性，對(duì)今后整個(gè)DCT項(xiàng)目的順利進(jìn)行起到十分重要的作用.

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