加速工況下濕式雙離合自動(dòng)變速器預(yù)換擋控制策略

李紅朋，胡建軍，陳 曦，劉景南

(1.湖南南車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司，湖南株洲 412007;2.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

雙離合器自動(dòng)變速器(dual clutch transmission，DCT)是一種新型的自動(dòng)變速器，它通過同步器預(yù)先接合和2個(gè)離合器交替切換的方式來完成動(dòng)力換擋。但對(duì)于在換擋過程中同步器何時(shí)開始預(yù)先接合以及何時(shí)分離，目前還沒有完善的控制方法。同步器控制的主要目標(biāo)是在保證正確實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)功能的前提下，盡量減少同步器分離、接合的次數(shù)［1－3］。

文獻(xiàn)［2］提出了基于2參數(shù)換擋規(guī)律的DCT同步器的控制規(guī)律，直接選用2 km/h作為同步器預(yù)先接合時(shí)的提前車速［2］。文獻(xiàn)［3］設(shè)計(jì)了智能修正型換擋規(guī)律，直接選用3 km/h作為同步器預(yù)先接合時(shí)的提前車速。由于各擋位的加速度和同步器同步時(shí)間不同，可能導(dǎo)致在預(yù)設(shè)的換擋車速下同步器還未接合，產(chǎn)生換擋延遲［3］。文獻(xiàn)［4－5］采用依據(jù)換擋結(jié)束后車輛的運(yùn)動(dòng)趨勢立即接合下一擋位同步器的策略，由于車輛行駛過程中速度變化范圍比較大，這樣必然導(dǎo)致同步器的頻繁接合，不但會(huì)引起瞬時(shí)沖擊，而且會(huì)影響同步器的使用壽命［4－5］。

針對(duì)如何選用同步器預(yù)先接合時(shí)的提前車速以及在換擋完成后上一擋位的同步器何時(shí)分離的問題，本文以濕式雙離合器自動(dòng)變速器為研究對(duì)象，分析了同步器換擋過程中帶排轉(zhuǎn)矩對(duì)換擋性能的影響，確定了DCT在換擋時(shí)同步器的預(yù)先接合策略和分離策略，并對(duì)本文制定的預(yù)換擋控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 濕式雙離合自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)及工作原理

濕式雙離合器自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由2個(gè)液力驅(qū)動(dòng)的離合器交替作用，奇數(shù)離合器連接 1、3、5、倒擋，偶數(shù)離合器連接2、4 擋。

當(dāng)汽車以某個(gè)擋位運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)變速器電控單元根據(jù)相關(guān)傳感器信息判斷即將工作的下一擋位，并指令換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，預(yù)先接合這一擋位的同步器。在車輛運(yùn)行達(dá)到換擋點(diǎn)時(shí)，將正在工作的離合器分離，同時(shí)將另一離合器接合，通過2個(gè)離合器的切換，完成換擋。在換擋過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力可以始終不間斷地傳遞到車輪，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力換擋。

圖1 濕式雙離合器自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)

2 換擋過程同步器預(yù)先接合控制分析

雙離合器自動(dòng)變速器通過同步器預(yù)先接合、2個(gè)離合器交替切換的方式完成換擋過程。為了防止換擋延遲，在達(dá)到換擋車速之前，同步器需要有充足的時(shí)間進(jìn)行接合。

設(shè)換擋車速為vt，同步器開始預(yù)先接合時(shí)的車速為vs，n擋時(shí)的加速度為an，同步器從開始接合到接合完成所需時(shí)間為t，則有

所以同步器預(yù)先接合時(shí)的提前車速為

2.1 預(yù)換擋時(shí)間分析計(jì)算

DCT在換擋時(shí)采用預(yù)換擋策略，在換擋前目標(biāo)擋位的同步器需預(yù)先結(jié)合。預(yù)換擋時(shí)間主要由同步前所需時(shí)間、同步時(shí)間、同步后所需時(shí)間3部分組成。其中預(yù)換擋時(shí)間的長短主要由同步時(shí)間決定。

由同步時(shí)摩擦力矩平衡方程［6－7］得:

式中:ts為同步器同步時(shí)間;Jr為同步器輸入端等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Δω為同步器兩端角速度差;α為齒圈上圓錐面的半錐角;μ2為齒圈上圓錐面摩擦因數(shù);R為接合齒圈上圓錐面的平均半徑;F為齒套軸向換擋力。

由式(3)可以看出，同步時(shí)間主要與換擋力有關(guān)。換擋力越大，同步時(shí)間越短;換擋力越小，同步時(shí)間越長。

由于換擋力是從液壓缸中產(chǎn)生的，為了減少能量損失，達(dá)到最好的控制效果，在受到換擋阻力較小的同步前階段，液壓缸產(chǎn)生較小的換擋力;而在受到較大阻力作用的同步階段，液壓缸輸出較大的換擋力，這樣使換擋過程達(dá)到最佳狀態(tài)［8］。最佳換擋力控制示意圖如圖2所示。

圖2 最佳換擋力控制示意圖

但在實(shí)際換擋過程中，由于換擋力來自于液壓缸，所以換擋力在增加時(shí)有一定時(shí)間滯后，這樣就會(huì)增加換擋時(shí)間，不利于換擋。同時(shí)，由于同步前所需的時(shí)間很短，故可以使同步前的換擋力與同步時(shí)的換擋力一致，同步后給予較小的換擋力。實(shí)際換擋力控制示意圖如圖3所示。

圖3 實(shí)際換擋力控制示意圖

基于上述分析，建立DCT預(yù)換擋模型，進(jìn)行升擋工況下不同擋位的預(yù)換擋性能仿真計(jì)算，得到各擋位預(yù)換擋完成所需時(shí)間，如表1所示。

表1 升擋過程中預(yù)換擋完成時(shí)間

2.2 加速工況下同步器預(yù)先接合規(guī)律

汽車在各擋位下行駛的最大加速度與車輛行駛過程中的最大牽引力和所受到的阻力有關(guān)。在不考慮坡道阻力的情況下，根據(jù)汽車行駛時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程可以得到各擋位的加速度表達(dá)式為［9－10］

式中:a為汽車行駛時(shí)的加速度;δ為行駛時(shí)的汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);m為汽車空載質(zhì)量;r為車輪滾動(dòng)半徑;ig為變速器傳動(dòng)比;i0為主減速器傳動(dòng)比;Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩;g為重力加速度;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);CD為空氣阻力系數(shù);A為汽車迎風(fēng)面積;v為汽車行駛速度。

表2 各擋位的最大加速度

由各擋位下整車的最大加速度和換擋時(shí)間可以計(jì)算出同步器預(yù)先接合時(shí)的提前車速，如表3所示。

表3 同步器預(yù)先接合時(shí)的提前車速

根據(jù)換擋規(guī)律和同步器控制策略可以制定出最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律［11］及同步器預(yù)先接合規(guī)律，如圖4所示。

3 帶排轉(zhuǎn)矩對(duì)換擋性能的影響

在DCT車輛正常行駛過程中，一個(gè)離合器參與接合，另一個(gè)離合器處于分離狀態(tài)。處于分離狀態(tài)的濕式離合器摩擦副間充滿潤滑油，摩擦盤片間潤滑油流動(dòng)過程中在流體層間產(chǎn)生剪應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生帶排轉(zhuǎn)矩［12－13］。

圖4 最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律及同步器預(yù)先接合規(guī)律

離合器盤片間的間隙很小，對(duì)盤片間潤滑油作以下假設(shè):① 盤片間潤滑油為層流流動(dòng);② 離合器盤片表面處潤滑油分子相對(duì)盤片表面沒有滑移;③忽略離心力、慣性力及重力的影響;④不考慮摩擦片上油槽的影響。

根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，離合器帶排轉(zhuǎn)矩可通過以下方程計(jì)算［14］:

式中:μ為潤滑油的動(dòng)力黏度(Pa·s);Δn為主從動(dòng)摩擦片的轉(zhuǎn)速差(r/min);h為主、從動(dòng)摩擦片的最大分離間隙(m);R1、R2分別為主、從動(dòng)摩擦片的接觸面內(nèi)、外徑(m);z為摩擦片組數(shù)。

從式(5)可看出，對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的離合器，其帶排轉(zhuǎn)矩與摩擦片的轉(zhuǎn)速(車輛行駛速度)、冷卻潤滑油的動(dòng)力黏度成正比，與摩擦副的分離間隙成反比。由計(jì)算可得，在一定的轉(zhuǎn)速和溫度下，帶排轉(zhuǎn)矩為2～8 N·m。

如果采用換擋結(jié)束后根據(jù)車輛的運(yùn)動(dòng)趨勢立即接合下一擋位同步器的控制策略［4－5］，不僅會(huì)導(dǎo)致同步器的頻繁接合，而且會(huì)在下一擋位所對(duì)應(yīng)的離合器上產(chǎn)生帶排轉(zhuǎn)矩;若采用換擋完成后上一檔位同步器不分離的控制策略，同樣會(huì)產(chǎn)生帶排轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)同步器預(yù)先掛于高擋擋位時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于高擋所在的離合器轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)在帶排轉(zhuǎn)矩的作用下對(duì)高擋所在離合器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。同理，當(dāng)同步器預(yù)先掛于低擋位時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于低擋所在離合器轉(zhuǎn)速，低擋所在離合器在帶排轉(zhuǎn)矩作用下反拖發(fā)動(dòng)機(jī)。

在預(yù)升擋情況下，若下一擋位同步器立即結(jié)合，即預(yù)先掛于高擋位，則輸出轉(zhuǎn)矩為

此時(shí)整車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩?fù)p失量為

式中:Te、To、Ts分別為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、整車輸出轉(zhuǎn)矩和預(yù)掛擋情況下整車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩?fù)p失量;in、in+1分別為當(dāng)前擋位傳動(dòng)比、預(yù)升擋擋位傳動(dòng)比;i0為主減速比。

由式(7)可以得到，在預(yù)先掛于高擋位的情況下，整車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩有所損失。若換擋完成后，上一擋位同步器不分離，即采用低擋位同步器不分離的控制策略，則輸出轉(zhuǎn)矩為

此時(shí)整車轉(zhuǎn)矩?fù)p失量為

式中in－1為上一擋位，即低擋位傳動(dòng)比。從式(9)可見，整車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩同樣有損失。

綜上分析，濕式離合器過早預(yù)升擋或者升擋完成后上一擋位同步器不分離，所產(chǎn)生的帶排轉(zhuǎn)矩都會(huì)降低整車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，由于帶排轉(zhuǎn)矩的作用，預(yù)掛擋離合器上會(huì)產(chǎn)生滑摩功，使離合器溫度升高。因此為了提高整車動(dòng)力性，濕式雙離合器自動(dòng)變速器同步器應(yīng)采用下面方法進(jìn)行控制:為了避免同步器的頻繁接合，在各擋位換擋車速前一定數(shù)值處(提前的車速數(shù)值必須保證換擋前同步器可充分接合)接合下一擋位的同步器;在換擋完成后，上一擋位的同步器應(yīng)移動(dòng)至空擋位置。這樣，在車輛正常行駛時(shí)不受帶排轉(zhuǎn)矩的影響。

4 加速工況下預(yù)換擋控制策略

以2擋加速升到4擋為例說明本文制定的預(yù)換擋策略。

常規(guī)的預(yù)換擋控制策略為:汽車在2擋運(yùn)行時(shí)，2－4擋同步器與2擋齒圈嚙合，此時(shí)1－3擋同步器還與1擋齒圈嚙合，當(dāng)汽車加速快到3擋換擋點(diǎn)之前，1－3擋同步器預(yù)先接合到3擋齒圈，此時(shí)2－4擋同步器仍與2擋齒圈嚙合，車速到達(dá)3擋換擋點(diǎn)時(shí)，動(dòng)力向3擋切換;當(dāng)汽車?yán)^續(xù)加速到4擋換擋點(diǎn)之前，此時(shí)2－4擋同步器才從與2擋齒圈接合位置移動(dòng)到與4擋齒圈接合位置。由此可以看出:在常規(guī)預(yù)換擋控制策略下，整個(gè)過程中預(yù)換擋的同步器一直處于接合狀態(tài)［15］，這樣必將產(chǎn)生較大的帶排轉(zhuǎn)矩。

本文制定的預(yù)換擋控制策略為:汽車在2擋運(yùn)行時(shí)，2－4擋同步器處于2擋位置，此時(shí)1－3擋同步器處于空擋位置，汽車加速快到3擋換擋點(diǎn)之前，1－3擋同步器預(yù)先置于3擋位置，此時(shí)2－4擋同步仍處于2擋位置，到達(dá)3擋換擋點(diǎn)時(shí)，動(dòng)力切換到3擋，2－4擋同步器回到空擋;當(dāng)汽車?yán)^續(xù)加速到4擋換擋點(diǎn)之前，此時(shí)2－4擋同步器從空擋移動(dòng)到4擋位置。由此可以看出:采用本文提出的預(yù)換擋控制策略，在整個(gè)換擋過程中，預(yù)換擋的同步器大部分時(shí)間都處于空擋位置，這樣將會(huì)明顯減少帶排轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的影響。

5 仿真驗(yàn)證

圖5為連續(xù)升擋過程中帶排轉(zhuǎn)矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響曲線。從圖中可以看出帶排轉(zhuǎn)矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)有滯后的作用。

圖5 帶排轉(zhuǎn)矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

圖6為升擋過程中采用不同預(yù)換擋控制策略下的換擋曲線。由于1擋預(yù)掛2擋同步器完成換擋的時(shí)間需要0.256 s，本文所提出的控制策略1擋預(yù)掛2擋的提前車速為2.8 km/h，因此在進(jìn)行升擋前同步器能很好地預(yù)掛上2擋，而采用常規(guī)控制策略時(shí)(1擋預(yù)掛2擋的提前車速為2 km/h)，在車速達(dá)到換擋點(diǎn)時(shí)，1擋預(yù)掛2擋的動(dòng)作還沒有完成，這將使實(shí)際完成的換擋點(diǎn)滯后，而不能適時(shí)反映駕駛意圖。從圖中可知:相對(duì)于本文所提出的控制策略，采用常規(guī)控制策略時(shí)，1擋預(yù)換2擋時(shí)刻延遲了0.09 s，2擋預(yù)掛3擋時(shí)刻延遲了0.33 s，3擋預(yù)掛4擋時(shí)刻延遲了0.93 s。采用本文所提出的控制策略能更好地反映駕駛員的換擋意圖。

圖6 不同控制策略下的升擋曲線

圖7為加速過程中帶排轉(zhuǎn)矩對(duì)車速的影響曲線。從圖中曲線可以看出:采用本文所提出的控制策略，車速加速到70 km/h所需的時(shí)間為15.23 s，而常規(guī)控制策略下達(dá)到的時(shí)間為15.89 s，本文所提出的控制策略可較好地改善整車的動(dòng)力性。

圖7 帶排轉(zhuǎn)矩對(duì)車速的影響

6 結(jié)束語

在分析DCT預(yù)換擋過程的基礎(chǔ)上，計(jì)算了在升擋工況下各擋位完成預(yù)換擋所需時(shí)間以及各擋位下的整車最大加速度。

制定了DCT預(yù)掛擋的控制策略，并且在計(jì)算出的預(yù)換擋完成時(shí)間與各擋位下最大加速度的基礎(chǔ)上，分析計(jì)算出同步器預(yù)先接合的提前車速。

對(duì)換擋過程中產(chǎn)生的帶排轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了研究，分析了帶排轉(zhuǎn)矩對(duì)換擋性能的影響。提出了DCT在換擋時(shí)同步器預(yù)先接合和分離控制策略。基于Matlab/Simulink建立仿真模型。仿真結(jié)果表明:在加速工況下本文所提出的預(yù)換擋控制策略可適時(shí)實(shí)現(xiàn)駕駛意圖，并較好地改善了整車的動(dòng)力性。

［1］Mac Yonggang Liu，Datong Qin，Yi Zhang，et al.Shift schedule optimization for Dual Clutch Transmissions［J］.Mechanism and Machine Theory，2009，42:168 －182.

［2］楊偉斌，陳全世，吳光強(qiáng)，等.基于城市循環(huán)工況的雙離合器式自動(dòng)變速器同步器的控制策略［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(12):244 －248.

［3］楊偉斌，陳全世，吳光強(qiáng)，等.智能修正型換擋規(guī)律的設(shè)計(jì)及在雙離合器式自動(dòng)變速器中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，15(1):205 －210.

［4］Manish Kulkarni，Taehyun Shim，Yi Zhang.Shift dynamics and control of Dual-Clutch Transmissions［J］.Mechanism and Machine Theory，2007，42(2):168 －182.

［5］ZHANG Y，CHEN X，JIANG H，et al.Dynamic modeling and simulation of a Dual-Clutch Automated Lay-Shaft Transmission［J］.Journal of Mechanical Design，Transactions of the ASME，2005，127(2):302 －307.

［6］Eric A.Development of shift by wire synchronized 5 －Speed manual transmission［J］.SAE paper，1998(8):31.

［7］曹學(xué)江.變速器雙錐面同步器的設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2004，81(6):11 －12.

［8］Lovas L，Play D，Msrialigeti J.Mechanical behaviour simulation for synchromesh mechanism improvements［J］.Automobile engineering，2006(3):921 －925.

［9］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:18－21.

［10］ZHU Y，HU H，XU G，et al.Hardware in-the-loop simulation of pure electric vehicle control system［C］//2009 International Aisa Conference on Informatics in Control.Bangkok:Automation and Robotics，2009.

［11］余榮輝，孫冬野，秦大同.機(jī)械自動(dòng)變速系統(tǒng)動(dòng)力性換擋控制規(guī)律［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(4):1 －4.

［12］閻清東，李宏才.濕式多片式制動(dòng)器帶排轉(zhuǎn)矩研究［J］.機(jī)械，2001，28(6):73 －75.

［13］Razzacki S，Hottenstein J.Synchronizer design and development for Dual Clutch Transmission［J］.SAE paper，2007(1):114.

［14］郭曉林，辛明厚，孫偉，等.濕式雙離合器帶排轉(zhuǎn)矩特性及其應(yīng)用研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2011(3):92－95.

［15］楊偉斌，吳光強(qiáng)，秦大同.雙離合器式自動(dòng)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)的建模及換擋特性［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43(7):188－194.