高聳+袁躍蘭+陳漫+朱禮安+曲思宇

摘 要：為改善雙離合器式自動(dòng)變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）的換擋品質(zhì)，提出發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器聯(lián)合控制策略。建立動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型，利用Simulink對(duì)滑摩品質(zhì)的影響因素進(jìn)行仿真分析與試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，離合器鋼片溫度仿真值與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，鋼片溫度和應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速差減小而減?。煌ㄟ^(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，換擋沖擊和滑摩功減少，控制策略優(yōu)化了換擋滑摩品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：雙離合器式自動(dòng)變速器；滑摩品質(zhì)；聯(lián)合控制策略；熱負(fù)荷

中圖分類號(hào)：U463.212文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.02

Abstract：In order to improve the shift quality of the dual clutch transmission （DCT）， an engine clutch joint control strategy was proposed. A dynamic model of a powertrain system was built and simulated， and the experimental analysis of factors influencing the slipping quality was carried out. The simulation results show a good agreement with the measured data. Both temperature and stress decline with the decrease of speed difference. Shifting shock and the work done by friction are reduced significantly through the engine speed control. Furthermore， the proposed control strategy can optimize the slipping quality.

Keywords：dual clutch transmission； slipping quality； combined control strategy； thermal load

安裝DCT的車輛具有良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，滿足了大批消費(fèi)者的要求，因此，近年來(lái)DCT的市場(chǎng)占有率增長(zhǎng)很快。目前DCT仍存在關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題亟待解決，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。牛銘奎、顧強(qiáng)、楊偉斌等[1-3]分析了結(jié)合離合器和分離離合器的油壓變化對(duì)滑摩過(guò)程品質(zhì)的影響。GOETZ等[4]將動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行集成控制來(lái)提高滑摩品質(zhì)。 WALKER等[5-6]通過(guò)建立15自由度的整車動(dòng)力學(xué)模型，分析發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪等對(duì)DCT結(jié)合過(guò)程的影響。陸中華等[7]與劉永剛等[8-10]

分別以杜絕反拖發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)象的產(chǎn)生為目標(biāo)，制定DCT的滑摩過(guò)程控制策略。目前，很多學(xué)者針對(duì)離合器的結(jié)合速度以及結(jié)合量進(jìn)行了大量的研究，綜合控制策略應(yīng)用于民用車，大功率車輛很少考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制[11]。

本文以裝有DCT的重型車輛為研究對(duì)象，以升擋過(guò)程為例，建立傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)對(duì)升擋過(guò)程的分析，制定發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器聯(lián)合控制策略，以此改善滑摩品質(zhì)。最后對(duì)滑摩品質(zhì)的影響因素進(jìn)行仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 升擋過(guò)程分析及傳動(dòng)系統(tǒng)模型建立

1.1 升擋過(guò)程分析

DCT的換擋過(guò)程是對(duì)兩個(gè)離合器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力切換的過(guò)程。換擋模型簡(jiǎn)圖如圖1所示，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，TR為行駛阻力等效至變速器輸出軸上的阻力矩，ω1為離合器CL被動(dòng)端轉(zhuǎn)速，ω2為離合器CH被動(dòng)端轉(zhuǎn)速，ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，ωo為變速器輸出軸轉(zhuǎn)速，Ie為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪和曲軸系統(tǒng)等的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，IR為車體以及變速器及傳動(dòng)部件等效到輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，i1為低擋傳動(dòng)比，i2為高擋傳動(dòng)比。

根據(jù)升擋過(guò)程雙離合器的工作狀態(tài)，升擋過(guò)程有兩個(gè)重要階段，分別是轉(zhuǎn)矩相和慣性相[12]，如圖2所示。整個(gè)換擋過(guò)程以轉(zhuǎn)矩相（t1～t2）開(kāi)始，由于CH離合器的控制油壓逐漸增大，使CH離合器滑摩，同時(shí)CL離合器的控制油壓逐漸減小，但仍保持接合狀態(tài)，該階段使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩重新分配，由CL離合器轉(zhuǎn)到CH離合器。當(dāng)CL離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩降為0時(shí)，由轉(zhuǎn)矩相進(jìn)入慣性相（t2～t3），慣性相將實(shí)現(xiàn)離合器主被動(dòng)端轉(zhuǎn)速同步，該階段離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩基本不變，此時(shí)需要適當(dāng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使CH離合器主被動(dòng)端的轉(zhuǎn)速盡快同步，以減少滑摩功。當(dāng)CH離合器主從盤完全接合后，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使其滿足駕駛員意圖進(jìn)而完成換擋過(guò)程。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)模型的建立

1.2.1 低擋運(yùn)行相

1.2.2 轉(zhuǎn)矩相

1.2.3 慣性相

在慣性相階段，離合器CL完全分離而不傳遞轉(zhuǎn)矩，離合器CH的油壓繼續(xù)增大使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力依靠離合器CH的滑摩傳遞。當(dāng)離合器CH的主從動(dòng)端轉(zhuǎn)速同步時(shí)，所傳遞的轉(zhuǎn)矩由摩擦轉(zhuǎn)矩變?yōu)閼T性轉(zhuǎn)矩，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，因此CH的油壓增加到一定值后保持不變。

1.2.4 高擋運(yùn)行

當(dāng)離合器CH充分結(jié)合后，處于高擋狀態(tài)，。為保證車輛的動(dòng)力性需存在一定的后備功率，此時(shí)需要離合器CH的油壓快速增大到系統(tǒng)油壓。至此，升擋過(guò)程結(jié)束。

2 換擋評(píng)價(jià)指標(biāo)及升擋控制策略分析

換擋過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊度可映射為車輛的動(dòng)力性和舒適性，滑摩功可映射為離合器的壽命，因此，可用沖擊度和滑摩功作為品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并且這兩個(gè)指標(biāo)之間相互矛盾[15]?；υ叫?，離合器的溫升越小，壽命越長(zhǎng)，但是會(huì)導(dǎo)致沖擊度變大，影響駕駛員的舒適性。在分析不同換擋階段的特性后，對(duì)換擋評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行衡量，在控制中協(xié)調(diào)解決以獲得良好的換擋品質(zhì)。

2.1 沖擊度

因此，為了減小沖擊度，需保證結(jié)合離合器和分離離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩符合這一比例關(guān)系，由此可確定離合器CH的油壓。為保證此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳輸出性能，減少排放污染并降低噪聲，應(yīng)盡量保證發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，即。

當(dāng)離合器CL的轉(zhuǎn)矩降為0時(shí)進(jìn)入慣性相，為保證換擋平順，假設(shè)換擋過(guò)程結(jié)束后車速不改變，由于傳動(dòng)比的改變，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速必然改變。在慣性相開(kāi)始時(shí)，離合器主被動(dòng)端的速差較大，通過(guò)減小發(fā)動(dòng)機(jī)油門和增加離合器壓力完成CH的結(jié)合，會(huì)使輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)量減小，同時(shí)縮短同步時(shí)間。

3 滑摩品質(zhì)的影響因素分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)滑摩過(guò)程的影響

根據(jù)建立的換擋過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，以及為保證換擋品質(zhì)進(jìn)行的策略分析，在Matlab/Simulink軟件平臺(tái)中進(jìn)行仿真分析。仿真計(jì)算的離合器相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

在離合器滑摩過(guò)程中，由實(shí)際傳動(dòng)比和目標(biāo)傳動(dòng)比的差值作為輸入量，離合器的油壓作為輸出量，通過(guò)PID控制算法實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的跟隨。在升擋過(guò)程中，一種方法是保持油門開(kāi)度恒定，不干預(yù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；另一種方法是對(duì)油門進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)，先降低到適當(dāng)?shù)闹?，換擋完成后再恢復(fù)到原來(lái)的值。

圖4顯示了這兩種方法的仿真結(jié)果。圖4a表示升擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)油門變化。圖4b表示離合器輸出轉(zhuǎn)矩，在升擋過(guò)程中通過(guò)油門開(kāi)度的調(diào)節(jié)，使離合器輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)量減小，沖擊度也隨之減小。圖4c表示恒油門開(kāi)度和變油門開(kāi)度下接合離合器的輸入端轉(zhuǎn)速變化，由圖可知，發(fā)動(dòng)機(jī)參與調(diào)節(jié)的離合器主動(dòng)端轉(zhuǎn)速ωe會(huì)快速下降，從而較快達(dá)到同步，換擋時(shí)間縮短。圖4d表示滑摩功隨時(shí)間的變化曲線，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)油門的調(diào)節(jié)，使結(jié)合離合器的滑摩功大幅減小。

3.2 轉(zhuǎn)速差對(duì)離合器滑摩過(guò)程的影響

重型車輛的噸位較大，如果不能合理控制轉(zhuǎn)速差，離合器短時(shí)間的滑摩將會(huì)產(chǎn)生大量的滑摩熱量，造成盤面溫升快并產(chǎn)生較大的應(yīng)力梯度，縮短離合器的壽命。因此需要分析轉(zhuǎn)速差對(duì)于離合器熱負(fù)荷的影響。表2列出了三種轉(zhuǎn)速差方案的初始轉(zhuǎn)速，其中ωi（0）表示離合器主動(dòng)端初始轉(zhuǎn)速，ωR（0）表示離合器被動(dòng)端初始轉(zhuǎn)速。

利用Matlab/Simulink軟件平臺(tái)建立上述簡(jiǎn)化的離合器接合模型，分別仿真分析三種方案下離合器滑摩過(guò)程中主、被動(dòng)端轉(zhuǎn)速差變化曲線，如圖5所示。

三種方案下對(duì)偶鋼片盤面溫度和應(yīng)力的變化如圖6所示。圖6a為在滑摩過(guò)程中，盤面某節(jié)點(diǎn)處溫度隨時(shí)間的變化曲線，圖6b為盤面某節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線。從變化規(guī)律可以明顯看出，隨著轉(zhuǎn)速差的增大，滑摩時(shí)間越長(zhǎng)，盤面上溫度和應(yīng)力值也越大。因此，在工程實(shí)際中應(yīng)設(shè)法減小轉(zhuǎn)速差。

4 試驗(yàn)研究

離合器滑摩過(guò)程的試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)量離合器摩擦副結(jié)合過(guò)程的溫升變化規(guī)律，搭建的試驗(yàn)臺(tái)架如圖7所示。

在離合器摩擦接觸面徑向布置4個(gè)節(jié)點(diǎn)，在整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間一直增大，越靠近內(nèi)徑溫升越明顯，因?yàn)橄到y(tǒng)的熱彈性變形，摩擦副內(nèi)環(huán)的接觸條件要好于外環(huán)且內(nèi)環(huán)散熱條件差。為了說(shuō)明3.2節(jié)仿真所采用的方法的合理性，同時(shí)保證試驗(yàn)結(jié)果的直觀性，仿真所采用的邊界條件和此次試驗(yàn)的不同。這里運(yùn)用3.2節(jié)的仿真分析方法，按照實(shí)際試驗(yàn)提供的邊界條件，所得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，圖中曲線由下到上代表方案1、2、3，分別表示離合器主被動(dòng)端的初始轉(zhuǎn)速差為100 r/min，200 r/min，300 r/min。仿真得到的溫度曲線變化規(guī)律和試驗(yàn)得到的曲線變化規(guī)律相似，其中仿真結(jié)果的幅值比實(shí)際結(jié)果的幅值大，主要是因?yàn)殡x合器潤(rùn)滑系統(tǒng)的散熱作用是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，潤(rùn)滑油的流量以及對(duì)流換熱系數(shù)均會(huì)影響溫升幅值。

5 結(jié)論

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)會(huì)影響離合器的滑摩過(guò)程。在升擋過(guò)程中，當(dāng)分離離合器開(kāi)始滑摩后，把發(fā)動(dòng)機(jī)油門開(kāi)度適當(dāng)降低到一定值，換擋完成后再恢復(fù)到原來(lái)的值。仿真結(jié)果顯示發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速控制策略可以縮短滑摩時(shí)間，減小結(jié)合離合器的滑摩功，并且可有效減小離合器輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)量，減小傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊度。

（2）離合器主被動(dòng)端的轉(zhuǎn)速差會(huì)影響盤面溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布，轉(zhuǎn)速差越大，盤面上溫度最高節(jié)點(diǎn)處的溫度值越高，且應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力值越大。因此，在實(shí)際操作中，應(yīng)盡量使離合器在較小的初始轉(zhuǎn)速下接合。

參考文獻(xiàn)（References）：

牛銘奎，程秀生，高炳釗，等. 雙離合器式自動(dòng)變速器換擋特性研究[J]. 汽車工程，2004，26（4）：453-457.

NIU Mingkui，CHENG Xiusheng，GAO Bingzhao，et al. A Study on Shifting Characteristics of Dual Clutch Transmission [J]. Automotive Engineering，2004， 26（4）：453-457.（in Chinese）

顧強(qiáng). 兩擋雙離合器自動(dòng)變速器的純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)， 2012.

GU Qiang. Research on Integrated Powertrain Control Technology of Pure Electric Vehicle with Two Gears Dual Clutch Transmission [D]. Changchun： Jilin University， 2012. （in Chinese）

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.

YANG Weibin，WU Guangqiang，QIN Datong. Drive Line System Modeling and Shift Characteristic of Dual Clutch Transmission Powertrain [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，43（7）：188-194. （in Chinese）

GOETZ M，LEVESLEY M C，CROLLA D A，等. 雙離合器變速箱換擋動(dòng)力學(xué)和控制[J]. 傳動(dòng)技術(shù)，2006， 20（3）：37-48.

GOETZ M，LEVESLEY M C，CROLLA D A，et al. Dynamics and Control of Gearshifts on Twin-Clutch Transmission [J]. Drive System Technique，2006， 20（3）：37-48. （in Chinese）

FANG Y，ZHANG N，WALKER P D. Harpoon-Shift a New Conception to Implement Gearshift in Transmission [C]// 2015中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集（Volume1）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：383-386.

FANG Yuhong，ZHANG N，WALKER P D. Harpoon-

shift a New Conception to Implement Gearshift in Trans-mission [C]// 2015 SAECCE（Volume1），Beijing：China Machine Press，2015：383-386. （in Chinese）

WALKER P D，ZHANG Nong. Modelling of Dual Clutch Transmission Equipped Powertrains for Shifttransient Simulations [J]. Mechanism and Machine Theory，2013，60（1）：47–59.

陸中華，程秀生，馮巍. 濕式雙離合器自動(dòng)變速器的升擋控制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（5）：132-136.

LU Zhonghua，CHENG Xiusheng，F(xiàn)ENG Wei. Up-shift control in wet double clutch transmission [J].Transac-tions of the CSAE，2010，26（5）：132-136. （in Chinese）

劉永剛， 秦大同， 彭志遠(yuǎn)，等. DCT擋位決策控制系統(tǒng)智能化研究[J]. 汽車技術(shù)，2012（5）：32-37.

LIU Yonggang，QIN Datong，PENG Zhiyuan，et al.

Research on Intelligent Control System of Gear Decision

for Dual Clutch Transmissions [J]. Automobile Tech-nology，2012（5）：32-37. （in Chinese）

LIU Yonggang，QIN Datong，JIANG Hong，et al. Shift Control Strategy and Experimental Validation for Dry Dualclutch Transmissions [J]. Mechanism and Machine Theory，2014，75：41-53.

劉永剛. 轎車雙離合器自動(dòng)變速系統(tǒng)綜合匹配控制研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2010.

LIU Yonggang. Study on Integrated Control of Passenger Vehicles Equipped with Dual Clutch Transmissions [D]. Chongqing：Chongqing University，2010. （in Chinese）

吳光強(qiáng)，楊偉斌，秦大同. 雙離合器式自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（2）： 13-21.

WU Guangqiang，YANG Weibin，QIN Datong. Key Technique of Dual Clutch Transmission Control System [J]. Journal of Mechanical Engineering，2007，43（2）：13-21. （in Chinese）

趙治國(guó)，王琪，陳海軍，等. 干式DCT換擋模糊時(shí)間決策及轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013， 49（12）：92-108.

ZHAO Zhiguo，WANG Qi，CHEN Haijun，et al. Fuzzy Time Decision and Model-based Torque Coordinating Control of Shifting Process for Dry Dual Clutch Trans-mission [J]. Journal of Mechanical Engineering，2013，49（12）：92-108. （in Chinese）

Abaqus Analysis User's Manual Version 6.7 [Z]. Abaqus Inc，2007.

孫冬野，洪進(jìn)，秦大同，等. 濕式雙離合器換擋匹配與控制仿真研究[J]. 世界科技研究與發(fā)展，2013，35（1）：

8-12.

SUN Dongye，HONG Jin，QIN Datong，et al. Simulation of Shift Match and Control for Wet Dual Clutch Trans-mission[J]. World Sci-Tech R & D，2013，35（1）：8-12. （in Chinese）

劉璽. 濕式雙離合器自動(dòng)變速器換擋過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

LIU Xi. Study on Key Technologies during the Shifting Process of Wet Dual Cluth Transmission[D]. Changchun： Jilin University， 2011. （in Chinese）

王印束. 基于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)一體化的雙離合器自動(dòng)變速器控制技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)， 2012.

WANG Yinshu. Study on The Dual Clutch Transmission Based on Integrated Powertrain Control [D]. Changchun： Jilin University，2012. （in Chinese）

馬彪，關(guān)萬(wàn)俊，陳漫，等. 聯(lián)合油壓控制的DCT升擋控制策略研究[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，38（4）：24-30.

MA Biao，GUAN Wanjun，CHEN Man，et al. Study on DCT up-shift control strategy with united control [J]. Journal of Chongqing University，2015， 38（4）：24-30. （in Chinese）