苏ICP备112451047180号-6
双离合器变速器换档动力学及其控制
摘要
双离合器自动变速器（DCT）的换档由于离合器的滑磨控制，从而实现一个无动力中断的换挡过程。两个离合器的接合和分离时间是实现无发动机动力中断的平顺换档和离合器配合的关键。本文提出了一种用于装载了DCT的汽车换档动力学的模拟、分析和控制的分析模型。在Matlab/Simulink环境中已经开发了一个完整汽车的动态模型和控制逻辑的仿真平台。该模型用于研究不同的离合器压力分布的输出转矩变化。基于该仿真模型，最优的离合器压力分布曲线可以得到最佳的换档品质。作为算例，该模型用于模拟一个DCT的汽车油门全开时的过程。汽车起步和换档过程是评价换档品质和验证的换档控制有效性的标准。
关键词：双离合变速器；自动变速器
1、绪论
提高乘坐舒适度和燃油经济性已经成为近年来汽车行业的发展方向。作为传动机构，变速器在汽车的性能和燃油经济性上发挥重要作用。目前存在几种不同类型的变速器供汽车使用，并提供不同的性能 [1]。其中，手动变速器的传动效率高达96.2%，是所有变速器中传动效率最高的。目前的自动变速器传动效率已经有所提高，但仍不高于86.3%。尽管带式无级变速器的主要优点是它允许发动机工作在经济油耗区, 但是无级变速器总的传动效率也只有84.6% [2]。电控式机械式自动变速器具有手动变速箱的效率，并提供类似于传统自动变速箱的工作方式。目前存在两种变速箱自动换档技术。一种是在使用单个离合器在手动变速器基本上添加一个控制单元以完成离合器自动分离和换档操作。在这个设计中，由于在换档过程中离合器分离使发动机输出中断，在这一过程中，存在着一个动力中断。这种动力中断导致乘客因汽车加速度的不连续性而抖动，而这与传统液力机械式变速器之间存在着巨大的差异。另外一种设计则是用一个双离合器系统连接发动机与变速器，以此克服单离合器的缺点 [3]。通过离合器滑摩控制，在换档时两个离合器各自输出不同的速度和动力直到换档结束。一个换档过程包括接合离合器的接合和分离离合器的分离。这种独特的由一个离合器到另一个离合器的换档特点使得它的换档平顺性与传统的液力机械式变速器相似。
使用分析模型用于预测和评价新的传动系统是汽车行业的共同做法。大量研究工作致力于汽车传动机构的建模和控制，如传统的液力机械式自动变速器[4-6]，无级变速器[7,8]，以及混合系统[9-12]。目前已制定各种方法和编程技术用于研究的汽车传动系统动力学的建模和模拟传输控制的执行。通常情况下，运动方程首先分别在各组件上推导运算，然后再集成到整个汽车系统。集成的系统模型要么在一般开发环境中执行，要么在面向对象的编程环境中执行。与传统的液力机械式自动变速箱的成熟工艺相比，双离合器变速器的建模和控制技术仍然是一个比较新的领域，并与DCT的设计和控制相关技术一同处于发展的初级阶段。
本文介绍的是一种用于DCT的汽车起步和换档过程的模拟、分析和控制的分析模型。主要研究工作是建立一个汽车换档过程的动力学模型，并建立一个根据离合器压力曲线为输入信号的仿真工具以分析和优化汽车的换档控制，应用Matlab / Simulink仿真平台开发整车动力模型的动态模型和控制策略。仿真模型用于研究的离合器压力曲线变化时的不同输出转矩响应。基于仿真模型，最佳离合器压力曲线可以得到最佳的换档品质。作为算例，该模型是用于模拟双离合器变速箱汽车油门全开时的表现，模拟汽车起步和换档过程以评估换档质量和验证的变速器控制策略的有效性。
2、DCT的结构与模型描述
双离合器变速箱示意图如图1所示。该变速器拥有6个前进档和一个倒档。其输入轴被设计为一个空心轴套在实心轴外面的套筒轴，其中偶数档和倒档布置在实心轴上，而奇数档则布置在空心轴。所有奇数档位的输入轴与离合器1（CL1）连接，而所有偶数档位的输入轴与离合器2（CL2的）连接。同步器的放置位置类似于传统的手动变速箱，安装在两个齿轮之间。在某一特定的档位，离合器和同步器分别被锁定，发动机功率通过该离合器和同步器输出到输出轴。另一个离合器则处于分离状态，其他档位上的齿轮则处于自由转动的状态。换档时分离离合器慢慢分离，同时接合离合器进行接合。正是DCT的这种功能，使得在换档过程中不出现动力中断。
将传动系统建模为一个多自由度的集成系统，其中每个元素是一个质量集中点模型，如图2所示。假设发动机为一个刚性体，以节气门开度作为输入，输出曲轴的转矩。动力传动系统由双离合器、输出轴齿轮组、驱动轴、差速器以及考虑了工作载荷及空气阻力的汽车等元件模型组成，并认为所有齿轮和同步器均为刚性体。输入轴和输出轴假设为柔性体，并受扭转减震器组件的影响。离合器和同步器建模为以液压为控制信号的摩擦元件。该模型的输出是轮轴的转矩和汽车的速度。两个离合器的相对角速度决定了变速箱的控制决策。对模型做以下假设：
图1 双离合器自动变速器结构示意图
图2 双离合器自动变速器动力学模型
•发动机输出转矩由油门开度和发动机的转速使用插值法确定。
•齿轮为刚性元件。
•所有的机械损失被视为汽车阻力的一部分。
•不考虑由于液压助力系统引起的延迟。
•离合器建模为干摩擦元件。
•忽略温度对动力传动系统的影响。
5. 换档控制策略
上述所得到的运动方程组都是在Simulink仿真模型中推导得到的。每一个方程均可认为是一个矩阵的基础并可以通过已知值得到方程的解。在有外部输入时用来计算出未知量，并在某些情况下，当后面的输出结果为驱动程序的输入时，代数循环将会成立。可以设置换档策略为一系列精准描述升档或降档和换档持续时间的相互依赖的事件的逻辑组合。图3所示为DCT模型控制逻辑框图。换档控制器接受来自油门开度、当前车速、当前档位、离合器程序表和发动机转速等传感器的输入。基于这些输入信号，控制器做出升档、降档或保持当前档位的决定。本文所用的换档时刻表如图4所示。在每一个仿真步骤中，阈值变化在六个档位上都呈曲线变化，一档升二档、二档降一档、二档升三档、三档降二档直到五档升六档和六档降五档都是根据节气门开度计算出来的。要执行双离合器操作的换档逻辑，需要处理以下3个条件：
1.检测换档开始时间；
2.制定具体离合器的接合与分离的比速率‘
3.确定换档完成。
在Stateflow/Simulink中建立换档连续动力学模型。脉冲信号发生器是Stateflow的一个子程序，每产生一个脉冲信号都可以将齿轮状态改变到一个新的状态。为了确定换档的结束，需要监控正在接合的离合器主从动盘的相对角速度。由于这个离合器在换档开始之前是分离的，所以该离合器与发动机之间存在一个速度差。当离合器完全接合，离合器两边的转速相同既离合器主从动盘相对角速度为0。在本文中，为每个离合器分别建立了包括离合器的升档压力曲线和降档压力曲线检测表以让即将接合和分离的离合器来执行。设计一个计数器使它在检测到换档脉冲时为离合器压力检测表产生输入斜坡曲线。计数器总是比较正在接合的离合器主从动盘的相对角速度并产生一个锁止信号直到相对角速度变为0。根据离合器接合比例产生一个函数计算相对角速度何时为0。对于快速换档，该比例曲线会比一个缓慢换档陡峭。除了离合器压力曲线反相之外，变速器会以相同的方式降档，包括即将接合与分离的离合器。
结束语
本文主要研究了双中间轴式双离合自动变速器换档过程的动态特性。在Matlab/Simulink软件平台上建立了包含发动机、变速器以及汽车运行环境的仿真模型，主要目的是建立一个完整的发动机—传动系模型，并对DCT的起步、升档以及降档过程进行仿真。本文还对离合器同步时间、离合器压力控制信号的重要性进行了分析，并讲解了仿真模型的运用。为了理解同步时间的影响，本文建立了三种不用的离合器压力曲线模型，并分别对相应的三种输出转矩进行研究。根据仿真结果对离合器压力不断进行修正，优化离合器控制，使汽车能够平稳起步和换档。可以得出结论，运用本文的模型，可以有效且详细的分析DCT换档特点。
参考文献
[1] G. Lechner, H. Naunheimer, Automotive Transmissions: Fundamentals, Selection, Design and Application, Springer, Berlin, New York, 1999.
[2] M.A. Kluger, Denis M. Long, An Overview of Current Automatic, Manual and Continuously Variable Transmission Efficiencies and Their Projected Future Improve -ments, SAE paper 1999-01-1259, 1999.
[3] W. Grobpietsch, T. Sudau, Dual Clutch for Power-Shift Transmissions – A Traditional Engaging Element with New Future, VDI-Berichte Nr. 1565, 2000, pp. 259–273.
[4] D.H. Kim, K.J. Yang, K.S. Hong, J.O. Hahn, K.I. Lee, Smooth shift control of automatic transmissions using a Robust adaptive scheme with intelligent supervision, International Journal of Vehicle Design 32 (3/4) (2003) 250–272.
[5] Y. Zhang, Z. Zou, X. Chen, X. Zhang, W. Tobler, Simulation and analysis of transmission shift dynamics, International Journal of Vehicle Design 32 (3/4) (2003) 273–289.
[6] T.W.Megli,M. Haghgooie, D.S. Colbin, Shift Characteristics of A 4-Speed Automatic Transmission, SAE paper 1999-01-1060, 1999.
[7] Z. Zou, Y. Zhang, X. Zhang, W. Tobler, Modeling and simulation of traction drive dynamics and control, Journal of Mechanical Design, ASME Transaction 123 (4) (2001) 556–561.
[8] M. Yasuoka,M. Uchida, S. Katakuta, T. Yoshino, An Integrated control Algorithm for an SI Engine and CVT, SAE paper 1999-01-0752, 1999.
[9] M. Goetz, M.C. Levesley, D.A. Corolla, Integrated Powertrain Control of Gearshifts on Twin Clutch Transmissions, SAE paper 2004-01-1637, 2004.
[10] L.W. Tsai, G. Schultz, N. Higuchi, A novel parallel hybrid transmission, Journal of Mechanical Design, ASME Transaction 123 (2)(2001) 161–168.
[11] K.L. Butler, M. Ehsani, P. Kamath, A Matlab-based modeling and simulation package for electric and hybrid electric vehicle design, IEEE Transactions on Vehicular Technology 48 (6) (1999) 1770–1778.
[12] B.K. Powell, K.E. Bailey, S.R. Cikanek, Dynamic modeling and control of hybrid electric vehicle powertrain systems, IEEE Control Systems Magazines 18 (5) (1998) 17–33.
摘要
双离合器自动变速器（DCT）的换档由于离合器的滑磨控制，从而实现一个无动力中断的换挡过程。两个离合器的接合和分离时间是实现无发动机动力中断的平顺换档和离合器配合的关键。本文提出了一种用于装载了DCT的汽车换档动力学的模拟、分析和控制的分析模型。在Matlab/Simulink环境中已经开发了一个完整汽车的动态模型和控制逻辑的仿真平台。该模型用于研究不同的离合器压力分布的输出转矩变化。基于该仿真模型，最优的离合器压力分布曲线可以得到最佳的换档品质。作为算例，该模型用于模拟一个DCT的汽车油门全开时的过程。汽车起步和换档过程是评价换档品质和验证的换档控制有效性的标准。
关键词：双离合变速器；自动变速器
1、绪论
提高乘坐舒适度和燃油经济性已经成为近年来汽车行业的发展方向。作为传动机构，变速器在汽车的性能和燃油经济性上发挥重要作用。目前存在几种不同类型的变速器供汽车使用，并提供不同的性能 [1]。其中，手动变速器的传动效率高达96.2%，是所有变速器中传动效率最高的。目前的自动变速器传动效率已经有所提高，但仍不高于86.3%。尽管带式无级变速器的主要优点是它允许发动机工作在经济油耗区, 但是无级变速器总的传动效率也只有84.6% [2]。电控式机械式自动变速器具有手动变速箱的效率，并提供类似于传统自动变速箱的工作方式。目前存在两种变速箱自动换档技术。一种是在使用单个离合器在手动变速器基本上添加一个控制单元以完成离合器自动分离和换档操作。在这个设计中，由于在换档过程中离合器分离使发动机输出中断，在这一过程中，存在着一个动力中断。这种动力中断导致乘客因汽车加速度的不连续性而抖动，而这与传统液力机械式变速器之间存在着巨大的差异。另外一种设计则是用一个双离合器系统连接发动机与变速器，以此克服单离合器的缺点 [3]。通过离合器滑摩控制，在换档时两个离合器各自输出不同的速度和动力直到换档结束。一个换档过程包括接合离合器的接合和分离离合器的分离。这种独特的由一个离合器到另一个离合器的换档特点使得它的换档平顺性与传统的液力机械式变速器相似。
使用分析模型用于预测和评价新的传动系统是汽车行业的共同做法。大量研究工作致力于汽车传动机构的建模和控制，如传统的液力机械式自动变速器[4-6]，无级变速器[7,8]，以及混合系统[9-12]。目前已制定各种方法和编程技术用于研究的汽车传动系统动力学的建模和模拟传输控制的执行。通常情况下，运动方程首先分别在各组件上推导运算，然后再集成到整个汽车系统。集成的系统模型要么在一般开发环境中执行，要么在面向对象的编程环境中执行。与传统的液力机械式自动变速箱的成熟工艺相比，双离合器变速器的建模和控制技术仍然是一个比较新的领域，并与DCT的设计和控制相关技术一同处于发展的初级阶段。
本文介绍的是一种用于DCT的汽车起步和换档过程的模拟、分析和控制的分析模型。主要研究工作是建立一个汽车换档过程的动力学模型，并建立一个根据离合器压力曲线为输入信号的仿真工具以分析和优化汽车的换档控制，应用Matlab / Simulink仿真平台开发整车动力模型的动态模型和控制策略。仿真模型用于研究的离合器压力曲线变化时的不同输出转矩响应。基于仿真模型，最佳离合器压力曲线可以得到最佳的换档品质。作为算例，该模型是用于模拟双离合器变速箱汽车油门全开时的表现，模拟汽车起步和换档过程以评估换档质量和验证的变速器控制策略的有效性。
2、DCT的结构与模型描述
双离合器变速箱示意图如图1所示。该变速器拥有6个前进档和一个倒档。其输入轴被设计为一个空心轴套在实心轴外面的套筒轴，其中偶数档和倒档布置在实心轴上，而奇数档则布置在空心轴。所有奇数档位的输入轴与离合器1（CL1）连接，而所有偶数档位的输入轴与离合器2（CL2的）连接。同步器的放置位置类似于传统的手动变速箱，安装在两个齿轮之间。在某一特定的档位，离合器和同步器分别被锁定，发动机功率通过该离合器和同步器输出到输出轴。另一个离合器则处于分离状态，其他档位上的齿轮则处于自由转动的状态。换档时分离离合器慢慢分离，同时接合离合器进行接合。正是DCT的这种功能，使得在换档过程中不出现动力中断。
将传动系统建模为一个多自由度的集成系统，其中每个元素是一个质量集中点模型，如图2所示。假设发动机为一个刚性体，以节气门开度作为输入，输出曲轴的转矩。动力传动系统由双离合器、输出轴齿轮组、驱动轴、差速器以及考虑了工作载荷及空气阻力的汽车等元件模型组成，并认为所有齿轮和同步器均为刚性体。输入轴和输出轴假设为柔性体，并受扭转减震器组件的影响。离合器和同步器建模为以液压为控制信号的摩擦元件。该模型的输出是轮轴的转矩和汽车的速度。两个离合器的相对角速度决定了变速箱的控制决策。对模型做以下假设：
图1 双离合器自动变速器结构示意图
图2 双离合器自动变速器动力学模型
•发动机输出转矩由油门开度和发动机的转速使用插值法确定。
•齿轮为刚性元件。
•所有的机械损失被视为汽车阻力的一部分。
•不考虑由于液压助力系统引起的延迟。
•离合器建模为干摩擦元件。
•忽略温度对动力传动系统的影响。
5. 换档控制策略
上述所得到的运动方程组都是在Simulink仿真模型中推导得到的。每一个方程均可认为是一个矩阵的基础并可以通过已知值得到方程的解。在有外部输入时用来计算出未知量，并在某些情况下，当后面的输出结果为驱动程序的输入时，代数循环将会成立。可以设置换档策略为一系列精准描述升档或降档和换档持续时间的相互依赖的事件的逻辑组合。图3所示为DCT模型控制逻辑框图。换档控制器接受来自油门开度、当前车速、当前档位、离合器程序表和发动机转速等传感器的输入。基于这些输入信号，控制器做出升档、降档或保持当前档位的决定。本文所用的换档时刻表如图4所示。在每一个仿真步骤中，阈值变化在六个档位上都呈曲线变化，一档升二档、二档降一档、二档升三档、三档降二档直到五档升六档和六档降五档都是根据节气门开度计算出来的。要执行双离合器操作的换档逻辑，需要处理以下3个条件：
1.检测换档开始时间；
2.制定具体离合器的接合与分离的比速率‘
3.确定换档完成。
在Stateflow/Simulink中建立换档连续动力学模型。脉冲信号发生器是Stateflow的一个子程序，每产生一个脉冲信号都可以将齿轮状态改变到一个新的状态。为了确定换档的结束，需要监控正在接合的离合器主从动盘的相对角速度。由于这个离合器在换档开始之前是分离的，所以该离合器与发动机之间存在一个速度差。当离合器完全接合，离合器两边的转速相同既离合器主从动盘相对角速度为0。在本文中，为每个离合器分别建立了包括离合器的升档压力曲线和降档压力曲线检测表以让即将接合和分离的离合器来执行。设计一个计数器使它在检测到换档脉冲时为离合器压力检测表产生输入斜坡曲线。计数器总是比较正在接合的离合器主从动盘的相对角速度并产生一个锁止信号直到相对角速度变为0。根据离合器接合比例产生一个函数计算相对角速度何时为0。对于快速换档，该比例曲线会比一个缓慢换档陡峭。除了离合器压力曲线反相之外，变速器会以相同的方式降档，包括即将接合与分离的离合器。
结束语
本文主要研究了双中间轴式双离合自动变速器换档过程的动态特性。在Matlab/Simulink软件平台上建立了包含发动机、变速器以及汽车运行环境的仿真模型，主要目的是建立一个完整的发动机—传动系模型，并对DCT的起步、升档以及降档过程进行仿真。本文还对离合器同步时间、离合器压力控制信号的重要性进行了分析，并讲解了仿真模型的运用。为了理解同步时间的影响，本文建立了三种不用的离合器压力曲线模型，并分别对相应的三种输出转矩进行研究。根据仿真结果对离合器压力不断进行修正，优化离合器控制，使汽车能够平稳起步和换档。可以得出结论，运用本文的模型，可以有效且详细的分析DCT换档特点。
参考文献
[1] G. Lechner, H. Naunheimer, Automotive Transmissions: Fundamentals, Selection, Design and Application, Springer, Berlin, New York, 1999.
[2] M.A. Kluger, Denis M. Long, An Overview of Current Automatic, Manual and Continuously Variable Transmission Efficiencies and Their Projected Future Improve -ments, SAE paper 1999-01-1259, 1999.
[3] W. Grobpietsch, T. Sudau, Dual Clutch for Power-Shift Transmissions – A Traditional Engaging Element with New Future, VDI-Berichte Nr. 1565, 2000, pp. 259–273.
[4] D.H. Kim, K.J. Yang, K.S. Hong, J.O. Hahn, K.I. Lee, Smooth shift control of automatic transmissions using a Robust adaptive scheme with intelligent supervision, International Journal of Vehicle Design 32 (3/4) (2003) 250–272.
[5] Y. Zhang, Z. Zou, X. Chen, X. Zhang, W. Tobler, Simulation and analysis of transmission shift dynamics, International Journal of Vehicle Design 32 (3/4) (2003) 273–289.
[6] T.W.Megli,M. Haghgooie, D.S. Colbin, Shift Characteristics of A 4-Speed Automatic Transmission, SAE paper 1999-01-1060, 1999.
[7] Z. Zou, Y. Zhang, X. Zhang, W. Tobler, Modeling and simulation of traction drive dynamics and control, Journal of Mechanical Design, ASME Transaction 123 (4) (2001) 556–561.
[8] M. Yasuoka,M. Uchida, S. Katakuta, T. Yoshino, An Integrated control Algorithm for an SI Engine and CVT, SAE paper 1999-01-0752, 1999.
[9] M. Goetz, M.C. Levesley, D.A. Corolla, Integrated Powertrain Control of Gearshifts on Twin Clutch Transmissions, SAE paper 2004-01-1637, 2004.
[10] L.W. Tsai, G. Schultz, N. Higuchi, A novel parallel hybrid transmission, Journal of Mechanical Design, ASME Transaction 123 (2)(2001) 161–168.
[11] K.L. Butler, M. Ehsani, P. Kamath, A Matlab-based modeling and simulation package for electric and hybrid electric vehicle design, IEEE Transactions on Vehicular Technology 48 (6) (1999) 1770–1778.
[12] B.K. Powell, K.E. Bailey, S.R. Cikanek, Dynamic modeling and control of hybrid electric vehicle powertrain systems, IEEE Control Systems Magazines 18 (5) (1998) 17–33.