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1、双离合变速器换挡动力学及控制系统分析Manish Kulkarni, Taehyun Shim, Yi Zhang密歇根州迪尔伯恩大学，机械工程系，美国 迪尔伯恩 48128摘要：双离合变速器（DCT）的换挡是通过由一个离合器向另一个离合器在没有摩擦干扰的情况下传递力矩来实现的，而力矩的传递是由于控制了离合器的滑移。两个离合器接合和分离的时机是实现一个稳定流畅的换挡动作的决定性因素，并且在换挡时没有动力中断和离合器空闲时间同样十分重要。这篇文章介绍了装有双离合自动变速器（DCT）汽车的换挡动力学模拟，分析和控制的分析实例。而整车的动态模型和逻辑控制是采用Matlab/Simulink作为模拟平
2、台。这个模型被用于研究在换挡过程中不同离合器的压力状况而引起的输出转矩变化情况。通过模型模拟，可以研究出对于最优换挡品质的化离合器最优压力状况。作为一个数据案例，这个模型被应用于一辆装有双离合器自动变速器的汽车上来模拟在开放性工作情况下的状态。汽车的起动和换挡过程都在试验中被模拟，由此来评估变速箱的换挡品质和证实换挡控制的有效性。关键词：双离合器动变速器；自动变速器引言近年来在汽车制造业上，提高车辆驾驶的舒适性和燃油效率已经成为了一个必然的趋势。作为重要的传动装置，变速箱在车辆的工作情况和燃油燃耗效率方面起到了一个重要的作用。目前，市场上存在着许多种形式的变速器，并且与变速器相关的技术也为其在
3、装入车辆进行工作时提供了各种最优的工作性能。手动变速器的燃油消耗效率占总体效率的96.2%，它是各种变速器中燃油消耗效率最高的。而工业化生产的自动挡变速器已经被改进为燃耗效率不高于86.3%。CVT无级变速器的燃耗效率占总体效率的84.6%，然而CVT的主要优点是允许发动机在最大燃耗效率下工作。AMT手自一体变速器与手动挡变速器有同样的效率，并且与常规款的自动挡变速器同样操作十分方便。现在对于自动变速器里的传动结构存在着两种在技术上可行的设计。一种是只使用一个离合器，其本质上就是在一个手动挡变速器的基础上增加了控制单元，通过这样实现了离合器工作和换挡的自动操作。在这种设计里，换挡过程中当离合器
4、使齿轮结合和分离时会存在动力中断的现象。这种动力中断的现象会引起车辆在加速过程中加速不够平稳连续，使得乘客在乘坐时会感到有撞击感和顿挫感，这种结构使得变速器并没有传统自动挡变速器的优势和特性。另外一种设计是在发动机和变速器之间使用了一种双离合器系统，这种结构克服了一个离合器这种设计的的缺点。这两个离合器在不同的速度中会轮流工作，并且在换挡过程中，通过控制离合器的结合会使变速器的动力传递十分连贯。换挡过程涉及一个离合器释放和另一个离合器结合的时机问题。这种两种离合器之间转换造成的动力中断现象在传统的自动挡变速器中经常可以看到。在汽车制造业中，使用分析建模的方法来实现动力总成系统的预测和分析是一种
5、常见的方法。许多研究主要集中在汽车变速器的建模和控制部分，比如常规变速器4-6，无级变速器7,8和混合动力系统9-12。而现在已经有很多方法和程序设计技术应用于车辆动力总成的动力学建模，以及模拟变速器控制系统的工作性能方面。比较典型的就是首先在部件水平上分别得到运动公式，然后再集成到整个车辆构件系统中。这个集成系统模型是在一般情况下开发的代码环境下或者在面向对象的程序设计环境下工作的。与常规自动变速器已经成熟的技术相比，双离合器自动变速器的建模和控制仍然是一个全新的领域，并且与DCT设计和控制有关的技术也仍然处在发展的初级阶段。这篇文章介绍了装有双离合自动变速器（DCT）汽车的起步和换挡动作的
6、模拟，分析和控制过程的分析实例。研究工作主要集中在车辆换挡过程中的动力学建模，同时构建一个模拟的工具用于分析和最优化换挡控制过程。其中，换挡的控制过程是用离合器的压力分布作为控制信号的。Matlab/Simulink作为一个模拟平台用作开发动力学模型和整车动力学的逻辑控制。这个仿真模型用于研究在不同离合器压力的情况下造成的输出转矩的变化。基于模型模拟，可以获得离合器的最优化压力分布以达到换挡的最优品质。作为一个数据案例，这个模型被应用于一辆装有双离合器自动变速器的汽车上来模拟在开放性工作情况下的状态。汽车的起动和换挡过程都在试验中被模拟，由此来评估变速箱的换挡品质和证实换挡控制策略的有效性。D
7、CT结构和模型简介图1DCT结构示意图图2DCT动力学模型图双离合自动变速器的结构示意图见图1.这种变速器有六个前进挡和一个倒退档。输入轴被设计为“套筒轴”，也就是在一个空心轴中间有另一个实心轴。在实心轴上安装有二档、四档、六档和倒档的齿轮，而空心轴上装有一档、三档和五档的齿轮。离合器1(CL1)与奇数档相连，离合器2（CL2）偶数档相连。同步器与传统手动挡变速器一样，安装在两档齿轮之间。当到达一个特殊档位的时候，相应的离合器和同步器就会被接合，这样使得动力可以从发动机通过离合器和同步器传到输出轴上。另一个离合器就保持分离状态，其上齿轮空转。当需要改变档位时，原来接合的离合器就平稳的分离，另一
8、个离合器在同一时刻接合。这个就是DCT在换挡过程中能保持扭矩连续输出的原理。动力传动系统被构建为一个多自由度的集成系统，其中每一个元件都是集中质量模型，具体示意图见图2。将发动机看做一个惯量，并且允许油门开度作为输入来在曲轴上产生一个平均转矩。动力传动系统包括双离合器，传动齿轮组，传动轴，以及一个结合道路载荷和气动阻力构建的汽车微分模型。所有的齿轮组和同步器被构建为刚性元素，并且分别代表一个惯量。输入和输出轴被建模为柔性惯量，同时也是扭矩弹簧阻尼器的组成元件。离合器和同步器建模为将液压作为控制信号的操纵摩擦元件。这个仿真模型是将轮轴的扭矩和车速作为输出信号的。两个离合器的相对角速度可以通过控制
9、逻辑检测得到。在模型的开发过程中做出以下假设条件：*发动机的输出扭矩是根据油门开度和从发动机的外特性及万有特性得到的转速来进行插补的。*齿轮间不存在侧隙。*所有的机械损失都被认为是汽车阻力的一部分。*液压传动系统的滞后不被考虑在内。*将离合器看做干摩擦元件。*忽略温度因素对动力传动系统的影响。3构件模型DCT系统包括组成元件水平上的复杂的子系统，比如发动机，离合器，以及汽车道路载荷方面。这些组成元件的设计模型通过以下内容进行接受。3.1 发动机发动机装配的过程通过两个自由度的系统进行建模分析：一部分是活动件的惯性矩，另一部分是发动机和变速箱之间的质量分数决定的惯量。现在将发动机假设为一个平均力
10、矩的发射器，其中并不包括能量的传送。发动机的输出转矩可以被插补调整，也就相当于通过发动机参数将发动机转速和油门开度制作成一份图表来进行。而对于各种不同的油门开度（TA），发动机的角速度（）可以影响发动机的转矩产生不同的变化。比如： （1） 其中表示发动机扭矩，表示发动机角速度，TA表示油门开度。3.2 离合器DCT中的离合器除了可以切断发动机和传动装置之间的动力连接以外，还是改变齿轮啮合的重要元件。根据离合器的参数和摩擦力特性，离合器中的扭矩可以通过以下步骤进行计算： （2）其中表示离合器接合时的摩擦系数，Fn表示作用于离合器表面的常规压力，Ro表示摩擦片的外圆直径，Ri表示摩擦片的内圆直径，
11、n表示摩擦片数。简单来说，离合器中的扭矩是一个与查表法有关，同时基于相对角速度和作用在离合器活塞上的液体压力的函数。离合器在工作中有三种工作状态，其中每种状态传递的扭矩可以通过以下等式表示出来：摩擦片摩滑中 摩擦片分离 摩擦片接合 （3） 其中：C表示离合器尺寸的相关系数，表示离合器输入和输出端之间的相对角速度，Papp表示作用于离合器活塞上的压力值。T表示在某一行车速度离合器完全啮合时作用在离合器上的扭矩。以上等式表明，在换挡过程中离合器的扭矩只取决于离合器受到的压力和摩擦片的摩擦系数。离合器受到的压力是其控制信号，同时相应的摩擦系数取决于离合器中摩擦片的摩滑过程，换言之也就是两个摩擦片之间
12、的相对速度。3.3 同步器在双离合器系统的设计中，当汽车以某一速度行驶而要换挡时，另一组齿轮副是已经预备好啮合的。在换挡过程中，齿轮啮合和同步器工作并不是同时发生的。两组想要同步的齿轮室在轴上空转的，因此，可以将同步器认为是一个简单的摩擦元件。同步器受到的扭矩适合摩擦力成比例的，具体如下所示： （4）其中Tsyn表示同步器受到的扭矩，F表示在锥形摩擦轮上的法向力，表示同步器环的摩擦系数，表示在第一档和第三档齿轮之间的同步器的角速度。3.4 汽车道路行驶载荷因为滚动摩擦力，空气阻力和传动损失会产生汽车道路载荷，具体阐述见以下内容： （5）（6） 其中Cd表示取决于结构形式和尺寸的空气阻力系数，W
13、表示汽车重量，f表示滚动摩擦系数，表示坡度角，V表示汽车速度，TRL表示车轮上受到的道路载荷扭矩Rd表示车轮半径。4系统建模双离合器自动变速器的动力学模型图示见图2。发动机悬置部分、输入输出轴被建模成成弹簧减震器元件来适应其他的组成部分。齿轮轴被建模成为耦合集中体。对于这个模型有两组等式可以进行描述。当汽车在某一个档位中行驶，并且变速箱可以提供发动机与车轮之间的机械连接时，这个模型遵从于其中一组运动公式。当在换挡过程中，由于在发动机和车轮之间没有直接的联系，同时系统处于一个动态的换挡状态中，这个模型就按另一组公式进行计算。以下呈现的就是模型在某一个档位中，或是在提高档位的过程中运行所遵循的动力
14、学方程。现在认为离合器1在二、四、六档时分离，离合器2在一、三、五档上分离，如果选定适当的齿轮组，就可以写出对于某一确切档位或是档位改变时的运动方程式。4.1 档位确定时的工作性能4.1.1 发动机和输入轴 （7）（8）（9）（10）（11）其中，Tm表示发动机总体收到的扭矩，Ti/p表示输入轴上受到的扭矩，Km和K1分别表示发动机和输入轴的硬度系数。Ie和Im表示发动机输出轴和发动机变速箱总成块，C1和Cm表示输入轴和发动机支架的阻尼系数，m,e以及i/p分别表示发动机、发动机曲轴、输入轴的角位移，m，e以及i/p分别表示发动机、发动机曲轴、输入轴的角速度。To表示发动机变速箱装配体受到的反
15、扭矩，其与输出轴一样十分重要。4.1.2变速器以及输出轴 （13）（14）（15）（16）（17）（12） 其中，K2和C2分别表示输出轴的硬度系数和阻尼系数。o和w分别表示输出轴和车轮的角位移，Ii/p表示输入轴的转动惯量，TCL1和TCL2表示双离合器受到的扭矩，Tim表示传递一、二、三、四档速度的中间轴1以及传递五、六、倒档速度的中间轴2上受到的扭矩，具体可以参照图1中所示。im表示中间轴的角速度，o,w分别表示输出轴和车轮的角速度。To表示轮轴的输出转矩。Ieq表示在中间轴上所有转动质量的等效转动惯量。it表示相应的档位传动比。比如处于三档和六档时的Ieq可以通过分别通过以下内容进行计算
