汪 越,顧啟成,孫國亮

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214400)

汽車濕式雙離合自動變速器換擋品質(zhì)方法研究

汪 越,顧啟成,孫國亮

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214400)

簡要介紹了濕式雙離合自動變速器的工作原理，分析了換擋品質(zhì)的影響因素，提出了改善換擋品質(zhì)的方法，制定了換擋控制策略，并以斯柯達某型車為目標車進行了實車試驗，試驗結(jié)果表明所制定的換擋控制策略能夠較好地改善換擋品質(zhì)。

汽車；自動變速器；換擋控制策略；實車試驗

雙離合器自動變速器(Dual-Clutch Transmission,DCT)是近些年發(fā)展起來的一種新型自動變速器，它既融合了液力機械式自動變速器(AT)動力換擋的特點，又繼承了電控機械式自動變速器(AMT)傳動效率高的優(yōu)點，因而保證了車輛的動力性，極大地改善了駕乘的舒適性[1]。但是，良好的換擋品質(zhì)取決于合理的控制策略。本文從濕式雙離合器自動變速器的工作原理入手，分析了換擋品質(zhì)的影響因素，提出了改進換擋品質(zhì)的方法，制定了換擋控制策略，并通過試驗對控制策略進行了驗證。

1 DCT工作原理

圖1所示為濕式雙離合器自動變速器的結(jié)構(gòu)簡圖。雙離合器自動變速器可以看成是兩套手動變速箱的組合，離合器1(C1)與輸入軸1、輸出軸1相連組成第一套變速裝置，其上布置了1，3，5擋；離合器2(C2)與輸入軸2、輸出軸2相連組成第二套變速裝置，其上布置了2，4，6擋和倒擋。通過兩套變速裝置的交替作用將發(fā)動機動力不間斷地輸出到驅(qū)動輪，實現(xiàn)動力換擋[2]。

2 DCT換擋過程評價指標

車輛的換擋品質(zhì)通常用沖擊度和滑摩功來評價。

2.1沖擊度

汽車換擋的平順性是以沖擊度為指標來評價的，沖擊度的定義是車輛縱向加速度對時間的導數(shù)，其數(shù)學表達式[3]為：

圖1 雙離合器自動變速器結(jié)構(gòu)簡圖

(1)

式中：v為汽車車速，m/s；a為汽車加速度，m/s2。

式(1)中，沖擊度j與汽車加速度變化率成正比，加速度變化越快，傳動系統(tǒng)沖擊越大，同時也說明沖擊度j較好地反映了起步換擋過程的動力學本質(zhì)。沖擊度不僅可以反映人對舒適程度的真實感覺，而且可以把道路條件引起的彈跳與顛簸加速度以及非換擋操作的影響排除在外，真實地反映起步換擋過程汽車傳動系統(tǒng)載荷變化以及車輛的運動狀態(tài)。不同國家給出了不同的沖擊度限定標準[4]：德國標準為j<10m/s3;我國標準為j<17.64m/s3。

由于汽車車速與變速器輸出軸轉(zhuǎn)速成正比，因而文中以變速器輸出軸轉(zhuǎn)速代替車速。

2.2滑摩功

滑摩功是指離合器主從動片間滑動摩擦力矩所做功的大小，滑摩時間越長，滑摩功越大，本文用滑摩時間體現(xiàn)滑摩功W。其數(shù)學表達式[5]為：

(2)

式中：Tc為離合器被動部分傳遞扭矩,N·m；ω1為離合器主動部分角速度,rad/s；ω2為離合器從動部分角速度,rad/s;t1為滑摩開始時間,s；t2為滑摩結(jié)束時間,s。

采用滑摩功W能比較準確地評價離合器的壽命，滑摩功W越小，溫升越低，壽命越長，但過低的滑摩功W會引起沖擊度j的升高，二者是相互矛盾的，需要在控制中協(xié)調(diào)解決。

3 DCT換擋品質(zhì)的影響因素及控制方法

3.1換擋品質(zhì)的影響因素

影響換擋品質(zhì)的3個主要因素是離合器的交互程度、液壓油的溫度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

a.離合器交互程度。

雙離合器自動變速器換擋過程指的是兩個離合器扭矩交互的過程。若兩離合器交互過多，則可能出現(xiàn)雙鎖死現(xiàn)象，若兩離合器交互過少，又可能造成動力中斷，這些都會對換擋品質(zhì)產(chǎn)生影響，所以通過合理地控制離合器，以實現(xiàn)發(fā)動機動力平穩(wěn)快速地由一個離合器轉(zhuǎn)換到另一個離合器，是獲得良好換擋品質(zhì)的關(guān)鍵。

b.溫度。

在換擋過程中必然存在離合器滑摩，這就不可避免地會產(chǎn)生滑摩功，使得變速箱內(nèi)油液溫度上升，從而影響離合器摩擦片的摩擦系數(shù)以及液壓油的油品特性等。油溫低時，黏度大，摩擦系數(shù)大，離合器傳遞的扭矩大，但離合器壓力上升慢；油溫高時，黏度小，油膜薄，離合器滑摩過程短，換擋沖擊增加[6]。因此，為了減小溫度對換擋品質(zhì)的影響，就必須根據(jù)溫度值對離合器控制電磁閥的開度(即PWM)進行適當修正，如圖2所示。

c.發(fā)動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

在升擋過程中隨著離合器的不斷接合，離合器主從動部分將趨于同步，主從動部分轉(zhuǎn)速差越大，離合器滑摩時間就越長，從而導致滑摩功越大。如果在升擋過程中對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行適當調(diào)節(jié)，則可使離合器的主從動部分轉(zhuǎn)速差減小，從而減小滑摩功。發(fā)動機的調(diào)節(jié)方式一般有3種：點火參數(shù)調(diào)節(jié)、燃油供給調(diào)節(jié)、節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)，本文采用的是節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)。

圖2 離合器控制電磁閥開度溫度修正曲線

3.2換擋品質(zhì)的控制方法

離合器傳遞的扭矩為[7]：

(3)

式中：μd為離合器的動摩擦系數(shù)；Pn為離合器的活塞作用壓力,Pa；S為離合器活塞作用面積,m2；Z為離合器摩擦副數(shù)；R1,r1為離合器摩擦片外徑、內(nèi)徑,m。

在換擋過程中兩離合器所傳遞的扭矩應根據(jù)發(fā)動機的當前扭矩進行計算，所計算出的離合器扭矩即為離合器請求扭矩，由于其皆由離合器結(jié)構(gòu)決定，因此根據(jù)此請求扭矩即可計算出離合器壓力，實現(xiàn)對離合器的控制。以2擋升3擋為例，換擋過程中兩離合器扭矩請求值及發(fā)動機扭矩變化示意圖如圖3所示。

圖3 離合器扭矩請求值及發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化示意圖

a.低擋穩(wěn)定運行相：雙離合器的結(jié)構(gòu)決定了此類自動變速器可以實現(xiàn)預掛擋，因而此階段主要實現(xiàn)選擋、掛擋，兩離合器之間并沒有動力的交換，所以不屬于換擋過程的范疇。

b.低擋轉(zhuǎn)矩相：離合器C2的請求扭矩在t1時刻降至A2，此值一般為105%Te～120%Te(Te為發(fā)動機當前扭矩)。由于離合器的請求扭矩大于發(fā)動機扭矩，因此離合器C2并不會存在滑摩。

c.慣性相：離合器C2的請求扭矩逐漸減小，至t4時刻降為0，在此過程中施加在離合器C2上的壓力也逐漸降低。離合器C2請求降低的速率為(A2-B2)/(t4-t1)，(t4-t1)在程序中設(shè)為500ms，從而使離合器C2的分離速率為每10ms降低2.1%Te～2.4%Te。由于DCT換擋過程很短，一般可認為發(fā)動機扭矩恒定，因此可近似認為離合器的分離是勻速的。在離合器C2分離的同時離合器C1也在緩慢結(jié)合，離合器C1的請求扭矩變化為(A1-B1-C1)，此階段是控制的核心和難點。如果A1到B1上升過慢或(B1-C1)過小，都會導致發(fā)動機“飛車”；如果A1到B1上升過快或(B1-C1)過大，又會導致兩離合器出現(xiàn)干涉，出現(xiàn)“掛雙擋”現(xiàn)象。

(3)若G=Mp(n,m,1),n≥m ≥1.當G/=M2(1,1,1)時,P?(G)連通分支個數(shù)k(P?(G))=p2+p+1.當G=M2(1,1,1)時,k(P?(G))=5.

d.高擋轉(zhuǎn)矩相：離合器1完全分離，離合器2仍處于滑摩狀態(tài)，為了減少同步時間，應減小節(jié)氣門開度以對發(fā)動機進行調(diào)節(jié)。

e.高擋穩(wěn)定運行相：離合器2滑摩結(jié)束，換擋完畢。但為了增大離合器的扭矩儲備，離合器C1的請求扭矩會繼續(xù)上升，相應的離合器壓力也會增大。

根據(jù)上述分析，編寫離合器控制模塊如圖4所示。根據(jù)式(3)即可計算出傳遞這些扭矩所需的離合器壓力，然后將離合器壓力轉(zhuǎn)換成PWM值傳送給控制離合器的高速開關(guān)閥，實現(xiàn)對離合器的控制。

圖4 離合器控制模塊

4 試驗研究

4.1試驗控制系統(tǒng)

本試驗是以大眾旗下的斯柯達某型車為目標車進行的，試驗所用控制器的原理框圖如圖5所示。該控制器包括TMS320F28xx系列DSP控制處理器1,多傳感器信號輸入通道、信號輸出通道,電磁閥控制驅(qū)動模塊2、CAN通訊總線3和電源模塊4，用霍爾傳感器5采集車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及變速箱輸入軸1、輸入軸2的轉(zhuǎn)速脈沖信號，經(jīng)TMS320F28xx捕獲單元捕獲后傳送至DSP控制處理器1；將霍爾傳感器5采集的車輛檔位信號、壓力傳感器6采集的離合器機油壓力信號、溫度傳感器7采集的機油溫度信號、位移傳感器8采集的油門踏板信號，經(jīng)TMS320F28xx DSP控制處理器1的A/D轉(zhuǎn)換器9進行采樣后送至DSP控制處理器1；車輛狀態(tài)的其他信息通過相應的傳感器采集后輸入TMS320F28xx通用數(shù)字I/O口進行處理，經(jīng)DSP控制處理器1根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部存儲的換擋邏輯和換擋規(guī)律處理后傳送至輸出信號通道和電磁閥驅(qū)動模塊2輸出控制信號，使雙離合器、變速箱選擋機構(gòu)、散熱系統(tǒng)動作，實現(xiàn)變速箱自動變速控制。

圖5 試驗控制器結(jié)構(gòu)原理框圖

4.2試驗結(jié)果及分析

根據(jù)制定出的換擋控制策略，以2擋升3擋為例在平坦路面上反復進行輕載試驗，記錄并分析試驗結(jié)果如圖6,7,8,9所示。

圖6 離合器交錯過小、節(jié)氣門調(diào)節(jié)過大試驗結(jié)果(換擋時間為1.2s，最大沖擊度為7.8m/s3)

圖7 離合器交錯過大、節(jié)氣門調(diào)節(jié)合適試驗結(jié)果(換擋時間為1.0s，最大沖擊度為8.3 m/s3)

圖8 離合器交錯合適、節(jié)氣門調(diào)節(jié)合適、帶溫度修正試驗結(jié)果(換擋時間為1.1s，最大沖擊度為2.3 m/s3)

圖9 離合器交錯合適、節(jié)氣門調(diào)節(jié)合適、不帶溫度修正試驗結(jié)果

圖7為離合器交錯過多、節(jié)氣門控制合適的試驗結(jié)果。t1時刻離合器C2的請求扭矩為110%Te，分離速率為每10ms減小2.2%Te；(t2-t1)為250ms，離合器C1扭矩由t1時刻的0(點A1)上升至100%Te(點B1)，結(jié)合速率為4%Te，t2～t3階段離合器C1請求扭矩保持在100%Te；t4～t5階段，節(jié)氣門開度減小5%。由圖7(c)可知，由于離合器C1結(jié)合過快，導致兩離合器出現(xiàn)了干涉，這樣會嚴重損害離合器，同時也會使換擋品質(zhì)變差，必須竭力避免；發(fā)動機控制階段節(jié)氣門調(diào)節(jié)較好，發(fā)動機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)下行，慢慢與輸入1軸同步。在此過程中沖擊度最大為8.4m/s3。

圖8為離合器交錯合適、節(jié)氣門控制合適的試驗結(jié)果。t1時刻離合器C2請求扭矩為110%Te，分離速率為2.2%Te；(t2-t1)為300ms，B1為90%Te，離合器C1的結(jié)合速率為3%Te，t2～t3階段離合器C1請求扭矩保持在90%Te；發(fā)動機控制階段，節(jié)氣門開度減小5%。由圖8(c)、圖8(d)可知，在離合器交錯以及發(fā)動機控制過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)，沖擊度較小，整個過程中最大沖擊度為2.3m/s3。

圖9所示的試驗與圖8是一致的，離合器交錯合適、發(fā)動機調(diào)節(jié)合適，但是圖9所示的試驗沒有加溫度修正。由于沒有溫度修正，當溫度升高時，在同樣的離合器電磁閥開度下，施加在離合器摩擦片上的壓力會變小，因而發(fā)動機出現(xiàn)了“飛車”。圖8所示的試驗根據(jù)溫度值對離合器電磁閥開度進行了5%的修正。

通過前文論述及大量試驗得出獲得較好換擋品質(zhì)的條件為：

a.在離合器C2分離速率為每 減小2.1%Te～2.4%Te的情況下，離合器C1的結(jié)合速率應為3%Te，并在t2～t3階段穩(wěn)定在87%Te～95%Te。

b.在發(fā)動機調(diào)節(jié)階段，節(jié)氣門開度的變化不應大于10%。

c.應將溫度的影響考慮在內(nèi)，加上適當?shù)臏囟刃拚?/p>

5 結(jié)束語

雙離合器自動變速器的換擋是一個復雜的過程，影響其換擋品質(zhì)的因素非常多，本文僅從離合器交錯、發(fā)動機控制以及油液溫度3個方面進行了論述及試驗，對于其他影響因素如車輛上下坡、轉(zhuǎn)彎等沒有考慮，且由于能力及試驗條件有限，對于離合器交錯、發(fā)動機控制以及溫度對換擋品質(zhì)的影響也只是做了淺顯的研究，日后還需進一步深化。

[1] 于德澤. 濕式雙離合器自動變速器換擋控制策略的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程, 2011(6): 26-29.

[2] 顏志鵬, 秦大同. 雙離合器自動變速器換擋過程仿真分析[J]. 重慶工學院學報:自然科學, 2009,23(4):1-6.

[3] 劉振軍, 董小洪, 秦大同，等. 雙離合器自動變速換擋品質(zhì)分析與控制[J]. 重慶大學學報, 2010,33(5):29-34.

[4] 郝宏偉. 基于dSPACE濕式雙離合器自動變速器控制系統(tǒng)研究[D].重慶：重慶大學, 2010.

[5] 陸中華, 程秀生, 馮巍. 濕式雙離合器自動變速器的升檔控制[J].農(nóng)業(yè)工程學報, 2010,26(5):132-136.

[6] 葛安林. 車輛自動變速理論與設(shè)計[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 1993:186-196.

ResearchontheShiftQualityofDual-clutchAutomaticTransmission

WANG Yue, GU Qicheng, SUN Guoliang

(Chinese Maritime Satellite Measurement and Control Department, Jiangsu Wuxi, 214400, China)

It introduces the structure and working principle of dual-clutch transmission (DCT for short), analyzes the influencing factors of gear shift quality, designs the clutch control strategy. Taking a Skoda car as the experimental object in case of study, it shows that the control strategy can efficiently improve the gear shift quality of dual-clutch transmission vehicle.

Car; Automatic Transmission; Shift Control Strategy; Vehicle Experiment

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.017

2013-05-22

汪越(1988—)，男 ，江蘇江陰人，中國衛(wèi)星海上測控部工程師，碩士，主要研究方向為機械制造及其自動化。

TP271

A

2095-509X(2014)09-0070-06