嚴(yán)正峰, 趙培生, 孫保群

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車工程技術(shù)研究院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

機械式自動變速器 (automated mechanical transmission,AMT)能實現(xiàn)穩(wěn)定高效的能量傳輸，且結(jié)構(gòu)緊湊、燃油經(jīng)濟性和動力性協(xié)調(diào)良好,但在AMT換擋過程中因離合器分離而產(chǎn)生的傳動系動力傳輸中斷嚴(yán)重惡化了換擋動力性,降低了換擋舒適性[1]。雙離合器自動變速器(dual-clutch transmission,DCT)的設(shè)計克服了換擋動力中斷這一問題,同時也具有能量傳輸穩(wěn)定高效、結(jié)構(gòu)簡潔嚴(yán)密等優(yōu)勢。

干式雙離合結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。不同于多片式離合器,干式雙離合器只有1個輸入軸連接到離合器盤,雙離合器基于2個單獨的干式離合器,用于奇數(shù)和偶數(shù)齒輪組,可以從根本上描述為2個獨立的AMT裝配在一個殼體內(nèi)[2-3]。干式離合器變速器相對于其他類型的變速器的主要優(yōu)點是節(jié)省燃料、減少污染物、快速響應(yīng)以及高舒適性、高效率、高可靠性,生產(chǎn)和維護成本低,并且能有效地解決換擋時出現(xiàn)的動力中斷的問題。但是雙離合器在使用過程中存在著大量的不確定因素,包括離合器溫度變化、離合器磨損等,這些因素都會對離合器轉(zhuǎn)矩的傳遞造成很大影響[1,4]。此外,為了確保駕駛舒適性,還必須消除或最小化DCT換擋和起步時的振動[5]。這些問題激發(fā)國內(nèi)外科研人員做了大量的研究,許多成果已在實車上得到了應(yīng)用,并取得了不錯的效果,但是還沒有達(dá)到十分理想的效果。目前離合器控制技術(shù)的研究在汽車控制領(lǐng)域已經(jīng)得到重點關(guān)注,科研人員從不同的角度對DCT進行研究,力求設(shè)計一種可靠的離合器控制策略實現(xiàn)有效地發(fā)揮DCT產(chǎn)品的優(yōu)點,同時避免其不穩(wěn)定情況的發(fā)生。

1.離合器中間盤 2.雙質(zhì)量飛輪 3.變速器第一輸入軸 4.曲軸 5.離合器Ⅰ摩擦片 6.支撐軸承 7.離合器Ⅱ摩擦片 8.離合器Ⅰ壓盤 9.拉桿 10.離合器Ⅰ壓盤 11.離合器Ⅱ杠桿彈簧 12.離合器Ⅰ杠桿彈簧 13.離合器Ⅰ分離軸承 14.變速器第二輸入軸 15.離合器Ⅱ分離軸承

本文詳細(xì)分析了DCT執(zhí)行系統(tǒng)的建模和起步、換擋的動力學(xué)模型的建立,總結(jié)了國內(nèi)外DCT起步和換擋控制的控制策略和具體控制方法,分析比較各控制方法和優(yōu)缺點,并分析了未來雙離合變速器研究的發(fā)展趨勢。

1 DCT傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型

典型的裝備干式雙離合器車輛的動力傳動系統(tǒng)模型[6]如圖2所示。其中，CL1為離合器1；CL2為離合器2。

圖2 DCT動力傳動系統(tǒng)模型

車輛動力傳動系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多質(zhì)量、多自由度系統(tǒng),很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此研究人員通常把車輛動力傳動系統(tǒng)簡化為一個離散化的當(dāng)量系統(tǒng)來處理。離合器主動軸之前的參數(shù)或變量向主動軸轉(zhuǎn)化,即向發(fā)動機轉(zhuǎn)化;離合器從動軸之后的參數(shù)或變量向從動軸轉(zhuǎn)化,即向車輛進行轉(zhuǎn)化[7]。離合器控制系統(tǒng)研究的最基本思路是把各關(guān)鍵部件的動力學(xué)模型準(zhǔn)確建立出來,下面對整車各個關(guān)鍵部分建立各自單獨的數(shù)學(xué)模型,并建立DCT系統(tǒng)在起步、換擋和穩(wěn)定行駛工況下的數(shù)學(xué)模型。

1.1 干式雙離合器建模國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

雙離合器可以分別對奇數(shù)和偶數(shù)擋位的接合、分離進行交替控制,實現(xiàn)動力的不中斷傳遞。要實現(xiàn)這一目標(biāo)就要對其扭矩傳遞特性、分離載荷特性進行準(zhǔn)確的建模,從而在離合器的分離接合控制中對扭矩傳遞進行精確控制。因此在對離合器進行建模時應(yīng)找到合適的控制量,此控制量能實現(xiàn)對扭矩的精確控制。從國內(nèi)外參考文獻可知,將離合器傳遞扭矩作為離合器執(zhí)行器函數(shù)的建模方法被經(jīng)常使用。文獻[2]將離合器的扭矩特性表示為電液執(zhí)行器位移和活塞腔壓力的函數(shù),以執(zhí)行器位移和活塞腔壓力作為控制系統(tǒng)的控制量來控制離合器傳遞的扭矩。

干式雙離合器通過摩擦片與飛輪、壓盤之間形成摩擦副來實現(xiàn)發(fā)動機向傳動系之間的扭矩傳遞[1]。而摩擦離合器能夠傳遞的最大轉(zhuǎn)矩取決于摩擦面間的最大靜摩擦力矩,摩擦面間的最大靜摩擦力矩的大小取決于摩擦面間的最大壓緊力、摩擦面的尺寸和性質(zhì)。因此,離合器摩擦特性的研究對建立準(zhǔn)確的動力傳遞模型有重要意義。從國內(nèi)外研究可知,在建立離合器模型時,為了簡化通常將離合器的摩擦系數(shù)設(shè)為常數(shù),而實際上,離合器接合過程中摩擦系數(shù)隨摩擦材料、滑膜溫度、相對滑膜速度以及摩擦片單位壓力的變化而變化,這使得建立的扭矩傳遞模型與實際情況相差較大,從而對離合器的準(zhǔn)確控制產(chǎn)生影響[8]。這些因素最終引起離合器摩擦因數(shù)非線性變化,使得扭矩傳遞模型出現(xiàn)誤差。離合器摩擦片的摩擦系數(shù)是離合器的一個重要參數(shù),其穩(wěn)定性對離合器傳遞轉(zhuǎn)矩至關(guān)重要,但在離合器滑磨過程中該摩擦系數(shù)會產(chǎn)生比較復(fù)雜的變化,對此國內(nèi)外已有了大量的研究。摩擦片摩擦特性的影響因素十分復(fù)雜,它不僅與摩擦片的材料、制造工藝有關(guān),還與離合器滑磨速度[4,9]、接合壓力[10]、溫度[4,11]、磨損[12]等因素密切相關(guān)。另外,波形片對于離合器傳遞扭矩也有很大的影響。文獻[13]利用有限元分析得出波形片的非線性載荷-位移特性曲線,并分析了不同壓縮程度時載荷隨溫度的變化關(guān)系,在分析干式離合器扭矩傳遞過程的基礎(chǔ)上,建立了包括波形彈簧片特性在內(nèi)的干式離合器扭矩傳遞計算模型,并分析了溫度變化、摩擦面磨損以及波形彈簧片結(jié)構(gòu)參數(shù)改變等不同因素影響下的扭矩傳遞特性,為干式雙離合器接合過程中扭矩傳遞的精確控制提供了理論參考,對改善汽車起步過程和換擋品質(zhì)等具有重要的實用價值。

從國內(nèi)外文獻可以看出,因為離合器滑磨過程很難進行精確的數(shù)學(xué)模型表達(dá),所以研究人員在對離合器建模時進行了大量的簡化處理,但這樣的簡化處理必然使建立的模型不能準(zhǔn)確地反映離合器扭矩傳遞的真實情況,從而影響控制的準(zhǔn)確性。因此提高離合器建模的準(zhǔn)確性仍是未來雙離合器研究的重點之一。提高建模的準(zhǔn)確性可以通過大量的實驗來獲得離合器扭矩傳遞特性,對于難以進行量化的影響因素,如溫度、磨損等,可以對建立的模型添加智能修正因子,使模型能更準(zhǔn)確反映離合器的實際情況。

1.2 干式雙離合器傳遞扭矩建模的主要方法

離合器在滑磨時通過動摩擦力傳遞扭矩,而接合時則通過靜摩擦傳遞扭矩,因此在離合器控制時要考慮這2個狀態(tài)的不同。

(1) 離合器處于滑磨狀態(tài)。當(dāng)離合器處于滑摩狀態(tài)時,離合器傳遞的扭矩大小TC為:

其中,S為離合器執(zhí)行器活塞作用的面積;P為離合器執(zhí)行器活塞上的作用壓力;n為離合器摩擦副的個數(shù);R0為摩擦片外徑;R1為摩擦片內(nèi)徑;Δωec為離合器主、從動盤的轉(zhuǎn)速差;ωe為離合器主動盤轉(zhuǎn)速;ωc為離合器從動盤轉(zhuǎn)速；sgn(Δωec)為符號函數(shù),其取值為:

(2) 離合器處于接合狀態(tài)。當(dāng)離合器處于接合狀態(tài)時,發(fā)動機剛性地連接到傳動系,此時離合器傳遞的扭矩可能有2種形式：① 由系統(tǒng)的動力學(xué)關(guān)系確定的傳遞扭矩TC;② 由作用在離合器上的接合油壓力確定的摩擦扭矩。

第1種傳遞扭矩的摩擦特性被限制在一定的范圍[14],即

-nμ0Fnrf≤TC≤nμ0Fnrf,

其中,μ0為離合器摩擦片的靜摩擦系數(shù);Fn為離合器受到的接合力;rf為有效摩擦半徑。

第2種形式的摩擦扭矩計算公式為:

當(dāng)離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速差為0時,離合器處于接合鎖止?fàn)顟B(tài),此時的摩擦系數(shù)通常為常量,即靜摩擦系數(shù)μ0;當(dāng)離合器處于滑摩狀態(tài)時,摩擦系數(shù)通常與主、從動盤的轉(zhuǎn)速差、溫度有關(guān),即動摩擦系數(shù)μd,且μ0>μd。

在不同的工作狀態(tài)下,離合器傳遞的扭矩也不同。在離合器分離階段,主、從動盤完全分離,離合器傳遞的扭矩TC=0; 在克服車輛阻力和滑摩階段離合器從動盤所受的P由0開始逐漸增大,此階段離合器傳遞扭矩TC與P成正比例;在離合器完全接合階段,離合器傳遞扭矩TC與P的大小無關(guān),TC值需根據(jù)系統(tǒng)的動力學(xué)關(guān)系來確定。

1.3 DCT動力傳遞模型

由于DCT系統(tǒng)的復(fù)雜性,國內(nèi)外文獻中在對DCT系統(tǒng)建模時主要采用集中質(zhì)量法,根據(jù)動量矩方程及能量守恒原則建立動力傳遞的數(shù)學(xué)模型。雙離合器變速器汽車換擋時動力傳動系統(tǒng)的簡化模型如圖3所示。雙離合器的結(jié)構(gòu)特點使其在換擋時會出現(xiàn)復(fù)雜的扭矩切換,因此建模時要注意離合器結(jié)合過程中傳遞扭矩變化的分析,從而在控制系統(tǒng)設(shè)計時精確地控制扭矩的切換，減小換擋沖擊和動力中斷。

圖3 DCT換擋動力學(xué)模型

DCT換擋過程主要分為準(zhǔn)備、慣性相和轉(zhuǎn)矩相3個階段。升、降擋過程中轉(zhuǎn)矩相和慣性相出現(xiàn)的先后順序不同[14-15]。升擋、降擋時發(fā)動機與離合器的轉(zhuǎn)矩特性如圖4所示。

圖4 升擋、降擋時發(fā)動機與離合器的轉(zhuǎn)矩特性

(1) 準(zhǔn)備階段。準(zhǔn)備期階段需完成預(yù)換擋和消除待接合離合器空行程2個主要任務(wù)。假設(shè)換擋前離合器1處于接合狀態(tài),離合器2處于分離狀態(tài)。此階段離合器傳遞扭矩的動力學(xué)模型為:

(2) 轉(zhuǎn)矩相階段。轉(zhuǎn)矩相階段是2個離合器均與發(fā)動機發(fā)生滑摩且同時將動力傳遞至車輪的過程。此階段離合器傳遞扭矩的動力學(xué)模型為:

原來接合的離合器假設(shè)為C1,即將接合的離合器為C2。此階段開始后,C2的執(zhí)行機構(gòu)以一固定壓力變化率控制C2的接合壓力上升,接合壓力的變化率取決于當(dāng)前油門開度下沖擊度的大小,則C2由分離狀態(tài)變?yōu)榛顟B(tài),傳遞部分扭矩;同時控制C1的執(zhí)行機構(gòu),使C1的接合壓力開始慢慢減小,但是C1處于接合狀態(tài),此時系統(tǒng)處于原先的擋位運行,各部件角速度未發(fā)生急劇變化,隨著C1 的壓力下降, C1 傳遞轉(zhuǎn)矩減小,由于C2的增大值小于C1的降低值,使得變速器整體輸出轉(zhuǎn)矩減小。

(3) 慣性相階段。此階段,最終分離離合器已完全分離,而最終接合離合器此時還在系統(tǒng)慣性的作用下沒有與發(fā)動機轉(zhuǎn)速完全同步,因此需繼續(xù)控制最終接合離合器,使其與發(fā)動機轉(zhuǎn)速完全同步。此階段C1已徹底分離,通過控制發(fā)動機節(jié)氣門開度使C2從動盤快速地與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相等,并控制C2接合，因此只有C2傳遞轉(zhuǎn)矩。此階段離合器傳遞扭矩的動力學(xué)模型為:

1.4 執(zhí)行機構(gòu)建模及研究趨勢

離合器執(zhí)行機構(gòu)是連接變速器控制單元和離合器組件之間的橋梁，因此其控制的準(zhǔn)確性會極大地影響離合器性能。干式和濕式離合器系統(tǒng)中比較常用的是杠桿執(zhí)行器,相比于其他形式的執(zhí)行器在效率和成本方面具有明顯優(yōu)勢[16]。近幾年國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出不同的離合器執(zhí)行器系統(tǒng),如電動液壓式[17]、電氣動式[18]、機電式[19]。

電動液壓式和電氣動式都是相對復(fù)雜的系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)需要泵、油箱、過濾器、管道和閥門。電動液壓執(zhí)行器通常用于乘用車,電氣動式執(zhí)行器廣泛用于商用車輛[18]。由于液壓油和空氣的壓縮性能使得此類執(zhí)行系統(tǒng)的準(zhǔn)確建模比較困難[20]，而機電式執(zhí)行器以電動機作為動力源,作為減速機構(gòu)的一個蝸輪、螺母或滾珠絲杠，該結(jié)構(gòu)更容易將執(zhí)行器集成到傳動系統(tǒng)中,且電動機的低損耗能提高系統(tǒng)的總效率[19]。執(zhí)行器的設(shè)計是為了能通過控制執(zhí)行器位移或執(zhí)行器施加在分離軸承上的壓力來控制離合器的分離和接合，因此離合器執(zhí)行器的控制問題可以認(rèn)為是離合器位置和力的控制問題。

離合器傳遞扭矩是分離軸承位移的非線性函數(shù),其由離合器執(zhí)行器控制。因此,分離軸承位置的微小誤差也可能導(dǎo)致離合器傳遞的扭矩波動,產(chǎn)生沖擊,甚至?xí)拱l(fā)動機熄火。這種影響在雙離合變速器換擋時更加明顯。換擋時，一個離合器分離；另一個離合器接合,如果有其他因素影響，會使2個離合器的協(xié)調(diào)控制出現(xiàn)問題，從而影響換擋品質(zhì)。因此,即將接合的離合器和待分離的離合器的精確協(xié)調(diào)控制非常關(guān)鍵,否則將導(dǎo)致不期望的扭矩中斷和振蕩[21-22]。為了解決這一問題,過去的幾十年已經(jīng)提出了許多控制策略來改進離合器執(zhí)行器的控制。一些研究人員提出使用位置傳感器來直接測量接合軸承位置,同時添加壓力傳感器來測量膜片彈簧的壓力,將這些數(shù)據(jù)用于執(zhí)行器的控制,這是由于電動液壓式、電氣動式執(zhí)行器都可以通過控制活塞腔壓力來控制分離軸承位置和施加在分離軸承上的壓力[21];相對于電動液壓式、電氣動式執(zhí)行器，文獻[23]提出了一種機電式執(zhí)行器,它可以準(zhǔn)確地建立機電執(zhí)行機構(gòu)位移和分離軸承力的對應(yīng)關(guān)系。這些方法的缺點是將位移和壓力傳感器集成到離合器控制系統(tǒng)中，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,且實際可行性也有待驗證。為了克服該缺點,研究人員提出了另一種更可靠的方法,即用非線性觀測器代替?zhèn)鞲衅鱗24]。

離合器執(zhí)行器當(dāng)前發(fā)展的主要挑戰(zhàn)在于高精度和快速響應(yīng)，從這個角度來看,對離合器執(zhí)行器的控制研究仍然是關(guān)注的重點。

2 DCT的接合控制研究現(xiàn)狀及趨勢

在離合器控制系統(tǒng)設(shè)計時,必須考慮各系統(tǒng)可能出現(xiàn)的執(zhí)行沖突。離合器應(yīng)盡可能快地接合,與執(zhí)行器時間響應(yīng)兼容。但快速接合會引起離合器滑磨速度變大且摩擦力矩增大,使得離合器接合時產(chǎn)生較大的滑磨功,離合器片溫度升高,影響離合器的性能；此外,離合器快速接合也可能引起大的沖擊度,影響操作平穩(wěn)性和舒適性。因此離合器的接合控制應(yīng)設(shè)計成在所有操作條件下避免不希望的離合器性能變化和傳動系沖擊[25]。

2.1 DCT起步控制研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

起步控制的目標(biāo)是滿足在不同駕駛意圖和不同路況條件下,保證起步過程車輛的平穩(wěn)性,延長離合器的使用壽命,減小發(fā)動機轉(zhuǎn)速的波動,使車輛具有良好的起步品質(zhì)。車輛動力學(xué)模型的建立是進行車輛起步控制的基礎(chǔ),模型的精確度將影響到控制效果。這方面國內(nèi)外已經(jīng)展開大量研究,其成果也相對成熟。對于DCT單個離合器的起步過程,其動力學(xué)模型的建立與AMT相同。文獻[26]分析了雙離合器自動變速器傳動機理,建立了 DCT 動力學(xué)模型,為 DCT起步、換擋控制研究打下了基礎(chǔ)；文獻[27]以某車型五速干式DCT為研究對象,將起步過程簡化為二自由度滑磨模型和單自由度在擋運行模型。雙離合器聯(lián)合起步在一定程度上平衡了2個離合器產(chǎn)生的摩擦功,而且縮短了起步時間,提高了平順性[28]。

(1) 起步接合過程的控制方法。雙離合器自動變速器起步接合控制的基本策略包括離合器定接合速度和變接合速度控制[29]。文獻[30]基于發(fā)動機恒轉(zhuǎn)速控制方式和雙離合器聯(lián)合起步,設(shè)計了駕駛意圖模糊推理系統(tǒng)、離合器接合速度推理系統(tǒng)、離合器分離條件推理系統(tǒng)3個智能控制系統(tǒng),對起步的擋位、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、離合器接合速度進行控制,對DCT起步過程的離合器控制具有較大的參考作用。為了避免換擋沖擊現(xiàn)象的發(fā)生,文獻[31]提出了基于包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制、離合器滑動控制和變速器輸出轉(zhuǎn)矩控制的控制器,對離合器接合過程進行精確控制,實現(xiàn)離合器的無沖擊接合。在離合器控制系統(tǒng)的設(shè)計中增加執(zhí)行機構(gòu)觀測器、發(fā)動機扭矩觀測器、離合器接合觀測器，對各部件系統(tǒng)的狀態(tài)進行觀測,并調(diào)整控制參數(shù),從而增加控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和魯棒性。文獻[21]設(shè)計了用于實現(xiàn)離合器接合壓力控制的滑?？刂破?同時構(gòu)造了執(zhí)行系統(tǒng)觀測器，以實現(xiàn)對執(zhí)行器的精確控制。

(2) 雙離合器變速器起步控制策略。離合器起步控制是DCT控制的關(guān)鍵技術(shù)之一,該過程相當(dāng)復(fù)雜,包括了不同駕駛意圖下不同車輛狀況以及不同道路條件下的綜合控制。由于離合器本身的非線性特性,要求控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、魯棒性等。因此,國內(nèi)外學(xué)者采取了不同的控制方法對起步過程展開深入研究。

傳統(tǒng)的離合器起步控制策略主要分為基于經(jīng)驗的規(guī)則或模糊控制和基于模型的最優(yōu)控制[32-33]。模糊控制方法[2,29]經(jīng)常用于離合器控制系統(tǒng)的設(shè)計,這些控制方法只考慮整車系統(tǒng)的控制,而沒有考慮行駛工況和駕駛員意圖對于控制系統(tǒng)的影響,因此該類控制方法對于環(huán)境的魯棒性較差。為了解決這一問題,文獻[34]提出了基于工況和駕駛員意圖識別的智能起步控制算法,此控制方法具有良好的魯棒性和適應(yīng)性,能夠快速響應(yīng)各種參數(shù)變化,提高離合器壽命,保證乘坐舒適性。文獻[35] 針對自主研發(fā)的五速干式雙離合變速器啟動過程中存在的問題,提出了一種基于最小原理的最優(yōu)控制方法,此控制策略不僅降低了沖擊水平和摩擦能量損失,而且還能很好地遵循駕駛員不同的起動意圖。

目前,模仿人的思維來控制車輛起步的智能控制得到快速發(fā)展,智能控制適應(yīng)復(fù)雜的系統(tǒng),難以建立有效的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)的控制理論進行定量計算和分析[36]。文獻[37]基于智能控制方法設(shè)計了非線性反饋控制器對離合器位置進行控制,經(jīng)過試驗結(jié)果表明,新的控制方法可以更加準(zhǔn)確地實現(xiàn)離合器位置控制；文獻[38]采用模糊智能控制方法對 DCT 起步過程展開研究,參考駕駛員的起步經(jīng)驗制定了 DCT 離合器起步的模糊控制規(guī)則,利用均勻設(shè)計方法優(yōu)化模糊控制參數(shù),準(zhǔn)確地對離合器進行控制。

綜合當(dāng)前的研究成果,智能控制是離合器起步控制的發(fā)展趨勢,考慮到控制方法實現(xiàn)的難易程度,模糊智能控制是最具潛力的控制方法。不過模糊控制在其參數(shù)模糊化過程中受人為因素的影響較大,控制規(guī)則的制定比較復(fù)雜。模糊控制與其他控制方法相結(jié)合,可以彌補模糊控制的局限性，這是智能控制的發(fā)展趨勢。

2.2 DCT換擋控制研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

雙離合器變速器相比于傳統(tǒng)的單離合變速器,最大的特點是在換擋時可以明顯地緩解動力中斷的現(xiàn)象。2個離合器的布置形式使得擋位切換時能不斷地傳遞動力,但是若2個離合器接合分離的時序控制不好，則會造成轉(zhuǎn)矩的重疊[39]。另外, DCT 的2個離合器與各自的齒輪機構(gòu)剛性連接,雖有雙質(zhì)量飛輪和從動盤扭轉(zhuǎn)減振器在一定程度上緩和沖擊,但是若離合器的切換控制不當(dāng),則會影響傳動系統(tǒng)零部件的沖擊振動和使用壽命。因此,在換擋過程中,精確地控制離合器轉(zhuǎn)矩、2個離合器的控制時序以及離合器分離與接合時的位置、時刻和速度等是 DCT 換擋控制的關(guān)鍵所在[15]。

(1) 換擋接合控制方法。DCT 以其獨特的結(jié)構(gòu),采用預(yù)掛擋的方法代替了 AMT 換擋過程中離合器分離后的摘擋、選擋和進擋過程,同時,通過2個離合器在換擋過程中的交替工作,實現(xiàn)了動力的不中斷切換,因而換擋品質(zhì)比傳統(tǒng)的AMT明顯提高。但由于 DCT 仍屬于有級式變速器,換擋過程中傳動比的變化必然會造成換擋前后驅(qū)動力矩的變化；而且DCT 系統(tǒng)是一個多轉(zhuǎn)動慣量的系統(tǒng),換擋過程不是瞬時完成的。這些都會產(chǎn)生不同程度的換擋沖擊和滑磨功,因為 DCT不具有自動變速器的關(guān)鍵部件液力變矩器,不能通過它的緩沖作用對換擋沖擊有效地抑制,所以加大了DCT 換擋過程的控制難度。

由于車輛動力系統(tǒng)的復(fù)雜特性,換擋控制時需要發(fā)動機和離合器組合控制,以確保最小化換擋瞬態(tài)。特別是在離合器換擋控制中,重要控制階段是變速器預(yù)換擋階段、扭矩相階段和慣性相階段[40]。慣性相階段是發(fā)動機轉(zhuǎn)速與目標(biāo)擋位轉(zhuǎn)速同步階段,此階段不僅有轉(zhuǎn)矩的變化，還有轉(zhuǎn)速和傳動比的急劇變化,是產(chǎn)生沖擊度最大的階段,因此這2個階段的精確控制對實現(xiàn)換擋穩(wěn)定性至關(guān)重要。

隨著模糊控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在離合器控制上逐漸得到了運用,文獻[41] 根據(jù)優(yōu)秀駕駛員的經(jīng)驗知識建立了最優(yōu)的換擋控制策略,利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實現(xiàn)正確的變速箱擋位決策策略, 并且該換擋控制策略能根據(jù)工況環(huán)境的變化作出調(diào)整,提高了控制系統(tǒng)的適應(yīng)性；文獻[42]提出了一種用于控制換擋的雙環(huán)自學(xué)習(xí)模糊控制框架。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對齒輪嚙合的平穩(wěn)快速控制。

(2) 換擋控制策略。為了進一步優(yōu)化換擋控制策略,文獻[26]將換擋過程分成不同的階段,并對每個階段離合器狀態(tài)進行分析,為每個階段制定相應(yīng)的控制策略，以達(dá)到最優(yōu)的換擋瞬態(tài)響應(yīng)特性。DCT執(zhí)行機構(gòu)在不同狀態(tài)下的控制策略如圖5所示。

綜上所述,在DCT換擋過程中,一方面要合理控制分離離合器和接合離合器的動作時序和轉(zhuǎn)矩大小,另一方面要通過合理的發(fā)動機控制來保證DCT換擋過程的快速平穩(wěn)。對于干式DCT,由于缺少液力變矩器的緩沖作用,整車動力傳動系統(tǒng)的綜合控制尤其重要,這是保證DCT換擋品質(zhì)的關(guān)鍵。目前，已有的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)離合器轉(zhuǎn)矩的切換,但對DCT的控制不能充分反映駕駛意圖,無法準(zhǔn)確地控制換擋時序來適應(yīng)不同油門開度和車況下的換擋需求。當(dāng)駕駛員需要急加速時,換擋過程應(yīng)該及時調(diào)整以保證動力性需求,換擋時間也應(yīng)縮短。因此,分析DCT換擋過程轉(zhuǎn)矩相與慣性相中發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、離合器轉(zhuǎn)矩的控制要求,制定合理的換擋控制策略,對于提高DCT換擋品質(zhì)具有重要意義[43]。隨著智能控制的發(fā)展,智能控制成為DCT換擋控制的發(fā)展趨勢。對于手動擋汽車駕駛員而言,換擋次數(shù)多了便會找到汽車最佳換擋點孰能生巧,但是傳統(tǒng)的換擋控制系統(tǒng)并不會因為換擋次數(shù)的增加而使控制系統(tǒng)更加高效、安全。因此未來需要在控制器中加入人工智能深度學(xué)習(xí)方面的控制策略,使得換擋控制系統(tǒng)能夠不斷地自我優(yōu)化, 使得泊車系統(tǒng)從“自動化”變成“智能化”。

圖5 DCT執(zhí)行機構(gòu)控制策略

3 雙離合器起步和換擋控制評價

對DCT汽車起步和換擋品質(zhì)的評價,主要有沖擊度和滑磨功2個指標(biāo)[2,6,10]。

(1) 沖擊度。沖擊度是起步和換擋時駕駛員和乘員能直接感受到整車的沖擊載荷,不僅能反映車輛的舒適性，還能反映整車動力是否發(fā)生突變。沖擊度定義為汽車縱向加速度隨時間的變化率,即

其中,j為沖擊度;v為車輛行駛的速度;Ri為驅(qū)動輪滾動半徑;Jn為當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量。

綜合分析DCT汽車起步過程可知，沖擊度最可能出現(xiàn)在起步的初期和滑磨結(jié)束階段。在起步初期離合器接合的空行程階段,若駕駛員操縱離合器的接合速度過快,則在反應(yīng)時間內(nèi)不能準(zhǔn)確迅速地控制車輛離合器接合速度,導(dǎo)致汽車開始運動之后產(chǎn)生明顯的縱向加速度。車輛開始行駛的瞬間,摩擦阻力主要是靜摩擦,而隨著汽車開始移動,摩擦性質(zhì)變化為動摩擦,從而摩擦阻力將迅速減小,導(dǎo)致摩擦轉(zhuǎn)矩和阻力矩的差值迅速增大,車輛的加速度將繼續(xù)增加。在滑磨結(jié)束階段,離合器主、從動部分趨于同步時,離合器摩擦轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地面阻力矩,造成離合器摩擦轉(zhuǎn)矩在同步接合瞬間急劇下降,形成沖擊。當(dāng)離合器趨于同步時,摩擦系數(shù)由動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)殪o摩擦系數(shù),摩擦轉(zhuǎn)矩有明顯的數(shù)值變化。此外,車輛開始運動后,離合器輸出轉(zhuǎn)矩或阻力矩產(chǎn)生突變也都會引起沖擊度過大。在換擋時沖擊度最可能處于慣性相階段,此階段不僅有轉(zhuǎn)矩的變化,還有轉(zhuǎn)速和傳動比的急劇變化。因此,對沖擊度的控制主要是控制離合器摩擦轉(zhuǎn)矩以及換擋時慣性相階段,防止輸出發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速擾動(過快增長或突降)。

(2) 滑磨功。離合器在接合時,由于摩擦力矩導(dǎo)致離合器摩擦片溫度升高,溫度升高后離合器材料性能發(fā)生變化,摩擦系數(shù)將急劇降低從而失效。因此，離合器控制系統(tǒng)設(shè)計時，在滿足動力性能的前提下應(yīng)盡量減小滑磨時間。滑磨功反映了在離合器接合時離合器主、從動盤間滑動摩擦力做的功，其計算公式為:

其中,W為滑磨功，它直接體現(xiàn)了離合器接合時轉(zhuǎn)換成磨損和溫升的機械能值。

DCT 起步和換擋過程中2個離合器通過滑磨進行傳遞轉(zhuǎn)矩的切換,滑磨過程會導(dǎo)致離合器部件溫度升高,尤其是對于干式離合器,過高的溫升會影響離合器的控制性能和承載能力,并使磨損加速,影響其使用壽命,嚴(yán)重時導(dǎo)致離合器片燒蝕或變形損壞。因此在離合器控制系統(tǒng)設(shè)計時,要考慮如何使離合器滑磨功盡可能地小[29]。

4 結(jié) 論

離合器的接合控制對于滿足自動變速器中的舒適性和性能目標(biāo)起著關(guān)鍵作用。由本文離合器建模和控制的論述可知，對于雙離合器的起步和換擋控制,更精確的模型有利于提高控制系統(tǒng)的精度和魯棒性；該論述還包括經(jīng)典控制、最優(yōu)控制[41]和自適應(yīng)[35]技術(shù)在過去幾年控制領(lǐng)域內(nèi)的快速應(yīng)用。由已有的研究可知，在精確傳遞的扭矩估計器上的進一步研究(包括溫度效應(yīng))有助于優(yōu)化提高DCT的控制；允許直接或間接扭矩和溫度測量的新附加技術(shù)解決方案可以提高離合器的接合性能和穩(wěn)健性。離合器接合時不可避免地會引起摩擦片的溫度變化,因此將溫度變化引起的離合器性能影響考慮到控制系統(tǒng)中可以更加有效地控制離合器。

本文提出的干式雙離合器建模與控制的總體概述對下一代車輛的開發(fā)人員有一定的幫助。本文的主要工作如下:① 總結(jié)了雙離合器控制問題的研究過程,介紹了雙離合器控制問題的動力學(xué)研究路線；② 分析了DCT汽車起步、換擋的過程,建立起步和換擋的動力學(xué)模型；③ 分析了不同形式的離合器執(zhí)行器的工作原理,以及離合器控制研究中的重要性,總結(jié)分析了執(zhí)行器主要建模方法；④ 分析了國內(nèi)外DCT起步和換擋控制策略,并對其優(yōu)劣進行分析,提出了未來離合器控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢；⑤ 總結(jié)了DCT起步和換擋控制的評價指標(biāo)。