尤銀剛，羅　映，孔慶祥（.山重建機有限公司，山東臨沂76000；.山東建筑大學，濟南500；.山東大學機械工程學院，濟南5006）

雙離合變速器建模仿真及分析

尤銀剛1，羅映2，孔慶祥3
（1.山重建機有限公司，山東臨沂276000；2.山東建筑大學，濟南250101；3.山東大學機械工程學院，濟南250061）

針對現有的雙離合變速器技術，基于Matlab/Simulink平臺，利用基于模型的設計思想建立5速雙離合變速器簡化模型，同時建立發(fā)動機簡化模型提供動力輸出，建立車身簡化模型提供負載。在物理模型基礎上進行基于模型的雙離合器控制程序設計，實現基本的車輛起步和行進間自動換擋功能。最后對控制程序與變速器模型進行聯合仿真，對仿真得到的發(fā)動機轉速、車速、擋位等數據進行分析，用以驗證控制程序的可行性，同時也對雙離合變速器的工作原理和優(yōu)越性進行分析和驗證。

雙離合變速器；Matlab/Simulink；基于模型

汽車自動變速器主要有電控機械式（AMT）、液力機械式（AT）以及無級自動變速器（CVT）3種類型［1］，其中AT和CVT在換擋時無動力中斷，但燃油經濟性較差［2］，AMT機械效率較高，但換擋時存在動力中斷的問題［3］。雙離合變速器DCT（dual clutch transmission）克服了上述自動變速器系統的不足，除了擁有手動變速器的靈活性及自動變速器的舒適性外，還能提供無間斷的動力輸出。

在應用方面，國外DCT的技術主要掌握在博格華納、格特拉克和LUK以及菲亞特動力科技4家零部件企業(yè)手中，其他變速器企業(yè)諸如ZF等雖然也擁有DCT技術，但均未大批量推向市場［4］。國內DCT還處于樣機的開發(fā)階段，且目前還存在很多技術性問題。由于DCT的生產裝置只需通過對現有的手動擋變速器生產線稍加改造便可使用［5］，符合我國國情，因此得到政府和行業(yè)高度重視，目前正處于快速發(fā)展時期。

基于模型設計（MBD）是一種新型的設計方法。該方法利用Matlab的Simulink、stateflow及其他工具箱構建模型并進行仿真分析，最后由Simulink自動生成代碼。MBD的優(yōu)勢在于不僅能提高代碼的可移植性、可讀性和可靠性，還可將開發(fā)周期縮短至傳統方法的20%～50%［6］。對于DCT系統而言，應用MBD可以忽略一些次要因素，將精力集中在系統層面的搭建上。本文將重點介紹DCT模型的整體設計和仿真分析過程。

1　DCT系統建模

1.1DCT原理與組成

圖1是某DCT系統結構示意圖［7］，發(fā)動機的輸出軸與雙離合器相連，2個離合分別通過實心軸、空心軸與奇數擋、偶數擋相連。工作時一個離合貼合作為當前擋位，另一個離合脫開，同時選擋機構預選下一個擋位。換擋時當前擋位的離合逐漸脫開，另一個離合逐漸貼合。

圖1　雙離合變速器結構

1.2系統總體模型

如圖2所示，DCT系統主要由控制器和控制對象兩部分組成。控制器負責對2個離合器貼合力的大小、油門開度大小、各擋位同步器結合和分離等實施控制；控制對象包括雙離合變速器、車身、輪胎模型等。本模型變速器有5個擋位，其中離合器1對應的是1，3，5擋，離合器2對應2，4擋。

圖2　系統總體模型

1.3發(fā)動機模型

發(fā)動機模型（圖3）有2個輸入端口和2個輸出端口。輸入為節(jié)氣門開度信號T、發(fā)動機機體參數B，輸出為發(fā)動機的輸出轉速rpm以及發(fā)動機輸出軸參數F［8］。

圖3　發(fā)動機模型

1.4變速器模型

變速器模型輸入輸出信號如表1所示。變速器模型負責把發(fā)動機輸出的轉速、扭矩等信息通過擋位的傳動比轉換輸出后傳遞給車身。雙離合器變速器包括2個離合器以及對應的2套齒輪傳動系統，接收控制部分輸出2個離合器貼合力P1、P2以及換擋撥叉動作信號（非傳動軸期望擋位）。變速器實現這些控制，并向控制部分反饋2個轉速差信號s1和s2。變速器模型如圖4所示。

表1　雙離合器信號說明

圖4　變速器模型

1.5車身模型

車身的參數化模型［9］為發(fā)動機和變速器提供負載信息。如圖5所示，車身模型有6個端口，2個輸入信號（W：風速，beta：路面傾角）；3個輸出信號（V：車速，NF：汽車前輪車輪力，NR：汽車后輪車輪力）以及與輪胎連接的機械軸。此模型模擬車輛的質量為1 600 kg，初始速度為0，底盤高度為0.5 m，風速為5 m/s，路面傾角為0°。

圖5　車身模型

2　變速器控制策略模型

變速器控制策略模型實時檢測離合器輸入輸出軸的轉速、當前車速以及油門踏板，計算并判斷擋位切換時機，得出2個離合的貼合力大小，并進行非傳動軸擋位的預選，得出下一擋信息。此外在正扭轉升擋時為了防止轉速下降［10］，還要對發(fā)動機的轉速進行干預。整個控制模型的輸入輸出如表2所示。

表2　控制器模型輸入輸出信號

2.1總體控制邏輯

模型控制部分總體邏輯控制如圖6所示。擋位狀態(tài)控制部分負責檢測車速、發(fā)動機轉速以及輸入輸出軸轉速差。當判斷需要進行擋位切換時改變擋位狀態(tài)標志的值，向離合控制部分表示需要進行離合切換。離合控制部分負責接收換擋信息，并控制2個離合貼合力漸變以實現離合切換過程。預選下個擋位部分負責比較實時車速和設定換擋車速，得出非傳動軸應該結合的擋位，并進一步得出變速箱內部各個擋位撥叉的動作指令。發(fā)動機控制部分根據扭矩需求得出節(jié)氣門開度大小，并在換擋時通過節(jié)氣門開度信號對發(fā)動機轉速進行調整。

圖6　總體邏輯控制圖

2.2擋位狀態(tài)控制

如圖7所示，G為擋位狀態(tài)標志，當G為整數時，代表變速器當前工作的擋位，當G不是整數時，代表變速器正處在換擋狀態(tài)中。其中：G為0.5表示車輛處于起步狀態(tài)；G為1表示當前擋位為1擋；G為1.5表示變速器正處于1擋升2擋或者2擋降1擋的過程中；G為2.5，3.5，4.5同理。U/D代表“Up”或“Down”，即升擋或降擋。

對車輛的換擋控制分2種情況：

1）起步狀態(tài)的處理。當G為0.5時，這時若離合器1輸入軸和輸出軸的轉速差s1小于10，表示起步完成，則對G加0.5，進入1擋行駛狀態(tài)；當G為1時，若發(fā)動機轉速低于800 r/min，表示車速過低，需要分離離合器，防止發(fā)動機熄火，則對G減0.5，進入起步狀態(tài)。

2）如果車輛起步完成，并處在某個擋位行駛時，其升降擋主要取決于當前車速和油門踏板標定的換擋車速間的關系。如果前者比后者大，升一擋，反之，則降一擋。圖8顯示了1擋升2擋判斷邏輯，mph12為參考油門踏板得出的1擋升2擋的車速，當G為1和車速mph大于mph12同時滿足時就會得出E為0.5，對應的G由1變?yōu)?.5，表示車輛進入了1擋升2擋過程。直到離合切換完成，參考換擋完成標志，再把G由1.5變?yōu)?。

圖7　換擋狀態(tài)

圖8　1擋升2擋

變速器共5個擋位，其他擋位的升擋和降擋判斷與1擋升2擋是類似的。

2.3擋位切換過程處理

換擋切換過程實際就是離合切換過程，根據擋位狀態(tài)G主要分為3種情況。

1）G為0.5，也就是起步狀態(tài)，此時離合器2完全分離，離合器2貼合力P2為0；離合器1貼合力P1與油門踏板關聯，隨著油門踏板位置加大增大P1，離合逐漸貼合，完成起步。

2）G為整數，表示車輛在某個擋位行駛，則該擋位所關聯的離合器的貼合力保持最大，另一個離合器的貼合力為0。

3）G為其他小數，表示進入換擋過程，此時根據G值和U/D值判斷離合切換方向，原擋位關聯離合器的貼合力逐漸減小，新擋位關聯離合器的貼合力同步逐漸加大，此貼合力達到最大則說明擋位切換完成，同時把換擋完成標志位Complete置1。

圖9是離合器1切換到離合器2的過程。離合器2的貼合壓力P2從0逐漸達到最大值2 MPa，離合器1的貼合壓力P1同步從2 MPa逐漸減小到0。此過程在1擋升2擋、3擋升4擋、3擋降2擋、5擋降4擋的情況下發(fā)生。

圖9　離合器1和離合器2切換過程

2.4下個擋位的預選

在處于分離狀態(tài)的離合器上選擇下個擋位Next gear時使用就近原則［11］，1擋時Next gear是2擋，2擋時把當前車速mph和2擋降1擋車速mph12、2擋升3擋車速mph23做比較，mph與哪個更為接近，Next gear即為哪個擋位。以此類推，處在3擋、4擋和5擋時候是一樣的情況。

Next gear選定和嚙合發(fā)生在車輛行駛過程中并根據車速不斷調整，這樣一來，換擋時只需切換離合器即可。

2.5換擋撥叉動作控制

變速器使用同步器將某個擋位的齒輪與傳動軸結合在一起以實現動力傳遞。變速器控制器驅動換擋撥叉帶動同步器來選擇某個擋位的齒輪。下個擋位的預選過程就是驅動某個撥叉的過程。模型對變速箱結構做簡化處理，設置5個同步器，對應5個擋位［12］，控制程序輸出5個驅動信號，等效于5個同步器的換擋撥叉動作。

圖10所示的是5個擋位對應的同步器的控制程序，U1～U5即相當于5個換擋撥叉動作信號。在滿足變速器穩(wěn)定在某個擋位并且下個擋位對應的離合器完全分離的條件下，將下個擋位信息傳遞給圖10所示程序，得到該傳動軸上所有擋位的換擋撥叉的動作信號，并保證只有一個是使同步器嚙合的動作，其余是使同步器分離的動作。之后傳遞給對應的同步器使其嚙合。例如要選擇3擋，前提應該是當前Gear state為2或4，同時P1小于0.2 MPa，Next gear為3，則最終輸出的U1、U5為-1，U3為1，表示1擋、5擋的同步器脫離，3擋同步器嚙合。

圖10　齒形離合器控制邏輯

3　仿真曲線分析

圖11～13表示在油門踏板加一階躍信號后，車輛從起步狀態(tài)逐漸升至4擋過程中擋位狀態(tài)、發(fā)動機轉速、車速的變化過程。

在圖11中，擋位狀態(tài)起始值為0.5，說明起始狀態(tài)為起步狀態(tài)，在1.5，2.5、3.5短暫停留表示此時是擋位切換過程。在圖12中，發(fā)動機轉速下降是因為擋位升高，傳動比減小，發(fā)動機轉速下降時刻正是圖11擋位的切換時刻。在圖13中，車輛從1擋升至4擋過程中，車速平滑升高無波動，說明控制邏輯正確可行，能夠控制雙離合變速器實現自動換擋功能。

圖11　擋位變化曲線

圖12　發(fā)動機轉速變化曲線

圖13　車速變化曲線

4　結束語

本文建立了雙離合變速器的基本模型和控制程序模型。仿真結果表明：雙離合變速器在起步和換擋過程中車速不會出現明顯波動，說明不會出現動力間斷，換擋舒適性有所提高。但模型進行了簡化處理，比如離合器分離與貼合過程、換擋過程中發(fā)動機扭矩轉速的調節(jié)等。

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（責任編輯劉舸）

Simulation Modeling and Analysis of Dual Clutch Transm ission

YOU Yin-gang1，LUO Ying2，KONG Qing-xiang3
（1.Strong Construction Machinery Co.，Ltd.，Linyi276000，China；2.Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

In view of the existing dual-clutch transmission technology，based on Matlab/Simulink platform，we established a simplified model of 5-speed dual-clutch transmission by using themodelbased design idea.At the same time，we established a simplifiedmodel of engine for power outputting and a simplified model for automobile body providing the load.Based on the physicalmodel，we designed the control program and realized the basic function of start and automatic shift.Finally，we made the joint simulation of the control program and the transmissionmodel，and analyzed the data of engine speed，automobile speed and gears to verify the feasibility of the model and to validate the working principle and advantages of dual-clutch transmission at the same time.

dual-clutch transmission；Matlab/Simulink；model-based design

U463.212

A

1674-8425（2015）05-0006-06

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.05.002

2015-01-10

國家自然科學基金資助項目（50575129）

尤銀剛（1975—），男，山東人，工程師，主要從事工程機械電氣控制系統等方面的研究。

尤銀剛，羅映，孔慶祥.雙離合變速器建模仿真及分析［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，2015（5）：6 -11.

form at：YOU Yin-gang，LUO Ying，KONG Qing-xiang.Simulation Modeling and Analysisof Dual Clutch Transmission［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（5）：6-11.