陶城，夏光，汪韶杰，李旗號

（1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)汽車技術(shù)研究院，合肥230009）

并聯(lián)行星輪系雙離合自動變速器換檔規(guī)律研究

陶城1，夏光2，汪韶杰2，李旗號1

（1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)汽車技術(shù)研究院，合肥230009）

介紹并聯(lián)行星輪系雙離合自動變速器的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，基于發(fā)動機(jī)的特性制定動力性和經(jīng)濟(jì)性的基本換檔規(guī)律，并根據(jù)不同工況和駕駛意圖，建立綜合性換檔規(guī)律。建立帶有模糊自適應(yīng)PI控制器的駕駛員模型，并利用相關(guān)平臺建立目標(biāo)車型的整車動力學(xué)模型，在10-15模式循環(huán)工況下驗證綜合性換檔規(guī)律的準(zhǔn)確性與可靠性。

并聯(lián)行星輪系；雙離合自動變速器；換檔規(guī)律

雙離合自動變速器（DCT）是在手動變速器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型的自動變速器。它不僅擁有手動變速器的靈活性，而且還擁有自動變速器的舒適性，在整個換檔過程中無明顯的動力中斷現(xiàn)象。目前，制定DCT換檔規(guī)律常用兩參數(shù)換檔規(guī)律，即利用車速與油門開度，再根據(jù)整車參數(shù)以及動力傳動系統(tǒng)性能，基于特定車輛工況與行駛環(huán)境制定換檔規(guī)律。這種方法在油門開度較大時，動力性換檔規(guī)律誤差較大，不能使車輛真正發(fā)揮出最佳性能［1］。因此，本文研究采用三參數(shù)換檔規(guī)律制定動力性換檔規(guī)律和兩參數(shù)換檔規(guī)律制定經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律，并通過建立目標(biāo)車型的Matlab/Simulink/ Stateflow仿真模型，驗證所制定的換檔規(guī)律的準(zhǔn)確性和可靠性。

1　結(jié)構(gòu)及工作原理

為了保證DCT換檔過程的平順性與舒適性，本文以自主研發(fā)的8速并聯(lián)行星輪系雙離合自動變速器為研究對象，采用三參數(shù)換檔規(guī)律制定動力性換檔規(guī)律。三參數(shù)換檔規(guī)律是增加加速度作為另外一個控制參數(shù)，以進(jìn)一步反映汽車的實際操作規(guī)律，能夠改善燃油經(jīng)濟(jì)性、加速性和舒適性。

1.1并聯(lián)行星輪系DCT的結(jié)構(gòu)特點

自主研發(fā)的8速并聯(lián)行星輪系DCT的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，采用雙行星輪并聯(lián)、單輸入軸和雙中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計［2］。與傳統(tǒng)的DCT相比，它的主要變化有以下幾個方面:

1）結(jié)合了AT的行星輪系與DCT的雙離合概念，是一種新型的雙離合自動變速器。

2）采用了雙中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，避免了空心軸的結(jié)構(gòu)，降低了對制造和加工精度的要求。

3）采用了后置式的雙離合器與雙制動接合器（其功能相當(dāng)于離合器），在離合器結(jié)合時轉(zhuǎn)速小，可以有效地降低磨損。

圖1　并聯(lián)行星輪系雙離合自動變速器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2并聯(lián)行星輪系DCT工作原理

以1檔升2檔為例，如圖1所示，當(dāng)車輛以1檔行駛時，同步器2左位，制動接合器1結(jié)合，動力由輸入軸經(jīng)過一對齒輪傳遞給中間軸1，再經(jīng)行星輪系1和主減齒輪，由輸出軸輸出。當(dāng)TCU判斷車輛將由1檔換入2檔時，電液控制系統(tǒng)通過電磁閥向油缸充油，控制同步器1右位，同步器3左位，2檔便預(yù)置完成。當(dāng)換入2檔時，制動結(jié)合器2結(jié)合，同時，制動接合器1分離，動力分別由輸入軸經(jīng)過一對齒輪、中間軸，行星輪系2和主減齒輪，傳遞到輸出軸，且整個過程無明顯的動力中斷，1檔換2檔的整個過程便完成了。通過2個制動接合器、2個離合器和3個同步器的不同組合，可以實現(xiàn)8個前進(jìn)檔和2個倒檔。其它的升降檔過程與此類似。

2　換檔規(guī)律的制定

2.1發(fā)動機(jī)工作特性的擬合

發(fā)動機(jī)的工作過程很復(fù)雜，為了便于計算，采用發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲面，即發(fā)動機(jī)在不同油門開度和轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩。研究表明，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩可表達(dá)為節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速的函數(shù)，即Te=f（a，ne），對發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合，可以得到發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性曲面［3］，如圖2所示。

圖2　發(fā)動機(jī)的扭矩特性曲面

2.2動力性換檔規(guī)律的制定

動力性換檔規(guī)律是指車輛在換檔前后始終可以獲得最大加速度（或者最大驅(qū)動力）的換檔規(guī)律。本研究采用三參數(shù)換檔規(guī)律，即同時考慮油門開度，速度和加速度三者之間的關(guān)系。為了保證動力性，取同一油門開度下相鄰兩檔加速度曲線的交點作為動力性升檔曲線的換檔點，即有

由文獻(xiàn)［4］可知力平衡方程:

式中:Ttq為發(fā)動機(jī)的輸出扭矩；io為主減速器傳動比；ig為變速器傳動比；ηT為傳動效率；r為汽車車輪的滾動半徑；m為汽車的質(zhì)量；α為道路的傾角；f為汽車在道路行駛的阻力系數(shù)；Cd為汽車行駛過程的風(fēng)阻系數(shù)；A為汽車的迎風(fēng)面積。

在給定油門開度時，根據(jù)發(fā)動機(jī)實驗，可擬合扭矩特性Ttq=f（ne）為二次曲線

則可將牽引力Ftn擬合成

聯(lián)立上式（1）-（4）并化簡，可得到關(guān)于動力性換檔速度vd如下形式的平衡方程:

從而可以求出相鄰兩檔的動力性換檔點速度為:

若求出的vd為正值，且大于該油門開度下下一檔位（升檔）最小車速，并小于同一油門開度下該檔位對應(yīng)的最大速度，則所求的速度vd為相鄰兩檔的動力性換檔點的速度；否則，取該檔位下最大行駛車速作為動力性換檔點。動力性升檔曲線如圖3中實線所示。

動力性降檔曲線是在基于動力性升檔曲線的基礎(chǔ)上獲取得到的。動力性降檔規(guī)律的邊界換檔點選取原則為:

1）為了避免循環(huán)換檔現(xiàn)象，降檔車速應(yīng)比對應(yīng)的升檔車速低2～8 km/h。

2）為了避免發(fā)動機(jī)熄火，降檔車速應(yīng)大于或等于該檔位下的最低行駛車速。

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，換檔規(guī)律可用發(fā)散或收斂程度An表示:

式中:vn↑為全開油門時，n檔升為（n+1）檔的車速；vn+1↓為全開油門時，（n+1）檔降為n檔的車速。通常An應(yīng)小于0.4～0.45（工程經(jīng)驗值），同時有下降趨勢［6］。

本文采用收斂型和等延遲性組合的換檔規(guī)律，即在油門開度為［0，12%］，選取最低行駛車速為該檔位下的降檔點；油門開度為［12%，38%］時，取An=0.4；油門開度為［38%，78%］，取An=0.3；油門開度為［78%，100%］時，采用等延時換檔規(guī)律強制換檔，一般降檔車速比升檔車速低2～8 km/h。動力性降檔曲線如圖3中虛線所示。

圖3　動力性換檔規(guī)律曲線

2.3經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律的制定

經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律主要實現(xiàn)汽車換檔前后燃油消耗量始終處于最低水平。該研究選取發(fā)動機(jī)的燃油消耗率be［g/（kW·h）］作為換檔指標(biāo)，為了保證燃油經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)該取同一油門開度下相鄰兩檔燃油消耗率曲線交點作為經(jīng)濟(jì)性換檔點［7］，即有

在給定油門開度時，根據(jù)發(fā)動機(jī)實驗，可擬合小時油耗特性Qt=fn（ne）為二次曲線

發(fā)動機(jī)燃油消耗率be與小時油耗Qt之間的關(guān)系式為:

聯(lián)立式（3）、（5）、（6）、（7），可得到關(guān)于經(jīng)濟(jì)性換檔速度vj如下形式的平衡方程:

若求出vj為正值實數(shù)，且vj大于該油門開度下下一檔位（升檔）最小行駛車速，并小于同一油門開度下該檔位對應(yīng)的最大行駛速度，則所求的速度vj為相鄰兩檔的經(jīng)濟(jì)性換檔點的速度；否則，則取該檔位下最大行駛車速的小時油耗與下一檔位下（升檔）的最小行駛車速的小時油耗相比較，取小時油耗低的點的速度為相鄰兩檔的經(jīng)濟(jì)性換檔點速度［8］。經(jīng)濟(jì)性升檔曲線如圖4中實線所示。

經(jīng)濟(jì)性降檔采用等延遲換檔規(guī)律，一般降檔車速比升檔車速低2～8 km/h。經(jīng)濟(jì)性降檔曲線如圖4中虛線所示。

2.4綜合性換檔規(guī)律

為了使車輛可以適應(yīng)不同的路況和不同的駕駛意圖，需要制定兼顧動力性換檔和經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律的綜合性換檔規(guī)律來滿足這種需求［9-10］。綜合性換檔規(guī)律可以通過以下公式設(shè)計:

式中:x為動力性分配系數(shù)，y為經(jīng)濟(jì)性分配系數(shù)，x+ y=1。

綜合性換檔規(guī)律如表1所示。

表1　綜合性換檔規(guī)律

3　整車模型的建立與仿真分析

3.1駕駛員模型的建立

圖5　模糊自適應(yīng)PI控制器框圖

駕駛員模型是個復(fù)雜的控制系統(tǒng)，本文采用模糊自適應(yīng)PI控制器建立駕駛員模型［11-13］。模糊自適應(yīng)PI控制器是由模糊控制器和PI控制器通過串聯(lián)組合而成的。如圖5所示，模糊控制器的輸入為車速差e（目標(biāo)車速與實際車速之差）和加速度差ec，PI控制器的輸入為車速差e和車速差積分∫e（t）dt，模糊控制器的輸出作為PI控制器的輸入修正量，PI控制器的輸出作為油門和制動踏板開度的信號，其中△Kp和△Ki為PI調(diào)節(jié)的參數(shù)Kp和Ki實時修正量。輸入和輸出均選擇三角形和梯形函數(shù)的組合，如圖6所示。速度差e和加速度差ec的論域為［-2，2］，其模糊子集為［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］；輸出變量△Kp和△Ki的論域分別為［-0. 15，0.15］、［-0.03，0.03］，其模糊子集為［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］。根據(jù)以上分析建立模糊規(guī)則，如表2和表3所示。

圖6　輸入量與輸出量的隸屬度函數(shù)

表2　△Kp的車速跟蹤模糊規(guī)則

表3　△Ki的車速跟蹤模糊規(guī)則

圖7　目標(biāo)車型的整車仿真模型

圖8　車輛模擬仿真信息圖

3.2整車模型的建立及仿真結(jié)果分析

利用Matlab/Simulink/Stateflow建立目標(biāo)車型的整車動力學(xué)模型，如圖7所示。該模型包括駕駛員模型、發(fā)動機(jī)模型、變速器模型、換檔邏輯模型、車輛動力學(xué)模型等。

為了驗證綜合換檔規(guī)律的準(zhǔn)確性，采用10-15模式循環(huán)工況進(jìn)行仿真。該循環(huán)工況是由3個10模式和1個15模式組成，總運行距離為4.16 km，總運行時間為660 s，最大車速為70 km/h，平均車速22.7 km/h。

循環(huán)工況下車速跟隨情況，如圖8（a）所示，目標(biāo)車速曲線和實際車速曲線大體一致，滿足國家汽車試驗標(biāo)準(zhǔn)的±2 km/h的精度要求［14］。由圖8（b）還可知，在整個循環(huán)工況下，沒有出現(xiàn)循環(huán)換檔現(xiàn)象，可以說明針對所配備并聯(lián)行星輪系雙離合自動變速器的目標(biāo)車型所制定的換檔規(guī)律是準(zhǔn)確與合理的。

4　結(jié)束語

應(yīng)用Matlab/Simulink/Stateflow仿真軟件建立了基于模糊自適應(yīng)PI控制器和目標(biāo)車型的整車動力學(xué)模型，并對所設(shè)計的綜合性換檔規(guī)律進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明所制定的換檔規(guī)律滿足汽車的行駛要求。對于DCT系統(tǒng)而言，合理的換檔規(guī)律是實現(xiàn)自動變速的前提。該研究為后期的臺架試驗提供了基礎(chǔ)，可以縮短自主研發(fā)并聯(lián)行星輪系雙離合自動變速器的進(jìn)程。

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修改稿日期:2016-04-29

Shift Ru leResearch on the Dual-clutch Automatic Transm ission w ith

ParallelPlanetary Gear Train Tao Cheng1，XiaGuang2，WangShaojie2，LiQihao1
（1.SchoolofMechanicaland Automotive Engineering，HefeiUniversity ofTechnology，Hefei230009，China；2.InstituteofAutomotive Engineering，HefeiUniversity of Technology，Hefei230009，China）

The structural characteristicsand theworking principlesof the dual-clutch automatic transmission with parallel p lanetary gear train are introduced.The basic shift rulesabout power and economy are formulated based on theengine characteristics.And the comprehensive shiftrule is founded according todifferentworking conditionsand driving intentions.A drivermodelwith fuzzy self-adaptive PIcontroller isestablished，and thedynamicmodelof the targetvehicle is founded byusing relativeplatforms.Then theaccuracyand reliabilityof the comprehensiveshift rule isverified through the10-15mode cycle conditions.

parallelplanetarygear train；dual-clutch automatic transmission；shift rule

463.212+.2

A

1006-3331（2016）05-0008-05

安徽省科技攻關(guān)項目（12010202032）

陶城（1991-），男，碩士；研究方向:雙離合自動變速器換檔規(guī)律研究。