李鴻魁，魯統(tǒng)利，張建武

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

雙離合自動(dòng)變速器同步器監(jiān)控策略開發(fā)?

李鴻魁，魯統(tǒng)利，張建武

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

由于雙離合自動(dòng)變速器同步過程的復(fù)雜性，開環(huán)控制策略無法獲得良好的控制效果。為改善同步器的控制性能，將同步過程分為6個(gè)階段并進(jìn)行了詳細(xì)分析，建立了各階段的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)同步過程的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，針對(duì)同步器模型提出了一種監(jiān)控策略，將接合套的位移和輸入軸與輸出軸轉(zhuǎn)速代入各階段的動(dòng)力學(xué)方程來估計(jì)同步器所處的階段，并設(shè)計(jì)不同的子控制器來控制各階段的換擋同步力。實(shí)車對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的監(jiān)控策略能有效降低同步延遲，減少了二次沖擊的影響，有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

雙離合自動(dòng)變速器；同步器；監(jiān)控策略

前言

目前，雙離合自動(dòng)變速器(DCT)因其可無動(dòng)力中斷地從一個(gè)離合器轉(zhuǎn)換到另一個(gè)離合器而被越來越多地應(yīng)用到車輛上[1]。與傳統(tǒng)手動(dòng)變速器不同，雙離合自動(dòng)變速器依靠控制系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)同步器操作以順利完成換擋同步操作。

早期同步器的研究主要集中于同步器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力特性[2-4]。近些年，對(duì)于同步器的研究已經(jīng)逐漸延伸到雙離合自動(dòng)變速器領(lǐng)域。雙離合自動(dòng)變速器同步器的設(shè)計(jì)和開發(fā)最早由Razzacki[5]和Walker等人[6-8]提出。由于同步器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及不連續(xù)的動(dòng)力特性，其控制問題十分復(fù)雜。文獻(xiàn)[9]中提出了一種同步器分階段控制方法，但是該方法無法處理由同步器部件磨損導(dǎo)致的控制性能下降的問題。因此，需要開發(fā)一種自適應(yīng)控制策略來更好地實(shí)現(xiàn)換擋同步過程。

本文中將集中分析和開發(fā)一種新的監(jiān)控方法，討論監(jiān)控內(nèi)在的自適應(yīng)特性。

1 雙離合器自動(dòng)變速器同步器數(shù)學(xué)模型

典型的鎖環(huán)式同步器由接合套、同步鎖環(huán)、花鍵轂、同步器定位銷和待接合齒輪組成，其部件分解圖如圖1所示。

圖1 鎖環(huán)式同步器部件分解圖

根據(jù)同步器不同部件之間的相互作用，同步過程可以被分為6個(gè)階段。

階段1：第一次自由行程。在這個(gè)階段，同步器接合套帶著同步環(huán)軸向移動(dòng)以消除同步環(huán)與待接合齒輪齒圈的間隙。此階段的動(dòng)力學(xué)方程為

式中：mt為同步器接合套、同步環(huán)及定位銷的質(zhì)量之和；ssl為接合套位移；Fa為軸向力；Ffric為零部件之間的摩擦力；Jtg為目標(biāo)齒輪處的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωtg為目標(biāo)齒輪的角速度；ωsl為同步器接合套角速度；icg和itg分別為當(dāng)前擋位和目標(biāo)擋位的傳動(dòng)比；TD為輸入軸處的阻力矩。

階段2：克服定位銷阻力。在這個(gè)階段，同步器接合套將克服定位銷阻力，繼續(xù)軸向移動(dòng)。此階段的動(dòng)力學(xué)方程為

式中：FBTL為定位銷阻力；μc為同步環(huán)與待接合齒輪齒圈之間的摩擦因數(shù)；Rc為摩擦面的平均半徑；αc為摩擦面的半錐角。

階段3：同步階段。在這個(gè)階段，同步環(huán)和待接合齒輪齒圈之間的摩擦力產(chǎn)生了一個(gè)摩擦力矩，它使兩者的轉(zhuǎn)速差逐漸縮小，直到轉(zhuǎn)速相同。此階段的動(dòng)力學(xué)方程為

階段4：撥環(huán)階段。在這個(gè)階段，同步器接合套將撥轉(zhuǎn)同步環(huán)以實(shí)現(xiàn)與其嚙合。此階段的動(dòng)力學(xué)方程為

式中：Jsr為同步環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；μch為齒間摩擦因數(shù)；φ為齒端角；RI為同步器接合套外齒的分度圓半徑。

階段5：第二次自由行程。在這個(gè)階段，同步器接合套軸向移動(dòng)以消除接合套外齒齒端與待接合齒輪齒圈齒端的軸向間隙。此階段的動(dòng)力學(xué)方程為

階段6：同步完成階段。在這個(gè)階段，同步器接合套撥轉(zhuǎn)待接合齒輪以完成整個(gè)同步過程。此階段的動(dòng)力學(xué)方程為

2 同步器自適應(yīng)監(jiān)控策略

一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)如果既包含連續(xù)的動(dòng)力學(xué)特性也包含離散的動(dòng)力學(xué)特性，則該動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[10]。當(dāng)某些離散事件發(fā)生時(shí)，連續(xù)的動(dòng)力學(xué)特性與離散的動(dòng)力學(xué)方程相互轉(zhuǎn)換。

同步過程就是一個(gè)典型的混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。每一個(gè)階段都是一個(gè)線性連續(xù)的子系統(tǒng)。但是階段間的轉(zhuǎn)換是離散的事件。

經(jīng)典的控制方法在處理復(fù)雜的混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的控制問題上有不足。而監(jiān)控理論(supervised control theory)已經(jīng)被證明是一種有效處理混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的控制方法[11]。根據(jù)每個(gè)線性連續(xù)的子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性而開發(fā)相應(yīng)的子控制器。而當(dāng)某些特定的變量發(fā)生變化，即切換條件被滿足時(shí)，監(jiān)督模塊(supervisor)將根據(jù)切換條件來選擇相應(yīng)的子控制器。因?yàn)榍袚Q的節(jié)點(diǎn)可根據(jù)切換條件的變化而改變，所以切換控制具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性。圖2為同步器監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖中，6個(gè)獨(dú)立的子控制器和1個(gè)監(jiān)督模塊共享同樣的輸入和傳感器信號(hào)。每個(gè)子控制器提供一個(gè)獨(dú)立不相關(guān)的輸出控制信號(hào)。監(jiān)督模塊根據(jù)特定的切換條件選擇對(duì)應(yīng)當(dāng)前階段的子控制器，當(dāng)一個(gè)子控制器輸出控制信號(hào)時(shí)，其他子控制器無法輸出控制信號(hào)，避免引起控制邏輯錯(cuò)誤導(dǎo)致錯(cuò)誤操作。

圖2 同步器監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)監(jiān)督模塊識(shí)別到切換條件被觸發(fā)時(shí)，新的子控制器將會(huì)代替當(dāng)前的子控制器。在新子控制器的控制參數(shù)被采用時(shí)，控制信號(hào)可能會(huì)發(fā)生突變。為避免階段轉(zhuǎn)換之間控制信號(hào)發(fā)生不連續(xù)的突變，可限制控制信號(hào)的變化率。當(dāng)控制電流變化率到達(dá)門限值時(shí)，控制電流將不會(huì)繼續(xù)增加，而是保持不變。

2.1 各階段子控制器

根據(jù)各階段不同的動(dòng)力學(xué)方程設(shè)計(jì)了相應(yīng)的子控制器和控制目標(biāo)軌跡。階段1、階段2和階段5是直線運(yùn)動(dòng)，階段3是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，階段4和階段6為混合運(yùn)動(dòng)階段。

直線運(yùn)動(dòng)階段控制器都是類似的，區(qū)別僅在于控制變量的參考值，采用PID閉環(huán)控制。控制目標(biāo)為同步器接合套的速度，通過調(diào)整同步器接合套的速度與目標(biāo)速度的差來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，控制原理如圖3所示。

圖3 直線運(yùn)動(dòng)階段控制原理圖

圖4為階段1和階段2的目標(biāo)位移。階段5由于行程極短，無需設(shè)計(jì)單獨(dú)的控制器，通過階段4控制所帶來的慣性即可完成。

圖4 階段1和階段2的目標(biāo)位移

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)階段采用開環(huán)控制，根據(jù)式(5)同步階段的動(dòng)力學(xué)方程求得所需的同步力。

以升擋過程為例，將式(5)改寫成式(11)，其中阻力矩TD可由經(jīng)驗(yàn)值提供或根據(jù)實(shí)驗(yàn)估算出。

式中：t0為轉(zhuǎn)速同步階段開始時(shí)刻；t1為轉(zhuǎn)速同步階段結(jié)束時(shí)刻。

假設(shè)換擋同步力Fa和阻力矩TD在轉(zhuǎn)速同步前階段都不隨時(shí)間而變化，則式(12)可進(jìn)一步改寫為

其中Δt=t1-t0

同步器的接合套和輸出軸與整車相連，而整車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)較大，因此轉(zhuǎn)速同步階段同步器接合套的轉(zhuǎn)速變化可以忽略，則可認(rèn)為轉(zhuǎn)速同步階段結(jié)束時(shí)待接合齒輪的角速度ωtg(t1)與轉(zhuǎn)速同步階段開始時(shí)同步器接合套的角速度ωsl(t0)相同。式(13)左端可以改寫成JtgΔω(t0)，換擋同步力Fa可以根據(jù)式(13)求出：

根據(jù)式(14)，只須確定所需的Δt，即可確定轉(zhuǎn)速同步階段所需的換擋同步力Fa。由于旋轉(zhuǎn)階段較為穩(wěn)定，采用固定的Δt值，為100ms。

混合運(yùn)動(dòng)階段指的是撥環(huán)階段和接合套與待接合齒輪嚙合階段，這兩個(gè)階段具有類似的動(dòng)力學(xué)特性，既存在軸向直線運(yùn)動(dòng)，又存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在混合運(yùn)動(dòng)階段，軸向位移ΔX和周向位移ΔY的幾何關(guān)系如圖5所示。

圖5 混合運(yùn)動(dòng)階段軸向位移ΔX和周向位移ΔY的幾何關(guān)系

混合運(yùn)動(dòng)階段，同步器接合套需要克服阻力矩才能順利完成嚙合，因此混合運(yùn)動(dòng)階段的控制策略主要依據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡來制訂。如果接合套產(chǎn)生的撥環(huán)力矩過小，不足以克服阻力矩，則會(huì)導(dǎo)致同步延遲甚至失敗；如果接合套產(chǎn)生的撥環(huán)力矩過大，則會(huì)造成沖擊。由以上分析可知，閉環(huán)控制比開環(huán)控制更適合混合運(yùn)動(dòng)階段。但是閉環(huán)控制的問題在于如果混合運(yùn)動(dòng)階段與前一階段的控制信號(hào)幅值相差太多，會(huì)引起二次沖擊。為解決二次沖擊的問題，將混合運(yùn)動(dòng)階段的閉環(huán)控制器分成兩層來實(shí)現(xiàn)。第一層將換擋同步力調(diào)整至能平衡阻力矩的大小，第二層是以待接合齒輪轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)的閉環(huán)控制。分布式的結(jié)構(gòu)可有效地解決二次沖擊的問題。

2.2 切換條件

當(dāng)切換條件被滿足時(shí)就執(zhí)行切換操作，從一個(gè)子控制器切換到另一個(gè)子控制器。當(dāng)檢測(cè)到某些狀態(tài)變量的特定變化時(shí)，則認(rèn)為相應(yīng)的切換條件被觸發(fā)，相應(yīng)的子控制器被激活，而之前的子控制器則被關(guān)閉。

根據(jù)對(duì)同步過程的分析，不同階段間的切換條件如表1所示。

表1 監(jiān)控各階段間切換條件

階段1是第一次自由行程階段，因此階段1與階段2之間的切換條件為同步器位移s1，當(dāng)同步器接合套軸向移動(dòng)了s1就認(rèn)為階段一結(jié)束。階段2是同步器接合套克服定位銷阻力繼續(xù)軸向移動(dòng)的階段，當(dāng)同步器接合套進(jìn)入鎖止位置，則認(rèn)為階段2完成，因此階段2與階段3之間的切換條件為同步點(diǎn)s2。階段3待接合齒輪轉(zhuǎn)速與同步器接合套轉(zhuǎn)速逐漸同步，直到兩者轉(zhuǎn)速相同，則認(rèn)為階段3完成，因此階段3與階段4之間的切換條件為ωsl=ωtg。階段4為撥環(huán)階段，同步器接合套將同步環(huán)撥轉(zhuǎn)，直到同步器接合套與同步環(huán)嚙合，當(dāng)同步器接合套軸向移動(dòng)了s3，則認(rèn)為階段4結(jié)束。階段5為同步器接合套與待接合齒輪嚙合階段，同步器接合套撥轉(zhuǎn)待接合齒輪直到同步器接合套與待接合齒輪嚙合，因此階段5與階段6之間的切換條件為s=s4。

2.3 基于狀態(tài)方程的切換條件

表1所示的切換條件并不具有自適應(yīng)性，公差和磨損會(huì)導(dǎo)致同步器部件之間的初始相對(duì)位置發(fā)生變化，導(dǎo)致切換條件不再適用。

將前面推導(dǎo)的同步器各階段動(dòng)力學(xué)方程寫成狀態(tài)方程，階段1的狀態(tài)方程如式(15)所示。階段2到階段7的狀態(tài)方程與階段1的類似，不同的只是狀態(tài)矩陣和輸入矩陣。

其中

將控制輸入代入各階段的狀態(tài)方程，可算出在該控制輸入下的狀態(tài)變量值，將計(jì)算出的狀態(tài)變量的值x1，x2，…，x7與傳感器測(cè)得的值相減，可以得到相應(yīng)的誤差en(n=1，2，…，7)：

對(duì)誤差en取2-范數(shù)‖en‖2，根據(jù)其最小誤差min(‖en‖)所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)方程，則可確定當(dāng)前同步器所處的階段。由于同步過程各階段的動(dòng)力學(xué)特性區(qū)別很大，計(jì)算出的en也有較大的差異。

當(dāng)同步器系統(tǒng)處于平動(dòng)相階段時(shí)，根據(jù)平動(dòng)相狀態(tài)方程計(jì)算出的狀態(tài)變量xt與傳感器測(cè)得的實(shí)際狀態(tài)量在各維度上的誤差都較小；而相同的控制輸入代入轉(zhuǎn)動(dòng)相狀態(tài)方程計(jì)算出的狀態(tài)變量xr在各個(gè)維度上與實(shí)際狀態(tài)量都存在較大誤差：

根據(jù)以上分析可知，將控制輸入代入各階段的狀態(tài)方程計(jì)算出相應(yīng)的狀態(tài)變量，并與傳感器測(cè)量值相減并取2-范數(shù)，2-范數(shù)最小的誤差值所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)方程即可確定同步器實(shí)際所處的階段。

通過狀態(tài)方程來判斷同步器系統(tǒng)所處階段，當(dāng)對(duì)應(yīng)最小的誤差2-范數(shù)的階段發(fā)生變化時(shí)，則認(rèn)為切換條件被滿足，系統(tǒng)從一個(gè)子控制器切換到另一個(gè)子控制器。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了評(píng)價(jià)同步器自適應(yīng)監(jiān)控策略，進(jìn)行了實(shí)車實(shí)驗(yàn)。同步器接合套位移通過同步器撥叉上的永磁鐵與變速器控制器中的霍爾傳感器的相互作用來測(cè)量，如圖6所示。

待接合齒輪的轉(zhuǎn)速根據(jù)輸入軸轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的輸入軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行換算，同步器接合套轉(zhuǎn)速根據(jù)輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的輸出軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算。輸入軸及輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器布置如圖7所示。

圖8為開環(huán)控制策略在2擋升3擋同步過程中的表現(xiàn)，各階段的換擋同步力已提前標(biāo)定好。

根據(jù)對(duì)整個(gè)換擋過程持續(xù)時(shí)間的要求，通常情況下整個(gè)同步過程的持續(xù)時(shí)間應(yīng)小于250ms。而在此工況下，同步過程持續(xù)了約850ms，存在顯著的同步延遲問題。由于開環(huán)控制策略為確保同步過程能完成，在同步時(shí)間超過一定限度的情況下會(huì)給出一個(gè)很大的脈沖命令，以確保同步器接合套不會(huì)被卡住而導(dǎo)致?lián)Q擋同步失敗，如圖8(c)所示。

圖6 永磁鐵及變速器控制核心上的霍爾傳感器

圖7 輸入軸及輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器的布置

由圖8可見，階段4和階段6的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，即撥環(huán)階段和同步器接合套與待接合齒輪嚙合階段出現(xiàn)了同步延遲。原因是開環(huán)系統(tǒng)沒有檢測(cè)到階段4已經(jīng)完成，而是單純地按照標(biāo)定的換擋同步力來操作，如果該同步力未能克服傳動(dòng)系統(tǒng)中的阻力矩，同步器接合套就會(huì)被卡在原位無法繼續(xù)軸向移動(dòng)，無法順利地完成撥環(huán)階段和同步器接合套與待接合齒輪的嚙合階段。開環(huán)控制策略將輸入軸處的阻力矩視為固定值，然而在很多工況下阻力矩都會(huì)大于該固定值。當(dāng)阻力矩大于設(shè)計(jì)值時(shí)，換擋同步力無法克服阻力矩而使得同步器接合套無法軸向移動(dòng)。

將同步過程監(jiān)控策略應(yīng)用于該工況，結(jié)果如圖9所示。由圖9(c)可見，混合運(yùn)動(dòng)階段子控制器通過閉環(huán)控制將換擋同步力調(diào)整到合適的值，克服輸入軸處的阻力矩，使得同步器接合套可順利完成階段4。階段4的持續(xù)時(shí)間從圖8中的約300ms降低到圖9中的約30ms。整個(gè)同步時(shí)間從圖8中的850ms降低到圖9中的250ms左右。根據(jù)上述分析，監(jiān)控通過計(jì)算切換條件來準(zhǔn)確估計(jì)目前所處的階段，并根據(jù)各階段的子控制器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，解決了同步延遲的問題，極大地改善了控制器性能。

由圖8(c)和圖9(c)的對(duì)比可見，同步過程監(jiān)控階段間控制信號(hào)過渡較好，沒有控制信號(hào)突變發(fā)生，而開環(huán)控制策略沒有限制控制信號(hào)的突變，在階段4結(jié)束階段出現(xiàn)了控制突變的情況，造成了二次沖擊和噪聲，影響了同步過程的平順性，縮短了同步器零部件的壽命。

圖8 升擋同步過程開環(huán)控制策略的表現(xiàn)

圖9 升擋同步過程監(jiān)控策略的表現(xiàn)

4 結(jié)論

本文中分析了雙離合自動(dòng)變速器同步過程，推導(dǎo)了同步器的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)同步過程的非線性特點(diǎn)提出了一種新的監(jiān)控策略，針對(duì)不同的階段設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的子控制器，并根據(jù)狀態(tài)方程給出了各階段間的切換條件。對(duì)該控制策略進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該控制策略將同步過程的時(shí)間控制在250ms左右，優(yōu)于現(xiàn)有的開環(huán)控制策略，改善了雙離合自動(dòng)變速器同步器的工作效率，有著很好的工程實(shí)用性。

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Development of Monitoring Strategy for Synchronizer in Dual Clutch Transmission

Li Hongkui，Lu Tongli＆Zhang Jianwu
School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240

Due to the complexity of the synchronization process of dual clutch transmission，open loop control strategy can't achieve good effects.For improving the control performance of synchronizer，the synchronization process is divided into six phases for detailed analysis.The mathematical model for each phase is set up，and a monitoring strategy for synchronizer model is proposed based on the dynamic features of synchronizing process.The displacement of engaging sleeve and the rotating speeds of input and output shafts are substituted into the dynamics equation for each phase to estimate the phase of synchronizer，and different sub-controllers are designed for controlling the shifting force in each phase.The results of real vehicle comparative test show that the monitoring strategy proposed can effectively reduce synchronizing delay and the reverse effects of secondary shock，highly worthy of engineering application.

dual clutch transmission；synchronizer；monitoring strategy

?國(guó)家自然科學(xué)基金(51175326)資助。

原稿收到日期為2016年2月25日，修改稿收到日期為2016年5月20日。

魯統(tǒng)利，副教授，博士，E-mail：tllu＠sjtu.edu.cn。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.011