付永超

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

雙離合器變速箱同步器換檔控制方法與應(yīng)用

付永超

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

DCT同步器換檔控制是DCT控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。如何確保DCT掛檔迅速，換檔沖擊小、異響小，避免打齒、掛檔失敗，這對(duì)于DCT的控制意義非常重大。文章對(duì)同步器換檔過程進(jìn)行細(xì)分，并依據(jù)同步器換擋過程的不同階段提出其所需控制原理?；谠摽刂圃硖岢隽藫Q檔過程各個(gè)關(guān)鍵階段/點(diǎn)所需換檔力的計(jì)算及控制方法和換檔速度測(cè)試及控制方法。最后通過將該換檔過程控制原理及計(jì)算/測(cè)量方法在某款車型匹配DCT的某檔位進(jìn)行計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明控制方法的有效性、合理性。

雙離合器變速箱（DCT）；同步器；換檔過程；換檔力；換檔速度

前言

因DCT效率高、換檔速度快和最大限度利用手動(dòng)變速器生產(chǎn)投資等優(yōu)點(diǎn)，受到各大汽車廠家的重視，被廣泛開發(fā)。而目前DCT開發(fā)過程中常會(huì)遇到因同步器的控制不當(dāng)，造成換擋時(shí)間長、換擋異響、換擋打齒、掛檔失敗，這直接影響了DCT的性能舒適性和功能安全性。

本文基于 DCT中同步器換檔過程的各個(gè)階段提出其各階段所需控制原理，從而對(duì)同步器換檔過程各個(gè)階段進(jìn)行分階段區(qū)分控制，解決 DCT同步器換擋過程中遇到的上述問題。

1 DCT同步器換檔過程控制原理及計(jì)算測(cè)量模型

1.1 換檔過程撥叉位置圖

根據(jù)DCT換檔撥叉過程位移的采集數(shù)據(jù)，將換檔過程中各個(gè)階段撥叉物理位置歸納如下圖1：

圖1 換擋過程中撥叉位置圖

1.2 DCT中同步器換檔部件總成簡圖

歸納DCT同步器換檔相關(guān)部件總成簡圖如圖2：

圖2 歸納DCT同步器換檔部件總成簡圖

1.3 換檔過程中各個(gè)階段同步器控制原理及計(jì)算和測(cè)量模型

基于1.1同步器換檔過程各細(xì)分位置，分析出適應(yīng)其換檔過程控制的原理及計(jì)算測(cè)量模型如下：

1.3.1 空檔位置&第一次空滑行（O&O-A階段）

控制原理：在該階段影響同步器換擋功能和性能的核心因素為換擋力的設(shè)定。在該過程需要換檔力足夠大克服撥叉定位銷、同步器滑塊、活塞摩擦、反向活塞阻礙等阻力，保證掛檔成功。另外，為縮短換檔時(shí)間，可給予較大的換檔力F出空檔/換檔速度V1以增大在過程中齒套移動(dòng)速度。

計(jì)算模型：

①活塞阻力

無法準(zhǔn)確計(jì)算，可由活塞專項(xiàng)試驗(yàn)（原理：在圖2中，用液壓僅推動(dòng)反向活塞/液壓作用活塞，記錄當(dāng)時(shí)壓力）得，F(xiàn)1反向活塞阻力（圖2中5），F(xiàn)2液壓作用活塞摩擦阻力（圖2 中 4）。

②撥叉定位銷軸向阻力

以經(jīng)典的定位銷和“鞍背式”自鎖槽為例，撥叉定位銷換擋過程軸向阻力（分析如圖3）為：

其中，F(xiàn)彈為撥叉定位銷彈力；θ為正壓力 N與水平方向夾角；μ—鋼與鋼之間摩擦系數(shù)。

③同步器滑塊軸向阻力

同步器滑塊檔過程中軸向阻力（分析如圖4）為：

其中， F'彈為滑塊彈力；r為正壓力N與水平方向夾角；μ鋼與鋼之間摩擦系數(shù)；n—滑塊數(shù)量。

圖3 （撥叉定位銷軸向阻力）

圖4 （同步器滑塊軸向阻力）

④慣性力

其中，S為 O-A位移長度；m1為同步器齒套質(zhì)量；m2為撥叉質(zhì)量；t 為O-A階段換檔時(shí)間t s。

⑤空檔換檔力總結(jié)

根據(jù)之前控制原理分析，該過程核心控制為換檔力的大小，計(jì)算出空檔力公式如下：

結(jié)論：該階段換檔力要大于上述最大出空檔力，否則同步器撥叉可能無法完成出空檔動(dòng)作。

1.3.2 預(yù)同步位置（A-B階段）

控制原理：在該過程中需要給予同步環(huán)與摩擦對(duì)偶面足夠的漸接觸時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)：①、建立摩擦系數(shù)；②、減緩輸入軸轉(zhuǎn)速初始變化速度。故這段應(yīng)控制換檔速度不能過快。另外，為保證同步環(huán)與摩擦對(duì)偶面間摩擦系數(shù)的建立，應(yīng)在這階段保證一定大小的換檔力。換檔力過小，建立摩擦系數(shù)時(shí)間會(huì)偏長，換檔力過大則可能在摩擦系數(shù)建立之前將同步環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)半個(gè)齒，故一般該階段的換檔力比 O-A過程中一致或略大即可。

測(cè)量模型：此處因不同摩擦材料、對(duì)偶面、溫度及油品的運(yùn)動(dòng)粘性等均對(duì)預(yù)同步階段速度限值均有影響，故不能直接準(zhǔn)確計(jì)算理論換檔速度。需要通過在臺(tái)架（或整車）上對(duì)預(yù)同步階段的換擋速度進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試。簡化方法為：①、確定測(cè)試的DCT整箱（這確定了同步器的摩擦對(duì)偶件、摩擦材料、油品）；②、設(shè)定試驗(yàn)溫度工況（T0、T1、…….Tn），根據(jù)油品運(yùn)動(dòng)粘度的反切特性，溫度點(diǎn)的設(shè)定規(guī)則為低溫點(diǎn)密、高溫疏；③、根據(jù)空擋位置換擋力的計(jì)算設(shè)置換擋力（f-1、f0、f1、f2……f6），f0為空擋位置計(jì)算數(shù)值，f-1為 50%f0，f1為 150%f0，至 f6為 400%f0；④、設(shè)定這階段的換擋速度工況（v1、…….v10），v1至v10均分0%-100%vmax（整箱系統(tǒng)換擋速度極限）。

預(yù)同步位置測(cè)試結(jié)論：當(dāng)齒套移動(dòng)在（B，T2）點(diǎn)時(shí)速度V2

1.3.3 同步位置（B，T2-T3階段）

控制原理：在該過程中應(yīng)控制足夠大的換檔力，以便盡快的完成檔位齒輪與輸出軸的同步，其主要受DC拖曳扭矩[1]、轉(zhuǎn)速差和設(shè)定同步時(shí)間的影響。此處可計(jì)算理論等效換檔力，同步位置等效換檔力FB[2]是取等效同步換檔力和等效解鎖換檔力兩者之間的較大值（FB=max（F同步，F(xiàn)解鎖））。

計(jì)算模型：

①B點(diǎn)等效同步換檔力計(jì)算

同步過程所需同步力計(jì)算綜合等效公式為：

其中，Δω為從動(dòng)齒輪同步前后變化轉(zhuǎn)速差；J為由輸入端各相關(guān)旋轉(zhuǎn)慣量等效得到同步慣量；Tc檔位上的拖拽扭矩；Cb—同步環(huán)特性同步容量；t為設(shè)定同步時(shí)間。

同步過程所需換檔力為：

②B點(diǎn)等效解鎖換檔力計(jì)算

同步后撥環(huán)過程所需解鎖力計(jì)算公式為：

其中，Tc為檔位上拖拽扭矩；β為同步環(huán)鎖止角；Rk為同步環(huán)鎖止半徑；ρ2為鎖止面間摩擦角。

解鎖過程所需換檔力為：

③B點(diǎn)換檔力總結(jié)

該過程中實(shí)際換檔力等效力不小于理論等效換檔力FB，避免出現(xiàn)掛檔時(shí)間長、掛檔位置卡在同步位置，甚至退回空檔。在B點(diǎn)位置齒套與同步環(huán)處于鎖止?fàn)顟B(tài)，故該點(diǎn)換檔速度V3需保持較低值。

1.3.4 第二次空滑行（B-C）

控制原理及測(cè)量模型：從同步器及撥叉操縱機(jī)構(gòu)上分析，B-C過程中無特別明顯的阻力，理論上只需保持較小換檔力克服活塞阻力及定位銷和滑塊摩擦力即可。但在DCT中若簡化控制，可設(shè)定該階段換擋力與二次沖擊位置換擋力一致，既為二次沖擊做準(zhǔn)備又可提升換擋速度。另外，本階段應(yīng)盡可能縮短空滑行時(shí)間，以避免因拖曳扭矩再次出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差而造成齒套與結(jié)合齒結(jié)合時(shí)發(fā)生打齒異響。

第二次空滑行測(cè)試結(jié)論：第二次空滑行階段平均速度V4>V0

‘mm/s(V0‘可在預(yù)同位置速度測(cè)試中同時(shí)完成，具體限值主要受離合器的拖曳扭矩和不同溫度下的油品運(yùn)動(dòng)粘性等影響）。

1.3.5 齒套結(jié)合齒開始結(jié)合位置（C，二次沖擊點(diǎn)）

控制原理：在C點(diǎn)位置應(yīng)保證有足夠的換檔力來提供反轉(zhuǎn)力矩，并克服相應(yīng)過程阻力。且實(shí)際控制換檔力的等效力不能小于計(jì)算的理論等效換檔力時(shí)，否則會(huì)出現(xiàn)：掛檔位置卡在二次沖擊位置，甚至退回空檔。

計(jì)算模型：撥環(huán)解鎖力計(jì)算公式同（2-3），通過上述計(jì)算得到C點(diǎn)處所需的換檔力約為FC。

1.3.6 第三次空滑行階段&完全結(jié)合位置（C-D&D）

控制原理：C-D過程中無明顯阻力，僅需克服滑塊摩擦阻力和定位銷摩擦阻力、活塞阻力、反向液壓缸阻力及慣性力的合力 FD。實(shí)際控制時(shí) C-D過程中換檔力不宜過小，避免出現(xiàn)同步器掛檔嚙合長度不足引起脫檔。至D點(diǎn)時(shí)避免換檔速度/換檔力過大，容易引起明顯的撞擊聲。

計(jì)算/測(cè)量模型：FD計(jì)算公式同（2-1）。V5可在預(yù)同位置速度測(cè)試中同時(shí)完成。

1.3.7 對(duì)上述控制原理采用連續(xù)示意圖表示如下

DCT中同步器換擋流量速度控制示意如下圖5DCT中同步器換擋力控制示意如下圖6。

圖5

圖6

圖5中V1為出空檔、V2為預(yù)同步、V3同步、V4第二次空滑行、V5第三次次空滑行。

圖 6 中圖中 F1為 F出空檔、F2為 F預(yù)同步、F3為 F同步、F4為 F解鎖、F5為 F掛檔結(jié)束。

2 換檔過程控制原理驗(yàn)證

根據(jù)上述原理在某DCT的2、3檔進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，總結(jié)部分對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果如下：

2.1 空檔位置&第一次空滑行（O&O-A階段）

圖7 （正常換擋行程為10mm，撥叉位移僅達(dá)到了3.2mm）

該 DCT2 檔 F撥叉定位銷阻力max為 51.886N、F滑塊阻力max為52.41N、F1+ F2活塞阻力為 25N，活塞面積為 25mm。當(dāng)測(cè)試時(shí)換擋壓力約為165kpa/換擋力81N，小于完成空檔位置&第一次空滑行的基本換擋力129.296N，即空檔位置&第一次空滑行實(shí)際作用換擋力不足，撥叉無法出空檔后完成第一次空滑行，采集數(shù)據(jù)如圖7。

2.2 預(yù)同步過程（A-B階段）

采用預(yù)同步過程的測(cè)試模型，針對(duì)該DCT 3檔進(jìn)行常溫（20℃至35℃）測(cè)試，該檔摩擦材料為碳HC110，變速箱油品為FFL-2，對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果如下：

圖8 （換檔速度＞75mm/s，無同步，打齒）

圖9 （換檔速度61mm/s， 有同步，無打齒）

小結(jié)：由上述試驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證預(yù)同步過程（A-B）的換檔速度存在限值V0，通過試驗(yàn)證明要確保齒套在（B，T2）點(diǎn)線速度

2.3 同步位置（B，T2-T3階段）&齒套結(jié)合齒開始結(jié)合位置（C，二次沖擊點(diǎn)）

根據(jù)該DCT系統(tǒng)的0.2s轉(zhuǎn)速同步時(shí)間要求，檔位拖曳扭矩Tc為15.714Nm，所選用同步器的Cb為0.084Nm/N，β為42.5o，Rk為45.9mm，ρ2為0.1，計(jì)算同步500rpm轉(zhuǎn)速差所用換擋力為400N，解鎖力Fc為497N。給予換擋撥叉600kpa/300N的換擋力，小于所需求的同步力和解鎖力，測(cè)試結(jié)果如下：

圖10 （同步時(shí)間延長為0.3s，撥叉位移僅達(dá)到了6.5mm，即二次沖擊位置）

2.4 二次空滑行（B-C）

試驗(yàn)驗(yàn)證條件與3.2相同，對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果如下：

圖11 （換檔速度41mm/s，形成轉(zhuǎn)速差，打齒）

圖12 （換檔速度82mm/s， 幾乎無轉(zhuǎn)速差）

小結(jié)：由上述試驗(yàn)結(jié)果可得預(yù)同步過程（A-B）的換檔速度存在限值 V0‘，通過試驗(yàn)證明要確保齒套在（C，T3）點(diǎn)線速度＞V0‘mm/s才可有效避免因拖曳扭矩再次出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差而造成打齒異響。

2.5 第三次空滑行階段&完全結(jié)合位置（C-D&D）

前面提到該階段在完全結(jié)合時(shí)，所采用的換擋力和換擋速度不能過大，否則會(huì)造成較為嚴(yán)重的換擋撞擊響聲。采用與2.2相同試驗(yàn)驗(yàn)證條件進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如下：

圖13 （換擋速度161mm/s，換擋力為393N）

圖14 （換擋速度41mm/s， 換擋力為196.5N）

2.6 小結(jié)

通過上述驗(yàn)證結(jié)果表明，本文所述的DCT同步器換檔控制方法是有效的。

3 結(jié)論

本文從分析同步器的特點(diǎn)入手，提出DCT同步器換檔個(gè)階段中所需的控制原理，并建立換檔過程中各關(guān)鍵位置點(diǎn)/階段的換檔力/換檔速度計(jì)算/測(cè)量模型。并針對(duì)不同階段的需求提出控制方法，從而根據(jù)各個(gè)階段同步器換檔模型符合性進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，證明本文同步器控制方法的有效性、合理性。另外，通過本文所述的DCT同步器換檔控制原理，可為軟件控制參數(shù)標(biāo)定提供一定的基礎(chǔ)值，并且可為標(biāo)定及故障處理等提供較為明確的工作方向。

[1] HU Jibin, PENG Zengxiong, YUAN Shihua. Drag Torque Prediction Model for the Wet Clutches [J].CHINESE JOURNAL OF MECH-ANICAL ENGINEERING, 2009,22(2):244－249.

[2] 高維山. 變速箱[M]. 第一版,北京：人民交通出版社,1990. 70～100頁.

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The method and application of DCT synchronizer shifting control

Fu Yongchao
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Auhui Hefei 230601）

Synchronizer shifting control is one of the key technology of DCT control.It is very important for DCT how to insure the shifting function, meanwhile to reduce the shifting impact and sound, toavoid clash and dropping gear.This article subdivides synchronizer gear shifting process and describes the control principle on the basis of synchronizer shifting at different stages of the process. It represents every key stage, shifting force calculation on various key points,shifting speed test and control method based on this principle. Finally, this shift process control/measurement principle and calculation methods are test in a certain DCT gear, and proved its validity and rationality.

DCT; synchronizer; shift process of synchronizer; shift force; shift velocity

CLC NO.: U463.51 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-114-04

U463.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-114-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.038

付永超，男，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)有限公司。