陳 亮， 郝洪濤， 倪凡凡， 嚴 冬(寧夏大學(xué) 機械工程學(xué)院，銀川 750021)

隨著車輛操縱自動化的快速發(fā)展，汽車自動變速器正呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢.DCT作為一種新型的自動變速器，既保持了傳統(tǒng)變速器結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高等優(yōu)點，又能夠?qū)崿F(xiàn)在無動力中斷的情況下轉(zhuǎn)換傳動比，縮短換擋時間，有效地提高了換擋品質(zhì)，從而改善了車輛行駛的舒適性，具有廣闊的發(fā)展前景[1-2].

1 DCT結(jié)構(gòu)及其工作原理

文中所述的DCT采用雙中間軸式機構(gòu)，如圖1所示，其傳動裝置由兩根帶同步器的輸入軸C1和C2、兩根平行布置的中間軸m1和m2、兩個多片離合器、多個同步器及差速器等組成.兩根輸入軸分別為空心軸和實心軸，空心軸空套在實心軸上，使用選擇性輸出方式將變速器奇、偶數(shù)擋輸出齒輪分別布置在兩根中間軸上，其中，奇數(shù)擋輸入軸與離合器C1相連，偶數(shù)擋輸入軸與離合器C2相連，通過雙離合器的交替接合及切換不同的同步器狀態(tài)，來實現(xiàn)無動力間斷換擋，經(jīng)由不同輸出軸實現(xiàn)扭矩變換和輸出.

車輛在空擋時，所有同步器處在中位，兩離合器的主、從動部分均分離.當車輛起步時，以1升2擋為例，這時1擋同步器和1擋齒輪嚙合，1擋傳遞扭矩大于車輛行駛阻力，車輛開始起步.當車速繼續(xù)增加達到升擋點時，2擋同步器和2擋齒輪嚙合，同時變速箱控制單元 ( Transmission Control Unit，TCU)控制離合器C2的油壓P2開始增大，使得離合器C2開始慢慢接合，同時離合器C1的油壓P1開始減小，離合器C1逐漸分離，當離合器C2完全接合、離合器C1完全分離時，整個換擋過程結(jié)束，保證了換擋中發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩被連續(xù)傳遞到車輪；其余升、降擋過程與此類似[3].

圖1 DCT結(jié)構(gòu)簡圖

2 整車動力學(xué)建模

采用前向建模方法對整車動力系統(tǒng)進行建模，控制框圖見圖2.

圖2 DCT系統(tǒng)控制原理圖圖

3.1 發(fā)動機模型

發(fā)動機模型的建立是研究車輛傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)，選擇以節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速兩參數(shù)值作為系統(tǒng)模型的輸入值，以轉(zhuǎn)矩和角速度作為輸出值，選擇有載動態(tài)工況，發(fā)動機動態(tài)輸出扭矩與穩(wěn)態(tài)輸出扭矩的關(guān)系可以近似地表示為

(1)

式中：n為轉(zhuǎn)速；ωe為角速度；γ為扭矩下降系數(shù)(取0.07～0.09)；Te為發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出扭矩；Ted為動態(tài)輸出扭矩.

建立發(fā)動機有載動態(tài)仿真模型如圖3.

圖3 發(fā)動機模型

由圖3可知，該發(fā)動機模型以二維特性表為核心，并將試驗所得數(shù)據(jù)存儲到特性表中，通過輸入不同的節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速值，利用圖表插值方法得到發(fā)動機轉(zhuǎn)矩輸出值.

3.2 雙離合變速器模型

為了方便建模，對DCT系統(tǒng)作如下簡化：

1)假設(shè)傳動系是由無慣性彈性環(huán)節(jié)和無彈性慣性環(huán)節(jié)構(gòu)成；

2)忽略同步器移動和離合器接合分離引起的軸的橫向移動；

3)不考慮齒輪嚙合彈性、軸承與軸承座的彈性、系統(tǒng)的阻尼和間隙；

4)簡化后,DCT可視為一個離散系統(tǒng).

在車輛換擋過程中，DCT升擋過程按兩個離合器的工作狀態(tài)分為5個階段[4]：低擋傳動階段-低擋轉(zhuǎn)矩階段-慣性階段-高擋轉(zhuǎn)矩階段-高擋傳動階段.其對應(yīng)的動力學(xué)模型可分別描述為：

(1)低擋傳動階段：C1接合，C2分離.

(2)

(2)低擋轉(zhuǎn)矩階段：C1完全接合，C2處于滑摩狀態(tài).

(3)

(3)慣性階段：C1、C2均處于滑摩狀態(tài).

(4)

(4)高擋轉(zhuǎn)矩階段：C1滑摩狀態(tài)，C2接合.

(5)

(5)高擋傳動階段：C1分離，C2接合.

(6)

離合器從動盤轉(zhuǎn)速與變速器輸出轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

(7)

符號函數(shù)為：

(8)

離合器主從盤轉(zhuǎn)速度：

Δω=ωe-ωc

(9)

式中：Tc3、Ie為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量；Tc1、Tc2為離合器C1和C2輸出轉(zhuǎn)矩；Ic1、Ic2，ωc1、ωc2依次為離合器C1和C2從動盤慣量和轉(zhuǎn)速；ic1g、ic2g為奇、偶數(shù)擋位傳動比；i0為主減速器傳動比；Tout、ωo為變速器輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；ud、A、Z依次為離合器動摩擦系數(shù)、活塞面積和摩擦副數(shù)；P1、P2分別為C1和C2的油壓；r11、r12、r21、r22依次為離合器C1和C2摩擦片內(nèi)、外徑.

所建DCT系統(tǒng)仿真模型如圖4.

圖4 變速器系統(tǒng)仿真模型

3.3 換擋邏輯控制模型[5-6]

采用Simulink/Stateflow建立換擋規(guī)律存儲模塊和換擋邏輯控制模塊；圖5為換擋控制流程圖,用來說明車輛的具體換擋控制過程.

圖5 換擋控制流程圖

3.4 整車動力學(xué)模型

對整車模型做如下簡化：

1)不考慮風速產(chǎn)生的行駛阻力；

2)忽略汽車行駛過程中的任何方向的擺動；

3)選擇行駛路面為平整路面.

汽車行駛時,需克服的阻力

Ft=∑F=Ff+FW+Fi+Fj，

(9)

(10)

又變速器輸入與輸出扭矩的對應(yīng)關(guān)系為

Tout=igi0Ted.

(11)

聯(lián)立(10)和(11)式可得

(12)

式中：m為整車質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)；α為路面坡度(取α=0)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積；ρ為空氣密度；v為車速；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)(取δ=1.3)；ηT為傳動效率；ig為變速器某擋位比；i0為主減比；r為車輪半徑.

3.5 整車仿真模型

整車動力傳動系統(tǒng)仿真模型如圖6所示.

圖6 整車系統(tǒng)模型

4 仿真結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)模型離線仿真

整車系統(tǒng)模型搭建完畢后，進行離線仿真，仿真結(jié)果如圖7，其中：圖(a)所示為節(jié)氣門開度，其取值范圍為0～50%；圖(b)表示發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線，由圖可知，每次換擋時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速均出現(xiàn)了下降趨勢，接著又迅速上升，這是因為升擋后由于擋位傳動比減小，因此，在車輪速度相同的情況下，需要的發(fā)動機轉(zhuǎn)速就會降低，符合仿真的要求. 圖(c)表示當前擋位和預(yù)測的下一擋位，整個過程進行連續(xù)升擋操作，換擋迅速，且在換擋同時，系統(tǒng)能準確判斷出下一擋位值.圖(d)表示實時車速曲線，從圖中可以看出車速曲線光滑，加速度變化較小，且換擋對車速影響小，整個換擋過程車速未出現(xiàn)較大波動，且最大車速小于100 km/h，符合建模要求.

圖7 Simulink模型的仿真結(jié)果

4.2 快速原型仿真試驗

以dSPACE實時系統(tǒng)為平臺，進行快速原型仿真試驗，仿真結(jié)果如圖8，模型仿真結(jié)果和可執(zhí)行代碼仿真結(jié)果一致.證明了所建整車系統(tǒng)模型的合理性和代碼的正確性.

圖8 ControlDesk快速原型仿真結(jié)果

5 結(jié) 論

依據(jù)發(fā)動機、雙離合變速器及整車各部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，建立了整車傳動系統(tǒng)模型，研究其控制策略，并通過仿真結(jié)果證明了該模型能夠比較準確地模擬換擋過程中的動態(tài)特性，快速原型仿真結(jié)果證明了所建整車模型的合理性和可行性，對今后整個DCT項目的順利進行起到十分重要的作用.

參考文獻：

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