楊慶 王振鎖

（聯(lián)合汽車(chē)電子有限公司）

自動(dòng)變速器通過(guò)傳感器、控制器和執(zhí)行器組成的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了換擋操作的自動(dòng)化，省去了駕駛員的換擋操作，提高了車(chē)輛駕駛的便利性和舒適性。同時(shí)，為了滿足多樣化的駕駛需求，提升駕駛體驗(yàn)，很多自動(dòng)變速器在自動(dòng)換擋的基礎(chǔ)上兼容手動(dòng)換擋模式，實(shí)現(xiàn)手自一體換擋功能，以便駕駛員根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)的選擇。自動(dòng)變速器的手動(dòng)換擋功能，可以更好地響應(yīng)駕駛員的換擋意圖，加強(qiáng)駕駛員和變速器之間的“人－機(jī)”互動(dòng)，增強(qiáng)駕駛樂(lè)趣。

1 DCT結(jié)構(gòu)及原理

雙離合器式自動(dòng)變速器（DCT）是一種涉及機(jī)械、液壓及電控等多個(gè)領(lǐng)域的自動(dòng)變速器類型，目前已經(jīng)得到了廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用。DCT的機(jī)械結(jié)構(gòu)是由定軸式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)展起來(lái)的，由2組動(dòng)力傳動(dòng)鏈構(gòu)成，每組動(dòng)力傳動(dòng)鏈均包括離合器、同步器、傳動(dòng)軸和齒輪等部件，分別實(shí)現(xiàn)奇數(shù)擋和偶數(shù)擋的動(dòng)力傳遞。DCT的換擋過(guò)程包括離合器動(dòng)作和同步器動(dòng)作2個(gè)階段。當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行在某一擋位時(shí)，一組傳動(dòng)鏈參與工作，將變速器的輸入動(dòng)力以一定速比傳遞到輸出軸，同時(shí)，DCT控制系統(tǒng)根據(jù)變速器運(yùn)行工況控制另一組動(dòng)力傳動(dòng)鏈中的相關(guān)同步器進(jìn)行預(yù)結(jié)合，完成同步器動(dòng)作后再根據(jù)換擋條件觸發(fā)離合器的動(dòng)作，從而將DCT的輸入動(dòng)力從一組傳動(dòng)鏈切換至另一組傳動(dòng)鏈，實(shí)現(xiàn)速比的調(diào)節(jié)，完成自動(dòng)換擋[1-2]。

2 手動(dòng)換擋概述

圖1示出常見(jiàn)的帶手動(dòng)模式的換擋手柄示意圖。

圖1 帶手動(dòng)模式的換擋手柄示意圖

當(dāng)手柄處于“D”位置時(shí)，變速器進(jìn)入自動(dòng)換擋模式，變速器控制單元（TCU）根據(jù)車(chē)速、油門(mén)等狀態(tài)信息，基于設(shè)定的換擋規(guī)律，確定目標(biāo)擋位，并控制相應(yīng)的執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)擋位切換。在自動(dòng)換擋模式下，TCU僅能通過(guò)油門(mén)踏板和制動(dòng)踏板間接獲取駕駛員的換擋意圖，無(wú)法直接反映駕駛員的換擋意圖，因而存在某些工況無(wú)法滿足部分駕駛員個(gè)性化的駕駛要求。當(dāng)手柄處于“D”右側(cè)觸發(fā)手動(dòng)換擋模式時(shí)，駕駛員根據(jù)自己的擋位判斷，將換擋意圖“＋”或者“－”通過(guò)傳感器傳遞到TCU，在滿足安全性和合理性的條件下，TCU直接響應(yīng)駕駛員的換擋請(qǐng)求，進(jìn)行相應(yīng)的換擋操作，并通過(guò)儀表將擋位信息進(jìn)行反饋，使駕駛員的換擋請(qǐng)求和變速器的換擋操作形成閉環(huán)互動(dòng)，更好地實(shí)現(xiàn)駕駛需求，增強(qiáng)變速器控制系統(tǒng)的適應(yīng)性。同時(shí)也對(duì)變速器控制系統(tǒng)提出了更高的要求，包括系統(tǒng)響應(yīng)、可靠性等。此外，考慮到車(chē)輛和變速器運(yùn)行的安全性、合理性等方面因素，TCU還需要對(duì)駕駛員的換擋請(qǐng)求進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾和判斷，并進(jìn)行必要的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)換擋模式中的自動(dòng)保護(hù)。

3 DCT手動(dòng)換擋控制

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

與液力自動(dòng)變速器（AT）和無(wú)級(jí)變速器（CVT）不同，DCT的液壓系統(tǒng)中一般沒(méi)有手動(dòng)閥，因此不需要通過(guò)換擋手柄與變速器之間的拉索實(shí)現(xiàn)變速器手動(dòng)閥的操作，換擋手柄與變速器之間沒(méi)有機(jī)械連接，只需要與TCU通過(guò)電信號(hào)的交互實(shí)現(xiàn)駕駛員請(qǐng)求的輸入。圖2示出某DCT的手動(dòng)換擋系統(tǒng)。

圖2 DCT手動(dòng)換擋系統(tǒng)組成

為了操作的便利性，駕駛員的換擋請(qǐng)求不僅可以通過(guò)換擋手柄傳輸，還可以通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)附近的換擋撥片或換擋按鈕進(jìn)行傳輸。駕駛員結(jié)合換擋意圖，操作換擋手柄、換擋撥片或換擋按鈕，將升擋或降擋請(qǐng)求通過(guò)電氣信號(hào)傳輸至換擋手柄控制單元（GSM），GSM通過(guò)CAN通訊將換擋請(qǐng)求發(fā)送至TCU，包括手動(dòng)模式信號(hào)（Tip）、升擋請(qǐng)求信號(hào)（Tip+）和降擋請(qǐng)求信號(hào)（Tip-），TCU根據(jù)車(chē)輛狀態(tài)、駕駛員意圖進(jìn)行換擋決策，并進(jìn)行相應(yīng)的換擋過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)DCT手動(dòng)換擋的控制功能。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，需要對(duì)換擋請(qǐng)求的原始信號(hào)（電平、上升脈沖沿、下降脈沖沿）進(jìn)行相應(yīng)的電氣診斷，以防止輸入信號(hào)的故障引起錯(cuò)誤的手動(dòng)換擋[3]。

3.2 換擋決策

3.2.1 穩(wěn)態(tài)擋位的手動(dòng)換擋請(qǐng)求

當(dāng)車(chē)輛處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，DCT的奇數(shù)軸和偶數(shù)軸各有一個(gè)擋位的同步器進(jìn)行預(yù)結(jié)合，奇數(shù)軸離合器和偶數(shù)軸離合器均處于分離狀態(tài)，車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)鏈斷開(kāi)。在自動(dòng)模式下，TCU默認(rèn)變速器以1擋進(jìn)行起步。在手動(dòng)模式下，當(dāng)駕駛員撥動(dòng)換擋手柄、換擋撥片或者換擋按鈕發(fā)出升擋請(qǐng)求時(shí)，TCU將目標(biāo)擋位設(shè)定為2擋，使2擋同步器預(yù)結(jié)合，當(dāng)駕駛員松開(kāi)制動(dòng)踏板、踩下油門(mén)時(shí)控制偶數(shù)軸離合器逐步結(jié)合，進(jìn)行2擋起步。

當(dāng)車(chē)輛處于穩(wěn)定擋位行駛狀態(tài)時(shí)，TCU根據(jù)車(chē)速、油門(mén)等狀態(tài)信息設(shè)定變速器的目標(biāo)擋位。若駕駛員發(fā)出升擋或者降擋請(qǐng)求，TCU在捕捉到相應(yīng)的輸入脈沖后進(jìn)行相應(yīng)的邏輯判斷，確認(rèn)無(wú)故障并且滿足一定的合理性要求，則基于當(dāng)前擋位響應(yīng)駕駛員的升擋或者降擋請(qǐng)求，調(diào)整變速器的目標(biāo)擋位，并根據(jù)目標(biāo)擋位將相應(yīng)的同步器預(yù)結(jié)合，確認(rèn)同步器操作完成后再控制相應(yīng)的離合器，實(shí)現(xiàn)變速器的目標(biāo)擋位。

3.2.2 換擋過(guò)程中的手動(dòng)換擋請(qǐng)求

在換擋過(guò)程中，駕駛員也可能操作換擋手柄、換擋撥片或者換擋按鈕，發(fā)出新的換擋請(qǐng)求。對(duì)于不同換擋過(guò)程中不同階段發(fā)生的新?lián)Q擋請(qǐng)求，需要根據(jù)具體的工況采取相應(yīng)的換擋決策。

當(dāng)手動(dòng)換擋請(qǐng)求發(fā)生在換擋過(guò)程的初期，相關(guān)執(zhí)行器件只是在做換擋準(zhǔn)備，例如離合器充油等，變速器的速比還未發(fā)生變化，則TCU可以結(jié)合具體的換擋類型，中斷原先的換擋過(guò)程，根據(jù)手動(dòng)換擋請(qǐng)求執(zhí)行新的換擋指令。當(dāng)手動(dòng)換擋請(qǐng)求發(fā)生在換擋過(guò)程的末期，變速器的速比已經(jīng)發(fā)生變化甚至接近目標(biāo)擋位的速比，則TCU在本次換擋過(guò)程中不響應(yīng)手動(dòng)換擋請(qǐng)求，繼續(xù)執(zhí)行原先的換擋過(guò)程，待換擋完成后再根據(jù)手動(dòng)換擋請(qǐng)求執(zhí)行新的換擋指令。

除了換擋請(qǐng)求的發(fā)生時(shí)刻，換擋過(guò)程中的手動(dòng)換擋決策還需考慮具體的工況、換擋類型及駕駛性等多方面因素，綜合判斷是否進(jìn)行換擋打斷或換擋轉(zhuǎn)移。對(duì)于需要及時(shí)響應(yīng)的換擋類型，當(dāng)TCU接收到手動(dòng)換擋請(qǐng)求時(shí)，控制系統(tǒng)中斷原先的換擋過(guò)程，根據(jù)手動(dòng)換擋請(qǐng)求執(zhí)行新的換擋指令。對(duì)于響應(yīng)時(shí)間要求不高的換擋類型，控制系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行原先的換擋過(guò)程，待換擋完成后，TCU再發(fā)出新的換擋指令。

3.2.3 禁止換擋

禁止升擋。為了保證車(chē)輛的加速性能，防止車(chē)輛在較低車(chē)速時(shí)換入過(guò)高的擋位，DCT控制器需要結(jié)合具體工況禁止部分升擋請(qǐng)求。當(dāng)駕駛員提出升擋請(qǐng)求時(shí)，當(dāng)前車(chē)速必須滿足一定的條件TCU才會(huì)進(jìn)行升擋操作，否則會(huì)忽略該升擋請(qǐng)求。若車(chē)輛處于n擋，則當(dāng)前車(chē)速必須大于n擋升入n+1擋的最低換擋車(chē)速才能進(jìn)行升擋，否則禁止升擋。

禁止降擋。為了防止車(chē)輛在較高車(chē)速時(shí)換入過(guò)低的擋位，造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高和車(chē)輛的強(qiáng)制動(dòng)，DCT控制器需要結(jié)合具體工況禁止部分降擋請(qǐng)求。當(dāng)駕駛員提出降擋請(qǐng)求時(shí)，當(dāng)前車(chē)速必須滿足一定的條件TCU才會(huì)進(jìn)行降擋操作，否則會(huì)忽略該降擋請(qǐng)求。若車(chē)輛處于n擋，則當(dāng)前車(chē)速必須小于n擋降入n-1擋的最高換擋車(chē)速才能進(jìn)行降擋，否則禁止降擋。

3.2.4 強(qiáng)制換擋

在手動(dòng)模式下，駕駛員可能在某些工況下沒(méi)有進(jìn)行合適的換擋請(qǐng)求，為了確保DCT的正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)較好的駕駛性，TCU需要根據(jù)工況要求進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)換擋，為手動(dòng)模式提供必要的補(bǔ)充。

在手動(dòng)模式下，如果車(chē)輛在加速過(guò)程中駕駛員一直沒(méi)有升擋請(qǐng)求，TCU需要根據(jù)換擋規(guī)律自動(dòng)實(shí)現(xiàn)升擋，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，避免發(fā)動(dòng)機(jī)的超速運(yùn)行，同時(shí)減少車(chē)輛運(yùn)行的噪聲，提升舒適性。

在手動(dòng)模式下，如果車(chē)輛在減速過(guò)程中駕駛員一直沒(méi)有降擋請(qǐng)求，TCU需要根據(jù)換擋規(guī)律自動(dòng)實(shí)現(xiàn)降擋，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的車(chē)輛制動(dòng)，同時(shí)確保車(chē)輛再次加速時(shí)具有足夠的動(dòng)力。

3.3 換擋過(guò)程控制

基于換擋決策的結(jié)果，TCU驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電磁閥電流，進(jìn)行同步器和離合器動(dòng)作過(guò)程的精確控制，實(shí)現(xiàn)DCT手動(dòng)模式的擋位切換。

以圖3所示的某DCT手動(dòng)模式4—5換擋過(guò)程為例，車(chē)輛以4擋運(yùn)行時(shí)，駕駛員撥動(dòng)換擋手柄Tip+，發(fā)出升擋請(qǐng)求，TCU接收到手動(dòng)升擋請(qǐng)求信號(hào)后，經(jīng)換擋決策確認(rèn)執(zhí)行4—5換擋過(guò)程。首先控制15同步器從空擋位置向5擋位置進(jìn)行結(jié)合，經(jīng)過(guò)同步器液壓油路預(yù)充，轉(zhuǎn)速同步及進(jìn)擋過(guò)程等各階段的精確控制后，確保奇數(shù)軸5擋嚙合齒輪組處于在擋狀態(tài)，而后進(jìn)行2個(gè)離合器的壓力控制，5擋所對(duì)應(yīng)的奇數(shù)軸離合器進(jìn)行快速充油控制，轉(zhuǎn)矩相控制和慣性相控制，同時(shí)4擋所對(duì)應(yīng)的偶數(shù)軸離合器進(jìn)行相應(yīng)的卸壓控制，兩者按照設(shè)定的控制時(shí)序進(jìn)行合理的搭接控制，實(shí)現(xiàn)DCT的輸入動(dòng)力從偶數(shù)軸向奇數(shù)軸的切換，響應(yīng)駕駛員的升擋請(qǐng)求。

圖3 DCT手動(dòng)4—5換擋過(guò)程示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于DCT的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，詳細(xì)闡述了DCT手動(dòng)換擋控制功能的實(shí)現(xiàn)，包括系統(tǒng)架構(gòu)、換擋決策和換擋過(guò)程控制，并對(duì)部分特殊工況的處理進(jìn)行了說(shuō)明。DCT的手動(dòng)換擋模式，在自動(dòng)換擋的基礎(chǔ)上加強(qiáng)與駕駛員的互動(dòng)，滿足個(gè)性化的駕駛需求，增強(qiáng)駕駛樂(lè)趣。