鮑 偉，葛建軍，肖 旭，曹 將

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009)

前言

雙離合器式自動變速器(dual-clutch transmission，DCT)是一種新型的自動變速器，它通過控制兩個離合器的切換，實現(xiàn)快速、平穩(wěn)的換擋過程，是目前國內(nèi)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點[1-4]。雙離合器是DCT的核心零部件。根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可分為干式雙離合器和濕式雙離合器[5-6]。其中濕式雙離合器的可控性和控制品質(zhì)較好，具有壓力分布均勻、磨損小、傳遞轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，同時濕式雙離合器有專門的液壓冷卻裝置進(jìn)行冷卻，因此允許存在一定的滑摩量，其使用壽命高于干式雙離合器。

在自動變速系統(tǒng)中，如何減小發(fā)動機(jī)側(cè)傳遞過來的振動，提高駕駛品質(zhì)一直是學(xué)者關(guān)注的重點，主要集中在控制方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。在控制方法上，文獻(xiàn)[7]中建立發(fā)動機(jī)振動主動控制模型，并采用LQR、自調(diào)整模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方法，對發(fā)動機(jī)扭轉(zhuǎn)振動進(jìn)行有效的在線控制。文獻(xiàn)[8]中在磁流變阻尼器的基礎(chǔ)上，采用半主動模糊PID控制，獲得明顯的隔振效果。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，傳統(tǒng)AT變速器中安裝有液力變矩器[9]，可通過液體的動力傳遞來消除振動，使動力傳遞平穩(wěn)。在DCT中采用雙質(zhì)量飛輪式扭轉(zhuǎn)減振器[10]來降低發(fā)動機(jī)曲軸輸出端的扭轉(zhuǎn)振動。雖然扭轉(zhuǎn)減振裝置可有效控制汽車動力傳動系的扭轉(zhuǎn)振動與噪聲，但如果離合器完全接合，則發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)過雙質(zhì)量飛輪減振以后的脈動將傳遞給車身，從而影響駕駛的舒適性。

為此本文中提出濕式雙離合器微滑摩控制方法，車輛在固定擋位正常行駛時，使傳遞轉(zhuǎn)矩的離合器的主、從動盤產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)速差，形成微滑摩，并由此帶來以下兩點好處:

(1)通過微滑摩，減小發(fā)動機(jī)側(cè)傳遞過來的振動，從而提高駕駛品質(zhì)。

(2)因為存在微滑摩，離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩可以通過公式估算。這對于離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的在線實時估算、離合器與液壓控制系統(tǒng)的故障診斷和提高離合器控制品質(zhì)等都有著重要意義。

1 雙離合器微滑摩對阻尼的影響

1.1 濕式離合器扭轉(zhuǎn)振動模型建立

為分析濕式雙離合器微滑摩過程的扭轉(zhuǎn)振動特性，建立了4自由度的扭轉(zhuǎn)振動模型[11]。示意圖如圖1所示。

圖1 濕式離合器扭轉(zhuǎn)振動模型示意圖

圖中:Ie為發(fā)動機(jī)曲軸和雙質(zhì)量飛輪第一質(zhì)量的轉(zhuǎn)動慣量；I1為雙質(zhì)量飛輪第二質(zhì)量和離合器主動盤轉(zhuǎn)動慣量；I2為離合器從動盤轉(zhuǎn)動慣量；IL為離合器從動盤之后的旋轉(zhuǎn)件和整車負(fù)載折算后的轉(zhuǎn)動慣量；θe，θ1，θ2和 θL分別為相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角；ke1和 k2L分別為雙質(zhì)量飛輪第一與第二質(zhì)量之間和離合器從動盤與負(fù)載之間的等效扭轉(zhuǎn)剛度；ce，c1，c2和cL分別為對應(yīng)的等效旋轉(zhuǎn)黏性阻尼系數(shù)；Te為發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Tc為離合器傳遞轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)圖1，可列出濕式離合器微滑摩過程的扭轉(zhuǎn)振動微分方程，即

1.2 離合器微滑摩對阻尼的影響分析

在微滑摩過程中，離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩可以用下式進(jìn)行估計:

式中:μd為濕式離合器摩擦片的動摩擦因數(shù)；S為離合器活塞作用面積；pn為離合器活塞單位面積上的作用壓力；Z為離合器摩擦副數(shù)；R0為離合器摩擦片外徑；R1為離合器摩擦片內(nèi)徑；μd為關(guān)于滑摩轉(zhuǎn)速ωslip＝-的非線性函數(shù)。

由于微滑摩轉(zhuǎn)速較小，因此對式(6)在ωslip＝0處進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，并忽略泰勒級數(shù)展開式的二次及以上各項可得

從式(10)可知，當(dāng)離合器微滑摩時，離合器從動盤的阻尼系數(shù)由c2變成c2+f′(ωslip)Mc。由于在微滑摩過程中，Mc始終大于0，因此當(dāng)采用具有正斜率摩擦因數(shù)的離合器摩擦材料時，離合器微滑摩的阻尼系數(shù)將增大，而2階系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕度也會隨之增大，意味著系統(tǒng)穩(wěn)定性的增加，同時會使2階系統(tǒng)在自由或受迫狀態(tài)下的振蕩運動的幅值減小[12]，這有利于減小發(fā)動機(jī)傳過來的扭轉(zhuǎn)振動。

2 雙離合器微滑摩控制系統(tǒng)建模

從濕式雙離合器微滑摩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計一種電流 微滑摩雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而有效補(bǔ)償擾動和系統(tǒng)參數(shù)的攝動，實現(xiàn)濕式雙離合器良好的微滑摩控制。

2.1 離合器微滑摩控制被控對象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

濕式雙離合器微滑摩控制被控對象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。變速器電控單元控制比例電磁閥電流，進(jìn)而控制進(jìn)入活塞缸的油壓，從而控制離合器的接合程度與傳遞的轉(zhuǎn)矩。下面以內(nèi)離合器微滑摩控制系統(tǒng)為被控對象進(jìn)行建模，外離合器微滑摩系統(tǒng)建模方法與之類似。

圖2 DCT車輛動力傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 比例電磁閥數(shù)學(xué)模型

由于比例電磁閥需要較大的驅(qū)動電流，需要專門的驅(qū)動電路。驅(qū)動電路主要用于改變電磁閥兩端的電壓，從而改變流過電磁閥線圈的電流，進(jìn)而改變電磁閥輸出油壓。因此比例電磁閥數(shù)學(xué)模型包括驅(qū)動電路模型、線圈電路模型和電磁閥電流 壓力關(guān)系模型。

2.2.1 電磁閥驅(qū)動電路模型

比例電磁閥采用MOSFET高邊驅(qū)動方式，通過控制MOSFET柵極驅(qū)動脈沖的占空比ρ來控制比例電磁閥兩端的電壓Ud。由于電磁閥驅(qū)動脈沖的頻率比較高，一般在3～10kHz之間，因此電磁閥驅(qū)動電路的傳遞函數(shù)可表示為一個慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為

式中:Ks為驅(qū)動電路的靜態(tài)放大倍數(shù)，由100%占空比對應(yīng)的Udmax確定；Ts為驅(qū)動電路的慣性時間常數(shù)，由MOSFET開關(guān)頻率決定。

2.2.2 電磁閥電磁線圈數(shù)學(xué)模型

電磁閥線圈是一個感性元件，可由電感L和電阻R串聯(lián)等效，如圖3所示。

圖3 電磁閥線圈等效電路

由圖3可得，從電磁線圈平均電壓Ud到線圈電流Id的傳遞函數(shù)為

式中Tl＝L/R，為線圈的電磁時間常數(shù)。

2.2.3 電磁閥電流 壓力關(guān)系模型

不同的電流產(chǎn)生不同的電磁力，控制閥門的開度，從而產(chǎn)生不同的油壓。由于電磁閥閥體、閥芯和流體的動力學(xué)特點較復(fù)雜，不適宜采用直接建模。而閥體、閥芯和流體動力學(xué)的宏觀特性，即電磁閥的壓力 電流特性易測量。同時在固定擋位下行駛，絕大多數(shù)情況下離合器處于壓力 電流特性曲線的線性段，因此，電磁閥閥體、閥芯和流體的傳遞函數(shù)用一個慣性環(huán)節(jié)描述，即

式中:Kp為壓力 電流特性線性段放大倍數(shù)；Tp為慣性時間常數(shù)。

2.3 離合器轉(zhuǎn)矩傳遞模型

如上所述，如果控制離合器處于微滑摩狀態(tài)，則由式(13)得到離合器控制油壓p后，離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩Tc可由式(5)計算。因此離合器轉(zhuǎn)矩傳遞模型的傳遞函數(shù)可以表示為

值得注意的是，此處的μd不是常數(shù)，但考慮到建模方便，可將其取為一個常數(shù)。后續(xù)的控制算法可消除μd的變化對微滑摩控制的影響。

2.4 汽車縱向動力學(xué)數(shù)學(xué)模型

考察汽車縱向動力學(xué)模型[13-14]，可得微滑摩過程汽車動力學(xué)模型，即

式中:ωc為離合器從動盤角速度；Ic為離合器從動盤及其輸出軸所連接的旋轉(zhuǎn)部分折算到離合器從動盤上的轉(zhuǎn)動慣量；TL為離合器1從動盤及其輸出軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。對式(15)進(jìn)行拉普拉斯變換可得如下傳遞函數(shù):

式中s為拉普拉斯算子。

3 濕式DCT微滑摩雙閉環(huán)控制

微滑摩控制的目標(biāo)是控制離合器的主、從動盤轉(zhuǎn)速差，即微滑摩量。為提高控制品質(zhì)，必須對電磁閥驅(qū)動電流和主、從動盤轉(zhuǎn)速差進(jìn)行精確控制。為此設(shè)計一個電流、微滑摩雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)，分別控制電磁閥電流和離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速差，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能及抗擾動性能。在對被控對象進(jìn)行建模的基礎(chǔ)之上，微滑摩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 濕式離合器微滑摩雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 電磁閥電流控制器的設(shè)計

電流控制器的設(shè)計要求主要是控制電磁閥的電流，使之緊緊跟隨期望電流。因此對于電磁閥電流的控制以跟隨性能為主，應(yīng)設(shè)計電流控制器Wc(s)，使電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Wiop(s)，即電流環(huán)前向通道傳遞函數(shù)的乘積，被校正成為典型的I型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式為

式中:K1為電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù)；T1為電流環(huán)開環(huán)慣性時間常數(shù)。由于除Wc(s)以外電流環(huán)的開環(huán)前向通道上有兩個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)，因此設(shè)計Wc( s)的結(jié)構(gòu)為

式中:Ki為電流控制器比例放大系數(shù)；τi為電流控制器的超前時間常數(shù)。為加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，將電流控制器Wc(s)的1階微分環(huán)節(jié)τis+1與電流環(huán)中慣性時間常數(shù)較大的環(huán)節(jié)Tls+1相互抵消，從而有τi＝Tl。則最終電流環(huán)被校正成為式(17)所示的典型I型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為

按照“2階最佳系統(tǒng)”整定原則[15]，可選擇阻尼比為

3.2 離合器微滑摩量控制器的設(shè)計

電流環(huán)經(jīng)過簡化后可視作微滑摩環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為

則電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可寫為

微滑摩環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)可簡化為圖5所示的結(jié)構(gòu)。

圖5 微滑摩環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

圖5 中兩個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)為

從圖5可以看出，整車負(fù)載阻力矩TL和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速ωe的作用點在電流環(huán)的外面，因此電流控制器無法克服整車負(fù)載阻力矩和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對離合器微滑摩量的影響。為實現(xiàn)對微滑摩量的良好控制，在負(fù)載擾動作用點之前必須有一個積分環(huán)節(jié)1/s。根據(jù)圖5所示的結(jié)構(gòu)可知，該積分環(huán)節(jié)應(yīng)該出現(xiàn)在Wn(s)的傳遞函數(shù)中。現(xiàn)在TL擾動作用點之后已經(jīng)有一個積分環(huán)節(jié)，因此微滑摩環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)該有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該將微滑摩環(huán)設(shè)計成典型II型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式為

式中:K2為微滑摩環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)；T2為微滑摩環(huán)的開環(huán)慣性時間常數(shù)。為此，微滑摩控制器選擇的傳遞函數(shù)為

式中:Kn為微滑摩控制器比例放大系數(shù)；τn為微滑摩控制器超前時間常數(shù)。最終圖5所示的微滑摩環(huán)被校正為典型的II型系統(tǒng):

在上述參數(shù)的配合下，系統(tǒng)閉環(huán)幅頻特性的峰值將達(dá)到最小值[15]。同時考慮到當(dāng)系統(tǒng)閉環(huán)幅頻特性的峰值達(dá)到最小時，典型II型系統(tǒng)中K2，ωcn和τ2之間存在如下關(guān)系:

上式中，只須確定中頻寬h的數(shù)值，即可確定微滑摩控制器的參數(shù)Kn和τn。而h值可根據(jù)系統(tǒng)的抗擾性能的需求來選取。

4 試驗與結(jié)果分析

在搭載六速濕式DCT的某款SUV上進(jìn)行實車試驗。根據(jù)相關(guān)零部件技術(shù)規(guī)格書和臺架測試數(shù)據(jù)，可得被控對象系統(tǒng)參數(shù)數(shù)值，如表1所示，其中下標(biāo)“1”和“2”分別代表離合器1和離合器2所對應(yīng)的被控對象的系統(tǒng)參數(shù)。

取中頻寬h＝5，則離合器1的電流控制器和微滑摩量控制器的參數(shù)為:Ki1＝3.4965，τi1＝6×10-3，Kn1＝-2.3022×10-3，τn1＝0.2533；離合器 2 的電流控制器和微滑摩量控制器的參數(shù)為:Ki2＝3.4965，τi2＝6×10-3，Kn2＝-2.4166×10-3，τn2＝0.2533。

值得注意的是，微滑摩控制是車輛在固定擋位正常行駛時進(jìn)行的，因此在起步和換擋過程中不執(zhí)行微滑摩控制。同時為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，更好地連接微滑摩過程和起步或換擋過程，在開始進(jìn)行微滑摩控制時，電流控制器和微滑摩量控制器中積分環(huán)節(jié)的積分初始值設(shè)為上一過程(起步或換擋)結(jié)束時的電流和電磁閥占空比的最終值。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

4.1 電磁閥電流控制試驗

在實車上對電磁閥電流控制進(jìn)行階躍響應(yīng)試驗和斜坡響應(yīng)試驗。其中階躍信號幅值為1A，斜坡信號斜率為1A/s。電流控制效果見數(shù)字示波器截圖，如圖6和圖7所示。

圖6 電磁閥電流階躍響應(yīng)試驗曲線

從圖6和圖7可以看出，所設(shè)計的電流控制器能夠很好地對電磁閥的電流進(jìn)行控制，無論是階躍信號輸入還是斜坡信號輸入，實際電流值都能符合期望電流值。

4.2 微滑摩控制試驗

為考察微滑摩控制效果，將DCT的擋位固定在6擋，車速約為110km/h，離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速目標(biāo)微滑摩量為60r/min。圖8為微滑摩控制過程中離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速曲線，圖9為期望微滑摩量與實際微滑摩量的偏差曲線。

圖7 電磁閥電流斜坡響應(yīng)試驗曲線

圖8 離合器微滑摩控制效果

從圖9可以看出，基于電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的DCT微滑摩控制方法，能夠較好控制離合器主、從動盤的轉(zhuǎn)速差，從而實現(xiàn)離合器的微滑摩控制。

4.3 微滑摩控制駕駛平順性試驗

本試驗主要考察微滑摩控制對發(fā)動機(jī)側(cè)傳來的振動影響。分別對采用微滑摩控制和不采用微滑摩控制的DCT車輛駕駛品質(zhì)進(jìn)行對比。采用離合器主、從動盤角加速度均方根值 arms作為評價指標(biāo)[16]，即

式中:Tt為測試時間；aw為離合器主動盤或從動盤角加速度。

分別對離合器微滑摩和完全接合兩種情況測試離合器主從動盤的加速度均方根值。表2為兩種情況下加速度均方根值對比。

圖9 微滑摩量偏差曲線

表2 不同控制方法的駕駛平順性對比

從表2可以看出，基于離合器微滑摩控制的加速度均方根值要小于完全接合控制。因此對于具有正斜率摩擦因數(shù)的濕式雙離合器，采用微滑摩控制可有效提高駕駛平順性。

同時在駕駛過程中，一些瞬時扭轉(zhuǎn)沖擊也會對駕駛平順性產(chǎn)生影響。為此考慮汽車在固定擋位運行時，突然增加加速踏板行程(即Tip In方式)和突然松開踏板(即Tip Out方式)，考察微滑摩控制對瞬時扭轉(zhuǎn)沖擊的改善作用。為避免在Tip In和Tip Out過程中觸發(fā)換擋動作，影響針對微滑摩控制的評價，需要手動鎖定車輛當(dāng)前擋位，并采用從動盤角加速度四次方振動劑量值VDV[16]作為評價指標(biāo)進(jìn)行評價。表3為無微滑摩控制和有微滑摩控制兩種情況下的VDV數(shù)值。

表3 瞬時扭轉(zhuǎn)沖擊試驗結(jié)果對比

從表3可以看出，采用微滑摩控制的VDV指標(biāo)明顯比無微滑摩控制時小。說明微滑摩控制對于瞬時扭轉(zhuǎn)沖擊也有較好的改善作用。

4.4 微滑摩情況下離合器冷卻試驗

在微滑摩過程中，離合器主、從動盤會存在轉(zhuǎn)速差，因而產(chǎn)生一定的滑摩功，需要對微滑摩過程中的離合器進(jìn)行冷卻潤滑控制。在不同的滑摩功率和變速器油溫的情況下，進(jìn)行仿真和臺架測試，最終獲得使離合器保持良好性能所需的冷卻油流量，如圖10所示。

圖10 離合器冷卻潤滑油流量MAP圖

圖11 離合器冷卻潤滑油期望流量曲線

在環(huán)境溫度為28℃情況下，以110km/h的車速行駛，目標(biāo)微滑摩量為60r/min。變速器油溫約為95℃，觀察離合器冷卻情況。其中離合器冷卻潤滑油的期望流量曲線如圖11所示，離合器出油口的出油溫度曲線如圖12所示。

圖12 離合器出油口出油溫度曲線

在離合器微滑摩過程中，由于滑摩功率小，此時的冷卻流量不超過1L/min(最大冷卻流量可達(dá)20L/min)。從圖11和圖12可以看出，在較小冷卻流量的情況下，也能夠保證較好的冷卻效果。

4.5 微滑摩量的確定

不同的車型其微滑摩量是不同的，需要對實際情況進(jìn)行標(biāo)定，并注意以下兩點:

(1)微滑摩量應(yīng)隨著離合器出油口出油溫度的上升而減小，以防止離合器在高溫下微滑摩而燒蝕；

(2)在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)，往往是駕駛員駕駛意圖變化劇烈的區(qū)域(如加速超車)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化較為激烈，應(yīng)該減少雙離合器的微滑摩量，使在轉(zhuǎn)矩迅速變化的過程中，離合器從動盤轉(zhuǎn)速能跟隨主動盤轉(zhuǎn)速，而在中低轉(zhuǎn)速區(qū)，轉(zhuǎn)矩變化相對平緩，可適當(dāng)加大微滑摩量。

根據(jù)以上兩個原則，結(jié)合大量實車試驗的結(jié)果，確定了本試驗車型在不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和離合器出油口出油溫度下使駕駛平順性指標(biāo)最優(yōu)的離合器微滑摩量，并繪制曲線如圖13所示。

圖13 離合器最佳微滑摩量MAP圖

5 結(jié)論

(1)對于采用具有正斜率摩擦因數(shù)材料的離合器施加微滑摩控制，系統(tǒng)的阻尼系數(shù)將增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會提高，同時系統(tǒng)的受迫振動的幅值會減小。因此濕式雙離合器的微滑摩控制有利于提高整車的駕駛品質(zhì)。

(2)實車試驗的結(jié)果表明，因微滑摩量較小，故整體的微滑摩功率不大，在微滑摩控制的過程中，施加一定的冷卻潤滑就可保證離合器的可靠工作而不會燒蝕離合器摩擦片，同時討論了離合器微滑摩量目標(biāo)值的確定原則，根據(jù)大量實車試驗，在不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和離合器出油口出油溫度下，確定了使駕駛平順性最好的離合器微滑摩量的目標(biāo)值。

(3)今后的繼續(xù)深入研究中，可引入離合器油壓信號進(jìn)行反饋，構(gòu)成電流 壓力 微滑摩三閉環(huán)的微滑摩控制系統(tǒng)，從而能更加精確地控制微滑摩量。但這樣的控制結(jié)構(gòu)需要更加強(qiáng)大的處理器，須在毫秒級時間內(nèi)完成一次壓力的閉環(huán)控制，否則會影響微滑摩環(huán)控制的快速性。