馬安朋

(襄陽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電與電子信息工程學(xué)院，湖北襄陽 441021)

0 引言

雙離合器自動變速器(Double Clutch Transmission，DCT)系統(tǒng)獨有的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)兩個離合器分別驅(qū)動奇數(shù)和偶數(shù)擋位輸入軸，換擋過程通過兩個離合器的精確切換，實現(xiàn)動力的不間斷傳遞[1]，同時繼承了手動變速器(Manual Transmission，MT)傳動效率高、質(zhì)量輕、價格便宜等優(yōu)點[2-6]，在動力性、經(jīng)濟性、舒適性等方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢[7-8]。

但要充分發(fā)揮DCT的優(yōu)勢，必須對離合器接合規(guī)律和發(fā)動機進行協(xié)調(diào)控制。一方面，兩個離合器間扭矩切換直接影響動力傳遞的連續(xù)性和換擋舒適性；另一方面，通過對發(fā)動機的控制可以實現(xiàn)換擋過程離合器主從動盤迅速同步，減少換擋時間，提升動力性；再者，由于DCT的雙離合器結(jié)構(gòu)，若離合器與發(fā)動機間的協(xié)調(diào)控制不當(dāng)，會加劇離合器磨損，出現(xiàn)功率循環(huán)，故換擋過程中對離合器接合規(guī)律和發(fā)動機進行協(xié)調(diào)控制，是保證DCT車輛換擋品質(zhì)的重中之重[9-10]。

DCT自主化之路漫長而坎坷，目前國內(nèi)DCT自主化水平較高的企業(yè)更是屈指可數(shù)。某公司經(jīng)過8年之余的不懈努力，在濕式DCT領(lǐng)域有了重大突破，成功開發(fā)出兩款已經(jīng)量產(chǎn)的產(chǎn)品，但在干式DCT領(lǐng)域的研究還處于剛剛起步的階段。據(jù)相關(guān)消息，干式DCT的研究還處在樣機試制階段，所以要實現(xiàn)干式DCT的完全自主化還有很長的路要走，因此加大對干式DCT的研究力度意義重大。

本文作者基于某六速干式DCT，運用MATLAB/Simulink建立傳動系統(tǒng)的仿真模型，對升擋過程進行詳細的動力學(xué)分析，以提高換擋品質(zhì)為出發(fā)點，研究了換擋過程離合器接合規(guī)律和發(fā)動機協(xié)調(diào)控制方法。

1 干式DCT升擋過程分析

1.1 干式DCT傳動方案及建模

目前，不論干式、還是濕式DCT存在的一大通病都是低速擋切換時，換擋沖擊感較強、換擋延遲過長，用戶抱怨率較高。而干式DCT離合器摩擦片沒有潤滑油的冷卻，其低速擋切換時駕駛舒適感表現(xiàn)更差；同時現(xiàn)在城市路況擁堵，紅綠燈較多，車輛起停、低速擋切換頻繁，由于低速擋離合器負載較大，頻繁切換離合器長時間滑磨會加劇離合器的溫升和摩擦片的磨損，影響離合器扭矩傳遞的穩(wěn)定性，降低離合器使用壽命，因此研究干式DCT升擋過程、離合器接合規(guī)律和發(fā)動機協(xié)調(diào)控制十分必要。文中選取1擋升2擋的典型工況，建立干式DCT傳動系統(tǒng)簡化模型(圖1)，進行后續(xù)研究。

圖1 DCT車輛傳動系統(tǒng)簡化模型

圖中，Ie為發(fā)動機曲軸、飛輪系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量；I1為離合器C1從動部分、空心軸及其附件的等效轉(zhuǎn)動慣量；I2為離合器C2從動部分、實心軸及其附件的等效轉(zhuǎn)動慣量；Iv為車輪、半軸以及汽車平移質(zhì)量換算得到的等效轉(zhuǎn)動慣量；i1為1擋傳動比；i2為2擋傳動比；io為主減速器傳動比；ωe為離合器主動部分角速度；ωc1為1擋離合器C1從動部分角速度；ωc2為2擋離合器C2從動部分角速度；ω為變速器輸出軸角速度；ωv為驅(qū)動輪角速度；Te為發(fā)動機輸出扭矩；Tc1為1擋離合器C1實際傳遞扭矩；Tc2為2擋離合器C2實際傳遞扭矩；To為變速器輸出扭矩；Tr為汽車阻力矩。

1.2 DCT升擋階段劃分

在1擋升2擋過程中，2擋離合器C2為接合離合器，1擋離合器C1為分離離合器，根據(jù)兩個離合器的工作狀態(tài)可將干式DCT升擋過程劃分為以下5個階段，如圖2所示。

圖2 干式DCT升擋階段

階段1為2擋齒輪預(yù)掛階段，此階段1擋離合器C1壓力在保壓值不變，處于完全結(jié)合的狀態(tài)；2擋離合器處于分離態(tài)，這一階段主要完成目標擋位的預(yù)掛動作。

階段2為離合器C1結(jié)合、C2滑磨階段，此階段1擋離合器C1上的正壓力逐漸減小，其所傳遞的慣性轉(zhuǎn)矩也隨之下降，但這一慣性轉(zhuǎn)矩小于1擋離合器C1的轉(zhuǎn)矩容量，所以1擋離合器C1仍處于結(jié)合狀態(tài)；與此同時，2擋離合器C2開始加壓，傳遞滑磨轉(zhuǎn)矩，隨著其正壓力的增大，所傳遞的滑磨轉(zhuǎn)矩也隨之逐漸增大。

階段3為離合器C1、C2雙滑階段，也稱離合器扭矩交互階段，此階段1擋離合器C1繼續(xù)減壓，當(dāng)其傳遞的慣性轉(zhuǎn)矩等于其轉(zhuǎn)矩容量時，C1開始滑磨；與此同時2擋離合器C2上的壓力繼續(xù)增大，其傳遞滑磨轉(zhuǎn)矩的能力繼續(xù)增強，系統(tǒng)逐漸以2擋離合器C2為主來傳遞發(fā)動機轉(zhuǎn)矩。

階段4為離合器C1分離、C2滑磨階段，也稱為同步階段，此階段1擋離合器C1已經(jīng)分離，2擋離合器C2通過滑磨傳遞發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，這一過程通過控制目標離合器C2壓力同時請求發(fā)動機降扭，可以實現(xiàn)離合器C2主從動盤迅速實現(xiàn)同步，縮短換擋時間。

階段5為離合器C1分離、C2結(jié)合階段，這一階段在目標擋位離合器主從動盤同步的基礎(chǔ)上，將目標擋位離合器壓力增大至保壓值。

1.3 DCT升擋過程關(guān)鍵節(jié)點分析

沖擊度、滑磨功是DCT換擋性能的重要評價指標[11]，因此DCT升擋過程關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)當(dāng)是對沖擊度、滑磨功有較大影響的階段。

沖擊度為車輛縱向加速度的導(dǎo)數(shù)，即

(1)

式中：j為沖擊度；a為車輛縱向加速度；t為換擋時間；v為車速。從上式可以看出，沖擊度與變速器輸出扭矩的變化率呈正比，輸出扭矩變化越快，沖擊就越大，駕駛舒適性越差，德國標準要求沖擊度|j|≤10 m/s3。

輸出扭矩為兩個離合器實際傳遞扭矩之和，即

To=i1Tc1+i2Tc2

(2)

在干式DCT升擋過程的階段3，即離合器C1、C2雙滑階段，由于離合器C1從上一階段的結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化為滑磨態(tài)，其傳遞轉(zhuǎn)矩由慣性轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ赁D(zhuǎn)矩，會導(dǎo)致輸出扭矩的突變；同時在階段5，即離合器C1分離、C2結(jié)合階段，離合器C2從滑磨態(tài)進入結(jié)合態(tài)，傳遞轉(zhuǎn)矩由摩擦轉(zhuǎn)矩變?yōu)榘l(fā)動機轉(zhuǎn)矩，也會導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩的突變。因此，應(yīng)對這兩個階段離合器的正壓力進行精細控制，否則會產(chǎn)生較大的換擋沖擊。

干式DCT換擋平順性是通過兩個離合器滑磨實現(xiàn)的，如果對離合器滑磨過程控制不當(dāng)會造成離合器產(chǎn)生大量的滑磨功，在較短時間內(nèi)使離合器產(chǎn)生較大的溫升，降低離合器摩擦性能。由式(2)分析可知干式DCT升擋過程的2、3、4階段都有離合器的滑磨，均會產(chǎn)生滑磨功，其計算方式如下：

(3)

式中：Wc為滑磨功；t1為離合器起滑時刻；t2為離合器止滑時刻；Tc為其傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩；we為離合器主動盤角速度；wc為離合器從動盤角速度。從上式可以看出，滑磨功主要與離合器滑磨時間及其傳遞的滑磨轉(zhuǎn)矩有關(guān)。

整個干式DCT升擋過程，離合器滑磨功主要產(chǎn)生在階段4，一方面是由于該階段歷時最長，同時在該階段離合器C2實際傳遞扭矩Tc2已經(jīng)很大，若該階段對發(fā)動機扭矩請求及離合器C2加壓控制不當(dāng)，則會產(chǎn)生大量滑磨功、較大沖擊、延長換擋時間。

以上是從提高DCT換擋性能的角度對干式DCT升擋過程關(guān)鍵節(jié)點進行的分析。通過分析可知在制定換擋控制策略時，必須同時兼顧沖擊度和滑磨功，做到對離合器壓力和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩請求的協(xié)調(diào)控制，才能實現(xiàn)換擋控制策略的整體優(yōu)化。

2 DCT升擋控制策略

DCT升擋控制策略的制定將以上述關(guān)鍵節(jié)點的換擋性能作為主要關(guān)注對象，把離合器壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩請求作為主要控制參數(shù)。整體控制策略如圖3所示。

圖3 1擋升2擋整體控制策略流程

2.1 階段2和階段5控制策略

階段2：分離離合器C1結(jié)合、接合離合器C2處于滑磨狀態(tài)，離合器C1不會產(chǎn)生滑磨功；而離合器C2此時傳遞的滑磨轉(zhuǎn)矩還比較小，產(chǎn)生的滑磨功很有限，故此階段將重點考慮系統(tǒng)的沖擊度。隨著離合器C2壓力的增加，其傳遞滑磨轉(zhuǎn)矩不斷增大，導(dǎo)致離合器C1傳遞的慣性轉(zhuǎn)矩隨之減小，在此期間應(yīng)合理控制離合器C2增壓速率，以免產(chǎn)生較大的換擋沖擊；同時要精確控制離合器C1的減壓速率，以免它過早進入滑磨狀態(tài)，導(dǎo)致整個系統(tǒng)動力不足。兩個判斷條件為

(4)

式中：Δw為判別離合器C1主從動盤轉(zhuǎn)速差的閾值，通過標定來確定取值。

階段5：接合離合器已經(jīng)進入結(jié)合狀態(tài)，應(yīng)迅速將其壓力增大至系統(tǒng)保壓值，其加壓速率參照加壓執(zhí)行機構(gòu)額定的最大加壓速度來取值。

2.2 階段3控制策略

階段3的控制，既要考慮沖擊度，還要為降低下一階段系統(tǒng)的滑磨功做打算。一方面，接合離合器C2仍處于滑磨態(tài)，分離離合器C1由結(jié)合態(tài)進入滑磨態(tài)，其傳遞轉(zhuǎn)矩由慣性轉(zhuǎn)矩突變?yōu)榛マD(zhuǎn)矩，造成變速器輸出扭矩發(fā)生突變，此階段是整個升擋過程最易產(chǎn)生較大沖擊度的位置。在判斷出分離離合器C1由結(jié)合態(tài)進入滑磨態(tài)的位置，應(yīng)采取降低分離離合器C1減壓速率，同時保持接合離合器C2壓力值不變的方法來控制變速器輸出扭矩不發(fā)生急劇變化，進而控制升擋過程的沖擊度。

另一方面，當(dāng)進入階段3后，兩個離合器都處于滑磨狀態(tài)，由于接合離合器C2從動盤轉(zhuǎn)速低于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，且其傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩已經(jīng)很大，所以從分離離合器C1起滑點開始，應(yīng)采取降油門操作，降低發(fā)動機扭矩和轉(zhuǎn)速，有利于降低該階段及下一階段的滑磨功；同時兩個離合器均傳遞滑磨轉(zhuǎn)矩，其值不受發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩的影響，所以此階段采取降油門，不僅有利于降低系統(tǒng)的滑磨功，還不會對換擋過程車輛的動力性造成影響。

2.3 階段4控制策略

階段4的控制，主要考慮整個過程的滑磨功，因為分離離合器已經(jīng)C1分離，不傳遞轉(zhuǎn)矩；接合離合器C2還處于滑磨狀態(tài)，其加壓速率決定著整個過程沖擊度的大小，保證沖擊度在合理范圍內(nèi)時雖然可以控制接合離合器C2上的正壓力以適當(dāng)速度繼續(xù)增大，但這樣會導(dǎo)致C2上產(chǎn)生過大的滑磨功，所以控制離合器C2壓力繼續(xù)保持恒定，直到其結(jié)合后再以加壓執(zhí)行機構(gòu)額定的最大加壓速度將其壓力加到保壓值。與此同時，節(jié)氣門將繼續(xù)采取降油門控制，確保接合離合器C2以較短時間同步，同樣有助于降低整個過程的滑磨功。

3 仿真計算和分析

以某轎車的參數(shù)為仿真計算基本依據(jù)，根據(jù)上述對DCT加速升擋過程的分析，利用MATLAB/Simulink軟件，建立干式DCT系統(tǒng)傳動仿真模型，選取1擋升2擋過程進行仿真計算、分析，這里假設(shè)升擋起始車速為15 km/h，換擋開始時發(fā)動機節(jié)氣門開度為60%，調(diào)節(jié)后的節(jié)氣門開度為10%。發(fā)動機模型基于發(fā)動機在不同油門開度下穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù)，以MATLAB/Simulink軟件為基礎(chǔ)，把試驗數(shù)據(jù)輸入Lookup Table(2-D)模塊建立發(fā)動機數(shù)值模型，得到文中所采用的發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性曲線，如圖4所示。其他用于仿真計算的整車參數(shù)如表1所示。

圖4 發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性曲線

表1 仿真過程整車參數(shù)

以1擋升2擋為例，對DCT車輛升擋過程進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5—圖8所示, 圖中t1、t2分別為1擋離合器C1起滑、止滑時刻點。

圖5 離合器和發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化

圖6 2擋離合器產(chǎn)生的滑磨功

圖7 升擋過程系統(tǒng)的沖擊度

圖8 1擋離合器產(chǎn)生的滑磨功

圖5為升擋過程離合器從動端和發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化情況，觀察發(fā)現(xiàn)，兩個離合器從動盤在整個升擋過程中轉(zhuǎn)速變化很有限，高擋離合器的同步主要是通過離合器主動端降速來實現(xiàn)的，在1擋離合器C1起滑時刻t1，采取降油門的控制策略，具有有效縮短2擋離合器主從動盤同步時間的作用，使整個過程只有0.22 s左右，這為后續(xù)有效降低2擋離合器同步階段的滑磨功奠定了堅實的時間基礎(chǔ)。

圖6即為升擋過程2擋離合器C2產(chǎn)生的滑磨功，可以發(fā)現(xiàn)在1擋離合器C1起滑時刻t1，采取降油門和對2擋離合器C2進行保壓控制的聯(lián)合控制策略，使得2擋離合器C2在t1時刻前后產(chǎn)生的滑磨功各占一半，有效避免了2擋離合器在較短的同步時間段產(chǎn)生大量的熱量造成離合器摩擦性能的下降。

圖7為升擋過程系統(tǒng)的沖擊度，可以發(fā)現(xiàn)在1擋離合器C1滑磨階段，系統(tǒng)沖擊度出現(xiàn)了峰值，但僅為7.5 m/s3，這得益于在1擋離合器起滑時刻對2擋離合器進行保壓控制，同時減小離合器C1的減壓速率的控制策略，有效避免了由于1擋離合器打滑扭矩突變造成的系統(tǒng)沖擊度過大的問題。

圖8為1擋離合器C1產(chǎn)生的滑磨功，由于C1滑磨時間僅有0.1 s，且在滑磨階段其傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩已經(jīng)較小，所以在整個升擋過程中產(chǎn)生的滑磨功很小，可以忽略不計，故1擋離合器C1滑磨階段將系統(tǒng)的沖擊度作為主要控制對象。

4 結(jié)束語

以某六速干式DCT為研究對象，選取1擋升2擋的典型工況進行分析，綜合考慮換擋性能評價指標離合器滑磨功和沖擊度，對升擋過程關(guān)鍵節(jié)點進行了分析，并根據(jù)各個階段的特點制定了分階段的控制策略。仿真結(jié)果反映了升擋過程各部件轉(zhuǎn)速、離合器滑磨功、系統(tǒng)沖擊度變化情況，驗證了在升擋過程采用離合器壓力和發(fā)動機降扭的分階段聯(lián)合控制策略，可以顯著提升DCT車輛的換擋品質(zhì)。