双离合自动变速器换挡的控制与仿真

王 勇，易 军

（湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉430068）

双离合器式自动变速器（DCT）综合了液力机械自动变速器和电控机械自动变速器［1］的优点，传动效率高、结构简单、生产成本低.DCT的基本原理相当于采用两套变速器和两个离合器，一个变速器处于工作状态时另一变速器空转，通过两个离合器的切换来实现两变速器交替进入工作状态，可在动力切断时间很短的情况下完成换挡，消除了AMT切断动力换挡带来的换挡冲击问题，不仅提高了车辆的动力性和经济性，而且极大地改善了车辆运行的舒适性［2］.

1 双离合器结构及其换挡工作原理

双离合器自动变速器采用两个离合器分别与变速器的两个输入轴相连：一个离合器与变速器的奇数档输入轴相连，另一个离合器与偶数档相连.两个离合器交替作用传递动力（图1）.

图1 双离合器机构简图

当车辆以某个档位行驶时，DCT的电控单元会根据相关信息来判断即将工作的下一档位，并指令换挡执行机构预先啮合这一档位.当汽车达到换挡点时，将正在工作的离合器分离，同时将另一个离合器结合，两个离合器的分离与结合是同时进行的，并且在两个离合器的切换过程中只会使发动机的动力传递出现一个减弱的过程，而不需要完全切断动力，驾驶者几乎感觉不到换挡时离合器的分离和结合的变化.整个过程可以快速而平稳地经行，不会出现扭矩中断现象，即可实现动力换挡［3］.

2 双离合器换挡动力学模型及动力学分析

2.1 双离合器换挡动力学模型

据双离合器结构和工作原理，可以建立双离合器换挡动力学模型（图2）.图中：Te为发动机的输出扭矩；Tc1、Tc2为离合器C1、C2传递的扭矩；T1、T2为离合器C1、C2反作用扭矩；Td为对车辆输出的扭矩；Ie为发动机和离合器主动部分的转动惯量；Ic1、Ic2为离合器C1、C2从动部分及连接部分的转动惯量；ωc1、ωc2为离合器C1、C2的角速度；ωe为发动机的角速度；ωd为车轮的角速度；i1、i2为离合器C1、C2的传动比；i0为减速器的传动比.

图2 双离合器换挡模型

2.2 双离合器换挡的数学模型

发动机模型为

离合器C1模型为

离合器C2模型为

汽车整车模型为

其中：

式中：α为汽车加速度；R为车轮滚动半径；θ为道路坡度角；CD为汽车滚动阻力系数；f为空气阻力系数；A为车辆迎风面积；v为车辆行驶时的速度.

2.3 双离合器换挡过程分析

一般情况下，DCT升档过程要经历三个阶段：低档—惯性相—高档［4］.以2档升3档为例，此时离合器C1控制3档，离合器C2控制2档.

1）低档运行：此时离合器C2接合，离合器C1分离，对车辆的输出扭矩由离合器C1提供，此时车辆处于稳态.

2）惯性相：在此阶段离合器C2开始放油，油压不断下降，出现打滑，离合器C1充油，也开始打滑；此时不仅有输出扭矩的变化，各部分传动比也出现变化，是产生冲击度最大的阶段［5］.这时离合器C1、C2所传递的扭矩由油压P1、P2决定［6］.

式中：U1、U2为离合器C1、C2的摩擦系数；S1、S2为离合器C1、C2的作用面积；P1、P2为离合器C1、C2的作用压力；R10、R11、R20、R21为离合器C1、C2的摩擦片外径和内径；Z1、Z2为摩擦片数.

由于此时离合器在打滑，所以离合器从动片的角速度ωc1、ωc2由车轮的角速度ωd决定，即：

3）高档运行：此阶段离合器C1接合，离合器C2分离，对车辆的输出扭矩由离合器C2提供，车辆又重新恢复稳态.

3 双离合器的换挡的评价指标及控制策略

3.1 换挡品质的评价指标

3.1.1 冲击度 车辆的冲击度以加速度的变化率

来表示.

3.1.2 滑摩功 滑摩功是指离合器主从动片间滑动摩擦力矩做的功

其中（ω1－ω2）是主从动片的角速度差.

3.2 双离合器的控制策略

根据双离合器的换挡评价指标，现仅以冲击度作为研究对象，使其最小为零，则要求换挡过程中保证冲击度j＝0，故要求dv／dt＝a（a为常数），即要求车辆在换挡过程时中匀加速行驶，保证加速度不变.根据换挡过程分析，可知冲击度产生是在惯性相，故以这阶段为研究对象，使其冲击度为零.根据以上控制目标，联立式（2）－（5）和（7）可以得到

其中：f（v）与初速v，加速度a和汽车本身参数有关.根据式（6）、（8），相应的离合器C1、C2之间的油压关系可以表示为：

可知，若离合器油压在换挡过程中满足关系式（9），则通过传动系传递给车辆的转矩在克服各种阻力矩的作用后，正好可以使车辆保持同一加速度行驶，即可实现无冲击换挡.

由式（1）和（8）可得到发动机的转矩关系为

由于发动机本身是激励源，应该保证其转速变化尽可能平稳［7］，即在换挡时间内使转速从离合器C2平稳过渡到离合器C1，所以：

式中：ωC20为离合器C2换挡开始时的角速度；ωC11为离合器C1换挡结束时的角速度；t0为换挡时间.

由发动机的转矩特性知道，发动机的输出扭矩Te是转速We和油门开度 的函数关系，则根据（10）有

综上所述：要想使换挡过程冲击度为零，必须使加速度α为常数，加速度α为常数，则必须使离合器C1、C2满足关系式（8）、（9），同时由于离合器的扭矩是由发动机输出来的，所以发动机的油门开度也必须满足式（12）.这就是换挡无冲击的条件.

4 仿真模型的建立与分析

4.1 建立仿真模型

根据以上分析，以二档升三档为例，可预测汽车换挡时的初速、加速度以及换挡时间，并假设离合器C1的正压力是线性增加［8］，则根据式（9），在临界条件离合器C2换挡结束时正压力为零，可以推出P1＝149 270t.

以某轿车为研究对象，利用 Matlab／simulink对其换挡过程进行仿真，仿真参数如下：总质量M，1137kg；空 气 阻 尼 系 数CD，0.3；迎 风 面 积A，2.295m2；车轮半径R，0.312m；滚动阻力系数f，0.009 2；初速度v，10m／s；加速度α，0.5m／s2；i0，3.64；i1，4.17；i2，2.34；i3，1.52；i4，1.14；i5，0.87；i6，0.69；U，0.15；S，0.0128m2；Z，2；Ie，0.28kg · m2；Ic1，3.23kg · m2；Ic2，2.10kg·m2.

各部分仿真计算模型如图3－图8.

图3 发动机角速度计算模型

4.2 仿真结果分析

仿真结果如图9－图14.由图9和图10看出，当离合器C1的正压力随时间线性变化时，离合器C2的正压力也接近线性变化.而由式（13）可知，离合器C2的正压力中含有f（v）项，草药即含有t2项，所以应该是二次曲线.后经过验算，发现t2项系数远小于一次项的系数，可以忽略不计，所以在图像上显示的是线性的，即离合器C1、C2的正压力都是线性变化的，这有利于对离合器压力的控制.

由图11看出，在整个换挡过程中，车辆油门开度由31.92%上升到34.48%，前0.6s接近线性，后0.4s比较平滑，这与人们踩油门也比较符合.

由图12知，离合器C1、C2以及发动机的角速度都是线性变化的，这是因为在给定初速和加速度的情况下，滑摩过程中离合器C1、C2从动片角速度都取决于整车的速度和加速度，所以当加速度不变时，角速度呈线性变化.而发动机在控制过程中就保证其是线性变化的.由图13，14知，当控制离合器和发动机的参数满足式（8）、（9）、（12）时，可以保证车辆在换挡过程中的冲击度为零，滑摩功也平稳增加.

5 结论

1）基于双离合器的结构和工作原理建立其动力学模型，分析换挡过程，确定冲击度产生于惯性相.

2）以冲击度为零为约束条件，推导出两离合器油压和发动机油门开度应满足的关系式.通过仿真验证表明：当两离合器油压和油门开度满足一定关系时，可以保证冲击度为零.

［1］牛铭奎，程秀生，高炳钊，等.双离合器式自动变速器换挡特性研究［J］.汽车工程，2004，26（4）：453－457.

［2］Kulkarni M，Shim T，Zhang Y.Shift dynamics and control of dual－clutch transmissions［J］.Mechanism and Machine Theory，2007，42：168－182.

［3］金 伦，程秀生，孙 俐，等.双离合器自动变速器仿真研究［J］.汽车技术，2005（8）：4－7.

［4］王玉海，宋” 健，李兴坤.离合器动态过程建模与仿真［J］.公路交通科技，2004，21（10）：121－125.

［5］葛 威.DCT换挡过程的动力学分析与仿真研究［D］.长春：吉林大学图书馆，2007.

［6］胡宏伟.湿式自动离合器接合过程特性的研究［D］.杭州：浙江大学图书馆，2008.

［7］谭 勇.DCT离合器分离接合规律的仿真研究［D］.武汉：华中科技大学图书馆，2007.

［8］谭 勇，谭新蓬，段小成.双离合器自动变速器无冲击换挡的实现［J］.机床与液压，2007，35（9）：208－212.