湿式双离合器自动变速器的起步控制

桂鹏程， 尹良杰， 胡 亮

（安徽江淮汽车股份有限公司 变速箱设计部，安徽 合肥 230601）

湿式双离合器自动变速器（Dual Clutch Transmission，简称DCT）控制的难点之一是车辆起步过程中对离合器传递扭矩的控制。这是由于起步过程中双离合器的摩擦系数、油门踏板、发动机转速、发动机飞轮端扭矩及变速箱油温均在不断变化。本文主要阐述了在以上因素情况下如何控制离合器传递的扭矩，防止发动机熄火，减少滑摩功，实现车辆平稳快速起步。

湿式双离合器传递的扭矩通过离合器控制压力实现，准确、快速地控制离合器压力是成功实现车辆起步的关键所在。为此不仅需要一个成熟的液压系统，而且需要了解不同温度下离合器控制压力与离合器传递扭矩之间的关系。文献［1］给出了离合器传递扭矩与压力的关系式。在摩擦片数、摩擦面积及摩擦片内外径一定的情况下，离合器传递的扭矩与离合器控制压力和摩擦系数相关。文献［2－3］介绍了离合器摩擦系数与转速、温度和负荷的关系及测试方法，在该基础上，本文得出湿式双离合器摩擦系数与主从动盘转速差及传递扭矩之间的关系如图1所示。不同油温对于摩擦系数的影响如图2所示。

图1 摩擦系数与转速差及扭矩的关系

图2 离合器摩擦系数与油温的关系

1 起步控制评价指标

车辆起步过程控制的好坏将直接影响到整车动力性、舒适性及整车寿命。

1.1 冲击度与滑摩功

理论上起步控制主要的评价指标有冲击度j和离合器的滑摩功Lc。

冲击度j为车辆纵向加速度的变化率，其数学表达式为：

其中，a为车辆纵向加速度；t为时间；Tout为变速器输出转矩；Tw为车轮上的牵引转矩；Iw为输出轴以及汽车平移质量换算到输出轴上的惯量；r为驱动轮滚动半径；i0为主减速器传动比。

离合器的滑摩功Lc为：

其中，t0为起步起始时间；t1为起步结束时间；Tc为离合器摩擦力矩；ωe为发动机转速；ωc为离合器从动盘转速。

由（1）式可知，起步过程的冲击度主要与离合器传递扭矩的变化率有关，要保证起步的平顺，离合器的控制压力不能有突变，体现在整车层面上则是车速平稳上升。由（2）式可知，滑摩功与离合器主从动盘转速差、离合器摩擦力矩和滑摩时间相关，文献［3－4］提出滑摩功主要与发动机转速有关，维持发动机在较低转速（大于怠速）稳定运行，使输入轴转速与发动机转速尽快同步（主从动盘转速差为0）完成起步过程是减少起步滑摩功的主要手段。本文通过起步响应时间（车辆静止踩油门到有车速的间隔时间）和起步完成时间（车辆静止踩下油门到发动机转速与输入轴转速同步的间隔时间）来体现滑摩功。

1.2 市场成熟湿式双离合器车辆起步测试

市场上成熟的湿式双离合器自动变速器的前进挡和倒挡起步测试数据如图3、图4所示，由图3、图4可知，无论是前进挡还是倒挡，起步过程中车速平稳上升，发动机转速总体上升平稳，前进挡20%油门开度下，起步瞬间发动机转速有轻微降低，但小于40r／min，前进挡和倒挡在20%油门开度下，到达目标发动机转速瞬间有轻微波动（＜50r／min）；同一油门开度20%下，倒挡起步响应时间大于前进挡响应时间，但均小于0.8s。

图3 D挡加20%油门起步曲线

图4 R挡20%油门起步曲线

1.3 起步控制性能指标

由以上理论及对成熟的湿式双离合器变速器车辆测试分析可知，起步过程应满足以下要求：① 发动机不能熄火；② 发动机转速上升平稳，不能有较大波动，一般小于50r／min；③ 起步响应时间不能太长，应小于0.8s；④ 车速平稳上升。

2 起步控制策略

针对离合器的起步控制，文献［1］提出基于模糊PID控制离合器压力，实现离合器压力精确控制的策略，文献［4］采用维持发动机恒转速控制原则，文献［5］提出2个离合器同时接合，采用模糊控制器控制离合器的结合速度的控制策略。但有关控制离合器扭矩时参考发动机飞轮端扭矩以及起步过程采用分段控制理论［6－8］的报道不多。

根据发动机转速特性，将发动机目标转速定为各油门开度下的最大转矩转速［4］。江淮某款轿车所用2.0T发动机的速度特性如图5所示，图5中圆点为各油门开度下的最大转矩转速点，根据图5可得到目标发动机转速与油门踏板开度之间的对应关系，如图6所示。

图5 速度特性曲线

图6 目标发动机转速与油门之间关系

采用目标发动机转速控制方法，将起步过程分为2个阶段：第1阶段为发动机转速从怠速到某一个发动机转速值ω1，ω1低于该油门踏板下的目标发动机转速值ωt，该阶段采用开环控制，满足起步快速性；第2阶段从该发动机转速值ω1到目标发动机转速值ωt阶段，本阶段采用PI闭环控制，满足起步的平稳性和精准性。

发动机转速ωe变化情况与发动机飞轮端扭矩Te和离合器传递扭矩Tc之间的关系为：

其中，Ιe为发动机转动惯量。

由（3）式可知，当Tc＜Te时，发动机转速将上升，通过调整Tc的大小可使发动机转速按照一定的目标斜率上升。本文的控制策略将Tc通过一个比例系数k转化成Te，即Tc＝kTe。由此可得出发动机转速与比例系数k的关系为：

在发动机转动惯量和飞轮端扭矩一定的情况下，k值越小，发动机转速上升越快。

第2阶段控制原理如下：

当Δω＝ωt－ωe小于某一定值M时，程序进入第2阶段，为了精确控制实际发动机转速，本文选取的M值一般小于200r／min。在该范围内采用PI控制器进行精确控制，效果非常好，见后面的实车测试部分。PI控制原理如图7所示。

图7 目标发动机转速PI控制原理图

市场上大部分成熟的装配双离合器自动变速器的车辆均有2挡蠕动功能，即车辆在不踩刹车和油门时可维持在2挡以相对稳定的车速前行。为此，本文开发了2挡起步功能，实现了2挡蠕动踩油门起步，节省了1挡蠕动过程和1挡升2挡的换挡过程，大大提升了车辆的燃油经济性和操作方便性，2挡控制原理与1挡相同。

3 实车试验

本策略在江淮某款轿车上进行，分别完成1挡小油门、中油门和大油门的起步测试如图8～图10所示，由图8可看出，1挡20%油门起步，踩下油门后0.14s车辆开始移动并平稳加速，整个起步过程发动机转速较快上升到目标发动机转速，用时1.5s与输入轴1转速同步，整个起步过程发动机转速波动量小于30r／min，离合器实际控制压力较好地跟随期望压力，起步过程各项性能均达标。由图9可看出，1挡50%油门起步，0.42s后车速平稳上升，发动机转速快速平稳上升并稳定在目标发动机转速直到与输入轴1同步，起步完成时间为1.59s。由图10可看出，1挡80%油门起步，起步响应时间为0.44s，车辆快速平稳加速，发动机转速快速平稳上升到目标发动机转速，并快速与输入轴1转速同步，起步完成时间为1.54s。由以上实验数据可知，1挡起步过程中，本文很好地控制了发动机转速，并较快地实现了车辆的同步，起步完成时间均小于2s。

图8 1挡20%油门起步

图9 1挡50%中油门起步

图10 1挡80%油门起步

4 结束语

本文阐述了离合器摩擦系数对于离合器传递扭矩控制的影响，结合对市场上成熟产品的起步性能的测试，制订了起步性能量化指标，并提出2挡起步的概念。本文研究了20%、50%和80%3种油门下的整车起步，结果均满足起步性能要求，表明本文采用的起步过程分段控制策略能够满足各种工况的起步，起步控制效果良好。参考发动机飞轮端扭矩能够很好控制发动机转速，采用开环控制能够满足起步的快速性要求，采用PI闭环控制能够实现离合器扭矩的精准控制。

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