双离合变速器建模仿真及分析

尤银刚，罗　映，孔庆祥（.山重建机有限公司，山东临沂76000；.山东建筑大学，济南500；.山东大学机械工程学院，济南5006）

双离合变速器建模仿真及分析

尤银刚1，罗映2，孔庆祥3
（1.山重建机有限公司，山东临沂276000；2.山东建筑大学，济南250101；3.山东大学机械工程学院，济南250061）

针对现有的双离合变速器技术，基于Matlab/Simulink平台，利用基于模型的设计思想建立5速双离合变速器简化模型，同时建立发动机简化模型提供动力输出，建立车身简化模型提供负载。在物理模型基础上进行基于模型的双离合器控制程序设计，实现基本的车辆起步和行进间自动换挡功能。最后对控制程序与变速器模型进行联合仿真，对仿真得到的发动机转速、车速、挡位等数据进行分析，用以验证控制程序的可行性，同时也对双离合变速器的工作原理和优越性进行分析和验证。

双离合变速器；Matlab/Simulink；基于模型

汽车自动变速器主要有电控机械式（AMT）、液力机械式（AT）以及无级自动变速器（CVT）3种类型［1］，其中AT和CVT在换挡时无动力中断，但燃油经济性较差［2］，AMT机械效率较高，但换挡时存在动力中断的问题［3］。双离合变速器DCT（dual clutch transmission）克服了上述自动变速器系统的不足，除了拥有手动变速器的灵活性及自动变速器的舒适性外，还能提供无间断的动力输出。

在应用方面，国外DCT的技术主要掌握在博格华纳、格特拉克和LUK以及菲亚特动力科技4家零部件企业手中，其他变速器企业诸如ZF等虽然也拥有DCT技术，但均未大批量推向市场［4］。国内DCT还处于样机的开发阶段，且目前还存在很多技术性问题。由于DCT的生产装置只需通过对现有的手动挡变速器生产线稍加改造便可使用［5］，符合我国国情，因此得到政府和行业高度重视，目前正处于快速发展时期。

基于模型设计（MBD）是一种新型的设计方法。该方法利用Matlab的Simulink、stateflow及其他工具箱构建模型并进行仿真分析，最后由Simulink自动生成代码。MBD的优势在于不仅能提高代码的可移植性、可读性和可靠性，还可将开发周期缩短至传统方法的20%～50%［6］。对于DCT系统而言，应用MBD可以忽略一些次要因素，将精力集中在系统层面的搭建上。本文将重点介绍DCT模型的整体设计和仿真分析过程。

1　DCT系统建模

1.1DCT原理与组成

图1是某DCT系统结构示意图［7］，发动机的输出轴与双离合器相连，2个离合分别通过实心轴、空心轴与奇数挡、偶数挡相连。工作时一个离合贴合作为当前挡位，另一个离合脱开，同时选挡机构预选下一个挡位。换挡时当前挡位的离合逐渐脱开，另一个离合逐渐贴合。

图1　双离合变速器结构

1.2系统总体模型

如图2所示，DCT系统主要由控制器和控制对象两部分组成。控制器负责对2个离合器贴合力的大小、油门开度大小、各挡位同步器结合和分离等实施控制；控制对象包括双离合变速器、车身、轮胎模型等。本模型变速器有5个挡位，其中离合器1对应的是1，3，5挡，离合器2对应2，4挡。

图2　系统总体模型

1.3发动机模型

发动机模型（图3）有2个输入端口和2个输出端口。输入为节气门开度信号T、发动机机体参数B，输出为发动机的输出转速rpm以及发动机输出轴参数F［8］。

图3　发动机模型

1.4变速器模型

变速器模型输入输出信号如表1所示。变速器模型负责把发动机输出的转速、扭矩等信息通过挡位的传动比转换输出后传递给车身。双离合器变速器包括2个离合器以及对应的2套齿轮传动系统，接收控制部分输出2个离合器贴合力P1、P2以及换挡拨叉动作信号（非传动轴期望挡位）。变速器实现这些控制，并向控制部分反馈2个转速差信号s1和s2。变速器模型如图4所示。

表1　双离合器信号说明

图4　变速器模型

1.5车身模型

车身的参数化模型［9］为发动机和变速器提供负载信息。如图5所示，车身模型有6个端口，2个输入信号（W：风速，beta：路面倾角）；3个输出信号（V：车速，NF：汽车前轮车轮力，NR：汽车后轮车轮力）以及与轮胎连接的机械轴。此模型模拟车辆的质量为1 600 kg，初始速度为0，底盘高度为0.5 m，风速为5 m/s，路面倾角为0°。

图5　车身模型

2　变速器控制策略模型

变速器控制策略模型实时检测离合器输入输出轴的转速、当前车速以及油门踏板，计算并判断挡位切换时机，得出2个离合的贴合力大小，并进行非传动轴挡位的预选，得出下一挡信息。此外在正扭转升挡时为了防止转速下降［10］，还要对发动机的转速进行干预。整个控制模型的输入输出如表2所示。

表2　控制器模型输入输出信号

2.1总体控制逻辑

模型控制部分总体逻辑控制如图6所示。挡位状态控制部分负责检测车速、发动机转速以及输入输出轴转速差。当判断需要进行挡位切换时改变挡位状态标志的值，向离合控制部分表示需要进行离合切换。离合控制部分负责接收换挡信息，并控制2个离合贴合力渐变以实现离合切换过程。预选下个挡位部分负责比较实时车速和设定换挡车速，得出非传动轴应该结合的挡位，并进一步得出变速箱内部各个挡位拨叉的动作指令。发动机控制部分根据扭矩需求得出节气门开度大小，并在换挡时通过节气门开度信号对发动机转速进行调整。

图6　总体逻辑控制图

2.2挡位状态控制

如图7所示，G为挡位状态标志，当G为整数时，代表变速器当前工作的挡位，当G不是整数时，代表变速器正处在换挡状态中。其中：G为0.5表示车辆处于起步状态；G为1表示当前挡位为1挡；G为1.5表示变速器正处于1挡升2挡或者2挡降1挡的过程中；G为2.5，3.5，4.5同理。U/D代表“Up”或“Down”，即升挡或降挡。

对车辆的换挡控制分2种情况：

1）起步状态的处理。当G为0.5时，这时若离合器1输入轴和输出轴的转速差s1小于10，表示起步完成，则对G加0.5，进入1挡行驶状态；当G为1时，若发动机转速低于800 r/min，表示车速过低，需要分离离合器，防止发动机熄火，则对G减0.5，进入起步状态。

2）如果车辆起步完成，并处在某个挡位行驶时，其升降挡主要取决于当前车速和油门踏板标定的换挡车速间的关系。如果前者比后者大，升一挡，反之，则降一挡。图8显示了1挡升2挡判断逻辑，mph12为参考油门踏板得出的1挡升2挡的车速，当G为1和车速mph大于mph12同时满足时就会得出E为0.5，对应的G由1变为1.5，表示车辆进入了1挡升2挡过程。直到离合切换完成，参考换挡完成标志，再把G由1.5变为2。

图7　换挡状态

图8　1挡升2挡

变速器共5个挡位，其他挡位的升挡和降挡判断与1挡升2挡是类似的。

2.3挡位切换过程处理

换挡切换过程实际就是离合切换过程，根据挡位状态G主要分为3种情况。

1）G为0.5，也就是起步状态，此时离合器2完全分离，离合器2贴合力P2为0；离合器1贴合力P1与油门踏板关联，随着油门踏板位置加大增大P1，离合逐渐贴合，完成起步。

2）G为整数，表示车辆在某个挡位行驶，则该挡位所关联的离合器的贴合力保持最大，另一个离合器的贴合力为0。

3）G为其他小数，表示进入换挡过程，此时根据G值和U/D值判断离合切换方向，原挡位关联离合器的贴合力逐渐减小，新挡位关联离合器的贴合力同步逐渐加大，此贴合力达到最大则说明挡位切换完成，同时把换挡完成标志位Complete置1。

图9是离合器1切换到离合器2的过程。离合器2的贴合压力P2从0逐渐达到最大值2 MPa，离合器1的贴合压力P1同步从2 MPa逐渐减小到0。此过程在1挡升2挡、3挡升4挡、3挡降2挡、5挡降4挡的情况下发生。

图9　离合器1和离合器2切换过程

2.4下个挡位的预选

在处于分离状态的离合器上选择下个挡位Next gear时使用就近原则［11］，1挡时Next gear是2挡，2挡时把当前车速mph和2挡降1挡车速mph12、2挡升3挡车速mph23做比较，mph与哪个更为接近，Next gear即为哪个挡位。以此类推，处在3挡、4挡和5挡时候是一样的情况。

Next gear选定和啮合发生在车辆行驶过程中并根据车速不断调整，这样一来，换挡时只需切换离合器即可。

2.5换挡拨叉动作控制

变速器使用同步器将某个挡位的齿轮与传动轴结合在一起以实现动力传递。变速器控制器驱动换挡拨叉带动同步器来选择某个挡位的齿轮。下个挡位的预选过程就是驱动某个拨叉的过程。模型对变速箱结构做简化处理，设置5个同步器，对应5个挡位［12］，控制程序输出5个驱动信号，等效于5个同步器的换挡拨叉动作。

图10所示的是5个挡位对应的同步器的控制程序，U1～U5即相当于5个换挡拨叉动作信号。在满足变速器稳定在某个挡位并且下个挡位对应的离合器完全分离的条件下，将下个挡位信息传递给图10所示程序，得到该传动轴上所有挡位的换挡拨叉的动作信号，并保证只有一个是使同步器啮合的动作，其余是使同步器分离的动作。之后传递给对应的同步器使其啮合。例如要选择3挡，前提应该是当前Gear state为2或4，同时P1小于0.2 MPa，Next gear为3，则最终输出的U1、U5为-1，U3为1，表示1挡、5挡的同步器脱离，3挡同步器啮合。

图10　齿形离合器控制逻辑

3　仿真曲线分析

图11～13表示在油门踏板加一阶跃信号后，车辆从起步状态逐渐升至4挡过程中挡位状态、发动机转速、车速的变化过程。

在图11中，挡位状态起始值为0.5，说明起始状态为起步状态，在1.5，2.5、3.5短暂停留表示此时是挡位切换过程。在图12中，发动机转速下降是因为挡位升高，传动比减小，发动机转速下降时刻正是图11挡位的切换时刻。在图13中，车辆从1挡升至4挡过程中，车速平滑升高无波动，说明控制逻辑正确可行，能够控制双离合变速器实现自动换挡功能。

图11　挡位变化曲线

图12　发动机转速变化曲线

图13　车速变化曲线

4　结束语

本文建立了双离合变速器的基本模型和控制程序模型。仿真结果表明：双离合变速器在起步和换挡过程中车速不会出现明显波动，说明不会出现动力间断，换挡舒适性有所提高。但模型进行了简化处理，比如离合器分离与贴合过程、换挡过程中发动机扭矩转速的调节等。

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（责任编辑刘舸）

Simulation Modeling and Analysis of Dual Clutch Transm ission

YOU Yin-gang1，LUO Ying2，KONG Qing-xiang3
（1.Strong Construction Machinery Co.，Ltd.，Linyi276000，China；2.Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

In view of the existing dual-clutch transmission technology，based on Matlab/Simulink platform，we established a simplified model of 5-speed dual-clutch transmission by using themodelbased design idea.At the same time，we established a simplifiedmodel of engine for power outputting and a simplified model for automobile body providing the load.Based on the physicalmodel，we designed the control program and realized the basic function of start and automatic shift.Finally，we made the joint simulation of the control program and the transmissionmodel，and analyzed the data of engine speed，automobile speed and gears to verify the feasibility of the model and to validate the working principle and advantages of dual-clutch transmission at the same time.

dual-clutch transmission；Matlab/Simulink；model-based design

U463.212

A

1674-8425（2015）05-0006-06

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.05.002

2015-01-10

国家自然科学基金资助项目（50575129）

尤银刚（1975—），男，山东人，工程师，主要从事工程机械电气控制系统等方面的研究。

尤银刚，罗映，孔庆祥.双离合变速器建模仿真及分析［J］.重庆理工大学学报：自然科学版，2015（5）：6 -11.

form at：YOU Yin-gang，LUO Ying，KONG Qing-xiang.Simulation Modeling and Analysisof Dual Clutch Transmission［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（5）：6-11.