DCT手动换挡控制功能的实现

2018-07-12杨庆王振锁

汽车工程师 2018年3期

杨庆王振锁

（联合汽车电子有限公司）

自动变速器通过传感器、控制器和执行器组成的控制系统实现了换挡操作的自动化，省去了驾驶员的换挡操作，提高了车辆驾驶的便利性和舒适性。同时，为了满足多样化的驾驶需求，提升驾驶体验，很多自动变速器在自动换挡的基础上兼容手动换挡模式，实现手自一体换挡功能，以便驾驶员根据实际需要进行相应的选择。自动变速器的手动换挡功能，可以更好地响应驾驶员的换挡意图，加强驾驶员和变速器之间的“人－机”互动，增强驾驶乐趣。

1 DCT结构及原理

双离合器式自动变速器（DCT）是一种涉及机械、液压及电控等多个领域的自动变速器类型，目前已经得到了广泛的市场应用。DCT的机械结构是由定轴式传动机构发展起来的，由2组动力传动链构成，每组动力传动链均包括离合器、同步器、传动轴和齿轮等部件，分别实现奇数挡和偶数挡的动力传递。DCT的换挡过程包括离合器动作和同步器动作2个阶段。当车辆运行在某一挡位时，一组传动链参与工作，将变速器的输入动力以一定速比传递到输出轴，同时，DCT控制系统根据变速器运行工况控制另一组动力传动链中的相关同步器进行预结合，完成同步器动作后再根据换挡条件触发离合器的动作，从而将DCT的输入动力从一组传动链切换至另一组传动链，实现速比的调节，完成自动换挡[1-2]。

2 手动换挡概述

图1示出常见的带手动模式的换挡手柄示意图。

图1 带手动模式的换挡手柄示意图

当手柄处于“D”位置时，变速器进入自动换挡模式，变速器控制单元（TCU）根据车速、油门等状态信息，基于设定的换挡规律，确定目标挡位，并控制相应的执行元件，实现挡位切换。在自动换挡模式下，TCU仅能通过油门踏板和制动踏板间接获取驾驶员的换挡意图，无法直接反映驾驶员的换挡意图，因而存在某些工况无法满足部分驾驶员个性化的驾驶要求。当手柄处于“D”右侧触发手动换挡模式时，驾驶员根据自己的挡位判断，将换挡意图“＋”或者“－”通过传感器传递到TCU，在满足安全性和合理性的条件下，TCU直接响应驾驶员的换挡请求，进行相应的换挡操作，并通过仪表将挡位信息进行反馈，使驾驶员的换挡请求和变速器的换挡操作形成闭环互动，更好地实现驾驶需求，增强变速器控制系统的适应性。同时也对变速器控制系统提出了更高的要求，包括系统响应、可靠性等。此外，考虑到车辆和变速器运行的安全性、合理性等方面因素，TCU还需要对驾驶员的换挡请求进行适当的过滤和判断，并进行必要的补充，实现手动换挡模式中的自动保护。

3 DCT手动换挡控制

3.1 系统架构

与液力自动变速器（AT）和无级变速器（CVT）不同，DCT的液压系统中一般没有手动阀，因此不需要通过换挡手柄与变速器之间的拉索实现变速器手动阀的操作，换挡手柄与变速器之间没有机械连接，只需要与TCU通过电信号的交互实现驾驶员请求的输入。图2示出某DCT的手动换挡系统。

图2 DCT手动换挡系统组成

为了操作的便利性，驾驶员的换挡请求不仅可以通过换挡手柄传输，还可以通过转向盘附近的换挡拨片或换挡按钮进行传输。驾驶员结合换挡意图，操作换挡手柄、换挡拨片或换挡按钮，将升挡或降挡请求通过电气信号传输至换挡手柄控制单元（GSM），GSM通过CAN通讯将换挡请求发送至TCU，包括手动模式信号（Tip）、升挡请求信号（Tip+）和降挡请求信号（Tip-），TCU根据车辆状态、驾驶员意图进行换挡决策，并进行相应的换挡过程控制，实现DCT手动换挡的控制功能。为了增强系统的可靠性，需要对换挡请求的原始信号（电平、上升脉冲沿、下降脉冲沿）进行相应的电气诊断，以防止输入信号的故障引起错误的手动换挡[3]。

3.2 换挡决策

3.2.1 稳态挡位的手动换挡请求

当车辆处于静止状态时，DCT的奇数轴和偶数轴各有一个挡位的同步器进行预结合，奇数轴离合器和偶数轴离合器均处于分离状态，车辆动力传动链断开。在自动模式下，TCU默认变速器以1挡进行起步。在手动模式下，当驾驶员拨动换挡手柄、换挡拨片或者换挡按钮发出升挡请求时，TCU将目标挡位设定为2挡，使2挡同步器预结合，当驾驶员松开制动踏板、踩下油门时控制偶数轴离合器逐步结合，进行2挡起步。

当车辆处于稳定挡位行驶状态时，TCU根据车速、油门等状态信息设定变速器的目标挡位。若驾驶员发出升挡或者降挡请求，TCU在捕捉到相应的输入脉冲后进行相应的逻辑判断，确认无故障并且满足一定的合理性要求，则基于当前挡位响应驾驶员的升挡或者降挡请求，调整变速器的目标挡位，并根据目标挡位将相应的同步器预结合，确认同步器操作完成后再控制相应的离合器，实现变速器的目标挡位。

3.2.2 换挡过程中的手动换挡请求

在换挡过程中，驾驶员也可能操作换挡手柄、换挡拨片或者换挡按钮，发出新的换挡请求。对于不同换挡过程中不同阶段发生的新换挡请求，需要根据具体的工况采取相应的换挡决策。

当手动换挡请求发生在换挡过程的初期，相关执行器件只是在做换挡准备，例如离合器充油等，变速器的速比还未发生变化，则TCU可以结合具体的换挡类型，中断原先的换挡过程，根据手动换挡请求执行新的换挡指令。当手动换挡请求发生在换挡过程的末期，变速器的速比已经发生变化甚至接近目标挡位的速比，则TCU在本次换挡过程中不响应手动换挡请求，继续执行原先的换挡过程，待换挡完成后再根据手动换挡请求执行新的换挡指令。

除了换挡请求的发生时刻，换挡过程中的手动换挡决策还需考虑具体的工况、换挡类型及驾驶性等多方面因素，综合判断是否进行换挡打断或换挡转移。对于需要及时响应的换挡类型，当TCU接收到手动换挡请求时，控制系统中断原先的换挡过程，根据手动换挡请求执行新的换挡指令。对于响应时间要求不高的换挡类型，控制系统继续执行原先的换挡过程，待换挡完成后，TCU再发出新的换挡指令。

3.2.3 禁止换挡

禁止升挡。为了保证车辆的加速性能，防止车辆在较低车速时换入过高的挡位，DCT控制器需要结合具体工况禁止部分升挡请求。当驾驶员提出升挡请求时，当前车速必须满足一定的条件TCU才会进行升挡操作，否则会忽略该升挡请求。若车辆处于n挡，则当前车速必须大于n挡升入n+1挡的最低换挡车速才能进行升挡，否则禁止升挡。

禁止降挡。为了防止车辆在较高车速时换入过低的挡位，造成发动机转速过高和车辆的强制动，DCT控制器需要结合具体工况禁止部分降挡请求。当驾驶员提出降挡请求时，当前车速必须满足一定的条件TCU才会进行降挡操作，否则会忽略该降挡请求。若车辆处于n挡，则当前车速必须小于n挡降入n-1挡的最高换挡车速才能进行降挡，否则禁止降挡。

3.2.4 强制换挡

在手动模式下，驾驶员可能在某些工况下没有进行合适的换挡请求，为了确保DCT的正常运行并实现较好的驾驶性，TCU需要根据工况要求进行相应的自动换挡，为手动模式提供必要的补充。

在手动模式下，如果车辆在加速过程中驾驶员一直没有升挡请求，TCU需要根据换挡规律自动实现升挡，降低发动机转速，避免发动机的超速运行，同时减少车辆运行的噪声，提升舒适性。

在手动模式下，如果车辆在减速过程中驾驶员一直没有降挡请求，TCU需要根据换挡规律自动实现降挡，实现相应的车辆制动，同时确保车辆再次加速时具有足够的动力。

3.3 换挡过程控制

基于换挡决策的结果，TCU驱动相应的电磁阀电流，进行同步器和离合器动作过程的精确控制，实现DCT手动模式的挡位切换。

以图3所示的某DCT手动模式4—5换挡过程为例，车辆以4挡运行时，驾驶员拨动换挡手柄Tip+，发出升挡请求，TCU接收到手动升挡请求信号后，经换挡决策确认执行4—5换挡过程。首先控制15同步器从空挡位置向5挡位置进行结合，经过同步器液压油路预充，转速同步及进挡过程等各阶段的精确控制后，确保奇数轴5挡啮合齿轮组处于在挡状态，而后进行2个离合器的压力控制，5挡所对应的奇数轴离合器进行快速充油控制，转矩相控制和惯性相控制，同时4挡所对应的偶数轴离合器进行相应的卸压控制，两者按照设定的控制时序进行合理的搭接控制，实现DCT的输入动力从偶数轴向奇数轴的切换，响应驾驶员的升挡请求。