淺析雙離合器自動變速系統模型的建立

【摘 要】文章概述了雙離合器自動變速器（DCT）系統，闡釋了DCT系統的構成，并從DCT 系統的動力學模型、雙離合器系統建模、離合器執行機構數學模型和整車動力學模型四個方面論述了DCT系統模型的建立。

【關鍵詞】DCT系統 建模 動力學模型 雙離合器自動變速

【中圖分類號】U463.211 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674－4810（2011）20－0200－02

目前，汽車自動變速器主要有三種形式：AT（Automatic Transmission，液力機械自動變速器）、CVT（Continuously Variable Transmission，無級變速器）和AMT（Automated Manual Transmission，電控機械自動變速器），在電控機械式自動變速器領域中，近年來又出現了一種新的變速傳動方式DCT（Dual Clutch Transmission，雙離合器自動變速器），并成了世界汽車領域研究開發的熱點。

一 雙離合器自動變速器系統概述

為了既可以充分利用電控機械式自動變速器具有的優點，又可以消除其換檔過程動力中斷的缺點，采用雙離合器結構的雙離合器自動變速器（DCT）應運而生。DCT的主要特點是變速器各檔位主動齒輪按奇、偶數檔位分別與輸入軸上設置的兩個離合器C1、C2連接，離合器C1、C2交替傳遞工作動力以實現檔位切換。DCT工作時，車輛先以某一檔位運行，車輛自動變速器電控單元可以根據相關傳感器的信號判斷即將進入工作的下一檔位，該檔位與另一個離合器相連且該離合器處于分離狀態，因此該檔位不傳遞動力，所以可以十分方便的控制換檔執行機構，預先換入這一檔位，在車輛運行達到換檔點時，只需要將正在工作的離合器分離，同時將另一個離合器接合，則使汽車以下一個檔位行駛。在換檔過程中，發動機的動力始終不斷地被傳遞到車輪，所以這樣完成的換檔過程為動力換檔，這將極大地提高換檔舒適性，同時也保證了車輛具有良好的經濟性。

二 DCT系統的構成

雙離合器自動變速機構主要包括與離合器、換檔同步器相聯接的換檔控制系統和電控系統及變速器。雙中間軸式雙離合器自動變速器的機械結構圖（圖略），其特征在于動力輸入軸上設置有兩個離合器C1、C2，變速器各檔位主動齒輪按奇、偶數檔位分別與離合器C1、C2連接，離合器C1、C2交替傳遞動力以實現檔位切換，DCT的同步器與普通手動變速器的同步器結構形式基本相同。

在車輛處于停車狀態時，兩個離合器都處于分離狀態。當車輛起步時，初選Ⅰ檔，選換檔執行機構將檔位置為Ⅰ檔，然后離合器C1接合，車輛開始起步運行，這時的控制過程與電控機械式自動變速器類似。車輛換入Ⅰ檔運行后，因為此時離合器C2處于分離狀態，不傳遞動力。在車速達到Ⅱ檔的換檔點之前，選換檔執行機構就將Ⅱ檔同步器結合，當車速達到換檔點時，離合器C1開始分離，同時離合器C2開始接合，兩個離合器交替切換，直到離合器C1完全分離，離合器C2完全接合。車輛進入Ⅱ檔運行后，自動變速器電控單元可以根據相關傳感器信號判斷車輛當前的運行狀態，進而計算出車輛即將進入運行的檔位，如果車輛加速，則下一個檔位為Ⅲ檔，如果車輛減速，則下一個檔位為Ⅰ檔。而Ⅰ檔和Ⅲ檔均連接在離合器C1上，因為該離合器處于分離狀態，不傳遞動力，故可以控制選換檔執行機構預先換入即將進入工作的檔位，當車輛運行達到換檔點時，只需要將正在工作的離合器C2分離，同時將另一個離合器C1接合，配合好兩個離合器的切換時序即可方便地實現整個換檔過程。

三 DCT系統的動力學模型

要分析DCT換檔過程中傳動系的動力學特性，需要建立系統的動力學模型。車輛動力傳動系統是一個復雜的多質量、多自由度的系統，在建立其模型前需要對其進行簡化，為此作如下假設：（1）系統由無彈性的慣性元件和無慣性的彈性元件組成；（2）忽略軸承和軸承座的彈性以及齒輪嚙合彈性；（3）忽略軸的橫向振動。根據以上假設，將系統簡化為一個離散化的當量系統。離合器主動盤之前的參數或變量向離合器輸入軸轉化，即向發動機飛輪轉化；變速器輸出軸之后的參數或變量向輸出軸轉化，即向車輛平移質量的當量轉動慣量進行轉化。建立的DCT系統動力學模型簡圖（以Ⅰ檔和Ⅱ檔為例）（圖略）。其中，Te為發動機輸出扭矩，TC1、TC2為離合器C1、C2傳遞的扭矩，Tout為對車輛輸出地扭矩，Tr為外界阻力矩作用子變速箱輸出軸的轉矩；Ie為發動機和離合器主動部分的轉動慣量；Ic1、Ic2分別為離合器C1、C2從動部分及連接部分的轉動慣量，Iv為變速器輸出軸轉動慣量和汽車平移質量換算到輸出軸上的當量轉動慣量之和；Kc為變速箱輸出軸與Iv間的當量扭轉剛度；be、bc1、bc2、bv分別為Ie、Ic1、Ic2、Iv的旋轉粘性阻尼；θe、θc1、θc2、θv分別為Ie、Ic1、Ic2、Iv的角位移；i1、i2分別為Ⅰ、Ⅱ檔傳動比。根據DCT系統動力學模型簡圖，車輛起步可以采用一個離合器起步也可以采用兩個離合器同時參與起步，則整個過程中可能出現三種情況：一個離合器滑磨，兩個離合器同時滑磨和以固定檔位運行。

四 雙離合器系統建模

1．離合器動態摩擦力矩建模

首先，離合器靜態模型分析。離合器靜態模型認為，離合器傳遞的力矩為靜態摩擦力矩Tcs。該模型不考慮動態摩擦系數，不考慮離合器傳遞力矩的過渡過程，用靜態摩擦力矩代替動態摩擦力矩，與實際情況差異較大。而應用于雙離合器自動變速器的自動離合器要求對離合器的傳遞力矩實現較精確的控制，故在雙離合器自動變速器控制過程中應用靜態模型會影響自動離合器的控制精度。其次，動態摩擦力矩模型。離合器由滑磨到完全接合過渡的動態過程中，動態摩擦力矩是漸變的過程，前期主要取決于正壓力，隨著轉速差|△ω|的減小，逐漸過渡到主要取決于離合器的輸入扭矩。因此，在過渡過程中，離合器傳遞的力矩是正壓力與離合器的輸入扭矩共同作用的。定義了輸入扭矩影響參數λ來表征輸入扭矩對動態摩擦力矩的影響，可得到列離合器扭矩傳遞特性：在過渡的開始階段，輸入力矩的作用很明顯，隨著轉速差的增大，其影響迅速下降。λ表征了輸入力矩的影響下降的速度。動態模型能夠較好地體現出離合器傳遞力矩的過渡性質，對于更加精確地控制離合器具有很好的理論指導意義。

2．膜片彈簧建模

膜片彈簧可以看成是由碟簧部分A和分離指部分B（開槽處）所組成，具有徑向槽的指形部分在離合器分離過程中起分離桿的作用，因此稱為分離指。膜片彈簧小端變形量λ2即分離軸承的位移，膜片彈簧大端的載荷F1產生摩擦扭矩Tc。F1與λ2的非線性關系反映為Tc為λ2的非線性函數。

五 離合器執行機構數學模型

本文論述的離合器為干式離合器。電機驅動的雙離合器執行機構包括直流伺服電機、減速機構和運動轉換機構，減速機構為直齒單級減速器，運動轉換機構為絲杠螺母，它可以將旋轉運動轉換為離合器分離結合所需要的直線運動，同時實現較大減速比，獲得恰當的速度和足夠的分離力。根據直流永磁伺服電機驅動系統模型，可以建立在恒定磁場激磁條件下的電機運動基本方程，包括電壓平衡方程、轉矩平衡方程、電動機電磁轉矩方程和電動機加速轉矩方程，進而可以得出直流伺服電動機驅動系統的微分方程，然后取拉普拉斯變換得模型。

六 結束語

DCT系統在起步和換檔過程中的動力學模型，包括以固定檔位運行、單離合器滑磨和雙離合器同時滑磨三種情況。由于篇幅原因，本文沒有對雙離合器系統建模及離合器執行機構數學模型進行詳細論述，主要論述了建模的思路與方法。另外，工程實際中還應建立發動機數值模型。

參考文獻

［1］楊偉斌、吳光強等.雙離合器式自動變速器傳動系統的建模及換檔特性［J］.機械工程學報，2007（7）

［2］吳光強、楊偉斌等.雙離合器式自動變速器控制系統的關鍵技術［J］.機械工程學報，2007（2）

〔責任編輯：李錦雯〕