濕式雙離合自動變速器換擋控制策略研究

任華林 ，孫偉 ，徐萬洪，馬春南

（1.浙江萬里揚股份有限公司，浙江 金華 321025；2.裝甲兵工程學院 機械工程系，北京 100072）

1 引言

雙離合器自動變速器DCT（Dual Clutch Transmission）是1940 年代出現的一種機械式自動變速器，但近幾年才發展起來，其工作原理可以理解為兩個變速箱交替工作，每個變速箱上聯接一個濕式多片式離合器［1］，通過控制離合器即可使這兩個變速器交替進入工作，從而實現動力不間斷的輸出［2］，如圖1 所示為雙離合器自動變速器結構原理圖。

圖1 濕式雙離合器自動變速器結構簡圖

2 DCT 換擋過程評價指標

換擋品質的評價指標有兩個：沖擊度和滑摩功。

2.1 沖擊度

目前一般以沖擊度來評價汽車的換擋平順性，沖擊度定義為車輛的縱向加速度對時間的導數，其數學表達式［3］為：

式中，v-汽車車速，m/s；a-汽車加速度，m/s2。

由式（1）可知，沖擊度與汽車的加速度變化率成正比，這說明沖擊度能較好地反映換擋過程的動力學本質。不同國家給出了不同的沖擊度限定標準［4］，德國的標準為：j＜10m/s3，我國的標準為：j＜17.64m/s3。

2.2 滑摩功

滑摩功是指離合器主從動摩擦片間滑動摩擦力矩所做的功，它反映了換擋過程中離合器滑摩所產生的熱量［5］。

其數學表達式為：

式中：Tc-離合器傳遞扭矩，N·m；ω1-離合器主動部分角速度，rad/s；ω2-離合器從動部分角速度，rad/s；t1-離合器滑摩開始時間，s；t2-離合器滑摩結束時間，s。

滑摩過程產生的熱被離合器摩擦片、鋼片以及油液所吸收，使得摩擦片、鋼片的溫度以及油液的溫度升高，高溫對摩擦片的壽命以及摩擦系數都有較大影響，因此在換擋過程中必須合理控制滑摩功的大小。

3 離合器扭矩傳遞分析

濕式離合器依靠作用在摩擦片上的液壓壓緊力來傳遞扭矩［6］。當離合器處于滑摩狀態時，離合器所傳遞的扭矩為

其中，sign（ωr）是符號函數，由下式確定：

式中：ωr-離合器主、從動部分的相對轉速；μd-濕式離合器動摩擦系數；S-濕式離合器活塞作用面積；Pn-濕式離合器活塞作用壓力；Z-濕式離合器摩擦副數；R-濕式離合器摩擦片外徑；r-濕式離合器摩擦片內徑。

4 離合器控制策略制定

由式（3）可知，在數值上離合器所傳遞的扭矩為：

圖2 離合器請求扭矩及發動機扭矩變化示意圖

圖3 換擋過程發動機轉速變化示意圖

由于摩擦系數μd、摩擦片有效面積S、摩擦副數Z、離合器摩擦片外徑R、離合器摩擦片內徑r 均由離合器結構決定，因此K為常數，從而在滑摩過程中離合器所傳遞的扭矩與施加在離合器上的壓力成正比；反過來，若已知離合器應當傳遞的扭矩（稱為離合器的請求扭矩），則可計算出施加在離合器上的液壓力，從而實現換擋過程中對離合器的控制。下面以2 擋升3 擋為例，分析濕式雙離合器自動變速器的換擋過程，如圖2 所示為換擋過程離合器請求扭矩及發動機扭矩變化示意圖，如圖3 所示為換擋過程發動機轉速變化示意圖。

（Ⅰ）低擋穩定運行相：雙離合器的結構決定了此類自動變速器可以實現預掛擋，因而此階段主要實現選擋、掛擋，兩離合器之間并沒有動力的交換，不屬于換擋過程的范疇。

（Ⅱ）低擋轉矩相：離合器C2的請求扭矩在t1時刻降至A2，此值一般為（105%Tc～120%）Te（Te為發動機當前扭矩）。由于離合器的請求扭矩大于發動機扭矩，因而離合器C2 并不會滑摩。

（Ⅲ）慣性相：離合器C2的請求扭矩逐漸減小，至t4時刻降為0，在此過程中施加在離合器C2 上的壓力也逐漸降低。離合器C2 請求減小的速率為（A2-B2）/（t4-t1），t4-t1在程序中設為500ms，從而離合器C2的分離速率為每10ms 減小（2.1%～2.4%）Te。由于DCT 換擋過程很短，一般可認為發動機扭矩恒定，因此可近似認為離合器的分離是勻速的。在離合器C2 分離的同時離合器C1 也在緩慢結合，離合器C1的請求扭矩變化為A1→B1→C1，此階段是控制的核心和難點。如果A1到B1上升過慢或B1→C1過小，都會導致發動機“飛車”，如果A1到B1上升過快或B1→C1過大，又會導致兩離合器出現干涉，出現“掛雙擋”現象。

（Ⅳ）高擋轉矩相：離合器1 完全分離，離合器2 仍處于滑摩狀態，為了減小同步時間，應減小節氣門開度以對發動機進行調節。

（Ⅴ）高擋穩定運行相：離合器2 滑摩結束，換擋完畢。但為了增大離合器的扭矩儲備，離合器C1的請求扭矩會繼續上升，相應的離合器壓力也會增大。

根據上述分析，編寫控制程序，即可實現對濕式雙離合器自動變速器的控制。

5 試驗研究

5.1 試驗控制系統

圖4 試驗控制器結構原理框圖

本試驗是基于大眾旗下的斯科達某型車進行的，試驗所用控制器的原理框圖如圖4 所示。該試驗所用控制器 由 TMS320F28xx 系 列DSP 處理器1，多傳感器信號輸入通道、信號輸出通道、電磁閥控制驅動模塊2，CAN 通訊總線3，電源模塊4 以及各傳感器組成。各轉速、壓力、位置信號經相應傳感器采集后傳至DSP 控制處理器，經DSP 控制處理器1根據系統內部預存的換擋邏輯和換檔規律處理后傳送至輸出信號通道和電磁閥驅動模塊2，使雙離合器、變速器選擋機構、散熱系統動作，實現對變速器的控制，如圖5所示為試驗所用控制器實物圖。

圖5 試驗控制器實物圖

5.2 試驗結果及分析

根據制定出的離合器控制策略，以2 擋升3 擋為例反復進行換擋試驗，經記錄、分析后得試驗結果如圖6～圖8 所示，其中圖6（a）為離合器請求扭矩以及發動機扭矩變化曲線，圖6（b）為離合器壓力變化曲線，圖6（c）為發動機轉速、輸入1 軸和輸入2 軸轉速變化曲線，圖6（d）為沖擊度曲線。

圖6 離合器交錯過小試驗曲線

圖6 所示為離合器交錯過小的試驗結果。如圖6（a）所示，離合器C2在t1時刻的請求扭矩為105%Tε（點A2），離合器C2的分離速率為每10ms 請求扭矩減小2.1%Tε；t2-t1為300ms，離合器C1 請求扭矩由0（點A1）上升至85%Tε（點B1），結合速率為每10ms 增大2.8%Tε，t2至t3階段，離合器C1 請求扭矩保持在85%Tε。由圖6（c）可知，由于B1點到C1點的請求扭矩過小，此時又因離合器C1即將分離請求扭矩也較小，從而導致發動機出現了“飛車”，增大了離合器滑摩功。

圖7 所示為離合器交錯過大的試驗結果。t1時刻離合器C2的請求扭矩為110%Tε，分離速率為每10ms 減小2.2%Tε；t2-t1為250ms，離合器C1 扭矩由t1時刻的0（點A1）上升至100%Tε（點B1），結合速率為4%Tε，t2至t3階段離合器C1 請求扭矩保持在100%Tε。由圖7（c）可知，由于離合器C1 結合過快，導致兩離合器出現了干涉，這樣會嚴重損害離合器，同時也會使換擋品質變差，必須竭力避免，在此過程中沖擊度最大為8.4m/s3。

圖7 離合器交錯過大試驗曲線

圖8 離合器交錯合適試驗曲線

圖8 所示為離合器交錯合適的試驗結果。t1時刻離合器C2 請求扭矩為110%Tε，分離速率為2.2%Tε；t2-t1為300ms，B1為90%Tε，離合器C1的結合速率為3%Tε，t2～t3離合器C1 請求扭矩保持在90%Tε。由圖8（c）、圖8（d）可知，在離合器交錯過程中，發動機轉速變化平穩，沖擊度較小，整個過程中最大沖擊度為2.3m/s3。

4.3 連續升擋試驗

通過反復試驗可得出獲得較好換擋品質的條件為：在離合器C2 分離速率為每10ms 減小2.1%Tε～2.4%Tε的情況下，離合器C1的結合速率應為3%Tε，并在t2～t3階段穩定在87%Tε～95%Tε。

根據制定的換擋控制方法，在平坦路面上進行連續升擋試驗，記錄并分析試驗結果如圖9 所示。由圖9 可以看出，連續換擋過程平穩迅速，沖擊度最大為6.1m/s3，符合理想換擋品質的要求，說明前面試驗分析得出的控制方法是合理可行的，具有較強的實用性。

圖9 連續升擋試驗曲線

5 結語

雙離合器自動變速器的換擋是一個復雜的非線性過程，影響其換擋品質的因素非常多，本文僅從離合器交錯程度方面進行了論述及試驗，對于其他影響因素，如發動機扭矩調節、油液溫度等沒有考慮，且由于能力及試驗條件有限，對于離合器控制策略的研究較為淺顯，今后還需進一步深化。

［1］齊鋼.DSG的結構與原理［J］.北京汽車，2006（1）：33-36.

［2］王黎明，張君，李志立.基于AMESIM的DCT 動力換擋模型仿真［J］.煤炭技術，2010，29（11）：218-219.

［3］劉振軍，董小洪，秦大同，等.雙離合器自動變速換擋品質分析與控制［J］.重慶大學學報，2010，33（5）：29-34.

［4］譚勇.DCT 離合器分離接合規律的仿真研究［D］.湖北：華中科技大學，2007：19-20.

［5］程秀生，馮巍，陸中華，等.濕式雙離合器自動變速器起步控制［J］.農業機械學報，2010，41（1）：18-22.

［6］康海濤.雙離合器式自動變速器的研究［D］.吉林：吉林大學，2004：56-57.