DCT手動換擋控制功能的實現

楊慶 王振鎖

（聯合汽車電子有限公司）

自動變速器通過傳感器、控制器和執行器組成的控制系統實現了換擋操作的自動化，省去了駕駛員的換擋操作，提高了車輛駕駛的便利性和舒適性。同時，為了滿足多樣化的駕駛需求，提升駕駛體驗，很多自動變速器在自動換擋的基礎上兼容手動換擋模式，實現手自一體換擋功能，以便駕駛員根據實際需要進行相應的選擇。自動變速器的手動換擋功能，可以更好地響應駕駛員的換擋意圖，加強駕駛員和變速器之間的“人－機”互動，增強駕駛樂趣。

1 DCT結構及原理

雙離合器式自動變速器（DCT）是一種涉及機械、液壓及電控等多個領域的自動變速器類型，目前已經得到了廣泛的市場應用。DCT的機械結構是由定軸式傳動機構發展起來的，由2組動力傳動鏈構成，每組動力傳動鏈均包括離合器、同步器、傳動軸和齒輪等部件，分別實現奇數擋和偶數擋的動力傳遞。DCT的換擋過程包括離合器動作和同步器動作2個階段。當車輛運行在某一擋位時，一組傳動鏈參與工作，將變速器的輸入動力以一定速比傳遞到輸出軸，同時，DCT控制系統根據變速器運行工況控制另一組動力傳動鏈中的相關同步器進行預結合，完成同步器動作后再根據換擋條件觸發離合器的動作，從而將DCT的輸入動力從一組傳動鏈切換至另一組傳動鏈，實現速比的調節，完成自動換擋[1-2]。

2 手動換擋概述

圖1示出常見的帶手動模式的換擋手柄示意圖。

圖1 帶手動模式的換擋手柄示意圖

當手柄處于“D”位置時，變速器進入自動換擋模式，變速器控制單元（TCU）根據車速、油門等狀態信息，基于設定的換擋規律，確定目標擋位，并控制相應的執行元件，實現擋位切換。在自動換擋模式下，TCU僅能通過油門踏板和制動踏板間接獲取駕駛員的換擋意圖，無法直接反映駕駛員的換擋意圖，因而存在某些工況無法滿足部分駕駛員個性化的駕駛要求。當手柄處于“D”右側觸發手動換擋模式時，駕駛員根據自己的擋位判斷，將換擋意圖“＋”或者“－”通過傳感器傳遞到TCU，在滿足安全性和合理性的條件下，TCU直接響應駕駛員的換擋請求，進行相應的換擋操作，并通過儀表將擋位信息進行反饋，使駕駛員的換擋請求和變速器的換擋操作形成閉環互動，更好地實現駕駛需求，增強變速器控制系統的適應性。同時也對變速器控制系統提出了更高的要求，包括系統響應、可靠性等。此外，考慮到車輛和變速器運行的安全性、合理性等方面因素，TCU還需要對駕駛員的換擋請求進行適當的過濾和判斷，并進行必要的補充，實現手動換擋模式中的自動保護。

3 DCT手動換擋控制

3.1 系統架構

與液力自動變速器（AT）和無級變速器（CVT）不同，DCT的液壓系統中一般沒有手動閥，因此不需要通過換擋手柄與變速器之間的拉索實現變速器手動閥的操作，換擋手柄與變速器之間沒有機械連接，只需要與TCU通過電信號的交互實現駕駛員請求的輸入。圖2示出某DCT的手動換擋系統。

圖2 DCT手動換擋系統組成

為了操作的便利性，駕駛員的換擋請求不僅可以通過換擋手柄傳輸，還可以通過轉向盤附近的換擋撥片或換擋按鈕進行傳輸。駕駛員結合換擋意圖，操作換擋手柄、換擋撥片或換擋按鈕，將升擋或降擋請求通過電氣信號傳輸至換擋手柄控制單元（GSM），GSM通過CAN通訊將換擋請求發送至TCU，包括手動模式信號（Tip）、升擋請求信號（Tip+）和降擋請求信號（Tip-），TCU根據車輛狀態、駕駛員意圖進行換擋決策，并進行相應的換擋過程控制，實現DCT手動換擋的控制功能。為了增強系統的可靠性，需要對換擋請求的原始信號（電平、上升脈沖沿、下降脈沖沿）進行相應的電氣診斷，以防止輸入信號的故障引起錯誤的手動換擋[3]。

3.2 換擋決策

3.2.1 穩態擋位的手動換擋請求

當車輛處于靜止狀態時，DCT的奇數軸和偶數軸各有一個擋位的同步器進行預結合，奇數軸離合器和偶數軸離合器均處于分離狀態，車輛動力傳動鏈斷開。在自動模式下，TCU默認變速器以1擋進行起步。在手動模式下，當駕駛員撥動換擋手柄、換擋撥片或者換擋按鈕發出升擋請求時，TCU將目標擋位設定為2擋，使2擋同步器預結合，當駕駛員松開制動踏板、踩下油門時控制偶數軸離合器逐步結合，進行2擋起步。

當車輛處于穩定擋位行駛狀態時，TCU根據車速、油門等狀態信息設定變速器的目標擋位。若駕駛員發出升擋或者降擋請求，TCU在捕捉到相應的輸入脈沖后進行相應的邏輯判斷，確認無故障并且滿足一定的合理性要求，則基于當前擋位響應駕駛員的升擋或者降擋請求，調整變速器的目標擋位，并根據目標擋位將相應的同步器預結合，確認同步器操作完成后再控制相應的離合器，實現變速器的目標擋位。

3.2.2 換擋過程中的手動換擋請求

在換擋過程中，駕駛員也可能操作換擋手柄、換擋撥片或者換擋按鈕，發出新的換擋請求。對于不同換擋過程中不同階段發生的新換擋請求，需要根據具體的工況采取相應的換擋決策。

當手動換擋請求發生在換擋過程的初期，相關執行器件只是在做換擋準備，例如離合器充油等，變速器的速比還未發生變化，則TCU可以結合具體的換擋類型，中斷原先的換擋過程，根據手動換擋請求執行新的換擋指令。當手動換擋請求發生在換擋過程的末期，變速器的速比已經發生變化甚至接近目標擋位的速比，則TCU在本次換擋過程中不響應手動換擋請求，繼續執行原先的換擋過程，待換擋完成后再根據手動換擋請求執行新的換擋指令。

除了換擋請求的發生時刻，換擋過程中的手動換擋決策還需考慮具體的工況、換擋類型及駕駛性等多方面因素，綜合判斷是否進行換擋打斷或換擋轉移。對于需要及時響應的換擋類型，當TCU接收到手動換擋請求時，控制系統中斷原先的換擋過程，根據手動換擋請求執行新的換擋指令。對于響應時間要求不高的換擋類型，控制系統繼續執行原先的換擋過程，待換擋完成后，TCU再發出新的換擋指令。

3.2.3 禁止換擋

禁止升擋。為了保證車輛的加速性能，防止車輛在較低車速時換入過高的擋位，DCT控制器需要結合具體工況禁止部分升擋請求。當駕駛員提出升擋請求時，當前車速必須滿足一定的條件TCU才會進行升擋操作，否則會忽略該升擋請求。若車輛處于n擋，則當前車速必須大于n擋升入n+1擋的最低換擋車速才能進行升擋，否則禁止升擋。

禁止降擋。為了防止車輛在較高車速時換入過低的擋位，造成發動機轉速過高和車輛的強制動，DCT控制器需要結合具體工況禁止部分降擋請求。當駕駛員提出降擋請求時，當前車速必須滿足一定的條件TCU才會進行降擋操作，否則會忽略該降擋請求。若車輛處于n擋，則當前車速必須小于n擋降入n-1擋的最高換擋車速才能進行降擋，否則禁止降擋。

3.2.4 強制換擋

在手動模式下，駕駛員可能在某些工況下沒有進行合適的換擋請求，為了確保DCT的正常運行并實現較好的駕駛性，TCU需要根據工況要求進行相應的自動換擋，為手動模式提供必要的補充。

在手動模式下，如果車輛在加速過程中駕駛員一直沒有升擋請求，TCU需要根據換擋規律自動實現升擋，降低發動機轉速，避免發動機的超速運行，同時減少車輛運行的噪聲，提升舒適性。

在手動模式下，如果車輛在減速過程中駕駛員一直沒有降擋請求，TCU需要根據換擋規律自動實現降擋，實現相應的車輛制動，同時確保車輛再次加速時具有足夠的動力。

3.3 換擋過程控制

基于換擋決策的結果，TCU驅動相應的電磁閥電流，進行同步器和離合器動作過程的精確控制，實現DCT手動模式的擋位切換。

以圖3所示的某DCT手動模式4—5換擋過程為例，車輛以4擋運行時，駕駛員撥動換擋手柄Tip+，發出升擋請求，TCU接收到手動升擋請求信號后，經換擋決策確認執行4—5換擋過程。首先控制15同步器從空擋位置向5擋位置進行結合，經過同步器液壓油路預充，轉速同步及進擋過程等各階段的精確控制后，確保奇數軸5擋嚙合齒輪組處于在擋狀態，而后進行2個離合器的壓力控制，5擋所對應的奇數軸離合器進行快速充油控制，轉矩相控制和慣性相控制，同時4擋所對應的偶數軸離合器進行相應的卸壓控制，兩者按照設定的控制時序進行合理的搭接控制，實現DCT的輸入動力從偶數軸向奇數軸的切換，響應駕駛員的升擋請求。

圖3 DCT手動4—5換擋過程示意圖

4 結語

基于DCT的機械結構和工作原理，詳細闡述了DCT手動換擋控制功能的實現，包括系統架構、換擋決策和換擋過程控制，并對部分特殊工況的處理進行了說明。DCT的手動換擋模式，在自動換擋的基礎上加強與駕駛員的互動，滿足個性化的駕駛需求，增強駕駛樂趣。