干式DCT升擋控制策略仿真研究

馬安朋

(襄陽汽車職業技術學院機電與電子信息工程學院，湖北襄陽 441021)

0 引言

雙離合器自動變速器(Double Clutch Transmission，DCT)系統獨有的結構，可以實現兩個離合器分別驅動奇數和偶數擋位輸入軸，換擋過程通過兩個離合器的精確切換，實現動力的不間斷傳遞[1]，同時繼承了手動變速器(Manual Transmission，MT)傳動效率高、質量輕、價格便宜等優點[2-6]，在動力性、經濟性、舒適性等方面表現出巨大的優勢[7-8]。

但要充分發揮DCT的優勢，必須對離合器接合規律和發動機進行協調控制。一方面，兩個離合器間扭矩切換直接影響動力傳遞的連續性和換擋舒適性；另一方面，通過對發動機的控制可以實現換擋過程離合器主從動盤迅速同步，減少換擋時間，提升動力性；再者，由于DCT的雙離合器結構，若離合器與發動機間的協調控制不當，會加劇離合器磨損，出現功率循環，故換擋過程中對離合器接合規律和發動機進行協調控制，是保證DCT車輛換擋品質的重中之重[9-10]。

DCT自主化之路漫長而坎坷，目前國內DCT自主化水平較高的企業更是屈指可數。某公司經過8年之余的不懈努力，在濕式DCT領域有了重大突破，成功開發出兩款已經量產的產品，但在干式DCT領域的研究還處于剛剛起步的階段。據相關消息，干式DCT的研究還處在樣機試制階段，所以要實現干式DCT的完全自主化還有很長的路要走，因此加大對干式DCT的研究力度意義重大。

本文作者基于某六速干式DCT，運用MATLAB/Simulink建立傳動系統的仿真模型，對升擋過程進行詳細的動力學分析，以提高換擋品質為出發點，研究了換擋過程離合器接合規律和發動機協調控制方法。

1 干式DCT升擋過程分析

1.1 干式DCT傳動方案及建模

目前，不論干式、還是濕式DCT存在的一大通病都是低速擋切換時，換擋沖擊感較強、換擋延遲過長，用戶抱怨率較高。而干式DCT離合器摩擦片沒有潤滑油的冷卻，其低速擋切換時駕駛舒適感表現更差；同時現在城市路況擁堵，紅綠燈較多，車輛起停、低速擋切換頻繁，由于低速擋離合器負載較大，頻繁切換離合器長時間滑磨會加劇離合器的溫升和摩擦片的磨損，影響離合器扭矩傳遞的穩定性，降低離合器使用壽命，因此研究干式DCT升擋過程、離合器接合規律和發動機協調控制十分必要。文中選取1擋升2擋的典型工況，建立干式DCT傳動系統簡化模型(圖1)，進行后續研究。

圖1 DCT車輛傳動系統簡化模型

圖中，Ie為發動機曲軸、飛輪系統的等效轉動慣量；I1為離合器C1從動部分、空心軸及其附件的等效轉動慣量；I2為離合器C2從動部分、實心軸及其附件的等效轉動慣量；Iv為車輪、半軸以及汽車平移質量換算得到的等效轉動慣量；i1為1擋傳動比；i2為2擋傳動比；io為主減速器傳動比；ωe為離合器主動部分角速度；ωc1為1擋離合器C1從動部分角速度；ωc2為2擋離合器C2從動部分角速度；ω為變速器輸出軸角速度；ωv為驅動輪角速度；Te為發動機輸出扭矩；Tc1為1擋離合器C1實際傳遞扭矩；Tc2為2擋離合器C2實際傳遞扭矩；To為變速器輸出扭矩；Tr為汽車阻力矩。

1.2 DCT升擋階段劃分

在1擋升2擋過程中，2擋離合器C2為接合離合器，1擋離合器C1為分離離合器，根據兩個離合器的工作狀態可將干式DCT升擋過程劃分為以下5個階段，如圖2所示。

圖2 干式DCT升擋階段

階段1為2擋齒輪預掛階段，此階段1擋離合器C1壓力在保壓值不變，處于完全結合的狀態；2擋離合器處于分離態，這一階段主要完成目標擋位的預掛動作。

階段2為離合器C1結合、C2滑磨階段，此階段1擋離合器C1上的正壓力逐漸減小，其所傳遞的慣性轉矩也隨之下降，但這一慣性轉矩小于1擋離合器C1的轉矩容量，所以1擋離合器C1仍處于結合狀態；與此同時，2擋離合器C2開始加壓，傳遞滑磨轉矩，隨著其正壓力的增大，所傳遞的滑磨轉矩也隨之逐漸增大。

階段3為離合器C1、C2雙滑階段，也稱離合器扭矩交互階段，此階段1擋離合器C1繼續減壓，當其傳遞的慣性轉矩等于其轉矩容量時，C1開始滑磨；與此同時2擋離合器C2上的壓力繼續增大，其傳遞滑磨轉矩的能力繼續增強，系統逐漸以2擋離合器C2為主來傳遞發動機轉矩。

階段4為離合器C1分離、C2滑磨階段，也稱為同步階段，此階段1擋離合器C1已經分離，2擋離合器C2通過滑磨傳遞發動機轉矩，這一過程通過控制目標離合器C2壓力同時請求發動機降扭，可以實現離合器C2主從動盤迅速實現同步，縮短換擋時間。

階段5為離合器C1分離、C2結合階段，這一階段在目標擋位離合器主從動盤同步的基礎上，將目標擋位離合器壓力增大至保壓值。

1.3 DCT升擋過程關鍵節點分析

沖擊度、滑磨功是DCT換擋性能的重要評價指標[11]，因此DCT升擋過程關鍵節點應當是對沖擊度、滑磨功有較大影響的階段。

沖擊度為車輛縱向加速度的導數，即

(1)

式中：j為沖擊度；a為車輛縱向加速度；t為換擋時間；v為車速。從上式可以看出，沖擊度與變速器輸出扭矩的變化率呈正比，輸出扭矩變化越快，沖擊就越大，駕駛舒適性越差，德國標準要求沖擊度|j|≤10 m/s3。

輸出扭矩為兩個離合器實際傳遞扭矩之和，即

To=i1Tc1+i2Tc2

(2)

在干式DCT升擋過程的階段3，即離合器C1、C2雙滑階段，由于離合器C1從上一階段的結合態轉化為滑磨態，其傳遞轉矩由慣性轉矩轉變為摩擦轉矩，會導致輸出扭矩的突變；同時在階段5，即離合器C1分離、C2結合階段，離合器C2從滑磨態進入結合態，傳遞轉矩由摩擦轉矩變為發動機轉矩，也會導致輸出轉矩的突變。因此，應對這兩個階段離合器的正壓力進行精細控制，否則會產生較大的換擋沖擊。

干式DCT換擋平順性是通過兩個離合器滑磨實現的，如果對離合器滑磨過程控制不當會造成離合器產生大量的滑磨功，在較短時間內使離合器產生較大的溫升，降低離合器摩擦性能。由式(2)分析可知干式DCT升擋過程的2、3、4階段都有離合器的滑磨，均會產生滑磨功，其計算方式如下：

(3)

式中：Wc為滑磨功；t1為離合器起滑時刻；t2為離合器止滑時刻；Tc為其傳遞的摩擦轉矩；we為離合器主動盤角速度；wc為離合器從動盤角速度。從上式可以看出，滑磨功主要與離合器滑磨時間及其傳遞的滑磨轉矩有關。

整個干式DCT升擋過程，離合器滑磨功主要產生在階段4，一方面是由于該階段歷時最長，同時在該階段離合器C2實際傳遞扭矩Tc2已經很大，若該階段對發動機扭矩請求及離合器C2加壓控制不當，則會產生大量滑磨功、較大沖擊、延長換擋時間。

以上是從提高DCT換擋性能的角度對干式DCT升擋過程關鍵節點進行的分析。通過分析可知在制定換擋控制策略時，必須同時兼顧沖擊度和滑磨功，做到對離合器壓力和發動機轉矩請求的協調控制，才能實現換擋控制策略的整體優化。

2 DCT升擋控制策略

DCT升擋控制策略的制定將以上述關鍵節點的換擋性能作為主要關注對象，把離合器壓力、發動機轉矩請求作為主要控制參數。整體控制策略如圖3所示。

圖3 1擋升2擋整體控制策略流程

2.1 階段2和階段5控制策略

階段2：分離離合器C1結合、接合離合器C2處于滑磨狀態，離合器C1不會產生滑磨功；而離合器C2此時傳遞的滑磨轉矩還比較小，產生的滑磨功很有限，故此階段將重點考慮系統的沖擊度。隨著離合器C2壓力的增加，其傳遞滑磨轉矩不斷增大，導致離合器C1傳遞的慣性轉矩隨之減小，在此期間應合理控制離合器C2增壓速率，以免產生較大的換擋沖擊；同時要精確控制離合器C1的減壓速率，以免它過早進入滑磨狀態，導致整個系統動力不足。兩個判斷條件為

(4)

式中：Δw為判別離合器C1主從動盤轉速差的閾值，通過標定來確定取值。

階段5：接合離合器已經進入結合狀態，應迅速將其壓力增大至系統保壓值，其加壓速率參照加壓執行機構額定的最大加壓速度來取值。

2.2 階段3控制策略

階段3的控制，既要考慮沖擊度，還要為降低下一階段系統的滑磨功做打算。一方面，接合離合器C2仍處于滑磨態，分離離合器C1由結合態進入滑磨態，其傳遞轉矩由慣性轉矩突變為滑磨轉矩，造成變速器輸出扭矩發生突變，此階段是整個升擋過程最易產生較大沖擊度的位置。在判斷出分離離合器C1由結合態進入滑磨態的位置，應采取降低分離離合器C1減壓速率，同時保持接合離合器C2壓力值不變的方法來控制變速器輸出扭矩不發生急劇變化，進而控制升擋過程的沖擊度。

另一方面，當進入階段3后，兩個離合器都處于滑磨狀態，由于接合離合器C2從動盤轉速低于發動機轉速，且其傳遞的摩擦轉矩已經很大，所以從分離離合器C1起滑點開始，應采取降油門操作，降低發動機扭矩和轉速，有利于降低該階段及下一階段的滑磨功；同時兩個離合器均傳遞滑磨轉矩，其值不受發動機轉速和扭矩的影響，所以此階段采取降油門，不僅有利于降低系統的滑磨功，還不會對換擋過程車輛的動力性造成影響。

2.3 階段4控制策略

階段4的控制，主要考慮整個過程的滑磨功，因為分離離合器已經C1分離，不傳遞轉矩；接合離合器C2還處于滑磨狀態，其加壓速率決定著整個過程沖擊度的大小，保證沖擊度在合理范圍內時雖然可以控制接合離合器C2上的正壓力以適當速度繼續增大，但這樣會導致C2上產生過大的滑磨功，所以控制離合器C2壓力繼續保持恒定，直到其結合后再以加壓執行機構額定的最大加壓速度將其壓力加到保壓值。與此同時，節氣門將繼續采取降油門控制，確保接合離合器C2以較短時間同步，同樣有助于降低整個過程的滑磨功。

3 仿真計算和分析

以某轎車的參數為仿真計算基本依據，根據上述對DCT加速升擋過程的分析，利用MATLAB/Simulink軟件，建立干式DCT系統傳動仿真模型，選取1擋升2擋過程進行仿真計算、分析，這里假設升擋起始車速為15 km/h，換擋開始時發動機節氣門開度為60%，調節后的節氣門開度為10%。發動機模型基于發動機在不同油門開度下穩態試驗數據，以MATLAB/Simulink軟件為基礎，把試驗數據輸入Lookup Table(2-D)模塊建立發動機數值模型，得到文中所采用的發動機轉速特性曲線，如圖4所示。其他用于仿真計算的整車參數如表1所示。

圖4 發動機轉速特性曲線

表1 仿真過程整車參數

以1擋升2擋為例，對DCT車輛升擋過程進行仿真分析，仿真結果如圖5—圖8所示, 圖中t1、t2分別為1擋離合器C1起滑、止滑時刻點。

圖5 離合器和發動機轉速變化

圖6 2擋離合器產生的滑磨功

圖7 升擋過程系統的沖擊度

圖8 1擋離合器產生的滑磨功

圖5為升擋過程離合器從動端和發動機轉速變化情況，觀察發現，兩個離合器從動盤在整個升擋過程中轉速變化很有限，高擋離合器的同步主要是通過離合器主動端降速來實現的，在1擋離合器C1起滑時刻t1，采取降油門的控制策略，具有有效縮短2擋離合器主從動盤同步時間的作用，使整個過程只有0.22 s左右，這為后續有效降低2擋離合器同步階段的滑磨功奠定了堅實的時間基礎。

圖6即為升擋過程2擋離合器C2產生的滑磨功，可以發現在1擋離合器C1起滑時刻t1，采取降油門和對2擋離合器C2進行保壓控制的聯合控制策略，使得2擋離合器C2在t1時刻前后產生的滑磨功各占一半，有效避免了2擋離合器在較短的同步時間段產生大量的熱量造成離合器摩擦性能的下降。

圖7為升擋過程系統的沖擊度，可以發現在1擋離合器C1滑磨階段，系統沖擊度出現了峰值，但僅為7.5 m/s3，這得益于在1擋離合器起滑時刻對2擋離合器進行保壓控制，同時減小離合器C1的減壓速率的控制策略，有效避免了由于1擋離合器打滑扭矩突變造成的系統沖擊度過大的問題。

圖8為1擋離合器C1產生的滑磨功，由于C1滑磨時間僅有0.1 s，且在滑磨階段其傳遞的摩擦轉矩已經較小，所以在整個升擋過程中產生的滑磨功很小，可以忽略不計，故1擋離合器C1滑磨階段將系統的沖擊度作為主要控制對象。

4 結束語

以某六速干式DCT為研究對象，選取1擋升2擋的典型工況進行分析，綜合考慮換擋性能評價指標離合器滑磨功和沖擊度，對升擋過程關鍵節點進行了分析，并根據各個階段的特點制定了分階段的控制策略。仿真結果反映了升擋過程各部件轉速、離合器滑磨功、系統沖擊度變化情況，驗證了在升擋過程采用離合器壓力和發動機降扭的分階段聯合控制策略，可以顯著提升DCT車輛的換擋品質。