汽车湿式双离合自动变速器换挡品质方法研究

汪 越,顾启成,孙国亮

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214400)

汽车湿式双离合自动变速器换挡品质方法研究

汪 越,顾启成,孙国亮

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214400)

简要介绍了湿式双离合自动变速器的工作原理，分析了换挡品质的影响因素，提出了改善换挡品质的方法，制定了换挡控制策略，并以斯柯达某型车为目标车进行了实车试验，试验结果表明所制定的换挡控制策略能够较好地改善换挡品质。

汽车；自动变速器；换挡控制策略；实车试验

双离合器自动变速器(Dual-Clutch Transmission,DCT)是近些年发展起来的一种新型自动变速器，它既融合了液力机械式自动变速器(AT)动力换挡的特点，又继承了电控机械式自动变速器(AMT)传动效率高的优点，因而保证了车辆的动力性，极大地改善了驾乘的舒适性[1]。但是，良好的换挡品质取决于合理的控制策略。本文从湿式双离合器自动变速器的工作原理入手，分析了换挡品质的影响因素，提出了改进换挡品质的方法，制定了换挡控制策略，并通过试验对控制策略进行了验证。

1 DCT工作原理

图1所示为湿式双离合器自动变速器的结构简图。双离合器自动变速器可以看成是两套手动变速箱的组合，离合器1(C1)与输入轴1、输出轴1相连组成第一套变速装置，其上布置了1，3，5挡；离合器2(C2)与输入轴2、输出轴2相连组成第二套变速装置，其上布置了2，4，6挡和倒挡。通过两套变速装置的交替作用将发动机动力不间断地输出到驱动轮，实现动力换挡[2]。

2 DCT换挡过程评价指标

车辆的换挡品质通常用冲击度和滑摩功来评价。

2.1冲击度

汽车换挡的平顺性是以冲击度为指标来评价的，冲击度的定义是车辆纵向加速度对时间的导数，其数学表达式[3]为：

图1 双离合器自动变速器结构简图

(1)

式中：v为汽车车速，m/s；a为汽车加速度，m/s2。

式(1)中，冲击度j与汽车加速度变化率成正比，加速度变化越快，传动系统冲击越大，同时也说明冲击度j较好地反映了起步换挡过程的动力学本质。冲击度不仅可以反映人对舒适程度的真实感觉，而且可以把道路条件引起的弹跳与颠簸加速度以及非换挡操作的影响排除在外，真实地反映起步换挡过程汽车传动系统载荷变化以及车辆的运动状态。不同国家给出了不同的冲击度限定标准[4]：德国标准为j<10m/s3;我国标准为j<17.64m/s3。

由于汽车车速与变速器输出轴转速成正比，因而文中以变速器输出轴转速代替车速。

2.2滑摩功

滑摩功是指离合器主从动片间滑动摩擦力矩所做功的大小，滑摩时间越长，滑摩功越大，本文用滑摩时间体现滑摩功W。其数学表达式[5]为：

(2)

式中：Tc为离合器被动部分传递扭矩,N·m；ω1为离合器主动部分角速度,rad/s；ω2为离合器从动部分角速度,rad/s;t1为滑摩开始时间,s；t2为滑摩结束时间,s。

采用滑摩功W能比较准确地评价离合器的寿命，滑摩功W越小，温升越低，寿命越长，但过低的滑摩功W会引起冲击度j的升高，二者是相互矛盾的，需要在控制中协调解决。

3 DCT换挡品质的影响因素及控制方法

3.1换挡品质的影响因素

影响换挡品质的3个主要因素是离合器的交互程度、液压油的温度和发动机转速的调节。

a.离合器交互程度。

双离合器自动变速器换挡过程指的是两个离合器扭矩交互的过程。若两离合器交互过多，则可能出现双锁死现象，若两离合器交互过少，又可能造成动力中断，这些都会对换挡品质产生影响，所以通过合理地控制离合器，以实现发动机动力平稳快速地由一个离合器转换到另一个离合器，是获得良好换挡品质的关键。

b.温度。

在换挡过程中必然存在离合器滑摩，这就不可避免地会产生滑摩功，使得变速箱内油液温度上升，从而影响离合器摩擦片的摩擦系数以及液压油的油品特性等。油温低时，黏度大，摩擦系数大，离合器传递的扭矩大，但离合器压力上升慢；油温高时，黏度小，油膜薄，离合器滑摩过程短，换挡冲击增加[6]。因此，为了减小温度对换挡品质的影响，就必须根据温度值对离合器控制电磁阀的开度(即PWM)进行适当修正，如图2所示。

c.发动机转速的调节。

在升挡过程中随着离合器的不断接合，离合器主从动部分将趋于同步，主从动部分转速差越大，离合器滑摩时间就越长，从而导致滑摩功越大。如果在升挡过程中对发动机转速进行适当调节，则可使离合器的主从动部分转速差减小，从而减小滑摩功。发动机的调节方式一般有3种：点火参数调节、燃油供给调节、节气门开度调节，本文采用的是节气门开度调节。

图2 离合器控制电磁阀开度温度修正曲线

3.2换挡品质的控制方法

离合器传递的扭矩为[7]：

(3)

式中：μd为离合器的动摩擦系数；Pn为离合器的活塞作用压力,Pa；S为离合器活塞作用面积,m2；Z为离合器摩擦副数；R1,r1为离合器摩擦片外径、内径,m。

在换挡过程中两离合器所传递的扭矩应根据发动机的当前扭矩进行计算，所计算出的离合器扭矩即为离合器请求扭矩，由于其皆由离合器结构决定，因此根据此请求扭矩即可计算出离合器压力，实现对离合器的控制。以2挡升3挡为例，换挡过程中两离合器扭矩请求值及发动机扭矩变化示意图如图3所示。

图3 离合器扭矩请求值及发动机转速变化示意图

a.低挡稳定运行相：双离合器的结构决定了此类自动变速器可以实现预挂挡，因而此阶段主要实现选挡、挂挡，两离合器之间并没有动力的交换，所以不属于换挡过程的范畴。

b.低挡转矩相：离合器C2的请求扭矩在t1时刻降至A2，此值一般为105%Te～120%Te(Te为发动机当前扭矩)。由于离合器的请求扭矩大于发动机扭矩，因此离合器C2并不会存在滑摩。

c.惯性相：离合器C2的请求扭矩逐渐减小，至t4时刻降为0，在此过程中施加在离合器C2上的压力也逐渐降低。离合器C2请求降低的速率为(A2-B2)/(t4-t1)，(t4-t1)在程序中设为500ms，从而使离合器C2的分离速率为每10ms降低2.1%Te～2.4%Te。由于DCT换挡过程很短，一般可认为发动机扭矩恒定，因此可近似认为离合器的分离是匀速的。在离合器C2分离的同时离合器C1也在缓慢结合，离合器C1的请求扭矩变化为(A1-B1-C1)，此阶段是控制的核心和难点。如果A1到B1上升过慢或(B1-C1)过小，都会导致发动机“飞车”；如果A1到B1上升过快或(B1-C1)过大，又会导致两离合器出现干涉，出现“挂双挡”现象。

(3)若G=Mp(n,m,1),n≥m ≥1.当G/=M2(1,1,1)时,P∗(G)连通分支个数k(P∗(G))=p2+p+1.当G=M2(1,1,1)时,k(P∗(G))=5.

d.高挡转矩相：离合器1完全分离，离合器2仍处于滑摩状态，为了减少同步时间，应减小节气门开度以对发动机进行调节。

e.高挡稳定运行相：离合器2滑摩结束，换挡完毕。但为了增大离合器的扭矩储备，离合器C1的请求扭矩会继续上升，相应的离合器压力也会增大。

根据上述分析，编写离合器控制模块如图4所示。根据式(3)即可计算出传递这些扭矩所需的离合器压力，然后将离合器压力转换成PWM值传送给控制离合器的高速开关阀，实现对离合器的控制。

图4 离合器控制模块

4 试验研究

4.1试验控制系统

本试验是以大众旗下的斯柯达某型车为目标车进行的，试验所用控制器的原理框图如图5所示。该控制器包括TMS320F28xx系列DSP控制处理器1,多传感器信号输入通道、信号输出通道,电磁阀控制驱动模块2、CAN通讯总线3和电源模块4，用霍尔传感器5采集车速、发动机转速以及变速箱输入轴1、输入轴2的转速脉冲信号，经TMS320F28xx捕获单元捕获后传送至DSP控制处理器1；将霍尔传感器5采集的车辆档位信号、压力传感器6采集的离合器机油压力信号、温度传感器7采集的机油温度信号、位移传感器8采集的油门踏板信号，经TMS320F28xx DSP控制处理器1的A/D转换器9进行采样后送至DSP控制处理器1；车辆状态的其他信息通过相应的传感器采集后输入TMS320F28xx通用数字I/O口进行处理，经DSP控制处理器1根据系统内部存储的换挡逻辑和换挡规律处理后传送至输出信号通道和电磁阀驱动模块2输出控制信号，使双离合器、变速箱选挡机构、散热系统动作，实现变速箱自动变速控制。

图5 试验控制器结构原理框图

4.2试验结果及分析

根据制定出的换挡控制策略，以2挡升3挡为例在平坦路面上反复进行轻载试验，记录并分析试验结果如图6,7,8,9所示。

图6 离合器交错过小、节气门调节过大试验结果(换挡时间为1.2s，最大冲击度为7.8m/s3)

图7 离合器交错过大、节气门调节合适试验结果(换挡时间为1.0s，最大冲击度为8.3 m/s3)

图8 离合器交错合适、节气门调节合适、带温度修正试验结果(换挡时间为1.1s，最大冲击度为2.3 m/s3)

图9 离合器交错合适、节气门调节合适、不带温度修正试验结果

图7为离合器交错过多、节气门控制合适的试验结果。t1时刻离合器C2的请求扭矩为110%Te，分离速率为每10ms减小2.2%Te；(t2-t1)为250ms，离合器C1扭矩由t1时刻的0(点A1)上升至100%Te(点B1)，结合速率为4%Te，t2～t3阶段离合器C1请求扭矩保持在100%Te；t4～t5阶段，节气门开度减小5%。由图7(c)可知，由于离合器C1结合过快，导致两离合器出现了干涉，这样会严重损害离合器，同时也会使换挡品质变差，必须竭力避免；发动机控制阶段节气门调节较好，发动机转速平稳下行，慢慢与输入1轴同步。在此过程中冲击度最大为8.4m/s3。

图8为离合器交错合适、节气门控制合适的试验结果。t1时刻离合器C2请求扭矩为110%Te，分离速率为2.2%Te；(t2-t1)为300ms，B1为90%Te，离合器C1的结合速率为3%Te，t2～t3阶段离合器C1请求扭矩保持在90%Te；发动机控制阶段，节气门开度减小5%。由图8(c)、图8(d)可知，在离合器交错以及发动机控制过程中，发动机转速变化平稳，冲击度较小，整个过程中最大冲击度为2.3m/s3。

图9所示的试验与图8是一致的，离合器交错合适、发动机调节合适，但是图9所示的试验没有加温度修正。由于没有温度修正，当温度升高时，在同样的离合器电磁阀开度下，施加在离合器摩擦片上的压力会变小，因而发动机出现了“飞车”。图8所示的试验根据温度值对离合器电磁阀开度进行了5%的修正。

通过前文论述及大量试验得出获得较好换挡品质的条件为：

a.在离合器C2分离速率为每 减小2.1%Te～2.4%Te的情况下，离合器C1的结合速率应为3%Te，并在t2～t3阶段稳定在87%Te～95%Te。

b.在发动机调节阶段，节气门开度的变化不应大于10%。

c.应将温度的影响考虑在内，加上适当的温度修正。

5 结束语

双离合器自动变速器的换挡是一个复杂的过程，影响其换挡品质的因素非常多，本文仅从离合器交错、发动机控制以及油液温度3个方面进行了论述及试验，对于其他影响因素如车辆上下坡、转弯等没有考虑，且由于能力及试验条件有限，对于离合器交错、发动机控制以及温度对换挡品质的影响也只是做了浅显的研究，日后还需进一步深化。

[1] 于德泽. 湿式双离合器自动变速器换挡控制策略的试验研究[J]. 农业装备与车辆工程, 2011(6): 26-29.

[2] 颜志鹏, 秦大同. 双离合器自动变速器换挡过程仿真分析[J]. 重庆工学院学报:自然科学, 2009,23(4):1-6.

[3] 刘振军, 董小洪, 秦大同，等. 双离合器自动变速换挡品质分析与控制[J]. 重庆大学学报, 2010,33(5):29-34.

[4] 郝宏伟. 基于dSPACE湿式双离合器自动变速器控制系统研究[D].重庆：重庆大学, 2010.

[5] 陆中华, 程秀生, 冯巍. 湿式双离合器自动变速器的升档控制[J].农业工程学报, 2010,26(5):132-136.

[6] 葛安林. 车辆自动变速理论与设计[M]. 北京:机械工业出版社, 1993:186-196.

ResearchontheShiftQualityofDual-clutchAutomaticTransmission

WANG Yue, GU Qicheng, SUN Guoliang

(Chinese Maritime Satellite Measurement and Control Department, Jiangsu Wuxi, 214400, China)

It introduces the structure and working principle of dual-clutch transmission (DCT for short), analyzes the influencing factors of gear shift quality, designs the clutch control strategy. Taking a Skoda car as the experimental object in case of study, it shows that the control strategy can efficiently improve the gear shift quality of dual-clutch transmission vehicle.

Car; Automatic Transmission; Shift Control Strategy; Vehicle Experiment

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.017

2013-05-22

汪越(1988—)，男 ，江苏江阴人，中国卫星海上测控部工程师，硕士，主要研究方向为机械制造及其自动化。

TP271

A

2095-509X(2014)09-0070-06