發動機轉速調節對DCT滑摩過程的影響研究

高聳+袁躍蘭+陳漫+朱禮安+曲思宇

摘 要：為改善雙離合器式自動變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）的換擋品質，提出發動機和離合器聯合控制策略。建立動力傳動系統模型，利用Simulink對滑摩品質的影響因素進行仿真分析與試驗研究。結果表明，離合器鋼片溫度仿真值與試驗結果變化趨勢一致，鋼片溫度和應力隨轉速差減小而減??；通過發動機轉速調節，換擋沖擊和滑摩功減少，控制策略優化了換擋滑摩品質。

關鍵詞：雙離合器式自動變速器；滑摩品質；聯合控制策略；熱負荷

中圖分類號：U463.212文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.02

Abstract：In order to improve the shift quality of the dual clutch transmission （DCT）， an engine clutch joint control strategy was proposed. A dynamic model of a powertrain system was built and simulated， and the experimental analysis of factors influencing the slipping quality was carried out. The simulation results show a good agreement with the measured data. Both temperature and stress decline with the decrease of speed difference. Shifting shock and the work done by friction are reduced significantly through the engine speed control. Furthermore， the proposed control strategy can optimize the slipping quality.

Keywords：dual clutch transmission； slipping quality； combined control strategy； thermal load

安裝DCT的車輛具有良好的動力性、經濟性和舒適性，滿足了大批消費者的要求，因此，近年來DCT的市場占有率增長很快。目前DCT仍存在關鍵技術問題亟待解決，國內外很多學者對其進行了大量的研究。牛銘奎、顧強、楊偉斌等[1-3]分析了結合離合器和分離離合器的油壓變化對滑摩過程品質的影響。GOETZ等[4]將動力系統進行集成控制來提高滑摩品質。 WALKER等[5-6]通過建立15自由度的整車動力學模型，分析發動機、車輪等對DCT結合過程的影響。陸中華等[7]與劉永剛等[8-10]

分別以杜絕反拖發動機現象的產生為目標，制定DCT的滑摩過程控制策略。目前，很多學者針對離合器的結合速度以及結合量進行了大量的研究，綜合控制策略應用于民用車，大功率車輛很少考慮發動機的調速控制[11]。

本文以裝有DCT的重型車輛為研究對象，以升擋過程為例，建立傳動系統的動力學模型，通過對升擋過程的分析，制定發動機和離合器聯合控制策略，以此改善滑摩品質。最后對滑摩品質的影響因素進行仿真分析及試驗驗證。

1 升擋過程分析及傳動系統模型建立

1.1 升擋過程分析

DCT的換擋過程是對兩個離合器進行控制，實現動力切換的過程。換擋模型簡圖如圖1所示，Te為發動機轉矩，TR為行駛阻力等效至變速器輸出軸上的阻力矩，ω1為離合器CL被動端轉速，ω2為離合器CH被動端轉速，ωe為發動機轉速，ωo為變速器輸出軸轉速，Ie為發動機飛輪和曲軸系統等的轉動慣量，IR為車體以及變速器及傳動部件等效到輸出軸的轉動慣量，i1為低擋傳動比，i2為高擋傳動比。

根據升擋過程雙離合器的工作狀態，升擋過程有兩個重要階段，分別是轉矩相和慣性相[12]，如圖2所示。整個換擋過程以轉矩相（t1～t2）開始，由于CH離合器的控制油壓逐漸增大，使CH離合器滑摩，同時CL離合器的控制油壓逐漸減小，但仍保持接合狀態，該階段使發動機轉矩重新分配，由CL離合器轉到CH離合器。當CL離合器傳遞的轉矩降為0時，由轉矩相進入慣性相（t2～t3），慣性相將實現離合器主被動端轉速同步，該階段離合器傳遞的轉矩基本不變，此時需要適當降低發動機轉速，使CH離合器主被動端的轉速盡快同步，以減少滑摩功。當CH離合器主從盤完全接合后，調節發動機的轉矩，使其滿足駕駛員意圖進而完成換擋過程。

1.2 傳動系統模型的建立

1.2.1 低擋運行相

1.2.2 轉矩相

1.2.3 慣性相

在慣性相階段，離合器CL完全分離而不傳遞轉矩，離合器CH的油壓繼續增大使發動機輸出的動力依靠離合器CH的滑摩傳遞。當離合器CH的主從動端轉速同步時，所傳遞的轉矩由摩擦轉矩變為慣性轉矩，會產生較大的沖擊，因此CH的油壓增加到一定值后保持不變。

1.2.4 高擋運行

當離合器CH充分結合后，處于高擋狀態，。為保證車輛的動力性需存在一定的后備功率，此時需要離合器CH的油壓快速增大到系統油壓。至此，升擋過程結束。

2 換擋評價指標及升擋控制策略分析

換擋過程中產生的沖擊度可映射為車輛的動力性和舒適性，滑摩功可映射為離合器的壽命，因此，可用沖擊度和滑摩功作為品質評價指標，并且這兩個指標之間相互矛盾[15]?；υ叫?，離合器的溫升越小，壽命越長，但是會導致沖擊度變大，影響駕駛員的舒適性。在分析不同換擋階段的特性后，對換擋評價指標的權重進行衡量，在控制中協調解決以獲得良好的換擋品質。

2.1 沖擊度

因此，為了減小沖擊度，需保證結合離合器和分離離合器傳遞的轉矩符合這一比例關系，由此可確定離合器CH的油壓。為保證此時發動機的最佳輸出性能，減少排放污染并降低噪聲，應盡量保證發動機恒轉速運行，即。

當離合器CL的轉矩降為0時進入慣性相，為保證換擋平順，假設換擋過程結束后車速不改變，由于傳動比的改變，發動機轉速必然改變。在慣性相開始時，離合器主被動端的速差較大，通過減小發動機油門和增加離合器壓力完成CH的結合，會使輸出轉矩波動量減小，同時縮短同步時間。

3 滑摩品質的影響因素分析

3.1 發動機轉速對滑摩過程的影響

根據建立的換擋過程的動力學模型，以及為保證換擋品質進行的策略分析，在Matlab/Simulink軟件平臺中進行仿真分析。仿真計算的離合器相關參數見表1。

在離合器滑摩過程中，由實際傳動比和目標傳動比的差值作為輸入量，離合器的油壓作為輸出量，通過PID控制算法實現傳動比的跟隨。在升擋過程中，一種方法是保持油門開度恒定，不干預發動機轉速；另一種方法是對油門進行主動調節，先降低到適當的值，換擋完成后再恢復到原來的值。

圖4顯示了這兩種方法的仿真結果。圖4a表示升擋過程發動機油門變化。圖4b表示離合器輸出轉矩，在升擋過程中通過油門開度的調節，使離合器輸出轉矩波動量減小，沖擊度也隨之減小。圖4c表示恒油門開度和變油門開度下接合離合器的輸入端轉速變化，由圖可知，發動機參與調節的離合器主動端轉速ωe會快速下降，從而較快達到同步，換擋時間縮短。圖4d表示滑摩功隨時間的變化曲線，通過發動機油門的調節，使結合離合器的滑摩功大幅減小。

3.2 轉速差對離合器滑摩過程的影響

重型車輛的噸位較大，如果不能合理控制轉速差，離合器短時間的滑摩將會產生大量的滑摩熱量，造成盤面溫升快并產生較大的應力梯度，縮短離合器的壽命。因此需要分析轉速差對于離合器熱負荷的影響。表2列出了三種轉速差方案的初始轉速，其中ωi（0）表示離合器主動端初始轉速，ωR（0）表示離合器被動端初始轉速。

利用Matlab/Simulink軟件平臺建立上述簡化的離合器接合模型，分別仿真分析三種方案下離合器滑摩過程中主、被動端轉速差變化曲線，如圖5所示。

三種方案下對偶鋼片盤面溫度和應力的變化如圖6所示。圖6a為在滑摩過程中，盤面某節點處溫度隨時間的變化曲線，圖6b為盤面某節點處應力隨時間的變化曲線。從變化規律可以明顯看出，隨著轉速差的增大，滑摩時間越長，盤面上溫度和應力值也越大。因此，在工程實際中應設法減小轉速差。

4 試驗研究

離合器滑摩過程的試驗目的是測量離合器摩擦副結合過程的溫升變化規律，搭建的試驗臺架如圖7所示。

在離合器摩擦接觸面徑向布置4個節點，在整個測試時間內4個測點的溫度隨時間一直增大，越靠近內徑溫升越明顯，因為系統的熱彈性變形，摩擦副內環的接觸條件要好于外環且內環散熱條件差。為了說明3.2節仿真所采用的方法的合理性，同時保證試驗結果的直觀性，仿真所采用的邊界條件和此次試驗的不同。這里運用3.2節的仿真分析方法，按照實際試驗提供的邊界條件，所得到的試驗結果如圖8所示，圖中曲線由下到上代表方案1、2、3，分別表示離合器主被動端的初始轉速差為100 r/min，200 r/min，300 r/min。仿真得到的溫度曲線變化規律和試驗得到的曲線變化規律相似，其中仿真結果的幅值比實際結果的幅值大，主要是因為離合器潤滑系統的散熱作用是個復雜的過程，潤滑油的流量以及對流換熱系數均會影響溫升幅值。

5 結論

（1）發動機的轉速調節會影響離合器的滑摩過程。在升擋過程中，當分離離合器開始滑摩后，把發動機油門開度適當降低到一定值，換擋完成后再恢復到原來的值。仿真結果顯示發動機調速控制策略可以縮短滑摩時間，減小結合離合器的滑摩功，并且可有效減小離合器輸出轉矩的波動量，減小傳動系統沖擊度。

（2）離合器主被動端的轉速差會影響盤面溫度場和應力場的分布，轉速差越大，盤面上溫度最高節點處的溫度值越高，且應力最大節點處的應力值越大。因此，在實際操作中，應盡量使離合器在較小的初始轉速下接合。

參考文獻（References）：

牛銘奎，程秀生，高炳釗，等. 雙離合器式自動變速器換擋特性研究[J]. 汽車工程，2004，26（4）：453-457.

NIU Mingkui，CHENG Xiusheng，GAO Bingzhao，et al. A Study on Shifting Characteristics of Dual Clutch Transmission [J]. Automotive Engineering，2004， 26（4）：453-457.（in Chinese）

顧強. 兩擋雙離合器自動變速器的純電動汽車傳動系統協調控制技術研究[D]. 長春：吉林大學， 2012.

GU Qiang. Research on Integrated Powertrain Control Technology of Pure Electric Vehicle with Two Gears Dual Clutch Transmission [D]. Changchun： Jilin University， 2012. （in Chinese）

楊偉斌，吳光強，秦大同. 雙離合器式自動變速器傳動系統的建模及換擋特性[J]. 機械工程學報，2007， 43（7）：188-194.

YANG Weibin，WU Guangqiang，QIN Datong. Drive Line System Modeling and Shift Characteristic of Dual Clutch Transmission Powertrain [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，43（7）：188-194. （in Chinese）

GOETZ M，LEVESLEY M C，CROLLA D A，等. 雙離合器變速箱換擋動力學和控制[J]. 傳動技術，2006， 20（3）：37-48.

GOETZ M，LEVESLEY M C，CROLLA D A，et al. Dynamics and Control of Gearshifts on Twin-Clutch Transmission [J]. Drive System Technique，2006， 20（3）：37-48. （in Chinese）

FANG Y，ZHANG N，WALKER P D. Harpoon-Shift a New Conception to Implement Gearshift in Transmission [C]// 2015中國汽車工程學會年會論文集（Volume1）.北京：機械工業出版社，2015：383-386.

FANG Yuhong，ZHANG N，WALKER P D. Harpoon-

shift a New Conception to Implement Gearshift in Trans-mission [C]// 2015 SAECCE（Volume1），Beijing：China Machine Press，2015：383-386. （in Chinese）

WALKER P D，ZHANG Nong. Modelling of Dual Clutch Transmission Equipped Powertrains for Shifttransient Simulations [J]. Mechanism and Machine Theory，2013，60（1）：47–59.

陸中華，程秀生，馮巍. 濕式雙離合器自動變速器的升擋控制[J]. 農業工程學報，2010，26（5）：132-136.

LU Zhonghua，CHENG Xiusheng，FENG Wei. Up-shift control in wet double clutch transmission [J].Transac-tions of the CSAE，2010，26（5）：132-136. （in Chinese）

劉永剛， 秦大同， 彭志遠，等. DCT擋位決策控制系統智能化研究[J]. 汽車技術，2012（5）：32-37.

LIU Yonggang，QIN Datong，PENG Zhiyuan，et al.

Research on Intelligent Control System of Gear Decision

for Dual Clutch Transmissions [J]. Automobile Tech-nology，2012（5）：32-37. （in Chinese）

LIU Yonggang，QIN Datong，JIANG Hong，et al. Shift Control Strategy and Experimental Validation for Dry Dualclutch Transmissions [J]. Mechanism and Machine Theory，2014，75：41-53.

劉永剛. 轎車雙離合器自動變速系統綜合匹配控制研究[D]. 重慶：重慶大學，2010.

LIU Yonggang. Study on Integrated Control of Passenger Vehicles Equipped with Dual Clutch Transmissions [D]. Chongqing：Chongqing University，2010. （in Chinese）

吳光強，楊偉斌，秦大同. 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，2007，43（2）： 13-21.

WU Guangqiang，YANG Weibin，QIN Datong. Key Technique of Dual Clutch Transmission Control System [J]. Journal of Mechanical Engineering，2007，43（2）：13-21. （in Chinese）

趙治國，王琪，陳海軍，等. 干式DCT換擋模糊時間決策及轉矩協調控制[J]. 機械工程學報，2013， 49（12）：92-108.

ZHAO Zhiguo，WANG Qi，CHEN Haijun，et al. Fuzzy Time Decision and Model-based Torque Coordinating Control of Shifting Process for Dry Dual Clutch Trans-mission [J]. Journal of Mechanical Engineering，2013，49（12）：92-108. （in Chinese）

Abaqus Analysis User's Manual Version 6.7 [Z]. Abaqus Inc，2007.

孫冬野，洪進，秦大同，等. 濕式雙離合器換擋匹配與控制仿真研究[J]. 世界科技研究與發展，2013，35（1）：

8-12.

SUN Dongye，HONG Jin，QIN Datong，et al. Simulation of Shift Match and Control for Wet Dual Clutch Trans-mission[J]. World Sci-Tech R & D，2013，35（1）：8-12. （in Chinese）

劉璽. 濕式雙離合器自動變速器換擋過程關鍵技術研究[D].長春：吉林大學，2011.

LIU Xi. Study on Key Technologies during the Shifting Process of Wet Dual Cluth Transmission[D]. Changchun： Jilin University， 2011. （in Chinese）

王印束. 基于動力傳動系統一體化的雙離合器自動變速器控制技術研究[D]. 長春：吉林大學， 2012.

WANG Yinshu. Study on The Dual Clutch Transmission Based on Integrated Powertrain Control [D]. Changchun： Jilin University，2012. （in Chinese）

馬彪，關萬俊，陳漫，等. 聯合油壓控制的DCT升擋控制策略研究[J]. 重慶大學學報，2015，38（4）：24-30.

MA Biao，GUAN Wanjun，CHEN Man，et al. Study on DCT up-shift control strategy with united control [J]. Journal of Chongqing University，2015， 38（4）：24-30. （in Chinese）