朱耀文， 王其東， 孫保群

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車工程技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

與手動(dòng)變速器和自動(dòng)變速器相比較而言，雙離合器自動(dòng)變速器（DCT）同時(shí)具備了它們的優(yōu)點(diǎn)，傳動(dòng)效率高，不僅保證了車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，而且改善了車輛的行駛舒適性［1］。雙離合自動(dòng)變速器主要由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，控制系統(tǒng)是其關(guān)鍵的組成部分。

傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模和仿真都是在汽車動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Simulink搭建數(shù)學(xué)模型，尤其對(duì)于DCT系統(tǒng)，建模過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜［2］。

本文應(yīng)用物理建模工具箱SimDriveline建模，不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，簡(jiǎn)化建模過(guò)程，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更具體更真實(shí)，為運(yùn)用一種新的建模工具搭建傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型以及DCT控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 DCT結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 DCT結(jié)構(gòu)

選擇性輸出的雙離合器自動(dòng)變速器采用雙行星輪系結(jié)構(gòu)，利用制動(dòng)實(shí)現(xiàn)換擋，可以通過(guò)變速器殼體進(jìn)行供油，提高了變速器換擋機(jī)構(gòu)的工作穩(wěn)定性和可靠性。

由于采用制動(dòng)器，因此，不但可以使用常見(jiàn)的多片式摩擦片實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，也可以采用盤式制動(dòng)器或者制動(dòng)鼓式制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)換擋功能，可以有效簡(jiǎn)化控制方式和控制環(huán)節(jié)［3］。變速器三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，為同時(shí)便于觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)其殼體作了半透視化處理。

圖1 雙離合器自動(dòng)變速器三維結(jié)構(gòu)

1.2 DCT工作原理

傳統(tǒng)的DCT通過(guò)2個(gè)離合器的交替切換來(lái)完成換擋過(guò)程，而該變速器則通過(guò)控制離合器和同步器的工作狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)換擋。

工作原理如圖2所示，其中虛線箭頭部分表示一擋動(dòng)力傳遞路線。

空擋時(shí)，所有同步器處在中位，離合器處于分離狀態(tài)；一擋時(shí)，撥叉使得同步器Ⅲ左位，同步器Ⅱ右位，離合器Ⅱ結(jié)合，此時(shí)在行星輪系中，太陽(yáng)輪輸入，齒圈固定，行星架輸出；判斷升至二擋時(shí)，撥叉使得同步器Ⅰ右位，完成預(yù)掛擋，離合器Ⅱ逐漸分離，而離合器Ⅰ逐漸結(jié)合，直至換擋成功。判斷升至三擋時(shí)，撥叉使得同步器Ⅱ左位，完成預(yù)掛擋，離合器Ⅰ逐漸分離，而離合器Ⅱ逐漸結(jié)合，直至換擋成功，此時(shí)行星輪系為直接擋輸出。判斷升至四擋時(shí)，撥叉使得同步器Ⅰ左位，完成預(yù)掛擋，離合器Ⅱ逐漸分離，而離合器Ⅰ逐漸結(jié)合，直至換擋成功。而在倒擋時(shí)，同步器Ⅲ右位，同步器Ⅰ左位，離合器Ⅰ結(jié)合，離合器Ⅱ分離。

圖2 雙離合器自動(dòng)變速器工作原理

2 傳動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)模型的構(gòu)建

2.1 SimDriveline簡(jiǎn)介

Simulink工具箱中的SimDriveline模塊庫(kù)［4］，是專門為車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模仿真設(shè)計(jì)的。與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同，SimDriveline采用基本元素法按照實(shí)際物理系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建，可以直接選用發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、車輪等自定義模塊，能建立并仿真車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)模型，還可以通過(guò)它模擬、分析及控制車輛的各種系統(tǒng)，同時(shí)模型接口間以力矩傳遞為主，具有雙向性，動(dòng)態(tài)特性很好，極大地方便了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型的構(gòu)建。

2.2 構(gòu)建各部分模型

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力源泉，其輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系傳遞給驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生牽引力，從而驅(qū)動(dòng)汽車行駛，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)模型是整個(gè)汽車系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)。本文采用SimDriveline元件庫(kù)中提供的Generic Engine模塊。

2.2.2 變速器模型

在SimDriveline模塊庫(kù)中，離合器模型如圖3a所示，P端口是控制壓力接口，也是控制系統(tǒng)的接口，由控制器控制。B端口是主動(dòng)軸接口，F(xiàn)端口是從動(dòng)軸接口。行星輪系如圖3b所示，C是行星架，R是齒圈，S是太陽(yáng)輪。依據(jù)變速器結(jié)構(gòu)，將行星輪系及其他元件相互連接，即可構(gòu)建出變速器傳動(dòng)系統(tǒng)模型。

圖3c是一、三擋時(shí)變速器的模型。執(zhí)行器控制同步器的移動(dòng)位置，將行星輪系的齒圈制動(dòng)，或?qū)X圈與太陽(yáng)輪鎖定，從而分別實(shí)現(xiàn)一、三擋動(dòng)力傳遞。

2.2.3 控制系統(tǒng)模型

雙離合自動(dòng)變速器的核心和關(guān)鍵部分就是換擋規(guī)律的制定和離合器的控制。在該Simulink模型中，以2個(gè)離合器的滑摩狀態(tài)、油門開(kāi)度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速作為輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)擋位的制定及離合器油壓的控制［5－8］。

圖3 變速器傳動(dòng)系統(tǒng)部分模型

2.2.4 車體及輪胎模型

車體模型采用SimDriveline中的Vehicle Body模塊，輪胎采用 Magic Formula（MF）模型。此外還有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及環(huán)境設(shè)置模塊，相對(duì)簡(jiǎn)單。

2.3 整車模型

如圖4所示，將前面建立的各個(gè)模型進(jìn)行連接，即可得到裝有選擇性輸出的雙離合器自動(dòng)變速器車輛的整車動(dòng)力學(xué)模型。

圖4 整車動(dòng)力學(xué)模型

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證所建模型的合理性，按照自定義信號(hào)發(fā)生器給定的油門踏板輸入信號(hào)，對(duì)前面所建立的包括控制模型在內(nèi)的整車模型進(jìn)行仿真，得到各仿真結(jié)果，如圖5所示。圖5a為仿真過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況；圖5b為汽車實(shí)時(shí)車速；圖5c顯示了當(dāng)前仿真時(shí)刻的工作擋位，其中，當(dāng)擋位為0.5、1.5、2.5、3.5時(shí)，表示在掛入相應(yīng)擋位之前，同步器預(yù)先接合，實(shí)現(xiàn)預(yù)掛擋；圖5d為換擋過(guò)程中，作用在2個(gè)離合器片上的油壓。在DCT升擋時(shí)刻，換擋控制機(jī)構(gòu)接到控制系統(tǒng)發(fā)來(lái)的換擋指令，控制低擋離合器開(kāi)始降低壓力分離、高擋離合器升高壓力結(jié)合，2個(gè)離合器分離與結(jié)合相互配合，切換工作狀態(tài)，從而最終順利實(shí)現(xiàn)擋位的切換。

圖5 仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了車輛雙離合器自動(dòng)變速器仿真系統(tǒng)并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果與理論分析相一致，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合實(shí)際情況，證明該模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬離合器換擋過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，具有較好的實(shí)用價(jià)值，為DCT換擋規(guī)律與控制策略的研究及其系統(tǒng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

本文采用SimDriveline建立雙離合自動(dòng)變速器模型，結(jié)果表明：SimDriveline作為一個(gè)高效、直觀的動(dòng)力系統(tǒng)物理建模工具，大大簡(jiǎn)化了建模的復(fù)雜性，縮短了DCT研發(fā)時(shí)間，同時(shí)也降低了成本，在DCT以及整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景。

［1］張金樂(lè)，馬 彪，張英鋒，等.雙離合器自動(dòng)變速器換擋特性與控制仿真［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（5）：6－11.

［2］張玉良，高 峰，杜發(fā)榮，等.基于dSPACE的車輛起步控制策略硬件在回路仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（10）：2722－2725.

［3］合肥工業(yè)大學(xué)汽車工程技術(shù)研究院有限公司.一種車輛用雙離合變速器：中國(guó)，201010112201.2［P］.2010－07－07.

［4］朱 雷，朱華炳，何春華，等.新型雙離合器自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，34（6）：817－821.

［5］黃建明，曹長(zhǎng)修，蘇玉剛.機(jī)械式自動(dòng)變速器的換擋控制［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，28（1）：86－89.

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

［7］吳光強(qiáng)，楊偉斌，秦大同，等.雙離合器式自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（2）：13－21.

［8］李 穎.Simulink動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真［M］.第2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000：91－143.