劉 璽，何 仁，程秀生

0 引 言

預選擋是雙離合自動變速器（dual clutch transmission，DCT）換擋過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。由于DCT具有相鄰擋位分屬奇偶離合器的結(jié)構(gòu)特點，當車輛以某一擋位行駛時，可控制另一離合器對應擋位的換擋撥叉進行預選擋，使目標擋位在換擋點到來之前及時就緒，到達換擋點后，通過控制兩離合器交互，實現(xiàn)當前擋位向目標擋位過渡，完成換擋[1-5]。由此可見，預選擋是離合器交互的前提，要實現(xiàn)快速、舒適的換擋，預選擋控制必須及時、平穩(wěn)[6]。

國內(nèi)外學者對選擋特性進行了大量研究，并且取得了很多有價值的成果。Kunal等[7]對同步器進行建模并對換擋力進行了仿真；Lovas等[8]研究了同步器滯滑現(xiàn)象對換擋力的影響；Singh等[9]對撥叉剛度與換擋質(zhì)量之間的關(guān)系進行了研究；馬明月等[10]采用遺傳算法對換擋元件進行了優(yōu)化；Oh等[11]對DCT換擋過程進行了建模仿真；沈文臣等[12]通過建立換擋機構(gòu)的動態(tài)耦合模型來換擋過程中的換擋力控制問題；這些研究大多旨在探明換擋機構(gòu)參數(shù)對換擋力的影響，對換擋機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。在選擋過程控制方面，國內(nèi)學者對自動變速器換擋過程的選擋執(zhí)行機構(gòu)控制方法及動力傳動系統(tǒng)的扭矩變化進行了研究[13-16]，但由于DCT奇偶擋位分屬不同離合器的結(jié)構(gòu)特點使其具有特殊的預選擋過程[17]，上述成果并沒有充分考慮并利用這一特殊性。本文從DCT換擋機構(gòu)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，對預選擋過程進行運動學與動力學分析，研究各階段選擋特性，制定基于DCT特性的預選擋策略。在此基礎(chǔ)上，提出基于換擋撥叉位置閉環(huán)的換擋力控制策略，以期獲得較好的預選擋品質(zhì)，為實現(xiàn)DCT快速平穩(wěn)的預選擋功能提供參考，也為手動變速器的換擋力分析提供了參考。

1 DCT預選擋特性分析

1.1 DCT預選擋原理及策略

DCT預選擋包括2個方面的內(nèi)容：一是離合器切換前，實現(xiàn)目標擋位同步器的結(jié)合，即掛擋操作；另一方面是在離合器切換完成后，實現(xiàn)前一擋位同步器的分離，即摘擋操作。這 2個過程都會使與同步器主從動部分相連部件的轉(zhuǎn)矩發(fā)生改變，因此有必要對預選擋過程中DCT的動力傳遞原理進行討論。

DCT是在平行軸式變速器基礎(chǔ)上發(fā)展而來，2個液壓驅(qū)動的濕式離合器采用同心布置結(jié)構(gòu)，各自連接一根輸入軸，實心內(nèi)軸和中空外軸上的齒輪分別與奇偶擋位的被動齒輪嚙合。當車輛在某一擋位行駛時，相鄰擋位的離合器完全分離，該擋所在離合器完全結(jié)合，將發(fā)動機轉(zhuǎn)矩經(jīng)擋位齒輪傳遞至驅(qū)動輪。這種結(jié)構(gòu)使相鄰擋位同步器的預先結(jié)合成為可能，到達換擋點后，進行 2個離合器切換，即可實現(xiàn)換擋[18-19]。從動力傳遞的角度可將DCT工作原理簡化為圖1所示。

圖1 DCT工作原理示意圖Fig.1 Working principle diagram of DCT

手動或機械式自動變速器工作時，除當前擋位所在齒軸外，其它齒軸都處于自由轉(zhuǎn)動狀態(tài)，同步器結(jié)合前，無法對待結(jié)合齒圈相連軸齒進行調(diào)速，同步器結(jié)合套與待掛入擋位接合齒圈的轉(zhuǎn)速差不可控，轉(zhuǎn)速差較大時，會延長同步時間，帶來同步器的過度磨損和燒蝕。但是DCT具有雙離合器結(jié)構(gòu)，當前擋位離合器處于結(jié)合狀態(tài)，傳遞發(fā)動機全部扭矩；另一離合器處于自由可控狀態(tài)，其從動部分連接待結(jié)合齒圈所在的齒軸。當該離合器無壓力時，由于帶排轉(zhuǎn)矩的作用，離合器從動端以較低的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動[20-21]；當壓力逐漸增大時，離合器從動端轉(zhuǎn)速逐漸升高，處于滑摩狀態(tài)；當壓力足夠大時，離合器主從動端轉(zhuǎn)速差為0，處于結(jié)合狀態(tài)。因此可以通過對該離合器的壓力控制，實現(xiàn)待結(jié)合齒圈所在齒軸的調(diào)速，減小同步器主從端轉(zhuǎn)速差，降低同步過程滑摩程度，縮短同步時間。

基于上述分析，可見DCT預選擋的獨特性主要體現(xiàn)在掛擋過程。本文制定的掛擋策略具體如下：1）在接近換擋點時，計算待掛入擋位同步器主動端，即同步器結(jié)合套轉(zhuǎn)速 n1；根據(jù)目標擋位離合器從動部分當前轉(zhuǎn)速，計算待掛入擋位同步器從動端，即待接合齒圈轉(zhuǎn)速 n2；假設(shè)目標擋位離合器結(jié)合，計算待掛入擋位同步器從動端轉(zhuǎn)速n3；2）分析比較n1、n2和n3三者之間的關(guān)系，按照表 1所示的策略對目標擋位離合器進行控制，使同步器主從動端轉(zhuǎn)差最??；3）同步器主從動端轉(zhuǎn)差達到最小后，目標擋位離合器壓力迅速降到最小，控制目標擋位撥叉操縱同步器，完成同步過程，實現(xiàn)掛擋。

表1 DCT預選擋目標擋位離合器控制策略Table 1 Control strategy of clutch for gear pre-selection

摘擋過程相對短暫，整個過程步器主從動部分轉(zhuǎn)矩基本不變，具體摘擋策略為：離合器交互完成后，控制上一擋位撥叉將同步器結(jié)合套推回中間空擋位置，同步器主從端分離。

1.2 DCT預選擋特性

根據(jù)DCT預選擋機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)，可從運動學與動力學角度，分別對掛擋、摘擋特性進行分析。

1.2.1 掛擋特性分析

掛擋開始后，同步器結(jié)合套在撥叉作用下，克服結(jié)合套空擋自鎖阻力，離開中間空擋位置做軸向運動，使同步器外錐環(huán)、中間環(huán)、內(nèi)錐環(huán)及換擋齒輪摩擦錐面相互擠壓，形成 3個摩擦副，在持續(xù)的摩擦力作用下，外錐環(huán)和結(jié)合套的轉(zhuǎn)速迅速接近接合齒圈轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)結(jié)合套與外錐環(huán)的嚙合，即同步鎖止；隨后結(jié)合套繼續(xù)移動，結(jié)合套內(nèi)花鍵齒端倒角與接合齒圈相應齒端倒角接觸后，作用在接合齒圈花鍵齒端斜面上的切向分力就會使齒圈及與之相連的所有零件一起相對于結(jié)合套向前旋轉(zhuǎn)一個角度，結(jié)合套和結(jié)合齒圈嚙合，完成整個掛擋過程[22]。在此過程中，隨著軸向位置的改變，結(jié)合套受到不同力的作用。

1）結(jié)合套空擋自鎖阻力

結(jié)合套空擋自鎖裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖2a所示。當于中間空擋位時，定位鋼球在彈簧壓力下嵌入凹槽，阻止結(jié)合套軸向運動，防止自行掛擋。掛擋時，換擋撥叉軸向作用在結(jié)合套上，克服自鎖彈簧的阻力將定位鋼球從凹槽中擠出推回孔中，其動態(tài)受力分析如圖2b所示。

圖2 結(jié)合套空擋自鎖裝置受力分析Fig.2 Force analysis of sleeve self-locking devices in neutral

設(shè)x為軸向方向，y為徑向方向，則結(jié)合套空擋自鎖裝置受力分析如下

式中 Ft0為自鎖彈簧預緊力，N； kt為自鎖彈簧剛度，N/mm；Δy為自鎖彈簧壓縮量，mm。

鋼球在凹槽內(nèi)運動過程中，定位鋼球與凹槽壁面間的摩擦力極小，即Fft≈0，故可取近似值θ=0，結(jié)合式（1）、（2）可得該過程中結(jié)合套空擋自鎖阻力為

鋼球被擠出凹槽推回孔中后，α=0，此時結(jié)合套在軸向只受到摩擦力Ftf，即

式中hs為凹槽深度，mm；μb為結(jié)合套與鋼球間的摩擦系數(shù)。

2）同步力

結(jié)合套離開中間位置后，繼續(xù)軸向移動，逐漸消除同步器各部件的間隙后，在同步力的作用下產(chǎn)生同步力矩，開始同步過程，該過程中同步器受力分析如圖3所示。

圖3 同步器受力分析Fig.3 Force analysis of synchronizer

分別對同步器主、從動部分進行動力學分析，可以得到同步過程中同步器主、從動部分的運動微分方程為

式中t為時間，s。

同步前，若ωf>ωrifir，則K=1，反之，K=–1。對于本文研究的三錐同步器，同步力矩與同步力的關(guān)系為

式中μs為同步器摩擦錐面間的摩擦因數(shù)；r1、r2、r3分別為3個摩擦錐面的摩擦半徑；γ為摩擦錐面的半錐角。

假設(shè)在同步過程中，Tt、Te、Ts和 Tv為常數(shù)，對式（5）、（6）積分可得

式中A、B為積分待定常數(shù)。

同步過程的初始條件為

在同步力作用下，同步器主從動部分轉(zhuǎn)速逐漸接近直至相等，同步結(jié)束條件為

式中 ω1為同步開始時目標擋位離合器從動部分轉(zhuǎn)速，rad/s；ω2為同步開始時變速器輸出軸轉(zhuǎn)速，rad/s；ts為同步時長。

綜合式（7）～（11），最終可以得到同步力與同步時長的關(guān)系表達式為

3）結(jié)合齒圈抵觸阻力

同步器主從動部分轉(zhuǎn)差消失后，結(jié)合套在換擋力的作用下與外錐環(huán)嚙合，隨后繼續(xù)軸向移動直至與接合齒圈齒端相抵觸，對齒圈齒端會產(chǎn)生切向分力，使結(jié)合齒圈及其相連的組件相對于外錐環(huán)發(fā)生轉(zhuǎn)動，結(jié)合套和齒圈嚙合，完成掛擋[23]。此過程受力分析如圖4所示。

圖4 結(jié)合齒圈抵觸阻力分析Fig.4 Resistance analysis of connection gear ring

以結(jié)合套向齒圈運動的軸向方向為x軸正方向，齒圈相對結(jié)合套旋轉(zhuǎn)的切線方向為y軸正方向，在齒圈及與之相連組件的慣性力矩作用下，結(jié)合套受到抵觸阻力，由轉(zhuǎn)動定律得

結(jié)合齒圈抵觸阻力由結(jié)合套內(nèi)齒對齒圈花鍵齒正壓力及滑動摩擦力在軸向的兩部分分量組成

式中Jq為結(jié)合齒圈及相連組件轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；dq為齒圈齒端平均半徑，m；x為齒圈軸向位移，m；μq為結(jié)合套內(nèi)齒與齒圈花鍵齒間的摩擦系數(shù)。

聯(lián)立式（13）～（16），即可得到接合齒圈抵觸阻力Fsq為

在結(jié)合套和齒圈嚙合，完成掛擋同時，換擋撥叉自鎖裝置中的自鎖彈簧將自鎖鋼球壓入換擋撥叉的凹槽，使換擋撥叉軸向位置固定，防止自行脫擋。

1.2.2 摘擋特性分析

在選擋執(zhí)行機構(gòu)中，由液壓系統(tǒng)提供的主壓力，經(jīng)過選擋力控制電磁閥調(diào)節(jié)后，作用在撥叉液壓缸中的活塞上，推動活塞，進一步帶動選擋撥叉，將自鎖鋼球從撥叉的凹槽中推出，進而帶動結(jié)合套沿軸向運動至中間空擋位置，完成退擋。換擋撥叉自鎖裝置結(jié)構(gòu)及受力分析如圖5所示。

圖5 換擋撥叉自鎖裝置受力分析Fig.5 Force analysis of shifting fork self-locking devices

結(jié)合圖2與圖5，可知換擋撥叉自鎖裝置與結(jié)合套空擋自鎖裝置的受力過程類似，參照結(jié)合套自鎖阻力求解過程，設(shè)x為軸向方向，y為徑向方向，摘擋過程中換擋撥叉自鎖裝置中定位鋼球與撥叉凹槽壁面之間摩擦力極小，即Ffb≈0，故可取近似值δ=0，最終可得換擋撥叉自鎖阻力為

式中Fb0為自鎖彈簧預緊力，N；kb為自鎖彈簧剛度，N/mm。

換擋撥叉將定位鋼球擠出凹槽后，β=0，在軸向只受摩擦力Fbf作用，其表達式為

式中hb為撥叉凹槽深度，mm；μb為換擋撥叉與定位鋼球間的摩擦系數(shù)。

綜合上述分析，基于預選擋工作原理，結(jié)合預選擋過程運動學、動力學特性，按照撥叉的位移，可將掛擋過程順序分為滑塊滑動、同步、同步環(huán)撥正、穿過同步環(huán)、結(jié)合齒撥正、軸套與結(jié)合齒嚙合 6個階段，將摘擋過程分為解除換擋撥叉自鎖和撥叉回位 2個階段。各個階段撥叉所受阻力如圖 6所示。在換擋力作用下，換擋撥叉克服各階段阻力，完成該階段的軸向位移，最終實現(xiàn)預選擋。

圖6 預選擋過程撥叉位置-阻力關(guān)系示意圖Fig.6 Diagram of relationship between fork position and resistance in gear pre-selection

2 DCT預選擋過程的換擋力分析

2.1 DCT預選擋品質(zhì)評價指標

從上節(jié)分析可知，預選擋過程中每個階段換擋撥叉受力各不相同，換擋力決定了預選擋機構(gòu)的工作狀態(tài)，進而影響預選擋品質(zhì)，因此有必要根據(jù)預選擋品質(zhì)要求，對換擋力進行分析。

1）沖擊度。預選擋過程會影響車輛縱向加速度的變化率，即沖擊度。根據(jù)圖3所示的同步過程動力學模型，該過程沖擊度js可以表示為式中a為車輛縱向加速度，m/s2；rw為車輪滾動半徑，m；iw為主減速比。

再結(jié)合式（7），最終可得同步過程中沖擊度為

根據(jù)圖 4所示的結(jié)合齒圈抵觸阻力模型，結(jié)合式（17），同理可得結(jié)合套與接合齒圈嚙合過程的沖擊度為

2）滑磨功率?；スβ适侵竿搅卦谕狡髂Σ铃F面上單位面積、單位時間所做的功，用來衡量同步器的滑磨程度[24]。取三錐同步器中的一對摩擦面為研究對象，則有

式中Ls為滑磨功率，W。

同步過程換擋力恒定，則摩擦面間的相對滑動速度呈線性變化，結(jié)合式（10）、式（11），可得同步過程中的任意時刻

將式（24）代入式（25），可得同步期間滑磨功率的表達式為

2.2 基于預選擋品質(zhì)評價指標的換擋力

沖擊發(fā)生在換擋力變化的時刻。同步過程、結(jié)合套與接合齒圈嚙合過程換擋力保持不變[25]，所以只需要考慮同步初始階段及嚙合初始階段沖擊度對預選擋品質(zhì)的影響。人體對沖擊度存在耐受范圍，沖擊度過大會影響舒適性甚至造成損傷[26]。設(shè)定沖擊度允許值[j]，結(jié)合式（21）、（22），可得同步初始階段及嚙合初始階段的換擋力變換率為

滑磨發(fā)生在同步過程，理想的預選擋過程需要較大的換擋力來實現(xiàn)縮短預選擋時間，但過大的換擋力會導致滑磨功率過大，加劇同步環(huán)磨損甚至燒蝕[27]。解決方式是在滑摩功率允許的前提下，采用最大換擋力來實現(xiàn)同步。設(shè)定極限滑磨功率[L]，結(jié)合式（25）可得

3 DCT預選擋控制

3.1 DCT預選擋過程撥叉位置分析

由上文得出的換擋力-撥叉位置對應關(guān)系可知，明確撥叉目標位置是計算換擋力的前提，根據(jù)預選擋原理及特性，制定出的掛擋和摘擋過程換擋撥叉目標位置如圖7所示。

圖7 預選擋過程撥叉目標位置示意圖Fig.7 Diagrammatic target position of fork in gear pre-selection

掛擋過程分為3個階段：0～te1階段結(jié)合套離開中間位置對同步環(huán)進行預緊；te1～te2階段結(jié)合套停止軸向運動進行同步；te2～te3階段結(jié)合套繼續(xù)軸向運動與結(jié)合齒圈嚙合，完成掛擋。預緊階段和嚙合階段時長可根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取，結(jié)合式（12）、（28）可求得同步階段時長為

摘擋過程分為2個階段：0～tr1階段結(jié)合套與原擋位齒輪脫離，tr1～tr2階段結(jié)合套軸向運動至中間位置。各階段時長可根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取[28]。

從工程角度出發(fā)，為了便于應用，除同步階段外，設(shè)定其它階段撥叉做勻速運動，確定 te1、te2、te3、tr1和tr2后，結(jié)合撥叉及同步器結(jié)構(gòu)參數(shù)，即可確定預選擋過程中任一時刻的撥叉目標位置。

3.2 DCT預選擋過程撥叉位置閉環(huán)控制

基于上文制定的預選擋過程撥叉目標位置，以及阻力-撥叉位置關(guān)系，提出撥叉位置閉環(huán)控制策略。如圖 8所示，在預選擋過程中，根據(jù)撥叉目標位置和實際位置計算位置偏差及偏差變化率，輸入模糊控制器，經(jīng)模糊規(guī)則產(chǎn)生換擋力調(diào)節(jié)量，與撥叉實際位置對應的阻力求和后，最終作為目標換擋力輸出。

圖8 預選擋過程撥叉位置閉環(huán)控制策略Fig.8 Position closed-loop control strategy in gear pre-selection

設(shè)定撥叉位置偏差物理論域為[–1,1]，偏差變化率物理論域為[–0.5,0.5]，輸入量化因子為6；換擋力修正量物理論域為[–30,30]，輸出量化因子為0.1；模糊語言集為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，隸屬函數(shù)為三角形均勻分布函數(shù)，基于Mamdani推理原則[29]，采用重心法進行反模糊化最終可得換擋力控制模糊規(guī)則如圖9所示。

圖9 換擋力控制模糊規(guī)則曲面Fig.9 Fuzzy rules surface of shifting force control

4 實車試驗與分析

為了驗證雙離合自動變速器預選擋特性分析及控制策略的有效性，在搭載 6DCT的試驗樣車上進行預選擋試驗。除DCT自身傳感器外，試驗在良好平直路面上進行，由于 1擋同步器主從動部分轉(zhuǎn)動慣量相差最大，掛擋最困難，因此掛擋試驗選用2擋降1擋時掛1擋過程，摘擋試驗選擇1擋升2擋后摘1擋過程，試驗過程中撥叉目標位移和阻力是根據(jù)整車及DCT系統(tǒng)參數(shù)計算的理論值；撥叉實際位移、變速器輸入、輸出軸轉(zhuǎn)速來自于傳感器；在此基礎(chǔ)上結(jié)合變速器參數(shù)，可計算出換擋力、齒圈轉(zhuǎn)速和結(jié)合套轉(zhuǎn)速，相關(guān)參數(shù)如表 2所示。試驗車輛除DCT自身傳感器外，還加裝了法國FGP公司生產(chǎn)的加速度傳感器 FA101，用于測試沖擊度。實車試驗平臺如圖10所示。試驗結(jié)果分別如圖11、12所示。

表2 試驗樣車主要參數(shù)Table 2 Main parameters of test prototype

圖10 DCT實車試驗平臺Fig.10 DCT vehicle experiment platform

圖11 2擋降1擋時掛1擋試驗結(jié)果Fig.11 Test results of shifting into first speed during 2-1 downshift

從圖11可以看出，初始階段利用1擋所在的離合器迅速把結(jié)合齒圈轉(zhuǎn)速從780下拉到640 rad/min，隨后到達換擋點開始掛擋，掛擋過程中撥叉實際位置對目標位置跟蹤誤差不超過4.67%，整個過程用時約0.24 s，實際換擋力與理論阻力的最大誤差不超過 12.3 N，在同步階段和嚙合階段均出現(xiàn)了沖擊，但沖擊度最大值沒有超過2 m/s3，幾乎不影響舒適性。

圖12 1擋升2擋時摘1擋試驗結(jié)果Fig.12 Test results of shifting out of first speed during 1-2 upshift

由圖12可知，摘擋過程用時約0.11 s，最大換擋力出現(xiàn)在開始階段，用于克服撥叉自鎖阻力。0.07 s時結(jié)合套與齒圈完全分離，換擋力迅速降低，隨后結(jié)合套與齒圈出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差，整個過程沖擊較小。

為了驗證預選擋策略的可靠性，在實車試驗的基礎(chǔ)上，在試驗臺架上進行了模擬負載耐久試驗，實物如圖13所示。試驗參照QC/T 1056-2017[30]進行，在試驗臺上完成1.6×105km換擋耐久等效試驗后停機拆檢，同步器錐環(huán)未出現(xiàn)磨損超限或燒蝕。

圖13 DCT耐久試驗實物圖Fig.13 Picture of DCT endurance test

以上試驗結(jié)果表明預選擋過程中沖擊度和滑磨功率均滿足要求，預選擋品質(zhì)符合預期，驗證了本文提出的雙離合自動變速器預選擋策略的可行性和有效性。

5 結(jié) 論

1）針對 DCT特有的雙離合器結(jié)構(gòu)，制定了能夠發(fā)揮結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的預選擋目標擋位離合器控制策略，通過對目標擋位離合器的壓力控制，能夠?qū)崿F(xiàn)待結(jié)合齒圈所在齒軸的調(diào)速，減小同步器主從動部分轉(zhuǎn)速差。

2）從運動學與動力學角度，分別對掛擋、摘擋特性進行分析，結(jié)合預選擋品質(zhì)評價指標，得到預選擋過程中撥叉目標位置及對應換的換擋力，為撥叉位置閉環(huán)預選擋控制策略提供參考。

3）實車試驗表明，可在0.24、0.11 s內(nèi)分別完成降擋和升擋的預選擋過程，期間實際換擋力與理論阻力的最大誤差不超過 12.3 N，撥叉實際位置對目標位置跟蹤誤差不超過4.67%；耐久試驗顯示同步器錐環(huán)未出現(xiàn)磨損超限或燒蝕。綜合表明預選擋過程迅速平穩(wěn)，沖擊度和滑磨功率符合預期目標。該研究可以為雙離合自動變速器預選擋特性及控制研究提供參考。

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