SAE-C2009C119双离合自动变速器挂档策略研究

SAE鄄C2009C119 双离合自动变速器挂档策略研究 徐秀华摇 刘文忠摇 陈勇摇 李俊茂摇 赵文江摇 白茫茫 浙江吉利汽车研究院有限公司 摇 摇 揖摘要铱 摇 针对 DCT(Dual Clutch Transmission,双离合自动变速器)换档之前先结步器实现预挂档的特殊功能, 制定 DCT特有的自动挂档策略。 通过 Matlab / Simulink / Stateflow软件平台建立仿真模型进行验证、 通过试验进行分析, 结果明 自动挂档规律在 DCT中应用的正确性。 摇 摇 揖关键词铱 摇 双离合自动变速器摇 自动挂档规律摇 仿真 Research on Control Strategy of Synchronizer Engagement of Dual Clutch Transmission Xu Xiuhua, Liu Wenzhong, Chen Yong, Li Junmao, Zhao Wenjiang, Bai Mangmang Zhejiang Geely Automobile Institute Co郾 , Ltd郾 摇 摇 Abstract: A special control strategy of DCT is established which bases on the unique function of engagement of synchronizer before shift. Build the simulation module by Matlab / Simulink / State flow to validate the strategy, and analyze it by test. The result has proved the validity of this strategy which applies in the control of DCT. 摇 摇 Key words: DCT摇 control strategy of synchronizer engagement摇 simulation 引摇 摇 言 摇 摇 DCT以其独特的结构, 采用预先升、 降档的, 避免 了手动变速器在换档过程中产生的动力中断。 DCT提前挂档 缩短了换档时间, DCT的整个换档时间仅为 0郾 03 ~0郾 04s。 1摇 DCT结构和自动挂档工作原理 摇 摇 双离合自动变速器(DCT)主要由双离合器、 变速器机械 结构、 自动换档机构、 电液控制系统组成, 其机械结构与手 动变速器的定轴式齿轮结构相同。 其最具创意的核心部分便 是具有两个输入轴, 分别作为奇数档和偶数档的输入轴, 且 分别由两个离合器控制, 相当于两个并联的手动变速器, 如 图 1 所示。 图 1摇 DCT传动简图 摇 摇 DCT在稳定传递动力时只有一根输入轴工作, 此时控 制单元根据汽车的状态判断即将挂入的目标档位, 而目标档 位必定在另一根输入轴上, 与之相连的离合器由于没有结合 而不传递动力, 所以这个目标档位就可以提前挂入。 当控制 单元判断车速到达换档点时, 控制两个离合器交替(当前档 位分开,目标档位结合)完成换档。 换档完毕后, 控制单元 根据车辆状态再控制下一个目标档位提前挂入, 继续等待换 档点, 依次下去, 实现了 DCT的整个换档过程。 摇 摇 DCT 在正常运行过程中, 总有两个档位是同时挂入的。 其中一个为工作档位, 另一个为预挂档位。 而 TCU(Trans鄄 mission Control Unit)根据当前汽车的运行状态确定哪个档位 即将预挂, 即判断预挂档位为当前档位的高一档还是低一 档。 下面以当前档位为 2 档说明预挂过程。 图 2摇 工作档位为 2 档、 预挂档位为 1 档 摇 摇 如图 2 所示, 当前工作档位为 2 档, 此时变速器已经挂 入的档位假设为 1 档, 出现这种状态的原因可能有两种: 一 为变速器刚从 1 档升为 2 档, 而 TCU 判断当前整车状态尚 未满足预挂 3 档的条件; 二为变速器从 3 档降为 2 档, TCU 判断整车状态已经满足预挂 1 档的要求, 退出 3 档预挂入 1 档。 摇 摇 TCU根据所的换档规律判断何时开始换档, 即判 断由当前档位换入目标档位的时刻。 6231 2009 中国汽车工程学会年会论文集摇 SAE鄄C2009C119 摇 摇 由于汽车行驶环境及运行状态千变万化, 必须制定一定 的挂档策略来确定最合适的预挂档时刻。 2摇 DCT换档规律 摇 摇 换档规律是指各档位间的自动换档时刻随换档参数变化 的规律。 根据换档参数的不同, 换档规律一般分为单参数换 档、 两参数换档及多参数换档。 目前应用最多的基本换档规 律是两参数换档, 即节气门开度和车速。 根据汽车行驶的工 况在换档策略中设置多种模式, 在每种模式下对基本的换档 规律进行修正, 以满足各种工况下汽车所要求的性能及驾驶 员的意图。 摇 摇 本文根据最佳换档规律的设计方法, 以节气门开度信号 和车速两参数设计了基本的换档规律曲线, 如图 3 所示。 图 3摇 DCT换档规律曲线 3摇 DCT自动挂档策略 图 4摇 DCT预升档和升档规律曲线 3郾 1摇 自动挂档规律的制定 摇 摇 如果换档结束后根据车辆的运动趋势立即结合临近档位 同步器, 由于车辆行驶过程中速度变化范围比较大, 这样必 然导致同步器的频繁结合, 即引起循环挂档, 不但会引起瞬 时冲击, 而且会影响同步器的寿命。 为了避免同步器的频繁 结合, 可采用如下的同步器的控制规律, 即在各档位换档车 速前后 V0km / h处结合临近档位的同步器。 按照 2km / h 设计 DCT预挂档规律曲线如图 4 和图 5 所示。 图 5摇 DCT预降档和降档规律曲线 摇 摇 升档过程中, 挂档线设计在换档线之前, 当车速上升至 挂档规律的预升档点时, 开始预挂高一档位, 当车速上升至 换档规律的换档点时, 两个离合器交替动作完成升档。 摇 摇 降档过程中, 挂档线设计在换档线之后, 当车速下降至 挂档规律的预降档点时, 开始预挂低一档位, 当车速下降至 换档规律的换档点时, 两个离合器交替动作完成降档。 图 6摇 基于时间制定的自动挂档规律图 摇 摇 以上方法就是以车速为基准值判断挂档时间, 即挂档车 速为换档车速与目标值的差值, 这种方法虽然从一定程度上 克服了挂档循环的缺点, 但是并没有从本质避免这个缺点。 即随加速度的不同, 留给换档的时间就会有所不同, 也会在 一定程度上引起循环挂档或影响换档时间。 基于这个问题, 本文提出一种基于时间的自动挂档策略, 该方法的换档车速 点会因加速度的变化而变化, 就避免了循环挂档及影响换档 时间的缺点。 7231摇 2009 中国汽车工程学会年会论文集 SAE鄄C2009C119 摇 摇 基于时间设定的自动挂档规律流程图如图 6 所示。 其中 当前行驶车速 v1 和依据当前车速微分求得的加速度 a 都是 实时检测、 更新的数据。 同时, TCU 根据保存在内存中的 自动换档规律实时计算出目标换档车速 v。 摇 摇 当 TCU判断当前行驶车速 v1 在设定时间 t0 后到达目标 换档车速 v时, 结合对应同步器预挂入目标档位。 因此, 在 TCU中实时比较根据目标换档车速 v、 当前行驶车速 v1 和加 速度 a计算出的加速时间 t 与设定时间 t0 之间的关系。 当 t>t0 时继续检测, 直到当 t臆t0 时开始结合同步器挂入目标 档位, 从而实现预挂目标档位。 摇 摇 根据以上描述的方法, 即可确定在不同档位下的预挂 档点。 3郾 2摇 自动挂档控制策略流程 摇 摇 以当前档位在 n 档为例的自动挂档策略流程图如图 7 所示。 摇 摇 假定驾驶员当前以 n档行驶, 若驾驶员减速, 当当前条 件满足 n 档预降 n-1 档时, n-1 档同步器结合, 即预挂 n-1 档; 若驾驶员继续减速, 当当前条件满足 n档降 n-1 档 时, 即以 n-1 档行驶、 同时 n 档同步器保持结合。 n 档升 n +1 档的原理相同。 因此, 在 DCT 中任一时刻均有两个档位 同时在档。 图 7摇 DCT的自动挂档控制策略流程图 4摇 DCT自动挂档策略仿真验证 摇 摇 为了验证 DCT 的挂档规律, 基于 Matlab / Simulink / State flow软件平台, 建立带发动机模型、 双离合自动变速器机械 模型以及整车的数学仿真模型。 4郾 1摇 仿真模型 摇 摇 如图 8 和图 9 所示的 DCT整车仿真模型和控制仿真模 图 8摇 DCT整车仿真模型 图 9摇 DCT控制仿真模型 型主要包括 5 个部分: 发动机模型、 双离合自动变速器机 械模型、 整车模型、 节气门开度信号和制动信号, 变速器 控制单元。 发动机接收节气门开度信号后将发动机转矩经 减振后传递给变速器, 最后传递给整车; TCU 的输入信号 包括节气门开度信号、 制动信号和变速杆信号, 以及来自 变速器机械模型中的转速、 位置传感器等信号。 TCU 根据 所接收的信号, 对 DCT 中的主压力调节阀、 离合器压力 阀、 多路换向阀、 换档电磁阀等进行控制, 从而实现对变 8231 2009 中国汽车工程学会年会论文集摇 SAE鄄C2009C119 速器机械模型中的同步器动作与离合器的结合和分离进行 操纵。 摇 摇 其中根据图 6、 图 7 所示的流程图搭建的 DCT的自动挂 档策略模型逻辑如图 10 所示, 任一档位挂档策略模型如图 11 所示。 图 10摇 DCT自动挂档策略模型 图 11摇 DCT任一档挂档策略模型 摇 摇 根据主控制策略判断进入自动挂档控制策略程序, 在同 一个输入轴上的两个档位不能同时挂入否则将发生干涉, 比 如 2、 4、 6 档不能有两个档位同时挂入。 由于 2 档和 4 档共 用一个同步器, 两个档位不可能同时挂入, 所以当要预挂 2 档或 4 档时, 只需判断 6 档是否在档以免出现干涉。 通过位 置传感器检测 6 档同步器是否在档, 如果是, 动作多路换向 阀和换档电磁阀使 6 档退出。 通过位置传感器检测 2 档同步 器是否在档, 如果否, 动作多路换向阀和换档电磁阀挂入 2 档, 即完成预挂档。 4郾 2摇 仿真结果和分析 摇 摇 分别用基于车速的和基于时间的挂档策略, 在图 9 所示 的 DCT控制仿真模型中进行连续换档(升档)的仿真, 将仿 真结果绘制到一张图中, 如图 12 所示。 挂档线在换档线之 前, 当车速进入挂档区域后, 先进行预挂档。 当车速进入换 档区域后, 双离合器进行交替完成换档。 图 12摇 DCT连续换档仿真结果 摇 摇 从仿真结果看出基于车速的挂档策略会因为车速及当前 加速度的不同而导致预挂档位的提前时间不同。 如果当前加 速度较小, 则提前挂入档位的时间会较早, 中间可能会因为 路况的原因导致汽车的状态发生变化, 可能导致换档循环; 而基于时间的挂档策略, 则已经考虑加速度, 不会因为加速 度的原因而导致提前预挂档的时间不同而引起挂档循环, 同 时可以根据换档时间设置提前挂档的基准时间, 这样就不会 因为挂档过晚而影响换档。 5摇 试验验证 摇 摇 利用试验对所设计的挂档策略进行验证, 通过电脑的控 制软件检测一个同步器上的两个档位的位置传感器信号。 该 传感器的工作电压范围为 4郾 5 ~ 5郾 5V, 产生信号的范围为 0 ~ 5V, 其中 0V 和 5V 分别表示同步器的两个档位, 2郾 5V 表示两个档位之间的空档位置。 在换档过程中的任一时刻都 有两个临近档位同时在档, 一个为正在工作的档位、 另一个 为预挂即将工作的档位。 DCT 挂档和换档的档位试验比较 结果如图 13 所示。 图 13摇 DCT挂档和换档的档位试验比较 摇 摇 从图中可以看出, 在实际试验中, 所设计的挂档策略能 够较好地实现 DCT的预挂档功能。 9231摇 2009 中国汽车工程学会年会论文集 SAE鄄C2009C119 6摇 结语 摇 摇 本文针对 DCT 的结构特点, 分析了其区别于其他自动 变速器的自动挂档规律, 根据节气门开度信号和车速两控制 参数设计了变速的换档规律和挂档规律曲线。 摇 摇 基于 Matlab / Simulink / Stateflow 软件平台, 建立了 DCT 的仿真模型。 依据仿真模型, 对所设计的挂档规律进行了仿 真验证, 然后通过试验对挂档和换档策略进行验证。 结果表 明: 所设计的挂档策略能够准确实现 DCT 的提前预挂档的 要求, 并且基于 Matlab / Simulink / Stateflow 搭建的模型可以 与 dSPACE等控制系统辅助设计软硬件实现无缝连接, 缩短 了控制系统的开发周期。 参 考 文 献 [1] 摇 Getriebe GmbH, Gerhard Wagner. 轿车中不同传动系 组合的变速箱装置的应用 [ J]. 传动技术, 2002, (2). 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