双离合器自动变速器换档过程离合器控制技术研究（可编辑）

双离合器自动变速器换档过程离合器控制技术研究（可编辑） 双离合器自动变速器换档过程离合器控制技术研究 双离合器自动变速器换档过程离合器控制技术 的 研究作者姓名 主 丘 主 型 ? 学 位类 堂 压 巫 业 学 科、专 控制理论皇控亟』工程 向 研 究 方 复苤丕统鲍建槿皇控剑 导师及职称 王董羞教援 年月业大学 本经答辩委员会全体委员审查,确认符合合肥工 业大学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名:工作单位、职称 . 主席:抹五佛 铷毒胡二揪确庑统私住缎为? 委 员: 懈/刽渊韵阪 导 师:独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知,除了文中特别加以标志和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果, 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 也不包含为获得金墨薹些太堂 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字:蝣签字日期:口『年?月瑶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些太堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅或借阅。本人授权 盒旦曼王些太 羔可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 挚位沦文秘签 导师签名: 泣 鉴字 日期矗驷 眄删、罗舳 甜 签字日期:.年午月耀日 学位论文作者毕业后去向: 电话: 工作单位: 邮编: 通讯地址:致谢 感谢我的导师孔慧芳老师在我读研究生期间给予我的指导、关心和与帮助,在孔 老师的悉心指导下,我顺利完成了研究生课题和论文的撰写。孔老师对科学的认真态 度、诲人不倦的师长风范、虚怀若谷的学者风度是我学习的榜样。孔老师不但指导我 学会科研的,还教导我如何做人,让我受益匪浅。 同时感谢电气学院的全体老师,他们的教诲为本文的研究提供了理论基础,并创 造了必要条件和学习机会;尤其感谢鲍伟老师对我学习工作的指导,让我领悟到很多 做事的道理;同时也感谢王烨、王霄冰、李秀萍在学习和生活上给予我的关 心和帮助。 感谢我的父母和家人,感谢他们多年来对我的支持和无微不至的爱护,感谢他们 的关怀和信任,使我能毫无后顾之忧的投入到学习中,没有他们的默默支持和无私奉 献,就没有我今天的学业,更不可能有今天取得的成绩。 最后,向审阅本论文的专家致以深深的感谢 作者:丘宇宁 年月双离合器自动变速器换档过程离合器控制技术的 研究 摘 要 双离合器自动变速器作为一种继承手动变速器的新型自动变速器, 价格便宜、传动效率高、结构简单紧凑、扭矩适应范围广、可以实现不中断动 力换档,具有良好的换档品质及燃油经济性,因此受到了各国汽车业的重视。 但国内对的研究才刚刚起步,基础薄弱,许多关键技术仍然无法掌握。本 文在国内外研究的基础上,着眼于换档过程离合器控制技术的研究,旨在 寻求能够有效地控制离合器进行接合与分离的方法。 文中首先简单地介绍了的结构特点以及关键技术,然后详细分析了 系统的结构形式、工作原理,给出了两种结构形式的的功率流向图。 研究了的液压控制单元及电控单元,对其单元构成及相应的功能作出了详 细的分析。 通过分析换档过程离合器分离接合的五个阶段,建立了双离合器换档过程 的动力学模型并给出了相应的动力学微分方程,对换档时转矩传递的整个过程 进行了分析,给出了各个转矩的计算公式,简单介绍了影响汽车换档品质的三 个要素。 根据模糊控制器的结构组成以及基本工作原理,设计了以离合器主从动盘 转速差及其变化率为输入,离合器分离接合速度为输出的模糊控制器,给出了 输入输出量的隶属度赋值表以及模糊规则,通过对模糊控制器进行 仿真并给出了输出量三维观测图,形象地表示出模糊控制器输入量与输出量在 设定模糊推理规则下的关系。 研制了电控单元 ,给出了硬件电路及软 件流程图;硬件及软件均采用模块化设计,给出了硬件采集电路、通信电路及 电磁阀驱动电路模块;通过实验对比例电磁阀的各项驱动能力进行研究与验证, 对离合器接合的过程进行了仿真分析。 关键词:双离合器自动变速器;模糊控制;电控单元;电磁阀 ,, , , , ., ’ . ,’ .., . ’ , ’,. . . ,’.’, ’’ ,. . .,..., . ’ , . :; ;;目 录 第一章 绪 论? .引言?.. .自动变速器的发展及现状 ..自动变速器的分类?. ..自动变速器新技术?. .双离合器自动变速器简介 ..双离合器自动变速器的产生及发展。..双离合器自动变速器的结构特点.. 双离合器自动变速器的关键技术.本文的主要研究内容??. 第二章 双离合器自动变速器系统构成 .的工作原理..单中间轴式的工作过程.. ..双中间轴式的工作过程??. .的液压控制单元?.. ..液压控制单元的构成.. ..电磁阀工作原理??。 .. 的离合器压力控制? . 的电子控制单元?.. .本章小结? 第三章 双离合器换档过程动力学模型的建立??. .换档品质与评价指标?.. ..换档时间。?.. ..冲击度?. ..滑摩功? . 的动力换档模型.. ..双离合器动力学模型?. ..离合器扭矩传递分析? ..动力换档过程分析??.. .本章小结??. 第四章换档过程的离合器模糊控制??。 .模糊控制理论概述.模糊控制器的基本原理 ..量化因子和比例因子.??...模糊化. ..知识库?. ..模糊推理??. ..清晰化? .双离合器换档过程模糊控制器的设计? ..输入与输出参数的选择 ..输入量与输出量的量化..模糊规则的确定? ..模糊控制器的仿真?. .本章小结~ 第五章电控单元的软硬件设计?. .电控单元的硬件设计.. ..主控芯片的选择??. ..主控芯片最小系统设计?. ..输入量处理电路的设计. ..通信电路的设计..存储电路的设计?. ..电磁阀驱动电路的设计?.. ..硬件抗干扰措施?.. .电控单元的软件设计?. ..底层软件模块的设计 ..应用层软件设计??. ..软件可靠性设计?. . 电磁阀驱动软硬件调试??.. ..试验简介..试验方法与步骤?.. ..试验结果与分析.. .本章小结. 第六章与展望??。 .总结? .展望? 参考文献 攻读硕士期间发表的论文?..插图清单 图.大众双离合变速器??.. 图.博格华纳公司设计的双离合器??. 图.大众双离合变速器结构示意图图.单中间轴式工作原理? 图.单中间轴式 档功率流向图? 图.单中间轴式 档功率流向图.. 图.双中间轴式工作原理?. 图.双中间轴式 档功率流向图? 图.双中间轴式 档功率流向图.. 图.液压控制单元连接示意图? 图.开关电磁阀内部结构示意图??。 图.比例电磁阀内部结构示意图??.. 图.比例电磁阀闭环控制框图 图.比例电磁阀电流与压力关系图.. 图.双离合器换档过程电流控制示意图?。 图. 电子控制单元结构框图图.双离合器动力学模型. 图.摩擦片上的单元摩擦面积. 图.发动机转矩特性图? 图.模糊控制系统原理图.. 图.模糊控制器的组成?。 图.常见的隶属度函数类型图. 换档过程模糊控制器的模糊推理系统编辑器 图.离合器主从动盘转速差的隶属度函数? 图.离合器主从动盘转速差变化率的隶属度函数? 图.离合器分离接合速度的隶属度函数??. 图. 换档过程模糊控制器的模糊规则窗 图.离合器接合速度输出观测图??. 图.离合器分离速度输出观测图??。 图.主控芯片电路图图. 电源电路 图. 单片机复位电路 图. 单片机时钟电路 图.开关量处理电路图.模拟量处理电路??. 图.频率量处理电路图. 总线通信电路?. 图. 通信电路 图. 存储电路 图. 驱动电路??. 图. ?芯片外围电路 图.比例电磁阀驱动电路??..图.模拟量采集流程?. 图.频率量采集流程?.. 图. 总线初始化、接收、发送流程图.主程序流程。 图. 换档流程?. 图. 实物图图.电磁阀实物图??.. 图. 与电磁阀整体连接图 图.作者正通过电脑编写电磁阀控制程序.. 图.离合器压力控制阀电流驱动波形图.离合器压力控制阀电流驱动波形?.. 图.离合器压力控制阀电流驱动波形?.. 图.离合器压力控制阀电流驱动波形图.离合器压力控制阀电流驱动波形??. 图.离合器压力控制阀电流驱动波形??。 图. 电流附加抖动控制波形?。 图. 电流附加抖动控制波形? 图.离合器接合简易电流控制波形?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ,二 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?表.离合器接合速度模糊规则表? 表.离合器分离速度模糊规则表?论 第一章绪 .引言 据相关资料显示,装备手动变速器的汽车在闹市区每行驶驾驶员需 要换档至次,离合器踏板使用次数为至次?。离合器踏板的 频繁操纵不仅分散了驾驶员的注意力,而且给驾驶员带来疲劳,影响了行车 的 安全性。手动变速器无法避免的各种缺点使得人们把目光投向了自动变速器, 自动变速器不仅可以改善车辆的动力性、舒适性,减轻驾驶员换档及踩离合器 踏板的负担,提高安全性,还可以减少发动机排放污染,提高燃油经济性,因 此许多国家都投入大量的人力物力对自动变速器进行深入研究,希望解决继发 动机国产化后的又一技术瓶颈,其中汽车自动变速器的控制技术一直是改进车 辆性能和完善传动系统的重要方向,也是人们长期努力追求的目标。随着微电 子技术在汽车上的广泛应用,自动变速技术得到了很大地发展。近年来,市场 对装备有自动变速器汽车的需求随经济的发展日益高涨,汽车自动变速器的普 及也是汽车行业发展的大趋势之一。 本课题来源于合肥工业大学重大项目预研专项:“双离合器式自动变速器 电子控制单元研发”。 .自动变速器的发展及现状 根据传动方式及控制方式的不同,目前车辆自动变速器的分类主要有:液 力自动变速器、电控机械式自动变速器、无级变速器和双离合器自动变速器 大类型‘引。 ..自动变速器的分类 ,简称。利用液力自动变速 液力自动变速器 器可以使得发动机与传动系统之间实现柔性的连接与传动,汽车起步平稳,加 速均匀,是目前汽车上使用最广泛的自动变速器。但是效率偏低,对速度 的变化响应时间较慢,赶不上手动变速器的灵敏性,而且燃油经济性不好,变 矩范围有限,结构复杂,难以修理。目前,在美国的装备率为%以上,日 本仅次之,随着近年配件国产化的水平提高,很多中低档轿车也装备了。 ,简称 电控机械式自动变速器 是基于手动机械式变速器以液压、气压或电动的形式代替驾驶员对离合器的频 繁操作,实现自动变速。效率高,成本低,易于制造,但是换档过程中会 产生动力中断,车辆产生减速度,对加速性与舒适性产生影响。随着电子控制 系统成本的降低及性能的完善,宝马、大众、奔驰、本田 等装备电控机械式自动变速器的车辆纷纷进入市场。 ,简称。通过 无级变速器可变槽宽的棘轮和传动带进行动力传递,棘轮传递方式通过棘轮槽宽的变化改 变驱动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速,传动带传递方式一般采用橡 胶带、金属带和金属链。可以实现传动比的连续改变,在任何状态下都能 保持最佳的传动比,从而提高汽车的燃油经济性与动力性,但是传动带不能 承 受太大的载荷,容易损坏,而且会出现高噪声及打滑效应,同时价格较高,只 适用于中小排量车上,国外在.以下小排量的轿车上应用前景较好,日产公 司在.排量级的车上也使用。 ,简称。是继 双离合器自动变速器 承发展而来的一种新型变速器,不仅具有的结构简单、成本低等优 点,而且还克服了的缺点。通过变速器上两个分管不同档位的离合器互 相动作的配合,能够消除换档时的动力中断现象,实现动力换档,使得汽车的 加速更加强劲、圆滑。两个离合器的运行状态是通过电控单元指令电磁阀进 行 控制的,不会产生两个离合器同时接合的现象旧 ..自动变速器新技术 随着时代的发展,电子技术的不断进步,自动变速器技术的发展也日新月 异,自动变速器的档位数越来越多,六档、七档、八档已经逐渐成为现实,速 比范围越拉越宽。行星排的数量也逐渐减少,年代的四档变速器就有三排行 星排,如今行星排只有二排或者一排半,大大简化了机械结构,从而故障概率 也就大大减小了。单项离合器的数量也逐渐减少,甚至已经没有了。随着自 动 变速器技术的不断发展,变速器上电磁阀的数量日益增多,而且控制电磁阀 的 方式也多种多样,电子控制与油路相结合,数个电磁阀互相配合控制多个档位 。自动变速器的控制器随着电子技术的发展日益智能化,车辆能够根据外界 的环境以及驾驶员的动作结合相关驾驶策略做出最优的动作判定,保证了车辆 的舒适性、安全性及燃油经济性。 现代轿车自动变速器的主要发展方向有三个:第一是为了提高传动效率及 改善经济性能而使用电子控制全域锁止离合器及液力缓冲装置;第二是采用适 合整车驱动系统的电子控制智能型自动变速器,其特点是一机多参数,多规律 的控制。多参数是指微机控制的参数能够全面的反映发动机、变速器的实际工 况,多规律是微机中存储了多种换档规律,驾驶员可以调用相关规律实现最佳 控制。第三是小型化,减轻重量及缩短动力传递的路线,提高车辆的燃油经济 性‘朝。 .双离合器自动变速器简介 .双离合器自动变速器的产生及发展 年,第一个 双离合器自动变速器概念的提出至今已有年历史。 申请并在卡车上试验过,但是 专利由大学教授 没有批量生产,随后保时捷公司也发明了双离合器自动变速器 ,简称并应用于赛车比赛上拍。到了世纪年代末期, 大众公司与博格华纳公司合作生产了第一个适合大批量生产和应用于主流 车型 的技术双离合器自动变速器。博格华纳公司通过使用新的电子 液压元件使变成了实用性很强的变速器并于年将其应用在德国大众 高尔夫和奥迪 上,然后第二年相继推广到高尔夫等其他车型上。 年,德国大众途安车型首次将与柴油发动机进行匹配。 年月,博格华纳宣布预计每年会面向万个双离合变速器提供其创新的 技术。该技术从世界各地的变速器和车辆制造商那赢得了业务, 包括与大众、奥迪、布加迪、上海汽车工业总公司和日产的项目以及格特拉 克 与家全球汽车制造商的项目。图.为大众公司装备在奥迪上的双离合器 自动变速器。 中国是一个以手动变速器为主的国家,而是在手动变速器的基础上 发展而来的,继承性很好,可以充分利用国内现有的生产设备,投资小,见效 快,因此在国家的“”专项中轿车的研发正式立项。重庆青山工业有 限责任公司、杭州前进齿轮箱集团有限公司及浙江吉利控股集团有限公司携 手 知名高校与企业致力于的开发。上汽集团与一汽集团都投入了大量的人力 与物力开发,并取得了一定的成效。作为的核心技术之一,作 为其潜在供应商的西门子、博世、大陆等公司也纷纷与国内企业合作,成为 一 个跨国性的研发团队。 图.大众双离合变速器 ..双离合器自动变速器的结构特点 主要由压力油过滤器、油冷却器、油泵、湿式离合器、机电控制模 块等组成,并且含有两个独立的分动器,每个分动器配备一个湿式离合器,两 个离合器在液压油中运转并根据相关的档位由机电模块控制,离合器连接 、、档及倒档,离合器连接、、档,图.为博格华纳公司设计的 双离合器结构示意图。 图.博格华纳公司设计的双离合器 通过两个离合器的交替工作可以完成档位的切换,而且切换过程中发动机 的动力可以不问断地传递到车轮上,实现动力换档,极大地提高了乘坐舒适 性 及燃油经济性口。图.为大众公司开发的结构示意图。 图.大众双离合变速器结构示意图 ..双离合器自动变速器的关键技术 第一个是离合器本体的问题,离合器是的核心部件,因为离合器接 合分离动作实现的精确度是控制质量的关键因素。而离合器制造涉及到材 料、 温升影响,磨损补偿,控制的非线性等问题,相当的复杂。离合器摩擦片的材 料、耐磨性、摩擦系数及其摩擦面的油槽设计形式都是需要解决的关键问题。 第二个是离合器控制技术,包括起步过程和换档过程,但起步过程较为复 杂,作为研究重点。起步过程中的离合器控制,其控制目标不但需要提高起步 过程离合器接合平顺性,减少离合器滑摩,延长离合器使用寿命,而且要保证发 动机稳定运转,如果离合器接合过猛,不但破坏起步的平稳性,引起发动机转 速较大的波动,甚至会造成发动机抖动;反之,为了改善起步而过分降低离合 器的接合速度,滑摩功将大大增加,反而降低了其使用寿命。起步的平稳性和 离合器滑摩是两个矛盾的指标,如何使这两个指标都能达到令人满意的效果是 起步过程控制的关键。 第三个是换档控制规律的制定。换档规律是指在不同情况下自动变速器的 换档时刻随着控制参数变化的规律。换挡规律关系到动力传动系统各总成潜力 的挖掘与整体最优性能的发挥,直接影响车辆的动力性、燃油经济性及对环境 的适应能力,所以是双离合器自动变速器的关键技术。 第四点是换档品质。换档时间、冲击度、滑摩功这三者是影响换档品质的 重要因素,因此也是评价换档品质好坏的主要指标。优化离合器的切换规律, 控制离合器的接合、分离速度,发动机和变速器协调控制等是提高换档品 质的重要途径喁。 .本文的主要研究内容 本文从研究换档过程离合器的控制技术入手,主要进行了以下几个方面的 工作: 分析两种结构的双离合器自动变速器,研究其换档动作流程并给出 了功率流向图;研究液压控制系统的组成以及电磁阀的工作原理;确定 电控系统的组成及相关传感器的功用。 确定换档评价指标;建立换档过程的动力学模型;通过分析换 档过程扭矩传递的过程及传动系统各参数在不同状态下的变化,给出在不同 换 档阶段下扭矩的数学计算公式。 分析了模糊控制器的组成以及每个部份的功用;建立了以离合器主 从动盘转速差及其变化率为输入、离合器分离接合速度为输出的模糊控制器 并 在上进行仿真。 的各个模块的硬 设计了电控单元 件电路;给出了底层软件的控制流程图及主程序、换档模块的流程图。 通过电磁阀硬件调试,研究比例电磁阀驱动电流的性能,分析在不 同设定值下的电流控制波形;通过驱动离合器压力阀仿真出离合器接合的简 易 电流控制波形。第二章双离合器自动变速器系统构成 目前根据齿轮轴布置方式的不同可以分为单中间轴式与双中间轴 式,换档时根据偶数档与奇数档的排布来回切换离合器,实现采用双离合器 控 制方式的动力换档。的电控单元通过采集车辆运行时的信号,检测、控制 车辆的运行状态,并时刻与其它电子控制单元交换信息,协调整车的运作。 的液压控制单元通过电磁阀的互相配合动作实现油路的循环、换档、离合器 分 离接合等操作。 . 的工作原理 ..单中间轴式的工作过程 图.为单中间轴式的结构示意图,其主要组成部分有两个离合器 和,其中离合器控制、、、档,离合器控制、、档, 两离合器通过套轴式输入轴与各档位相连,个前进档、倒档所相应的同步器 为、、?、?阻】。 图.单中间轴式工作原理 发动机的扭矩通过与两离合器相连的输入轴分别输入,当离合器接合 离合器分离时,发动机的动力经过传递到同步器、?及相应在档的奇 数档位,最后传递给输出轴;当离合器接合离合器分离时,发动机的动 力经过传递到同步器、?及相应在档的偶数档位,最后也传递给输出轴们。 当车辆处于停止状态时,离合器与是分离的,不传递动力。当车辆 以档起步时,电控单元根据换档策略将离合器接合,同步器工作, 车辆顺利以档开始起步运行,图.为档功率流向图。 图.单中间轴式 档功率流向图 车辆档起步后,离合器并不工作,当车速逐渐增加,电控单元 根据发动机转速、车速等相关信号判断是否挂档,如若确定要升档,电控单 元将提前将档位挂到档,然后当车辆运行状态达到档换档点时根据换档策 略开始分离离合器,同时将离合器接合,离合器交替切换,同步器?工 作,车辆顺利换入档?。图.为档功率流向图。 图.单中间轴式 档功率流向图 车辆换入档后,电控单元采集相关传感器信号判断车辆的下一步动作, 随着车辆的加速或减速切换到档或档,因为此时离合器是分离的,不 传递动力,所以可以先提前将档位挂上,当车辆速度达到新的换档点时才控 制 离合器分离,离合器接合,完成换档动作,其他档位的升降档过程与此 类似。通过两离合器的互相配合不仅减小了换档时间,提高了换档品质,而且 还实现了动力换档?引。 ..双中间轴式的工作过程 双中间轴式为了缩短轴向变速器尺寸采用了两个中间轴,此布置方式 可以将应用在一些变速器轴向尺寸要求较严格或刚度与强度要求较高的 能大致相同, 特殊情况。双中间轴式与单中间轴式的换档过程与功 如下图所示‘们。 。。酽面。昏一。 一一 。 ? 一 ?甬帆一 砷 趟 上 ?一 邕 一 。州 一 暑 ?? ? , 一 ??? . 图.双中间轴式工作原理 图.双中间轴式 档功率流向图 一 ; ? .鲁 榴 哩 。 ‘ 一 量 一 邢 一辅 ‘ 凸 一 ? : ?? 五 ? ? ?? 一 , ? 一 酋 ,箱 糟 图.双中间轴式 档功率流向图 .的液压控制单元 ..液压控制单元的构成 液压控制单元与电控单元在机械结构上刚性连接在一起,集成化程度 高,结构紧凑。液压控制系统由上下阀体两部分组成,阀体之间的油孔通过配油板的油孔连接,无需单独的油管,很大程度上减小了变速器的体积。液 控单元主要由油泵、主压阀、安全阀、多路开关阀、选档阀、冷却阀、离合器 压力阀等元件组成引,图.为各液压元件之间的连接关系示意图。 图.液压控制单元连接示意图 液压控制单元主要由压力控制部分与离合器冷却润滑部分组成,其中 工作压力较大的是换档执行机构部分与离合器部分,工作压力最小的是离合器 冷却润滑部分,每个部分都有相应的压力传感器实时反馈压力值,保证电控单 元能够实施闭环控制。 液压控制单元里的液压油从油池经过机油滤清器流到油泵,油泵具有一个 月牙型的油腔,通过电机驱动泵轴实现油的循环,油泵负责供油给离合器、液 压换档机构、离合器冷却及齿轮的润滑。液压油通过油泵流经主油路压力阀, 此阀控制整个油路的油压及流量。两个安全阀对油压进行二次调节,防止实 际 压力超过额定压力,不仅能够使离合器迅速脱开保护离合器,还可以使油液通 过选档阀控制拨叉的运动切换各档位。多路开关阀的通和断各选通个档位, 个选档阀与多路开关阀互相配合实现对个档位的切换。两个离合器压力阀可 以分别对离合器、进行精确的分离接合压力控制,由于离合器的机械摩擦, 提高了液压油的温度,因此电控单元必须根据温度传感器反馈的油温信号 控制冷却压力阀的工作压力对油温进行散热,否则离合器的性能与寿命将受到 影响。 .。电磁阀工作原理 电磁阀在液压系统中负责油路的通断切换及压力控制。负责油路通断 切换的电磁阀包括多路开关阀及各档位选档电磁阀,均采用开关电磁阀,开关 电磁阀能以很快的速度响应控制信号,便于微控制器的实时控制。虽然开关电 磁阀控制精度不高,但价格相比比例阀较廉价,而且抗污染能力强?引。开关电 磁阀只有开和关两种状态,如图.所示,此时开关电磁阀的口与口并不 相连,油路处于阻断状态,当电磁阀通电时,推杆将右移压缩弹簧,此时 与口相连,油路导通。 棚体.阀芯.弹簧 图.开关电磁阀内部结构示意图 负责压力控制的电磁阀包括两个离合器压力阀,主油路电磁阀及安全阀等 均采用比例电磁阀,分为常开式与常闭式,如图.所示,当线圈不通电时, 只有口与口相连,口与另外两口均不相连,线圈通电后吸引衔铁向右运 动,压缩弹簧,改变了口与口间节流口的大小,从而改变油压。比例电磁 阀虽然具有死区、滞环等非线性因素,且容易受负载温度等参数影响,但其动 作灵敏,动作冲击及噪声都比较小,而且拥有良好的密封性,压力损失小,能 对压力进行精确地控制。 .甥誓 一巷 .舒饺 弹羹 图.比例电磁阀内部结构示意图 比例电磁阀的精确控制在液压控制单元中占着非常重要的地位,双离 合器的压力控制更是特别关键,只有合理的控制才不会使得离合器接合过 猛, 冲击过大,磨损严重或者接合过慢,增长换档时间,甚至出现动力中断。比例 电磁阀的控制原理是根据输入波的占空比大小进行控制,占空比不一样则 通过电磁阀线圈的电流也不一样,从而输出的压力也将不同,不需要另外加 装 散热器件,重复精度高,抗干扰能力强。比例电磁阀根据电控单元发送到驱动 芯片的控制命令将驱动电流转换成相应的压力控制被控对象,其闭环控制框 图 如图. 所示,通过压力传感器反馈的信号可以实现对压力的精确控制。 图.比例电磁阀闭环控制框图 .. 的离合器压力控制 离合器的压力控制一般是通过控制比例电磁阀实现的,通过将比例电磁阀 与驱动电路组合在一起,可以便捷地对输入输出信号进行处理与运算,完成复 杂的控制功能。比例电磁阀可以实现对油压的连续控制,只要通过驱动电路输 入相应的控制电流,那么比例电磁阀就能利用机械装置输出相应的油压,控制 效果比使用液压缓冲阀控制和高速开关阀控制更好,其输入电流与输出油压的 关系图如图.所示。液压缓冲阀是通过阀中的节流孔与弹簧的刚度来决定充 油特性的,虽然控制方法简单,成本低,但是控制过程中油压不能随意调节, 灵活性差,而且不能实现闭环控制,不适合应用在双离合器压力控制中。高速 开关阀通过调节占空比的形式来连续控制油压,但在控制脉冲的频率达到一定 程度时输出油压近似等同于模拟输出量,而且控制效果是通过拟合实现的,控 制精度不高,控制压力不稳定。比例电磁阀可以控制油压进行连续变化,精 度高,而且通过闭环控制可以输出稳定的控制油压,其稳态特性与动态特性都 比高速开关阀要好,目前已经取代大多数其他两种阀应用于液压控制单元 中。 图.比例电磁阀电流与压力关系图 离合器的压力控制是换档过程中的关键步骤,是提高换档品质,完成 各种换档特性有效途径。换档过程中离合器通过摩擦力来传递扭矩,摩擦力 的 大小主要和油压有关,而压力控制实质上就是电流控制,不断发送电流控 制命令控制流经比例电磁阀的电流大小,比例电磁阀则将电流转换成相应的 油 压,控制双离合器的接合与分离,实现双离合的换档配合,换档过程的电 流控制示意图如图.所示。的换档过程是在分离其中一个离合器的同时,另一 个离合器配合时序 接合的过程。如图.所示曲线,离合器的电流曲线一开始是恒定的,油 压也是恒定的,此时离合器是接合的,稳定地传递着扭矩,离合器处于 分离状态,并不工作;然后离合器的电流开始迅速下降,油压也迅速下降, 开始进入滑磨状态,而离合器与相反,电流和油压均迅速上升,准备进 入滑磨状态;离合器比提前结束滑磨,控制电流快速下降到零,离合器 分离结束,离合器经过一段时间滑磨后控制电流上升到稳定数值并在稳 定的油压下传递扭矩,换档过程结束。 《 : 爿 图.双离合器换档过程电流控制示意图 在换档过程中,为了实现动力换档并且保持其平稳性,离合器、 的分离与接合过程是有重叠的,重叠的程度决定着换档品质的好坏。重叠度合 适,那么发动机的转速变化比较平稳,冲击度小,滑磨功小,动力不中断;重 叠度不足,发动机空载超速,传递的功率小,冲击度大,容易发生档位双锁死 现象,车辆加速性变坏;重叠度过量,发动机功耗大并且转速将迅速下降,扭 矩冲击变大,滑磨功大,严重磨损离合器主从动盘。换档过程中的重叠度主要 取决于油压控制的时间及变化规律,因此只有对油压或驱动电流进行精确控制, 才能优化换档品质,达到理想的控制效果。 . 的电子控制单元 的电子控制单元是整个双离合器变速器的核心与灵魂,电控单元 负责实时采集车辆上相关传感器的信号,根据这些信号综合处理及判断此时此 刻驾驶员的意图、车辆的运行状态及路面的状况,然后控制选换档机构,离合 器操纵机构以及发动机等部件做出相应动作,同时还与汽车上的其他电子控制 单元交换信息,保障车辆的动力性、舒适性与经济性。的电子控制单元结 所示。 构框图如图. 徽控制器 磁阀驱动模块一一比例电磁阀驱动模块 一一~一一~一~~一一~一~一一 节气门电机控制电机驱动模块 电源及复位模块 总线 开关量处理模块一一频率量处理模块 传动轴转速 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图. 电子控制单元结构框图 变速器输入转速传感器可以用来采集变速器的输入轴转速,也就是发动机 的输出转速,配合传动轴、转速传感器的话可以用来计算离合器、的 滑差率,根据滑差率微控制器可以精确地控制离合器的开启与闭合。传动轴、 转速传感器除了用来计算两个传动轴的转速,还可以用于档位切换的控制, 通过传动比的大小判断换档是否正确。微控制器通过变速器输出转速传感 器、 的信号可以计算车辆行驶速度及行驶方向,行驶方向通过相对移动的信号进 行识别。两个液压传感器负责反馈离合器、的液压,方便微控制器对离合 器的油压进行实时地调节。由离合器滑磨而引起的油温变化有一个专门的传 感 器负责监测,因为流出离合器的润滑油油温是变速器中所有油温最高的,该 传 感器的工作温度能够介于度至度之间,微控制器通过此温度信号调整 离合器冷却油的油量,并且引入其他措施来保护离合器。变速器油温传感器 与 控制器油温传感器可以互相检测,避免控制器的温度过高。个档位传感器负 责传递换档机构或拨叉的位置信号,微控制器通过此信号判断档位是否挂上, 并控制油压将档位挂上。 各个传感器输入的信号经过相应的开关量、模拟量、频率量处理模块输入 到微控制器,微控制器将这些信号经过不同的算法转换成有用的变量,通过判 断这些变量的数值大小采用不同的控制策略,最后根据不同的控制策略控制相驱动电磁阀、电机,或者通过总线 。的控制单元整个工作过程是实时 ,同时根据这些信号不断地采用对应的 保证车辆能够正常、高效地行驶。 控制策略,改变控制机构的控制方式, .本章小结 本章以档换档为例简要地分析了的工作原理,分析了单中间轴式 与双中间轴式在不同档位时的换档过程与功率流向;分析了液压 控制单元的构成及每个电磁阀的具体作用,并对开关电磁阀与比例电磁阀的内 部结构与工作原理做出进一步介绍;分析了双离合器换档过程中的压力控制, 讨论了驱动电流与油压的关系;分析了电子控制单元的结构框图与工作原 理并给出了每个传感器的具体作用。 第三章双离合器换档过程动力学模型的建立 双离合器自动变速器的换档过程是通过轮流切换两个离合器实现的,两个 离合器动作互相配合的好坏将直接影响车辆的换档品质,因此双离合器控制是 控制技术的重点与难点。两个离合器的交替动作必须快速而准确,如果离 合器接合过晚,不仅延长了换档时间,而且输出扭矩将下降甚至造成动力中断; 如果离合器接合过快,在另一离合器未完全分离时这边的离合器已经完全接合 上的话将造成“双锁止,不仅磨损了离合器的摩擦片而且将引起传动系大的 动载荷,因此详细分析换档过程中离合器的动作顺序、建立动力学模型、研究 其控制方法具有十分重要的意义。 .换档品质与评价指标 双离合器自动变速器能够实现动力换档,且换档品质要远远优于传统的机 械式变速器,但是并不是无级的自动变速器,传动比不能够线性变化,换 档过程中突变的传动比将使得扭矩传递也发生突变,形成冲击;当离合器主从 动盘以不一样的速度接合时,如果转速差较大,而且接合速度快,那么也将造 成很大的冲击;双离合器自动变速器还是一个多惯量系统,换档时间也无法避 免,以上种种因素均会造成换档冲击,影响换档品质。 良好的换档过程表现为车速变化均匀,没有突然的加速度或者减速度,车 上人员没有特别的不适感,车辆传动系没有太大的动载荷。从实用、有效、简 单等方面考虑换档评价指标可以分为:换档时间、冲击度、滑摩功。这三个评 价指标虽然是互相矛盾的,无法三个指标都达到最优,但是能从不同角度反映 车辆换档过程中的不同情况。车辆换档时间长,那么冲击度就比较小,车速变 化平顺,但是滑摩功将相应增大,摩擦片发热量大,容易导致油温过高,离合 器磨损增大;车辆换档时间短,那么滑摩功就比较小,减小离合器磨损,但是 冲击度将增大,离合器接合不平稳,车速突变大,车辆舒适感降低钔。评价换 档品质应综合考虑矛盾的几个方面,一般以冲击度为约束尽量减小滑摩功。 ..换档时间。 换档时间是指换档机构根据电控单元的命令开始动作直到离合器主从动 盘转速同步、完全接合,车辆以新档位运行整个过程所需的时间。如式?所 示,换档时间的长短将影响汽车的动力性,甚至是上坡或者超车过程的安全性, 因此换档时间应该尽量地短。 ? 乇互疋一互: 正一一在档的离合器从完全接合到完全分离油压为零的时间; 乃一一目标档位离合器从开始滑摩到完全接合,主从动盘转速差为零的时间;时间与传统的自动变速器不一样, 在即将换档的时刻控制目标档位的 同步器接合,预先将档位挂上;当目标档位离合器仍在滑摩,先前在档的离合 器已经分离时可以把档位摘掉,对发动机和输出轴的扭矩波动没有影响,因此 不计入换档时间。 ..冲击度 换档过程中产生的冲击主要对人体的头部和颈部产生动力学影响,因此选 择车辆纵向加速度的变化率作为评价换档品质的指标,不仅排除了由道路状况 引起的弹跳与颠簸加速度及驾驶员的非换档操作因素,而且与车上乘员对车辆 的舒适性评价相符合。冲击度的表示方法如式?所示。 ~.一厶, ? ,:塑:箕 ’ ,一一 班 出‘ ,一一冲击度; 一一车辆纵向加速度; ,一一车速; 由于去意鲁,‰小等 ‰一一变速器输出转速; 』鲥一一变速器输出转矩; 』一一车轮上的牵引转矩: 』一一离合器从动盘以及车辆平移质量换算到输出轴的等效转动惯量; ,.一一车轮半径; ‘窖一一档位传动比; ‘一一主减速器传动比。 经过换算后冲击度为: ? ,:垂:上空坠二型?上盟’由式?可以看出冲击度与输出转矩的变化率成正比, 换档过程中的冲击 越大,那么冲击度也随之增大,因此必须合理的控制离合器的接合过程,同时 配合发动机的输出转矩,使得接合过程中转矩的传递能够实现平稳地变化, 从 而减小冲击度。冲击度并没有一个统一的衡量晗们,德国的推荐值为/, 前苏联的推荐值为./。 动盘与从动盘之间摩擦力矩所做的功, 由于主从动盘之间的间隙很小,摩擦产生的热量全被离合器吸收,过高的温 度 将使离合器产生磨损与热失效,因此滑摩功是评价换档过程中离合器使用寿 命 的指标,对于单个离合器,其计算公式如式?所示。 ? 【乃%一 一一从接合开始到结束滑磨的时间; 』一一离合器主从动盘问传递的摩擦力矩; %一一离合器主动盘角速度; %一一离合器从动盘角速度。 由滑摩功公式可知, ,、%、都是随时间变化的非线性函数,它们的 变化取决于很多因素,乙与接合时间、接合速度有关,接合速度受离合器主从 动盘的转速差限制,如果转速差很小,那么就可以快速接合,如果转速差很大, 那么只能缓慢接合,只有掌握好各个变量之间的关系才能合理地减小滑摩功。 . 的动力换档模型 ..双离合器动力学模型 双离合器自动变速器换档的实质是通过两个离合器的有序配合实现扭矩、 能量的传递,完成档位的切换。复杂的模型虽然全面、详细,但是无法进行实 时控制与定性分析,因此建立一个简单、直观的双离合器动力学模型能够对研 究系统控制,提高燃油经济性,改良舒适性提供良好的理论依据。双离合器动 力学模型是一个复杂、连续的多质量、多自由度模型,必须做出如下假设才 能 简化其模型乜?,达到更好的分析效果: 忽略轴的横向移动; 忽略动力传递系统的间隙和阻尼; 忽略齿轮啮合弹性及轴承和轴承座的弹性; 动力传递系统由无弹性的惯性环节与无惯性的弹性环节组成; 根据假设将双离合器动力学模型简化成一个离散的当量系统,离合器主动 轴之前的变量向发动机方向转化,离合器从动轴之后的变量向车辆方向转 化, 由此得到简化的双离合器动力学模型,如图.所示。 一. 图.双离合器动力学模型 %一一离合器输入端角速度; %一一离合器输出端角速度; 』一一离合器主动盘以及发动机、飞轮等折算到输入轴的等效转动惯量; 一一离合器从动盘以及车辆平移质量换算到输出轴的等效转动惯量; 一一低档传动比; ‘一一高档传动比。 以升档为例可以由运动学关系推导出换档过程时双离合器的数学模型: 矿.疋一乏。一:口‘疋疋一乃 ..离合器扭矩传递分析 离合器摩擦力矩疋 假设离合器主动盘与从动盘表面的压力是均匀分布的,那么摩擦面上单位 面积的压力如式所示: 刀彤一 ? 只一一离合器所受到的正压力; 一一离合器摩擦片外半径; 一一离合器摩擦片内半径; 取离合器主从动盘表面一半径为、厚度为的微小圆环幢幻,如图. 所示: 图.摩擦片上的单元摩擦面积那么该圆环的面积计算公式如下: ? 该微小圆环上的摩擦力矩为: ‖一一摩擦片的动摩擦系数; 则离合器整个摩擦片产生的摩擦力矩为: 即 ’知《卅胁糌 一一离合器的摩擦面数 当离合器处于滑磨状态时摩擦力矩改变为:疋詈籍蚴?戚 一一离合器的活塞作用面积; 、 蛳一一离合器主从动盘转速差。 符号函数篙兰。 当离合器处于接合状态时存在传递扭矩正与摩擦扭矩乏两种扭矩,分别由 传动系统的动力学关系与作用在离合器上压紧力确定。此时的摩擦扭矩计算公 式为 净? 乏詈黼锻 当?时离合器处于接合状态,当《?时离合器开始滑磨。 离合器输入端转矩 离合器输入端转矩实际上就是发动机的转矩,发动机源源不断地为车辆提 供动力,其工作原理非常复杂,其转矩输出方式是非线性的,很难用解析的理 论模型来表示,世无法用特定的公式描述。目前国内外主要通过两种方法描述 发动机力学模型,一种是利用发动机台架实验取得其部分负荷特性曲线与稳态 外部特性曲线,然后将这些数据输入数据库,当需要时利用查表法获得,称为 实验数据描述法;一种是利用空燃比的参数以发动机扭矩作为油门开度及转速 的函数来描述发动机的特性,称为数学模型描述法。一般为了简化模型,均使 用实验数据描述法来获得发动机的转矩特性图如图.和如式?所示: ? 疋,行。 一一发动机输出转矩; 口一一油门开度; %一一发动机转速; ,一一发动机转速、油门开度与转矩的函数关系。 一图.发动机转矩特性图 发动机工作中的状态一般均是非稳定状态,非稳定状态与稳定状态发动机 的工况是不一样的。汽车在加速或减速时混合气的浓度会随之发生变化从而改 变输出扭矩,该发动机输出扭矩的大小与曲轴角加速度的大小有关心引,则发动 机的动态输出扭矩计算方法如式?所示: ? 互展譬疋 一一发动机动态输出扭矩; 尾一一扭矩下降系数。 离合器输出端阻力矩乃 根据汽车理论,汽车在道路上行驶时必须克服各种各样的阻力,其中包括 空气阻力和滚动阻力,如果车辆在上坡则要克服坡度阻力,如果车辆在加速就 要克服加速阻力。空气阻力是汽车直线行驶所受到空气作用力在行驶方向的分 力;滚动阻力是指车轮滚动时受到路面的挤压,车轮内部摩擦而产生的一种 弹 性迟滞损失,是阻碍车轮的阻力偶;坡度阻力是指汽车重力在汽车上坡时沿 坡 道方向的分力;加速阻力是指汽车克服自身重量加速行驶的惯性力心钔。那 么车 辆在行驶过程中受到的总阻力矩如式. 所示: ? 巧瓦弓互乃 ,一一空气阻力矩; 』,一一滚动阻力矩; 』一一坡度阻力矩; 』,一一加速阻力矩;其中: ? 瓦去。 二 弓 ? 互 ?? 一一空气阻力系数; 么一一汽车迎风面积; 一一空气密度; ,一一汽车和空气的相对速度; 一一汽车轮胎半径; 一一汽车质量; 一一重力加速度; 口一一坡道角; .,一一地面与车轮的滚动摩擦系数; 一一汽车行驶速度; 一一汽车旋转质量换算系数。 由式 至?可知,汽车行驶的总阻力为: 巧陋卅驴口埘警卜 此力矩为作用在车辆轮轴上的力矩,转换到离合器输出轴上的等效力矩如式 所示: 埘, :王:圭兰竺二竺竺竺竺二竺兰:竺釜立..动力换档过程分析 动力换档一般可以分为低档稳定阶段、低档转矩相、低档惯性相、高档转 矩相、高档稳定阶段五个阶段昭引。转矩相各元件之间没有急剧的转速变化, 只 有扭矩的传递和变化,而惯性相各元件之间不仅有扭矩的改交,而且惯性影 响 很大,转速发生了剧烈的改变,会产生换档冲击。在升档过程中,由于车辆的 惯性导致发动机转速下降,车速基本保持不变,车辆将受到一个正方向的冲 击, 反之降档车辆将受到一个负方向的冲击。 以档升档为例,低档稳定阶段是从档换档开始的,在换档前的瞬间 离合器各参数处于稳定状态。离合器处于分离状态而处于接合状态,此 时离合器、的角速度。。、。:不随时间变化而改变,因此有: ? 吃国。‘% ? 瓦乃 在低档转矩相阶段中,变速器电控单元控制离合器开始充油并开始滑 磨,而离合器的油压开始降低,此时仍能保持离合器主从动盘的连接状 态,转速和传动比无剧烈变化,离合器传递的扭矩已不可忽略,输出扭矩重 新分配,但以离合器传递的扭矩为主。此时离合器传递的扭矩为: ,一一离合器的摩擦片内半径; ?吨一一离合器的主从动盘角速度差; 一一离合器的摩擦面数; 一一离合器的活塞作用面积; ‘一一离合器所受到的正压力。 离合器的传递扭矩为: ? 瓦。一乃: 车辆输出扭矩为: ? 瓦疋一?边 由式?可知,‖是离合器的动摩擦系数,与主从动盘所用的材料及 其接触表面的干湿程度、表面温度、接合相对速度有关,只:与离合器的油 压有关,是扭矩变化的主要参数之一。 在低档惯性相阶段中,随着离合器的油压逐渐下降,离合器开始滑 磨,离合器的油压逐渐上升,但仍处于滑磨状态,发动机输出的扭矩与两个 离合器传递的扭矩不一样,惯性转矩作用加强,此时离合器的转矩表达式与 低档转矩相阶段的表达式一样,离合器的转矩表达式如下: 耻氧糕卜?砒。晶 尺。,一一离合器的摩擦片外半径; “一一离合器的摩擦片内半径; ?一一离合器的主从动盘角速度差; 一一离合器的摩擦面数; 一一离合器的活塞作用面积: ‘一一离合器所受到的正压力。 由式?可得: 耻警也轳疋一警喝 又因为: 乃疋 ? 由以上三式联立可得: 关,其它‘、:、 ,。均为常数。假设换档过程中车速不变,则: ? 吐等 吼,一一发动机换档前转速; %:一一发动机换档后转速。 在升档的过程中,堕?是小于的,并且惯性相时间很短,出很小,因此堕? 口 很大,如果能够对发动机的扭矩进行控制,减小输出扭矩,则可以有效地降低 惯性相的输出扭矩,同时配合只。、 :对离合器的油压进行控制,使发动机输 出扭矩与离合器传递的扭矩相适应,降低换档时的剧烈波动,实现整个换档 过 程平稳无冲击。 在高档转矩相阶段,离合器随着油压不断升高而逐渐接合,而离合器 随着油压不断降低而逐渐分离知道扭矩传递为,此时输出扭矩如式? 所示: ? 乞?边 在高档稳定阶段,只有离合器在传递扭矩,离合器已经完全脱离, 处于分离状态,此时车辆输出扭矩为: 之乃互 降档的过程与升档过程类似离合器、所受到的正压力只。、只:是有范 围限制的,最小不能小于离合器开始接合到即将开始滑磨时刻的压力,最大 不 能大于离合器开始分离到即将开始滑磨时刻的压力,超过此范围那么计算公式 将无效,因此液压系统的控制范围必须大于离合器所受到的正压力变化范围才 能满足控制要求。 .本章小结 本章分析了影响车辆换档品质的因素,给出了冲击度、滑磨功、换档 时间三个评价指标;建立了双离合器换档的动力学模型并详细地分析了其换档 过程;分析了离合器扭矩传递过程,给出了传递扭矩的数学表达式。的离合器模糊控制 车辆的换档过程是非常复杂的,要在很短的时间内完成对驾驶员动作 及车辆行驶状态的判断,实时控制发动机及离合器来匹配驾驶员的操作意图, 这对双离合器控制的快速性与精确性提出了严格的要求。由于双离合器控制系 统存在着非线性、大滞后等因素,还要受到驾驶员意图及路况的影响,因此传 统的对被控对象建立精确的数学模