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双离合器自动变速汽车换挡过程离合器模糊控制策略.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.37M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 双离合器自动变速汽车换挡过程离合器模 糊控制策略# 刘景南，胡建军，刘永刚，秦大同* （重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400030） 摘要：通过对装有双离合器自动变速系统汽车换挡过程的分析，建立了双离合器自动变速器 的换挡过程的动力学方程。在分析双离合器自动变速汽车换挡品质影响因素的基础上，设计 出两离合器分离、接合速度模糊控制器，并利用挡位传动比的变化对两离合器分离、接合速 度模糊系统输出量进行量化修正。仿真结果表明，基于本文所设计的双离合器自动变速汽车 换挡过程两离合器分离、接合速度模糊控制器较好的满足汽车换挡平顺性和快速性的要求。 关键词：双离合器自动变速器；换挡过程；离合器；模糊控制 中图分类号：U463.2 Clutch Control Using Fuzzy Control Strategy for Dual-Clutch Transmission Vehicle during Shifting Process Liu Jingnan, Hu Jianjun, Liu Yonggang, Qin Datong (State Key Lab of Mechanical Transmission, Chongqing University, ChongQing 400030) Abstract: The shifting process of vehicle equipped with dual-clutch transmission has been analyzed and the dynamic equations of dual-clutch transmission have been established. Based on analyzing influence factor of shifting quality for dual-clutch transmission, two clutches separation and engaging fuzzy controller had been designed, and output of clutches separation and engaging speed of the fuzzy controller were quantized under utilized change with shift transmission ratio. The simulation results showed in this paper that the two clutches separation and engaging fuzzy controller with dual-clutch transmission vehicle can respond to the request that the vehicle shifts smoothly and fast well. Keywords:Dual-Clutch Transmission; Shifting Process; Clutch; Fuzzy Control 0 引言 双离合器自动变速器（Dual Clutch Transmiss- ion，简称 DCT）是一种新型的自动变速 器，它通过两个离合器交替切换的方式完成换挡过程，实现了动力换挡克服了电控机械式自 动变速器（Automatic Manual Transmission，简称 AMT）换挡过程中动力中断的缺点[1] [2] [3]。 然而在双离合器自动变速器换挡过程中存在着两个离合器的滑磨重叠，其换挡过程控制较 AMT 复杂，需对两个离合器的切换时序及动作交替时间进行控制，如果离合器接合动作太 晚，输出转矩将下降，引起牵引力中断；反之离合器接合过早，分离离合器则仍处于传力状 态，将出现“双锁止”的现象，引起传动系大的动载，同时，将导致摩擦元件因过量重叠而 严重磨损[4]。因此，对两个离合器的控制成为双离合器自动变速汽车换挡过程的重点和难点。 1 双离合器自动变速系统换挡过程分析 图 1 为双离合器自动变速器Ⅰ、Ⅱ挡工作时的功率流向图，以此为例进行双离合器自动 变速器的换挡过程分析。 基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）资助项目(2006AA110111) 作者简介：刘景南（1985-），男，重庆大学硕士，主要研究方向：车辆动力传动及其综合控制研究. E-mail: jsln123456@163.com - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 输入轴 2 轴 C1 C2 Z4 Z5 Z2 A1 Z1 Z3 A2 ZR 1 轴 C1 C2 输入轴 2 轴 Z4 Z2 Z5 Z3 A1 Z1 A2 ZR 1 轴 A3 3 轴 A3 输出轴 输出轴 Z4` Z2` Z1` Z3` Z5` ZR` Z4` Z2` Z1` Z3` Z5` ZR` (a)Ⅰ挡功率流向图 (b)Ⅱ挡功率流向图 3 轴 图 1 Ⅰ、Ⅱ挡功率流向图 汽车起步时，初选Ⅰ挡，控制换挡机构将Ⅰ挡齿轮与同步器 A1 啮合，离合器 C1 在控 制机构作用下接合，车辆开始起步运行，功率流向为输入轴→ 离合器 C1→ 1 轴 → 同步器 A1 → Ⅰ挡空套主动齿轮 Z1 → 被动齿轮 Z1` → 3 轴 → 输出轴（如图 1(a)所示）。离合器 C2 此时处于分离状态，不传递动力。当车辆加速达到接近Ⅱ挡的换挡点时，自动换挡机构将同 步器 A3 和Ⅱ挡齿轮啮合，Ⅱ挡提前进入预选状态。离合器 C1 开始分离，同时离合器 C2 开始接合，两个离合器在切换过程中出现工作重叠，直到离合器 C1 完全分离，离合器 C2 完全接合，整个换挡过程结束。此时功率流向为输入轴 → 离合器 C2→ Ⅱ挡齿轮 Z2→ 空套 被动齿轮 Z2` → 同步器 A3 → 3 轴→ 输出轴（如图 1(b)所示）。当车辆在Ⅱ挡运行后，Ⅰ 挡和Ⅲ挡均联结在处于分离状态的离合器 C1 上，故换挡控制系统可以方便地控制选挡机构 预先将Ⅰ挡或Ⅲ挡换入啮合状态，当车辆运行达到换挡点时，只需将离合器 C2 分离，同时 将离合器 C1 接合，配合好两个离合器的切换时序即可方便地实现整个换挡过程。车辆继续 行驶时，其他挡位的切换过程与上述分析类似。由于在两个离合器的切换过程中使发动机动 力传递从分离离合器转换到接合离合器，而不需要完全切断动力传递，因此 DCT 实现的是 动力换挡[5] [6] [7]。 2 换挡品质的评价指标 换挡品质是指汽车在保证动力性与动力传动系统寿命的前提下，能够迅速而平稳换挡的 程度，集中体现为舒适性。衡量换挡品质的好坏通常从以下三个方面来评价[8]。 2.1 换挡时间 双离合器的换挡过程采用的预先挂档的原则，传统 AMT 必须先摘挡、换入新挡，最后 再接合离合器，因此，DCT 换挡时间与传统的 AMT 换挡时间不尽相同。DCT 的换挡时间 指从分离离合器开始分离到接合离合器完全接合过程所需的总时间。因此，DCT 换挡时间 主要通过对两离合器的分离、接合速度的控制来调整换挡时间。 2.2 冲击度 冲击度 j 是车辆纵向加速度对时间的导数，其数学表达式为： j = da dt = r Ii w0 dT out dt (1) 式中， oT 为变速器输出转矩， wI 为汽车平移质量换算到输出轴上的惯量， r 为驱动轮 滚动半径， 0i 为主减速器传动比。 式（2）表明，冲击度 j 与输出转矩变化率成正比，输出转矩变动越快，传动系统冲击 - 2 -
    中国科技论文在线 越大，同时也说明 j 较好地反映了换挡过程的动力学本质。 http://www.paper.edu.cn 2.3 离合器滑磨功 离合器滑磨功 cL 用来衡量离合器接合过程中主、从动盘摩擦做功的大小，其定义如下： L c = t c 2 ∫ t c 1 tT ( c )( ωω c t )( − e ( t )) dt (2) 式中， )(tTc 为离合器接合时摩擦力矩， )(tcω 为离合器从动盘角速度， )(teω 为发动机角 速度， 1ct 为离合器主、从动盘滑磨开始时刻， 2ct 为离合器主、从动盘滑磨结束时刻。 采用滑磨功 cL 能比较准确的评价离合器的寿命，滑磨功 cL 越小，温升越低，寿命越长。 从式（2）可知，滑磨功的大小与滑磨时间成正比，一味的追求较低的 cL 势必会需要减少换 挡时间，然后换挡时间的缩短会引起冲击度的升高，二者是相互矛盾的，需要在控制中协调 解决。 3 换挡品质影响因素分析 3.1 发动机转矩和转速控制的影响 离合器输入、输出端的转速和转矩之间的关系直接影响换挡品质的好坏。通过调节发动 机的输出转速和转矩使离合器两端的转速和转矩尽量接近，可以提高换挡品质。发动机转矩 和转速控制主要是通过控制节气门开度、发动机供油和点火提前角来实现。为了防止发动机 转矩小于离合器从动轴转矩，使发动机转速急剧下降而引发爆震，造成车身振动甚至发动机 熄火，需要先计算发动机目标转速，判断在某一固定油门开度下发动机实际转速是否小于目 标转速，如果发动机实际转速小于目标转速，则离合器分离，反之离合器接合。 3.2 换挡规律的影响 换挡规律是换挡控制系统的核心，它取决于选择的换挡控制参数和何时进行换挡等关键 问题，换挡规律的好坏直接影响汽车的经济性和动力性，研究换挡规律是掌握汽车换挡理论 的基础。换挡规律没做好，发动机工况和变速器工况就不能得到最佳匹配，可能造成发动机 熄火而严重影响换挡品质。 3.3 离合器接合规律的影响 离合器的自动控制是自动变速器正常工作的关键环节，它直接影响换挡品质和离合器的 使用寿命。离合器的自动操纵主要就是对离合器分离、接合的控制，即通过控制离合器操纵 机构实现离合器的最佳分离、接合[9]。 离合器接合控制主要指接合速度的控制，直接影响换挡品质。如果接合过快将造成换挡 冲击，甚至熄火；若过慢将使离合器滑磨时间过长从而有损其寿命。控制的参数主要是离合 器主、从动盘转速差及其变化率、离合器所传递的转矩等。实验表明在转矩大致相同及转速 差小于一定值时，快速接合离合器既能保证换挡时间短又不会产生较大的换挡冲击，离合器 的磨损也不会太严重。 3.4 传动比与车速的影响 自动变速器的换挡品质受传动比和车速的影响较大[10]。由于变速器输出轴上的转矩与 传动比成正比，所以传动比越大则后备牵引力越大，从而使车身产生的纵向加速度也越大， - 3 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 传动系统可能产生的动载荷也越大，此时如果要提高换挡品质就应当放慢接合速度。此外， 车速也间接反映了外界的负载状态，例如汽车在同一油门开度下行驶时，车速越高则说明外 部阻力越小，此时离合器接合可以加快。 4 换挡过程动力学模型 双离合器自动变速系统的换挡过程是两离合器之间的动力切换，两离合器切换之前目标 挡位已经进入预选状态，所以双离合器自动变速器系统的换挡过程包括预选下一挡位和两离 合器之间动力的切换这两部分[11] [12] [13] [14]。图 2 为双离合器自动变速器换挡过程动力学模 型。 1ω 2ω 3ω 4ω wω 5ω 图2 双离合器自动变速器动力学模型 图中，Te 为发动机输出转矩；TC1、TC2 分别为离合器 C1、C2 传递转矩；To 为半轴传递 的转矩；Ie、I1 分别为发动机曲轴（包括飞轮）、离合器主动盘的当量转动惯量；I2、I3 分别 为离合器 C1、C2 从动盘减振器主动部分当量转动惯量、相关联齿轮及轴的转动惯量；I4 为 输出轴当量转动惯量；I5 为主减速器从动部分、差动器、半轴以及车轮当量转动惯量；I 为 整车等效到输出轴的当量转动惯量；ωe、ω1、ω2、ω3、ω4、ω5 分别为 I1、I2、I3、I4、I5 的 角速度；ωw 为车轮的角速度；ki 、ko 分别为发动机至变速器传动轴、半轴与轮胎的当量扭 转刚度；ci、co 分别为 ki、ko 的旋转粘性阻尼系数。 4.1 一挡升二挡动力学模型 升挡过程两离合器切换控制以转矩相开始，转矩相初始阶段，离合器 C1 压紧力降低到 开始滑摩的压紧力附近，该值越接近，传动系转矩蠕动震荡越小。转矩相第二阶段，离合器 C2 压力不断增加，两离合器都处于滑摩状态，离合器滑摩控制系统控制离合器 C1 的滑转 率在 5％附近，且不能出现负转矩。 根据 DCT 系统动力学模型，建立换挡过程转矩相动力学方程： - 4 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 1 ⋅ ω e e ⋅ ω 1 1 2 2 ⋅ 2 ⋅ 3 2 ⋅ i i ( ) I I I I I + − − = + = + 2 2 T 2 i 1 T C T C T C i +⋅ 1 ω 2 i 1 T ⎧ e ⎪ ⎪ T C 1 ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ T + C 1 ⎪ I ω ⋅ ⎪ w ⎪ ⎩ 式中，θe、θ1、θ5、θw 分别为 ωe、ω1、ω5、ωw 的角位移；i1、i2 分别为变速器一挡、二 I 5 2 i ⋅ 0 ) ( θθ 1 c + − (3) Load i 0 k = e ( θθ w 0 c − + ( ωω w ( ωω 1 ) − T C 2 T + Load ωω w ω ⋅ 1 k = i 1 − ) I i + + + + I ) o o 2 i 5 1 i 4 e 5 挡速比；TLoad 为车辆行驶阻力矩。 当离合器 C1 的转矩下降为零时，转矩相结束进入惯性相阶段。在惯性相阶段，通过对 接合离合器 C2 转矩与发动机转矩的联合控制，使得发动机转速迅速下降实现离合器 C2 两 端同步。 e e 4 3 2 2 2 ) ( I I I I = − i 2 2 T C i ⋅ = 2 ω 3 i 2 i 2 ⋅ + ⋅ + 1 ω ω ⋅ 1 惯性相动力学方程为： T I + ⋅ ⎧ e 1 ⎪ ⎪ T C ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ T C 2 ⎪ I ω ⋅ ⎪ w ⎪⎩ 当离合器 C2 两端转速相等时，离合器 C2 压紧力升高到完全接合时的压紧力，至此换 I ) ω θ θ ω ω + ⋅ 1 1 1 T + − Load I 5 i i 2 ⋅ 0 2 ) − + e ) ( θ θ w (4) T Load i 0 k ( = i k = − e ( ω ω w ω ω w ( c o c i + 1 − I i 0 + + + ) o 3 5 5 挡过程结束。 4.2 四挡降三挡动力学模型 为了避免两个离合器形成功率循环，在降挡过程中，在接合离合器传递转矩的之前，分 离离合器的转矩必须迅速降低直到离合器开始打滑。降挡过程两离合器切换控制以惯性相开 始，转矩相结束，与升挡过程相反。在惯性相阶段，控制压力离合器 C2 不断降低，以离合 器 C2 两端转速相等作为惯性相结束的判断条件，进入转矩相以后，离合器 C1 和 C2 进行转 矩的切换。当离合器 C1 完全接合后，降挡过程结束。降挡过程的动力学方程的建立与升挡 类似。 5 换挡过程离合器模糊控制器的设计 根据换挡品质的分析，影响双离合器自动变速系统换挡品质主要为两离合器分离、接合 的控制和传动比。本文采用模糊系统对两离合器的分离、接合进行控制，变速器挡位的传动 比对模糊系统输出进行量化修正。模糊系统的输入为离合器主、从动盘转速差及其变化率， 输出为离合器分离、接合速度。 5.1 模糊系统的建立 将离合器主、从动盘转速差 ωΔ 的模糊语言变量划分为：{很小（VS）、小（S）、较小 （LS）、中（M）、较大（LB）、大（B）、很大（VB）},假设离合器主、从动盘转速差 ωΔ - 5 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 的基本论域为：{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14}。其赋值表如表 1 所示。同理，离合器主、从动盘转速差变化率 ωΔ ，以及离合器分离、接合速度赋值表分别 见表 2、表 3。 表 1 离合器主、从动盘转速差的赋值表 VS S LS M LB B VB 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0.6 0.4 0 0 0 0 0 2 0.1 0.9 0 0 0 0 0 3 0 0.8 0.2 0 0 0 0 4 0 0.2 0.8 0 0 0 0 5 0 0 0.9 0.1 0 0 0 6 0 0 0.4 0.6 0 0 0 7 0 0 0 1 0 0 0 8 0 0 0 0.6 0.4 0 0 9 0 0 0 0.1 0.9 0 0 10 0 0 0 0 0.8 0.2 0 表 2 离合器主、从动盘转速差变化率的赋值表 NB NS Z PS PB -5 1 0 0 0 0 -4 0.6 0.4 0 0 0 -3 0.2 0.9 0 0 0 -2 0 0.9 0.2 0 0 -1 0 0.4 0.6 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0.6 0.4 0 2 0 0 0.2 0.9 0 表 3 离合器分离、接合速度的赋值表 11 0 0 0 0 0.2 0.8 0 3 0 0 0 0.9 0.2 12 0 0 0 0 0 0.9 0.1 13 0 0 0 0 0 0.4 0.6 14 0 0 0 0 0 0 1 4 0 0 0 0.4 0.6 5 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0.8 0.5 0 0 0 0 0 VS S LS M LB B VB 根据驾驶员经验和专家知识，可以得到双离合器自动变速系统换挡过程离合器控制的总 3 0 0.8 0.2 0 0 0 0 4 0 0.3 0.7 0 0 0 0 5 0 0 0.9 0.1 0 0 0 2 0.1 1 0 0 0 0 0 12 0 0 0 0 0 1 0.1 13 0 0 0 0 0 0.4 0.7 14 0 0 0 0 0 0 1 10 0 0 0 0 0.8 0.2 0 11 0 0 0 0 0.2 0.8 0 6 0 0 0.3 0.6 0 0 0 7 0 0 0 1 0 0 0 8 0 0 0 0.6 0.4 0 0 9 0 0 0 0.1 1 0 0 体原则如下： （1）对于离合器分离速度的控制：为了不给车辆带来较大的动力中断，在换挡初始阶 段，即离合器主、从动盘转速差及其变化率较小时，离合器分离速度较慢；在换挡快要结束 阶段，即离合器主、从动盘转速差及其变化率很大时，快速分离离合器，这样可以减少离合 器的滑磨功，延长离合器使用寿命。 （2）对于离合器接合速度的控制：在换挡初始阶段，即离合器主、从动盘及其变化率 较大时，离合器接合速度控制在一较小的范围内，以减小车辆的冲击度；当离合器主、从动 盘转速差及其变化率达到某一较小范围时，加快离合器接合速度。 具体的模糊控制规则如表 4、5 所示。 表 4 离合器分离速度模糊推理规则表 v VS S LS M LB B VB ωΔ NB S VS S LS M LB B NS S S S LS M LB B - 6 - ωΔ Z S S LS M LB B B PS VS LS LS M LB B VB PB VS LS M LB B VB VB
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 表 5 离合器接合速度模糊推理规则表 v VS S LS M LB B VB ωΔ NB B LB M LS S VS VS 5.2 模糊系统输出的量化修正 ωΔ Z B B LB M LS S S NS B LB M LS S S VS PS VB B LB M LS LS S PB VB VB B LB M LS S 双离合器自动变速汽车换挡时，由于变速器传动比的变化导致变速器输出转速、转矩也 发生变化，使变速系统在换挡过程中造成很大的冲击度和滑磨功，因此，变速器的传动比对 换挡过程中离合器分离、接合速度有很大的影响。本文利用挡位传动比的变化对两离合器分 离、接合速度的模糊系统输出量进行量化修正。模糊控制器通过车速和油门开度对 TCU 系 统作出换挡动作，换挡挡位传动比变化判断器根据上下挡位传动比的大小，对根据两离合器 主、从动盘转速差及其变化率判断出的离合器分离、接合速度进行量化修正，以便减小双离 合器自动变速器在换挡过程中的冲击度、滑磨功以及缩短换挡时间。 6 换挡过程离合器控制仿真分析 本文在发动机定油门定转速的情况下对双离合器自动变速系统换挡过程中两离合器分 离、接合进行控制，利用挡位切换控制的输出值直接输入到换挡挡位传动比变化判断器中， 使双离合器自动变速系统在换挡过程中能够很好的对来自离合器分离、接合模糊控制器输出 的离合器分离、接合速度进行修正。双离合器自动变速汽车离合器换挡控制仿真模型如图 3 所示。 图 3 换挡过程离合器控制模型 6.1 一挡升二挡仿真结果分析 以长安 CV11 轿车技术参数（如表 6 所示）为例，对本文所设计的双离合器自动变速系 统换挡过程离合器控制进行了仿真分析。 - 7 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 表 6 长安 CV11 轿车主要技术参数 发 动 机 变 速 器 项 目 排量/(L) 最大扭矩/(Nm) 最高转速/(rpm) 档位 1 挡 2 挡 3 挡 4 挡 5 挡 6 挡 倒挡 迎风面积/(m2) 空气阻力系数 滚动阻力系数 其 它 估 算 轮胎滚动半径/(mm) 型式及参数 2.00 186.2 6500 传动比 14.95 9.04 5.97 4.166 3.4 3.08 12.97 2.445 0.33 308 F=0.0000463*v+0.0083 由于变速器一挡传动比比变速器二挡传动比大很多，在车辆换挡过程中变速器输出轴所 传递的转矩会随着离合器 C2 的逐渐接合而变小，其输出轴转矩变化情况如图 4（a）所示。 由于车辆在换挡过程中，转矩会发生很大变化，这给车辆带来了较大冲击，如图 4（b）所 示。从图中可以看出，由于采用了本文所设计的带修正的模糊控制系统，可以使车辆在大传 动比变化范围内保持较小的车辆冲击度，其最大值为 8.31 / sm ，符合德国标准。 3 （a）输出转矩 （b）冲击度 图 4 一挡升二挡过程中输出轴转矩和冲击度曲线 换挡过程中，离合器所受到的滑磨功如图 5（a）所示，在换挡初期，离合器 C1 经过转 矩相，离合器 C1 的主、从动盘转速仍一致，没有出现转速差。当转矩相结束后离合器 C1 主、从动盘开始出现转速差，离合器 C1 由于滑磨产生了滑磨功。由于离合器 C1 分离速度 较离合器 C2 接合速度快，离合器 C1 的滑磨时间较离合器 C2 的滑磨时间短，所以，离合器 C1 的滑磨功比离合器 C2 所受到的滑磨功小。 - 8 - （a）滑磨功 （b）离合器分离、接合速度 图 5 一挡升二挡过程中两离合器滑磨功和分离、接合速度曲线 升挡过程两离合器的分离、接合速度如图 5（b）所示，离合器 C1 在换挡初期的分离速
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