采用啮合点估计法的干式双离合器变速器夹紧力控制的文献翻译

采用啮合点估计法的干式双离合器变速器夹紧力控制安成贤洪成华成均馆大学摘要：在这篇文章中，提出了一种适用于双速干式双离合器变速器的啮合点估计。此法是利用马达致动器扭矩和旋转位移的梯度变化来进行啮合点估计的。干式双离合器变速器的夹紧力控制藉由这种啮合点估计法被提出了，其性能是受双速干式双离合器变速器的电动汽车模拟器影响的。从模拟结果可知，汽车换档质量可以通过使用啮合点估计法的夹紧力控制方式来保证。引用：安成贤.洪成华,“采用啮合点估计法的干式双离合器变速器夹紧力控制，”SAEInt.J.Passeng.Cars-Mech.Syst.6(3):2013,doi:10.427l/2013-01-2585.介绍：在电动汽车（EV）中，通常用一个单齿比减速齿轮来替代变速器，因为这样的话电动机可以在低速状态下产生更高的转矩，并且它的速度范围比普通发动机更广泛[1,7]。然而，最近，为提高燃油经济性（亦即提升单位电能可行驶距离并减小电动马达的尺寸），电动汽车专用变速器已成为热点议题。使用变速器，电动汽车能够运行的更加有效率，并且它的尺寸也可以缩小。然而由于成本，重量，和寄生功率损耗等因素，使用常规变速器诸如多速自动变速器，无级变速器和多速双离合器变速器是难以轻松地达到上述目的[1,6,7]。为了克服这些缺点，一种适用于电动汽车的双速干式双离合器变速器已经处于研发中[1,7]。由于离合器的磨损通常发生在干式离合器的啮合点（在此处，动力通过离合片的变化被传送至输出轴），因此，在考虑到这种变化的情况下，离合器的夹紧力需要被控制。在双离合器变速器中，夹紧力控制是包括换挡时间和换挡质量在内的换挡性能的重要影响因素。因为离合器的夹紧力取决于致动器的行程，所以必须要知道致动器行程与夹紧力之间的关系[1,4]。由于干式离合器特性的变化取决于离合器的磨损，为了给机构的行程变化维持合适的夹紧力，啮合点需要被估计出来[4]。本文展示了适用于双速干式双离合器变速器的啮合点估计法和夹紧力控制法。为了估计啮合点，我们从SCU（行程控制单元）中读取了电流和电压数据，并测量了旋转位移量。利用这些信息，啮合点就能被估计出来了，并且可以被用于修改致动器行程区间。基于这样的啮合点估计法，我们提出了一种夹紧力控制方法。电机传动器系统建模：图1展示了一种正在研究中的电动汽车双速干式双离合器变速器的1号离合器内部的马达致动器系统结构。SCU（行程控制单元）利用一个飞轮来命令马达致动器去接合或脱离离合片。随着马达致动器的旋转，螺杆线性移动来使得分离轴承推动膜片弹簧。提拉盖拉动离合片，然后使其朝着飞轮靠近。一旦离合片与飞轮相接合，电动汽车驱动马达的动力就通过1号离合器从飞轮传输到了变速器。图11号离合器内部的马达致动器系统结构A．电机驱动器无刷DC电动机（BLDC电动机）用作致动器。电机致动器模拟如下所示：𝑑𝑖𝑑𝑡=𝑉𝐿−𝑅𝑖𝐿−𝐾𝐸𝑀𝐹𝜔𝑚/𝐿(1)𝑇𝑚=𝐾𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑖(2)𝐽𝑚𝜔𝑚+𝑇𝑓𝑟𝑖𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛+𝑇𝑙𝑜𝑎𝑑=𝐾𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑖(3)其中V是电枢电压，R是电枢电阻，i是电枢电流，𝐾𝐸𝑀𝐹是反电动势常数，ω𝑚是电动机速度，而L是电枢电感。𝑇𝑚是电机转矩，𝐾𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟是电动机转矩常数。𝑇𝑓𝑟𝑖𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛是摩擦转矩，𝑇𝑙𝑜𝑎𝑑是负荷转矩，而𝐽𝑚是电机的角惯量。B.螺丝，拨叉和分离轴承当马达致动器旋转时，螺杆通过导程角沿直线运动。螺杆的端点就可以推或拉拨叉，拨叉作为一个杠杆。C．膜片弹簧分离轴承推动膜片弹簧，当膜片弹簧被分离轴承推动时，它也推动了提拉盖。图2示出了膜片弹簧的特性曲线（膜片弹簧被安装时处于初始压缩状态。）图2膜片弹簧特性曲线D．缓冲弹簧缓冲弹簧被安装在离合片之间。随着离合片的移动，缓冲弹簧在两者间间隙消除后开始压缩。图3显示的是缓冲弹簧的特性曲线。在锁定点，缓冲弹簧力达到最大值。图3缓冲弹簧特性曲线E．电机驱动器系统模拟器电机驱动系统的仿真如图4所示，运用动态方程和马达致动器的特性映射，能够求得在飞轮处产生的负荷转矩，并反馈于致动器电机。当负荷转矩增大时，电机致动器转矩也需要相应增大来提供合适的输入扭矩。图4电机驱动系统仿真双速干式双离合器变速器电动汽车：双速干式双离合器变速器电动汽车的性能模拟器如图5所示，模拟器包含一个驾驶者模型，一个驱动马达，一个带有马达致动器的双离合器变速器，一个差动齿轮，轮胎以及一个车辆模型[1,3]。电动汽车的各项数据见于表1，运用模拟器，就能够评价出电动汽车的换挡性能。图5电动汽车换挡性能模拟器表1电动汽车指标啮合点估计：在我们所研究的双速干式双离合器变速器中，1档升2档的操作是通过接合2号离合器，脱离1号离合器来执行的。由于换挡质量取决于两个离合器之间的转矩交换，在换挡期间，夹紧力需要被小心翼翼地控制[1,4,7]。而夹紧力与致动器行程区间直接相关。然而，如果离合器的磨损，则会导致飞轮与离合片之间的间隙（图1中的𝑥𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟𝑎𝑛𝑐𝑒）产生变化，致动器的行程区间也因此产生变化，最终致使夹紧力跟随行程变化而变化。因此，有必要准确地测量间隙或者夹紧力，以确保能维持合适的夹紧力。在真实车辆中，测量夹紧力是非常困难的操作，因为这需要额外的成本和空间来安装负载传感器[2]。在我们的研究中，夹紧力被假设为缓冲弹簧的反作用力，缓冲弹簧力藉由缓冲弹簧的变形量x，再根据图3可确定。缓冲弹簧的变形量x，可以由下式求得：x=𝑥𝑝𝑙𝑎𝑡𝑒−𝑥𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟𝑎𝑛𝑐𝑒(4)当夹紧力开始增大时致动器的位置被称为“啮合点”。在啮合点，离合片与飞轮之间的间隙为零，缓冲弹簧开始被压缩。在本次研究中，啮合点是按以下条件来估计的：首先，电机致动器旋转，使得离合片以变速向前移动，当电机致动器旋转至间隙区域时，可以预计所需的电机致动器转矩会非常小并几乎保持恒定。因此，在该区域中，∆𝑇𝑚/∆𝜃𝑚几乎为零。当缓冲弹簧于啮合点开始被压缩时，马达致动器的转矩需要增大以产生足够的夹紧力。马达致动器的转矩变化的越快，∆𝑇𝑚/∆𝜃𝑚的值越大。当致动器旋转至某一点时，∆𝑇𝑚/∆𝜃𝑚的值将超越设定值，这一点被称为啮合点。为了验证接吻点估计算法，仿真进行了两种情况下的运算：1)𝑥𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟𝑎𝑛𝑐𝑒=1.5𝑚𝑚,2)𝑥𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟𝑎𝑛𝑐𝑒=2𝑚𝑚.我们使用马达致动器系统的仿真器（图4）来进行仿真，图6显示了模拟结果。图6在间隙分别为1.5mm和2mm时的啮合点估计正如图6所示的那样，∆𝑇𝑚/∆𝜃𝑚的值在啮合点突然升高，当致动器在离合器锁止点停止时，由于致动器转矩趋向于零，∆𝑇𝑚/∆𝜃𝑚的值剧烈下降。从图6可以看出，在本次研究中所提出的啮合点估计法对于找到间隙是非常有效的。这种方法是Jo,C.在估算EMB（机电制动）的盘和垫之间的间隙时提出的，并且此方法非常有用，因为它仅仅需要电流传感器和霍尔传感器。夹紧力控制图7展示了夹紧力与致动器行程之间的关系。在啮合点，夹紧力开始增大。从图7可以看出，由于夹紧力的数值跟随致动器行程的变化而变化，致动器的行程区间就可以根据啮合点变化的数值来修正。于是，在本研究中，一种利用啮合点估计法的夹紧力控制方法应运而生了。图7致动器行程与夹紧力关系图图8夹紧力控制流程图图8展示了一张夹紧力控制流程图。当车辆停止时，马达驱动器开始不停旋转，一旦∆𝑇𝑚/∆𝜃𝑚的值达到设定值，从初始点到啮合点之间的间隙就被决定了。然后由间隙变量带来的啮合点变量“A”就被确定了。然后致动器行程区间藉由A的值被修正，新的区间被保存下来并应用于换挡中。运用啮合点估计的夹紧力控制法的性能要根据双速双离合器变速器电动汽车来评价。图9展示了仿真中所使用的致动器行程区间。图9离合器致动器行程区间图10展示了当车辆从一档换到二档时的加速度变化曲线。换挡性能根据一档加速度峰值到二档加速度峰值来评估。在每个情况下的峰到峰值见于表2，在有夹紧力控制的情况下，尽管由于离合器磨损，峰到峰值依然维持在初始水平。图10不同情况下双速干式双离合器变速器的加速度值表2不同情况下的加速度峰到峰值结论在这篇文章中，我们提出了一种适用于双速干式双离合器变速器的啮合点估计法。电机传动系统的仿真是通过MATLAB/Simulink来完成的，每个离合器系统包含一个驱动马达，一个螺杆，一个拨叉，一个分离轴承，一个膜片弹簧以及一个缓冲弹簧。啮合点估计法是通过运用马达致动器的扭矩与旋转位移的梯度变化来进行的。基于啮合点估计法，一种新的夹紧力控制方法被提出。在夹紧力控制方面，致动器行程区间的修正是由啮合点的变化量来确定的，此种夹紧力控制方法的性能是通过对一辆双速干式双离合器变速器电动汽车的仿真来验证的。由仿真结果可知，尽管有变速器磨损，在采用此种夹紧力控制法后，电动汽车换挡时的加速度峰到峰值仍然能维持在初始水平附近。参考文献1.Hong,S.,Ahn,S.,Kim,B.,Lee,H.andKim,H.,”ShiftControlofa2-speedDualClutchTransmissionforElectricVehicle,”2012IEEEVehiclePowerandPropulsionConference,pp.1202-12052.Jo,C.,Hwang,S.andKim,H.,”ClampingForceControlforElectro-MechanicalBrake,”IEEETransactionsonVehicularTechnology,2010,59(7)3.Moon,S.,Kim,M.,Yeo,H.,Song,H.andKim,H.,”DesignandImplementationofClutch-by-wireSystemforAutomatedManualTransmission,”KSAE,2004,12(4),pp.119-1284.Kim,M.,Shin,C.,Zheng,C.andLim,W.,”DevelopmentofClutchContactPointEstimationLearningControlwithDryClutchCharacteristics,”KSAE,20115.Schwarz,R.,Isermann,R.,Bohm,J.,Nell,J.etal.,”ClampingForceEstimationforaBrake-by-WireActuator,”SAETechnicalPaper1999-01-0482,1999,doi:10.4271/1999-01-04826.Gu,Q.andCheng,X.”StudyonDouble-clutchTransmissionGearShiftControlbasedonOptimalControlTheory,”IndustrialEngineeringandEngineeringManagement,Sept.3-5,20117.Hong,S.,Ahn,S.,Kim,B.andKim,H.,“DevelopmentaMotorControlAlgorithmtoImproveShiftQualityforElectricVehiclewith2-speedDualClutchTransmission,”KSAE,2012