干式双离合器变速器换挡过程的转矩协调最优控制

ISSN1674-8484CN11-5904/U汽车安全与节能学报,2013年,第4卷第3期JAutomotiveSafetyandEnergy,2013,Vol.4No.3干式双离合器变速器换挡过程的转矩协调最优控制赵治国，王 琪，陈海军，刁威振 （同济大学新能源汽车工程中心，上海201804，中国）摘 要： 对于某一自主开发汽车的六速干式双离合器变速器（DDCT），提出了对不同驾驶意图、分阶段采取不同措施的转矩协调最优控制策略：在转矩相阶段，运用二次型最优控制确定了离合器转矩变化率；在惯性相阶段，采用发动机点火参数与燃油供给调节控制以缩短惯性相时间；在微滑摩阶段及需求转矩切换阶段，建立了体现驾驶意图的控制因子映射。并在Matlab/Simulink软件平台上，搭建了DDCT换挡过程模型，进行仿真试验。结果表明：换挡过程中的换挡冲击在－2m/s3以内，产生的总滑摩功在2kJ以内；因而，该控制策略能体现驾驶员的换挡意图，且满足换挡品质需求。关键词： 汽车变速器；干式双离合器变速器（DDCT）；换挡过程；转矩协调；二次型最优控制中图分类号：U463.211文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-8484.2013.03.013TorquecoordinatingoptimalcontrolfordrydualclutchtransmissioninshiftingprocessZHAOZhiguo,WANGQi,CHENHaijun,DIAOWeizhen（CleanEnergyAutomotiveEngineeringCenter,TongjiUniversity,Shanghai201804,China）Abstract:Atorquecoordinatingoptimalcontrolstrategywasdevelopedusingdifferentdrivingintentionsindifferentshiftingprocessphasesforasix-speedDryDual-Clutch-Transmission(DDCT)ofaself-developedcar.AsimulationmodelwassetupontheMatlab/SimulinksoftwareplatformandthenusedtosimulatethecontrolstrategyforDDCTshiftingprocess.Thesub-dividedphasesincludedthequadraticoptimalcontroladoptedintorquephase;theignitionparametersandfuelsupplycontrolininertiaphase;thecontrolfactormappingmethod,whichreflectsdrivingintension,bothinmicro-slippingphaseandindemandedtorqueswitchingphase.Theresultsshowthatshiftjerksarewithin-2m/s3whilethetotalfrictionalenergylossesarewithin2kJinshiftprocess.Therefore,thiscontrolstrategyreflectsdrivingintentionsandmeetsthedemandofshiftquality.Keywords:automotivetransmission;drydualclutchtransmission(DDCT);shiftingprocess;torquecoordinating;quadraticoptimalcontrol收稿日期/ Received： 2013-05-09基金项目 / Supported by： 国家自然科学基金资助项目（51275355）第一作者 / First author： 赵治国（1971—），男（汉），陕西，副教授、博士生导师。E-mail：[e-mail]13/13279—288汽车安全与节能学报2802013年第4卷第3期双离合器变速器（dualclutchtransmissions，DCT）是近年来迅速发展的汽车自动变速器技术，它既继承了手动变速器（manualtransmission，MT）与电控机械式自动变速器（automatedmechanicaltransmission，AMT）传动效率高、结构紧凑、成本低等诸多优点，又克服了MT和AMT换挡过程动力中断的不足，具有与自动变速器（automatictransmission，AT）相当的换挡品质[1]。干式双离合器变速器（dry-DCT,DDCT)的换挡过程，依赖双离合器工作状态的切换和发动机的有效配合；若两离合器传递转矩与发动机输出转矩间协调不当，将导致动力中断、出现功率循环和变速器输出轴转矩的较大波动，不仅会直接影响换挡平顺性，还会引起传动系统的冲击振动并降低传动部件的寿命。因此，换挡过程的转矩协调控制成为DCT控制的难点和重点。GoetzM、秦大同等[2~4]将DCT换挡过程分成转矩相和惯性相，其中在转矩相，完成双离合器转矩的切换，而在惯性相，则用来实现发动机转速与离合器目标转速的同步。牛铭奎等将升挡过程描述为5个阶段，即低挡运行、低挡转矩相、惯性相、高挡转矩相、高挡运行，并采用EASY5软件建立各阶段模型，对DCT换挡过程进行了仿真研究[5]。但都只是定性分析，并未定量地给出两个离合器接合程度随时间的变化规律。吴光强，李瑜婷等[6~7]采用了二次型最优控制理论，求解了换挡过程中两个离合器转矩的变化率，但在确定过程中，人为地认为两个离合器转矩变换率成一定的比例关系，缺少理论支持。本文基于自主开发的、采用有6个前进挡的干式离合器变速器（“六速干式DCT”），建立八自由度换挡动力学模型。根据换挡品质的要求，量化了换挡控制目标，分析了换挡过程发动机与离合器的转速和转矩特性，将DCT换挡过程分为转矩相、惯性相、微滑摩阶段以及需求转矩切换阶段。在转矩相阶段运用二次型最优控制离合器转矩变化率；在惯性相阶段采用发动机点火参数与燃油供给调节控制缩短惯性相时间；在微滑摩阶段与需求转矩切换阶段，建立了体现驾驶员意图的控制因子映射。由此，解决了DCT换挡过程中双离合器及发动机间的实时转矩协调以及优化控制问题。1 DCT换挡动力学模型1.1 六速干式DCT的动力学模型六速干式DCT是由干式双离合器模块及其执行机构、4个同步器及其执行机构、双中间轴齿轮传动机构所构成的复杂系统。为研究方便进行以下假设：1）将发动机输出轴、变速器输入轴、中间轴及输出轴均视为具有分布参数的集中惯量的刚体，并考虑各自摩擦阻尼损失；2）系统只考虑离合器减振器和变速器输出轴的弹性，忽略轴承和轴承座间的弹性，同时也不考虑齿轮啮合弹性及间隙；3）忽略温度等因素对除离合器之外的系统其它部分的工作状态的影响。简化后所建立的6速干式DCT动力学模型如图1所示。各参数及变量定义为：I为当量转动惯量，其角标：e为发动机曲轴（含飞轮）及离合器主动盘的当量；c1为离合器1从动盘及变速器输入轴1（实心轴）及关联奇数挡齿轮当量；c2为离合器2从动盘及变速器输入轴2（空心轴）及关联偶数挡齿轮当量；m1为变速器中间轴1及其关联齿轮、主减速器主动部分的当量；m2为变速器中间轴2及其关联齿轮、主减速器主动部分的当量；s为s轴当量；v为主减速器从动部分、差速器、半轴、车轮以及整车等效至变速器输出轴的当量；g1—g6为各前进挡被动齿；r为倒挡被动齿。i为速比，其角标：g1—g5、r为各前进挡及主减速器。c为旋转粘性阻尼系数，其角标：e为发动机曲轴、输出轴；c1为变速器输入轴1的；c2为变速器输入轴2的；m1为变速器中间轴m1的；m2为变速器中间轴m2的；s为变速器输出轴（s）的；v为车辆半轴及轮胎等效到变速器输出轴上的当量。ω为角速度，其角标：e为发动机曲轴；c1为离合器1从动盘盘（变速器输入轴1）的；c2为离合器2从动盘盘（或变速器输入轴2）的；m1为中间轴m1的；m2为中间轴m2的；s为变速器输出轴的。T为转矩，其角标：e为发动机曲轴；c1为离合器1所传递的；c2为离合器2所传递的；m1为中间轴m1的；m2为中间轴m2的；r为折算到变速器输出轴上的车辆行驶的(阻力矩)；b为刹车。此外，Tc1m1、Tc2m1、Tc1m2、Tc2m2分别为变速器输入轴1和输入轴2对中间轴m1与m2的作用转矩；Tm1c1、Tm1c2、Tm2c1、Tm2c2分别为变速器中间轴m1与m2对输入轴1和输入轴2的反作用转矩；Tsm1、Tsm2分别为输出轴对变速器中间轴反作用转矩。281赵治国，等：干式双离合器变速器换挡过程的转矩协调最优控制1.2 六速干式DCT换挡动力学方程DCT换挡过程本质上就是接合离合器分离，同时分离离合器接合的离合器工作状态切换过程。以一挡升二挡为例，DCT换挡滑摩阶段，离合器1逐渐分离，同时离合器2缓慢接合，即逐渐减小，而逐渐增大，发动机转矩则通过离合器1和离合器2共同向后传递至驱动轮。值得注意的是，DCT换挡过程中可能出现功率循环现象，故离合器传递转矩是否做正功需由离合器主从动盘转速差的符号所决定。对图1所示的DCT进行受力分析可得滑摩阶段DCT的八自由度换挡动力学方程：（1）其中：（2）sign为符号函数，其表达式为：（3）因为变速器输入轴1转速、输入轴2转速、中间轴转速以及输出轴转速之间满足以下关系：（4）所以，式（1）所示的八自由度模型可以简化为以下的二自由度模型：（5）式中：、分别为等效到变速器输出轴的当量转动惯量和当量旋转粘性阻尼系数，Kc1、Kc2分别为离合器1、离合器2传递转矩等效到变速器输出轴的放大因子,可以通过式（1）得到，在此不再赘述。DCT换挡前后，车辆分别处于一挡和二挡稳定行驶状态，此时发动机转速和接合离合器从动盘转速严格相等，将此转速限制条件代入式（5）中，即可得到稳定阶段DCT的换挡动力学模型。其中：一挡稳定行驶状态下的动力学方程为（6）二挡稳定行驶状态下的动力学方程为：（7）式中：、分别为一挡稳及二挡稳定行驶下等效到变速器输出轴的当量转动惯量；、分别为一挡及二挡稳定行驶下等效到变速器输出轴的当量旋转2nI1�3�5�2�4�6�R�g1I4gIg5IgrI2mI1mIvI�合器C1�合器C2�入�2（空心�）�入�1（�心�）2Tc1Tc2cω1cω2cc或中��1同�器1同�器2同�器4同�器311mcT22cmT22mcT11cmT2mc1mc1i2cω2cωsω3i2i4i5i6iRiaiai1smT1smT2smT1smT2cc中��2倒档��出�1nIeIeceTeω��机sIscrT整�6gI2gI图1 六速干式DCT动力学模型汽车安全与节能学报2822013年第4卷第3期粘性阻尼系数；Ke1、Ke2分别为一挡及二挡稳定行驶下发动机输出转矩等效到变速器输出轴的放大因子。2 换挡过程分析及换挡控制目标2.1 换挡品质评价指标换挡品质通常用冲击度和滑摩功两个性能指标来进行评价。1）冲击度冲击度是指车辆纵向加速度a的变化率，它不仅可以真实地反映人对车辆舒适性的主观感受，而且可以把道路条件引起的弹跳和颠簸加速度影响排除在外。DCT换挡滑摩阶段，车辆冲击度表达式为（以一挡升二挡为例）：（8）离合器主从动盘转速同步时刻的冲击度如式（9）所示[8]：（9）式中：、分别为转速同步前、后时刻离合器从动盘的角加速度；分别为转速同步前一时刻发动机输出轴的角加速度；t为离合器主从动盘转速同步时刻；Dt为角加速度采样时间，其值由人体所能承受的纵向振动频率范围确定。此处取Dt＝20ms[9]。2）滑摩功滑摩功是指离合器主、从动盘摩擦片之间滑动摩擦力矩所做的功，它反映了离合器结合过程中产生的摩擦热。换挡过程中的滑摩功可表示为：（1