文章编号:1006-8244(2006)03-37-12
Dynamics and Control of Gearshifts on Twin -Clutch Transmission
M.Goetz , M. C.L ev esley, D. A.Crolla
[摘要]依据包含一双离分器变速箱的汽车动力传动系统的详细动力模型开发了一个集成的动力传动系的换档控制。基于换高档和换低档以及发生于变速箱相同一部分的换档控制的仿真结果证实了该控制器的工作。采用带有再现单向离合离工作目标为均匀传递发动机转矩离合器滑动的闭环控制制订了控制法则，进一步的要素是通过发动机控制和离合器压力操纵的组合对发动机速度的闭环控制。此外，它证实了变速箱换档时输出转矩的控制可增加控制的持久性以及提供了直接操纵换档品质的方法。最后讨论了通过方便的液力传动锥型同步器在总换档质量方面予选换档的动力影响。
[Abstract]Based on a detailed dynamic model of an automotive power train containing a twin -clutch tr ansmis -sion ,an integr ated power tr ain contr ol for gearshifts is developed.T he operation of this contr oller is demon -strated on the basis of simulation r esults for upshifts,downshifts,and multiple gear shifts taking place within the same half of the transmission.T he control algorithm makes use of closed -loop co
ntrol of clutch slip for a smooth transfer of engine torque w ith the aim of reproducing the operation of a one -way clutch.Fur ther elements are a closed -loop contr ol of engine speed thr ough a combination of a manipulation of en -gine controls and clutch pressur e.In addition,it is demonstr ated that the contr ol of transmission output torque during gear shifts can add robustness to the control and provides a means to manipulate directly the gear shift character.Finally,the dynamic effects of gear preselection through conventional hydraulically ac -tuated cone -type synchronizer s on the overall shift quality are discussed.
关键词：双离合器变速箱 复式离合器变速箱 换档控制 汽车变速箱控制 离合控制 Key w ords:twin -clutch transmission dua-l clutch transmission gearshift contr ol automatic trans -mission contr ol clutch control
中图分类号:T M 132.46 文献标识码:B
S chool of M echanical Engineerin g Un iversity of Leeds,Leeds UK
1 前言
双或复式离合器变速箱创始于1933年后的Kegr esses [1]的专利中，想象后该变速箱概念是把手动变速
箱分为两半。变速箱的一半是带有奇数速比，而一半带有偶数速比如图1所示。双离合器变速箱的每一半(每一半是由输入轴、齿轮、同步器和中间轴组成)分别通过各自的摩擦离合器和发动机相连，两半变速箱的转矩由和位于两中间轴上的输出齿轮啮合的齿轮集中在变速箱的输出部，用从一半变到另一半离合器到离合器换档可完成换档，因而在车轮保持了全牵引力。该双离合器设计特点可作为简便的行星汽车变速箱动力换档，从而消除了只有一个摩擦离合器手动变速箱的实际的主要缺
点。双离合器变速箱的两半部由简单的齿轮组和同步器组成如所示通常的手动变速箱。该机械设计提供的机械效率优于带有液力变矩器的行星自动变速箱，从经济性和传动性能的观点出发，说明双离合器变速箱也是有吸引力的。
但是应对两摩擦离合器换档时的自动控制给予大的关注，特别缺乏单向离合器(即当在单向回转时离合器元件接合，当在其他方向回转时脱开)，它有助于在换档阶段转矩均匀传递，对于行星式自动变速箱看来通过离合器控制对于长时间难以补偿，同时它无力跳开一个齿轮(即多级换档例如由第4换到第2档)不能脱开转矩传递离合器是一个大的缺点。以后重新引起注意在1980年[2,3]，双离合器设计已用于赛车，在1990年末得到更快的发展和更多
汽车波箱第20卷第3期2006年9月传 动 技 术
DR IV E SY ST EM T ECH NI QU E V ol.20 N o.3September 2006
图1双中间轴型的双离合器变速箱
F ig.1T win-Clutch tr ansmissio n o f tulo-layshaft type
先进的电子元件的采用导致大量汽车和变速箱制造商们极高的关注。在2003年双离合箱[4]首次最终产品化。
本文提出了双离合器变速箱的单一换档和多级换档，两者的控制问题。在变工作点和条件(即改变离合器摩擦力)下，换档控制工作可靠的要求迫使要采用闭环控制技术。对于一个常规自动变速箱闭环控制主要用于发动机同步器[5]，对于单向离合器工作和开环离合器压力操纵的组合用于发动机转矩的控制。在参考文献[6]比较了双离合器变速箱用于换高档变换档控制概念的能力，解决提供最佳换档性能是闭环方法，控制贯穿整个换档的变换箱输出转矩。在参考文献[7]提出多级换档控制解决推荐的所谓/复式换档0。在该文中阐述采用第二离合器控制在转矩传递时间内临时补充一些转矩，为了在特殊变速箱半部能变换齿轮离合器脱开，在该文提出的控制方法专门采用开环技术。
本文的目标是研究双离合器变速箱的换档动力学，并开发一种集成的动力传动系的换档控制，和行星式自动变速箱相比较它将产生高的换档质量。其他重要的目的是建立一个可靠抵制离合摩擦系数改变的换档控制，并许可变速箱输出转矩迹线的跟踪，从而提供一个集成转矩基本动力传动系控制简图的基础。
2动力传动系动力学模型
为仿真动力传动系性能，开发了一个车辆动力传动系模型。
整个动力传动系模型如图所示，用特征指定转矩值制作一个由参考文献[8]中已知的火花点火发动机的模型，对于通过节气门段和进、排气口气流和对于在燃烧过程产生的转矩采用回归函数。同时在发动机模型中还包含了发动机的转动动力学和附属负载。把油门角度和点火提前输入该发动机模型，图2示双离合器变速箱框图由2部分组成：离合器、同步器和齿轮系的转动动力学；和液力装置动力学。输入变速箱方块内是离合器和同步器压力值，这实际上是电压输入电磁阀控制离合器和同步器的液压作动器。
动力传动系和液力装置的动力学模型建立于M A TLA B/simulink³，它同时还采用本文所提供的仿真结果。
2.1双离合器变速箱的转动动力学
图3示双离合器变速箱的动力学模型，它是基于图1所示设计的。
变速箱模型的输入部分是离合器和同步器上的夹持力。无随变的圆盘代表变速箱内部件的惯量，无质量弹簧阻尼器用于变速箱轴的随变，并对在双离合变速箱模型内，造成制动，该/惯量0通过阻尼器元件和地相接。
为了模拟由同步器到同步器的换档动力学，此处两速此(即同步器)处于变速器相同一半内，该双离合器
变速器的动力学模型如图3所示是一个附加同步器模型的扩展(表示于图3长方形破折线框内)，这对改变同步器间实际模型提供了基础，在仿真结果内未产生间断。在以后节3.3和4中采用了
图2 包含一双离合器变速箱的车辆动力传动系的模型
Fig.2 M odel o f a vehical pow ertr ain including a tw in -clutch tr ansmissio
n
图3 双离合器变速箱的转动动力学表示第一和第二齿轮传动外形拓展处示第三齿轮传动
F ig.3 R otatio nal dynamics o f the t win -clutch tr ansmissio n,depicted for the co nfigurat ion o f first a
nd second g ear
Ex tension is sho wn for thir d g ear
该扩展的变速器模型。
两同步器和离合器模型组成摩擦模型，阐述在滑动和粘贴两情况内传递转矩。同时它也包含了这两种状态之间转变的工作过程。同步器模型还组合一个第三种情况，它应考虑其两半通过同步器象牙嵌离合器部分机械闭锁。离合器和同步器的摩擦特性可由下式给出:
T C =sgn (X in -X out )R m F N L k z
(1)和
L k =f ($X )
(2)对于离合器，和
T sy n =sgn (X in -X out )
R m
sin A
F N L k z (3)
和L k =常数
(4) 对于同步器，如果离合器一同步器滑动(X in X
X out )，对于离合器摩擦转矩由式(1)求出，同步器的摩擦转矩由式(3)求出。摩擦系数与通过离合器的滑动速度有关，以作为滑动速度函数的高阶多项式表示。可模拟不同摩擦材料干式和湿式两种摩擦型式。同步器上的摩擦系数已假定为常数。如果离合器一同步器的两半保持粘接成一体(X in =X out )，在离合器一同步器上的转矩可采用作用的负载转矩和惯性矩来确定并限制于
|T C,syn |[L s R m F N z
(5
)
图4 液力传动和离合器压紧在S 范围的简化动力学模型
Fig.4 Simplified dy namic mo del of the hydralic actuation and clutch pack in the S domain
若通过离合的速度差消失，离合器一同步器产生产摩擦锁住，满足式(5)的条件。若离合器一同步器转矩超出式(5)给定的极限，离合器一同步器的摩擦接触破坏分开。
同步器用爪式离合器啮合的机械锁紧的附加情况，可用一简单的附加规则来给予说明:
如果{X in =X out }和{x s \x s,ma x }那么
{爪式离合器啮合}
(6)
如果{x s <x s,ma x }那么{爪式离合器脱开}(7) 事实上该两式实质上反映了爪式离合器进入啮合时，则两半同步器以相同速度回转，从而该齿可滑到它的最大位移，因此同步器实现机械锁紧。如果爪式离合器滑回到它原来的位置，机械联接消除。关于爪式离合器位移信息来自同步器作动器模拟。
2.2 离合器和同步器的液压作动
变速箱模型的液压系统在其输出由一电压输入到一电磁阀(即在下节阐述的输入转动动力学)产生一个夹紧力。该液力传动简图是目前采用最普通的，特别在与湿式摩擦离合器联接方面。在与干式离合器联接的电力传动有助于增加简易性和效率，但它趋向于在传动系统内更可塑性因而反应
迟缓。
首先开发了液力传动系统的一个详细的动力
学模型，一个比例电磁阀组成液力离合器作动，用它控制液力传动器的油的流量。延长作动器的活塞增大液力作动器内的压力，它作用在离合器的压紧部件，从而产生夹紧力。该离合器压紧模型实质上制约于活塞承受回程弹簧反向力和离合器压紧力的运动方程式。该离合器压紧模型允许液力离合器作动的动特性仿真，在该点离合器活塞的空转冲程结束，造成离合器压紧接触，导致离合器压力急剧升高。基于该详细的模型，为开发换档控制器而产生了一个简化的现象逻辑模型，该模型简单而且更加柔性。该简化的液力传动模型描述于图4，它由两个线性传递函数和一个反馈回路组成。
3 换档的集成动力系控制
双离合器变速箱换档可以用变速箱的一半交换到另一半的所谓离合器到离合器换档来实现。但是离合器到离合器换档开始前在变速箱对面一半目标齿轮必须啮合(予选)。实质上双离合器变速箱换档由两部分组成:
(a)变速箱无转矩一半目标齿轮的予选;(b)离合器到离合器换档。
离合器到离合器换档是本节的目的，而予选(特别齿轮交换的动力影响)在第4讨论。
离合器到离合器换档组成两个不同的阶段：一个是/转矩阶段0离合器由脱开到进入接合，和一个/惯性阶段0此时发动机速度和目标齿轮同步。该两阶段与换档型式(即换高档或换低档)以及变速箱传递功率的方向(即传递功率或切断功率)有关。
离合器到离合器换档可以控制在原理上对行
星式变速箱方法相同。但因为设计不同(特别双离合器变速箱没有自由轮离合器)在转矩阶段发动机转矩传递更难以控制。这是由于双离合器的运行和脱开的时间难以控制。自由轮离合器和它的自动脱开性能，一次传递转矩成为消极帮助控制发动机转矩传递不造成太大的车辆颠簸。如果它可以模拟自由轮离合器工作小心控制摩擦离合器，那么即使在双离合器变速箱上也能最佳实现传递发动机转矩。这样一个控制已经建议于参考文献[9]和[10]，并要求闭环控制离合器滑动。
关于获得转矩信号和各技术的优缺点问题(传感器测量相对数学评述)这里不作讨论，但述于参考文献(例如参考文献[6][11]和[12])中。图5 升高档控制法则
F ig.5 Algo rithm fo r upshift co nt rst
3.1 升高档控制
发动机开动升高档的控制法则示于图5。图6示离合器压力仿真结果(由第一档升高档到第二档)表明控制
的步骤。控制法则的第一阶段脱开离合器液压降低，比较接近的压力是减少到离合器开始打滑，较小的压力造成粘紧转变到打滑带来转矩的振动。但在该离合器上这种由粘紧到打滑的实际转变由离合器打滑控制完成的，这点作动于第三阶段。前面作动离合器打滑控制器，使离合器在第二阶段予先注液，该液压必需兼顾到一方面快速充
液而一方面较少影响传动系转矩之间来选择。离合器打滑的闭环控制采用操纵脱开离合器的压力保持一个小的离合器打滑参考值(S rad/S )。用上坡压力接合离合器(阶段4)，打滑控制器自动降低脱开离合器压力(阶段4)，该打滑控制器自动降低压力在脱开离合器。因而传递发动机转矩在该离合器不造成负转矩。在该点在脱开离合器压力变为零，打滑控制不作动并且控制可通过惯性阶段。 在该阶段，当迹线参照速度外形图时，发动机速度和目标齿轮同步。闭环控制装置在第5步作动，它由操纵发动机的油门角度和点火提前(SA)来实现，从而组合发动机大的转矩变化和快速发动响应的优势。在惯性阶段，变速器输出转矩控制可作动(第6步)，在该处参考转矩图形的闭环迹线可以通过操纵接近离合器控制器压力来实现。该变速器输出转矩图形这里采用根据改变整个换档的速比去控制到某一大小。在惯性阶段的末端离合器压力提高到该线压力(第7步)，在该液压系统它是主压力。
注意到在换档结束引起转矩振动，此时在其原始值在该点因点燃出现火花提前可以迫使离合器闭合，在文献[13]中已经详细阐述升高档控制包括相对摩擦材料改变方面的讨论。
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