陳 亮, 郝洪濤, 倪凡凡, 嚴(yán) 冬(寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,銀川 750021)
隨著車輛操縱自動(dòng)化的快速發(fā)展,汽車自動(dòng)變速器正呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì).DCT作為一種新型的自動(dòng)變速器,既保持了傳統(tǒng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn),又能夠?qū)崿F(xiàn)在無(wú)動(dòng)力中斷的情況下轉(zhuǎn)換傳動(dòng)比,縮短換擋時(shí)間,有效地提高了換擋品質(zhì),從而改善了車輛行駛的舒適性,具有廣闊的發(fā)展前景[1-2].
文中所述的DCT采用雙中間軸式機(jī)構(gòu),如圖1所示,其傳動(dòng)裝置由兩根帶同步器的輸入軸C1和C2、兩根平行布置的中間軸m1和m2、兩個(gè)多片離合器、多個(gè)同步器及差速器等組成.兩根輸入軸分別為空心軸和實(shí)心軸,空心軸空套在實(shí)心軸上,使用選擇性輸出方式將變速器奇、偶數(shù)擋輸出齒輪分別布置在兩根中間軸上,其中,奇數(shù)擋輸入軸與離合器C1相連,偶數(shù)擋輸入軸與離合器C2相連,通過(guò)雙離合器的交替接合及切換不同的同步器狀態(tài),來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)動(dòng)力間斷換擋,經(jīng)由不同輸出軸實(shí)現(xiàn)扭矩變換和輸出.
車輛在空擋時(shí),所有同步器處在中位,兩離合器的主、從動(dòng)部分均分離.當(dāng)車輛起步時(shí),以1升2擋為例,這時(shí)1擋同步器和1擋齒輪嚙合,1擋傳遞扭矩大于車輛行駛阻力,車輛開(kāi)始起步.當(dāng)車速繼續(xù)增加達(dá)到升擋點(diǎn)時(shí),2擋同步器和2擋齒輪嚙合,同時(shí)變速箱控制單元 ( Transmission Control Unit,TCU)控制離合器C2的油壓P2開(kāi)始增大,使得離合器C2開(kāi)始慢慢接合,同時(shí)離合器C1的油壓P1開(kāi)始減小,離合器C1逐漸分離,當(dāng)離合器C2完全接合、離合器C1完全分離時(shí),整個(gè)換擋過(guò)程結(jié)束,保證了換擋中發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩被連續(xù)傳遞到車輪;其余升、降擋過(guò)程與此類似[3].
圖1 DCT結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
采用前向建模方法對(duì)整車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行建模,控制框圖見(jiàn)圖2.
圖2 DCT系統(tǒng)控制原理圖圖
發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立是研究車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ),選擇以節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速兩參數(shù)值作為系統(tǒng)模型的輸入值,以轉(zhuǎn)矩和角速度作為輸出值,選擇有載動(dòng)態(tài)工況,發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)輸出扭矩與穩(wěn)態(tài)輸出扭矩的關(guān)系可以近似地表示為
(1)
式中:n為轉(zhuǎn)速;ωe為角速度;γ為扭矩下降系數(shù)(取0.07~0.09);Te為發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出扭矩;Ted為動(dòng)態(tài)輸出扭矩.
建立發(fā)動(dòng)機(jī)有載動(dòng)態(tài)仿真模型如圖3.
圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型
由圖3可知,該發(fā)動(dòng)機(jī)模型以二維特性表為核心,并將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到特性表中,通過(guò)輸入不同的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值,利用圖表插值方法得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出值.
為了方便建模,對(duì)DCT系統(tǒng)作如下簡(jiǎn)化:
1)假設(shè)傳動(dòng)系是由無(wú)慣性彈性環(huán)節(jié)和無(wú)彈性慣性環(huán)節(jié)構(gòu)成;
2)忽略同步器移動(dòng)和離合器接合分離引起的軸的橫向移動(dòng);
3)不考慮齒輪嚙合彈性、軸承與軸承座的彈性、系統(tǒng)的阻尼和間隙;
4)簡(jiǎn)化后,DCT可視為一個(gè)離散系統(tǒng).
在車輛換擋過(guò)程中,DCT升擋過(guò)程按兩個(gè)離合器的工作狀態(tài)分為5個(gè)階段[4]:低擋傳動(dòng)階段-低擋轉(zhuǎn)矩階段-慣性階段-高擋轉(zhuǎn)矩階段-高擋傳動(dòng)階段.其對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型可分別描述為:
(1)低擋傳動(dòng)階段:C1接合,C2分離.
(2)
(2)低擋轉(zhuǎn)矩階段:C1完全接合,C2處于滑摩狀態(tài).
(3)
(3)慣性階段:C1、C2均處于滑摩狀態(tài).
(4)
(4)高擋轉(zhuǎn)矩階段:C1滑摩狀態(tài),C2接合.
(5)
(5)高擋傳動(dòng)階段:C1分離,C2接合.
(6)
離合器從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速與變速器輸出轉(zhuǎn)速的關(guān)系為
(7)
符號(hào)函數(shù)為:
(8)
離合器主從盤(pán)轉(zhuǎn)速度:
Δω=ωe-ωc
(9)
式中:Tc3、Ie為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Tc1、Tc2為離合器C1和C2輸出轉(zhuǎn)矩;Ic1、Ic2,ωc1、ωc2依次為離合器C1和C2從動(dòng)盤(pán)慣量和轉(zhuǎn)速;ic1g、ic2g為奇、偶數(shù)擋位傳動(dòng)比;i0為主減速器傳動(dòng)比;Tout、ωo為變速器輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速;ud、A、Z依次為離合器動(dòng)摩擦系數(shù)、活塞面積和摩擦副數(shù);P1、P2分別為C1和C2的油壓;r11、r12、r21、r22依次為離合器C1和C2摩擦片內(nèi)、外徑.
所建DCT系統(tǒng)仿真模型如圖4.
圖4 變速器系統(tǒng)仿真模型
采用Simulink/Stateflow建立換擋規(guī)律存儲(chǔ)模塊和換擋邏輯控制模塊;圖5為換擋控制流程圖,用來(lái)說(shuō)明車輛的具體換擋控制過(guò)程.
圖5 換擋控制流程圖
對(duì)整車模型做如下簡(jiǎn)化:
1)不考慮風(fēng)速產(chǎn)生的行駛阻力;
2)忽略汽車行駛過(guò)程中的任何方向的擺動(dòng);
3)選擇行駛路面為平整路面.
汽車行駛時(shí),需克服的阻力
Ft=∑F=Ff+FW+Fi+Fj,
(9)
(10)
又變速器輸入與輸出扭矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系為
Tout=igi0Ted.
(11)
聯(lián)立(10)和(11)式可得
(12)
式中:m為整車質(zhì)量;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);α為路面坡度(取α=0);CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;ρ為空氣密度;v為車速;δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)(取δ=1.3);ηT為傳動(dòng)效率;ig為變速器某擋位比;i0為主減比;r為車輪半徑.
整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型如圖6所示.
圖6 整車系統(tǒng)模型
整車系統(tǒng)模型搭建完畢后,進(jìn)行離線仿真,仿真結(jié)果如圖7,其中:圖(a)所示為節(jié)氣門(mén)開(kāi)度,其取值范圍為0~50%;圖(b)表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線,由圖可知,每次換擋時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速均出現(xiàn)了下降趨勢(shì),接著又迅速上升,這是因?yàn)樯龘鹾笥捎趽跷粋鲃?dòng)比減小,因此,在車輪速度相同的情況下,需要的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)降低,符合仿真的要求. 圖(c)表示當(dāng)前擋位和預(yù)測(cè)的下一擋位,整個(gè)過(guò)程進(jìn)行連續(xù)升擋操作,換擋迅速,且在換擋同時(shí),系統(tǒng)能準(zhǔn)確判斷出下一擋位值.圖(d)表示實(shí)時(shí)車速曲線,從圖中可以看出車速曲線光滑,加速度變化較小,且換擋對(duì)車速影響小,整個(gè)換擋過(guò)程車速未出現(xiàn)較大波動(dòng),且最大車速小于100 km/h,符合建模要求.
圖7 Simulink模型的仿真結(jié)果
以dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)為平臺(tái),進(jìn)行快速原型仿真試驗(yàn),仿真結(jié)果如圖8,模型仿真結(jié)果和可執(zhí)行代碼仿真結(jié)果一致.證明了所建整車系統(tǒng)模型的合理性和代碼的正確性.
圖8 ControlDesk快速原型仿真結(jié)果
依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、雙離合變速器及整車各部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系,建立了整車傳動(dòng)系統(tǒng)模型,研究其控制策略,并通過(guò)仿真結(jié)果證明了該模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬換擋過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性,快速原型仿真結(jié)果證明了所建整車模型的合理性和可行性,對(duì)今后整個(gè)DCT項(xiàng)目的順利進(jìn)行起到十分重要的作用.
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