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发动机转速调节对DCT滑摩过程的影响研究

2017-01-11 17:30:24 汽车工程学报 2016年6期

高耸+袁跃兰+陈漫+朱礼安+曲思宇

摘 要:为改善双离合器式自动变速器(Dual Clutch Transmission,DCT)的换挡品质,提出发动机和离合器联合控制策略。建立动力传动系统模型,利用Simulink对滑摩品质的影响因素进行仿真分析与试验研究。结果表明,离合器钢片温度仿真值与试验结果变化趋势一致,钢片温度和应力随转速差减小而减小;通过发动机转速调节,换挡冲击和滑摩功减少,控制策略优化了换挡滑摩品质。

关键词:双离合器式自动变速器;滑摩品质;联合控制策略;热负荷

中图分类号:U463.212文献标文献标识码:A文献标DOI:10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.02

Abstract:In order to improve the shift quality of the dual clutch transmission (DCT), an engine clutch joint control strategy was proposed. A dynamic model of a powertrain system was built and simulated, and the experimental analysis of factors influencing the slipping quality was carried out. The simulation results show a good agreement with the measured data. Both temperature and stress decline with the decrease of speed difference. Shifting shock and the work done by friction are reduced significantly through the engine speed control. Furthermore, the proposed control strategy can optimize the slipping quality.

Keywords:dual clutch transmission; slipping quality; combined control strategy; thermal load

安装DCT的车辆具有良好的动力性、经济性和舒适性,满足了大批消费者的要求,因此,近年来DCT的市场占有率增长很快。目前DCT仍存在关键技术问题亟待解决,国内外很多学者对其进行了大量的研究。牛铭奎、顾强、杨伟斌等[1-3]分析了结合离合器和分离离合器的油压变化对滑摩过程品质的影响。GOETZ等[4]将动力系统进行集成控制来提高滑摩品质。 WALKER等[5-6]通过建立15自由度的整车动力学模型,分析发动机、车轮等对DCT结合过程的影响。陆中华等[7]与刘永刚等[8-10]

分别以杜绝反拖发动机现象的产生为目标,制定DCT的滑摩过程控制策略。目前,很多学者针对离合器的结合速度以及结合量进行了大量的研究,综合控制策略应用于民用车,大功率车辆很少考虑发动机的调速控制[11]。

本文以装有DCT的重型车辆为研究对象,以升挡过程为例,建立传动系统的动力学模型,通过对升挡过程的分析,制定发动机和离合器联合控制策略,以此改善滑摩品质。最后对滑摩品质的影响因素进行仿真分析及试验验证。

1 升挡过程分析及传动系统模型建立

1.1 升挡过程分析

DCT的换挡过程是对两个离合器进行控制,实现动力切换的过程。换挡模型简图如图1所示,Te为发动机转矩,TR为行驶阻力等效至变速器输出轴上的阻力矩,ω1为离合器CL被动端转速,ω2为离合器CH被动端转速,ωe为发动机转速,ωo为变速器输出轴转速,Ie为发动机飞轮和曲轴系统等的转动惯量,IR为车体以及变速器及传动部件等效到输出轴的转动惯量,i1为低挡传动比,i2为高挡传动比。

根据升挡过程双离合器的工作状态,升挡过程有两个重要阶段,分别是转矩相和惯性相[12],如图2所示。整个换挡过程以转矩相(t1~t2)开始,由于CH离合器的控制油压逐渐增大,使CH离合器滑摩,同时CL离合器的控制油压逐渐减小,但仍保持接合状态,该阶段使发动机转矩重新分配,由CL离合器转到CH离合器。当CL离合器传递的转矩降为0时,由转矩相进入惯性相(t2~t3),惯性相将实现离合器主被动端转速同步,该阶段离合器传递的转矩基本不变,此时需要适当降低发动机转速,使CH离合器主被动端的转速尽快同步,以减少滑摩功。当CH离合器主从盘完全接合后,调节发动机的转矩,使其满足驾驶员意图进而完成换挡过程。

1.2 传动系统模型的建立

1.2.1 低挡运行相

1.2.2 转矩相

1.2.3 惯性相

在惯性相阶段,离合器CL完全分离而不传递转矩,离合器CH的油压继续增大使发动机输出的动力依靠离合器CH的滑摩传递。当离合器CH的主从动端转速同步时,所传递的转矩由摩擦转矩变为惯性转矩,会产生较大的冲击,因此CH的油压增加到一定值后保持不变。

1.2.4 高挡运行

当离合器CH充分结合后,处于高挡状态,。为保证车辆的动力性需存在一定的后备功率,此时需要离合器CH的油压快速增大到系统油压。至此,升挡过程结束。

2 换挡评价指标及升挡控制策略分析

换挡过程中产生的冲击度可映射为车辆的动力性和舒适性,滑摩功可映射为离合器的寿命,因此,可用冲击度和滑摩功作为品质评价指标,并且这两个指标之间相互矛盾[15]。滑摩功越小,离合器的温升越小,寿命越长,但是会导致冲击度变大,影响驾驶员的舒适性。在分析不同换挡阶段的特性后,对换挡评价指标的权重进行衡量,在控制中协调解决以获得良好的换挡品质。

2.1 冲击度

因此,为了减小冲击度,需保证结合离合器和分离离合器传递的转矩符合这一比例关系,由此可确定离合器CH的油压。为保证此时发动机的最佳输出性能,减少排放污染并降低噪声,应尽量保证发动机恒转速运行,即。

当离合器CL的转矩降为0时进入惯性相,为保证换挡平顺,假设换挡过程结束后车速不改变,由于传动比的改变,发动机转速必然改变。在惯性相开始时,离合器主被动端的速差较大,通过减小发动机油门和增加离合器压力完成CH的结合,会使输出转矩波动量减小,同时缩短同步时间。

3 滑摩品质的影响因素分析

3.1 发动机转速对滑摩过程的影响

根据建立的换挡过程的动力学模型,以及为保证换挡品质进行的策略分析,在Matlab/SimulinkApp平台中进行仿真分析。仿真计算的离合器相关参数见表1。

在离合器滑摩过程中,由实际传动比和目标传动比的差值作为输入量,离合器的油压作为输出量,通过PID控制算法实现传动比的跟随。在升挡过程中,一种方法是保持油门开度恒定,不干预发动机转速;另一种方法是对油门进行主动调节,先降低到适当的值,换挡完成后再恢复到原来的值。

图4显示了这两种方法的仿真结果。图4a表示升挡过程发动机油门变化。图4b表示离合器输出转矩,在升挡过程中通过油门开度的调节,使离合器输出转矩波动量减小,冲击度也随之减小。图4c表示恒油门开度和变油门开度下接合离合器的输入端转速变化,由图可知,发动机参与调节的离合器主动端转速ωe会快速下降,从而较快达到同步,换挡时间缩短。图4d表示滑摩功随时间的变化曲线,通过发动机油门的调节,使结合离合器的滑摩功大幅减小。

3.2 转速差对离合器滑摩过程的影响

重型车辆的吨位较大,如果不能合理控制转速差,离合器短时间的滑摩将会产生大量的滑摩热量,造成盘面温升快并产生较大的应力梯度,缩短离合器的寿命。因此需要分析转速差对于离合器热负荷的影响。表2列出了三种转速差方案的初始转速,其中ωi(0)表示离合器主动端初始转速,ωR(0)表示离合器被动端初始转速。

利用Matlab/SimulinkApp平台建立上述简化的离合器接合模型,分别仿真分析三种方案下离合器滑摩过程中主、被动端转速差变化曲线,如图5所示。

三种方案下对偶钢片盘面温度和应力的变化如图6所示。图6a为在滑摩过程中,盘面某节点处温度随时间的变化曲线,图6b为盘面某节点处应力随时间的变化曲线。从变化规律可以明显看出,随着转速差的增大,滑摩时间越长,盘面上温度和应力值也越大。因此,在工程实际中应设法减小转速差。

4 试验研究

离合器滑摩过程的试验目的是测量离合器摩擦副结合过程的温升变化规律,搭建的试验台架如图7所示。

在离合器摩擦接触面径向布置4个节点,在整个测试时间内4个测点的温度随时间一直增大,越靠近内径温升越明显,因为系统的热弹性变形,摩擦副内环的接触条件要好于外环且内环散热条件差。为了说明3.2节仿真所采用的方法的合理性,同时保证试验结果的直观性,仿真所采用的边界条件和此次试验的不同。这里运用3.2节的仿真分析方法,按照实际试验提供的边界条件,所得到的试验结果如图8所示,图中曲线由下到上代表方案1、2、3,分别表示离合器主被动端的初始转速差为100 r/min,200 r/min,300 r/min。仿真得到的温度曲线变化规律和试验得到的曲线变化规律相似,其中仿真结果的幅值比实际结果的幅值大,主要是因为离合器润滑系统的散热作用是个复杂的过程,润滑油的流量以及对流换热系数均会影响温升幅值。

5 结论

(1)发动机的转速调节会影响离合器的滑摩过程。在升挡过程中,当分离离合器开始滑摩后,把发动机油门开度适当降低到一定值,换挡完成后再恢复到原来的值。仿真结果显示发动机调速控制策略可以缩短滑摩时间,减小结合离合器的滑摩功,并且可有效减小离合器输出转矩的波动量,减小传动系统冲击度。

(2)离合器主被动端的转速差会影响盘面温度场和应力场的分布,转速差越大,盘面上温度最高节点处的温度值越高,且应力最大节点处的应力值越大。因此,在实际操作中,应尽量使离合器在较小的初始转速下接合。

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