雙離合器自動變速器起步過程模糊控制研究

1、設計研究雙離合器自動變速器起步過程模糊控制研究黃文華 姜 超 (上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心,上海 201804)經(jīng)濟性及 摘要 雙離合器自動變速器同時具有手動變速器及自動變速器的優(yōu)點,可使車輛的動力性、舒適性都得到保證。文章針對雙離合器自動變速器起步過程中的離合器控制進行了研究,基于離合器接合速度的4個影響因素設計了模糊控制器。仿真結(jié)果表明,采用該模糊控制方法時,車輛能夠滿足沖擊度的要求,實現(xiàn)快速平穩(wěn)起步。Abstract Dualclutchtransmissionhasadvantagesofthemanualandautomatictransmission,whichguarant

2、eethedynamicandeconomicperformanceofthevehicle.Theclutchcontrolisstudiedduringstartingup,andthenfuzzycontrollerisdesignedbasedonthefactorsofengagementspeed.Thesimulationresultsshowthatthevehiclecanstartuprapidlyandsmoothly,anditcansatisfythere quirementofimpac.t主題詞 自動變速器 雙離合器 汽車 模糊控制更精確地對換檔過程進行控制。針對

3、雙離合器自0 引言雙離合器自動變速器(DCT)為具有雙離合器結(jié)構(gòu)的新型自動變速器,有別于電控機械式自動變速器(AMT)和液力機械式自動變速器(AT),雙離合器自動變速器是基于手動變速器基礎上,加上電控系統(tǒng)和液壓執(zhí)行系統(tǒng),通過兩個離合器交替工作,實現(xiàn)車輛換檔過程中動力傳遞的連續(xù)性。它同時具備了手動變速器和自動變速器的優(yōu)點,傳動效率高,不僅保證了車輛的動力性和經(jīng)濟性,而且改善了車輛的行駛舒適性1動變速器起步及換檔品質(zhì)問題,已有科研人員開展了相關研究。文獻2建立了沖擊度與油門開度和離合器接合速度之間的數(shù)學模型,對車輛起步過程進行了試驗分析。文獻3分析了雙離合器自動變速器換檔品質(zhì)的影響因素,根據(jù)實車的

4、試驗數(shù)據(jù)定性地提出離合器接合油壓控制規(guī)律以改善換檔品質(zhì)。文獻4根據(jù)換檔過程結(jié)合元件的搭接控制原則,提出通過對換檔離合器充、放油搭接時序進行控制,從而減小換檔沖擊。本文針對雙離合器自動變速器結(jié)構(gòu)特點,車輛起步過程中應用模糊控制對離合器進行控制,并進行仿真分析,仿真結(jié)果表明,采用所設計的模糊控制器能夠?qū)崿F(xiàn)良好的起步性能。雙離合器自動變速器主要由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成,控制系統(tǒng)是其關鍵技術(shù)。諸如起步控制策略的制定、綜合智能換檔規(guī)律的制定及換檔品質(zhì)都影響著車輛的動力性、經(jīng)濟性和行駛舒適性。隨著人們對乘用車的舒適性及操控性的要求越來越高,換檔平順的前提下,變速器控制系統(tǒng)需1 車輛起步離合器接合過程分析為

5、準確了解離合器接合的物理過程,有必要收稿日期:2010-06-022010 08設計研究對車輛起步時離合器動作進行分析。根據(jù)離合器在接合過程中轉(zhuǎn)矩的變化將其分為3個不同的階段。第一階段為消除間隙階段,在此階段,離合器處于完全分離狀態(tài),其主、從動摩擦片之間存在間隙,無轉(zhuǎn)矩傳遞。為利于車輛盡快起步,此階段應快速完成。第二階段為緩慢接合階段,此階段是離合器主、從摩擦片產(chǎn)生摩擦轉(zhuǎn)矩到主、從動部分同步為止。該階段是離合器控制的關鍵階段,這一階段離合器接合速度相對較慢,以獲得平穩(wěn)起步或換檔,從而提高舒適性并減少沖擊。離合器接合速度過快將造成沖擊,反之,則會導致摩擦片滑摩的時間過長,加劇摩擦片的磨損。第三階

6、段為接合到位階段,此階段以離合器主、從動部分同步為起點,直到離合器摩擦片接合行程到最大值為止。該階段起始時,離合器主、從動摩擦片已同步,快速接合不會造成沖擊,因此與第一階段相同,離合器在該階段中應快速接合。慣量;I3為輸入軸2轉(zhuǎn)動慣量;I4為中間軸2轉(zhuǎn)動慣量;I5為中間軸1轉(zhuǎn)動慣量;I6為輸出軸轉(zhuǎn)動慣量;同理, e和 1 6分別表示相應部件轉(zhuǎn)動角速度, w為車輪轉(zhuǎn)動角速度;Ki,Ko和Ci,Co分別為輸入側(cè)軸和輸出軸的剛度和阻尼系數(shù);Ieq為車輛等效轉(zhuǎn)動慣量。起步過程中,1檔同步器已接合,系統(tǒng)動力學5方程為:d edtd 1Tin-TCL1=I1dtTe-Tin=IeTCL1-Ta1d 2=I

7、eqia1i1dtd 6dtd wdt(1)(2)(3)(4)(5)Ta-To=I6To-TRL=Ieq式中,i1為1檔傳動比;ia1為中間軸1到輸出軸傳動比;Ieq為1檔時I2、I4和I6等效到輸入軸112 起步過程變速器動力學方程對裝有雙離合器自動變速器的傳動系統(tǒng)采用質(zhì)量 彈性 阻尼方式進行簡化,得到起步過程傳動系統(tǒng)動力學模型簡圖,如圖1所示。的轉(zhuǎn)動慣量;TRL為道路阻力矩。輸入軸扭矩Tin和輸出軸輸出扭矩To為:Tin=Ki( e- 1)+Ci( e- 1)To=Ko( 6- w)+Ko( 6- w)(6)(7)3 車輛起步的評價指標及影響因素車輛起步的離合器控制是根據(jù)路況和駕駛員的意圖

8、,合理地控制離合器的接合過程,使車輛按駕駛員意圖起步,對離合器的控制需考慮到:避免發(fā)動機熄火,避免駕駛員及乘客感到不舒適的沖擊,避免離合器摩擦片的長時間滑摩等6。通常情況下,采用滑摩功和沖擊度作為起步過程的評價指標。在起步過程中,滑摩功可定義為離合器的摩擦轉(zhuǎn)矩所作的功,其大小取決于:摩擦片的壓力、圖1 傳動系統(tǒng)動力學模型簡圖摩擦系數(shù)以及摩擦副的表面狀態(tài)和相對轉(zhuǎn)速,換檔過程所用時間等。其數(shù)學表達式為:t2W= tTCL( 1- 2)dt1(8)圖1中:Ie為發(fā)動機飛輪和曲軸等轉(zhuǎn)動慣量;I1為離合器輸入側(cè)轉(zhuǎn)動慣量;I2為輸入軸1轉(zhuǎn)動08式中,W為離合器滑摩功;t1為離合器主、從設計研究動摩擦片開始

9、滑摩的時刻;t2為離合器主、從動摩擦片同步結(jié)束滑摩的時刻;TCL為離合器摩擦轉(zhuǎn)矩; 1、 2為離合器主、從動部分轉(zhuǎn)速。沖擊度是評價換檔品質(zhì)的重要指標,沖擊度的大小用車輛縱向加速度的變化率表示,其數(shù)學表達式為:2iti0!tdTCLj=2rddtdt統(tǒng)的控制方法難以達到控制要求。模糊控制不需要精確的數(shù)學模型描述系統(tǒng)的動態(tài)過程,且能解決起步過程中離合器控制的非線性、時變等問題。4.1 模糊控制器結(jié)構(gòu)模糊控制器采用四輸入單輸出系統(tǒng),其中輸入為離合器主、從動部分轉(zhuǎn)速差 e,轉(zhuǎn)速差變化率 ec,油門開度及油門開度變化率c,輸出為離合器電磁閥控制電流I。圖2所示為模糊控制結(jié)構(gòu)簡圖。(9)式中,v為車速;

10、為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);m為整車質(zhì)量;it為換檔時變速器速比;i0為車輛主減速比;!t為變速器傳動效率;rd為車輪半徑。由式(9)可知沖擊度j與離合器摩擦轉(zhuǎn)矩的變化率dTCLdTCL有關,而dtdt關,因此j的控制就是離合器壓力變化率的控制。只要離合器接合時間小于其最大允許時間,即可在保證滑摩功的基礎上,重點考慮沖擊度。而離合器接合速度是沖擊度的主要影響因素。當主、從動部分轉(zhuǎn)速差較大時,為保證車輛的平順性,離合器的接合速度需慢,反之,可加快離合器的接合速度。當主、從動部分轉(zhuǎn)速差的變化率較大時,表明離合器的接合速度較快,為避免較大沖擊,可適當減小離合器的接合速度。另外,離合器在接合過程中,最主要

11、是滿足駕駛員的意圖。而駕駛員的意圖是通過油門踏板的變化反映到車輛。因此,可以通過油門開度及變化率來判斷駕駛員意圖。油門開度大,表明駕駛員希望離合器快速接合,從而使車輛快速起步,反之,則希望離合器緩慢接合。同理,油門開度變化率較大表明駕駛員希望車輛快速起步,應加快離合器的接合。油門開度變化率較小的話,相應的離合器接合速度也較小。通過上述分析可知,油門開度及其變化率和離合器主、從動部分的轉(zhuǎn)速差及其變化率是影響離合器接合速度的主要因素。圖2 模糊控制器結(jié)構(gòu)簡圖4.2 模糊控制數(shù)據(jù)庫(1)離合器主、從動部分轉(zhuǎn)速差 e離合器主、從動部分轉(zhuǎn)速差論域為:E1=0,1,2,3,4,5,模糊子集為ZE,VS,S

12、,M,B,VB,其含義為:零,很小,小,中,大,很大。(2)離合器主、從動部分轉(zhuǎn)速差變化率 ec轉(zhuǎn)速差變化率的論域為E2=-2,-1,0,1,2,模糊子集為NB,NS,ZE,PS,PB,其含義為負大,負小,零,正小,正大。(3)油門開度油門開度論域為E3=0,1,2,3,4,5,模糊子集為ZE,VS,S,M,B,VB,其含義為零,很小,小,中,大,很大。(4)油門開度變化率c油門開度變化率論域E4=-2,-1,0,1,2,模糊子集為NB,NS,ZE,PS,PB,其含義為負大,負小,零,正小,正大。(5)離合器電磁閥控制電流I離合器電磁閥控制電流論域E5=0,1,2,3,4,5,模糊子集為ZE,

13、VS,S,M,B,VB,其含義為零,很小,小,中,大,很大。在模糊控制過程中,模糊控制對語言變量值的隸屬函數(shù)形狀并不敏感,只是對隸屬函數(shù)的范2010 084 起步過程離合器接合模糊控制由于存在非線性、時滯及時變等因素,建立精確的離合器接合過程數(shù)學模型較為困難。采用傳設計研究圍有一定敏感。在本控制中選用三角型隸屬函數(shù)。論域E1、E3及E5的隸屬函數(shù)曲線如圖3所示,論域E2和E4的隸屬函數(shù)曲線如圖4所示。圖5車輛起步特性曲線圖3 論域E1、E3、E5隸屬函數(shù)曲線圖4 論域E2、E4隸屬函數(shù)曲線圖6 車輛起步?jīng)_擊度4.3 模糊控制規(guī)則基于理論及經(jīng)驗分析,車輛起步的輸入?yún)?shù)與接合速度的關系,如:(1)

14、油門開度大,則離合器快速接合,否則,離合器慢速接合;(2)駕駛員快速增大油門,離合器快速接合,否則,離合器慢速接合。根據(jù)經(jīng)驗及相關文獻,最終可總結(jié)出車輛起步時離合器接合模糊控制規(guī)則。7由圖可知,根據(jù)德國標準j10m/s的要求,裝配雙離合器自動變速器的車輛起步過程中,采用模糊控制方法能夠保證車輛起步過程中的平穩(wěn)性和快速性要求。36 結(jié)語雙離合器自動變速器具有良好的換檔品質(zhì)及較高的傳動效率。離合器接合速度的控制是保證起步性能的關鍵因素,在對雙離合器自動變速器起步控制原理的分析基礎上,設計了模糊控制器用于控制車輛起步時離合器的接合,仿真結(jié)果表明,該控制方法能夠滿足對車輛沖擊度的要求,從而實現(xiàn)雙離合器

15、自動變速器車輛起步的平順性和快速性要求。(下轉(zhuǎn)第25頁)5 仿真分析利用Matlab/Simulink建立雙離合器自動變速器的仿真模型,對雙離合器自動變速器進行起步控制仿真分析。圖5、6分別為10%油門開度條件下,車輛起步特性曲線及沖擊度仿真結(jié)果曲線。08設計研究傷害值的變化趨勢。 通過上述分析說明,耦合仿真結(jié)果與試驗測試值基本符合,耦合計算方法能夠準確地模擬出車身側(cè)面結(jié)構(gòu)變形情況和假人的碰撞傷害。3 結(jié)語通過建立Ls dyna整車有限元與Madymo假人耦合計算模型,本文將耦合仿真方法應用于側(cè)面碰撞安全性分析。計算得出的車身側(cè)面結(jié)構(gòu)變形和假人傷害耦合仿真結(jié)果與試驗測試值一致,證明了耦合方法正

16、確可行,可廣泛應用于汽車側(cè)面碰撞安全分析和乘員傷害評價,為側(cè)面結(jié)構(gòu)的改進提供參考依據(jù)。參考文獻1 肖悅.汽車側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)仿真方法的研究J.合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2007,30(12):82 85.2 高衛(wèi)民,李山.耦合方法在提高車輛側(cè)面碰撞性能中的應用.同濟大學學報(自然科學版),2007,35(3):394 399.3 TNO.MadymoManualsRelease7.0,2008.4 LSTC.LS-DYNATheoryManualR971,2008.5 JiriKra,lPrabhuSetru,SwarnaRajeswaran.IIHSSideImpactAnalysisUs

17、ingLSDYNA/MadymoCoupling.8thInternationalLSDYNAUsersConference,2004.6 HappeeR.,JanssenA.J.,FratermanE.,MonsterJ.W.ApplicationofMadymoOccupantModelsinLS DYNA/MadymoCou圖6 胸部肋骨位移對比pling.4thEuropeanLS DYNAUsersConference,2003.(上接第13頁)參考文獻1 ManishKulkarn,iTaehyumShim,YiZhang.ShiftDynamicsandControlofDual-clutchTransmissionsJ.MechanismandMachineTheory42,2007.2 張?zhí)?葛安林,郭麗書,等.改善車輛起步換檔品質(zhì)提高乘坐舒適性的研究J.農(nóng)業(yè)機械學報,2003,34(1):18 24.3 翁曉明.濕式雙離合器變速器換檔品質(zhì)的研究J.汽車工程,2009,31(10).4 王娟,陳