双离合器自动变速器换挡规律及其仿真评价

何 宁 赵治国 李瑜婷

同济大学，上海，201804

0 引言

换挡规律的好坏对车辆的动力性、燃油经济性、安全性及舒适性等都有较大的影响，也是双离合器自动变速器（dual cl utch auto matic trans mission，DCT）的关键技术之一。目前较多选用的是彼得罗夫［1］的二参数换挡规律，即根据车速与节气门开度决定换挡时机和挡位。汽车的起步和换挡过程，基本都是加速或是减速的动态过程，为了使换挡更符合实际情况，葛安林等［2］提出了以反映真实动态过程的三参数换挡规律，三参数分别为车速、加速度和节气门开度。而Jo等［3］则采用发动机燃油消耗率设计了具有较好经济性的换挡规律。同时，车辆在换挡的过程中，为了保证车辆在换入新挡位后不会因为油门踏板振动或车速稍有降低而重新换回原来的挡位，在换挡规律曲线中存在着相邻两挡都可能的工作区，这种往返换挡之间的交错现象，称之换挡延迟［4］。换挡延迟能有效地减少换挡循环，从而保证了换挡过程的稳定性，提高了乘坐舒适性。

无论是二参数还是三参数的换挡规律，在理论计算时诸多参数与实车有所不同，加之换挡延迟的计算也具有不确定性，这就决定了实车使用的换挡规律与理论计算必然有一定的出入。为进一步考虑DCT变速器换挡过程的作动特点，因此在DCT换挡规律理论计算的基础上，进行仿真评价和参数在线标定就显得很有必要［5－6］。

本文针对六挡DCT车辆，对DCT变速器二参数及三参数的换挡规律进行了计算，建立了考虑DCT变速器动态特性的传动系统及整车模型，通过离线仿真比较分析了换挡规律对DCT样车性能（包括百公里加速时间和百公里油耗）的影响，并基于d SPACE硬件在环仿真试验对DCT的换挡规律进行了初步验证，并着重对换挡延迟参数进行了标定优化。

1 DCT车辆动态模型

本文研究对象为一辆装备了六挡DCT车辆，为全面考察DCT变速器动态性能及其对车辆燃油经济性的影响，建立了如图1所示的仿真模型，建模仿真参数如表1所示。

该模型将循环工况所确定的车速作为模型输入，具体包括驾驶员模块、发动机模块、制动模块、七自由度车辆纵向动力学模块、DCT变速器动力学模块及DCT控制模块等。

图1 建模整体框图

表1 仿真部分参数

在整个仿真模型中，驾驶员模块的主要作用为根据目标车速与实际车速的差值，利用PID控制器来模拟驾驶员以确定相应的踏板信号。发动机模块的主要作用为根据加速踏板及发动机转速信号确定发动机目标转矩，输出给DCT变速器，并根据发动机目标转矩反查节气门开度。制动模块主要作用为根据制动踏板位置，利用传递函数模拟液压制动系统的作动过程，确定制动力矩。七自由度车辆纵向动力学模块在考虑轮胎与路面相互作用的条件下根据轮胎及车辆纵向动力学确定车辆行驶状态。DCT变速器动力学模块主要根据当前的DCT及车辆状态，实现不同过程的系统模型以确定变速器的输出状态。DCT的控制模块主要作用为根据目前车辆的状态（包括换挡决策模块与换挡、起步过程控制模块及离合器压力控制模块，以及根据这些模块所发出的信号），确定DCT系统所在的状态及相应的离合器的状态。

连接以上各模块的输入输出信号，并将循环工况作为系统输入，即可得到完整的DCT仿真模型。

2 动力性换挡规律研究

根据汽车行驶方程式，最佳动力性换挡规律［7］是指：①在当前发动机油门，选取能够提供最佳动力性能的挡位；②选择能够满足车轮当前扭矩需求时发动机油门最小的挡位。

2．1 发动机扭矩特性的研究

本文采用1．8T汽油发动机，由试验数据可知，发动机的输出扭矩曲线是节气门开度及发动机转速的函数，即Ttq＝f（α，ne），根据试验所得数据对发动机的扭矩特性进行三次拟合，即可得到发动机输出扭矩特性曲线，如图2所示。图2中不同曲线分别代表在不同的节气门开度α下，发动机输出扭矩与转速的关系。节气门开度分别取8%、10%、12%、14%、16%、20%、24%、28%、30%、34%、38%、40%、60%、70%、80%、100%，如图2所示。

图2 发动机输出转矩特性

由图2可知，在发动机节气门开度较大的情况下，节气门开度的变化对发动机的输出扭矩的影响不明显；而在节气门开度较小的情况下，发动机转矩的变化受节气门开度变化的影响比较明显。

对于不同节气门开度间的转矩特性则采用线性插值的方法，即可构造关于发动机节气门开度和发动机转速的发动机稳态输出转矩模型αne－Ttq，如图3所示。

图3 发动机输出转矩特性曲面

2．2 二参数最佳动力性换挡规律

由定义可知，最佳动力性升挡规律可通过车辆在不同挡位下不同节气门开度时的牵引力特性曲线求得。不同挡位、不同节气门开度下的汽车驱动力曲线见图4。在图4中，同挡位下不同的驱动力曲线从下到上代表在不同的节气门开度，节气门开度从下到上依次增加，取值见2．1节。

图4 不同挡位、不同节气门开度下的汽车驱动力曲线

按照文献［2］的方法，将各挡位下求得的若干个换挡点拟合成α－u曲线，可以求得二参数最佳动力性升挡曲线。在降挡规律的设计中，本文选取组合型换挡延迟，对节气门开度进行分段，在不同的区域选取不同的收敛程度B（B＝ （un↑－un＋1↓）／un↑，其中，un↑ 为全开节气门时，n挡换入n＋1挡时的车速；un＋1↓为全开节气门时，n＋1挡降到n挡时的车速），即当0＜α≤10%时，B＝0．35；当10% ＜α≤40% 时，B＝0．25；当40% ＜α≤100% 时，B＝0．10。

在小节气门开度时选取较大的换挡延迟，可以使车辆避免频繁换挡，且使发动机工作在转速较小的区域，在保证动力性的同时改善车辆的燃油经济性。而在α≥40%时，选取较小的换挡延迟，使车辆在大节气门开度时提前降挡，且在降挡前后转速差较小，从而获得更好的动力性。由此可得完整的二参数最佳动力性换挡规律，如图5所示。由图5可知，在低挡时，升挡及降挡曲线之间的换挡延迟区域较小，而在高挡时，升挡及降挡曲线间的换挡延迟区域较大。在节气门开度大的情况下，升挡的换挡规律类似于单参数换挡规律，而在节气门开度小的情况下，升挡的换挡规律在同一车速下随节气门开度变化较大，特别是高挡的换挡规律，换挡特性呈下凹型，即当节气门开度α≤25%时换挡车速随着节气门开度的增大而增大，当节气门开度25%＜α＜40%时，换挡车速又随着节气门开度的增大而减小。

2．3 动态三参数最佳动力性换挡规律

采用作图法制定动态三参数换挡规律，三参数最佳动力性换挡规律的基本求解过程与二参数相同。由发动机转矩特性转化得到汽车加速度－速度曲线，如图6所示，节气门开度取值见2．1节。

图5 二参数最佳动力性换挡规律

图6 不同挡位、不同节气门开度下加速度－速度曲线

根据二参数最佳动力性换挡规律的求解过程，用加速度特性代替驱动力特性，即可求得换挡点。将各个挡位下求得的若干个换挡点拟合成a－u－α曲线，即可求得各挡位间的动态三参数最佳动力性升挡曲线，如图7所示。

图7 动态三参数动力性升挡曲线

由图7可知，换挡点不仅由车速和节气门开度决定，还与当前的加速度有关。对于某一节气门开度，低挡的换挡加速度要大于高挡的换挡加速度；对于某一挡位而言，换挡加速度随着节气门开度的减小有减小的趋势。

3 经济性换挡规律研究

经济性换挡规律是在保证汽车动力性的前提下，取燃油消耗率小的换挡点而形成的换挡规律。

3．1 发动机的油耗特性

等速情况下汽车单位时间内的燃油消耗量：

折算成百公里燃油消耗量为

式中，b为燃油消耗率，g／（k W·h）；ρ为燃油的密度，kg／L；P为发动机功率；C为常数；ua为等速行驶车速，k m／h。

通过发动机试验所得的燃油消耗量、发动机转速等数据可以求得发动机的稳态油耗特性，即ne－Ttq－qt曲面，如图8所示。

图8 发动机稳态油耗特性曲面

3．2 二参数最佳燃油经济性换挡规律

对于二参数最佳燃油经济性换挡规律的求解一般采取等驱动力法，即假设换挡前后外界驱动力不变及换挡车速不变来求解换挡点。但此方法求解过程复杂，且在利用MATLAB程序编程实现时，很大程度上依赖于所选取的等驱动力的数值，如选择不当，对换挡规律结果的准确性有很大的影响。故本文借鉴了作图法，以燃油消耗率作为判断依据，求解二参数最佳燃油经济性升挡规律。作图法的实质就是求取在相同驱动力情况下燃油消耗量最小的点，而在驱动力确定的情况下，燃油消耗量仅与燃油消耗率有关，故其可转换为在某相邻两挡燃油消耗率最小的点，按照二参数最佳动力性换挡规律求解过程，即可求解二参数最佳经济性换挡规律。

在百公里油耗计算式（2）中：

故式（2）可以转化为

式中，rw为车轮半径，m；Ft为驱动力，N；ηt为传动效率，%；C为常数；ig为各挡传动比；i0为总传动比。

发动机负荷特性是指燃油消耗率b与发动机输出功率P及发动机转速ne的对应关系，即

由式（3），发动机功率可通过台架试验所得的发动机转矩数据获得，而发动机转矩由其转速和节气门开度决定，即

则发动机燃油消耗率即可转化为发动机转速和节气门开度的函数，即

根据式（7）及试验所得数据，即可得到燃油消耗率与发动机转速及节气门开度间的关系，由此即可将其转化为在不同挡位、不同节气门开度下的燃油消耗率－速度曲线，如图9所示，节气门开度取值见2．1节。

图9 发动机在不同挡位，不同节气门开度下燃油消耗率－速度曲线

根据二参数最佳动力性换挡规律的求解过程，以燃油消耗率代替驱动力，即可求得相应换挡点。

将各个挡位下求得的若干个换挡点拟合成α－u曲线，该曲线即为该挡的升挡曲线。按照同样的方法，可以求得其他挡位间的二参数最佳经济性升挡曲线。

根据对换挡延迟的研究，采用等延迟型换挡延迟在小节气门开度时可提前换入高挡，既减小发动机噪声，又可延迟从高挡换回低挡，改善了燃油经济性，故此处采用等延迟型换挡延迟。在低挡时，设置Δu＝7k m／h，在高挡时，设置Δu＝12k m／h，以避免高挡时的频繁换挡。最终所得的二参数经济型换挡规律如图10所示。

图10 二参数最佳经济性换挡规律

由图10可知，在大节气门开度时，换挡曲线几乎为直线，类似于单参数换挡曲线，但在高挡换挡时，特别是4挡、5挡以及5挡、6挡的换挡，随着节气门的增大，换挡车速有一定的减小趋势。这是因为当油门开度大于75%时，根据大功率的要求，发动机的空燃比将减小，混和气加浓，造成发动机燃烧不完全，燃油消耗率将增大，使汽车的燃油经济性恶化。为此降低换入高挡的速度能使汽车尽量在高挡行使，以提高发动机的燃油经济性。而在小节气门开度时，换挡曲线比较接近，各挡位之间的区间较小，而且换挡曲线变化较陡，特别是在节气门在15%～25%的区间内，随着节气门的增大，换挡车速急剧增大。

3．3 动态三参数最佳燃油经济性换挡规律

基于车辆驱动力方程的发动机功率公式为

式中，G为汽车重力，N；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为车辆迎风面积，m2；γ为道路坡度；δ为旋转质量换算系数。

小时燃油消耗量公式为

由式（7）可知小时燃油消耗量可表示为

小时燃油消耗量与总燃油消耗量的关系为

当加速度d u／d t取定值时，设d u／d t＝a，则燃油消耗量为

根据试验数据，可拟合得到燃油消耗量与速度的关系曲线，如图11所示。

图11 发动机在不同挡位、不同节气门开度下燃油消耗量－速度曲线

设定某一加速度值，并根据二参数最佳动力性换挡规律的求解过程，即可求得发动机燃油消耗量－速度曲线上相应的交点，即换挡速度。再依次设定不同的加速度值，求得不同加速度值下的换挡速度。将同一挡位下求得的若干个换挡点拟合成α－u－a曲面，该曲面即为该挡的换挡曲面。按同样的方法，可求得其他挡位间的三参数最佳经济性升挡换挡曲面，如图12所示，右边为升挡的挡位。

图12 三参数最佳经济性升挡换挡曲面

4 离线仿真结果

将所得换挡规律带入到整车模型中，以100%及50%的油门开度对模型进行仿真，以车辆在100%油门踏板量下车辆加速到100k m／h的时间作为动力性评价指标，以车辆在50%的油门踏板量的情况下行驶到1k m时的油耗量作为经济性评价指标，仿真结果如表2所示。由表2可知三参数动力性及经济性换挡规律较二参数较好，但由于其考虑到加速度的因素，实际运用起来有一定困难，故目前依旧使用二参数换挡规律较多。

表2 二参数、三参数换挡规律对比分析

将所得二参数换挡规律代入到装有DCT的闭环整车模型中，基于ECE＋EUDC循环工况仿真进行经济性评价，并与装备手动变速器（JC650）的该车进行了对比，结果如表3所示。可见装备DCT后该车比原装备手动变速器省油且经济性换挡规律比动力性更加节油，所求换挡规律具有一定的可行性。

表3 ECE＋EUDC循环工况下DCT油耗

将所得二参数换挡规律带入到装有DCT的开环整车模型中进行百公里加速仿真，结果如表4所示。

表4 二参数换挡规律动力性评价

二参数最佳动力性换挡规律的百公里加速时间较二参数经济性换挡规律百公里加速时间短，动力性好。

5 DCT性能硬件在环仿真研究

在DCT控制系统研发的前期，采用硬件在环仿真试验台，可以准确地对各种控制策略，特别是极端危险状况下的控制策略进行优化，与数字仿真相比，由于其具有一定的实时性，可相对准确地对各种策略的预期效果进行实时预测和评价［8］。基于d SPACE与CANape软件，搭建了包含TCU的DCT硬件在环仿真平台，对DCT换挡规律等控制参数作了一定标定优化，为进一步的实车试验奠定了基础。

5．1 DCT硬件在环仿真平台的搭建

硬件在环仿真系统主要由三部分组成：系统实时仿真模型、高速接口模块和PC机监控系统。本文综合利用Micro Autobox、TCU硬件控制器、两台电脑及CANape、MATLAB／Si mulink等软件组成硬件在环仿真平台。

图13为DCT硬件在环仿真平台结构示意图。电脑1显示的由Matlab／Si mulink所建立的DCT车辆实时仿真模型，包括发动机模型、汽车系统动力学模型、DCT系统模型及RTI接口模型等。将模型下载到d SPACE Micr o Autobox的处理板DS1401后，通过d SPACE系统综合试验软件Control Desk建立起硬件在环仿真试验界面，对模型的信号，如发动机转速、车速、离合器评价指标及车辆燃油消耗率等系统状态变量进行动态显示和记录，以便及时分析调整模型及策略。

电脑2显示的所编写的控制策略。通过该计算机上装有的Codewarrior软件，将由控制策略自动生成的代码编译为目标代码，并将其烧至TCU中。通过CANape软件，编写标定文件及设计标定界面，对控制策略中的离合器压力及换挡规律进行实时标定，并对系统状态进行测量显示。

图13 DCT硬件在环仿真平台结构示意图

Micro Autobox与TCU间通过CAN通进行通信。系统模型在Micr o Autobox中实时计算，并向TCU发出如车速、发动机转矩等车辆状态信号，TCU接收到Micr o Autobox发出的车辆状态信号后，利用烧写在TCU中的控制算法实时判断车辆所在的起步、换挡、在挡等状态，并对离合器压力作一定的控制输出，实时反馈给Micr o－Autobox，从而构成了DCT整个硬件在环仿真平台。图14为DCT硬件在环仿真平台实物。

图14 DCT硬件在环仿真平台实物

5．2 硬件在环仿真结果及其分析

将计算所得的两参数换挡规律作为基础数据，固定节气门开度不变，在标定界面上对同一节气门开度下的速度在一定范围内的拖动，并以百公里加速作为换挡规律动力性优劣的评价指标，以百公里油耗作为换挡规律经济性的评价指标，综合这两项指标，对动力性和经济性换挡规律作一定的优化。

5．2．1 动力性换挡规律优化分析

首先对动力性换挡规律进行百公里加速实验，仿真开始后，将踏板值迅速增大到100%，当车速达到100k m／h时停止仿真，记录下时间及油耗。再对同样的五组换挡规律进行经济性评价，即其基于ECE＋EUDC工况进行仿真，记录下百公里油耗。表5所示为不同动力性换挡规律下的百公里加速仿真结果及ECE＋EUDC循环工况百公里油耗。

表5 动力性换挡规律仿真结果

综合表5可以看出，这5组换挡规律的经济性和动力性差别均不大，综合各项指标，选取第五组换挡规律作为较优的动力性换挡规律。图15所示为优化前后的动力性换挡规律的对比。由图15可以看出，经过调整后，动力性换挡规律更为平坦，且相对于原换挡规律，在同一节气门开度下换挡速度增大。

图15 标定前后动力性升挡规律对比图

5．2．2 经济性换挡规律优化分析

采用与动力性换挡规律同样的方法对经济性换挡规律作一定的评价。表6所示为不同经济性换挡规律下的百公里加速仿真结果及ECE＋EUDC循环工况百公里油耗。综合各项指标，选取第三组换挡规律作为较优的经济性换挡规律。

表6 经济性换挡规律的仿真结果

图16所示为优化前后的经济性性换挡规律的对比。由图16可以看出，标定后，经济性升挡曲线的变化趋势并无较大变化，只是曲线整体向后平移，即在同一节气门开度下，换挡车速增大。

6 结论

（1）动力性换挡规律的换挡车速较高，经济性换挡规律的换挡车速较低，这使车辆在运用动力性换挡规律时，能在低挡运行，车辆驱动力较大，动力性较好，而在运用经济性换挡规律时，车辆提前进入高挡，使燃油消耗率降低，经济性较好。

（2）换挡延迟对换挡特性也有一定影响，针对不同的换挡特性，需选择不同的换挡延迟。

（3）所搭建的DCT硬件在环仿真平台在较好地模拟DCT动态性能的基础上，也为其换挡参数的标定和优化提供了平台，所得的换挡规律也为日后的实车试验奠定了基础。

图16 标定前后经济性升挡规律对比图

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