选择性输出的双离合器自动变速器建模及仿真分析

朱耀文， 王其东， 孙保群

（1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 汽车工程技术研究院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

与手动变速器和自动变速器相比较而言，双离合器自动变速器（DCT）同时具备了它们的优点，传动效率高，不仅保证了车辆的动力性和经济性，而且改善了车辆的行驶舒适性［1］。双离合自动变速器主要由机械传动系统和控制系统构成，控制系统是其关键的组成部分。

传统的动态建模和仿真都是在汽车动力学的基础上，运用Simulink搭建数学模型，尤其对于DCT系统，建模过程相当复杂［2］。

本文应用物理建模工具箱SimDriveline建模，不需要复杂的数学推导，简化建模过程，动态响应更具体更真实，为运用一种新的建模工具搭建传动系统动力学模型以及DCT控制系统的设计提供一定的经验。

1 DCT结构及其工作原理

1.1 DCT结构

选择性输出的双离合器自动变速器采用双行星轮系结构，利用制动实现换挡，可以通过变速器壳体进行供油，提高了变速器换挡机构的工作稳定性和可靠性。

由于采用制动器，因此，不但可以使用常见的多片式摩擦片实现制动，也可以采用盘式制动器或者制动鼓式制动器实现换挡功能，可以有效简化控制方式和控制环节［3］。变速器三维结构如图1所示，为同时便于观察内部结构，对其壳体作了半透视化处理。

图1 双离合器自动变速器三维结构

1.2 DCT工作原理

传统的DCT通过2个离合器的交替切换来完成换挡过程，而该变速器则通过控制离合器和同步器的工作状态即可实现换挡。

工作原理如图2所示，其中虚线箭头部分表示一挡动力传递路线。

空挡时，所有同步器处在中位，离合器处于分离状态；一挡时，拨叉使得同步器Ⅲ左位，同步器Ⅱ右位，离合器Ⅱ结合，此时在行星轮系中，太阳轮输入，齿圈固定，行星架输出；判断升至二挡时，拨叉使得同步器Ⅰ右位，完成预挂挡，离合器Ⅱ逐渐分离，而离合器Ⅰ逐渐结合，直至换挡成功。判断升至三挡时，拨叉使得同步器Ⅱ左位，完成预挂挡，离合器Ⅰ逐渐分离，而离合器Ⅱ逐渐结合，直至换挡成功，此时行星轮系为直接挡输出。判断升至四挡时，拨叉使得同步器Ⅰ左位，完成预挂挡，离合器Ⅱ逐渐分离，而离合器Ⅰ逐渐结合，直至换挡成功。而在倒挡时，同步器Ⅲ右位，同步器Ⅰ左位，离合器Ⅰ结合，离合器Ⅱ分离。

图2 双离合器自动变速器工作原理

2 传动系统及控制系统模型的构建

2.1 SimDriveline简介

Simulink工具箱中的SimDriveline模块库［4］，是专门为车辆动力传动系统建模仿真设计的。与传统的数学模型不同，SimDriveline采用基本元素法按照实际物理系统来构建，可以直接选用发动机、离合器、变速器、转动惯量、车轮等自定义模块，能建立并仿真车辆动力传动系统的机构模型，还可以通过它模拟、分析及控制车辆的各种系统，同时模型接口间以力矩传递为主，具有双向性，动态特性很好，极大地方便了动力传动系统模型的构建。

2.2 构建各部分模型

2.2.1 发动机模型

发动机是汽车的动力源泉，其输出的转矩经过传动系传递给驱动轮产生牵引力，从而驱动汽车行驶，因此，发动机模型是整个汽车系统模型的基础。本文采用SimDriveline元件库中提供的Generic Engine模块。

2.2.2 变速器模型

在SimDriveline模块库中，离合器模型如图3a所示，P端口是控制压力接口，也是控制系统的接口，由控制器控制。B端口是主动轴接口，F端口是从动轴接口。行星轮系如图3b所示，C是行星架，R是齿圈，S是太阳轮。依据变速器结构，将行星轮系及其他元件相互连接，即可构建出变速器传动系统模型。

图3c是一、三挡时变速器的模型。执行器控制同步器的移动位置，将行星轮系的齿圈制动，或将齿圈与太阳轮锁定，从而分别实现一、三挡动力传递。

2.2.3 控制系统模型

双离合自动变速器的核心和关键部分就是换挡规律的制定和离合器的控制。在该Simulink模型中，以2个离合器的滑摩状态、油门开度、发动机转速、车速作为输入信号，实现挡位的制定及离合器油压的控制［5－8］。

图3 变速器传动系统部分模型

2.2.4 车体及轮胎模型

车体模型采用SimDriveline中的Vehicle Body模块，轮胎采用 Magic Formula（MF）模型。此外还有转动惯量及环境设置模块，相对简单。

2.3 整车模型

如图4所示，将前面建立的各个模型进行连接，即可得到装有选择性输出的双离合器自动变速器车辆的整车动力学模型。

图4 整车动力学模型

3 仿真结果

为了验证所建模型的合理性，按照自定义信号发生器给定的油门踏板输入信号，对前面所建立的包括控制模型在内的整车模型进行仿真，得到各仿真结果，如图5所示。图5a为仿真过程中发动机转速的变化情况；图5b为汽车实时车速；图5c显示了当前仿真时刻的工作挡位，其中，当挡位为0.5、1.5、2.5、3.5时，表示在挂入相应挡位之前，同步器预先接合，实现预挂挡；图5d为换挡过程中，作用在2个离合器片上的油压。在DCT升挡时刻，换挡控制机构接到控制系统发来的换挡指令，控制低挡离合器开始降低压力分离、高挡离合器升高压力结合，2个离合器分离与结合相互配合，切换工作状态，从而最终顺利实现挡位的切换。

图5 仿真结果

4 结束语

本文建立了车辆双离合器自动变速器仿真系统并进行了仿真实验，仿真结果与理论分析相一致，得到的实验数据符合实际情况，证明该模型能够比较准确地模拟离合器换挡过程的动态特性，具有较好的实用价值，为DCT换挡规律与控制策略的研究及其系统产品的开发提供了理论基础。

本文采用SimDriveline建立双离合自动变速器模型，结果表明：SimDriveline作为一个高效、直观的动力系统物理建模工具，大大简化了建模的复杂性，缩短了DCT研发时间，同时也降低了成本，在DCT以及整个动力传动系统设计中具有良好的应用前景。

［1］张金乐，马 彪，张英锋，等.双离合器自动变速器换挡特性与控制仿真［J］.农业机械学报，2010，41（5）：6－11.

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