并联行星轮系双离合自动变速器换档规律研究

陶城，夏光，汪韶杰，李旗号

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

并联行星轮系双离合自动变速器换档规律研究

陶城1，夏光2，汪韶杰2，李旗号1

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

介绍并联行星轮系双离合自动变速器的结构特点和工作原理，基于发动机的特性制定动力性和经济性的基本换档规律，并根据不同工况和驾驶意图，建立综合性换档规律。建立带有模糊自适应PI控制器的驾驶员模型，并利用相关平台建立目标车型的整车动力学模型，在10-15模式循环工况下验证综合性换档规律的准确性与可靠性。

并联行星轮系；双离合自动变速器；换档规律

双离合自动变速器（DCT）是在手动变速器的基础上发展而来的一种新型的自动变速器。它不仅拥有手动变速器的灵活性，而且还拥有自动变速器的舒适性，在整个换档过程中无明显的动力中断现象。目前，制定DCT换档规律常用两参数换档规律，即利用车速与油门开度，再根据整车参数以及动力传动系统性能，基于特定车辆工况与行驶环境制定换档规律。这种方法在油门开度较大时，动力性换档规律误差较大，不能使车辆真正发挥出最佳性能［1］。因此，本文研究采用三参数换档规律制定动力性换档规律和两参数换档规律制定经济性换档规律，并通过建立目标车型的Matlab/Simulink/ Stateflow仿真模型，验证所制定的换档规律的准确性和可靠性。

1　结构及工作原理

为了保证DCT换档过程的平顺性与舒适性，本文以自主研发的8速并联行星轮系双离合自动变速器为研究对象，采用三参数换档规律制定动力性换档规律。三参数换档规律是增加加速度作为另外一个控制参数，以进一步反映汽车的实际操作规律，能够改善燃油经济性、加速性和舒适性。

1.1并联行星轮系DCT的结构特点

自主研发的8速并联行星轮系DCT的结构示意图如图1所示，采用双行星轮并联、单输入轴和双中间轴的结构设计［2］。与传统的DCT相比，它的主要变化有以下几个方面:

1）结合了AT的行星轮系与DCT的双离合概念，是一种新型的双离合自动变速器。

2）采用了双中间轴的结构设计特点，避免了空心轴的结构，降低了对制造和加工精度的要求。

3）采用了后置式的双离合器与双制动接合器（其功能相当于离合器），在离合器结合时转速小，可以有效地降低磨损。

图1　并联行星轮系双离合自动变速器结构示意图

1.2并联行星轮系DCT工作原理

以1档升2档为例，如图1所示，当车辆以1档行驶时，同步器2左位，制动接合器1结合，动力由输入轴经过一对齿轮传递给中间轴1，再经行星轮系1和主减齿轮，由输出轴输出。当TCU判断车辆将由1档换入2档时，电液控制系统通过电磁阀向油缸充油，控制同步器1右位，同步器3左位，2档便预置完成。当换入2档时，制动结合器2结合，同时，制动接合器1分离，动力分别由输入轴经过一对齿轮、中间轴，行星轮系2和主减齿轮，传递到输出轴，且整个过程无明显的动力中断，1档换2档的整个过程便完成了。通过2个制动接合器、2个离合器和3个同步器的不同组合，可以实现8个前进档和2个倒档。其它的升降档过程与此类似。

2　换档规律的制定

2.1发动机工作特性的拟合

发动机的工作过程很复杂，为了便于计算，采用发动机的转矩特性曲面，即发动机在不同油门开度和转速下的转矩。研究表明，发动机转矩可表达为节气门开度和转速的函数，即Te=f（a，ne），对发动机稳态实验数据进行插值拟合，可以得到发动机稳态转矩特性曲面［3］，如图2所示。

图2　发动机的扭矩特性曲面

2.2动力性换档规律的制定

动力性换档规律是指车辆在换档前后始终可以获得最大加速度（或者最大驱动力）的换档规律。本研究采用三参数换档规律，即同时考虑油门开度，速度和加速度三者之间的关系。为了保证动力性，取同一油门开度下相邻两档加速度曲线的交点作为动力性升档曲线的换档点，即有

由文献［4］可知力平衡方程:

式中:Ttq为发动机的输出扭矩；io为主减速器传动比；ig为变速器传动比；ηT为传动效率；r为汽车车轮的滚动半径；m为汽车的质量；α为道路的倾角；f为汽车在道路行驶的阻力系数；Cd为汽车行驶过程的风阻系数；A为汽车的迎风面积。

在给定油门开度时，根据发动机实验，可拟合扭矩特性Ttq=f（ne）为二次曲线

则可将牵引力Ftn拟合成

联立上式（1）-（4）并化简，可得到关于动力性换档速度vd如下形式的平衡方程:

从而可以求出相邻两档的动力性换档点速度为:

若求出的vd为正值，且大于该油门开度下下一档位（升档）最小车速，并小于同一油门开度下该档位对应的最大速度，则所求的速度vd为相邻两档的动力性换档点的速度；否则，取该档位下最大行驶车速作为动力性换档点。动力性升档曲线如图3中实线所示。

动力性降档曲线是在基于动力性升档曲线的基础上获取得到的。动力性降档规律的边界换档点选取原则为:

1）为了避免循环换档现象，降档车速应比对应的升档车速低2～8 km/h。

2）为了避免发动机熄火，降档车速应大于或等于该档位下的最低行驶车速。

根据文献［5］，换档规律可用发散或收敛程度An表示:

式中:vn↑为全开油门时，n档升为（n+1）档的车速；vn+1↓为全开油门时，（n+1）档降为n档的车速。通常An应小于0.4～0.45（工程经验值），同时有下降趋势［6］。

本文采用收敛型和等延迟性组合的换档规律，即在油门开度为［0，12%］，选取最低行驶车速为该档位下的降档点；油门开度为［12%，38%］时，取An=0.4；油门开度为［38%，78%］，取An=0.3；油门开度为［78%，100%］时，采用等延时换档规律强制换档，一般降档车速比升档车速低2～8 km/h。动力性降档曲线如图3中虚线所示。

图3　动力性换档规律曲线

2.3经济性换档规律的制定

经济性换档规律主要实现汽车换档前后燃油消耗量始终处于最低水平。该研究选取发动机的燃油消耗率be［g/（kW·h）］作为换档指标，为了保证燃油经济性，应该取同一油门开度下相邻两档燃油消耗率曲线交点作为经济性换档点［7］，即有

在给定油门开度时，根据发动机实验，可拟合小时油耗特性Qt=fn（ne）为二次曲线

发动机燃油消耗率be与小时油耗Qt之间的关系式为:

联立式（3）、（5）、（6）、（7），可得到关于经济性换档速度vj如下形式的平衡方程:

若求出vj为正值实数，且vj大于该油门开度下下一档位（升档）最小行驶车速，并小于同一油门开度下该档位对应的最大行驶速度，则所求的速度vj为相邻两档的经济性换档点的速度；否则，则取该档位下最大行驶车速的小时油耗与下一档位下（升档）的最小行驶车速的小时油耗相比较，取小时油耗低的点的速度为相邻两档的经济性换档点速度［8］。经济性升档曲线如图4中实线所示。

经济性降档采用等延迟换档规律，一般降档车速比升档车速低2～8 km/h。经济性降档曲线如图4中虚线所示。

2.4综合性换档规律

为了使车辆可以适应不同的路况和不同的驾驶意图，需要制定兼顾动力性换档和经济性换档规律的综合性换档规律来满足这种需求［9-10］。综合性换档规律可以通过以下公式设计:

式中:x为动力性分配系数，y为经济性分配系数，x+ y=1。

综合性换档规律如表1所示。

表1　综合性换档规律

3　整车模型的建立与仿真分析

3.1驾驶员模型的建立

图5　模糊自适应PI控制器框图

驾驶员模型是个复杂的控制系统，本文采用模糊自适应PI控制器建立驾驶员模型［11-13］。模糊自适应PI控制器是由模糊控制器和PI控制器通过串联组合而成的。如图5所示，模糊控制器的输入为车速差e（目标车速与实际车速之差）和加速度差ec，PI控制器的输入为车速差e和车速差积分∫e（t）dt，模糊控制器的输出作为PI控制器的输入修正量，PI控制器的输出作为油门和制动踏板开度的信号，其中△Kp和△Ki为PI调节的参数Kp和Ki实时修正量。输入和输出均选择三角形和梯形函数的组合，如图6所示。速度差e和加速度差ec的论域为［-2，2］，其模糊子集为［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］；输出变量△Kp和△Ki的论域分别为［-0. 15，0.15］、［-0.03，0.03］，其模糊子集为［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］。根据以上分析建立模糊规则，如表2和表3所示。

图6　输入量与输出量的隶属度函数

表2　△Kp的车速跟踪模糊规则

表3　△Ki的车速跟踪模糊规则

图7　目标车型的整车仿真模型

图8　车辆模拟仿真信息图

3.2整车模型的建立及仿真结果分析

利用Matlab/Simulink/Stateflow建立目标车型的整车动力学模型，如图7所示。该模型包括驾驶员模型、发动机模型、变速器模型、换档逻辑模型、车辆动力学模型等。

为了验证综合换档规律的准确性，采用10-15模式循环工况进行仿真。该循环工况是由3个10模式和1个15模式组成，总运行距离为4.16 km，总运行时间为660 s，最大车速为70 km/h，平均车速22.7 km/h。

循环工况下车速跟随情况，如图8（a）所示，目标车速曲线和实际车速曲线大体一致，满足国家汽车试验标准的±2 km/h的精度要求［14］。由图8（b）还可知，在整个循环工况下，没有出现循环换档现象，可以说明针对所配备并联行星轮系双离合自动变速器的目标车型所制定的换档规律是准确与合理的。

4　结束语

应用Matlab/Simulink/Stateflow仿真软件建立了基于模糊自适应PI控制器和目标车型的整车动力学模型，并对所设计的综合性换档规律进行仿真分析，结果表明所制定的换档规律满足汽车的行驶要求。对于DCT系统而言，合理的换档规律是实现自动变速的前提。该研究为后期的台架试验提供了基础，可以缩短自主研发并联行星轮系双离合自动变速器的进程。

［1］朱耀文.选择性输出双离合自动变速器传动系统建模与换档规律研究［D］.合肥:合肥工业大学，2012.

［2］朱文峰.基于改进多目标遗传算法的新型变速器齿轮系优化设计［D］.合肥:合肥工业大学，2013.

［3］陈永东.电控机械式自动变速器换档规律的研究［D］.武汉:武汉理工大学，2007.

［4］余志生.汽车理论［M］.4版.北京:机械工业出版社，2007:1-74.

［5］葛安林.车辆自动变速理论与设计［M］.北京:机械工业出版社，1993.

［6］张苏文.基于驾驶员意图的AMT换档控制策略研究［D］.重庆:重庆大学，2014.

［7］刘兆宇.基于道路环境的AMT汽车换档控制研究［D］.重庆:重庆大学，2014.

［8］张国胜，牛秦玉，方宗德，等.最佳燃油经济性换档规律理论及其应用研究［J］.中国机械工程，2005，16（5），446-449.

［9］金靖诗，鲁统利.AMT车辆坡道行驶综合控制换档规律的研究［J］.客车技术与研究，2010，32（5）:8-11.

［10］吴坤.自动变速器换档规律修正方法研究［D］.长春:吉林大学，2014.

［11］陈刚，张为公.基于模糊自适应PID的汽车驾驶机器人的车速控制［J］.汽车工程，2012，34（6）:511-516.

［12］吴松松，郑燕萍，杜政平，等.基于模糊PID控制理论的驾驶员模型的建立［J］.公路与汽运，2012，28（4）:14-16.

［13］尤银刚，罗映，孔庆祥.双离合变速器建模仿真及分析［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2015，29（5）:6－11.

［14］满敏.电动汽车动力测试平台及道路工况模拟试验的研究［D］.上海:上海工程技术大学，2014.

修改稿日期:2016-04-29

Shift Ru leResearch on the Dual-clutch Automatic Transm ission w ith

ParallelPlanetary Gear Train Tao Cheng1，XiaGuang2，WangShaojie2，LiQihao1
（1.SchoolofMechanicaland Automotive Engineering，HefeiUniversity ofTechnology，Hefei230009，China；2.InstituteofAutomotive Engineering，HefeiUniversity of Technology，Hefei230009，China）

The structural characteristicsand theworking principlesof the dual-clutch automatic transmission with parallel p lanetary gear train are introduced.The basic shift rulesabout power and economy are formulated based on theengine characteristics.And the comprehensive shiftrule is founded according todifferentworking conditionsand driving intentions.A drivermodelwith fuzzy self-adaptive PIcontroller isestablished，and thedynamicmodelof the targetvehicle is founded byusing relativeplatforms.Then theaccuracyand reliabilityof the comprehensiveshift rule isverified through the10-15mode cycle conditions.

parallelplanetarygear train；dual-clutch automatic transmission；shift rule

463.212+.2

A

1006-3331（2016）05-0008-05

安徽省科技攻关项目（12010202032）

陶城（1991-），男，硕士；研究方向:双离合自动变速器换档规律研究。