基于起步工况的双离合器变速器控制研究

王小飞,顾以慧

(上海汽车变速器有限公司，上海 201800)

0 引言

随着国内外汽车市场的发展，越来越多的车型搭载自动变速器[1]。其中匹配双离合自动变速器的车型占比越来越高,当前市场上针对双离合变速器的抱怨主要集中在低速拥堵路况，包括起步顿挫、换挡冲击等问题[2]。双离合变速器由于硬件结构和工作原理限制，低速工况下的顿挫和冲击一直是需要优化的重点问题[3]。文献[4-9]主要研究了干式双离合变速器的起步工况，由于干式双离合器变速器和湿式双离合变速器结构不同，所以大部分策略不可以直接套用在湿式双离合器变速器上。文献[10-16]虽然研究了湿式双离合变速器及其起步控制策略，但是研究都只是粗略地从理论分析，并没有实际批量产业化经验。

这些研究都太过理想化，文献[4-16]的研究成果都只能停留在理论层面，变速器是一个很复杂的部件，从计算控制目标到执行器执行，需要整个系统的协作，在这个协作过程中不可避免地会出现结果相对目标具有一定迟滞和误差，这些迟滞和误差会在不同情况下表现出不同问题。同时，在变速器工作过程中，引起相同驾驶性问题的原因有很多，某项因素在不同偏差时会有不同的问题。由于变速器内部零件较多，低速工况下车速不停地变化，涉及的控制逻辑和执行端执行过程都很复杂，具有一定随机性，很难用动力学方程精准地实时计算车辆的运行状态，所以起步控制一直是双离合变速器开发过程中的关键技术和难点之一[17]。本文作者基于已量产项目的研发经验，对起步控制原理进行介绍，分析起步工况中难以避免的问题，给出解决方案，通过实车验证方案的优化效果。

1 起步控制基本原理

目前双离合变速器起步控制主要应用转速控制的起步控制策略，因此需要考虑不同油门下发动机转速-扭矩曲线。这种控制方式以油门开度为控制依据，为充分体现驾驶员意图，以某一油门踏板开度下，发动机输出扭矩最大时的发动机转速为控制目标，如图1所示。保证在整个起步过程中，发动机能够输出该油门下最大扭矩。

图1 发动机外特性(Pedal-Map)曲线

整个起步过程中，发动机在某一转速下产生的扭矩一部分要克服自身惯量，用于提高发动机转速；另一部分要传递到轮端，用于驱动车辆。因此在整个起步过程中需要在恰当的时机，合理地分配发动机产生的能量。为了保持整车动力性，离合器需要尽可能传递发动机的动力。但是当发动机转速爬升较慢时，由于发动机扭外特性限制，发动机能输出净扭矩较小，动力性较弱，为了让发动机能够有较大的扭矩储备，需要让发动机转速先提升到一个较大的转速，但是当发动机转速过高时，经济性变差，同时会有轰鸣声，驾驶性体验较差。为了使发动机能够兼顾动力性和驾驶性，需要变速器设置合理的目标转速，通过调节前馈和PID的组合控制器,控制离合器传递扭矩使发动机的实际转速较好地跟随设定的目标转速。

如图2所示，由于发动机在普通怠速时转速较低，储备扭矩较小，难以满足离合器传递扭矩的要求，因此需要起步让前期发动机扭矩尽可能用于提升转速，为了提高动力性，整车能够踩下油门后最短时间内有车速，这就要求离合器传递最小扭矩需要大于静态时整车静摩擦力。由于上述两个原因，需要在发动机转速低于一定值时，一直传递较小扭矩，即前馈扭矩，发动机转速大于一定值后，前馈和PID的组合控制器采用取大的逻辑，即输出扭矩取前馈扭矩和PID计算扭矩中较大值，所以起步控制分两个阶段，第一阶段传递前馈扭矩，让离合器传递一个恒定的扭矩；第二阶段传递PID计算扭矩，让发动机转速贴近目标转速。

图2 基于发动机恒定目标转速的控制方式

前馈扭矩取值一般较小，稍大于整车静摩擦力。PID控制器根据发动机目标转速和实际转速差值计算离合器传递扭矩，从而控制发动机实际转速，具体计算公式如下：

ωe=ωt-ωa

(1)

式中:ωe为发动机目标转速和实际转速差值;ωt为发动机目标转速;ωa为发动机实际转速。

Tclu=Teng-TPID

(2)

式中:Tclu为目标离合器扭矩;Teng为发动机数据净扭矩经过滤波后扭矩;TPID为PID控制器基于ωe算得扭矩。

由上式可得，当转速差为正时，表明发动机实际转速低于目标转速，需要转速继续拉升以提高扭矩输出，PID控制器减小离合器传递扭矩；当转速差为负时，表明发动机实际转速超过目标转速，PID控制器增大离合器传递扭矩。通过这种调节，可以让发动机输出变速器的目标转速，同时保证稳定的动力输出。

2 滑摩功优化

起步过程中，离合器主动盘和从动盘之间转速差较大，所以在起步过程中会产生较大滑摩功。从经济性角度考虑，滑摩功越大，热量损耗越大，对油耗越不利；对变速器而言，滑摩功越大，离合器表面温度越高，对离合器控制和使用寿命不利；从动力性角度考虑，为了保证动力性指标中的加速度要求，离合器传递扭矩大于一定值，作为动力源的发动机需要输出扭矩大于该值的净扭矩。为了保证发动机能够有较高的储备扭矩，需要将发动机转速提高到一定区间，这势必会增加滑摩功。因此，需要在保证动力性的前提下，尽可能减少滑摩功。

起步过程中的发动机净扭矩及离合器传递扭矩计算公式为

(3)

式中:m为整车质量;r为车轮半径;Tc为离合器从动端传递扭矩;ig为传动挡位速比;io为主减速器速比;Ff为滚动阻力;Fw为空气阻力;Fi为坡道阻力;Td为扭矩传递过程中的损失，主要是离合器拖曳扭矩。

由式(3)可知，在起步过程中，滚动阻力、空气阻力和坡道阻力不变，拖曳扭矩可以在台架上测得，且拖曳扭矩随轴转速变化较小，因此，动力性指标中加速度决定了发动机输出扭矩的最小值，为了达到整车加速度指标，限制了发动机输出净扭矩的最小值，且扭矩越大，动力性越好。为了保证离合器传扭足够稳定，需要发动机有较大的储备扭矩，如图3所示，某一油门下，发动机要发出一定扭矩时，需要发动机转速达到一定值，这就限制了发动机起步过程中的最小转速。

图3 不同油门开度下目标发动机转速

起步过程中的滑摩功计算公式为：

(4)

式中:ωeng为发动机转速;ωc为离合器主动盘转速;Tclu为离合器从动盘扭矩;t为滑摩时间。

滑摩功主要由离合器主从动盘转速差和转速时间决定，转速差越大，时间越长，离合器从动盘扭矩越大，滑摩功越大。为了保证动力性，离合器从动盘扭矩有最小值限制，为了尽可能减小滑摩功，只能减小主从动盘的转速差和滑摩时间。基于以上分析，需要基于不同油门下的动力性指标计算出发动机扭矩，以当前油门下输出该扭矩的最低转速为目标转速，如图3所示。选取各油门开度下合适的目标转速插值成线，即得到保证动力性前提下，滑摩功最小的目标转速。

在得到合理的转速目标后，在实际起步过程中由于扭矩精度及匹配等因素，发动机实际转速并不能完全贴合目标转速，这不仅会造成较大的滑摩功，同时对整车动力性也会有较大影响。针对这种情况，需要从离合器控制发动机转速的变化角度优化问题，发动机转速计算公式为：

(5)

式中:ωo为开始时刻发动机转速;to为起始时刻;t1为起始时刻;ig为传动挡位速比;Jeng为发动机转动惯量。

由式(5)可得，发动机转动惯量是定值，相同工况下初始时刻发动机转速基本一致，可以认为固定值。在起步过程中，发动机转速上升值与发动机输出到离合器主动盘的扭矩和离合器从动端扭矩差值成正比，和持续时间成正比。

为了优化这个问题，需要结合发动机转速-扭矩特性曲线，调整离合器能够呈线性地传递扭矩，这就需要发动机在扭矩处理上更加线性，同时整个起步阶段计算扭矩增加梯度变化尽可能小。实车优化前后对比如图4所示，优化前离合器扭矩结合速度先慢后快，发动机转速先上升再下降，优化离合器扭矩结合速度后，离合器结合平顺，发动机扭矩线性上升，滑摩功减小，同时最后体现到整车上减少发动机轰鸣噪声。

图4 离合器结合策略优化前后起步工况对比

3 轴系冲击及抖动

起步工况中对驾驶性的抱怨主要集中于起步冲击和轴系抖动。起步冲击主要指起步过程中，出现可以感知到的较明显的顿挫，体现在动力学模型中即整车加速度是非线性，可以用冲击度表征这个顿挫过程，冲击度计算公式为：

(6)

可以看出，在起步过程中，挡位不变，车速变化较小，因为与硬件相关的参数是固定值，与速度相关的滚动阻力和空气阻力可以认为不变，只有离合器传递扭矩和坡度阻力会对冲击度造成影响，由于颠簸路面具有特殊性，不是研发工作中的重点，所以文中主要基于离合器传递扭矩变化研究优化冲击度的方法。

轴系抖动指变速器传动轴系由于加速度变化、消除齿隙等原因造成的轴系转速突变，轴系抖动较严重时，人可以主观感知到明显的声音和振动感。其中输入轴和从动离合器固连，受到的影响最大，在实际研发工作中，出现噪声时平顺性未必较差，这是由于输入轴的波动经过齿轴系等部件过滤后会变得很小；出现平顺性相关问题时输入轴转速一定会有所体现，在实际工程中，噪声同样是驾驶性指标之一，因此多以输入轴为研究对象。轴系抖动一般用轴角加速度表征，计算公式如下：

(7)

式中:l为输入轴有效半径;I为输入轴转动惯量;γ为刚体扭矩换算系数。

由式(7)可知，输入轴的有效半径、转动惯量、扭矩换算系数为固定值，轴冲击度只和离合器从动盘扭矩变化有关。由于输入轴惯量较小，所以很容易产生轴系抖动，一般而言，出现顿挫时都会出现轴系抖动，但是出现轴系抖动时不一定会出现顿挫。

为了减小起步冲击和轴系抖动，需要让离合器传递扭矩尽可能呈线性，但是影响离合器传递扭矩值的因素有很多，包括发动机转速、变速器目标转速、发动机扭矩、离合器传扭特性、液压系统等因素，计算模型较为复杂，难以通过量化计算模型精确地表征离合器实际传递扭矩。文中从起步不同阶段产生冲击的工况，分析不同阶段产生冲击的原因，给出相对应优化方案，并在实际项目中应用验证其效果。

为了对比优化前后效果，采用输入轴冲击度和整车冲击度指标。由于采样精度为5 ms，为保证数据真实性，未做很强的滤波，所以实际数据中的量级不能表征实际情况，但是可以作为判断优化效果的依据。

3.1 起步初期冲击

起步初期冲击主要集中在车辆静态到动态变化的过程，具体表现为车辆静止，驾驶员从空挡切到行车挡后踩油门起步，车辆出现冲击感，舒适性下降，需要从硬件和软件的角度考虑这个问题。

从离合器硬件角度分析，不同批次的同一种零件有一定差异性，同一个零件在不同的温度等条件下性能会有差异。这种差异性主要体现在离合器传扭点和线性传扭点有差异。针对这种由于硬件差异性造成的问题，在售后阶段，需要检查离合器传扭点、扭矩-压力曲线是否准确。

如图5所示，在半结合点不准确时输入轴有明显冲击，轴冲击度较大的情况；与半结合点准确时相比，情况得到明显改善。因此在研发阶段，需要提高软件鲁棒性，增加一些自适应功能，即允许变速器出厂时因为零件散差而导致性能有差异，但是在日常驾驶过程中能够进行自适应，给这些硬件特性输入值一定补偿，确保最后输入到软件中用到的硬件参数是较准确的值，从而达到软件控制要求。

图5 不同半结合点起步工况对比

3.2 起步过程顿挫

对发动机而言，所有消耗发动机动能的部件都是负载。在不同负载部件切换工作状态时，发动机会计算负载的变化，基于计算量调节进气量或点火角，保持发动机扭矩平稳地输出。以空调负载为例，在发动机状态变化时，发动机扭矩上升较慢，随后一个阶跃，造成离合器输入轴转速形成尖峰，主观驾驶体验较差。

在这种情况下，如果离合器扭矩不立刻跟随发动机扭矩，短时间内发动机扭矩和离合器扭矩之间存在较大差距，这种差距会导致发动机转速上升，等到离合器扭矩提升后，发动机转速下来，这样会形成一个发动机转速鼓包，影响主观驾驶体验，如果变速器立刻响应发动机扭矩，离合器传递扭矩阶跃式增加，造成顿挫，在实际应用中，从整个系统考虑，从扭矩计算到离合器结合中间存在延迟，实际油压跟随也存在滞后，所以会出现发动机转速先升，随后出现离合器传递扭矩阶跃式增加的情况，影响驾驶性。

基于以上分析，需要在起步策略中优化与发动机扭矩进行请求的方式，如图5所示。通过TCU与发动机EMS扭矩控制的交互，结合液压系统响应的情况确定请求扭矩递增的范围，引导发动机扭矩按照TCU的需求递增，这样既可以克服液压系统的响应问题，又能够保证起步性能的一致性，从而能够稳定地控制发动机的转速。

3.3 起步末期冲击

起步工况后期产生冲击的工况躲在转速同步阶段，发动机转速和离合器输入轴转速完成同步时形成“闭锁”的现象，即起步后期转速同步过程中，出现发动机转速和输入轴转速差正负切换的过程。如图6所示，这种闭锁现象会导致传递扭矩换向，由于这个换向过程中会有两次换向，且都在很短时间内完成，这不仅会导致整车顿挫，还会有很明显的轴系抖动。

引起闭锁现象的主要原因是PID算法计算扭矩存在延迟和系统实际响应到目标扭矩的滞后性。在起步阶段，需要让发动机转速先提升到一定区间，之后离合器结合，让发动机转速慢慢贴合目标转速。在整个控制过程中，PID控制器需要转速差的输入才可以进行计算，同时为了避免信号跳变，计算扭矩会经过不同程度的滤波后输出，这些都不可避免地造成PID算法计算扭矩会迟滞于转速差的变化；执行器得到目标扭矩指令后，执行器的执行过程需要时间，执行结果和目标也存在一定误差，所以未优化前这种闭锁现象无法避免。离合器在闭锁现象期间，离合器扭矩传递方向发生两次变化，分别是与行车方向同向、与行车方向异向、与行车方向同向，每一次换向都会造成传递扭矩的突变，由公式(6)可知，该工况下会产生轴系抖动、冲击度。由于齿轴间存在间隙，当传递扭矩两次换向时，至少会有一次消除齿隙的过程，消除齿轴间隙瞬间，会放大轴系抖动的负面影响。

由轴加速度和整车加速度公式可知，轴系冲击度和整车冲击度都和扭矩换向有关，且换向扭矩绝对值越大，冲击度越大。基于上述分析，为了优化闭锁现象带来的驾驶性问题，需要减小离合器传递扭矩的变化量。一般有两种优化方案，(1)降低闭锁现象附近的离合器扭矩，这样换向前后的扭矩差会减小，但是这种方法会降低动力性，且只是弱化闭锁现象时扭矩换向带来的影响，并不能解决问题。(2)在离合器转速与发动机转速接近同步时，通过相应的控制策略来调整离合器上传递的扭矩，让输入轴转速始终低于发动机转速，避免传递扭矩换向。由于方案一有一定局限性，所以采用方案二，优化后效果如图6所示。在离合器转速与发动机转速逼近时，对发动机的目标转速进行修正，并根据此修正的转速调整离合器上传递的扭矩，让发动机转速一直略高于从动盘转速，输入轴转速最大波动仅有30 r/min，轴系抖动明显优化。

图6 优化后的转速同步控制

4 结束语

文中基于某国内大型国企湿式双离合变速器研发项目，分析了双离合器变速器起步转速控制逻辑；基于优化滑摩功产生原理给出起步目标转速制定方法，并针对行车过程中发动机转速拉高造成滑摩功偏大的工况给出优化方案；针对低速过程中抱怨最多的顿挫、轴系抖动等问题，从起步的不同阶段分析，分别分析其产生原因并给出优化方法，通过实车验证所提优化方案的合理性和有效性。为国内变速器行业研发阶段遇到的问题提供针对性的措施和参考，减少项目开发过程中重复性工作，避免社会资源浪费，具有较强的实用性。