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機(jī)電工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)外文資料翻譯
設(shè)計(jì)題目: ZQ1040型商用車總體設(shè)計(jì)
譯文題目: 雙離合器自動變速器動力學(xué)建模與仿真
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文獻(xiàn)出處：2004美國物理研究所
雙離合器自動變速器動力學(xué)建模與仿真
X. Zhang H. Jiang W. Tobler
科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，福特汽車公司
摘要：本文介紹了一個動力換檔變速箱，采用了雙離合器的設(shè)計(jì)仿真與分析系統(tǒng)模型。本文模型的運(yùn)動學(xué)，動力學(xué)，和動力總成的綜合性能優(yōu)越，換檔瞬態(tài)特性分析的傳輸控制。該模型是用一種面向?qū)ο蟮能浖ぞ邅韺?shí)現(xiàn)。解析公式和查表都是用于動力總成部件建模。通過集成的各種組件和子系統(tǒng)模型，根據(jù)傳輸功率流和控制邏輯，建立車輛系統(tǒng)模型。仿真模型的輸入是車輛速度時間曲線和輸出提供速度跟蹤，發(fā)動機(jī)和用于驅(qū)動范圍和換檔離合器操作狀態(tài)過程。作為算例，該模型是為了用于在配備了動力換擋變速箱的車輛上，在一個指定的驅(qū)動器范圍內(nèi)，模擬速度跟蹤和動態(tài)瞬變。
1.介紹
大多數(shù)轎車自動變速器使用行星輪系作為動力傳遞裝置。在行星齒輪傳動中，齒輪比，實(shí)現(xiàn)了從輸入到輸出之間不同的行星成員耦合的選擇。雖然一直以來，行星輪系的設(shè)計(jì)作為自動汽車早期的傳輸應(yīng)用，但是由于行星齒輪傳動的固有缺陷，它具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低等性質(zhì)。作為燃料經(jīng)濟(jì)的發(fā)展越來越重要，與下變速箱齒輪軸在汽車行業(yè)的日益普及，尤其是應(yīng)用在緊湊的中型客車。通過在本田躺軸傳輸模型的成功應(yīng)用得到了證明。
在變速器，齒輪軸是固定的相對于彼此。中間軸齒輪變速器有兩個技術(shù)上可行的設(shè)計(jì)。一個使用液力變矩器的發(fā)射和換擋液壓激活離合器，而其他使用自動離合器和變速操作啟動和換檔選擇器。后來，在汽車行業(yè)，自動變速器被稱為 AMT！，實(shí)際上是一個手動變速器加上控制離合器和移位操作的控制單元。類似于手動變速器，在變速換擋過程中，由離合器切斷發(fā)動機(jī)的扭矩傳輸。這扭矩中斷導(dǎo)致乘客感覺車輛加速度的不連續(xù)性和高度不尋常的常規(guī)自動變速器。雙離合器變速器的設(shè)計(jì)是最近提出了克服其固有的缺陷。在本設(shè)計(jì)中，兩個離合器通過控制滑動離合器在繼續(xù)換擋過程中交替在不同的速度和功率中起作用。一個轉(zhuǎn)變過程中涉及到的接合離合器和分離離合器的釋放接合。這個結(jié)果在移位上的特點(diǎn)，對離合器在自動變速器離合器是典型常見的變化。
在任何其他的控制系統(tǒng)，控制的成功取決于有效地描述系統(tǒng)運(yùn)行過程中的動力學(xué)模型解析。在建立了一個原型之前，對裝有雙離合器車輛仿真模型的性能分析和評價的唯一工具是副軸齒輪傳動。近年來，由于對汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和旅客的舒適性的需求不斷增加，引導(dǎo)了動力總成系統(tǒng)的變速器和新的控制技術(shù)的發(fā)展。模型模擬在驗(yàn)證和系統(tǒng)標(biāo)定中起重要作用，因而吸引了來自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的利益。在動力系統(tǒng)建模與仿真領(lǐng)域覆蓋各種類型的動力系統(tǒng)目前正在生產(chǎn)或正在開發(fā)研究，包括傳統(tǒng)的自動變速器，無級變速器，和混合動力系統(tǒng)的。通過文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，和雙離合器AMT控制系統(tǒng)的建模,相對于其他類型的傳輸技術(shù)仍然是一個新的領(lǐng)域。本文的目的是對車輛動力系統(tǒng)配備了雙離合器變速器的仿真和分析，提出了一個系統(tǒng)的模型。該模型利用Modelica / Dymola環(huán)境中面向?qū)ο缶幊陶Z言實(shí)現(xiàn)。在Modelica / Dymola的圖書館得到的標(biāo)準(zhǔn)件模型直接用于數(shù)學(xué)方程推導(dǎo)，避免了冗長的組成特征。重點(diǎn)是放在特定的傳輸系統(tǒng)，如換擋控制器的開發(fā)，離合器壓力控制等所有的子系統(tǒng)模型，如驅(qū)動，發(fā)動機(jī)，離合器，齒輪副等，都是整合到一個基于動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體車輛系統(tǒng)模型，對運(yùn)動學(xué)和控制邏輯分析。
對雙離合器AMT控制系統(tǒng)包括變速控制和換檔過程控制。通過發(fā)動機(jī)油門和車速反饋信號的參與以及離合器釋放，換檔控制器觸發(fā)升檔或降檔。狀態(tài)方程的齒輪變化引起的系統(tǒng)會自動修改和重組，根據(jù)齒輪嚙合的路徑Modelica / Dymola實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型。在本文，換擋過程中離合器轉(zhuǎn)矩控制壓力分布建模為查找表，可以交互修改以達(dá)到換檔品質(zhì)的改善。
集成雙離合器AMT車輛模型使車輛性能超過指定的驅(qū)動器的范圍和變速器換檔過程中的驅(qū)動范圍內(nèi)進(jìn)行模擬?；谀Ｐ偷姆抡妫瑩Q檔質(zhì)量指標(biāo)，如位移。對轉(zhuǎn)矩的變化進(jìn)行定量分析，通過調(diào)整離合器壓力控制配置文件交互的改進(jìn)。本文的實(shí)例仿真結(jié)果證明了該模型的有效性為雙離合器AMT系統(tǒng)開發(fā)的一種分析工具。
2.雙離合器自動變速器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動學(xué)
從雙離合器自動變速器的結(jié)構(gòu)布置圖1中可以看出。變速器有六個前進(jìn)檔和一個倒檔。有兩個，交替進(jìn)行嚙合的液壓啟動離合器，CL1和CL2。離合器CL1是控制第一、三、五檔和倒檔，Cl2控制二、四、六檔。空心軸的布局的設(shè)計(jì)是用來提供一個緊湊的多速變速箱?？招妮S和通過它的實(shí)心軸為分別為奇數(shù)和偶數(shù)的速度輸入。倒檔齒輪通過一個副軸實(shí)現(xiàn)倒檔。最后的驅(qū)動器有兩個小齒輪，一個為第一，第二，第三，和第四檔齒輪傳遞扭矩，另一個為第五，第六，和倒檔齒輪傳遞扭矩。
在傳輸四同步器，如圖1所示的開關(guān)。每個同步器組件相關(guān)的轉(zhuǎn)換選擇器是通過液壓活塞或步進(jìn)電機(jī)激活。當(dāng)兩個離合器中的一個接合時，兩個相鄰的速度齒輪可以同時參與。離合器中不經(jīng)過自由輪和網(wǎng)格中的路徑的所有齒輪是不傳遞扭矩的?？焖偌铀俜磻?yīng)，下一個更高的齒輪在實(shí)際發(fā)生進(jìn)行升檔。這個轉(zhuǎn)變的過程因此只涉及接合離合器和放松離合器釋放。因?yàn)辇X輪同步不在轉(zhuǎn)換期間發(fā)生，所以它對換檔質(zhì)量沒有影響。由于這一特點(diǎn)，對雙離合器自動變速器的換檔特性在本質(zhì)上是為離合器到離合器換檔的自動變速器中常用的相同點(diǎn)。
3.結(jié)構(gòu)動態(tài)模型
雙離合器自動變速器的動態(tài)模型的示意圖如圖1所示。發(fā)動機(jī)支架，輸入軸和輸出軸采用彈簧阻尼器，其剛度和阻尼系數(shù)分別為km，KI，K0，和Cm，Ci，CO表示。軸組件被建模為集中質(zhì)量。發(fā)動機(jī)的輸出軸的慣性質(zhì)量矩，輸入軸與輸出軸記為Ie，Ii，和IO。同樣的，Is，Ih，IC1、IC2分別表示實(shí)心軸、空心軸組件和兩個計(jì)數(shù)器的軸的質(zhì)量慣性矩。為簡單起見，齒側(cè)間隙在模型和動力效率忽視情況下被假定為一個常數(shù)。如前所述，同步器組件建模為功率流路徑在不同的速度下獨(dú)立的齒輪同步開關(guān)。標(biāo)準(zhǔn) Modelica和Dymola庫模型是常用的動力總成部件如軸，離合器，齒輪，彈簧阻尼器等，關(guān)鍵動力總成模型，如發(fā)動機(jī)，離合器，和車輛如下。
圖1 雙離合器自動變速器系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)
（1）發(fā)動機(jī)
發(fā)動機(jī)瞬態(tài)并不簡單在模型中考慮。發(fā)動機(jī)的數(shù)據(jù)圖被用來計(jì)算穩(wěn)態(tài)輸出扭矩，節(jié)氣門開度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速之間關(guān)系由一個二元三次多項(xiàng)式函數(shù)，如下式：
是常數(shù)，由發(fā)動機(jī)的數(shù)據(jù)圖的插值確定。發(fā)動機(jī)的扭矩由方程模型如圖2所示，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍從0到6000 rpm，節(jié)氣門開度從0o到90o。
圖2 發(fā)動機(jī)扭矩輸出
（2）離合器
綜合傳動系統(tǒng)離合器模型不僅制定了離合器扭矩也決定了系統(tǒng)的配置和動態(tài)變化。離合器有三種運(yùn)行狀態(tài)，在每個狀態(tài)傳遞的轉(zhuǎn)矩是由下面的公式描述：
其中C是一個常數(shù)，與離合器的設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)，μ是一個離合器的滑動摩擦系數(shù)Dv，P是在離合器活塞必須以控制與換擋的平順性完成變速液壓壓力。T是離合器是全封閉的系統(tǒng)動力學(xué)測定的轉(zhuǎn)矩。在本文中，在換檔過程中離合器驅(qū)動控制是通過一個標(biāo)準(zhǔn)化的壓力分布實(shí)現(xiàn)見第4節(jié)。離合器模型也可用于同步器組件，其中標(biāo)準(zhǔn)壓力信號可以是1或0打開或關(guān)閉齒輪傳動。
（3）車輛運(yùn)動方程
動力總成的性能和換擋動力學(xué)仿真，只有車輛縱向動力學(xué)納入車輛系統(tǒng)模型。在驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩Ttire產(chǎn)生牽引力的Ftr克服道路載荷使車輛運(yùn)動。根據(jù)牛頓第二定律，由下面的公式描述的車輛縱向動力學(xué)：
其中M是車輛的質(zhì)量，Vveh是車輛的速度，F(xiàn)tr的牽引力，Bt是一個常數(shù)，反映輪胎阻尼和其他摩擦損失，是空氣阻力系數(shù)，是公路邊坡角，是輪胎半徑，F(xiàn)brake是制動力，在下面的部分再描述。
4.系統(tǒng)的建模與控制
對雙離合器AMT動力總成控制系統(tǒng)包括several subsystems, namely, shift schedule, clutch pressure profile,幾個子系統(tǒng)，即，換檔、離合器壓力剖面、synchronizer switch controller, and driver. Models for these同步開關(guān)控制器、驅(qū)動器。這些模型系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)并集成到車輛動力傳動系統(tǒng)模型如下。
圖3傳輸變化曲線
（1）換擋規(guī)律的控制器
傳輸控制系統(tǒng)控制的換擋規(guī)律基于當(dāng)前車速和油門的角度。如圖3所示, 兩個相鄰曲線轉(zhuǎn)移之間的一個緩沖區(qū)設(shè)計(jì)到避免振動變化: 曲線在右邊代表閾值的加速,左邊代表降檔。當(dāng)前齒輪狀態(tài)是維持在兩條曲線之間的區(qū)域內(nèi)。基于當(dāng)前的車速和發(fā)動機(jī)節(jié)氣門轉(zhuǎn)角，該控制器決定加速、降檔或齒輪位置保持不變。如圖4所示，圖為換擋調(diào)度和對離合器及同步器的驅(qū)動。如圖所示,換擋規(guī)律控制決定當(dāng)前齒輪是否被改變或基于節(jié)流位置(TA)和車輛速度(V)的維護(hù)。齒輪位置指示器的檢查基于離合器的滑動信號的雙離合器的狀態(tài)（DvCl）及確定過程中是否轉(zhuǎn)移或完成。兩個離合器的控制信號,CL1 CL2,然后確定基于前一個和后一個齒輪位置（GP和PGP），相對角速率離合器()和涉及這樣的相對角速率()。換擋規(guī)律的控制邏輯通過以下步驟實(shí)現(xiàn)。
?在每個模擬時間里，六個轉(zhuǎn)變的閾值變動速度曲線，這是預(yù)先設(shè)計(jì)的六速雙離合器變速器，是根據(jù)當(dāng)前油門角度計(jì)算。這些速度是與當(dāng)前車速度比較。
?下一個齒輪狀態(tài)是基于上面所提到的基礎(chǔ)上和當(dāng)前時間段比較的齒輪狀態(tài)的確定。例如,在某個節(jié)氣門角度值,如果當(dāng)前齒輪是第一個齒輪和當(dāng)前車輛速度是加速曲線VS12的右側(cè),那么1 - 2應(yīng)該加速發(fā)生。如果當(dāng)前齒輪是第二個齒輪和當(dāng)前車速減速曲線VS21的左邊,然后2比1調(diào)低速檔應(yīng)該發(fā)生。如果當(dāng)前車速度是加速曲線VS12和減速曲線VS21,然后設(shè)備狀態(tài)維護(hù)。
?如果換擋即將發(fā)生，下一個檔位指示器GP是不同于當(dāng)前指標(biāo)PGP，直到這一轉(zhuǎn)變的完成。在換檔過程中，在離合器兩端的和同步器的角速度差反饋到換檔控制器以監(jiān)控轉(zhuǎn)變過程的狀態(tài)?？刂菩盘柺歉鶕?jù)齒輪位置指示器和角速度反饋到離合器和同步器發(fā)送。這些信號觸發(fā)的離合器動作和同步切換時的動力操作。
用于換檔控制器的建模邏輯語句編寫的Modelica / Dymola語言及嵌入在換擋控制器模型。使用查表控制模型的變化曲線。
圖4換檔控制框圖
（2）離合器控制
雙離合器的轉(zhuǎn)變過程控制通過控制液壓應(yīng)用于離合器活塞實(shí)現(xiàn)。對于雙離合器AMT的換檔過程，類似于在傳統(tǒng)的自動變速器換檔中的一個離合器對一個離合器。在換檔過程中離合器液壓壓力在接下來逐漸增加到最大值，根據(jù)校準(zhǔn)的壓力分布，而放松離合器壓力逐漸下降為零。由于壓力信號在換擋的平順性中起著非常重要的作用,有必要創(chuàng)建一個組件模型制定離合器壓力控制信號。
圖5離合器壓力懸架
如圖4所示，換檔控制器發(fā)出四個離合器控制觸發(fā)信號（1、2、3、4）。這四個信號分別為接合（1），，保持（2），釋放（3），開放（4）。在接收到觸發(fā)信號,兩個離合器將驅(qū)動和控制根據(jù)其中如圖5所示的壓力分布圖。Modelica / Dymola環(huán)境中開發(fā)的離合器控制模型在以下邏輯下工作。
?在從轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變進(jìn)度控制器接收信號,記錄當(dāng)前時間作為轉(zhuǎn)變的起點(diǎn),將用作參考離合器壓力曲線插值。
?換擋過程中，在每個仿真步驟中與雙離合器相關(guān)的角速度差反饋到離合器控制器以監(jiān)控?fù)Q檔過程。
?壓力值插值的壓力曲線作為一個正常的力指令信號被發(fā)送到雙離合器（模擬使用標(biāo)準(zhǔn)/ Dymola的Modelica庫）。應(yīng)該指出的是，離合器控制模型使用的是基于模型仿真的改進(jìn)的交互式壓力分布。由于現(xiàn)階段研究雙離合器AMT硬件的不足，硬件校準(zhǔn)壓力分布尚未進(jìn)行。
（3）同步器建模
對于簡單的雙離合器AMT動力流交換機(jī)同步器進(jìn)行建模。在傳輸是當(dāng)前齒輪操作時，在第2部分所提到的，由于下一個齒輪轉(zhuǎn)向由同步器組件預(yù)約，所以這種治療不影響換擋過程的仿真逼真度的轉(zhuǎn)變過程。這是采用了標(biāo)準(zhǔn)Modelica/Dymola庫離合器模型。同步器作為開關(guān),壓力信號發(fā)送到同步器是根據(jù)齒輪1或0位置指示器和角速度的反饋。對同步器的驅(qū)動條件和邏輯序列已在Modelica語言編程實(shí)現(xiàn)和嵌入在同步模型。
（4）驅(qū)動程序
駕駛員模型由兩部分組成：節(jié)氣門控制器和制動力控制器。節(jié)氣門角度控制器被建模為一個標(biāo)準(zhǔn)的飽和極限和速率對其輸出端口限制PID控制器。PID控制器調(diào)節(jié)節(jié)氣門角度基于實(shí)際的區(qū)別和所需的車輛速度和制定以下方程
這里和是預(yù)期的和實(shí)際的車輛速度，是PID控制器的增益，是節(jié)氣門角度，是由最大油門限制的。
在標(biāo)準(zhǔn)Modelica/ Dymola制動模型，制動力矩轉(zhuǎn)化為一個速度取決于摩擦系數(shù)和外部正常力函數(shù)。正常的力信號來自制動正壓力控制器，它也被模型化為一個PID控制器。簡單的說，對前后制動器的特性的差異是不正常的制動力控制器模型。類似于節(jié)氣門控制，下面的方程是用來描述的制動力
這里是剎車PID控制器的增益，是正常的制動力由最大法向力限制。
（5）模型集成
上面描述的組件模型與結(jié)構(gòu)集成到一個整體動力系統(tǒng)模型圖6所示。這個模型包含先前描述的兩個主要子系統(tǒng)組織:動力系統(tǒng)硬件組件模型和控制系統(tǒng)模型。在第2部分和第3部分描述了集成模型實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)，在本節(jié)中描述了控制邏輯的雙離合器AMT系統(tǒng)。該模型是根據(jù)汽車動力傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制邏輯在Dymola的圖形創(chuàng)建的編輯窗口。在Dymola環(huán)境下編譯，將模型轉(zhuǎn)化為一個系統(tǒng)的微分代數(shù)方程組，然后解決了在各種驅(qū)動動力系統(tǒng)動態(tài)性能仿真條件。
圖6集成動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型
5.算例
一個算例，發(fā)達(dá)的動力模型被用來模擬配備了雙離合器自動變速器的車輛。在仿真中，一個標(biāo)準(zhǔn)的EPA的驅(qū)動周期作為動力系統(tǒng)模型的輸入。圖7顯示的是在超過200的模擬時間的車速。圖也顯示了在模擬范圍內(nèi)，檔位和發(fā)動機(jī)的輸出扭矩。如圖所示，從仿真的車輛速度與驅(qū)動范圍指定的車輛速度，表明了達(dá)到所要求的速度剖面的驅(qū)動控制器的有效性。
模擬驅(qū)動范圍的離合器運(yùn)行狀況如圖8所示，其中縱坐標(biāo)表示的雙離合器兩端之間的相對角速度。如圖所示，兩個離合器在調(diào)速范圍內(nèi)根據(jù)換擋控制接合。離合器的運(yùn)行狀態(tài)中，一個明顯的在變化的例子，為雙離合器的角速度的差異，是檔時間的過程中，在圖9中的兩個轉(zhuǎn)變。如圖所示，一二個轉(zhuǎn)變發(fā)生模擬開始之后約24，持續(xù)約半秒鐘。離合器壓力的非零角速度的差異表明，當(dāng)轉(zhuǎn)移開始，離合器CL1發(fā)生滑移，圖中藍(lán)色部分為離合器CL1。在極移期間，離合器CL1的角速度差為負(fù)的轉(zhuǎn)變，逐漸成為正的角速度差，同時離合器Cl2的角速度差減為零。移位完成時，在離合器Cl2的角速度差為零，此時施加高壓力到完全關(guān)閉離合器Cl2。這種轉(zhuǎn)變的完成后，同步開關(guān)控制將驅(qū)動第三齒輪，準(zhǔn)備下一步移位。如圖所示，由于離合器的輸出端與旋轉(zhuǎn)的第三齒輪嚙合路徑在車輛在第二輪驅(qū)動一二移位后，離合器CL1的角速度差為負(fù)。在一二個轉(zhuǎn)變方法得到的離合器打滑特性與離合器到離合器自動變速器中的變化是相似的，并證明了控制算法在集成在動力系統(tǒng)模型的有效性。
圖7車輛速度，檔位和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩
圖8雙離合器的操作狀態(tài)
圖9相對角速度雙離合器1-2換檔時
6.總結(jié)
本文提出了一種配備了一個雙離合器自動變速器的動態(tài)仿真奠定軸的車輛系統(tǒng)模型。該模型是使用面向?qū)ο蟮能浖ぞ進(jìn)odelica / Dymola實(shí)現(xiàn)的。隨著模型的發(fā)展。工作主要集中在動力總成部件如變速控制器，驅(qū)動器的公式，和離合器控制這些組件不在標(biāo)準(zhǔn)Modelica/ Dymola的庫。整個系統(tǒng)模型是由基于結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)配置組裝和集成所有組件的模型。特定速度分布和變速器換檔的瞬態(tài)車輛性能是基于模型的仿真分析。仿真結(jié)果表明，對于給定的標(biāo)準(zhǔn)EPA關(guān)閉速度跟蹤速度概況。此外，該模型還提供了對動態(tài)瞬變有用的數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)移的時間，速度和轉(zhuǎn)矩的變化，與變速器相關(guān)的換檔過程。這些數(shù)據(jù)客觀判斷了在變速器換擋和依據(jù)之前雙離合器的發(fā)展AMT原型的互動基礎(chǔ)上的變速箱控制。
致謝
對福特大學(xué)的研究項(xiàng)目對這項(xiàng)工作的金融支持以及密歇根大學(xué)迪爾伯恩的試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐中心表示感謝
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附件：外文資料原文