DCT双离合器磨损量的定量辨识.pdf

666 6666DCT 双离合器磨损量的定量辨识倪春生, 鲁统利, 吴明翔, 张建武( 上海交通大学 机械与动力工程学院, 上海 200240)摘 要: 在建立膜片杠杆弹簧和 DCT 系统模型的基础上, 基于 Matlab/ Simulink 分析了起步过程中不同磨损量时 CL1从动盘转速变化规律, 以及 1 挡换 2 挡过程中, CL2磨损量对双离合器转速差的影响. 结果表明: 起步时 CL1从动盘转速不为零时刻与其磨损量呈线性关系, 1 挡升 2 挡过程中CL2的主从动盘转速差峰值以及完全接合时刻与其磨损量之间存在非线性关系, 从而为双离合器磨损补偿提供了理论依据.关键词: 磨损量辨识; 干式双离合器; 双离合器自动变速器6Quantification Detection of the Wear of DCT Dua- l clutchNI Chun -sheng, L U Tong -li, WU Ming -x iang, ZHA NG Jian -wu( School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)Abstract: T he detection of the wear of dry dua- l clutch is the key to control DCT accurately. T his paperpresented alever spring and DCT system model. The angular velocity of CL1output during starting, andrelative angular velocity between the dua- l clutch input and output affected by the wear of CL2during veh- icle shifting from 1 speed to 2 speed were simulated based on Matlab/ Simulink platform. The results showthat the angular velocity of CL1output plate reflects its wear during starting, the peak value of relative an -gular velocity and the time of close absolutely of CL2have nonlinear relationship with the wear of CL2.Key words: wear detection; dry dua- l clutch; dua- l clutch transmission 双离合器自动变速器( Dua- l clutch transmis -sion, DCT) 是一种具有双离合器结构的新型自动变速器, 它克服了机械式自动变速器 ( Automated me -chanical transmission, AMT ) 换挡时动力中断的缺点, 可以像自动变速器( Automatic transmission,AT) 那样实现动力换挡. DCT 有机地集成了 AT 和AMT 在舒适性和经济性方面的优势, 使得这种自动变速器具有广阔的应用前景. DCT 系统有 6 个档位, 2 个离合器切换工作, 离合器 1( CL1) 联接 1、 3和 5 挡, 离合器 2( CL2) 联接 2、 4 和 6 挡. DCT 系统在停车时, 2 个离合器均处于分离状态, 车辆起步时, 换上 1 挡, 然后 CL1开始接合使车辆实现 1 挡运行. 当 DCT 判断车辆升 2 挡之前, 预先将与 CL2相联的 2 挡换入挡位, 进入换 2 挡时, 在分离 CL1的同时接合 CL2, 直到 CL1完全分离, CL2完全接合, 这种换挡方式没有动力中断, 从而能够实现平稳换挡. 换至其他挡位与此类似.DCT 可供选择的离合器有湿式和干式两种, 在传动效率和成本方面, 干式离合器比湿式离合器要好得多, 但干式离合器的磨损制约着其在 DCT 上的应用. DCT 的 TCU( T ransmission control unit)通过辨识车辆参数来实现驾驶员意图, 当离合器发生磨损时对离合器的控制就偏离预先标定值, 从而不能正确地实现驾驶员意图, 造成换挡平顺性下降,故定量辨识干式双离合器的磨损量, 重新标定DCT 系统, 及时通过 DCT 双离合器执行机构对双离合器空行程作出补偿, 是保证干式 DCT 精准工作的关键, 关系到该项技术的应用前景. 摩擦片磨损后, 双离合器的接合点会相应改变, 在不增加额外传感器的条件下, 研究双离合器磨损量定量辨识,为实现磨损补偿和干式双离合器精准控制提供理论依据.文献[ 1 -5] 中对湿式双离合器式自动变速器的换挡特性进行了研究; 文献[ 6] 中提到了 AMT 离合器磨损对输出转矩的影响; 文献[ 7 -9] 中分析了普通干式离合器起步过程中空行程的估计方法, 但都未对干式双离合器磨损量的定量辨识问题进行研究.本文在建立膜片杠杆弹簧和 DCT 系统动力学模型的基础上, 基于 Matlab 平台构建 DCT 系统仿真模型, 提出利用离合器起步过程从动摩擦片转速变化规律对 CL1的磨损进行定量辨识, 在 1 挡升 2 挡过程中以补偿过的 CL1为基准, 利用主动飞轮和摩擦片转速差峰值大小和 CL2完全闭合时刻实现对CL2磨损量的定量辨识.1 DCT 系统模型1. 1 膜片杠杆弹簧模型常开式干式双离合器 DCT 系统所采用的膜片弹簧的工作特性不同于普通的膜片弹簧, 在此称之为膜片杠杆弹簧. 普通膜片弹簧固定支点在中间, 压盘作用于碟簧外缘, 小端压紧时离合器分离; 而膜片杠杆弹簧固定支点在碟簧外缘, 压盘作用于杠杆, 小端压紧时离合器接合, 膜片杠杆弹簧原理如图 1 所示.膜片杠杆弹簧模型假设如下:( 1) 在轴向载荷 F 作用下, 碟形弹簧、 杠杆的矩形截面只绕中心锥面的某一中性点转动一个角度,而矩形截面本身没有变形;( 2) 碟形弹簧受载时, 其载荷和支承力都均匀地分布在内圆周和外圆周上;( 3) 碟形弹簧的初始锥底角较小, 受载变形时,转角与变形量之间呈线性关系; ( 4) 碟形弹簧材料是各向同性的线性弹性体,不考虑塑性变形的影响.膜片杠杆弹簧大端载荷与小端变形关系为[ 10]图 1 膜片杠杆弹簧原理Fig. 1 The lever spring principleP(K0) =L - rfL - lF -P EtK0(t)lnRr6( 1- L2)(L - rf)2@[ ( h- k1K0)(h- 0. 5k1K0) + t2]( 1)式中: E 为弹性模量; L为泊松比; R 为膜片杠杆弹簧外径; r 为膜片杠杆弹簧内径; L 为固定支点承载半径; l 为大端承载半径; rf为小端加载半径; S 为大端空行程总量( S= s1+ s2); K0为小端变形空行程;k1=R- rL- rf; F 为小端压力; h1为内锥高度; t 为膜片杠杆弹簧厚度.由假设条件( 1) 可得, 在大端空行程条件下, 膜片杠杆弹簧大端变形和小端变形之间的关系为K1= K2L - rfL - l(2)式中: K1为小端变形; K2为大端变形.1. 2 考虑 CL2磨损的换档过程模型DCT 的升挡过程一般分为低挡、 低挡转矩相、惯性相、 高挡转矩相和高挡 5 个阶段. 但可将低挡和高挡归结为稳定相, 将低挡转矩相、 惯性相和高挡转矩相归结为过渡相[ 1]. 建立的 DCT 动力学模型如图2 所示.图 2 DCT 动力学模型Fig. 2 DCT dynamic model 根据图 2 建立的 DCT 动力学模型, 则 DCT 换挡过程模型如下I Û X = T - Ti(3) Tin= K1( He- Hin) + C1(He- Hin)( 4) Xe=QTe- TinIedt + Xe0( 5) Te= f (TA, Xe)( 6) IinÛ Xin= Tin- (TCL1+ TCL2)( 7) TCL1= f ( P1, $XCL1)( 8) TCL2= f ( P2, $XCL2)( 9) P1= P(KCL1)(10) P2=0 磨损空行程增加阶段P(KCL2) 结合阶段(11) $XCL1= Xe- Xh(12) $XCL2= Xe- Xs(13) ishift=XeXwi1(14) IeqÛ Xm= ( TCL1i1+ TCL2i2) -Touti2(15) Ieq= I2+ Ihi21+ Isi22(16) Tout= K2(Hout- Hw) + C2( Hout- Hw)(17) Tout- TRR= mRÛ Xw(18)式中: Ie为发动机转动惯量; Xe为发动机转速; Xe0为发动机起始转速; TA为节气们开度; Te为发动机输出转矩; Tin为输入轴转矩; Xin为输入轴转速; K1为输入轴刚度; C1为输入轴阻尼系数; Iin为输入轴转动惯量; TCL1为 CL1传递的转矩; TCL2为 CL2传递的转矩; P1为 CL1大端压力; P2为 CL2大端压力;KCL1为 CL1小端变形; KCL2为 CL2小端变形; Xm为中间轴转速; Xs为实心轴转速; Xh为空心轴转速; ishift为过渡相 DCT 等效速比; Ieq为等效转动惯量; I1为奇数齿轮转动惯量; I2为偶数齿轮转动惯量; Ih为空心输入轴转动惯量; Is为实心轴转动惯量; i1为 1挡传动比; i2为 2 挡传动比; Xout为 DCT 输出转速;Tout为 DCT 输出转矩; He、 Hin、 Hout和 Hw分别为发动机曲轴、 双离合器输入轴、 DCT 输出和车轮转角; K2为输出轴刚度; C2为输出轴阻尼系数; TR为车轮阻力转矩; Xw为车轮转速; R 为轮胎等效半径; m 为车辆质量.2 DCT 双离合器磨损量的定量辨识基于 DCT 系统的装车对象( 国产某自主品牌轿车) , 在 Matlab/ Simulink 平台下建立 DCT 系统模型. DCT 及国产某自主品牌轿车参数如表 1 所示. 干式双离合器接合速度按照快 -慢 -快的原则进行, 空行程和完全接合阶段为快速接合, 过渡阶段为缓慢接合, 而空行程和完全接合后的快慢程度对DCT 系统输出性能不产生影响表 1 DCT及国产某自主品牌轿车车辆参数Tab. 1 DCT & vehicle data参数名称参数值参数名称参数值发动机功率95 kW输入轴转动惯量4 g # m2车重1 290 kg输入轴刚度4 920 N # m/ rad车轮等效半径0. 298 m输入轴阻尼 13. 6 N # m# s/ rad车辆挡位速比 1 挡 3. 55, 2 挡 2. 2 输出轴刚度16. 3 kN # m/ rad主减速比4. 2输出轴阻尼 31. 1 N # m# s/ rad奇数挡位齿轮转动惯量2. 3 g # m2空心轴转动惯量2 g # m2偶数挡位齿轮转动惯量0. 9 g # m2实心轴转动惯量1 g # m2发动机转动惯量0. 1 kg # m2中间轴转动惯量8 g # m2 所设计的 DCT 系统采用 1 挡起步, 起步阶段CL1膜片杠杆弹簧小端以 10 mm/ s 的速度接合,CL1膜片杠杆弹簧小端行程为 10 mm. 当 T CU( T ransmission control unit) 根据换挡策略判断车辆即将升 2 挡之前, 预先将 2 挡换入, 然后进入升 2挡时刻, CL1小端以 20 mm/ s 的速度分离, 与此同时CL2小端以 20 mm/ s 的速度接合, CL2膜片杠杆弹簧小端行程为 10 mm. 时刻4 s 为DCT 的 1挡升 2挡时刻, 标准化的离合器大端压紧力 P0如图 3所示.图 3 双离合器压紧力曲线Fig. 3 Clutch pressure profiles for starting and 1 -2 shift 通过仿真可得无磨损时 DCT 输出转矩如图 4所示. 由图可见, DCT 起步平稳, 3. 5 s 时的微弱振荡是由 DCT 预换挡引起的. 4 s 时从 1 挡换至 2 挡,换挡过程可划分为转矩相和惯性相( 4. 5 s 时转矩振荡部分) .在平路以及车辆质量不变条件下, 当 CL1不同磨损量起步时, 双离合器 CL1从动盘转速上升曲线如图 5 所示.图 4 无磨损双离合器 DCT 输出转矩Fig. 4 Output torque of new dua- l clutch图 5 CL1不同磨损量起步时的 CL1从动盘转速Fig. 5 Output angular velocitiy during startingin different wears 由图 5 可见, CL1磨损量与从动盘的转速初始不为零点, 并存在对应关系. 结合所建立的 DCT 系统仿真模型, 通过不断改变 CL1的磨损量, 可得CL1磨损量 D与 CL1从动盘起始转动时间 t0的关系如图 6 所示.图 6 CL1磨损量与 CL1从动盘起始转动时间的关系Fig 6 Relationship between the starting time of outputangular velocitiy and the wear of CL1 由图 6 可见, 在平路及车辆质量不变的条件下起步, CL1从动盘转速差初始不为零且与 CL1磨损量之间存性关系, 从而可通过对 CL1从动盘转速差的分析来辨识 CL1的磨损量. T CU 控制 DCT双离合器执行机构对 CL1的空行程重新进行标定,使得 CL1在下次运行时磨损量得到补偿.1挡升 2挡时, 以补偿过后的 CL1为基准, CL2不同磨损量时双离合器主、 从动盘转速差如图 7所示.( a) 无磨损( c) 磨损 1. 33 mm( b) 磨损 0. 67 mm( d) 磨损 2. 00 mm图 7 1 挡升 2 挡 CL2不同磨损量时双离合器转速差Fig7Relative angular velocity between the clutch input and output during 1 -2 shift in different wear of CL2 由图 7 可见, 在 1 挡升 2 挡过程中, 随着离合器磨损量增加, CL2转速差峰值增大, CL2完全闭合时间后移, 3. 5 s 时的预换挡对 CL1主、 从动盘转速差影响可以忽略不计, 对 CL2主、 从动盘转速差有一定的影响. 当 CL2的磨损量( DCT 双面摩擦片的最大磨损量为 2 mm) 增加时, CL2磨损量与 CL2主、从动盘转速差峰值的关系如图 8 所示, CL2磨损量与 CL2完全闭合时的关系如图 9 所示.图 8 CL2磨损量与转速差峰值的关系Fig 8 Relationship between the peak value of relativeangular velocity and the wear of CL2图 9 CL2磨损量与 CL2完全闭合时的关系Fig 9 Relationship between the time of close absolutelyand the wear of CL2 由图 8 可见, 在1 挡升2 过程中, 随着 CL2磨损量的增大, CL2主、 从盘转速差峰值越来越大, 当磨损量达到 2 mm 时, 转速差峰值达到 557. 41 rad/ s.由图 9 可见, 随着 CL2磨损量的增大, CL2完全闭合时间也随之后移, 当磨损量达到 2 mm 时, 完全闭合时间后移至 5. 27 s, 此时升挡过渡时间为 1. 27 s,远超过无磨损时的过渡时间 0. 52 s. 由图 8 和图 9的定量规律, 结合式( 2) 的膜片杠杆弹簧大端变形和小端变形之间的关系( 所设计的膜片杠杆弹簧杠杆比为 3B1) , 可得大端磨损量与小端空行程增加量满足 1B3 的规律, 通过 DCT 离合器执行机构可以对 CL2小端空行程进行重新标定 从而实现对CL2磨损量的补偿, 进而能保障车辆换挡平顺性.另外, 通过大量仿真可以发现: ¹ 起步时 CL1磨损不影响 DCT 输出转矩特性, 但会使起步时间后延; º 1 挡升 2 挡时随着 CL2磨损量增加, DCT输出转矩波动程度加剧, 若不进行补偿会使得车辆平顺性降低.3 结 论( 1) 1 挡起步时 CL1从动盘转速不为零且与CL1磨损量存在对应关系.( 2) 1 挡升 2 挡过程中, 随着 CL2磨损量的增加, DCT 输出转矩的波动程度加剧, 其中预换挡对DCT 输出转矩的影响可以忽略不计.( 3) 1 挡升 2 挡过程中, CL2的主、 从盘转速差峰值以及完全接合时刻与 CL2的磨损量之间存在定量关系.( 4) 基于膜片杠杆弹簧的特性, T CU 通过控制执行机构可完成对双离合器磨损量的补偿.参考文献:[ 1] Manish Kulkarni, T aehyun Shim,Zhang Yi.Shiftdynamics and control of dua- l clutch transmissions[ J].Mechanism and Machine Theory, 2007, 42: 168 -182.[ 2] Goetz M , Levesley M, Corolla D. 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