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双离合器变速箱的工作原理?

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  双离合自动变速器(简称DCT)基于手动变速箱基础之上。而与手动变速箱所不同的是,DCT中的两幅离合器与二根输入轴相连,换挡和离合操作都是通过一集成电子和液压元件的机械电子模块来实现。而不再通过离合器踏板操作。就像tiptronic液力自动变速器一样,驾驶员可以手动换挡或将变速杆处于全自动D挡(舒适型,在发动机低速运行时换挡)或S挡(任务型,在发动机高速运行时换挡)模式。此种模式下的换挡通常由挡位和离合执行器实现。两幅离合器各自与不同的输入轴相连。如果离合器1通过实心轴与挡位1、3、5相连,那么离合器2则通过空心轴与挡位2、4、6和倒挡相连。

  发动机的输入轴通过缓冲器与两幅离合器外片相连。发动机启动后自动挂1挡。由于离合器1处于打开状态,因而没有扭矩传到驱动轮。当离合器1关闭时,离合器1的外片逐渐贴合内片并开始通过第一挡的实心轴、齿轮组和同步器传动发动机扭矩至差速器,最终至驱动轮。同时,由于离合器2此时并不传递扭矩,因此第二挡已被预先选定。从第一挡换到第二挡时,由于第一挡的解除和第二挡的挂挡在同一速度,车辆有足够的前冲力。当第离合器2完全接合后,第三挡已被预先选定,因为此时离合器1没有接合,不传导扭矩,挂挡原理依次类推。此时驾驶员仅感觉到离合器转换。对快速换挡操作来说,换下一挡即意味着与之相连的离合器开放,但此挡位预先选定。通过变速箱控制软件的复杂算法,根据驾驶员各自的需要调整换挡类型和换挡速度确保了选定正确挡位。通过设计,双离合变速器中的最大差速小于传统的液力自动离合器,该类离合器操作起来简便快速,与传统的液力自动离合器相比,其舒适感也更高,或不低于液力自动变速器。通过简单的控制软件即可实现从运动型到高舒适型驾乘体验的改变,因此可有效的控制成本以满足不同层次市场、客户的需求。

  离合器位于发动机与变速器之间,是发动机与变速器动力传递的“开关”,它是一种既能传递动力,又能切断动力的传动机构。它的作用主要是保证汽车能平稳起步,变速换挡时减轻变速齿轮的冲击载荷并防止传动系过载。在一般汽车上,汽车换档时通过离合器分离与接合实现,在分离与接合之间就有动力传递暂时中断的现象。这在普通汽车上没有什么影响,但在争分夺秒的赛车上,如果离合器掌握不好动力跟不上,车速就会变慢,影响成绩。

  为了解决这个问题,早在上世纪80年代,汽车工程界就弄出了一个双离合系统变速器,简称DSG(英文全称:Direct Shift Gearbox),装配在赛车上,能消除换档离合时的动力传递停滞现象。例如 布加迪EBl6.4 Veyron的新型7速变速器是装置了双离合器,从一个档位换到另一个档位,时间不会超过0.2秒。现在,这种双离合器已经从赛车应用到一般跑车上。奥迪汽车公司的新型奥迪TT跑车和新奥迪A3都已经装置了这种DSG。这些汽车装配DSG的目的是可以比自动变速器更加平顺地换档,不会有迟滞现象。

  奥迪这种双离合系统变速器是一个整体,有6个档位,离合器与变速器装配在同一机构内,两个离合器互相配合工作。这好比喻一辆车有两套离合器,正司机控制一套,副司机控制另一套。正司机挂上1档松开离合踏板起步时,这时副司机也预先挂上2档但踩住离合踏板;当车速上来准备换档,正司机踩住离合踏板的同时副司机即松开离合踏板,2档开始工作。这样就省略了档位空置的一刹那,动力传递连续,有点象接力赛。双离合系统两套离合器传动系统,通过电脑控制协调工作。

  当汽车正常行驶的时候,一个离合器与变速器中某一档位相连,将发动机动力传递到驱动轮;电脑根据汽车速度和转速对驾驶者的换档意图做出判断,预见性地控制另一个离合器与另一个档位的齿轮组相连,但仅处于准备状态,尚未与发动机动力相连。换档时第1个离合器断开,同时第2个离合器将所相连的齿轮组与发动机接合。除了空档之外,一个离合器处于关闭状态,另一个离合器则处于打开状态。

  两根传动轴分别由第一、第二离合器控制与发动机动力的连接与断开,分别负责1、3、5档和2、4、6档的档位变换。考虑到零件使用寿命,设计人员选择了油槽膜片式离合器,离合器动作由液压系统来控制。

  一种用于对一个自动化的双离合器变速箱进行换档控制的方法,该双离合器变速箱包含一个第一分变速装置,其配有一个第一变速箱输入轴、一个第一发动机离合器和一个第一档组;该变速箱还包含一个第二分变速装置,其配有一个第二变速箱输入轴、一个第二发动机离合器和一个第二档组,利用此方法,在一个负载档和一个分配给同一分变速装置的目标档之间实现一个换档过程,为此利用一个分配给另一个分变速装置的中间档来作为多重换档,换档步骤是,S1:接入中间档;S2:从负载档的发动机离合器转换到中间档的发动机离合器的离合器变换;S3:解脱负载档;S4:接入目标档;S5:从中间档的发动机离合器到目标档的发动机离合器的离合器变换;利用此方法,将所配置的驱动发动机的发动机转速n↓[M]在换档过程结束时引导到目标档的同步转速n↓[MS],根据本发明如此设置:在换档过程开始时(t=t↓[0])预定出一个初始额定转速梯度(dn↓[M]/dt)↓[0],利用此额定转速梯度,发动机转速n↓[M]在一个估计的总换档时间Δt↓[s∑]’时在换档过程结束时便达到同步转速n↓[MS];驱动发动机的发动机转速n↓[M]在换档过程开始时首先按照预定的初始-额定转速梯度(dn↓[M]/dt)↓[0]加以改变;在换档过程中求得实际的换档进程,并将之与所估计的换档进程进行对比;使额定转速梯度dn↓[M]/dt在确定的换档进程偏差的情况下匹配于实际的换档进程。

  DCT由机械系统和控制系统组成,控制系统是的DCT关键部件,而起步控制策略的制定、综合智能换挡规律的制定和换挡品质的改善方法是控制系统的核心技术,对整车的起步性能、换挡品质、动力性和经济性等有着重要的影响。

  综合当前的研究成果,通过优化离合器的动力学模型、完善离合器接合的控制策略及提高离合器执行机构的跟踪品质,是提高车辆起步性能的主要途径。

  离合器起步过程中的动力学模型是进行离合器控制策略研究的基础,包括离合器执行机构动力学模型、接合过程中转矩传递的模型及离合器接合过程的动力学模型。杨树军等对电控液动湿式离合器执行机构动力学模型进行了研究,并建立了接合过程的动力学模型。李焕松、张俊智、申水文和葛安林等对电控液动干式离合器执行机构的工作过程进行了详细分析,建立了相应的模型。

  离合器接合速度的控制策略是优化起步性能的关键,总体可分为基于现代控制技术和基于智能控制技术的控制策略。

  基于现代控制技术的控制策略 车辆起步性能的评价指标中,冲击度与滑摩功是相互矛盾的,不可能使二者同时达到最优。在满足各种约束条件的前提下,为了找出比较满意的综合最优解,基于约束条件的最优算法及最优控制方法,在离合器起步控制中得到了应用。葛安林等基于离合器的动力学模型,以平均冲击能量和滑摩功为目标函数,进行多目标函数的综合优化,从而获得在不同操纵规律下,任一坡度、载荷和挡位下起步时的最佳接合规律。孙承顺、张建武和秦大同等基于最小值和线性二次型的最优控制原理,综合考虑冲击度和滑摩功两项评价指标,以解析形式推导出离合器的最优接合轨线。席军强、陈慧岩和丁华荣等根据离合器输出轴转速和发动机转速与离合器输出轴转速差,得到理想离合器输出轴加速度,并通过控制离合器驱动机构的行程增量,使得实际离合器输出轴加速度和理想相一致,实现了起步过程中的自适应控制。

  基于智能控制技术的控制策略 模糊控制等智能控制技术的最大优点,就是对非线性、大滞后及难以建立精确数学模型的控制对象,具有更好的适应性。LUCAS等分析了40位驾驶员的起步操作数据,总结了相应的起步控制规则,为起步过程中模糊规则的制定奠定了基础。TANAKA等基于驾驶员经验建立了模糊规则库,根据驾驶员踏板的操作过程,模糊推理出驾驶员的意图,实现了离合器的模糊起步控制。与此同时,葛舜、王云成、申水文和汤霞清等国内学者也开展了离合器模糊起步控制技术的研究,并进行了实车测试,取得厂预期的效果。

  提高离合器执行机构的跟踪品质,应研究鲁棒性强、跟踪品质好的执行机构控制器。建立控制决策系统和硬件机构之间的良好接口,是精确实现离合器的控制策略、优化离合器起步性能的关键。张俊智等采用预测控制的方法,有效地克服了液压控制系统对电磁阀开、关指令的滞后,实现了离合器接合的高精度控制,并提出了离合器的容错控制方法。高炳钊、葛安林等将反馈信号由液压缸柱塞的速度转变为位移量,避开了液压系统的高度非线性和时变性的影响,实现了接合速度精确控制。孙承顺、张建武等根据非线性控制理论和滑模控制原理,构造了等价线性系统滑模控制器,使之具有高精度的跟踪品质和较强的抗干扰能力。何忠波等利用控制电动机正反向运转时间的办法,解决了执行电动机在低转速下匀速运动精度不高的问题,实现了离合器的精确控制,叶明等设计了基于模糊控制的速度环和基于PI控制的电流环双闭环控制系统,使伺服电动机具有良好的动态性能。

  应从提高离合器动力学模型的精度、完善离合器控制策略及提高执行机构的跟踪精度三方面来优化离合器的起步性能,离合器控制策略的完善最为关键,其各种方法的评价及发展动态如下。

  最优控制等综合优化方法需要建立精确的离合器动力学模型,且不适应控制过程中参数变化引起的决策凋整。建立完全精确的动力学模型十分困难,而且由于车辆起步时载荷、挡位等变化,使离合器传动系中参数具有不确定性,限制了最优控制的性能。

  模糊参考自适应控制策略的稳定性、鲁棒性等方面的理论尚不完善,不易建立性能较好的自适应控制系统。因此应从优化离合器动力学模型和完善自适应控制系统两个方面,来提高基于现代控制技术的离合器起步的性能,但难度较大。包括模糊控制在内的智能控制可以利用人的知识和经验,达到模仿人的思维来控制车辆起步的目的,而且对难以建立数学模型、非线性和大滞后的控制对象,具有很好的适应性,非常适用于离合器起步控制领域,应用前景较好。但模糊控制在其参数的模糊化过程中,受人为因素的影响较大,控制规则中参数特性与控制目标关系不明确,不易于参数的调整,获得较优的控制参数困难。

  因此基于优秀驾驶员的起步操纵经验,不断丰富模糊控制规则的基础上,研究如何通过少量的调试次数,即可获取较优控制参数的方法,是目前急需解决的问题。

  基于经验的换挡规律HAYASHI等利用模糊控制和神经网络方法,对优秀驾驶员的换挡规律进行辨识,建立了基于经验的换挡规律,提高了车辆在爬坡及制动工况时的性能。实际工程应用方面,三菱汽车公司率先应用神经网络逻辑电路,成功开发了能最优选择变速挡位的INVECSⅡ型软件系统。

  基于约束条件的换挡规律早期使用的单参数换挡规律目前应用较少。彼得罗夫提出了以车速和油门作为控制参数的二参数换挡规律,二参数换挡规律引入了油门参数,实现了驾驶员的干预换挡,与单参数相比,整车的动力性、经济性和换挡品质有了较大的提高,当前被广泛采用;葛安林等在发动机动态试验数据的基础上,提出了以车速、油门开度和加速度为控制参数的动态三参数控制规律,试验结果表明,该规律优于静态的二参数换挡规律。

  智能修正的换挡规律WEIL等提出了一个挡位决策的模糊专家系统模型,详细介绍了获取换挡控制规则的方法,并进行了仿真对比分析,证明了该方法的优点。三菱汽车公司也开展了相应研究,并在上、下坡等特殊路段进行了对比测试。国内学者也开展了智能修正换挡规律的研究。申水文、葛安林等通过增加转向盘转角传感器和道路坡度传感器,引入坡道和弯道信息,采用模糊逻辑技术修正二参数换挡规律,减少了爬坡和弯道行驶时的换挡次数。

  综合智能的换挡规律秦贵和等将路面和驾驶员意图分为良好路段、颠簸路段、加速和停车等典型工况。首先求出各典型工况较佳的换挡规律。然后利用易于测量的车辆的状态参数,依据模糊推理方法,形成一个描述路面特征、驾驶员意图和车辆状态的模糊集合,求出当前状态与各典型工况的贴近度,计算得到最终的挡位数值。葛安林等在综合国内外对驾驶员类型、驾驶员意图和行驶环境路段、路况和路形实时识别研究成果的基础上,提出由路段和路况识别信息建立标准行驶工况的换挡规律,按照驾驶员的类型进行标准换挡规律的个性化处理,并依据路形、驾驶员意图识别的结果,进行局部信息占优再修正,获取最佳的换挡规律。

  综合智能换挡规律是实现汽车的可驾驶性、燃油消耗、废气排放和其他性能达到综合较优的最佳途径,也是换挡规律发展和应用的方向。可以从提高基于约束条件换挡规律的精度以及丰富换挡决策的知识库、加强综合智能换挡规律的试验研究两方面来完善综合智能换挡规律。

  换挡品质研究的主要目标,就是缩短换挡时间,且使换挡过程中的冲击度和滑摩功符合要求。优化离合器的切换规律,控制离合器的接合、分离速度,是提高DCT换挡品质的重要途径。应直接以各电磁阀的占控比,直流电动机电压的方向、占控比或运转时间为研究对象,对比分析不同控制指令时的换挡品质。考虑系统温度、离合器磨损等因素对换挡品质的影响,对控制指令进行补偿。最终得到使各挡位的换挡品质达到综合较优时,各电磁阀或各电动机控制指令的数值表。

  动力传动系的综合控制也是提高换挡品质的重要途径,基于CAN总线的动力传动系综合控制,能够根据发动机电子控制单元和变速器电子控制单元之间的信息共享,通过发动机的供油控制,缩短换挡的时间,优化换挡品质。应该考虑离合器的执行机构、电子油门的执行电动机和各传感器对控制指令的滞后情况,制定并优化各控制指令发出的时序,合理制定每个挡位升、降挡过程中,电子油门执行电动机控制指令的数值表,实现动力传动系的综合控制。

  展开全部DSG有一个由两组离合器片集合而成的双离合器装置,同时有一个由实心轴及其外部套筒组合而成的双传动轴机构,并由Mechatronic电子控制及液压装置同时控制两组离合器及齿轮组的动作。在某一档位时,离合器1结合,一组齿轮咬合输出动力,在接近换挡时,下一组挡段的齿轮已被预选,而与之相联的离合器2仍处于分离状态;在换入下一挡位时,处于工作状态的离合器1分离,将使用中的齿轮脱离动力,同时离合器2咬合已被预选的齿轮,进入下一档。在整个换挡期间能确保最少有一组齿轮在输出动力,令动力没有出现间断的状况。

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