雙離合自動變速器同步器監控策略開發?

李鴻魁，魯統利，張建武

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

雙離合自動變速器同步器監控策略開發?

李鴻魁，魯統利，張建武

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

由于雙離合自動變速器同步過程的復雜性，開環控制策略無法獲得良好的控制效果。為改善同步器的控制性能，將同步過程分為6個階段并進行了詳細分析，建立了各階段的數學模型。根據同步過程的動力學特點，針對同步器模型提出了一種監控策略，將接合套的位移和輸入軸與輸出軸轉速代入各階段的動力學方程來估計同步器所處的階段，并設計不同的子控制器來控制各階段的換擋同步力。實車對比實驗結果表明，所提出的監控策略能有效降低同步延遲，減少了二次沖擊的影響，有較高的工程應用價值。

雙離合自動變速器；同步器；監控策略

前言

目前，雙離合自動變速器(DCT)因其可無動力中斷地從一個離合器轉換到另一個離合器而被越來越多地應用到車輛上[1]。與傳統手動變速器不同，雙離合自動變速器依靠控制系統來驅動同步器操作以順利完成換擋同步操作。

早期同步器的研究主要集中于同步器的結構設計和動力特性[2-4]。近些年，對于同步器的研究已經逐漸延伸到雙離合自動變速器領域。雙離合自動變速器同步器的設計和開發最早由Razzacki[5]和Walker等人[6-8]提出。由于同步器的復雜結構及不連續的動力特性，其控制問題十分復雜。文獻[9]中提出了一種同步器分階段控制方法，但是該方法無法處理由同步器部件磨損導致的控制性能下降的問題。因此，需要開發一種自適應控制策略來更好地實現換擋同步過程。

本文中將集中分析和開發一種新的監控方法，討論監控內在的自適應特性。

1 雙離合器自動變速器同步器數學模型

典型的鎖環式同步器由接合套、同步鎖環、花鍵轂、同步器定位銷和待接合齒輪組成，其部件分解圖如圖1所示。

圖1 鎖環式同步器部件分解圖

根據同步器不同部件之間的相互作用，同步過程可以被分為6個階段。

階段1：第一次自由行程。在這個階段，同步器接合套帶著同步環軸向移動以消除同步環與待接合齒輪齒圈的間隙。此階段的動力學方程為

式中：mt為同步器接合套、同步環及定位銷的質量之和；ssl為接合套位移；Fa為軸向力；Ffric為零部件之間的摩擦力；Jtg為目標齒輪處的等效轉動慣量；ωtg為目標齒輪的角速度；ωsl為同步器接合套角速度；icg和itg分別為當前擋位和目標擋位的傳動比；TD為輸入軸處的阻力矩。

階段2：克服定位銷阻力。在這個階段，同步器接合套將克服定位銷阻力，繼續軸向移動。此階段的動力學方程為

式中：FBTL為定位銷阻力；μc為同步環與待接合齒輪齒圈之間的摩擦因數；Rc為摩擦面的平均半徑；αc為摩擦面的半錐角。

階段3：同步階段。在這個階段，同步環和待接合齒輪齒圈之間的摩擦力產生了一個摩擦力矩，它使兩者的轉速差逐漸縮小，直到轉速相同。此階段的動力學方程為

階段4：撥環階段。在這個階段，同步器接合套將撥轉同步環以實現與其嚙合。此階段的動力學方程為

式中：Jsr為同步環的轉動慣量；μch為齒間摩擦因數；φ為齒端角；RI為同步器接合套外齒的分度圓半徑。

階段5：第二次自由行程。在這個階段，同步器接合套軸向移動以消除接合套外齒齒端與待接合齒輪齒圈齒端的軸向間隙。此階段的動力學方程為

階段6：同步完成階段。在這個階段，同步器接合套撥轉待接合齒輪以完成整個同步過程。此階段的動力學方程為

2 同步器自適應監控策略

一個動力系統如果既包含連續的動力學特性也包含離散的動力學特性，則該動力學系統是混合動態系統[10]。當某些離散事件發生時，連續的動力學特性與離散的動力學方程相互轉換。

同步過程就是一個典型的混合動態系統。每一個階段都是一個線性連續的子系統。但是階段間的轉換是離散的事件。

經典的控制方法在處理復雜的混合動態系統的控制問題上有不足。而監控理論(supervised control theory)已經被證明是一種有效處理混合動態系統的控制方法[11]。根據每個線性連續的子系統的動力學特性而開發相應的子控制器。而當某些特定的變量發生變化，即切換條件被滿足時，監督模塊(supervisor)將根據切換條件來選擇相應的子控制器。因為切換的節點可根據切換條件的變化而改變，所以切換控制具有良好的自適應性和魯棒性。圖2為同步器監控系統的結構圖。

圖中，6個獨立的子控制器和1個監督模塊共享同樣的輸入和傳感器信號。每個子控制器提供一個獨立不相關的輸出控制信號。監督模塊根據特定的切換條件選擇對應當前階段的子控制器，當一個子控制器輸出控制信號時，其他子控制器無法輸出控制信號，避免引起控制邏輯錯誤導致錯誤操作。

圖2 同步器監控系統結構圖

當監督模塊識別到切換條件被觸發時，新的子控制器將會代替當前的子控制器。在新子控制器的控制參數被采用時，控制信號可能會發生突變。為避免階段轉換之間控制信號發生不連續的突變，可限制控制信號的變化率。當控制電流變化率到達門限值時，控制電流將不會繼續增加，而是保持不變。

2.1 各階段子控制器

根據各階段不同的動力學方程設計了相應的子控制器和控制目標軌跡。階段1、階段2和階段5是直線運動，階段3是旋轉運動，階段4和階段6為混合運動階段。

直線運動階段控制器都是類似的，區別僅在于控制變量的參考值，采用PID閉環控制。控制目標為同步器接合套的速度，通過調整同步器接合套的速度與目標速度的差來實現閉環控制，控制原理如圖3所示。

圖3 直線運動階段控制原理圖

圖4為階段1和階段2的目標位移。階段5由于行程極短，無需設計單獨的控制器，通過階段4控制所帶來的慣性即可完成。

圖4 階段1和階段2的目標位移

旋轉運動階段采用開環控制，根據式(5)同步階段的動力學方程求得所需的同步力。

以升擋過程為例，將式(5)改寫成式(11)，其中阻力矩TD可由經驗值提供或根據實驗估算出。

式中：t0為轉速同步階段開始時刻；t1為轉速同步階段結束時刻。

假設換擋同步力Fa和阻力矩TD在轉速同步前階段都不隨時間而變化，則式(12)可進一步改寫為

其中Δt=t1-t0

同步器的接合套和輸出軸與整車相連，而整車的轉動慣量相對較大，因此轉速同步階段同步器接合套的轉速變化可以忽略，則可認為轉速同步階段結束時待接合齒輪的角速度ωtg(t1)與轉速同步階段開始時同步器接合套的角速度ωsl(t0)相同。式(13)左端可以改寫成JtgΔω(t0)，換擋同步力Fa可以根據式(13)求出：

根據式(14)，只須確定所需的Δt，即可確定轉速同步階段所需的換擋同步力Fa。由于旋轉階段較為穩定，采用固定的Δt值，為100ms。

混合運動階段指的是撥環階段和接合套與待接合齒輪嚙合階段，這兩個階段具有類似的動力學特性，既存在軸向直線運動，又存在旋轉運動。在混合運動階段，軸向位移ΔX和周向位移ΔY的幾何關系如圖5所示。

圖5 混合運動階段軸向位移ΔX和周向位移ΔY的幾何關系

混合運動階段，同步器接合套需要克服阻力矩才能順利完成嚙合，因此混合運動階段的控制策略主要依據轉矩平衡來制訂。如果接合套產生的撥環力矩過小，不足以克服阻力矩，則會導致同步延遲甚至失敗；如果接合套產生的撥環力矩過大，則會造成沖擊。由以上分析可知，閉環控制比開環控制更適合混合運動階段。但是閉環控制的問題在于如果混合運動階段與前一階段的控制信號幅值相差太多，會引起二次沖擊。為解決二次沖擊的問題，將混合運動階段的閉環控制器分成兩層來實現。第一層將換擋同步力調整至能平衡阻力矩的大小，第二層是以待接合齒輪轉速為控制目標的閉環控制。分布式的結構可有效地解決二次沖擊的問題。

2.2 切換條件

當切換條件被滿足時就執行切換操作，從一個子控制器切換到另一個子控制器。當檢測到某些狀態變量的特定變化時，則認為相應的切換條件被觸發，相應的子控制器被激活，而之前的子控制器則被關閉。

根據對同步過程的分析，不同階段間的切換條件如表1所示。

表1 監控各階段間切換條件

階段1是第一次自由行程階段，因此階段1與階段2之間的切換條件為同步器位移s1，當同步器接合套軸向移動了s1就認為階段一結束。階段2是同步器接合套克服定位銷阻力繼續軸向移動的階段，當同步器接合套進入鎖止位置，則認為階段2完成，因此階段2與階段3之間的切換條件為同步點s2。階段3待接合齒輪轉速與同步器接合套轉速逐漸同步，直到兩者轉速相同，則認為階段3完成，因此階段3與階段4之間的切換條件為ωsl=ωtg。階段4為撥環階段，同步器接合套將同步環撥轉，直到同步器接合套與同步環嚙合，當同步器接合套軸向移動了s3，則認為階段4結束。階段5為同步器接合套與待接合齒輪嚙合階段，同步器接合套撥轉待接合齒輪直到同步器接合套與待接合齒輪嚙合，因此階段5與階段6之間的切換條件為s=s4。

2.3 基于狀態方程的切換條件

表1所示的切換條件并不具有自適應性，公差和磨損會導致同步器部件之間的初始相對位置發生變化，導致切換條件不再適用。

將前面推導的同步器各階段動力學方程寫成狀態方程，階段1的狀態方程如式(15)所示。階段2到階段7的狀態方程與階段1的類似，不同的只是狀態矩陣和輸入矩陣。

其中

將控制輸入代入各階段的狀態方程，可算出在該控制輸入下的狀態變量值，將計算出的狀態變量的值x1，x2，…，x7與傳感器測得的值相減，可以得到相應的誤差en(n=1，2，…，7)：

對誤差en取2-范數‖en‖2，根據其最小誤差min(‖en‖)所對應的狀態方程，則可確定當前同步器所處的階段。由于同步過程各階段的動力學特性區別很大，計算出的en也有較大的差異。

當同步器系統處于平動相階段時，根據平動相狀態方程計算出的狀態變量xt與傳感器測得的實際狀態量在各維度上的誤差都較小；而相同的控制輸入代入轉動相狀態方程計算出的狀態變量xr在各個維度上與實際狀態量都存在較大誤差：

根據以上分析可知，將控制輸入代入各階段的狀態方程計算出相應的狀態變量，并與傳感器測量值相減并取2-范數，2-范數最小的誤差值所對應的狀態方程即可確定同步器實際所處的階段。

通過狀態方程來判斷同步器系統所處階段，當對應最小的誤差2-范數的階段發生變化時，則認為切換條件被滿足，系統從一個子控制器切換到另一個子控制器。

3 實驗結果分析

為了評價同步器自適應監控策略，進行了實車實驗。同步器接合套位移通過同步器撥叉上的永磁鐵與變速器控制器中的霍爾傳感器的相互作用來測量，如圖6所示。

待接合齒輪的轉速根據輸入軸轉速傳感器測得的輸入軸轉速進行換算，同步器接合套轉速根據輸出軸轉速傳感器測得的輸出軸轉速進行計算。輸入軸及輸出軸轉速傳感器布置如圖7所示。

圖8為開環控制策略在2擋升3擋同步過程中的表現，各階段的換擋同步力已提前標定好。

根據對整個換擋過程持續時間的要求，通常情況下整個同步過程的持續時間應小于250ms。而在此工況下，同步過程持續了約850ms，存在顯著的同步延遲問題。由于開環控制策略為確保同步過程能完成，在同步時間超過一定限度的情況下會給出一個很大的脈沖命令，以確保同步器接合套不會被卡住而導致換擋同步失敗，如圖8(c)所示。

圖6 永磁鐵及變速器控制核心上的霍爾傳感器

圖7 輸入軸及輸出軸轉速傳感器的布置

由圖8可見，階段4和階段6的持續時間最長，即撥環階段和同步器接合套與待接合齒輪嚙合階段出現了同步延遲。原因是開環系統沒有檢測到階段4已經完成，而是單純地按照標定的換擋同步力來操作，如果該同步力未能克服傳動系統中的阻力矩，同步器接合套就會被卡在原位無法繼續軸向移動，無法順利地完成撥環階段和同步器接合套與待接合齒輪的嚙合階段。開環控制策略將輸入軸處的阻力矩視為固定值，然而在很多工況下阻力矩都會大于該固定值。當阻力矩大于設計值時，換擋同步力無法克服阻力矩而使得同步器接合套無法軸向移動。

將同步過程監控策略應用于該工況，結果如圖9所示。由圖9(c)可見，混合運動階段子控制器通過閉環控制將換擋同步力調整到合適的值，克服輸入軸處的阻力矩，使得同步器接合套可順利完成階段4。階段4的持續時間從圖8中的約300ms降低到圖9中的約30ms。整個同步時間從圖8中的850ms降低到圖9中的250ms左右。根據上述分析，監控通過計算切換條件來準確估計目前所處的階段，并根據各階段的子控制器來實現閉環控制，解決了同步延遲的問題，極大地改善了控制器性能。

由圖8(c)和圖9(c)的對比可見，同步過程監控階段間控制信號過渡較好，沒有控制信號突變發生，而開環控制策略沒有限制控制信號的突變，在階段4結束階段出現了控制突變的情況，造成了二次沖擊和噪聲，影響了同步過程的平順性，縮短了同步器零部件的壽命。

圖8 升擋同步過程開環控制策略的表現

圖9 升擋同步過程監控策略的表現

4 結論

本文中分析了雙離合自動變速器同步過程，推導了同步器的數學模型，并根據同步過程的非線性特點提出了一種新的監控策略，針對不同的階段設計了對應的子控制器，并根據狀態方程給出了各階段間的切換條件。對該控制策略進行實車實驗，結果表明，該控制策略將同步過程的時間控制在250ms左右，優于現有的開環控制策略，改善了雙離合自動變速器同步器的工作效率，有著很好的工程實用性。

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Development of Monitoring Strategy for Synchronizer in Dual Clutch Transmission

Li Hongkui，Lu Tongli＆Zhang Jianwu
School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240

Due to the complexity of the synchronization process of dual clutch transmission，open loop control strategy can't achieve good effects.For improving the control performance of synchronizer，the synchronization process is divided into six phases for detailed analysis.The mathematical model for each phase is set up，and a monitoring strategy for synchronizer model is proposed based on the dynamic features of synchronizing process.The displacement of engaging sleeve and the rotating speeds of input and output shafts are substituted into the dynamics equation for each phase to estimate the phase of synchronizer，and different sub-controllers are designed for controlling the shifting force in each phase.The results of real vehicle comparative test show that the monitoring strategy proposed can effectively reduce synchronizing delay and the reverse effects of secondary shock，highly worthy of engineering application.

dual clutch transmission；synchronizer；monitoring strategy

?國家自然科學基金(51175326)資助。

原稿收到日期為2016年2月25日，修改稿收到日期為2016年5月20日。

魯統利，副教授，博士，E-mail：tllu＠sjtu.edu.cn。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.011