基于雙離合變速器的起步控制優化研究

【摘要】針對某雙離合變速器（DCT）車型在極限工況下前進擋（Drive）D1擋起步的離合器過熱問題，提出用雙離合起步的控制方法來提升車輛的爬坡和脫困性能。通過分析硬件結構條件、離合器片溫度模型和DCT起步具體過程，在起步穩速階段使用D2擋離合器來承擔無用滑摩功，當發動機扭矩增加且超過閾值時，切換D1擋離合器，并詳細闡述該控制方法的激活條件和具體實施過程。實車驗證結果表明：雙離合起步策略對于離合器溫度控制、駕駛平順性均具有明顯優勢，車輛爬坡和脫困性能得到顯著提升。

主題詞：雙離合變速器 雙離合起步 DCT過熱

中圖分類號：U463.2" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20231062

Research on the Optimization of DCT Performance Based

on Dual Clutch Launching

Gong Jun， Li Bin， Xiong Bin， Chen Yuqi

（Magna Powertrain Jiangxi Co.， Ltd.， Nanchang 330013）

【Abstract】In order to solve the problem of clutch overheating during the launching of a Dual Clutch Transmission （DCT） vehicle in the Drive mode of D1 gear under extreme working conditions， this paper proposes a dual-clutch launching control method to improve the climbing and escape performance of the vehicle. Based on the analysis of the hardware structural conditions， the clutch plate temperature model and the specific process of DCT launching， this paper proposes to use the D2 gear clutch to undertake the useless slipping power at the beginning of the steady speed stage of launching， and then switch back to the D1 gear clutch when the engine torque gradually increases to exceed the threshold， the paper then elaborates in detail the activation conditions and specific implementation process of the control method. Vehicle test verification shows that the dual-clutch launching has obvious advantages in clutch temperature control and driving smoothness compared with the single-clutch launching， and the vehicle climbing and escape performance has been significantly improved.

Key words： Dual Clutch Transmission （DCT）， Dual Clutch Launch， DCT Overheating

1 前言

離合器過熱是限制雙離合變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）性能的關鍵問題[1-2]。濕式離合器作為主流離合器，在日常駕駛中，能夠主動控制油冷散熱，明顯改善離合器過熱問題[3]。但在30%以上的坡道原地坡起、深坑脫困等極限工況效果不佳，導致車輛的爬坡和脫困性能不足。

由于DCT沒有液力變矩器，因而起步只能依靠離合器自身的滑摩，使發動機與輸入軸的轉速同步。若無法驅動車輛起步，離合器會長時間處于最大滑摩狀態，此時，發動機的輸入扭矩逐漸增大，離合器表面的熱負荷會迅速累積，導致離合器過熱報警。同時，摩擦片磨損較大，縮短了離合器的使用壽命[4]。

量產的DCT均采用單離合器起步，產生的熱量集中在一個離合器上，極易發生離合器過熱問題。為此，秦大同等[5]結合速度模糊控制的DCT起步控制策略，雖然能夠反映駕駛員的起步意圖，但缺少對起步滑摩階段的優化控制。陳海軍等[6]基于極小值原理，聯合起步過程中發動機和雙離合器轉矩最優控制算法，延長了離合器的使用壽命。李震宇等[7]建立了車輛起步過程中濕式雙離合器聯合起步動力學模型，對靜態和動態模型進行仿真對比，但未提及具體的實現過程。Zhao等[8]搭建了干式雙離合器起步的仿真模型，但未對其使用條件作出明確的界定。

本文針對某車型DCT開發過程中，前進擋（Drive）D1擋起步過熱導致離合器斷開問題，提出使用D2擋離合器分擔能量，從而降低D1擋離合器的溫度，并通過實車測試證明該方案的有效性。

2 外部條件分析

2.1 硬件結構

本文以含有2個濕式離合器的某DCT變速器為研究對象，其冷卻部分硬件結構如圖1所示。

冷卻系統的循環主要通過一個專用的冷卻泵，將冷卻油從油底殼吸入，經油道分配至2個離合器（先經過內離合器，再經過外離合器），在外部油冷器中進行熱交換冷卻，最后流回油底殼。其中，外離合器C1控制D1、D3、D5、D7擋，內離合器C2控制D2、D4、D6和倒車擋（Reverse）R擋。

該硬件冷卻結構中，內離合器的冷卻效果較好，但外離合器的冷卻效果較差。相較于R擋或D2擋起步，D1擋起步極易發生過熱問題，因此，可使用D2擋離合器支持D1擋離合器起步。

2.2 溫度模型

根據離合器鋼片溫度與油底殼油溫、離合器扭矩和轉速滑差間關系建立溫度模型。由于離合器的熱量源于鋼片與摩擦片間的摩擦，所以離合器片生成的能量等于離合器的滑摩功，部分能量通過油冷系統散發，剩余能量在離合器內部積累，使離合器鋼片和摩擦片溫度升高[9]，則離合器的滑摩功為[10-11]：

[Wct=Tct×ωet-ωnt9.55] （1）

式中：Tc為離合器扭矩，ωe為發動機轉速，ωn為離合器對應輸入軸轉速。

離合器的冷卻油具有散熱、潤滑和減少磨損的作用，其內部的熱量傳遞方式主要為熱對流[12]，換熱方程為：

[Qct=h（Kct-Kf（t））] （2）

式中：Qc為冷卻油液散發的離合器熱量，h為對流傳導系數，Kc、Kf分別為離合器鋼片和冷卻油的溫度。

由于Qc為泵流量的等比例函數，取決于泵流量的分配系數，按照經驗，將油底殼溫度設為4 ℃，而離合器鋼片的溫度模型公式為：

[Kct=0tWct-QctCdt] （3）

式中：C為離合器比熱容。

溫度模型是DCT過熱保護機制的基礎，鑒于軟件中溫度模型技術已經成熟，而且當離合器鋼片溫度超過300 ℃會停止工作，所以，考慮控制離合器鋼片的溫度解決DCT過熱問題。

經分析，可通過增大冷卻流量、降低離合器滑差或降低滑摩時間3種方式降低離合器鋼片的溫度。其中，增大冷卻流量需提高冷卻泵的功率，但硬件成本也隨之增加。降低離合器滑差需降低發動機的起步轉速，當轉速降低時，扭矩較低，但發動機起步動力性較弱；反之，起步動力性更強，但離合器磨損更大。因此，可使用雙離合起步，降低單個離合器的滑摩時間。由于D1擋和D2擋傳動方向相同，且離合器C2的冷卻效果更佳。當使用D1擋起步時，通過D2擋離合器分擔滑摩時間。

3 DCT起步過程分析

3.1 單離合起步過程

D1擋單離合起步的車輛起步過程傳動系統動力學模型可表示為：

[Tc1t=Tet-JeωetFf=f+sinαmg+CDAv221.15Tf=Ffri1η] （4）

式中：Tc1為離合器1加載的扭矩，Tf為整車阻力Ff轉換至離合器端的阻力矩，Te為發動機扭矩，ωe為發動機轉速，Je為隨發動機同轉速旋轉部件的轉動慣量，α為坡度，f為靜摩擦因數，m為整車質量，g為重力加速度，A為迎風面積，CD為風阻系數，v為車速，i為總傳動比，r為輪胎半徑，[η]為傳動系統總效率。

單離合起步過程控制，如圖2所示，各階段控制為[13]：

a. 提速階段：控制發動機轉速達到目標轉速，此過程中，[ωet]gt;0，[Tc1tlt;Tet]。

b. 穩速階段：控制恒定的發動機轉速，此過程中，[ωet=0]，[Tc1t=Tet]。

c. 同步階段：控制發動機轉速與輸入軸轉速同步[14]，此過程中，[ωet]gt;0，[Tc1tlt;Tet]。

在提速階段，用離合器1扭矩來控制發動機轉速。發動機的動力主要用于提升發動機轉速，使其盡快上升至較高水平，目的是提升發動機扭矩；在穩速階段，離合器1扭矩與發動機扭矩相等，發動機的動力全部用于驅動車輛，提升車速；當輸入軸轉速接近發動機轉速時，進入同步階段，此階段主要控制離合器扭矩使發動機轉速與輸入軸轉速逐漸同步[15-17]。

在起步過程中，離合器的扭矩會隨著發動機扭矩逐漸升高而增加。當[Tc1lt;Tf]時，發動機無法驅動車輛，整車處于靜止狀態，此時，輸入軸轉速為0，滑摩功最大且全部轉化為熱能，部分累積導致離合器溫升。結合式（1）和式（4），離合器1的滑摩功為：

[Wc1t=Tc1t×ωet9.55=Tet×ωe（t）9.55=Pe] （5）

式中：Pe為發動機功率。

因此，當發動機驅動力無法克服車輛阻力時，發動機做功完全轉化為熱能，即為無用功。

3.2 雙離合起步過程

相較于單離合起步，雙離合起步是由發動機中2個離合器同時提供動力。

a. 提速階段：D1擋起步過程中，發動機扭矩逐漸上升。當發動機扭矩無法克服阻力矩時，D2擋承擔發動機的無用功。當發動機扭矩上升至足夠大，再使用D1擋來驅動。

b. 穩速階段：進行雙離合起步控制，[ωet=0]，發動機扭矩完全分配給2個離合器，[Tet=Tc1t+Tc2t]，此時，雙離合起步的牽引力為[Ft=Tc1ti1+Tc2ti2ηr]。由于D2擋的i2lt;i1，雙離合起步輪端的牽引力小于D1擋單離合起步。

單離合起步過程中，隨著發動機扭矩逐漸增大，存在一個扭矩點，使用D1擋恰好驅動車輛，此時若使用雙離合起步，無法驅動車輛。需要預估這個特殊點，使用D1擋起步[Fmaxt=Ff]，最大牽引力為[Fmaxt=Teti1ηr]。

因此，為了簡化控制，僅在穩速階段進行雙離合起步控制，控制過程如圖3所示，各階段控制為：

a. 提速階段：控制離合器1扭矩使發動機轉速達到目標轉速，與單離合起步相同。

b. 穩速階段：開始時，計算[Fmaxtlt;Ff]，離合器1的扭矩撤回，扭矩交換主要通過離合器2支撐發動機扭矩；當[Fmaxtgt;Ff]，離合器2扭矩完全撤回，再扭矩交換由離合器1來輸出。

c. 同步階段：由離合器1同步，與單離合起步相同。

因此，依照扭矩分配理解雙離合起步：在穩速階段，發動機的扭矩同時分配給D1擋離合器和D2擋離合器，用于驅動車輛。由于發動機扭矩較小不能驅動車輛，發動機扭矩主要分配給D2擋離合器。隨著發動機扭矩上升超過閾值時，最大牽引力克服阻力，D1、D2擋交換驅動，D2擋離合器扭矩減小，D1擋離合器扭矩提升，完成扭矩交換。奇偶離合器扭矩共進行2次扭矩交換。

依照能量分配理解雙離合起步：整個過程產生的能量由D1擋離合器和D2擋離合器共同承擔，當發動機扭矩較小而無法驅動車輛時，先由D2擋離合器來承擔無用功；當發動機扭矩逐漸增大且能夠驅動車輛時，再交換D1擋離合器，完成2個離合器的分時復用。

4 雙離合起步控制策略

在雙離合起步中，由于離合器頻繁交替工作，其控制過程復雜，精度要求較高。為了解決DCT過熱問題，縮小工況驗證范圍，因此，雙離合起步的策略僅在穩速階段變更，且在30%以上的坡道和堵轉（Curbstone）特殊工況下激活，相應的控制策略流程如圖4所示。

4.1 坡道識別

DCT控制軟件通過控制器局域網（Controller Area Network，CAN）的車身電子穩定系統（Electronic Stability Program，ESP）提供的縱向加速度識別坡度。鑒于ESP使用三向加速度傳感器，當車輛在坡道上靜止時，縱向加速度不為0，可根據縱向加速度得到相應的坡度值。車輛靜止在30%的坡道時，實測加速度如圖5所示。

假設采集的縱向加速度為x，當前坡度為[α=arcsinxg]，該坡道上靜止阻力[Ff=f+sinαmg=fmg+xm]。當[Fmaxt]gt;[Ff]時，雙離合器更換為單擋離合器進行驅動。

4.2 Curbstone工況識別

Curbstone工況指車輛因頂住障礙物或卡在深坑中，即使駕駛員踩全油門，仍未能脫困。該工況識別需滿足以下條件：

a. 僅在4驅模式下監測。

b. 油門踏板開度高于設定閾值。

c. 制動壓力低于設定閾值。

d. 發動機扭矩高于設定閾值，且一段時間內車速低于設定閾值。

由于Curbstone工況下，無法準確計算阻力矩，所以在實際應用中，整車應根據具體的脫困性能技術指標（如需翻越18 cm固定石磚），實際測量阻力，再與最大牽引力[Fmaxt]對比。

4.3 關鍵參數

針對控制過程中一些關鍵參數進行重點說明。

a. 發動機目標轉速。在穩速階段，滑摩能量為：[Wct=Tet×ωet-ωnt/9.55]。

由于起步為動態過程，發動機扭矩[Tet]逐漸增大，特別針對廢氣渦輪增壓的發動機來說，轉速越高，單位時間循環的次數越多，增壓能力更強，發動機扭矩上升更快，起步所用的時間更短。

但更高的發動機轉速帶來更高的滑摩能量，離合器片更容易過熱，兩種因素共同作用下，需要嘗試設置不同的目標轉速以達到最佳的起步效果。

b. 離合器1目標扭矩的設定。為了防止離合器2先過熱，在雙離合起步過程中離合器1的扭矩也不會降到0，而是保持較小的目標扭矩。根據硬件結構的分析，兩個離合器的冷卻能力不同，離合器1目標扭矩的設置標準需保證兩個離合器溫升基本一致。

c. [Ff]的設定。[Ff]決定了扭矩由離合器2交換回離合器1的時刻。如果[Ff]設置值過小，當切回離合器1時不能保證爬坡的動力性，設置值過大會延長不必要的滑摩時間，一般設置在理論值的基礎上增加一定的冗余。

5 實車驗證

5.1 整車測試環境

本文控制策略使用Simulink編寫，并集成到自動變速器控制單元（Transmission Control Unit，TCU）中進行實車測試。其中，利用電子控制單元校準應用平臺INCA（Integrated Calibration and Application Platform）采集整車信號，并通過專用設備ES582連接端口同時采集。

CAN接口采集的信號主要包括ESP的縱向加速度信號、發動機管理系統（Engine Management System，EMS）中發動機真實扭矩、發動機轉速和油門開度；TCU內部控制數據主要包括離合器（1和2）的模型溫度、加載扭矩、實際壓力、TCU控制起步目標轉速、輸入軸轉速和擋位信號等。整車測試參數如表1所示。

5.2 整車測試結果

在35%坡道滿載原地坡起、車輪頂住18 cm高的固定石磚2種工況下，分別進行單離合、雙離合起步測試。結果表明，2種工況下，單離合起步均失敗，而雙離合起步均能夠順利完成，且離合器未發生超溫警報。鑒于2種工況數據相近，所以僅分析35%坡道起步的數據，結果如圖6所示。

由圖6可知，發動機的目標轉速越高，扭矩上升越快，但離合器滑差越大。為了避免離合器滑差過大導致離合器超溫，經過標定調試，實測發動機目標轉速控制在2 100 r/min時，離合器溫度達到最低；雙離合起步時，發動機轉速基本能夠跟隨目標控制轉速，控制精度與單離合起步相近；離合器扭矩經過2次扭矩交換，與前文設計相符；雙離合起步時，離合器1扭矩交換到離合器2后，離合器1保持最小扭矩65 N·m，防止離合器2過熱，同時避免離合器1的溫升過快。由于[Ff]隨坡道變化，所以35%坡道中[Ff]閾值應設置為13 200 N，保證發動機動力的連續性。

相同工況下，對比單離合和雙離合起步，結果如圖7所示。圖7a中，在相同起步滑差條件下，單離合起步的離合器1扭矩遠大于雙離合起步時離合器1扭矩。圖7b中，單離合起步時間為2.5 s，離合器1溫度超過300 ℃后斷開，導致起步失敗；而雙離合在4 s內完成起步，離合器1最高溫度為272 ℃，且溫升速率遠低于單離合起步；離合器2最高溫度為262 ℃，與離合器1基本一致，爬坡性能明顯提升。圖7c中，單離合起步離合器1的最大滑摩功率為65 kW，而雙離合起步離合器1的最大滑摩功率為38 kW，離合器2達到56 kW。由于離合器2的散熱性較高，因此，相較于單離合起步，雙離合起步離合器片的溫升更慢。

在實際工程中，通過加速度傳感器信號的線性度和波動反映駕駛水平[18]，評價標準為濾波后振幅不超過0.4 m/s2。圖7d中，單離合起步加速度加速響應較好，而雙離合起步加速度線性更佳，平順性更好，二者各有優勢，均能滿足工程開發目標。

為了驗證雙離合起步的可靠性，多次爬坡測試結果如表2所示，當基礎油溫超過90 ℃，整車滿載經過6次連續爬坡測試，離合器溫度均未超過300 ℃限值。

因此，在35%坡道滿載原地坡起、車輪頂住18 cm高的固定石磚全油門起步2種極限工況下，單離合起步均未能完成，雙離合起步均可順利起步，改善了車輛的爬坡和脫困性能，對離合器的溫度控制更佳，魯棒性更好，但其急加速性能低于單離合起步。結果表明：可根據不同工況選擇起步策略，單離合起步控制策略適用于動力加速工況，而雙離合起步適用于爬坡脫困工況。

經過極限測試，當坡道達到40%或臺階超過22 cm時，雙離合未能完成原地起步，已達到硬件的使用極限。

6 結束語

本文詳細闡述了雙離合變速器起步方法，經實車測試證明了該方案的有效性，在工程上具有一定的借鑒意義。雙離合起步需要綜合考慮工況與硬件的使用，對于其他車型的改善還需進一步深入研究。

參 考 文 獻

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（責任編輯 瑞 秋）

修改稿收到日期為2024年6月21日。