基于AMESim的双离合器变速器建模及其在Simulink中的仿真

仿真

陈强;李聪聪;喻凡;倪春生;李淑英;李君

【摘 要】基于仿真软件AMESim建立了一种7速干式双离合器自动变速器(DCT)传动系统模型,通过AMESim软件接口将模型仿真代码导入Matlab/Simulink,对该DCT传动系统模型进行了验证,并研究了其换挡过程中两个离合器工作时域重叠程度对其换挡品质的影响.结果表明,重叠时间过长会加剧传动系统的振动,增加换挡冲击度；重叠时间过短,则会影响车辆换挡的动力性,不能体现DCT动力换挡的优点.%This paper presents a 7 speed dry OCT model built with the advanced modeling software AMESim. The DCT model simulation codes are then exported to Matlab/Simulink with the AMESim software interface block to verify the validity of the DCT model, and examine the influence of overlapping engagement-time of the two clutches on shifting quality of DCT. The results show that excessive long overlapping will aggravate vibration of the transmission system, increase shifting shock; whereas too short overlapping will affect power property of shifting, and can not demonstrate advantage of power shifting of DCT. 【期刊名称】《汽车技术》 【年(卷),期】2011(000)010 【总页数】6页(P33-37,41)

【关键词】双离合器自动变速器;换挡品质;仿真分析;AMESim

【作 者】陈强;李聪聪;喻凡;倪春生;李淑英;李君

【作者单位】上海交通大学;上海交通大学;上海交通大学;联合汽车电子有限公司;联合汽车电子有限公司;联合汽车电子有限公司 【正文语种】中 文 【中图分类】U463.212 1 前言

双离合器自动变速器（DCT）是一多自由度、非线性的复杂机械系统，因此，通过数学建模实现对其机械部件本身特性及对整个机构工作过程的精确描述是一项极其繁琐复杂的工作。AMESim是法国IMAGINE公司推出的一款多学科、跨专业领域的系统工程高级建模软件平台，其提供了丰富的模型库，利用其包含的元件级模块，可以通过图形界面GUI构建复杂的系统模型。AMESim还提供了与其它软件如Adams、Matlab/Simulink等的软件接口，通过接口可以与这些软件进行联合仿真分析[1]。

本文将AMESim中生成的DCT模型仿真代码导入Matlab/Simulink仿真环境，利用其完善的仿真环境对DCT的基本工作特性进行了仿真分析，验证了DCT模型仿真代码的有效性和通用性，研究了DCT换挡过程中两个离合器的工作时域重叠程度对换挡品质的影响。 2DCT结构分析

某7速双离合器自动变速器的结构如图1所示，该变速器C1、C2两个离合器，分别与输入轴1（实心轴）、输入轴2（套在输入轴1外的空心轴）连接，其1、3、5、7挡换挡主动齿轮布置在输入轴1上，而2、4、6挡及倒挡换挡主动齿轮

布置在输入轴2上[2]。 图1 双离合器自动变速器结构

车辆在奇数挡行驶时，离合器C1接合而离合器C2分离，发动机动力经由离合器C1—输入轴1—输出轴—主减速器及差速器输出到车轮；车辆在偶数挡行驶时，离合器C2接合而离合器C1分离，此时发动机动力经由离合器C2—输入轴2—输出轴—主减速器及差速器输出到车轮。该双离合器的接合/分离过程由控制机构实现。可见，双离合自动变速器相当于将两套变速单元合二为一，交替传递发动机动力，从而实现动力不中断换挡。 3DCT传动系统AMESim建模 3.1 DCT传动系统建模

DCT车辆传动系统主要由发动机、双离合器、传统啮合齿轮组、同步器、传动轴、主减速器、差速器、车轮及车身等部件组成。

AMESim具有的Powertrain库专门用于车辆传动系统建模和仿真，它包括发动机模块、离合器模块、传动轴模块、同步器模块、传动齿轮模块、惰轮模块、差速器模块、轮胎模块、车身模块、转矩转速传感器模块以及信号转换模块等多种元件级模型。利用所需模块可以构建DCT传动系统仿真模型。

基于AMESim的7速DCT传动系统模型如图2所示。其中，发动机模块可以将外部输入信号等值转化为发动机扭矩信号；2个离合器模块可以模拟双离合器工作过程；通过信号转换控制可以用两个同步器模块模拟一个完整的齿轮组同步器；传动机构部分用传统的齿轮组模块实现；变速器液压控制系统采用电液比例阀模块控制液压弹簧活塞模块模拟；车辆行驶动力学部分分别用车身模块、轮胎及车轮模块模拟；其它模型辅助部分如转动惯量、弹簧阻尼、差速器以及各种控制器、传感器都可以在相应模块库中找到对应模块模拟。 图2 DCT传动系统模型

模型的输入信号（控制信号）主要包括：发动机扭矩信号、系统主油压值、电液阀控制信号、同步器控制信号、车辆制动信号、路面坡度信号等；输出信号（传感器信号）主要包括：发动机转速、离合器传递扭矩、各传动轴转速及扭矩、液压活塞位移等。

3.2 子模型选择和参数设置

模型完成后，接下来就要为各模块设定合适的子模型。子模型的选择主要考虑模块的适用背景和复杂程度，例如离合器模块包括TRDC00A、TRDC00B、TRDC001A、TRDC001B和TRDC002A等多种子模型可供选择。每种子模型对摩擦力矩的计算方式都不同，因此需要根据模型需要选择合适的子模型[3]。本文中离合器选用的是TRDC001A子模型，其端口如图3所示。模块需要设置的主要参数见表1所列。

图3 离合器模块TRDC001A子模型端口

根据模块2号端口所接收的压力信号和离合器物理参数可计算摩擦力矩：

式中，Tmax_stat和Tmax_dyn分别为最大静、动摩擦力；F为离合器模块2号端口接收的压力信号；must、mudyn分别为静、动摩擦系数；Reff为有效半径；np为摩擦片数；R、r分别为离合器摩擦片的外径及内径。

根据各模块的物理意义和实际建模需求，可以为每个模块选定合适的子模型以及设置相应模型参数。完成各模块的子模型选择和参数设置后，可以在AMESim的仿真模式（Simulation mode）下设定简单的控制信号，以验证模型能否正常运行及各模块对应物理关系是否准确，否则就需要为相应模块重新选择合适的子模型以及调整模型参数。 表1 离合器模块主要参数? 4 DCT模型的Simulink仿真分析

4.1 将DCT模型导入Simulink仿真环境

在AMESim的Model/Interface菜单中选择在模型中加入Simulink接口模块，然后在Simulink接口模块中定义输入变量和输出变量，将模型中的控制信号端口用Simulink模块的输出变量接口代替，模型中的传感器信号端口连接到Simulink模块的输入变量接口，这样可以构成AMESim与Simulink联合仿真闭环模型。最后，将闭环模型生成仿真代码文件 （包括.c文件和相关接口配置文件），在Simulink中以S-Function的形式调用.c仿真代码文件，即可在Simulink环境中对DCT模型进行仿真分析。整个DCT模型仿真流程如图4所示。 图4 DCT模型仿真流程

4.2 DCT模型Simulink仿真分析

在Simulink仿真环境中，通过给定模型控制信号，可以验证DCT模型运行的准确性及模型代码的通用性，以及仿真分析DCT传动系统的基本工作特性。整个DCT传动系统模型Simulink仿真系统如图5所示，其中的发动机模型用一个发动机二维特性曲线模拟。

图5 DCT模型Simulink仿真系统

双离合器自动变速器换挡过程采用预换挡的控制策略，即在车辆行驶速度接近换挡线时，变速器控制器判断变速器的下一运行挡位，然后控制相应同步器预先接合，当车速达到真实换挡线后，控制器进一步控制两个离合器的接合/分离过程，实现换挡[4]。

现不考虑路面坡度的影响，给定模型同步器控制信号、离合器电液阀控制信号以及油门开度信号（图6），研究了DCT传动系统从1挡顺序升到7挡过程运行情况，所得结果如图7所示。同步器控制信号为正/负阀值信号，如对于1/3挡同步器，当控制信号达到负阀值时，同步器1挡接合；控制信号达到正阀值时，同步器3挡接合；控制信号值为0时，同步器不与任何挡位接合。电液比例阀控制信号为

控制脉冲占空比信号，占空比的大小与电液阀输出端口液压流量及液压力正比例相关，即与离合器摩擦片接合压力正比例相关。 图6 模型仿真控制信号

图7 模型仿真曲线

从图7a可以看出，发动机的输出扭矩由两个离合器依次交替传递，保证了DCT在换挡过程中发动机动力可以无间断地传递到整个车辆传动系统。离合器扭矩曲线中的峰值是由于离合器在接近完全接合状态时，摩擦片受到的液压控制压力很大，且此时离合器摩擦片接近静摩擦状态，摩擦系数相对较大导致的。离合器扭矩曲线峰值是导致整个传动系统出现振动的影响因素之一，其影响DCT的换挡平顺性，因此，对DCT换挡过程中离合器接合压力的合理控制是设计DCT换挡策略时需要考虑的一个重要方面。

由图7b可以看出，车辆运行在1～4挡时，来自输入轴的扭矩由输出轴1传递到主传动轴；而当车辆运行在5～7挡时，扭矩则由输出轴2传递到主传动轴。 由图7c可以看出，车辆换挡过程中，两输入轴在交替传递发动机扭矩的同时，也会交替跟踪发动机的输出转速。合理的换挡过程控制，可以保证主传动轴输出转速及车辆行驶速度的平稳性。

图7e为车辆换挡行驶过程中的冲击度曲线。车辆换挡冲击度定义为换挡过程中车辆行进加速度的变化率，是衡量车辆换挡品质的重要指标之一。换挡冲击主要是由换挡过程中离合器传递扭矩波动引发的传动系统振动导致的，合理进行离合器接合压力控制，可以有效减小车辆换挡冲击[5]。

DCT可以实现动力不中断换挡，意味着在换挡过程中两个离合器的工作时域必定存在重叠，即会存在两个离合器同时传递发动机扭矩的时间，这段时间的长短对于车辆换挡品质具有重要影响[6]。

给定两个离合器工作时域重叠较长时电液比例阀控制信号如图8所示，保持其它各控制信号与之前仿真一致，所得到模型仿真结果如图9所示。 图8 电液比例阀控制信号（两个离合器工作时域重叠较长）

图9 离合器工作时域重叠过长模型仿真结果

由图9可以看出，如果换挡过程中两个离合器工作时域重叠时间过长，会出现离合器逆向传递扭矩的情况（图9a），这样实际中会导致离合器的过度磨损，影响离合器使用寿命，造成传动系统的剧烈振动以及较大的换挡冲击（图9e）。 给定两个离合器工作时域重叠不足时电液比列阀控制信号如图10所示，保持其它各控制信号与之前仿真一致，所得仿真结果如图11所示。 图10 电液比例阀控制信号（两个离合器工作时域重叠不足）

图11 离合器工作时域重叠不足模型仿真结果

由仿真结果可以看出，如果换挡过程中两个离合器工作时域重叠不足，会导致两个离合器动力传递衔接不连贯，发动机转速出现“跑飞”现象，如图11c所示；而各输出轴则会出现一定时间的逆向扭矩传递如图11b所示；车速曲线出现“凹陷”，如图11d所示。由此，影响了换挡动力性，DCT换挡过程动力不中断的优点不能体现。 5 结束语

本文对双离合器自动变速器的结构与动力学特性进行了分析，并利用高级建模仿真软件AMESim搭建了7速干式DCT传动系统模型。通过软件接口将模型导入Simulink仿真环境进行仿真分析，验证了模型的准确性，并对DCT换挡过程中离合器的压力控制进行了测试分析。结果表明，DCT换挡过程中两个离合器工作时域重叠时间过长会加剧传动系统的振动，增加换挡冲击度；重叠时间过短，则会影

响车辆换挡的动力性，不能体现DCT动力换挡的优点。 参考文献

【相关文献】

1 李谨，邓卫华.AMESim与Matlab/Simulink联合仿真技术及应用.情报指挥控制系统与仿真技术，2004，26（5）:61～64.

2 郭晓林.双离合器自动变速系统动力学建模及仿真研究.装甲兵工程学院学报， 2006，20（1） :48～51.

3 秦家升，游善兰.AMESim软件的特征及其应用.工程机械，2004（12）:6～8.

4 刘振军，秦大同.车辆双离合器自动变速传动技术研究进展分析.农业机械学报， 2005， 36（11）:161～64.

5 牛铭奎，高炳钊，葛安林.双离合器式自动变速系统.汽车技术，2004（6）:1～3.

6 ZHANG Y，et al.Dynamic modeling and simulation of a dual-clutch automated lay-shaft transmission.Journal of Mechanical Design，Transactions of the ASME，2005，127（2）:302～307.