双离合器变速器的动力学和运动学模型外文翻译资料

 2022-10-29 10:10

Dynamic and kinematic model of a dual clutch transmission

E. Galvagno , M. Velardocchia , A. Vigliani

Abstract

In the last years Dual Clutch Transmissions (DCT) have spread worldwide in the automotive industry due to their capability to change the actual gear ratio, between engine and driving wheels, without interrupting vehicle traction by means of an efficient mechanical layout. Dynamic performance of DCT and the relating driver perceptions strongly depend on the control system whose main task is to generate the reference signals both for synchronisers and clutches. Detailed mechanical models of DCT system, considering also the synchronisers dynamics, are required to tune these control algorithms.

This paper investigates the transmission kinematics and dynamics of a DCT, considering all the possible configurations that can take place in relation to the various power flow paths. A detailed analysis of the system with different degrees of freedom (1 to 3) is proposed and the resulting sets of equations are written in an indexed form that can be easily integrated in a vehicle model, thus allowing the description of both gear shift transients and operation with a specific gear.

Finally, some simulation results are presented aiming at comparing the effect of different synchroniser models on transmission and vehicle dynamics.

Keywords

Dual clutch;Automotive transmission

Nomenclature

C subscript relative to clutch

d subscript relative to the differential

e subscript relative to an equivalent quantity

i, j, l, m, n subscripts relative to clutch or shaft number (e.g., primary 1 or 2)

P subscript relative to primary shaft

q subscript relative to the engaged gear

r subscript relative to gear

R subscript relative to reverse gear

S subscript relative to secondary shaft

Th subscript relative to hyperbolic tangent threshold

J mass moment of inertia

T torque

Tf, Pi, Tf, Si friction torque on the ith primary or secondary shaft

Tsy, r torque of the synchroniser of the rth gear

Zg number of teeth of gear g

tau; transmission ratio

omega; angular speed

angular acceleration

1. Introduction

In recent years, the ever increasing demand of vehicle fuel economy and passenger comfort has led to the development of new types of transmissions and new control technologies for powertrain systems. Dual clutch transmissions (DCT) represent an example of these efforts, since they allow obtaining torque transfer from one clutch to another without interrupting traction, thanks to the controlled slippage of the clutches. The two clutches are engaged alternatively in different gears and power transmission continues during a shift through the control of clutches torques. A shift process involves the engagement of the oncoming clutch and the disengagement of the off-going clutch.

From a kinematic point of view, gear shifting of a dual clutch transmission is similar to that of a clutch-to-clutch shift in a conventional automatic transmission (AT). However, the two types of transmissions show different dynamic characteristics since AT are equipped with torque converters that dampen shift transients. The results of existing researches on conventional AT cannot be readily applied to predict DCT shift behaviour. Moreover, precise torque control is required to achieve launch and shift smoothness of DCT vehicles due to the absence of both torque converter and one-way clutches.

As in any other control systems, the success of control depends on the analytical model that effectively describes the dynamics during system operation. Before a prototype is built, model simulation is the only tool for the analysis and evaluation of the performance of vehicles equipped with dual-clutch lay-shaft gearing transmissions. Moreover, model simulation plays an important role also in the validation and calibration of such systems, and has therefore attracted the interests from both academic and industrial communities.

Zhang et al. [9]investigated the DCT dynamics and control during shift processes consequent to a given vehicle speed-time profile. Their model is implemented using the Modelica/Dymolareg; programming language in an object-oriented environment, and it is based on analytical formulations and look-up tables describing the powertrain behaviour. Synchronisers assemblies are modelled as switches for the power flow paths in different speeds: this choice is justified asserting that the shift quality is independent of the synchronisation of gears.

Goetz et al. [3]propose control logic for upshift and downshift management; moreover also multiple gear shifts are discussed. Finally they present the dynamic effects of the gear preselection through conventional cone-type synchronisers on the overall shift quality.

A dynamic model focused on the control logic during shift manoeuvres has been presented by[4], who studied the variation in output torque in response to different clutch pressure profiles during shifts. In particular they presented a model based on two sets of dynamic equations depending on the clutches status, one valid for the operation with a specific gear and the other during shift. Each set of equations is treated as a matrix of elements and hasone quantity derived from known values.

Recently, a dynamic analysis

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双离合器变速器的动力学和运动学模型

加尔瓦尼奥,瓦兰德茨,维吉娜

摘要

在过去的几年中,双离合器变速器(DCT)在全球的汽车工业中广泛应用,因为它能够在发动机和驱动轮之间改变实际齿轮传动比,而无需通过一个有效的机械装置来中断牵引车辆的动力。DCT的动态性能和相关的驾驶员感知强烈依赖于控制系统,其主要任务是为同步器和离合器提供参考信号。我们需要考虑的是通过同步器动力学的DCT系统的详细机械模型来调整这些控制算法。

本文研究了DCT的变速器运动学和动力学,考虑了与各种动力流路径相关的所有可能的配置,提出了具有不同自由度(1至3)的系统的详细分析,并且将得到的方程组以可以容易地集成在车辆模型中的索引形式写入,从而允许描述两个换档瞬变和操作具体齿轮的过程。最后提出了一些模拟结果,旨在比较不同的同步器模型对变速器和车辆动力学的影响。

关键词

双离合器,汽车变速器

符号命名

C 下标代表离合器

d 下标代表差速器

e 下标代表等效量

i, j, l, m, n 下标代表离合器或轴数 (例如,主要1或2)

P 下标代表主轴

q 下标代表啮合齿轮

r 下标代表齿轮

R 下标代表倒挡

S 下标代表副轴

Th 下标代表双曲正切阈值

J 质量惯性矩

T 扭矩

Tf, Pi, Tf Si 摩擦转矩在第i个主轴或副轴上

Tsy, r 第r档的同步器的转矩

Zg 齿轮齿数g

tau; 传动比

omega; 角速度

角加速度

1.介绍

近年来,对车辆燃油经济性和乘客舒适性的需求的不断增长导致用于动力系统的新型变速器和控制技术的迅速发展,双离合器变速器(DCT)就是这些努力的结果。由于离合器的移动是可控的,它们允许获得从一个离合器到另一个离合器的扭矩传递而不中断牵引车辆的动力。两个离合器可选择以不同的档位接合,并且在换档期间通过离合器扭矩的控制继续动力传输,换档过程包括待接合的离合器的接合和待分离的离合器的分离。

从运动学的观点来看,双离合器变速器的换档类似于常规自动变速器(AT)中的离合器到离合器换档的换档。然而,两种类型的变速器显示不同的动态特性,因为AT配备有抑制换档瞬变的扭矩转换器。常规AT的现有研究的结果不能容易地应用于预测DCT偏移行为。此外,由于没有变矩器和单向离合器,需要精确的转矩控制来实现DCT车辆的起动和换档平滑性。

与任何其他控制系统一样,控制的成功取决于是否有效地描述系统操作期间的动态的分析模型。在构建原型之前,模型模拟是用于分析和评估配备有双离合器中间轴传动装置的车辆的性能的唯一工具。此外,模型模拟在这种系统的验证和校准中也发挥重要作用,因此吸引了学术界和工业界极大的兴趣。

给定车辆速度 - 时间剖面的前提下,张某等人研究在换档过程中DCT动态和控制。他们的模型是基于分析公式和描述动力系行为的查找表,在面向对象的环境中使用Modelica /Dymolareg;编程语言实现的。同步器组件被建模为用于不同速度下的功率流路径的开关:该选择是合理的,由此我们可以判断换档质量与齿轮的同步无关。

格茨等人提出了用于升档和降档管理的控制逻辑; 此外还讨论了多个换档的情况。最后,他们提出了齿轮预选择通过常规锥型同步器对整体换档质量的动态效果。

在移动过程中关注控制逻辑的动态模型已经在文献[4]提出,他们研究了在换档期间响应于不同的离合器压力分布的输出转矩的变化。特别地,它们基于两组动态方程呈现离合器状态的模型,一个对应于具有特定档位的有效操作,而另一个对应于换档期间。每组方程式被视为元素矩阵,并且具有从已知值中导出的一个量。

最近,文献[5]提出了在车辆起动和换档期间用于DCT扭矩控制和校准的干式双离合器变速器的动态分析。因为动力流路径和离合器状态的不断变化,所以他们强调需要分离的方程组来描述动力系动力学,但它们只报告少数情况:发动,1-2升档和5-4降档。此外,他们将模拟结果与从测试车辆获得的实验数据进行比较。

在关于泵的选择对燃油经济性的影响的研究中,文献[1]通过将齿轮作为具有损耗的调制变压器处理来开发用于DCT的减小的集总参数模型。 同样在这种情况下,同步器被表示为功率流开关。

最后,最近的一篇文献[8]讨论了发动机和离合器的集成动力系控制在减少DCT的换档瞬变中的作用,包括详细的液压系统模型。

本文提出了DCT的数学模型,旨在导出描述动力传动系部件的动态和运动行为的全套方程,考虑到由于各种动力流路径可能发生的所有可能的配置,就作者的知识而言,完整的方程组从未被出版过。该系统可以具有从一个到三个自由度,这取决于同步接合的同步器的数量,如第3节所示。考虑到同步器动力学的影响,每个配置的分析用于公式化运动方程的一般化形式,这是使用一些相关和独立的索引实现能够覆盖所有可能的传输状态的合成结果。

2.工作原理

用两个离合器给变速器命名,可以是单个或多个磁盘,干式或湿式,主要取决于他转移的电量和可用的空间。它们安装在发动机飞轮和变速器的两个同轴输入轴中的一个之间,一个用于奇数齿轮(P1),另一个(P2)用于偶数齿轮(图1)。

图一

装备有双离合器变速器的前轮驱动车辆的布置图

离合器的换档和接合由电子控制单元管理,该控制单元驱动集成在齿轮箱中的机电组件。在内燃(IC)发动机(E)启动阶段,第一档被接合并且两个离合器打开,从而没有扭矩传递到车轮上。当离合器C1作用在其盘上的轴向载荷开始接合时,通过内轴P1传递到第一齿轮的齿轮组的渐进的扭矩传递。同时,当第二离合器打开时,如果尚未接合,则可以预选择第二档; 因此可以在通过相关联的离合器C2实现的齿轮的有效致动之前接合相应的同步器。值得注意的是,这些操作不会损坏同步器或任何其他变速箱部件; 此外,如在传统的手动变速器中,同步器不安装在两个连续的齿轮之间,因为当当前齿轮仍然接合并且将扭矩传递到车轮时,必须进行后续传动比的预选择。

由于第一离合器的分离和第二离合器的接合,在短时间内由电子控制单元(TCU)自动地实现从第一档位到第二档位的换档,因此消除了传统的同步阶段。因此,该离合器到离合器变速不仅允许完成变速,而且在变速过程期间可以实现车轮的连续扭矩传递(动力切换)。显然,当第二齿轮的接合完成时,重复类似的过程,系统准备好插入对应于下一个齿轮的同步器的换档。很容易猜测,该程序能够补偿手动变速器的典型动态极限(见例[6]),从而在车辆加速时获得更好的性能,并且由于连续的扭矩传递而产生更舒适的驾驶感受。

与这些明显的优点相反的是DCT系统在其机械结构和变速任务的自动处理方面都更加复杂。此外,相对于传统手动或自动手动变速箱来说,两个离合器和更多数量的轴承的存在决定了它的效率降低; 然而,它们的效率仍然大于具有变矩器和无级变速器的自动变速器的效率。

DCT的独特特征可以由以下事实来说明:在正常操作条件下,双离合器变速箱具有同时接合的两个不同的传动比,TCU必须避免两个离合器的同时锁定,以防止损坏变速箱。

3.传输模型

图2显示出了安装在前轮驱动车辆上的DCT的布局,其具有横向IC发动机和齿轮箱。变速器的所有齿轮都具有识别号,其用于在传动比和惯性矩计算中指定齿轮。

图2

DCT的布局

在正常操作期间,DCT可以呈现对应于通过传输的不同功率路径的不同配置。考虑到两个离合器作为输入和差动齿圈作为输出,系统可以基于自由度的数量而分类,取决于接合的齿轮的数量,从三个变化到零。

两个离合器不包括在DCT模型中,因此它们的状态不影响自由度的总数。为了模拟运行动力系,必须在发动机和DCT之间插入特定的双离合器块(在本文中未给出)。

3.1 一般运动学

两个副轴通过固定比率与差速器环形齿轮永久啮合,因此它们的角速度通过运动学约束而相关,而与传输状态无关。将传动比常规地定义为输入和输出速度之间的比率:tau;=omega;in/omega;out。选择轴的正旋转方向,使得在向前的车辆运动期间所有计算的速度都是正的(见图3的符号约定)。

图3

三个自由度

两个副轴(S1和S2)和差速器之间的传动比分别为

(1)

因此副轴的速度比

(2)

可以在知道轴P1的速度和齿轮比tau;R1= z2 / z10的情况下计算反向轴(RS)速度; 它有以下公式关系:

(3)

因此,如果R已知,则

(4)

另一方面,主轴速度可以根据同步器干预等显示不同的行为来选择特定的动态配置。特别地,有效接合的同步器的数量减少了自由度的总数。如果没有同步器接合,则系统具有三个自由度,而当一个同步器接合时,自由度的数目减少到两个; 该系统具有单个自由度。当两个同步器接合时,每个初级一个。显然,这也存在运动学过度约束的构造,即当两个齿轮同时接合在相同的主轴上,这种构造可以更好地避免结构被破坏。

3.2 等效惯性矩

为了开发分析传输系统的动态模型,将四个等效质量惯性矩组合成机械组件的所有惯性项是必要的,该旋转受运动学关系约束。因此,分别定义表示内主轴P1,外主轴P2,副轴S1和副轴S2处的等效力矩的四个质量惯性矩为JP1,JP2,JS1和JS2:

(5)

(6)

(7)

(8)

作为示例,在主轴P1处的等效惯性矩JP1由几个量的总和(见图2)给出:固定到轴P1(C1)的C1的离合器元件,轴自身(Js,P1 ),固定在轴(J9,J10,J11)上的齿轮和与其以恒定速比(zi / zj)啮合的齿轮(15,16,6),空转齿轮4,倒车轴RS和齿轮1和2。

3.3 同步模型

为了达到模拟的目的,瞬态期间的同步器摩擦扭矩可以方便地用双曲正切模型来计算:

(9)

其中r = I,...,VI或r = R标识同步器,Delta;omega;sy,r是相对运动中锥形表面的速度差:

(10)

Tr是特定同步器r的最大动摩擦转矩,Cr是限制最大摩擦转矩的无量纲控制信号,其在激活阶段期间在时间上呈线性增长。Delta;omega;th是双曲正切阈值,其根据相对速度调节从动态摩擦条件到静态摩擦条件的转变速率。

在同步阶段结束时,即当同步器完全啮合时:

| Delta;omega;sy,聽r r|lt;Delta;omega;thamp;Crgt;0, (11)

触发信号时启用一组新的动态方程,其特征在于自由度减少的数目。然后同步器模型由啮合的齿轮对的运动关系代替,例如同步器I的omega;P1/omega;S1=tau;I。

3.4三个自由度

配置三个

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