离合器扭矩匹配和干式双离合器变速箱的校准

1.介绍

双离合变速器（DCT）功能在驾驶性能方面可以媲美传统自动变速箱而且在燃油经济性方面甚至比手动变速箱更好。由于这些优点，在汽车行业中有一个持续的趋势发展市场上的DCT车辆，它很省油，而且没有降低驾驶性能。它可以预见在不久的将来配备双离合变速器的车辆将有显著的市场份额。

在发射和转移过程中的离合器扭矩控制是车辆的DCT传动系统发展中至关重要的。运动学里，齿轮在双离合器变速器换档是类似于在传统的自动变速器中的离合器到离合器换档。通过分析和实验手段得到的许多有价值的研究都已成功进行在传播动力学和控制区。在福特汽车研究实验室中的研究人员是其第一次通过计算机建模和测试定量分析动态瞬变在传输过程中的变化。迎面而来的在非持续离合器的同步中，在具有离合器至离合器换档模式的自动变速器中采用液压冲洗阀已经实现。已经开发了的集成发动机控制系统和离合器的扭矩控制策略，优化了生产的车辆的起步和换挡品质。上文提到的研究和开发已使提高技术传统的自动变速器的成熟度成为可能。

尽管离合器至离合器换档的特性相似，双离合器变速器不同于传统的自动变速器，在该后变速器具有发动机输出与变速器输入之间的变矩器。因为液力变矩器靠垫动力总成动态瞬变的存在，使得有利于平滑车辆发射过程和变化。不带扭矩转换器的缓冲效果，离合器扭矩控制要求精度高，实现发射和移动，品质媲美自动变速器。在以前的文章中，作者提出、分析了系统模型双离合器变速箱的动态行为和验证基于原型车的测试模型模拟。作为进一步研究，本文介绍的工作集中在离合器扭矩制定和校准的干式双离合器传输。首先，在理论上或标称离合器转矩相关参数，基于该假设，即摩擦功率是恒定的摩擦盘面上的离合器设计参数。此配方提供了基础的设计离合器及其执行机构。其次，根据动力系统动力学的算法是建立离合器扭矩的计算转变期间，在发射和在两个离合器的离合启动。这个算法使用车轮速度传感器的数据作为输入并能够准确地计算离合器扭矩，而两个离合器都滑倒在实时的基础。该算法具有几个优点：a）它使离合器扭矩的测定不使用摩擦盘的摩擦系数而变化为温度的函数;b）其提供了对校准的设计和控制变量的离合器扭矩的有效途径离合器和致动器;C）它提供了在实时离合器的扭矩和离合器的控制变量之间的相关性可靠操作自适应发送控制。第三，分析制定和算法的离合器扭矩的计算是验证对地面验证试验数据，分析和测试数据之间取得值得称赞的协议。

2.分析离合器扭矩配比

2.1执行机构运动学和离合器扭矩

离合器中的一个结构和其在干式离合器制动器的DCT[9]示于图1。另一个离合器和执行器装配有类似的设计。从安全方面考虑常开离合器设计应用于DCT中。如图离合器执行器（或控制器）由电机，弹簧，螺丝和滚轮组成。当电动机转动时，辊位移沿螺杆的距离，创造了杠杆作用在分离轴承上的轴向力。这个力，然后被水平的压力板放大，从而导致该夹在摩擦盘上的压力。对于给定的离合器制动器设计中，离合器扭矩是一个由螺钉参数相关的辊子位移马达旋转角度的函数。

在本文中，不断的摩擦功率的概念（离合器滑移时的动能摩擦工作的转换率）是用于标定离合器扭矩的。基于这个假设，能量转换率是

表示如下：

f?p?v=Ct

其中，f为摩擦盘的摩擦系数，P是压力，v是一个可见的点处的相对速度，而Ct是单一区域的转化率上的摩擦面的能量。根据这一假设，在任何时候，在磁盘表面上的压力可表示为，

p=v f Ct ?=r

f Ct

??ω=C/r

其中ω表示角速度，r 是半径。

ω

?f Ct

是恒定的磁盘面，被指定为C 。显然，在磁盘面上的压力变化与半径成反比。最大压力发生在摩擦盘而参数C 可被表达为C=p d

max

2，而d 表

示摩擦盘的内径，表面压力可以表示为， p=

p

max

2

1r

d 在压板上的压力可以计算如下：

2

)(212max

max

22

d D d dr r r

d F p

p D d -??=

???=?

ππ

其中，D 和的分别表示摩擦盘的外径和内径。一个接触面的离合器扭矩是通过下面的公式计

算的，

8

)(2

1222

2m ax

2

m ax

22

2

22

d D p

r p

r T d f dr r

d f dr p f D d D d CL -????=

????=???=?

?πππ

4

d

D F f +?

?= 接触表面的数量为每个离合器两个的，因此标定离合器扭矩TCL 的计算方法是

2

d

D F f T CL +?

?= 2.2相关的离合器扭矩和控制参数

在压板上的压力是与通过压板杆的分离轴承上的力相关的。但是，由于压板杆具有与膜片弹簧相似的式样和晃动的变形，存在离合器扭矩和制动器的控制参数之间存在的非线性特性。考虑到这一点非线性，多次测试以测量释放轴承力（即接合负载）。根据试验数据，释放轴承力相关联的接合行程，如图2。

如图2所示，由于压板杆的刚性高，有相当大的力（记为F0）在两个离合器的分离轴承接合的行程是零。由于这个原因，两个独立的功能，必须用于关联的释放轴承力Fb 与辊位移。

承载负荷之前，分离轴承的行程示于图3。如图3所示，分离轴承力Fb 与弹簧力Fs 在FB 达到F0之前与以前相关，

F x x

F

s roller

roller

b

L ?-=

其中，xroller 表示轮的位置，L 表示杆的总有效长度，Fs 表示弹簧力与Fs0表示初始值。

当FB

L F F F

x

s p

?+=0

00

表1

离合器的主要参数。

参数 离合器1 离合器2 离合器的外径 D1=232.5 mm D2=225 mm 离合器的内径 d1=157 mm d2=157 mm 比率 iratio1=3.6 iratio2=4.2 摩擦系数 f1=0.35 f2=0.35

因此，当xroller ≤xp 时，该分离轴承力是由轮位移公式计算出的。 后轴承开始运动，关联的分离轴承力需要一个单独的函数和弹簧压缩使轮发生的位移受轴承行程影响。

分离轴承运动后的啮合载荷示于图4。如该图所示，弹簧的压缩量由轴承行程确定如下：

x

x

x

x roller

roller

b s L -=

?

其中Δxs 是弹簧长度的增加量而xb 是轴承的接触行程。由于这个增量，承载移动后的弹簧力可以表示如下：

x

x x

F

F b

roller

roller

s s

L k

--=0

其中k 是弹簧的刚度。制动器杆的平衡需要满足以下方程 Fsxroller =Fb(L ?xroller)

结合方程（10）和（11）中，分离轴承力Fb 可以根据滚子位移的表示为如下：

F

x x

F

s

roller

roller

b

L -=

L F F F

x x s p roller

?+=≤000

x x

x x

F F roller

roller

roller roller

s b L L k

---=)

(0

F F F

x x s p

r o l l e r 0

+=≥

2.3离合器的扭矩和控制参数的相关性

正如在方程（6）所述，离合器扭矩是压力板上压力、摩擦系数和离合器尺寸的函数。在该原型中使用的两个离合器的主要参数示于表1。

根据式（6），两个标定离合器，离合器1和离合器2的扭矩可以计算如下

1000/2))(11

1

11

1

(d D i

F f T ratio b CL +=

=0.351000/2/)1575.232)(6.3(1+?F b =

0.2454

F

b 1

1000/2))(22

2

22

2

(d D i

F f T

ratio b CL +=

=0.351000/2/)157225)(2.4(2+?F b =

F b 22808.0

其中，Fb1和Fb2分别为量离合器1和离合器2的承载力。弹簧常数被选择为150牛顿/平方毫米，两种执行器和执行器杆的长度L 为100毫米。分离轴承的滚子位移开始是xp1= 25毫米和xp2= 30 mm 。初始弹簧力由公式（8）决定的。如Fs1=1689?和Fs2=1860 N 。前释放轴承开始移动时，离合器扭矩和轮位置可表示为以下，

F

x x

F T s

roller roller b CL L 1

1

112454.02454.0-?===x x

roller roller 1

1

10048.414-?

251

1

=≤

x

x

p roller

F

x x

F T s

roller roller b CL L 2

2

222808.02808.0-?===x x

roller roller 2

2

10029.522-?

302

2

=≤

x

x

p roller

后轴承开始移动，可以从关系图2获得xb 和轴承载荷Fb 的关系，表示Fb 是Xb 的一

个函数，即Fb= f(xb)。当行程小于4 mm 的尺寸，它通过下面的线性函数完全能够适应这个函数

5635.9911

+=x F

b b mm x

b 41

≤

表 2

测试车的主要参数。

参数 值 整车质量 M=1400 kg

速器的传动比 i1=3.917 i2=2.429 i3=1.436 i4=1.021 i5=0.848 i6=0.667 最终传动齿轮比 ia1=3.762 ia2=4.158 轮胎半径 r=0.2975 m 空气阻力系数 CD=0.328 迎风面积 A=2.12 m2

因此方程（12）和（15）可以被组合在一起（用β= x x

roller

roller

L - ）来关联离合器1，

离合器扭矩如下，

)1

1505.9915631505.991689(

2454.022

11βββ+?+??=T CL

251

1

=x

x

p roller

类似地，在离合器2的离合器扭矩可用xroller2来表示

)2

15025.38279715025.381860(2808.022

22

βββ+?+??=T CL 252

2

=x

x

p roller

离合器转矩方程（16）和（17）也可以以图形方式用图来表示。

3.离合器扭矩计算的算法 方程（14），（16）和（17）提供的分析计算离合器扭矩是为了得到滚子的位置。然而，这计算必须用现实的应用程序进行校准，因为离合器的摩擦系数与温度有关。在这部分，用于基于系统动力学的算法，提出了如上述的离合器扭矩的精确计算如下。 3.1DCT 的动力总成动态

在文献[ 8 ]中，已经详细研究发射和转移过程中的DCT 动力总成。动态模型在研究中使用的双离合器变速器如图6所示。在这个模型中，齿轮轴被建模为集中质量和四个同步被建模为电源开关。如图6中箭头所示，对集中质量的转动惯量表示为以下几点：发动机输出组件，包括离合器输入端（IE ），1离合器从动盘（ I1 ），离合器2从动盘（ I2 ），实心轴（ I3 ），空心轴（ I4 ），传输轴1（ I5 ），传输轴2（ I6 ），输出轴（ I7 ）。以类似的方式，频率ωe ，ω1，ω2 ， ω3 ， ω4 ， ω5 ， ω6 ， ω7表示相应的角速度。车轮角速度表示为ωw 。 T1, T2和To 代表的离合器1，离合器2和输出轴的输出扭矩。车辆等效质量时刻上的惯性输出轴被表示为I 。刚度和传动系的阻尼系数不考虑，因为它们不影响离合器扭矩的计算。 3.2计算算法的离合器扭矩

该计算扭矩方法是基于动力系统学。运动车辆的发射方程和1-2升档都在下面的文本。对于其它的操作模式，类似的方程可以根据功率流路径衍生，如详细说明[8]。 3.2.1发射

在发射模式中，离合器1的离合器扭矩逐渐增加，直到它被完全啮合，而离合器2的离合器扭矩等于零。离合器1的转矩是直接用来驱动车辆。运动方程组如下。

?

?=-ωe e CL e

I T

T 1

?

?=-ω1111

I T T

CL

ω3

11

11

?=-I i

i T T eq

a a

?

?=-ω

77

I T T a

?

?=-ωw Load

a

I T

T

其中，i1为第一齿轮比，ia1是由第一，第二，第五和第六得到的最终传动比。Te 是发动机输出的扭矩。TCL1是离合器1的扭矩。Ta 是离合器最终驱动输出的扭矩。

I

eq

1是在所

述第一齿轮的集中质量惯性包括传递轴1，实心轴的装配和在相应的旋转的所有其他组件的第一齿轮等效质量矩。ωw 是车轮角速度。道路负载转矩T

Load

由下面的等式表示：

r W f R R T

G A L o a d

?++?=)(

其中，f 是滚动阻力系数，W 是车辆的质量，r 为轮胎半径，RA 和RG 分别是空气和档次电阻。

如可以从方程18至22看出，离合器扭矩TCL1可以用公式计算（18）或方程（19）求出。如果知道发动机扭矩和发动机转速就可以准确测量出汽车起动扭矩TCL1然后可以从方程（18）直接找到。然而，在瞬态操作的发动机扭矩和速度都很难准确测量得到的，离合器扭矩计算的误差不可避免。另一方面，车辆的车轮速度与发动机的转速相比更加稳定，并且可以高精度地进行测量。因此，离合器扭矩TCL1可以利用式（19） - （22）计算出高精度。

在方程（19） - （22）中，角速度的关系如下：ω1=ω3，ω7=ωw 和ω3=ω7?IA1?I1。因此，方程可表示如下：

i i T i i I I i

i I T a Load

a eq

a CL W I 1

11

11

1

1

17

1

)(++++=?

ω

根据上面的等式中，离合器扭矩TCL1可以在发射过程中计算，并且精度仅取决于 车轮加速度，它是车轮速度的速度传感器的衍生物。 3.2.2转变

换档过程分为两个阶段，即扭矩阶段和惯性阶段。该系统方程1-2换档是在下文中，可以很容易地扩展到其他的变化。

?

=--ωe e CL CL e I T T

T 21

[

]

?

?+?++?+=-?+?ω552

24221131

2

2

1

1

)()(I i I I i I I i

T i T i T a a

CL CL

?

?=-ω

77

I T T a

?

?=-ωW Load

I T

T 0

其中，I2是第二齿轮比，IA2是由第三和第四得到的最终传动比。TCL2是离合器2的离合器扭矩。

由于ω5=ω7ia1=ωwia1，方程（26）?（28）可以被组合成一个单一的公式：

当离合器扭矩TCL1或TCL2等于零，另一个离合器的扭矩可以从方程2的ω赢与位置术语计算。（29）。但是， 在换档过程中，有摩擦扭矩在两个离合器和它们不能被用公式求解。（29）单独使用。对于 同样的原因，如前所述，方程（25）没有提供帮助，因为发动机转矩是不知道。

作为表示在方程（13） - （17），所述离合器扭矩的离合器设计参数，摩擦系数和控制函数 参数。由于离合器扭矩在两个离合器的比例应该是独立的摩擦系数的 温度的影响是相同的两个离合器。因此，在离合器1和离合器2离合器的扭矩由比例以下比例： K=TCL1TCL2=K1K2

其中，KIS 离合器扭矩比例K1和K2是取决于离合器尺寸的因素，致动器参数和滚子

位置详见切入口2。结合方程（29）和（30）引出两个离合器扭矩TCL1和TCL2中的确定 的ω瓦特条款：

TCL2=I3+I1eT?i2a1i21+I2+I4eT?i2a1i22+I5i2a1+I7+Ihi ˙ ωw+TLoadK ?i1ia1+i2ia1 TCL1=KTCL2 4.案例研究

离合器扭矩计算算法描述基于Matlab/ Simulink 的平台切入口3已经落实。一 原型车与参数显示在证明地面平坦赛道测试于表2是。车辆加速，车轮转速，

双离合器辊的位置和变速器档位在测试过程中被记录下来。一种扭矩传感器被安装在半 轴测量传动系统输出扭矩。

测得的半轴扭矩由相关的传动比变换是在输入轴的等效扭矩值。这等价转矩与如下面描述的算法计算出的离合器扭矩进行比较。 4.1发射

在发射操作中，档位处于第一和离合器扭矩可以直接由方程来计算（24）。车辆加速度

或者从测试车轮转速是唯一的模型输入。上的离合器扭矩的比较示于图。 7。计算出的离合器扭矩

从转矩算法高度同意从测量获得的离合器扭矩。

4.2 1-2升档

在换档时，测得半轴扭矩不能因为转换以在输入轴的等效扭矩值

测得的离合器扭矩的比例是未知的。因此，所得到的半轴扭矩，即两者的总和

离合器扭矩乘以各自的传动比，与所测量的一半轴转矩进行比较。如该图所示。 8，

在1-2升档输出扭矩是非常令人愉快的测试数据，指示扭矩的有效性和准确性

计算算法。

4.3。操作在一齿轮位置

当车辆运行在一个齿轮上的离合器的扭矩也可以通过在本文提出的算法进行计算。结果

在第4档操作如图所示。 9。在离合器1的转矩为零，因为只有离合器2现转让引擎

扭矩来驱动车辆。如该图所示，在离合器2的转矩几乎是一样的试验结果，这再次证实了该算法的精度

5。结论

本文的重点是双离合器的扭矩制定和校准。离合器扭矩配方的基础上提出

恒定的能量转换率在摩擦片的脸。上的离合器扭矩和离合器的参数的相关性

致动器已经建立的滚子位置的条款，以及相关的设计参数。校准的目的，一个离合器

转矩计算算法已经提出了一种基于DCT的动力总成动力。该算法利用车轮速度

从速度传感器作为输入和获得利用Matlab / Simulink平台上实现。本算法的有效性

已证实通过证明原型车的地面试验获得的试验数据。在本文提出的方法

提供用于双离合器系统设计的分析工具和离合器转矩的精确控制，以发射和关键

DCT车辆的变化。

鸣谢

从福特创新联盟计划的支持评价整个财务在这个文件中提出的工作是极大的赞赏。