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双离合自动变速器模型的开发和通过测力计测试数据的验证
吉姆，劳斯布什和卢梭
交通技术Ramp;D中心，阿贡国家实验室，9700南卡斯大道，莱蒙特，一楼60439-4815，美国
接收于2013年10月30日；修订于2013年12月12日；发表于12月23日
摘要
由于越来越严格的法规要求和客户的强烈期望，汽车制造商一直考虑研发众多技术以提高车辆燃料经济性。其中之一便是已被证明是最具成本效益的变速器技术。在过去几年，变速器有着重大的发展并且影响着性能和燃油效率。作为先进变速器之一，双离合变速器（DCT）是第一个提供比手动变速器更高效率的自动变速器。DCT能减少换档冲击、提供更好的驾驶舒适性和更高的最高速度和转矩。本文。使用Autonomie工具开发了一为DCT服务的变速控制模型，Autonomie是一个车辆模型仿真工具。最后，使用来自Argonne的高级动力系研究设施的车辆测试数据来验证Autonomie DCT模型和控制策略。
关键词：双离合自动变速器；换挡图；换挡模式；建模与仿真；燃油经济性；性能
专业术语：
Je：发动机集中惯性，kg·m2
Jc: 离合器的驱动盘惯性，kg·m2
Jodd：奇数齿轮惯性，kg·m2
Jeven：偶数齿轮惯性，kg·m2
Jout：输出轴等效惯性，kg·m2
Nodd：奇数齿轮齿轮比
Neven：偶数齿轮齿轮比
Te：发动机输出转矩，N·m
Tc：离合器输出转矩，N·m
Tloss：轴的续流损耗，N·m
Tout：齿轮箱输出轴的扭矩，N·m
omega;e：发动机曲轴角速度，rad/s
omega;s：齿轮箱输入轴角速度，rad/s
omega;out：齿轮箱输出轴角速度，rad/s
1.介绍
汽车历史的发展上，有多种可用的乘用车变速器，有两种变速器发现它们处于对抗的位置。一方面是传统的液力自动变速器(AT)，它拥有超过60年的发展和使用历史。近年来，为了提高乘坐舒适性和减少燃油排放来应对更加严格的废气排放标准，人们对于液力自动变速器的要求一直在增加。另一方面是双离合自动变速器（DCT）,无级变速器（CVT）,机械式自动变速器（AMT），这些高级的变速器还处于发展早期，在市场上运用的较少，但是可以期待这些变速器可以提供液力自动变速器所没有的优点(Le Guen et al., 2011; Amendola andAlves, 2006)。
此外，在过去十年里，手动变速器（MT）市场已经缩小，并且这种趋势似乎还在继续。在图1中显示，自动化变速器逐步民主化，先进的技术例如DCT正在逐渐取代老化的技术如AT和MT (Joshi et al., 2009)。
这些多样的变速箱种类需要更大的努力去开发整体建模和控制动力总成。与此同时，评估不同动力系统和正在开发战略的控制的影响是有必要的。因为这些原因，Argonne国家实验室(ANL)开发和验证了四速和五速自动变速器的换挡算法(Rousseau and Pasquier, 2001; Pasquier etal., 2001)，但是六速或者更先进的自动变速器的工作尚未得到验证。
ANL的先进动力研究设施（APRF）是为进行车辆基准测试活动的研究人员而设计的，并且许多基于APRF的研究都已经发表了(Rousseau etal., 2006; Kim and Rousseau, 2011, Kim et al., 2012)。该设施使得车辆能够在两轮或四轮驱动测功机上进行测试以获得性能，能量消耗，排放以及许多其他的指标。APRF已经在测功机上运行各种装有先进变速器的车辆，并测量主要的性能指标(Transportation Technomogy Ramp;D Center, 2012)。
本文使用来自大众捷达TDI的测试数据验证DCT模型和换挡算法，大众捷达TDI是一辆配备了六速DCT的车，该DCT在APRF及美国的高级车辆测试组织下测试。该组织是能源汽车技术办公室。首先，将来自各种驾驶表的测量信号通过后期处理导入自动化环境。通过这些数据，我们可以分析DCT动力系统的换挡模式。使用配备DCT车辆的APRF测试数据开发和验
图2：试验数据导入过程
证用于DCT的模型和换档控制器，以更精确地提供动力系统的评估。
2.导入测试数据
车辆测试是一个非常困难的任务，因为许多问题可能阻止模型的验证，或者甚至更糟的是，导致具有错误数据的假验证。除了测试过程问题，主要问题与传感器精度有关，传感器精度可能会被大量因素影响，其中有电磁兼容性，筛选，环境条件（例如，温度，湿度），振动和软件缺陷。
为了使车辆建模达到一个可实现的目标，首先需要量化与测试相关的不确定性因素。就仪器仪表和测量次数而言，ANL对高级车辆进行了非常精确广泛的测试。由于有大量数据，需要一个通用的过程来自动生成报告，从而允许工程师快速分析数据质量(Rousseau et al., 2006)。这个过程如图2所示，是基于四个步骤，其中每一个步骤将在下面段落中详细描述。这个过程的目标是完成以下步骤：
- 当使用不同的来源时自动重新排列数据
- 当可以从不同的来源测量/记录相同的参数时，选择合适的传感器
- 通过使用动力方程将每个传感器的值与测量或计算的参数进行比较，来量化每个传感器的不确定性
- 重新使用现有的后期处理功能，初步开发用于模拟目的，能自动计算工作量，流量，功率，能量和效率，并使用自动化中已有的分析工具。
图3：大众捷达在高级动力研究设备中进行测试
图4：主要传感器和设备源
2.1缺失力/流量的计算
由于时间和成本限制以及硬件可使用性，不可能测量每个组件的力和流量。然而，可以从测量/记录的信号计算参数以评估它们的精度。数学方程可以用于计算每个部件的输入/输出处的力和流量，然后可以使用这些参数来计算功率，能量和效率。例如，最终驱动车轮的输入和输出速度可以从车轮速度计算。实际上，最终驱动输出速度与车轮输入速度相同，然后可以通过使用最终传动比计算最终传动输入速度。
大众捷达TDI（图3）按各种驾驶时间表在测力计上进行试验，例如加速性能试验，稳速试验和认可的循环驾驶等。稳速测试的结果主要用于分析换挡模式和建立控制规则。
图4显示了用于验证过程的主要参数及其来源：传感器、金属容器、计算机、测力计等。首先，通过遵循Autonomie格式将来自Excel文件的测
图5:换挡曲线功能实施
试数据导入到Matlab环境中；然后，分析每个参数并比较冗余信号；最后，计算缺失信号。
2.2换挡图的测试数据分析
一旦所有的测试数据被导入，在本研究中开发的分析功能被用于在Autonomie中产生换挡曲线使用的集成测试数据。使用这些功能，函数可以生成曲线以实现升档和降档曲线。在图5中，显示出了针对大众捷达TDI整体驱动周期的DCT的传动操作点，并且相对于车辆速度和加速踏板位置或车辆速度和车轮转矩绘制换档点。
2.3换挡控制算法
换挡控制器使用换档图来计算齿轮指令。在控制器中，换挡图是由车辆速度和加速踏板位置所索引的二维（2-D）图表。Autonomie中的变速初始化仪器定义了特定于所选组的组件
图6：经济换挡的发动机速度范围
假设的换挡图（即，换挡控制器的参数的值）。对于每一条变速曲线，有两个关键点：在非常低的踏板位置的经济换档速度和在高踏板位置的性能换档速度。控制工程师的目标是结合换档控制的两个目标，以满足驾驶员的期望：一方面是燃料消耗最小化，另一方面是车辆动力性最大化。
升档或降档的经济换档速度是当加速器踏板位置被非常轻地按下时升档/降档发生的速度。从齿轮i到齿轮i 1用于升档的发动机经济转速是,同一组齿轮的降档速度为。图6表示出了配备有DCT车辆的发动机速度换档点。
一旦这四个速度根据测试结果定义，剩余的则是可以通过电脑线性插值计算以允许驾驶员可接受的一致的换档模式。例如：每个升档速度由以下等式给出（1）：
其中N是齿轮的数量，是从最低档位开始升档的发动机转速。
当要求动力性达到要求驱动时，齿轮自动选择满足车轮转矩最大化的模式。图7表示出了齿轮的选择：其包括找到齿轮i处的发动机峰值转矩（在车轮处显示）曲线落在齿轮i 1处的点。
最终换挡曲线的正确定义对于正确评估变速器技术的优点同时保证动力性的可接受性至关重要。图8表示
图7：车轮最大发动机扭矩和动力升档速度
图8：自适应6速DCT的换挡曲线
出了一组基于所选车辆速度和加速器踏板位置的用于6速DCT的完整的换档曲线。相同颜色的两条曲线（例如升档和降档曲线）没有任何相交，因此可以确认没有换档振荡，这对于驾驶性能是重要的。
3.DCT模型开发
由于车辆传动系统的工作机制涉及扭转阻尼器的非线性特性，发动机运转期间的不稳定特性等等一些问题，因此想要创建一个非常精确的DCT换挡过程的动态模型是非常困难的。为此，做一些模型简化对于反映DCT的实际换挡过程是不可缺少的。本文，在DCT换挡过程的动态模型的开发中做出了以下假设，图9表示了DCT工作结构的示意图。
- 动力系统中所有的轴假定为刚性的。
- 忽略同步器的同步转换过程。
- 假设当前动力系统模型和本地控制器在Autonomie中的保持一致。
-轴1的惯性与离合器1（CL1
图9：双离合变速器的结构图
性集中在一起，轴2的惯性与离合器2（CL2）的惯性集中在一起。
该变速器具有六个前进速度，这可以被认为是两个手动变速器的组合，其中一个提供奇数齿轮连接到离合器1，并且另一个提供连接到离合器2的偶数齿轮。这个变速器有两个输入轴：一个轴（轴1）承载一挡，三挡和五挡齿轮，另一个轴（轴2）承载二挡、四挡和六挡齿轮。预选齿轮以实现DCT系统的优点是非常有必要的。通过交替控制两个离合器，即将接合的离合器接合并且待分离的离合器分离以完成换档过程，这个过程中没有转矩中断。
齿轮的这种预选择可以通过综合考虑表1所示的DCT系统的操作条件来实现。例如：如果第一个同步器处于第一档位，并且第三至第五同步器处于中间位置（假设它们必须这样），则轴1和输出轴之间的齿轮比为一档齿轮。与此同时，对于预选择模式，可以以相同的方式选择轴2和输出轴之间的齿轮比。
图10：待机模式结合过程图
为了实现期望的输入 - 输出齿轮比，必须应用相应的同步器和离合器。例如，第一档齿轮通过接合第一档同步器并传递给离合器1（离合器2 必须分离）。其他齿轮可以以相同的方式实现传递。奇数档与偶数档之间的换档通过控制摩擦离合器CL1和CL2的转矩容量来实现。
3.1方程
使用示意图和操作条件来产生每个模式的方程，正如下面段落表述的那样。
3.1.1待机模式
所有同步器处于中间位置，CL1和CL2打开。图10显示了待机模式的结合过程图。
在图10中，Je 和Jc分别是发动机集中惯性和离合器驱动盘惯性；Jodd、Jeven和Jout分别是奇数齿轮惯性、偶数齿轮惯性和输出轴等效惯性；Nodd和Neven分别是奇数齿轮齿轮比和偶数齿轮齿轮比；Te和Tc分别是发动机输出转矩和离合器输出转矩；Tloss和Tout分别是轴的续流损耗和齿轮箱输出轴的扭矩；omega;e、omega;s和omega;out分别是发动机曲轴角速度、齿轮箱输入轴角速度和齿轮箱输出轴角速度。
DCT待机模式的动态方程如等式（2）所示:
3.1.2换挡模式
轴1的同步器处于奇数档位，并且轴2的同步器处于偶数档位。待接合的离合器接合并且分离的离合器分离则完成换档过程。图11显示出了换挡模式的结合过程。
DCT换挡模式的动态方程如等式（3）：
图11：换挡模式:结合过程图
3.1.3奇数挡模式
轴1的同步器处于奇数档位，并且轴2的同步器处于中间位置，CL1用于将输入力路径连接到轴1，CL2打开。图12显示出了奇数挡模式的结合过程。
DCT奇数挡模式的动态方程如等式（4）。另外的偶数齿轮模式以类似的形式得出。
3.1.4预选模式
轴1的同步器处于奇数档位，并
图12：奇数挡模式结合过程图
且轴2的同步器处于用于预选择的偶数档位。CL1或CL2用于将输入力路径连接到轴1或轴2。当只有离合器1锁止时，图13显示出了预选模式的结合过程。
DCT预选模式的动态方程如等式（5）。如果仅CL2被锁止
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