汽车—双离合器自动变速器动力总成的GCKontrol模型

摘要：双离合器自动变速器(Dual Clutch Transmission，DCT)广泛应用于乘用车领域，具有燃油经济性好、驾驶性能好、成本低廉以及生产继承性好等重要特性。结合国内新能源汽车突飞猛涨的发展势头以及中国汽车工程学会对燃油乘用车2035年前全部实现混动化的总体技术路线要求，基于双离合变速器的混动化变速箱可能在一段时间内成为国内主机厂的一种主要开发方向。本文将展示如何使用GCKontrol软件来模拟基于双离合变速器的动力总成的运动学及动力学规律，并将该模型应用于变速箱控制单元（Transmission Control Unit，TCU）的快速开发及不同应用场景的分析与测试。

DCT是一种纯机械机械式变速器，可理解为机械式自动变速器（Automatic mechanical transmission，AMT）的改进版本，通过增加一个离合器，离合器1打开过程中结合离合器2来实现动力换挡。下图为典型双离合变速器的机械结构：

图1 双离合变速器机械结构

上图的双离合变速器有四个同步器，换挡过程中发动机到离合器1、离合器2的功率流向可如下图所示，输出轴将力矩输出给差速器实现不同挡位下的驱动。

图2 功率流向

基于双离合变速器的动力总成模型主要包含：

模型主要应用场景包括：

一、发动机模型

发动机模型包含以下功能：

发动机外特性如下图所示，横轴代表发动机转速（rad/s）,纵轴代表发动机扭矩（Nm）：

图4 发动机特性

图5 GCKontrol发动机模型

二、双离合器模型

双离合变速器包含奇数轴离合器及偶数轴离合器两个离合器。在奇数轴上布置了1-3-5-7奇数挡位的齿轮对。在偶数轴上布置了2-4-6挡以及倒挡齿轮对。离合器模型能够很好地模拟离合器结合时产生的扭矩震荡，该模型主要包含:

三、变速器和同步器模型

双离合变速箱模型中包含四个同步器模型，负责1挡至3、 2挡至4挡、5挡至7挡以及6及倒挡间的切换，分别布置在对应的挡位之间。

图7 双离合变速箱模型架构图

3.1 同步器位置控制

同步器在建模过程中视为输入轴和输出轴之间的“刚度”元件，输入轴和输出轴在建模过程中视为转动惯量。模型需要将转速作为输入，并计算输出轴和输入轴之间的扭矩。同步器位置由输入力控制，当输入速度不同时，位置会受到限制。当输入速度足够接近时，套筒可以接合到最大行程。一旦同步器接合，内部刚度将被激活，通过齿轮啮合在输入轴和输出轴之间传递扭矩。同步器未接合时，没有内部刚度，齿轮与传动轴脱开，处于“自由转动”状态。

3.2 同步环力矩

图8 GCKontrol同步器模型

3.3 变速器模型

本变速器模型搭建前做出如下条件限定：

（1）偶数轴和奇数轴的速度是使用惯性模型和阻力扭矩计算的。当变速箱处于空档且离合器打开时，轴将减速至0速。

（2）齿轮视为刚性体，只代表传动比。

传动比如下表所示：

表1 传动比

差速器传动比为3.9。本模型并未考虑效率损失，但可根据效率模型或实验参数在模型中添加。效率及变速器损失可由润滑情况、轴承摩擦及液压执行机构损失引起。

四、轮胎模型和驱动轴

建模过程中离合器到轮胎之间的传动轴视为刚性体连接。

轮胎模型主要功能包含滑移率计算、摩擦系数计算、轮速计算模块，该模型输入量有刹车力矩、轮胎承受的垂直载荷，输出量有轮胎轮速、轮胎角速度、轮胎角加速度、刹车制动力。在摩擦系数计算时使用高速区域与低速区域来防止零速度时数值的不稳定性，高速区是由wohnhaas滑移曲线定义的滑移模型，曲线的输入是上一步计算的轮胎滑移；低速区是刚性连续摩擦模型，其中定义低速区与高速区的临界速度为1m/s。在轮胎轮速计算模块可以计算出轮胎的制动力FX，FX是力矩刹车模块的输入量，通过力矩刹车模块计算，得出作用在质心上的合力F合。

当轮胎在地面上滑动时，轮胎与地面之间的附着系数与滑移率有特殊的关系，附着系数随滑移率的最大以近似直线上升，达到一个最大值后，又随滑移率的继续最大而逐渐减小。这是由于轮胎与地面之间的滑动摩擦系数小于静摩擦系数，因此地面附着系数在达到最大值后就逐渐降低。附着系数的最大值称为峰值附着系数，峰值附着系数在滑移率为0.2左右生成，对应的滑移率称为峰值滑移率。附着系数与滑移率曲线图如下：

图9 附着系数与滑移率

摩擦系数计算包括了高速区和低速区两种计算情况，其中高速使用wohnhaas滑移曲线定义的滑移模型，低速使用刚性摩擦连续模型。

五、纵向动力学模型

本示例工程以前驱配置为例，模型根据重心位置以及纵向加速度计算前后轴上的受力情况。

图10 受力分析

式中F_rear，为启动阻力，rho为空气密度，v为车速，Cd为空气阻力系数，A为车辆迎风面积。

六、TCU模型

TCU控制算法是使用GCKontrol软件中的C代码模块实现（也可以使用状态图模块代替）的一个闭环控制，主要使用来自齿轮箱传感器（轴速度和执行器位置）的反馈信号。

图11 GCKontrol TCU模型图

TCU模型的主要功能是根据车辆行驶状态（如车速、节气门开度等）信息为车辆提供升降档决策，本示例工程的升降挡曲线如下图所示：

图12 TCU升挡曲线

图13 TCU降挡曲线

此外，TCU还主要应用以下控制律：

七、仿真分析

车辆行驶的实际行驶工况错综复杂，此工程通过配置以下几种典型工况，演示DCT动力总成模型的动态表现。

工况一：全油门0-100km/h加速工况仿真，车辆需要11.2秒达到100公里每小时的时速，下图展示了一挡、二挡、三挡的换挡过程。

图14 换挡过程

工况二：松开加速踏板，TCU通过触发升挡指令降低发动机工作转速。

图15 发动机转速降低

工况三：从小油门至全油门的工况配置，此时变速箱控制器通过触发“动力降档”提高发动机转速。

图16 发动机转速升高

该模型使用定步长求解器，运行速度快于实时，可以作为FMU导出，在GCAir实时仿真机或其他硬件在环平台上运行。

本示例工程演示了GCKontrol如何用于动力传动系统模拟与过程控制应用，导出的模型可用于MiL/SiL/HiL环境下的车辆分析或TCU软件开发和测试。