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原文传递汽车干式双离合器接合过程动力学与控制的研究

论文题名：	汽车干式双离合器接合过程动力学与控制的研究
关键词：	汽车干式双离合器;起步接合;换档重叠;PID控制;动力学分析
摘要：	机械式变速器(Mechanical Transmission，MT)同液力自动变速器(Automatic Transmission，AT)独自具有优良的燃油经济性同行驶舒适性。无级自动变速器(Continuously Variable Transmission，CVT)虽在以上两方面具有综合优势，但因传送带转矩容量限制所导致的其可传输最大转矩容量有限这一问题限制了它的适用范围。为了克服AT技术所存在的结构复杂加工制造难度大的问题同时获得与之类似的乘坐舒适性，人们研制了采用电控技术后MT变速器，即机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission，AMT)来实现传动效率、结构紧凑度和复杂度、工作可靠性、燃油经济性和动力性的良好协调。但在AMT换档过程中因离合器分离而产生的传动系动力传输中断严重恶化了换挡动力性，降低了换挡舒适性。为了克服换档动力中断这一问题，并充分利用AMT系统结构简单紧凑、传动效率高、工作可靠等长处，设法通过巧妙的机械结构设计将两个独立的离合器有机耦合为一体的双离合器自动变速器(Dual-Clutch Transimission，DCT)便应运而生。这样在换档阶段便可通过对所有离合器接合及分离时序的恰当操控来确使发动机动力经DCT被稳恒地传输至车轮。　　科学探讨干式双离合器自动变速器(DDCT)所遵循的机械结构研制理念以及实践路线施行策略，基于牛顿力学体系下的达朗贝尔原理，采用试验与理论研究相结合的方法，本研究构建了涵盖发动机、干式双离合器本体、干式双离合器电机执行机构、双中间轴式变速器、驱动轴—车轮总成的DDCT系统动力学模型。重点针对波片弹簧摩擦片—压盘—膜片弹簧系统压紧力传输性能以及电控执行机构总成动力学响应特性进行数学建模工作，开展了波片弹簧受载变形特性、波片弹簧摩擦片—压盘—膜片弹簧系统压紧力传输性能以及波片弹簧摩擦片—压盘—膜片弹簧—滚子拨叉执行机构—电机滚珠丝杆输出轴总成的摩擦转矩传输特性试验研究工作，验证了DDCT总成建模工作的有效性。从而为定量研究双离合器接合过程动力学原理以及探研起步同换档阶段最优双离合器同发动机转矩匹配调整策略提供必要的理论前提。　　滑摩功与冲击度是一对互为矛盾的指标。以往的最优控制策略在建立目标泛函时，将滑摩功这一非线性项按摩擦转矩与转速差分别加权处理，以便利用线性最优控制理论的研究方法获取最优摩擦转矩和发动机转矩的解析解。这样虽然可利用成熟的线性最优控制理论直接求解，但是最优泛函表达繁琐且不能真实客观评析滑摩功控制效果。因此本探研将同冲击度互为矛盾的滑摩功一道视作约束目标，考虑接合过程发动机输出转矩的协调控制以及燃油经济性的提高，基于极小值原理探研了起步与换档过程中双离合器与发动机最优匹配控制算法，求取了DDCT起步同换档阶段发动机同离合器各自最优输出转矩的解析解，继而参考车辆传动系统动力学理论求解体系顺势求解出最优发动机飞轮和离合器转速的解析解。证明了最优控制能够极大改善车辆起步换档品质，冲击度在等量的发动机飞轮起始转速、离合器起始转速及同步转速这类限制条件下同滑摩功互为矛盾。又因为最优控制量的公式解可直接由发动机飞轮转速与变速器输出轴转速等状态变量分别经常系数矩阵线性变换后的叠加来阐析，所以在理论研究和试验过程中可通过所测得的发动机飞轮转速与变速器输出轴转速等状态变量的信号直接求解线性定常反馈最优控制，而无需按线性二次型最优控制研究方法进行繁琐的黎卡提方程离线数值求解，从而极大地简化了计算工作量。此外，由于实施线性二次型最优控制方法后必须求解黎卡提方程，以构建相应时变反馈矩阵来对状态变量进行映射，最终对映射后的状态变量进行线性叠加来形成最优控制解，所以本研究所构想的控制策略非常便于工程应用。　　为精准跟踪最优发动机飞轮同双离合器从动盘转速，将所构建的DDCT总成的非线性动力学模型转化为状态空间的仿射非线性动力学模型，继而完成了DDCT总成仿射非线性动力学模型相对阶的定义与量化分析、与原仿射非线性动力学模型拓扑等价的线性定常系统状态空间表达式的Brunovsky标准型表述、微分同胚映射的解析化构建、线性定常数理模型PID跟踪控制策略探析、非线性状态反馈求解等工作，以期将微分同胚映射逆映射求解结果用于原动态响应体系跟踪量计算。在此基础上利用成熟的线性系统控制理论完成了节气门开度与离合器执行机构电机电流调控量的推算，取得了精准稳定的跟踪效能。　　为了验证以上控制策略的工程实用性，需进行台架试验和实车试验。为此研制了干式双离合器本体、双接合轴承、具有两输入轴结构的变速器、双离合器与选换档电控机械式执行机构等零部件。设计开发了干式双离合器动力总成电控系统软硬件设备。联合各主机厂和研究所研制了DCT样机实验台架以及以奇瑞A520轿车整车实验平台。在实验台架上完成了样机功能性验证测试试验，证明了其机械结构设计可确保双离合器的快速接合分离与稳定精确的选换档操作能顺利地完成。在随后的典型驾驶测试中核实了能量传输稳恒的起步同换档操控的真实可重复性，证明了所设计的DCT动力总成能正常有效地工作。
作者：	吴明翔
专业：	车辆工程
导师：	张建武;鲁统利
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文