DCT双离合器电控系统的研究论文.docx

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DCT双离合器电控系统的研究论文

摘要

双离合器变速器（DoubleClutchTransmission,DCT）是近年来出现的一种机械式自动变速器。

它是基于平行轴式手动变速器发展而来的，它将变速器挡位按奇偶数分别布置在与两个离合器所连接的两个从动轴上，奇数挡位离合器和偶数挡位离合器分别和两个中间轴相连，通过离合器的交替切换，完成换挡过程，实现动力换挡。

文章介绍了变速器的类型及特色，介绍分析了DCT双离合器的现状及在我国的发展状况，以湿式DCT为例，从电液到电控循序渐进的对其进行了研究

关键字：

双离合变速器；电控系统；湿式DCT

ABSTRACT

Thedualclutchtransmission（DoubleClutchTransmission,DCT）istheemergenceofamechanicalautomatictransmission.Itisbasedontheparallelshafttypemanualspeedvariatorofdevelopment,itwillbeoftransmissiongearaccordingtotheoddandevennumberarearrangedonthetwoclutchconnectedwithatwodrivenshaft,oddgearclutchandevengearclutchrespectivelyandthetwointermediateshaftconnectedviaaclutch,alternatingswitch,completeshiftprocess,realizethepowershift.Thispaperintroducesthetypesandfeaturesoftransmission,isintroducedtoanalyzetheDCTdoubleclutchandthestatusofdevelopmentinChina,withwetDCTasanexample,fromtheelectricliquidtocontrolstepbysteptoconducttheirresearch

Keyword:

dualclutchtransmission；electroniccontrolsystem；thewetDCT

目录

摘要1

第一章综述3

1.1变速器类型与特色3

1.1.1手动变速器3

1.1.2自动变速器4

1.2课题背景及意义6

1.3论文的主要工作7

第二章DCT的发展及原理7

2.1DCT的发展7

2.1.1非职业驾驶员数量激增对变速器提出了新要求7

2.2.2电子和计算机技术为新型变速器提供支持7

2.2.3DCT技术对我国变速器行业的影响8

第三章电控系统的研究9

3.1传统的开发方式10

3.1.1基于Ｖ模式的TCU开发方案10

3.2湿式DCT的TCU研究12

3.2.1TCU整体规划12

3.3电路仿真及分析13

第四章总结16

参考文献17

致谢18

第一章综述

近些年来，随着经济的发展和人民生活水平的提高，越来越多的人开始购买汽车，汽车已经不再是昂贵的奢侈品，它已经开始慢慢走进大众百姓的家庭，成为Ｒ常出行的代步工具。

不同的人群，对于汽车配置的需求也会有所不同。

变速器是汽车的重要部件，变速器的性能对整车的动力性，经济型，舒适型都有着重要的影响。

以前的汽车多采用手动变速器，在驾驶过程中，驾驶员需要不断的换挡，以满足当前的行驶需要，这对于长途旅行的人来说，无疑是大大增加了驾驶员的劳动强度，容易引起驾驶员的疲劳，从而产生行车过程的不安全因素。

在这种情况下，自动变速器应运而生，装有自动变速的车辆，因为其具有的操纵方便、换挡平稳、乘坐舒适性好等特点，越来越受到有车族的欢迎。

它代替了驾驶员在起步换挡过程中对变速器的操作，全部改由微处理芯片和其它机械、液压装置来控制换挡，大大降低了驾驶的难度，减轻了驾驶员在驾驶过程中的劳动强度和疲劳感，增强了行驶过程中的舒适型和安全性。

百年汽车工业，是伴随着科技的发展而不断发展的，汽车变速器从最开始的手动变速，经过不断的发展，到如今不同种类的自动变速器，其巨大的优势慢慢显现出来，成为目前各大汽车及零部件生产厂商所争相研究和开发的对象。

1.1变速器类型与特色

变速器是汽车的核心部分之一，变速器的性能严重影响汽车的整车性能。

变速器按照操纵方式不同分为强制操纵式变速器和自动操纵式变速器。

其中强制操纵式变速器是由驾驶员手动完成换档操作，即手动变速器（MechanicTransmission，MT）。

1.1.1手动变速器

MT通过驾驶员操作离合器和手动换档拨叉来实现档位的变换。

这种变速器具有结构简单、外形紧凑，传动效率高，可靠性高，成本低等优点。

由于MT用起来很直接，并且MT车辆的状态完全由驾驶员掌控，因此具有很强的驾驶和运动乐趣。

但换档时驾驶员必须完成踩离合器—摘旧档—挂新档—松离合器等一系列动作，不仅动作复杂、频繁、易使驾驶员疲劳，而且一旦驾员换档时刻不当，则会造成油耗增加、排放污染严重、动力性下降、发动机熄火等不足。

特别是对于非专业的驾驶者来说，并不能达到很快的换档速度，因此非专业的驾驶者很难胜任MT车辆的驾驶。

同时换档对。

驾驶员必须先踩下离合器踏板，从而不可避免的存在动力中断现象。

因此MT具有起步不平稳、转速变化突然、发动机工作处于非稳定工况、对传动系统造成一定动载荷和冲击等缺点。

同时，MT车辆离合器分离和结合的过程，不可避免的存在冲击，因此舒适性不好。

MT已越来越不适应时代发展需要而逐渐被自动变速器所代替。

1.1.2自动变速器

自动变速器的出现，主要是为了解决手动变速器存在的手动换档操作的复杂性和动力中断引起的不舒适性的问题。

理想的自动变速器比起手动变速器应具有以下几个优点；

1在各种工况下，变速系统都能使发动机工作在最佳经济性区域以降低排放或获得最佳的动力性；

2档位变换快且平稳，提高了乘坐舒适性，换档冲击大大降低，可以有效地延长发动机和传动系统零部件寿命；

3可让驾驶员不必频繁地变换档位，大大降低了驾驶员的劳动强度和事故的发生率：

4自动变速控制系统的监测及诊断功能，使维修人员及时得到故障原因信息并迸行及时的维修。

随着电子控制技术的发展，自动变速器的性能不断完善，价格不断降低，在汽车上的应用日益广泛。

现在，城市客车和公共汽车上自动变速器的装车率，美国是100%，欧洲发达国家在90%以上；在轿车上，日本中高级轿车上装用自动变速器的车辆比例超过了80%，美国则一直在90%以上。

自动变速器按传动方式不同分为液力自动变速器、无级自动变速器、电控机械式自动变速器。

这几种变速器各有优势，同时也存在一些不足。

液力自动变速器（AutomaticTransmission，AT）‘由液力变矩器和行星齿轮机构组成，具有无级连续变速和改变转矩的能力，加速迅速、均匀，具有较好的驾驶舒适性，操作简单，技术成熟，但结构复杂、成本投入巨大、传动效率较低、油耗较高。

无极自动变速器（VariableTransmission，CVT）通过改变带轮的工作半无级自动变速器（Continuously），使变速器传动比无级变化，能实现绝对无冲击的换档，能使发动机始终工作在最佳上作点，燃烧完全，排放减少。

因此CVT车辆具有良好的动力性、经济性、驾驶舒适性和较高的传动效率。

但是传动带的强度和寿命问题以及传动带与带轮之间的滑磨限制传动效率等问题还没有得到很好的解决。

电控机械式自动变速器（AutomatedManualTransmission，AMT）是国内外近几年花大力气研究的产品，是在原有MT结构不变的情况下，通过加装微控制系统（MCU）控制的自动操纵机构。

通过液压或电动执行机构取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合、摘档与挂档、发动机的转速同步调节以及发动机节气。

门的调节，从而实现了车辆起步、换档操纵控制的自动化。

由于AMT保留了MT绝大部分原来的总成部件，仅改变其中手动换档操纵部分，因此生产继承性好，改造费用投入少，成本低，通用性好，结构简单，能保护现有MT的生产投资，对汽车价格的影响不大。

并且AMT的效率高，几乎和手动变速器的效率一样。

但AMT的工作原理决定其具有与手动变速器一样的缺点，即换档时需要分离离合器，因此不可避免的存在换档动力中断，从而引起了换档冲击，：

大大降低了汽车的舒适性，影响汽车的动力性，并且AMT换档时间较长。

AMT在那些不将变速舒适性作为重点的车型中，如小型经济型轿车和跑车型轿车中，还将会有它的市场。

另外，在货车这一汽车领域中，AMT自动变速器也还有着很强的生命力。

AMT是一种经济适用的变速器，但其动力中断引起的不舒适性阻止了它的发展，因此在AMT基础上加以改造，一种既利用手动变速器和电控机械式自动变速器的优点，又具有与AT和CVT一样好的舒适性的新型变速器一双离合器变速器（DCT）应运而生。

双离合器变速器作为近年出现的新型变速器。

具有三个主要的优点：

①与AT和CVT相比，成本低，可减少排放并节省燃油高达15%。

双离合器变速器是基于平行轴式手动变速器发展而来，属于AMT的领域，是对AMT性能的进一步发展和完善。

DCT靠离合器和齿轮传递动力的，复杂程度低，对现有的手动档变速器生产线稍加改造就可以转而生产DCT，因此可以保护原有的手动变速器生产线，充分利用原有手动变速器的生产设备，生产继承性好，新增的投资少。

另外，与AT和CVT这两种自动变速器相比，DCT可提高驾驶性能。

②与AMT和MT相比，实现了动力换档，舒适性好。

DCT在换档过程中不需要切断动力，速的过程，因此整个换档的过程所用时间极短，只有0.03～0.04，从而既保证了车辆的动力性，又具有与AT和CVT自动变速器不相上下的舒适性。

③与MT相比。

操作方便简单。

性能更佳。

DCT与其他几种自动交速器类似．不需要驾驶员完成换档操作，能减轻驾驶员的紧张感和疲劳程度，因此能适应逐年增加的非职业驾驶员的需求。

同时，DCT与MT相比具有更好的性能，大众公司对高尔夫R32分别装用手动变速器与DCT变速器进行了对比，其性能比较如图1-1所示用，

图1-1手动变速器与DCT变速器性能对比

由上图可以看出，MT存在明显约动力中断。

两DCT的动力传递是连续的。

另外，在最高车速247km/h相同的条件下，DCT的加速时间短，加速平稳。

资料显示，装用DCT变速器的R32车百公里油耗仅为10.2L（按MVEG的99/100/GE标准试验），0＂－－100km/h加速时间仅为6.0s；而相应装用手动变速器的R32车百公里油耗为11.5L，0～100km/h加速时间为6.4ｓ。

可见，DCT变速器与手动变速器相比，可使整车具有优良的燃油经济性和动力性。

DCT不仅具有手动变速器传动效率高、安装空间紧凑、价格低以及良好的加速性和燃油经济性等许多优点，而且具有自动变速器操作的方便性和舒适性。

因此DCT是现存的变速器中最有优势的变速器，也是能够满足理想自动变速器标准的变速器，有专家预言DCT会在一定程度上改变现有变速器行业的格局。

2004年欧洲和北美五类变速器市场份额的统计以及2010年市场份额预测如图1-2所示

图1-2欧洲及北美变速器市场份额及预测

由上图可见，2010年欧洲变速器市场上，配备手动变速器的汽车将占49%，配备机械式自动变速器的将占11%，配备无级变速器的将占18%，配备自动变速器的将占6%，配备双离合器变速器的将占16%。

由于DCT是机械式自动变速器的新发展，所以在目前手动变速器市场份额较大的欧渊特副受欢迎。

当然，双离合自动变速器也存在着弱点，如复杂的离合匹配和复杂的变速原理。

双离合变速MR有在控制系统事先正确预选了变速档时才能进行快速换档。

不过，利用今天的电子技术和车辆运动原理，正确的预选档位已经不是什么难题了。

1.2课题背景及意义

由于人们的驾驶水平的差异，迫切需要操作简便、性能优异的汽车供人们使用。

装有自动变速的车辆，因为其具有的操纵方便、换挡平稳、乘坐舒适性好等特点，越来越受到有车族的欢迎。

因此研究和开发性能优异的自动变速器有着重要的意义。

这些年来，汽车业发展迅猛，为了适应不同种类驾驶着的需求，各大汽车和零部件厂商相继开发了了多种不同类型的自动变速器。

纵观这些变速器，不难发现，无论是AT、AMT还是CVT，都有各自不同的缺点和局限性。

而DCT的出现，恰好改变了这一状况，他不仅具有AT的动力性换挡，ＣⅥ的燃油经济型高等特点，又能兼顾AMT的造价低廉，空间较小等优点。

而且，由于其从手动变速器衍生而来，不会受到扭矩的限制。

因此，DCT不仅可应用于轿车等小型车辆，而且可以应用于大巴，卡车等大型车辆，具有广泛的应用范围和较好的市场前景。

我国的汽车变速器市场中，手动变速器还是占据主导位置，而AT、CVT等自动变速器基本上依靠进口。

如果进行这类自动变速器的自主开发，不仅开发难度大，周期长，而且成本较高，不能适应国际上自动变速器的发展潮流。

DCT是这几年国际上新兴的一种自动变速器，它兼顾了手动变速器开发上面的优势，

只需较小的投资就可以实现DCT的生产。

目前，除了德国大众汽车，保时捷汽车进行量产和装车外，其它汽车厂商，仍处在开发阶段。

如果我们能够把握好时机，开发出具有自主知识产权的DCT，必将为我国自动变速器的研究和开发赶超世界先进水平提供一次重要的契机。

深入开展DCT电子控制系统的研究与开发，不仅可以进行电子控制系统及其相关控制策略的开发与设计，而且，混合动力汽车是当今汽车发展的方向，DCT作为一种集多种优点于一身的自动变速器，必然能够在混合动力汽车中有其广泛的应用前景。

探究DCT控制策略和方法，对促进混合动力汽车传动系统研究有重要的理论和实际意义。

1.3论文的主要工作

通过网络及书籍，学习有关变速器的知识，并且着重研究双离合器（DCT）,及其电控系统，并且得出结论。

第一，介绍了变速器的类型及特色

第二，介绍分析了DCT双离合器的现状及在我国的发展状况

第三，以湿式DCT为例，从电液到电控循序渐进的对其进行了研究

第2章DCT的发展及原理

2.1DCT的发展

变速器是汽车传动系中最主要的部件之一，其很重要的两个指标是经济性和动力性。

良好的经济性和动力性一直是变速器研究的目标。

随着汽车时代的到来，越来越多的人拥有了汽车，开发新性能的变速器迫在眉捷。

2.1.1非职业驾驶员数量激增对变速器提出了新要求

由于汽车越来越普及，非职业驾驶员的数量的急剧增加，人们不仅对汽车驾乘的舒适性提出了更高的要求，而且对汽车操作的方便性、简单性也提出了迫切的要求。

因此，开发具有良好的动力性，燃油经济性，较高的驾乘舒适性以及操作简单方便的自动变速器是目前变速器领域内的一个热门发展方向。

而目前动力性和经济性研究已经有比较明显的效果，冈此驾乘舒适性和操作的简单化是目前变速器行业研究的主要目标，也是使汽车具有竞争力的有力工具。

2.2.2电子和计算机技术为新型变速器提供支持

电子技术的不断发展和计算机在信息与控制领域的广泛应用，为新型变速器的开发提供了强有力的支持。

汽车上的电控系统运行速度越来越快，其微处理器已经从过去的4位单片机，发展N8位、16位单片机，目前一些系统已经使用了32位的单片机。

单片机运行速度的加快，使得控制系统的实时性越来越好，并且可以将一些先进的控制理论编写为算法后写入单片机运行。

同时，随着电子技术的发展，电子技术对汽车技术进行了强烈的渗透，汽车上将采用越来越多的电子元器件，发达国家的汽车中电子设备的成本已接近总成本的1/3。

随着车用电器设备以及车用电子元器件不断地增加，使得汽车电气系统逐渐复杂化。

而总线技术如CAN总线、LIN总线在汽车上的采用，解决了汽车电气系统复杂化的问题。

总线的采用使车辆的各个部分可以通过总线联系到一起，进行通讯，从而可以方便的进行相互间信息的传递、共享，使车辆作为一个整体进行综合控制，使各总成可以协调运行，达到最佳的整体运行效果。

因此总线和电控技术的大量采用，使汽车获得了整车布置空间越来越宽敞、功能越来越丰富、安全性越来越高、性能越来越优等大量优点。

2.2.3DCT技术对我国变速器行业的影响

DCT版的轿车大多行驶在欧洲大陆上。

1940年，Darmstadt大学教授RuFrank第一个申请了DCT专利，该变速器曾经在载重货车上试验过，但是没有批量投入生产。

随后保时捷也发明了专用于赛车的双离合变速器（PDK）。

然而，在那个时代，未能成功地将PDK技术投入批量生产。

到了20世纪90年代末，大众公司（Vw）博格华纳公司（BorgWarner）携手合作生产了第一个适用于大批量生产和应用于主流车型的DCT（如图1.1）并于2003年初率先在GolfR32和AudiTT32两款车型上使用。

他们的试车结果表明：

DCT车辆的换挡平顺性与AT相当，装有DCT的GolfR32百公里油耗0.2升，百公里加速时间6.0秒，装手动变速器的同车型车百公罩油耗是11.5升，百公罩加速时间6.4秒博格华纳因其产品创新和加工精细而赢得了2005年度北美供应商超级大奖DCT是新兴事物，虽然在国际上的应用还不是很广泛，但是有巨大的发展潜力。

2006年，国家863计划“现代交通技术领域重点项目”和上海市科委“登山行动计划＂都设立了“轿车双离合器自动变速器（DCT）开发＂相关研究项目。

国内的一些高校，最近几年也开始对DCT特性进行技术研究，包括同济大学的吴光强团队，吉林大学的葛安林团队，重庆大学机械传动国家重点实验室的秦大同团队。

这些团队现在所做的主要研究是DCT原理的分析、数学建模，在数学模型的基础上进行数字仿真，半实物的硬件在环仿真，并且取得了一定的成果。

目前，在双离合自动变速器在研究中，着重要解决起步控制，换挡规律，以及换挡品质等一系列关键技术。

而其控制系统也在向智能化和集成化方向发展，根据不同驾驶员的驾驶习惯，控系统能够制定不同种类的换挡规律和控制规则。

控制器不再像以前一样，仅仅只控制某一特定的部件，而是能够根据不同的情况，不同的需要，控制多个部件协同工作，并且减少传感器的使用，增加ＣＡＮ总线的使用，提高整个控制系统的集成性

2.2湿式DCT工作原理

湿式DCT的电液控制系统是整个自动变速器的核心，它包括他感器、油道、电磁阀以及控制电路。

控制电路依据各种传感器的信号，对电磁阀进行精确控制，从而对集成在电液控制系统中的各油道的油道压力进行控制，得到实际需要的挡位。

车用传感器的类型有很多种，有电磁式和霍尔式。

电磁式的特点是造价较低，安装方便，但是缺点也很明显，易于受外界的干扰，精度不高。

霍尔式的原理是根据霍尔效应而来的；当电流通过放在磁场中的半导体基片，且电流方向与磁场方向垂直时。

在垂直于电流与磁场的半导体基片的横向侧面上，即产生一个与电流和磁场强度成正比的霍尔电压。

单位时间内霍尔电压变化的次数可以反映车速、发动机转速、离含器主、从动盘转速等信号。

根据霍尔原理，为了识别各种转速，可以在变速器输入轴、两个中间轴、输出轴上安装一个脉冲轮，通过脉冲信号的高低变化柬识别车速信号。

由于霍尔传感器稳定性好，抗干扰能力强，精度高，因此在湿式DCT中使用霍尔式传感器较为合适。

当车辆起步时，两个离合器从动部分和主动部分均是分离的，这时同步器和１挡齿轮啮合，离合器1上的压力逐渐增强，使得主从离合器之间产生滑动摩擦，随着压力不断增强，挡传递的扭矩大于车辆的阻力，车辆开始起步。

当主从离合器转速相同时，起步过程完成。

如果车速继续增加，到达了升挡点时，同步器2和2挡齿轮啮合，同时离合器2开始慢慢接合，离合器ｌ慢慢分离，当离合器２完全接合，离合器完全分离时，整个换挡过程结束。

当车速继续增加时，则两个离合器以相同的方式交替分离和接合，完成升挡操作。

如果车速下降到降挡点时，同步器和低挡齿轮啮合，离合器交替工作，降挡换挡完成。

下面以2挡升2挡为例，详细介绍整个换挡过程中，湿式DCT各个系统的工作情况。

当车辆以1挡稳定行驶时，主压力阀的占空比和油道压力成反比，如果占空比越高，主油道压力越小，因此，此时的主压力阀的占空比较低。

冷却阀占空比较低，因为是稳定行驶过程，不存在离合器之间的滑模，因此可以减少油量，此时只起冷却作用。

安全阀占空比较高，以提供给离合器1油路和1/5挡位阀油路较大的压力。

离合器1上的电磁阀有较大占空比，以提供离合器较大的油压，保持离合器的接合。

同时1/5挡位阀高电平，接通1/5挡拨叉中挡端的油路，拨叉向ｌ挡侧运动，同步器和ｌ挡的啮合。

若此时车速增加，超过了2挡的同步器啮合点，2/6挡位阀高电平，多路调节阀高电平中方点线，接通2/6挡拨叉中2挡端油路，拨叉带动同步器向2挡齿轮运行。

当车速继续增加，超过了换挡点车速，离合器2电磁阀占空比升高，离合器2逐渐接合，离合器ｌ电磁阀占空比下降，离合器ｌ逐渐分离，开始进行挡位切换，当离合器2的转速和发动机转速相同时，换挡过程完成，汽车开始以2挡稳定行驶。

第三章电控系统的研究

电控系统（TCU）作为整个自动变速器的核心，在自动变速器的工作过程中，扮演着极其重要的角色。

电控系统工作环境相对比较恶劣，要克服振动、电磁干扰、高温、低温、潮湿等不利条件。

因此，如何更好的开发电控系统是需要认真思考的问题。

一般来说，电控系统的开发有两种方式，一种是传统的电控系统开发方式，一种是现在比较常用的V模式开发方式。

3.1传统的开发方式

随着电子科技水平的不断发展，电子产品在汽车中得到了广泛的应用，人们根据需要开发了各种不同功用的电子控制单元。

但是，早期的电子控制单元开发过程，主要采用的是传统的开发方式：

第一阶段是需求定义。

它根据调查情况用文字说明的方式定义需求和设计目标。

在此基础上，根据以前类似的电子控制单元的开发经验提出整个系统的结构以及功能构成并进行设计分工；第二阶段是系统的设计阶段。

根据初步的设计结构和设想将工作分为硬件设计和软件设计两个部分。

硬件设计部分由硬件设计人员设计并制造硬件电路。

软件设计部分则先由控制策略设计人员进行控制策略的设计和制定。

而后，软件设计者将设定好的控制策略以软件的形式实现。

最后，由系统工程师或电子专家将软件代码集成于设计的硬件电路中，完成控制系统的原型设计；第三阶段是测试和匹配阶段。

控制系统原型经过台架测试和实车测试以及匹配，发现其中存在的软硬件问题，按照第二阶段的流程进行不断的完善，直到达到产品级的电子控制单元。

据研究传统的电子控制单元开发过程至少存在三个较大盼闻题：

（1）对控制规律控制特性或者控制效果还没有把握的情况下，硬件电路已经制造，有一定的风险。

（2）如果在测试过程中戡现问题，很难确定是控制策略不理想还是软件代码有错误，同时手工编程占用大量的时间，从控制策略到控制代码编写完成需要很长时间才能完成，如果控制策略不完善，在修改时又需要大量的时间。

（3）在测试过程中，涉及的部门太多，需要较好的协调，这容易导致开发周期变长。

由此看来，传统的开发方法由于其周期较长。

特别对于湿式DCT的电控系统来说，如果采用传统的开发模式，由于本身的控制策略比较复杂，需要在控制策略的软件化上花费大量的时间，并且需要根据匹配测试进行不断的完善和调整，开发周期较长，开发效果不好。

如果能够先进行控制策略的匹配和完善，最后进行控制策略的软件化操作，可以大大节省开发周期，提高开发效率。

Ｖ模式的开发方式恰好能够满足这些要求。

3.1.1基于Ｖ模式的TCU开发方案

基于