邹涛

摘要：本文主要介绍了采用Simulink工具搭建湿式双离合变速器的仿真环境。自动变速器包含离合器和轴系以及拨叉执行机构模型。利用离合器的拔叉原理，结合电磁阀台架数据，采用定步长算法进行建模。模型能够准确地根据电磁阀电流执行相应的动作，仿真结果和标定数据一致。同时，此模型能够在硬件在环模型上共用，保证了测试链中模型的统一。

关键词：拨叉流量阀;拨叉压力阀;拔叉位移;定排销

中图分类号：U463 文献标识码：A

自动变速器的换挡执行由软件控制，然而软件设计中会存在很多缺陷，所以在软件发布之前需要进行大量的测试以减少软件存在的缺陷，以提高软件的可靠性。7速湿式双离合变速器能提供平稳的扭矩，可以实现更加平顺的换挡，更小的体积，更低的生产成本。因此，7速湿式双离合变速器有很广阔的市场前景。

在7速湿式双离合变速器软件控制的研发过程中，需要进行大量的软件测试和系统集成测试。因此，好的测试环境对软件的开发起到至关重要的作用。测试软件的方法有模型在环测试（MIL）和硬件在环测试（HIL）。软件测试最重要的是提供整车仿真环境，整车仿真环境的精度越高，对软件开发就越有利。模型在环测试环境可以用于软件在环和硬件在环。硬件在环测试可以采用模型在环的整车环境，同时将ECU控制器、执行器和传感器集成到测试回路中，提高了测试的真实性。

在软件测试环境开发过程中，开发出了和实车标定环境类似的软件测试环境。此环境不但可以在软件策略工程师的个人电脑上运行仿真模拟整车工况，同时还可以为硬件在环系统提供测试环境。本文主要介绍整车测试环境中离合器和拨叉执行机构的建模，综合考虑物理建模、数学建模和算法的实际应用。自动变速器的仿真能够还原台架变速器动作时序，能有效提高软件开发质量，缩短开发周期，提高开发效率，降低实验成本。

1拨叉建模需要考虑的因素

1.1拨叉执行机构的液压原理和机械结构

只有掌握了模型的机械结构和拨叉的动作原理才能进一步建立数学模型，通过Simulink工具建立仿真模型。自动变速器在需要换挡时，首先由变速器控制单元发出换挡指令，然后此换挡指令转换成电磁阀的控制，电磁阀控制液压系统的执行，压力系统提供动力完成拨叉的动作。因此建模之初，首先要明确电磁阀控制与拨叉动作的对应关系（液压原理），其次要明确拨叉与挡位的对应关系。拨叉动作采用6个电磁阀实现4个拨叉的动作，其中2个压力阀提供压力给4个拨叉，每个拨叉配有1个流量阀控制拨叉的速度。压力阀的特性仿真可以采用供应商提供的电流和压力关系来进行。

1.2拨叉机构的速比关系

拨叉机构的速比关系即各个挡位的速比，拨叉机构不仅需要提供拨叉的位置，还需要提供拨叉在结合时的扭矩。拨叉机构在转速同步前会产生同步力矩使转速同步，而转速何时同步需要考虑车轮转速與离合器转速的关系。速比主要有两级传递，一级是离合器输入轴与从动轴的速比关系，一级是从动轴和主减速器的传递关系。确定好速比关系，将速比以参数化的形式在MATLAB文件中进行定义。采用这种方式不但利于模型平台化的应用，还有利于管理变速器参数，利于采用故障注入的方式验证软件逻辑。

1.3拨叉机构的电磁阀特性

拨叉机构的电磁阀有2种：一种是拨叉压力电磁阀，主要提供拨叉动作过程中的压力;另外一种是拨叉流量电磁阀，主要控制拨叉的移动速度。2个电磁阀的结合使拨叉控制简单快捷，2个电磁阀的特性分别是：压力阀为电流对应压力的关系;流量阀为电流对应流量的关系。

2拨叉执行机构建模

2.1压力阀的仿真

压力阀的仿真采用供应商提供的电磁阀特性，同时由于压力阀的压力来源为液压系统的主油压，所以根据电流得到压力之后还需要和主油路油压进行比较，二者取小为压力阀的最终输出。电磁阀中的线圈属于电气中的记忆原件，所以电流的响应有迟滞性，在电磁阀电流接入后需要加入1个Transfer模块。

2.2流量阀的仿真

流量阀用来控制拨叉移动的快慢。流量阀的控制主要分为3种不同的状态：第一，正常情况下，给出流量阀电流，得到流量，同时流量的大小会受到孔口两端压力差的影响;第二，当拨叉在终点位置时，认为孔口两端压力差为0，如果此时想退掉拨叉，那么模型会检测流量的方向，同时给计算压力1个周期的0值，这样压力差就不会为0，拨叉就可以动作;第三，流量阀有流量，但是压力阀没有压力的情况，此种情况下拨叉应该主要受到定排销的阻力作用，其流量的大小取决于阻力的大小。

2.3拨叉位移的仿真

拨叉的位置可以根据油缸中的流量得到液压油流动的速度，然后对速度进行积分得到。同时，拨叉的位置还会考虑到同步点的限制。当拨叉到达同步点，但转速还没有同步之前，拨叉位置会限制在同步点，只有转速同步后，拨叉才可以继续移动。拨叉的位置还有最终位置的限制。

2.4拨叉同步过程仿真

拨叉的同步过程分4个阶段：第一个阶段是从中位到同步位置的移动过程;第二个阶段是同步阶段，到达同步点后，进入同步位置，模型提供同步力矩;第三个阶段是从同步阶段到终点的移动过程;第四个阶段是终点位置。第三个和第四个阶段变速器输出轴的转速和当前拨叉所在的速比的乘积等于输入轴的转速。

2.5拨叉阻力仿真

拨叉阻力来源于2个方面：一个是变速器壳体上定排销产生的力，它随着拨叉的位置发生变化;另外一个是拨叉在运动过程中由于速度和加速度产生的阻力和惯性。这2个力是计算流量压力差中活塞压力的一项，而压力差的入口压力是电磁阀的特性值。

2.6拨叉同步力矩仿真

拨叉在同步点会产生同步力矩，同步力矩的计算根据下述公式（1）得到。

3变速器转速仿真

3.1离合器转速仿真

离合器转速分为2部分，离合器主动盘的转速和离合器从动盘的转速。离合器的主动盘通过双质量飞轮和发动机相连接。由于双质量飞轮近似一个刚性连接，所以离合器主动盘的转速可以近似为发动机的转速。发动机转速根据离合器是否闭合分为3种情况。

3.2离合器扭矩计算

计算离合器转速需要知道离合器传递的扭矩，根据离合器的物理模型进行数学建模。离合器的扭矩是离合器摩擦片的正压力、摩擦系数、摩擦片个数与离合器摩擦片有效半径的乘积。离合器是通过控制2个电磁阀来实现，1个电磁阀控制1个离合器，电磁阀的电流和压力基本呈现线性关系。仿真过程中，同样采用台架参数表示离合器压力和电流的关系。

3.3离合器状态计算

离合器状态有3种情况：奇数离合器闭合;偶数离合器闭合;奇数离合器和偶数离合器均不闭合。当离合器传递的扭矩大于发动机的扭矩，同时二者的转速差小于30r/min时，认为离合器闭合，否则认为离合器打开。

3.3.1离合器转速计算

在离合器闭合的情况下，离合器主动盘和所闭合的从动盘转速相同。例如，奇数离合器结合，发动机的转速等于轮速和当前挡位速比的乘积。在离合器打开的情况下，离合器的转速等于发动机的转速减去离合器1的扭矩，再减去离合器2的扭矩，然后除以离合器主动盘所在轴系的转动惯量。公式（2）为其计算方式。

其中we为离合器角速度，Te为发动机扭矩，Tc1为离合器1的扭矩，Tc2为离合器2的扭矩，分母为离合器输入端的转动惯量。sgn（x）的含义为：若x中的数值为负值则取-1;若为正，则取1。

3.3.2输入轴转速计算

输入轴的转速计算分2种情况：一种是拨叉在位的情况;另外一种是拨叉不在位的情况。当拨叉在位时，输入轴的转速和输出轴的转速呈现当前拨叉的速比关系。当拨叉不在位时，输入轴的转速受到离合器扭矩、拨叉同步力矩和运动阻力矩的影响。通过力矩除以转动惯量得到转动变化量，然后积分得到选中角速度。

3.3.3输出轴转速计算

输出轴的转速计算是将整个动力系统传递的扭矩和整车负载扭矩做差，然后除以整车转动惯量。车辆的负载扭矩包含制动扭矩、风阻、坡道阻力和滚动阻力。

4自动变速器仿真结果

将拨叉执行机构模型和转速仿真模型放到测试环境中进行仿真，模型在环的仿真结果如图1所示。图中第1个信号是加速踏板信号，随着驾驶员踩下加速踏板，车速不断增加，变速器的拨叉动作依次执行，发动机和变速器输入轴的转速都和现实工况基本一致。

如图2所示为标定车采集到的数据，图中绿色线框表示拨叉移动的结果。模型仿真的结果和标定车采集的数据对比显示，模型可以很好体现拨叉执行机构的运动过程和转速的变化过程。

5結束语

本文主要介绍了如何利用Simulink工具搭建自动变速器仿真模型，此模型不但可以在模型在环中仿真拨叉的工作和离合器工作过程，还可以用于硬件在环测试。拨叉、离合器扭矩、离合器转速和输出轴转速，是自动变速器软件控制的核心内容，通过仿真环境开发工程师可以在开发阶段验证客户需求是否能够满足，并实时发现软件存在的缺陷。同时，自动变速器的仿真能缩短了软件开发周期，提高了软件开发效率，保证软件开发质量。