王德倫，李 偉，張振珠

(重慶理工大學(xué) 重慶汽車學(xué)院，重慶 400054)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各大城市機(jī)動(dòng)車保有量迅速增加，道路擁擠狀況日趨嚴(yán)重，堵車跟隨情況時(shí)有發(fā)生，尤其是對于多坡道的“山城”重慶來說，離合器起步控制顯得更為重要。

起步控制是機(jī)械式自動(dòng)離合器技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)，他要求汽車起步平穩(wěn)快捷，沖擊度小，能反映駕駛員意圖，并盡量減少離合器滑磨功，延長離合器使用壽命。起步的平穩(wěn)性和離合器滑膜是2 個(gè)矛盾的指標(biāo)，如果過分降低離合器的結(jié)合速度，滑磨功將增加，從而降低離合器的使用壽命;如果離合器結(jié)合過猛，就會(huì)破壞起步的平穩(wěn)性，還會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，產(chǎn)生噪音?？梢娍刂破鸩綍r(shí)間尤為重要，他是達(dá)到令人滿意的起步控制效果的關(guān)鍵。

1 車輛離合器接合過程分析

理論上可將離合器的接合過程分為4 個(gè)階段:消除離合器間隙階段(OA)、克服起步阻力階段(AB)、起步加速階段(BC)和同步接合階段(CD)，如圖1 所示。其中:MC為摩擦力矩;ne為離合器主動(dòng)片轉(zhuǎn)速;nc為離合器從動(dòng)片轉(zhuǎn)速。

圖1 正常起步時(shí)各矢量關(guān)系

在實(shí)際控制過程中，由于只能通過檢測離合器的半接合點(diǎn)來判斷車輛是否已經(jīng)起步，因此可按控制策略將離合器接合過程分為3 個(gè)階段。

1)起步前的快速接合階段(OB)

由于此階段主要是消除離合器空行程和克服起步阻力，因此應(yīng)快速接合離合器。該階段的控制目標(biāo)是反映駕駛員的起步意圖并根據(jù)起步意圖確定可接受的最大沖擊度。通過控制算法，將換算后的值直接作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓值。該值大則離合器接合速度快。這樣，離合器的接合速度可隨駕駛員的起步意圖而變。

2)起步加速階段(BC)

這是離合器接合控制的重點(diǎn)，此階段初期的控制目標(biāo)是使車速平緩上升至某一設(shè)定值，以減小起步初期的沖擊。根據(jù)OB 段所確定的最大沖擊度值，通過控制算法計(jì)算出控制周期內(nèi)電機(jī)正反向運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間和電壓值，使電機(jī)正反向間歇運(yùn)轉(zhuǎn)，從而控制離合器的接合速度，使該值始終不超過目標(biāo)值。

3)同步接合階段(CD)

因離合器主從動(dòng)摩擦片已經(jīng)同步，因此快速接合離合器也不會(huì)引起沖擊，所以在該階段，對電機(jī)施加反向驅(qū)動(dòng)電壓，使離合器在電機(jī)驅(qū)動(dòng)力和回位彈簧的雙重作用下快速接合，從而完成離合器的整個(gè)接合過程。

2 自動(dòng)離合器模型建立

對機(jī)械式自動(dòng)變速系統(tǒng)來說，使自動(dòng)離合器的動(dòng)態(tài)過程達(dá)到并超過熟練駕駛員油離配合的水平也是追求的目標(biāo)之一。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就必須分析離合器動(dòng)態(tài)過程的特性。圖2 為自動(dòng)離合器原理。

圖2 動(dòng)離合器原理

在離合器控制系統(tǒng)中，用2 個(gè)膜片彈簧摩擦片連接發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱來實(shí)現(xiàn)扭矩的傳輸。為便于對自動(dòng)離合器進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析以及進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，首先建立自動(dòng)離合器模型，將該離合器控制系統(tǒng)分為3 部分:無刷直流電動(dòng)機(jī)模型、帶有機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的離合器模型以及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型。

2.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)模型

直流無刷電機(jī)的機(jī)械特性方程為

式中:n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速;U 為電源電壓;ΔU 為功率管管壓降(約0);Ke為電動(dòng)勢系數(shù);Ta為電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)轉(zhuǎn)矩平均值;Kr為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

由式(1)可知，當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，轉(zhuǎn)速與加在電樞上的端電壓成正比，因此可通過控制電樞電壓來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制離合器的接合速度。而電機(jī)的正反轉(zhuǎn)則通過控制定子繞組的換相次序來實(shí)現(xiàn)。

2.2 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模

離合器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)可簡化為如圖3 所示的杠桿、彈簧和質(zhì)量系統(tǒng)。其中，膜片彈簧簡化為壓盤及分離軸承之間的杠桿、彈簧、阻尼系統(tǒng)和彈簧阻尼系統(tǒng)的組合。膜片彈簧在離合器中起著分離杠桿和壓緊彈簧的作用。同時(shí)，其特殊的非線性特性在從動(dòng)盤摩擦片磨損后，仍能可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩，并使踏板操縱輕便。

圖3 離合器及操作機(jī)構(gòu)

膜片彈簧小端的非線性彈性特性曲線經(jīng)擬合后可表示為該端變形量x 的4 次函數(shù)，即

如圖4 所示。

電動(dòng)機(jī)機(jī)械角位移θm和離合器分離軸承位移x1之間的傳遞關(guān)系為

其中:lpl、lps分別為踏板杠桿長端和短端的長度;lal、las分別為傳動(dòng)臂杠桿長臂和短臂的長度;z、z'分別為蝸桿和蝸輪的齒數(shù);r 為繞鏈輪的半徑。

圖4 離合器膜片彈簧特性曲線

2.3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

汽車起步時(shí)，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)可進(jìn)行簡化，如圖5 所示。圖5 中:Tw為空氣阻力矩;Ti為坡度阻力矩;Tf為滾動(dòng)阻力矩;rw為車輪半徑;ig(n)為n 檔傳動(dòng)比;i0為主減速比。

圖5 車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，建立汽車起步過程中，動(dòng)力傳動(dòng)模型系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為:

式中:Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;Tc為離合器傳遞的摩擦力矩;Tm為由Tw、Ti、Tf等效而來的阻力矩;We為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角速度;Wc為離合器從動(dòng)片角速度;Je為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Jv為等效到變速器輸入軸上的車輛平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

汽車起步過程中所受到的外界阻力矩為

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩模型

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線是發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)。在一定的節(jié)氣門開度下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線可由試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過3 次樣條插值擬合達(dá)到滿意的精度。圖6是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及應(yīng)用范圍繪制出的節(jié)氣門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩關(guān)系。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩關(guān)系

3 實(shí)例仿真分析

以力帆某轎車為研究對象，該車的主要參數(shù)見表1。在以上數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink 仿真軟件建立汽車起步離合器接合過程仿真模型，如圖7 所示。

現(xiàn)進(jìn)行不同工況的起步仿真，其中包括在不同路況、不同油門開度下的起步仿真。圖8 ～圖10 為3 組仿真結(jié)果曲線。

由圖8 可以看出:在上坡起步過程中，駕駛員踩油門的力度直接影響離合器的結(jié)合時(shí)間和平穩(wěn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。車輛開始起動(dòng)以后，由于上坡坡道阻力較大，車輛加速緩慢，致使離合器同步時(shí)間較長，滑摩功也較大。其中緩加油門時(shí)，3 s 后轉(zhuǎn)速保持在560 rad/min，甚至有下滑的趨勢?？梢?，上坡緩加油門起步，可能導(dǎo)致汽車熄火。從圖9 可以看出:汽車平路起步仿真中，駕駛員緩加油門時(shí)，緩加油門離合器在1.5 s 時(shí)結(jié)合，且結(jié)合后轉(zhuǎn)速能很快達(dá)到目的轉(zhuǎn)速(1 000 rad/min)，波動(dòng)小，所以平路起步時(shí)應(yīng)盡量緩加油門。圖10 中，在汽車下坡時(shí)，通過緩加油門起步與速加油門起步比較可知:駕駛員緩加油門時(shí)，離合器結(jié)合時(shí)間會(huì)延遲到1.7 s，結(jié)合后轉(zhuǎn)速出現(xiàn)小波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化比較大，汽車不能平穩(wěn)起步，所以下坡起步時(shí)，駕駛員應(yīng)盡量速加油門。

表1 某轎車主要技術(shù)參數(shù)

圖7 整體仿真模型

圖8 不同油門開度下，10%坡度起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速

圖9 不同油門開度下，平路起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速

圖10 不同油門開度下，-10%坡度起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速

4 結(jié)束語

通過對AMT 離合器接合過程進(jìn)行詳細(xì)分析，總結(jié)出了AMT 離合器各階段的工作狀態(tài)及對整車起步的影響。選取直流電機(jī)作為離合器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以節(jié)氣門開度，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的相對偏差為主要控制量設(shè)計(jì)了離合器起步模糊控制策略，汽車在不同工況起步時(shí)，有不同油門開度與之對應(yīng)達(dá)到汽車平穩(wěn)起步。

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