小型乘用車自動離合器研制

田春林1，邱占浩1，王曉軍2

(1.長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長春130022；2.東北工業(yè)集團(tuán)技術(shù)中心， 長春130000)

摘要：針對自動變速器成本高、油耗高、維修復(fù)雜，而手動變速器操作復(fù)雜，駕駛員易疲勞的問題，研發(fā)了自動離合器系統(tǒng)。用電動機(jī)構(gòu)取代離合器踏板功能，而保留其它原有操縱機(jī)構(gòu)。把電動機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為控制離合器總泵的直線運(yùn)動，通過離合器工作泵間接控制離合器分離叉，從而控制離合器分離、接合。自動離合器系統(tǒng)將自動擋和手動擋相結(jié)合，不但可以自動變速，又保留變速桿。自動離合器系統(tǒng)有成本低、維護(hù)方便、富有駕駛樂趣等特點。

關(guān)鍵詞：自動離合器；小型乘用車；電控機(jī)構(gòu)

收稿日期:2014-07-08

作者簡介:田春林(1972-)，男，吉林長春人.副研究員，博士,主要從事精密加工及檢測方面技術(shù)方面研究。

中圖分類號：U463.211文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

自動離合器系統(tǒng)(Automatic Clutch System)就是取消了離合器踏板，改由電控單元控制，通過手動換擋實現(xiàn)離合器自動接合與分離的一種智能離合器控制系統(tǒng)。駕駛員在換擋時，可直接操縱變速桿進(jìn)行換擋，電控單元ECU控制離合器，令其自動完成分離和結(jié)合動作，無須駕駛員踩踏離合器以及對離合器踏板和油門踏板進(jìn)行配合操縱。ACS能夠有效的改善換擋的操縱性能，減輕駕駛員的疲勞強(qiáng)度，同時保留了手動駕駛的樂趣，給人一種全新的駕駛感受，由于其成本低廉，具有廣泛的發(fā)展前景。

1自動離合器系統(tǒng)的基本組成和工作原理

本文研制的自動離合器系統(tǒng)(ACS)主要由各種傳感器、電子控制單元(ECU)、離合器操縱機(jī)構(gòu)、線束、顯示警報單元等部分組成。

電控單元ECU通過對各個傳感器傳送而來的信號進(jìn)行分析處理，在已設(shè)定好的控制策略控制下，對離合器操縱機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，使汽車在進(jìn)行起步、換檔、剎車等車況時，離合器能自動的接合和分離。圖1為ACS原理框圖。

圖1　自動離合器系統(tǒng)原理框圖

2自動離合器電子控制單元

電控單元硬件結(jié)構(gòu)主要由微控制器、脈沖量、模擬量和開關(guān)量輸入電路、電機(jī)驅(qū)動電路、顯示驅(qū)動電路、通訊接口和調(diào)試接口等組成。電控單元ECU對各個傳感器輸送而來的信號進(jìn)行分析，判斷出駕駛員的操縱意圖，根據(jù)離合器控制策略對離合器驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。自動離合器系統(tǒng)電控單元硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　自動離合器系統(tǒng)電控單元硬件結(jié)構(gòu)

2.1　微控制器選擇

微控制器是自動離合器控制系統(tǒng)的核心部件，其應(yīng)具有以下性能: 能夠在各種車況下行駛的車輛上具備良好的穩(wěn)定性，具有較大的程序存儲空間，支持串口通信，還應(yīng)有調(diào)試、通訊功能。

本文研制的電控系統(tǒng)選擇Freescale推出的MC9S12XS128單片機(jī)，MC9S12XS128由 16 位中央處理單元(CPU12X)、128KB 程序 Flash(P-lash)、8KB RAM、8KB 數(shù)據(jù) Flash(D-lash)組成片內(nèi)存儲器具有速度快、成本低、功耗低和功能強(qiáng)等特點。

2.2　DC-DC電源轉(zhuǎn)換部分

電源為系統(tǒng)的穩(wěn)定工作提供安全保障。車上提供的DC 12V電源不穩(wěn)定，所以用電源轉(zhuǎn)換部分提供電源的降壓和穩(wěn)定。MC9S12XS128單片機(jī)所需要的電源為DC 5V。12V到5V的電源轉(zhuǎn)換芯片采用AS1117。

2.3　傳感器及信號采集

2.3.1　脈沖量輸入信號

脈沖量輸入信號主要有發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號、變速器輸入、輸出軸信號。其中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號可由發(fā)動機(jī)曲軸位置傳感器獲取，由發(fā)動機(jī)ECU獲得，它是輸出為12V的方波頻率信號。變速器輸入軸和輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器采用的是磁電式傳感器。輸入軸轉(zhuǎn)速信號為正弦信號，輸出軸轉(zhuǎn)速信號為幅值為12V的方波信號。

2.3.2　模擬量輸入信號

模擬量輸入信號主要包括節(jié)氣門開度和離合器位置信號等。節(jié)氣門位置信號可通過汽車上的節(jié)氣門位置傳感器獲得。離合器位置信號采用的是一種角度傳感器獲得，通過測量蝸輪轉(zhuǎn)過的角度就可算出離合器的接合位置。

2.3.3　開關(guān)量輸入信號

開關(guān)量輸入信號包括點火開關(guān)、檔位信號、手制動、腳制動開關(guān)等。檔位傳感器采用非接觸式霍爾元件傳感器，可識別變速桿的位置。換檔力傳感器，也采用非接觸式霍爾元件設(shè)計。將其裝在換擋拉桿上。換擋時換檔拉桿內(nèi)的磁鐵柱發(fā)出磁力線，識別換檔桿的拉力和推力。腳制動開關(guān)，手制動開關(guān)和點火開關(guān)均使用車上的相關(guān)開關(guān)，當(dāng)腳制動時，輸出信號為12V，否則為0，當(dāng)手制動時，輸出信號為0V，否則為12V，點火開關(guān)為ON位時，輸出信號為12V，否則為0。

3自動離合器驅(qū)動機(jī)構(gòu)

3.1　離合器操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計

駕駛員用來控制離合器分離與接合被稱為離合器操縱機(jī)構(gòu)。離合器的工作性能是否穩(wěn)定取決于離合器操縱機(jī)構(gòu)能否與離合器匹配。

本文研制的自動離合器系統(tǒng)將電動機(jī)構(gòu)替代離合器踏板而其它機(jī)構(gòu)保持不變，圖3為操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計原理圖。圖4為蝸輪蝸桿示意圖。

圖3　操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計原理圖

圖4　蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)示意圖

3.2　驅(qū)動形式的選擇

蝸輪蝸是常用來傳遞交錯軸之間運(yùn)動和動力的機(jī)構(gòu)。蝸桿傳動特點是結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比大，傳動平穩(wěn)無噪音，主要具有自鎖性，即蝸桿只能帶動蝸輪傳動，而蝸輪不能帶動蝸桿轉(zhuǎn)動。雖然蝸桿傳動效率低，但是它完全滿足自動離合器機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、傳動平穩(wěn)、機(jī)構(gòu)自鎖等特點。潤滑對蝸桿傳動至關(guān)重要，若潤滑不良，則效率顯著降低，而且會發(fā)生早期膠合或磨損。本系統(tǒng)選用常見的阿基米德圓柱蝸桿(ZA型)，傳動比取69。

3.3　電動機(jī)的選取

采用電機(jī)驅(qū)動式自動離合器控制系統(tǒng)，具有體積小、構(gòu)造簡單、高精度、成本低等優(yōu)點[1-2]。

為了滿足離合器自動操作的要求，電機(jī)要滿足以下條件[3]:

1)可以正反轉(zhuǎn):以保證離合器的快速分離和平穩(wěn)結(jié)合。

2)轉(zhuǎn)速范圍:由于離合器的有快速分離、快速接合、緩慢接合等幾個階段，電機(jī)應(yīng)能夠在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行快速加、減速。

3)功率、控制精度要能滿足平穩(wěn)接合的要求。

4)電機(jī)的耐高低溫性和抗振性要滿足汽車行駛條件。

根據(jù)以上要求，選擇永磁直流電機(jī)，短時工作制。短時工作制的工作特點是工作時間較短而停歇時間較長，充分利用電機(jī)的過載能力。本系統(tǒng)采用電壓為 12V，額定功率為120W的永磁直流電機(jī)。

3.4　輔助助力機(jī)構(gòu)

為了促使離合器快速分離，克服電動機(jī)啟動時輸出轉(zhuǎn)矩不足的缺陷，驅(qū)動機(jī)構(gòu)一般都要設(shè)計有輔助助力機(jī)構(gòu)[4]。

本系統(tǒng)采用扭力彈簧作為助力結(jié)構(gòu)，采用電動控制與液壓驅(qū)動相結(jié)合的形式驅(qū)動離合器的接合與分離。當(dāng)控制離合器分離時，預(yù)壓緊的扭力彈簧起正向助力作用，可以減輕電機(jī)負(fù)載，推桿將總泵的液壓油推出，沿著油管進(jìn)入分泵內(nèi)，分泵推桿帶動分離叉撥將分離軸承壓下，使得離合器分離。當(dāng)離合器需要接合時，此時扭力彈簧被壓縮，離合器在克服扭力彈簧作用下慢慢接合，不但延緩了離合器的接合時間，減少沖擊功，也為下一次離合器分離助力儲存能量。

扭力彈簧的設(shè)計說明[5]:

1)為提高補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的性能，選取離合器最大負(fù)荷轉(zhuǎn)矩的一半為離合器負(fù)荷期望補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩。不僅在離合器分離時負(fù)荷將減小一半，同時又可防止反向補(bǔ)償力矩過大。

2)扭力彈簧的最大輸出扭矩取為期望補(bǔ)償扭矩的 1.2～1.3倍，這是因為理論特性曲線往往與實際有較大出入。

3) 要求彈簧的工作剛度小，就是扭力彈簧的補(bǔ)償力矩在工作范圍內(nèi)變化小。

4)自動離合器驅(qū)動機(jī)構(gòu)接合位置控制策略制定

在自動離合器控制過程中，對電機(jī)運(yùn)行位置的控制以及對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制至關(guān)重要，只有這樣才能很好的控制離合器的接合與分離過程。離合器結(jié)合的控制目標(biāo)是在降低沖擊度的同時盡量減少結(jié)合過程的滑摩功[6-7]。

圖5　模糊PID控制原理圖

自動離合器系統(tǒng)具有非線性、系統(tǒng)參數(shù)變化大、控制過程短和響應(yīng)滯后等特點，由于其要求控制精度高，用常規(guī)的 PID 控制算法不能達(dá)到。與PID控制算法相對的智能控制算法或過于復(fù)雜，或難以實現(xiàn)。鑒于此，將兩種算法結(jié)合起來是十分有意義的。模糊 PID 控制是智能控制算法中的一種模糊控制和 PID 控制的結(jié)合，一方面模糊控制因其具有非線性應(yīng)用方便、無需精確建立被控對象數(shù)學(xué)模型的特點；另一方面又保留了 PID 控制結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點[8]。因此，本系統(tǒng)對離合器液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制器將采用模糊 PID 控制算法來設(shè)計。

模糊控制器的輸入?yún)?shù)是誤差 e和誤差變化率 ec，輸出參數(shù)是 PID 控制器的三個參數(shù) ，分別為微分參數(shù)kd、積分參數(shù)ki和比例參數(shù)kp。PID 控制的三個參數(shù)由模糊控制器根據(jù)模糊規(guī)則在線整定。典型的模糊PID控制器原理圖如圖5所示。

5結(jié)語

自動離合器系統(tǒng)可以看做是自動擋與手動擋的結(jié)合，不僅具有手動擋的成本低，維護(hù)簡易，且可以不需要駕駛員腳踏離合器踏板，自動實現(xiàn)離合器接合與分離。本文主要論述了自動離合器系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，介紹了自動離合器系統(tǒng)的組成及工作原理，設(shè)計自動離合器系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，奠定小型乘用車自動離合器系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)。

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責(zé)任編輯：吳旭云

Research and Development of Automatic Clutch System of Small Passenger Car

TIAN Chunlin1， QIU Zhanhao1， WANG Xiaojun2

(1. School of Mechatronical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China; 2.Technology Center，Northeast Industries Group Co.，Ltd， Changchun 130000，China)

Abstract：In view of the problems of the high cost, high fuel consumption and complex maintenance of the automatic transmission as well as the complicated operation of manual transmission and the easy fatigue of drivers, an automatic clutch system is researched and developed, in which the clutch pedal function is replaced by electric mechanism and the other original steering mechanisms are kept. The rotary motion of motor is converted to the linear movement to control the clutch master and the clutch release fork is controlled indirectly by the clutch pump so as to control the clutch’s separation and connection. The automatic clutch system, with the combination of automatic transmission and manual transmission, can realize the automatic transmission function and keep the gear lever. Automatic clutch system has the features of low cost and convenient maintenance, having driving pleasure.

Keywords：automatic clutch； small passenger car； electric control mechanism