詹長(zhǎng)書，狄佳福

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

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AMT膜片彈簧離合器接合參數(shù)分析

詹長(zhǎng)書，狄佳福

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

摘要：本文首先介紹AMT(Automated Mechanical Transmission)離合器特性，確定影響沖擊度和滑磨功的幾個(gè)主要因素，選取離合器接合控制的最佳控制參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析。采用模糊控制方法，建立AMT離合器動(dòng)力學(xué)模型、沖擊度和滑磨功計(jì)算模型以及整車模型，利用simulink/MATLAB進(jìn)行仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，為離合器接合規(guī)律的優(yōu)化控制提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：AMT；離合器；接合參數(shù)；仿真

引文格式：詹長(zhǎng)書，狄佳福.AMT膜片彈簧離合器接合參數(shù)分析[J].森林工程，2016，32(1)：54-48.

0引言

轎車和微型車普遍采用膜片彈簧離合器，膜片彈簧離合器的自動(dòng)操縱可提高起步、換檔的平順性，延長(zhǎng)離合器的使用壽命，大大減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，所以其具有重要的實(shí)用價(jià)值。其中，離合器的接合控制是實(shí)現(xiàn)AMT操縱自動(dòng)化[1]的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在起步接合過(guò)程中，離合器的控制目標(biāo)是按照駕駛員的操作意圖運(yùn)行。既要平穩(wěn)沖擊度小，又要降低滑磨功，且保證發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火，這是最基本的條件。然而，這些目標(biāo)之間是相互矛盾的。為了使車輛起步快且滑磨功小，要減少離合器接合時(shí)間，這樣就會(huì)造成沖擊度增加，甚至發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。如果起步慢，則離合器接合速度慢，起步平穩(wěn)性好，但是滑磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響離合器的使用壽命。

1膜片彈簧離合器特性分析

1.1膜片彈簧離合器的負(fù)荷特性

膜片彈簧是離合器中的壓緊元件，其負(fù)荷特性決定了離合器的基本性能，負(fù)荷特性是指離合器壓盤壓緊力隨著壓盤位移變化的關(guān)系。繪制的膜片彈簧剖視圖如圖1所示。在碟簧的小端沿軸線方向加上負(fù)載，碟簧沿載荷方向變形量為λ。

圖1　膜片彈簧剖視圖Fig.1 The section view of diaphragm spring

離合器膜片彈簧變形量與負(fù)荷之間的關(guān)系式可表示為：

式中：E為彈性模量；R為大端半徑；r為小端半徑；μ為泊松比；h為厚度；H為彈簧高度。

1.2膜片彈簧離合器扭矩特性

離合器所傳遞的扭矩跟離合器的工作狀態(tài)有關(guān)，離合器工作過(guò)程分為3種工作狀態(tài)，不同工作狀態(tài)下的離合器傳遞的扭矩不同。

(1)全分離狀態(tài)，此狀態(tài)離合器摩擦片不接觸，系統(tǒng)傳動(dòng)力處于中斷狀態(tài)，故不傳遞扭矩，即：

Tc=0。

(2)

(2)滑膜狀態(tài)，若離合器的各項(xiàng)參數(shù)一定，則其摩擦片的壓緊力和傳遞的扭矩成函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為：

Tc=ZμRcf(ζ)。

(3)

式中：Tc=f(ζ)為軸向位移ζ與壓盤的壓緊力Fc的函數(shù)。

(3)充分接合狀態(tài)，膜片彈簧離合器滑磨結(jié)束以后，摩擦片繼續(xù)接合，直至壓緊狀態(tài)后停止。此時(shí)，離合器傳遞的扭矩為：

Tc=ZμRcRb1。

(4)

由以上分析知離合器扭矩傳遞公式為：

(5)

2離合器控制的目標(biāo)及參數(shù)

2.1離合器的控制目標(biāo)

離合器總體的控制目標(biāo)就是在充分體現(xiàn)駕駛意圖的情況下，根據(jù)不同的車輛狀況和道路環(huán)境條件，盡量減小離合器接合時(shí)的沖擊度，并在此前提下盡快接合，以減少離合器接合時(shí)的滑摩功。離合器的控制原理[2]如圖2所示。

起步?jīng)_擊度[4]指的就是車輛起步時(shí)的縱向沖擊。沖擊度在汽車動(dòng)力學(xué)中指的是其縱向加速度變化率，其計(jì)算公式為：

(6)

式中：v為車輛速度；r為驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)半徑；為從動(dòng)摩擦片角速度；a為縱向車輛加速度；ig為變速器齒輪傳動(dòng)比；i0為主減速器齒輪傳動(dòng)比；Ic為發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系作用到離合器從動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tc為離合器所傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩。

根據(jù)以上公式在simulink/MATLAB中建立離合器接合沖擊度模型。

圖2　離合器控制原理圖Fig.2 The principle diagram of clutch control

發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力是靠離合器的接合來(lái)傳遞的。在主、從動(dòng)盤接合的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱?；ス5]就是表征離合器摩擦片摩擦過(guò)程中由機(jī)械能轉(zhuǎn)化的熱能。因此，滑磨功是評(píng)價(jià)起步性能的另一個(gè)重要指標(biāo)?；スΦ挠?jì)算公式為：

(7)

式中：Tc表示摩擦片傳遞的扭矩；ωe表示發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行角速度；ωc表示離合器從動(dòng)盤的角速度，前一項(xiàng)表示車輛起步時(shí)離合器消耗的滑摩功，第二項(xiàng)表示離合器開(kāi)始接合到同步消耗的滑磨功。

由滑磨功計(jì)算公式，在simulink/MATLAB中建立滑磨功計(jì)算模型。

2.2控制參數(shù)分析

車輛起步時(shí)，駕駛員的操縱意圖是通過(guò)油門踏板來(lái)體現(xiàn)的，除此之外，傳動(dòng)系的運(yùn)行狀態(tài)也會(huì)直接影響離合器的控制，因此還需研究與離合器接合過(guò)程緊密相關(guān)的其他控制參數(shù)[6]。其中包括：油門踏板開(kāi)度β；油門開(kāi)度α；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n；中間軸轉(zhuǎn)速nc；車速v；離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差nec。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為最主要的影響參數(shù)，其他的起到參考作用。

2.2.1踏板開(kāi)度β與接合速度的關(guān)系

離合器結(jié)合控制過(guò)程，主要由踏板開(kāi)度來(lái)控制，其大小直接體現(xiàn)駕駛意圖。車輛踏板開(kāi)度與結(jié)合速度關(guān)系如圖3所示。

當(dāng)踏板開(kāi)度β<10%時(shí)，稱為小油門，車輛為慢起步(爬行)工況；中油門，即10%<β<75%時(shí)，為正常起步；大油門，即β>75%時(shí)，為快起步工況。

圖3　車輛踏板開(kāi)度與結(jié)合速度關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship between pedal opening and joint speed

2.2.2油門開(kāi)度α對(duì)接合量、接合速度影響

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(功率)的大小由油門開(kāi)度來(lái)體現(xiàn)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩變化過(guò)快，則有可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，因此離合器接合速度的控制要和油門開(kāi)度的控制相結(jié)合。油門開(kāi)度與離合器接合量和結(jié)合速度關(guān)系如圖4所示。

圖4　油門開(kāi)度與離合器接合量和結(jié)合速度示意圖Fig.4 Relationship between throttle opening and thejoint quantity and speed of clutch engagement

圖4中，Vcmax表示在沖擊度允許的范圍之內(nèi)，離合器接合速度的最大值，α0表示油門開(kāi)度在離合器接合時(shí)的最小值，即怠速。

2.2.3發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n對(duì)離合器接合的影響

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性[7]可知，當(dāng)油門開(kāi)度一定時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出量及其燃油消耗率和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系可用函數(shù)表示。即：

(8)

式中：ne為實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；nes為目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

其控制關(guān)系如圖5所示。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，滑摩功會(huì)相應(yīng)增大，此時(shí)應(yīng)增加接合量以防止發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高。

2.2.4中間軸速度對(duì)接合的影響

中間軸是變速箱里的一根軸，軸本身與齒輪為一體，作用是將一軸和二軸連接，通過(guò)換擋桿的變換來(lái)選擇與不同的齒輪嚙合，使二軸能輸出不同轉(zhuǎn)速、扭矩。中間軸轉(zhuǎn)速的大小體現(xiàn)車輛的運(yùn)行狀態(tài)。離合器結(jié)合時(shí)，中間軸轉(zhuǎn)速對(duì)離合器接合量及接合速度控制關(guān)系如圖6所示。

圖5　離合器結(jié)合量、接合速度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系示意圖Fig.5 Relationship between joint quantity andspeed of clutch engagement with engine rotational speed

圖6　離合器接合量及接合速度與中間軸轉(zhuǎn)速控制關(guān)系示意圖Fig.6 The control diagram between clutch engagementand joint velocity with intermediate shaft speed

若中間軸轉(zhuǎn)速較高，應(yīng)適當(dāng)改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低發(fā)動(dòng)機(jī)和中間軸轉(zhuǎn)速差。同時(shí)，在規(guī)定的沖擊度范圍內(nèi)，需相應(yīng)的增加離合器接合速度，防止發(fā)動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)速太低而抖動(dòng)。

2.2.5主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差對(duì)離合器接合速度的影響

主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差較大時(shí)，離合器接合產(chǎn)生的沖擊度和滑摩功都較大，應(yīng)適當(dāng)減小接合速度；轉(zhuǎn)速差小時(shí)，較快的使離合器接合也不會(huì)產(chǎn)生大的沖擊；當(dāng)轉(zhuǎn)速差為零時(shí)，離合器的接合速度對(duì)沖擊度沒(méi)有影響。其示意圖如圖7所示。

圖7　離合器接合速度與主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差控制關(guān)系示意圖Fig.7 The control diagram of master-slave clutch engagingspeed and the speed difference of driving disc and driven disc

總體來(lái)說(shuō)，油門開(kāi)度控制離合器接合速度，中間軸無(wú)轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器開(kāi)始第一次快速接合，隨著中間軸轉(zhuǎn)速逐漸增大，離合器緩慢接合。最后的快速接合階段通過(guò)主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差控制，其差值越小，離合器結(jié)合的越快，從而實(shí)現(xiàn)離合器接合的優(yōu)化控制。

3整車動(dòng)力學(xué)模型及仿真分析

3.1整車動(dòng)力學(xué)模型的建立

在simulink/MATLAB中選擇合適的傳輸模塊[8-9]，并為每個(gè)模塊設(shè)置合適的參數(shù)。按照車輛動(dòng)力傳遞方向，建立整車動(dòng)力學(xué)模型。利用simulink/MATLAB建立的整車模型可視性強(qiáng)，操作也方便，且傳動(dòng)系數(shù)據(jù)可以修改，可以更好地完成仿真分析。

3.2仿真模型的建立

將整車動(dòng)力學(xué)模型與Simulink/MATLAB系統(tǒng)中建立的模糊控制器[10]進(jìn)行整合，并且加入沖擊度以及滑磨功作為輸出量，建立AMT離合器整車控制模型，如圖8所示。

圖8　AMT離合器起步過(guò)程整車動(dòng)力學(xué)控制模型Fig.8 The vehicle dynamics control model in AMT clutch starting process

3.3仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了研究以上參數(shù)對(duì)沖擊度和滑磨功的影響，將油門開(kāi)度作為輸入量，沖擊度和滑磨功作為輸出量，在不同的油門開(kāi)度下，對(duì)離合器接合控制過(guò)程進(jìn)行仿真分析。

(1)40%油門開(kāi)度下的沖擊度和滑磨功如圖9所示。

(2)50%油門開(kāi)度下的沖擊度和滑磨功如圖10所示。

通過(guò)對(duì)離合器沖擊度仿真結(jié)果分析可以看出，沖擊度伴隨整個(gè)滑磨階段。并且，在離合器接合時(shí)的接合點(diǎn)與半接合點(diǎn)處的沖擊度最大。這是因?yàn)殡x合器在半接合點(diǎn)處，需克服車輛由于起步產(chǎn)生的沖擊。同時(shí)，由于車輛的行駛阻力的變化，也會(huì)使離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。

(a)40%沖擊度下沖擊度和時(shí)間的關(guān)系

(b)40%沖擊度下滑磨功和時(shí)間的關(guān)系

通過(guò)離合器滑磨功仿真結(jié)果可以看出，從離合器接合滑磨開(kāi)始，一直到離合器主、從動(dòng)盤速度同步結(jié)束，都會(huì)產(chǎn)生滑磨功。同時(shí)可以看出，在大油門起步時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)更高，離合器主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差也會(huì)更大，從而會(huì)產(chǎn)生更多的滑磨功。

(a)50%沖擊度下沖擊度和時(shí)間的關(guān)系

(b)50%沖擊度下滑磨功和時(shí)間的關(guān)系

4結(jié)論

本文研究了離合器的負(fù)荷特性以及扭矩特性，分析了離合器接合時(shí)的三個(gè)不同階段；最后由離合器接合性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)[11-12]：沖擊度、滑磨功，確定了離合器接合目標(biāo)。分析并確定了造成沖擊度、滑磨功的主要因素為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門開(kāi)度、踏板開(kāi)度、車速、中間軸轉(zhuǎn)速和離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)

速差，并以油門開(kāi)度作為輸入量，沖擊度和滑磨功為輸出量，利用simulink/MATLAB進(jìn)行仿真分析，為后續(xù)對(duì)離合器接合控制優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

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Bonding Parameter Analysis of AMT Diaphragm Spring Clutch

Zhan Changshu，Di Jiafu

(Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：This paper introduces the characteristics of AMT(Automated Mechanical Transmission)clutch，determines the major factors influencing the degree of impact and friction work.The optimal control parameters of clutch engagement control are selected and analyzed.Fuzzy control method is used to establish a dynamic model of AMT clutch，the degree of impact and friction work calculation models and the whole vehicle mode.Simulink/MATLAB is used to conduct simulation and the simulation results are analyzed，which has provided a theoretical basis for the optimization of clutch engagement control.

Keywords：AMT；clutch；engaging parameters；simulation

作者簡(jiǎn)介：第一詹長(zhǎng)書，博士，副教授。研究方向: 載運(yùn)工具運(yùn)用工程。E-mail：zhchsh3@sohu.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2013M541329)

收稿日期：2015-09-11

中圖分類號(hào)：U 463.211；s 776.032

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2016)01-0054-05