徐紅梅

（煙臺大學(xué)文經(jīng)學(xué)院信息工程系，山東煙臺 264000）

1 引言

離合器具有傳動效率高、壓盤壓力穩(wěn)定、工作力小等優(yōu)點(diǎn)，在汽車上得到廣泛的應(yīng)用［1?3］。離合器波形片軸滑磨是一種由振動和摩擦產(chǎn)生的機(jī)械領(lǐng)域熱點(diǎn)問題，國內(nèi)外對此已進(jìn)行了大量的研究。

文獻(xiàn)［4］提出基于Simulation X的離合器波形片軸滑磨控制方法，該方法結(jié)合離合器工作原理，對離合器動作過程展開詳細(xì)分析，引入CVT實(shí)際控制策略，延長離合器使用壽命，該控制方法雖具有一定的可行性，但缺少嚴(yán)格的控制機(jī)制，無法分析全部離合器波形片軸滑磨載荷規(guī)律，導(dǎo)致控制效果較差。文獻(xiàn)［5］基于模糊PID的離合器波形片軸滑磨控制方法，根據(jù)內(nèi)部發(fā)動機(jī)恒轉(zhuǎn)速規(guī)律設(shè)計(jì)控制策略，雖然研究時(shí)間較短，但缺少對波形片軸滑磨載荷規(guī)律分析，導(dǎo)致控制效果不佳。

為此，提出基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的離合器波形片軸滑磨控制方法。結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制優(yōu)勢，克服以往方法存在的不足，設(shè)計(jì)離合器波形片軸滑磨載荷規(guī)律分析步驟，提高控制效果。

2 離合器波形片軸滑磨控制

2.1 動力學(xué)方程構(gòu)建

離合器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在滑磨控制中，應(yīng)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊特征值分析方法是一種主流，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法成為工業(yè)應(yīng)用中唯一可行的方法［6?8］。離合器組件的動力學(xué)方程如下：

圖1 離合器位置Fig.1 Clutch Position

圖2 波形片大盤Fig.2 Wave Plate

式中：m—質(zhì)量矩陣；z—阻尼矩陣；k—剛度矩陣；f—摩擦力矩陣；

a—位移向量；a?—速度向量；a?—加速度向量。

上述公式中，矩陣都為對稱矩陣，充分考慮摩擦力影響，將公式（1）改寫為：

式中：ki—非對稱矩陣，無法解耦，需采用復(fù)模態(tài)分析方式，主要有兩種途徑，分別是狀態(tài)空間和拉氏變換，其中拉氏變換是在復(fù)域內(nèi)求解的，在該區(qū)域內(nèi)［9?10］。如果復(fù)模態(tài)特征是具有非正體實(shí)部的，那么該階段模態(tài)將處于穩(wěn)定狀態(tài)；反之，如果具有正體實(shí)部，那么該階段模態(tài)將處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 載荷確定

在完成離合器動力學(xué)方程構(gòu)建的基礎(chǔ)上，通過分析模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確定載荷，由此設(shè)計(jì)具體控制方案。

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有五層結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of Fuzzy Neural Network

2.2.1 選擇輸入輸出變量

在油門踏板控制汽車啟動這一過程中，主要用加速器開關(guān)和加速器開關(guān)變化率來反映其啟動意圖。利用CAN信息可以獲得實(shí)際車輛的油門開度信號，通過對油門開度的判別和適當(dāng)?shù)奶幚?，可以獲得油門開度的變化量。大型加速器的開口處表示駕駛員需要快速啟動；相反，它意味著駕駛員需要緩慢啟動。類似地，油門開度變化速度大意味著駕駛員希望快速啟動；否則，緩慢啟動［11］。兩個(gè)變量作為輸入變量，能夠充分反映其對啟動控制的影響。并根據(jù)實(shí)際情況，確定節(jié)氣門開度變化率的權(quán)值小于該值，即節(jié)氣門開度為主要影響因素［12］。

本實(shí)用新型的起動控制主要是通過控制離合器連接速度來控制連接過程。以離合器連接速度作為輸出變量；高速嚙合時(shí)，離合器嚙合迅速；反之，離合器緩慢嚙合［13］。

2.2.2 模糊規(guī)則確定

歸一化處理公式為：

式中：b′i—?dú)w一化處理數(shù)據(jù)；bi—原始數(shù)據(jù)；bmax—原始數(shù)據(jù)最大值；

bmin—原始數(shù)據(jù)最小值。

基于上述模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，需對離合器波形片軸滑磨過程中滑磨力矩展開分析，在確定熱功率后，確定約束及載荷條件。

針對壓板在滑動過程中大部分摩擦熱為壓板所吸收的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究壓板的溫度場和變形場。因此有必要計(jì)算壓力板摩擦面的熱流密度。選取摩擦面上半徑為r的微元，設(shè)微元寬度為dr。半徑r內(nèi)陰影部分的滑磨力矩可表示為：

式中：f′—壓緊力；r1、r2—摩擦表面內(nèi)徑和外徑。

結(jié)合實(shí)際連接關(guān)系，建立各部件在有限元模型中的接觸關(guān)系。壓力板和摩擦板在接觸面上有摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.3。以平板表面為目標(biāo)表面，以摩擦板為接觸表面，采用非對稱接觸方法確定約束及負(fù)荷條件。

（1）熱解約束與負(fù)荷條件

通過對模型進(jìn)行熱分析，確定初始溫度、壓板摩擦面的傳熱系數(shù)及傳熱系數(shù)、非摩擦力表面流動換熱系數(shù)和摩擦力表面熱流率隨半徑變化，設(shè)定連續(xù)滑動磨削時(shí)間為30s，得到磨削溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

（2）靜力分析模組的約束與負(fù)荷條件

根據(jù)離合器的實(shí)際情況施加約束和載荷：在離合器與飛輪接觸面上施加軸向位移約束，使離合器的軸向運(yùn)動受到限制，在壓板的三個(gè)孔上分別施加徑向和軸向約束，在齒頂處施加5000N的壓力。引進(jìn)不同時(shí)刻的溫度場并進(jìn)行求解，可求出不同溫度下壓板摩擦面的應(yīng)力變形與熱變形之和。摩擦接觸表面的應(yīng)力變形遠(yuǎn)小于熱變形，其變形可近似為熱應(yīng)變。

2.3 控制方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)良好的離合器波形片軸滑磨控制，在確定滑磨控制約束及載荷條件下，需要對離合器接合速度進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。利用發(fā)動機(jī)恒速控制方法，在離合器連接過程的前半部分，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速判斷閥設(shè)定為怠速，以每油門開度最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速作為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過控制電磁離合器電流和電流變化率來控制發(fā)動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差。其控制目標(biāo)是發(fā)動機(jī)起動時(shí)，隨油門開度變化的最大扭矩。如果離合器從動盤的轉(zhuǎn)速超過一定的設(shè)定轉(zhuǎn)速，基于節(jié)流閥開度與主盤、從動盤轉(zhuǎn)速的差異性，離合器實(shí)現(xiàn)了一定的速度嚙合，當(dāng)離合器主盤和從動盤的速度差為零時(shí)，設(shè)置值隨油門開度而改變。轉(zhuǎn)速控制結(jié)果，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速控制Fig.4 Rotation Speed Control

相對于采用恒速度控制的離合器波片，采用局部恒速度控制的離合器嚙合時(shí)間更短，打滑工作更少。以電磁式離合器的激勵電流增量作為輸出變量；在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電磁離合器的勵磁電流增大，因此，增大發(fā)動機(jī)負(fù)荷；相反，減小電磁離合器激勵電流，從而降低發(fā)動機(jī)負(fù)荷。以差速差和目標(biāo)轉(zhuǎn)速為輸入變量，既可降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)，又可考慮短過渡調(diào)節(jié)時(shí)間，改善離合器波片軸滑磨控制性能。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的離合器波形片軸滑磨控制方法的有效性進(jìn)行仿真對比驗(yàn)證。此次仿真驗(yàn)證以ANSYS有限元軟件為基礎(chǔ)，進(jìn)行離合器波形片軸滑磨控制性能驗(yàn)證。

3.1 波形片參數(shù)

該整機(jī)波紋板由10 個(gè)葉片組成，每個(gè)葉片厚度為0.8mm。每一個(gè)葉片的幾何尺寸，材料和加工方法都完全一致，所以假設(shè)10個(gè)葉片的荷載?位移特性相同，用一個(gè)葉片來模擬。在實(shí)際工作中，僅葉片波形部分具有軸向彈性剛度，對波形板進(jìn)行了詳細(xì)的分析，波形片圖，如圖5所示。

圖5 波形片F(xiàn)ig.5 Wave Plate

通過建立摩擦板的三維模型，對摩擦板進(jìn)行裝配，模擬其實(shí)際的工作狀態(tài)，導(dǎo)入到有限元軟件中。在有限元分析軟件中，將上下摩擦板定義為剛體，將材料參數(shù)輸入四面體格網(wǎng)中，將波板的格網(wǎng)尺寸定義為0.6mm。波形片材料參數(shù)，如表1所示。

表1 波形片材料Tab.1 Wave Sheet Material

3.2 驗(yàn)證結(jié)果與分析

根據(jù)上述材料參數(shù)的設(shè)置結(jié)果，進(jìn)行控制性能對比驗(yàn)證。驗(yàn)證指標(biāo)為滑磨力矩計(jì)算精度、滑磨溫度控制有效性以及離合器接合速度控制精度，對比方法為文獻(xiàn)［4］、文獻(xiàn)［5］方法。具體結(jié)果如下。

3.2.1 滑磨力矩計(jì)算精度

滑磨力矩計(jì)算結(jié)果對滑磨最終控制精度有重要影響，因此以滑磨力矩計(jì)算精度為對比指標(biāo)，將所提方法與文獻(xiàn)［4?5］方法進(jìn)行對比驗(yàn)證。三種方法的滑磨力矩計(jì)算精度對比結(jié)果，如圖6所示。

圖6 滑磨力矩計(jì)算精度對比結(jié)果Fig.6 Comparison Results of Calculation Accuracy of Sliding Wear Torque

分析圖6的滑磨力矩計(jì)算精度對比結(jié)果可知，當(dāng)仿真驗(yàn)證時(shí)間達(dá)到10min時(shí)，所提方法的滑磨力矩計(jì)算誤差為0.008，此時(shí)文獻(xiàn)［4?5］方法的計(jì)算誤差分別為0.012、0.01。而隨著驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的不斷增加，所提方法的最高計(jì)算誤差不超過0.02，兩種對比方法的最大計(jì)算誤差達(dá)到0.4，因此說明所提方法能夠精準(zhǔn)計(jì)算波形片軸的滑磨力矩。

3.2.2 滑磨溫度控制有效性

滑磨溫度控制要從摩擦片與波形片兩方面進(jìn)行驗(yàn)證，在接合過程中摩擦片與波形片的最高溫度分別要保持在300℃與200℃內(nèi)。所提方法的滑磨溫度控制結(jié)果，如圖7所示。

圖7 滑磨溫度控制結(jié)果Fig.7 Sliding Mill Temperature Control Results

由圖7可看出，隨著時(shí)間的增加，接合器之間的接觸次數(shù)增加，導(dǎo)致摩擦片與波形片的有所上升。在驗(yàn)證時(shí)間為20min時(shí)，摩擦片與波形片的溫度上升開始逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)驗(yàn)證時(shí)間達(dá)到25min時(shí)，摩擦片的最高溫度達(dá)到280℃，波形片的最高溫度達(dá)到175℃。摩擦片與波形片的最高溫度均為超過規(guī)定溫度。因此，充分說明所提出的控制方法，能夠有效控制離合器的滑磨溫度。

3.2.3 接合速度控制精度

接合速度控制精度是離合器滑磨控制的重要指標(biāo)，三種方法的結(jié)合速度控制精度對比結(jié)果，如圖8所示。

圖8 接合速度控制精度對比結(jié)果Fig.8 Comparison Results of Engagement Speed Control Accuracy

由圖8可看出，當(dāng)驗(yàn)證時(shí)間增加時(shí)，三種方法的控制精度變化情況各不相同，所提方法的接合速度控制精度始終保持在95%以上，且所提方法的控制精度波動幅度較小。而文獻(xiàn)［4?5］方法的控制精度最高均為超過90%，且兩種文獻(xiàn)對比方法的波動幅度較大。因此，充分說明所提出的滑磨控制方法具有更好的控制性能。

4 結(jié)束語

為了提升離合器波形片軸的滑磨控制性能，提出利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制波形片軸滑磨的方法。從理論與仿真驗(yàn)證兩方面對方法的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，該方法在進(jìn)行離合器波形片軸滑磨控制時(shí)，能夠精準(zhǔn)計(jì)算滑磨力矩，有效地控制離合器波形片軸的滑磨溫度與接合速度。具體來講，與基于Simulation X的控制方法相比，滑磨力矩計(jì)算精度顯著提升，最大誤差僅為0.017；與基于模糊PID 的控制方法相比，離合器結(jié)合速度控制精度大大提高，控制精度始終保持在95%以上。因此，充分說明所提方法可以使整車具有良好的起動性能，滿足整車對離合器起動性能的要求。