楊 昭，李天闖

某插電式混合動(dòng)力公交客車離合器接合控制策略分析

楊 昭，李天闖

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

在混合動(dòng)力公交客車中，整車控制系統(tǒng)根據(jù)工況頻繁切換車輛的驅(qū)動(dòng)方式，而離合器就是驅(qū)動(dòng)方式切換的一個(gè)重要部件，其工作品質(zhì)決定著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體性能。文章通過(guò)對(duì)離合器的接合過(guò)程分析、結(jié)構(gòu)建模，并對(duì)離合器接合品質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)研究，建立模糊控制模型對(duì)離合器的接合過(guò)程進(jìn)行控制。為實(shí)現(xiàn)降油耗目標(biāo)，提出了在滿足汽車行駛所需轉(zhuǎn)矩的前提下，采用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不能滿足車輛行駛所需時(shí)，由電機(jī)輸出額外轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后噴油點(diǎn)火的模糊控制策略。在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，使離合器主、從動(dòng)盤處于滑磨狀態(tài)，待到主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差較小的時(shí)候，快速接合，以達(dá)到減小沖擊、提高乘坐舒適性。

混合動(dòng)力公交客車；自動(dòng)離合器；舒適性；模糊控制

隨著汽車工業(yè)快速發(fā)展，汽車產(chǎn)銷及保有量逐年增加，化石燃料短缺、大氣污染加劇、排放法規(guī)升級(jí)，這些問(wèn)題直接威脅內(nèi)燃機(jī)汽車的可持續(xù)發(fā)展。因此，汽車要以清潔、環(huán)保、低油耗為發(fā)展方向?；旌蟿?dòng)力汽車是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與純電相結(jié)合的一種型式，可使汽車達(dá)到低能耗、低排放的目標(biāo)。

混合動(dòng)力公交客車使用工況具有行駛速度低、頻繁起步、停車、加速、減速等特點(diǎn)，為達(dá)到節(jié)油目的，需要在電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)及發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)三種模式中不斷切換，每次切換都需要離合器的分離和接合才能完成。接合過(guò)程的控制最為關(guān)鍵，既要平穩(wěn)，沖擊小，保證乘坐的舒適性，又要保證離合器的使用壽命（即起步的滑磨功要小），這就需要對(duì)自動(dòng)離合器接合的最佳時(shí)機(jī)及規(guī)律進(jìn)行研究[1]。

1 離合器結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型建立

離合器是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中與動(dòng)力源直接相連的部件，主要作用是保證汽車平穩(wěn)起步、換擋平順、減輕齒輪嚙合沖擊、防止傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)載。膜片彈簧離合器由于轉(zhuǎn)矩容量大、穩(wěn)定、操縱輕便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且緊湊，目前被廣泛使用[2]。

膜片彈簧離合器構(gòu)造簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要由膜片彈簧、主動(dòng)盤、從動(dòng)盤、離合器蓋、分離軸承總成和分離叉臂構(gòu)成[2]。

圖1 膜片彈簧離合器構(gòu)造簡(jiǎn)圖

1.1 離合器接合過(guò)程分析

離合器的接合過(guò)程可分為四個(gè)階段[3]，如圖2所示，c為離合器傳遞的摩擦力矩；e為主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速；c為從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速。

圖2 離合器接合過(guò)程示意圖

1）第一階段（段）：此階段為消除空行程，無(wú)轉(zhuǎn)矩傳遞，接合速度應(yīng)盡可能快，以縮短接合時(shí)間；

2）第二階段（段）：離合器主、從動(dòng)片產(chǎn)生滑磨，此階段離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩不足以克服阻力矩，從減少滑磨功角度考慮，此階段也要快速接合；

3）第三階段（段）：這一階段離合器向從動(dòng)盤傳遞的轉(zhuǎn)矩超過(guò)了最大阻力矩。為實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)接合，此階段應(yīng)緩慢接合，但考慮到減少滑磨功，保護(hù)離合器，此階段的接合速度又不能太慢，應(yīng)合理選取接合速度[4]；

4）第四階段（段）：離合器的主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速基本實(shí)現(xiàn)同步，此階段的接合速度對(duì)沖擊度和滑磨功的影響較小，應(yīng)快速接合[5]。

由上述分析可知，為達(dá)到減少?zèng)_擊度的同時(shí)減少滑磨功，離合器接合過(guò)程應(yīng)遵循“快-慢-快”原則進(jìn)行接合控制。

1.2 離合器接合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

離合器接合的質(zhì)量是以平穩(wěn)性和使用壽命來(lái)評(píng)價(jià)的，即通過(guò)沖擊度和比滑磨功來(lái)度量[6-7]。

1.2.1沖擊度

沖擊度即車輛縱向加速度對(duì)時(shí)間的變化量，用表示。

式中，g為變速器傳動(dòng)比；0為傳動(dòng)系主減速比；為車輪滾動(dòng)半徑；v為與變速器輸出軸剛性連接的整車質(zhì)量轉(zhuǎn)換至輸出軸的當(dāng)量慣量；c為離合器傳遞的摩擦力矩，c=(2)，其中2為離合器位移。

1.2.2比滑磨功

比滑磨功描述的是離合器單位面積摩擦盤之間滑動(dòng)摩擦力做功的大小，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，1為從離合器主、從動(dòng)盤開(kāi)始接觸（c=0）起直到c逐漸增大到能夠克服阻力矩這一過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間；2為從c大于阻力矩時(shí)離合器從動(dòng)盤角速度由零開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)起，直到c逐漸增大到離合器主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速e相等所經(jīng)歷的時(shí)間；e為離合器壓盤轉(zhuǎn)速；c為離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速?；ス€與道路阻力矩有關(guān)，道路阻力矩越大產(chǎn)生的比滑磨功越大。

1.3 離合器接合過(guò)程的動(dòng)力學(xué)描述

離合器接合的動(dòng)力學(xué)模型整車結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中離合器1連接發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)，切斷與傳輸發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力；離合器2連接電機(jī)與變速箱，控制電機(jī)輸出的動(dòng)力傳輸。

圖3 整車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

汽車的行駛需求轉(zhuǎn)矩小于電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩且電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）大于最低限值（即無(wú)需充電）時(shí)，汽車處于純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)工況；當(dāng)汽車的需求轉(zhuǎn)矩大于電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，驅(qū)動(dòng)模式由純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)向發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)切換，自動(dòng)離合器1開(kāi)始接合，此時(shí)電機(jī)輸出額外轉(zhuǎn)矩c，通過(guò)自動(dòng)離合器1帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，該過(guò)程動(dòng)力學(xué)方程[8]為

式中，c為離合器1傳遞的摩擦力矩；e1為發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩；e為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；1為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；2為離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；e為離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速。

在自動(dòng)離合器接合過(guò)程，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)到曲軸轉(zhuǎn)速大于900 r/min時(shí)，電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）發(fā)出發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有轉(zhuǎn)矩輸出，但此時(shí)離合器主、從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速尚未達(dá)到同步，離合器仍然傳遞轉(zhuǎn)矩，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩共同帶動(dòng)離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，該過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程為

式中，e2為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

在自動(dòng)離合器接合過(guò)程中，對(duì)離合器主動(dòng)盤進(jìn)行受力分析如下：

式中，t為驅(qū)動(dòng)輪角速度，rad/s；r為汽車行駛阻力矩，N·m；d為汽車風(fēng)阻系數(shù)；為迎風(fēng)面積，m2；為汽車行駛速度，km/h；為汽車質(zhì)量，kg；為車輪滾動(dòng)半徑，m；為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；為滾動(dòng)阻力系數(shù)；v為與離合器輸出軸相連的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

此時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度m與車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度t的關(guān)系為

m=g0t（7）

2 自動(dòng)離合器控制策略研究

模糊控制是一種面向未來(lái)的新型智能控制技術(shù)，能夠模仿人工活動(dòng)在人腦中的模糊概念和成功的控制策略，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)，可將人工控制策略用計(jì)算機(jī)去實(shí)現(xiàn)[9]。

2.1 模糊控制的概念與特點(diǎn)

模糊控制是建立在人工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一種控制算法，是把熟練操作人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)和描述，并以通用語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)，形成一種定性的、不精確的控制規(guī)則，用模糊集理論將其量化轉(zhuǎn)化為模糊控制算法，從而形成模糊控制理論[9]。

模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他控制系統(tǒng)的主要標(biāo)志[9]。模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，從功能上劃分，它主要由模糊化、模糊推理、模糊精確化、知識(shí)庫(kù)[10]四個(gè)部分組成。

圖4 模糊控制器

2.2 模糊系統(tǒng)的建立

本文將離合器接合過(guò)程中主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差Δ和駕駛員油門踏板開(kāi)度作為模糊控制器的輸入量，離合器的位移作為輸出量。模糊控制模型表示依據(jù)駕駛員的意圖來(lái)實(shí)現(xiàn)離合器的自動(dòng)接合。油門踏板開(kāi)度大，說(shuō)明汽車需要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，離合器應(yīng)盡快接合，反之應(yīng)較慢接合。主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差大，快速接合則沖擊度大，所以在主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速較大時(shí)，應(yīng)緩慢接合，隨著主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差的縮小，離合器的接合位移應(yīng)加大，當(dāng)二者接近同步時(shí)，離合器快速接合。由于離合器分離階段對(duì)沖擊度影響很小，可以快速分離，由離合器ECU發(fā)出控制信號(hào)斷開(kāi)。

將離合器主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差Δ和油門踏板開(kāi)度的模糊語(yǔ)言變量劃分為{很小（VS），小（S），較小（LS），中等（M），較大（LB），大（B），非常大（VB）}；模糊論域?yàn)椋?,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5, 0.6,0.7,0.8,0.9,1｝。離合器位移的模糊語(yǔ)言變量為{很?。╒S），?。⊿），中等（M），大（B），很大（VB）}；模糊論域?yàn)閧0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7, 0.8,0.9,1}。離合器接合過(guò)程中油門踏板開(kāi)度主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差Δ和離合器位移的隸屬度函數(shù)如圖5所示。

根據(jù)輸入輸出的語(yǔ)言變量的數(shù)目，共建立了49條控制規(guī)則，離合器的模糊控制規(guī)則如表1所示；主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差Δ、油門踏板開(kāi)度和離合器位移的模糊控制規(guī)則插值表如圖6所示。

表1 離合器位移模糊控制規(guī)則表

模糊語(yǔ)言變量VSSLSMLBBVB VSBBBBBBB SMMMBSBBB LSMMBMBBBS MMMMMBSBSBS LBMMSMMBSM BLSLSLSLSMMLS VBSSLSLSLSLSLS

圖6 模糊控制規(guī)則插值表

2.3 離合器狀態(tài)判斷

在離合器的工作過(guò)程中，離合器的狀態(tài)有斷開(kāi)狀態(tài)、滑磨狀態(tài)和接合狀態(tài)三種。接合以前，離合器處于分離狀態(tài)；開(kāi)始接合到離合器主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速達(dá)到同步之前，離合器都處于滑磨狀態(tài)；同步之后接合成為接合狀態(tài)。離合器狀態(tài)的判斷在控制策略的制定上尤為重要。在本控制策略中，離合器狀態(tài)的判斷條件見(jiàn)式（8）－式（10）；接合狀態(tài)離合器狀態(tài)邏輯判斷框圖如圖7所示。

斷開(kāi)狀態(tài)：

e-m<0且e=0 （8）

滑磨狀態(tài)：

e-m<0.01×60/2π且e>0 （9）

接合狀態(tài)：

e-m≥0.01×60/2π （10）

式中，e為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；m為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

圖7 離合器狀態(tài)邏輯框圖

2.4 驅(qū)動(dòng)模式切換

混合動(dòng)力公交客車的驅(qū)動(dòng)方式有純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，整車控制系統(tǒng)根據(jù)不同的工況要求選擇不同的驅(qū)動(dòng)模式。為了達(dá)到節(jié)省燃油、降低排放的目的，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于900 r/min和整車需求轉(zhuǎn)矩不大的情況下由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩大于由整車控制策略制定的電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出界限時(shí)，由電機(jī)輸出額外轉(zhuǎn)矩，離合器帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于900 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火，此時(shí)在保證需求轉(zhuǎn)矩的前提下，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩逐漸減小，當(dāng)離合器主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速達(dá)到同步時(shí)，電機(jī)關(guān)閉，完成從純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的切換。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩也無(wú)法滿足整車需求轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)再次啟動(dòng)，完成發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式到混合驅(qū)動(dòng)模式的切換。

3 結(jié)論

本文分析了膜片彈簧離合器結(jié)構(gòu)、工作原理以及膜片彈簧特性，建立了離合器的數(shù)學(xué)模型和膜片彈簧的力學(xué)模型，提出了在電機(jī)轉(zhuǎn)矩不足時(shí)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火切換動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式，并采用模糊控制理論設(shè)計(jì)了控制策略，對(duì)自動(dòng)離合器的切換及切換過(guò)程進(jìn)行控制，以達(dá)到降低油耗及提高換擋舒適性的目的。

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Analysis of Clutch Engagement Control Strategy of a Plug-in Hybrid Electric Bus

YANG Zhao, LI Tianchuang

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

In the hybrid electric bus, the vehicle control system frequently switches the driving mode of the vehicle according to the working conditions, and the clutch is an important component of the drive mode switching, and its working quality determines the overall performance of the drive system. In this paper, a fuzzy control model is established to control the engagement process of clutch by analyzing and modeling the structure of the clutch and studying the evaluation index of the clutch bonding quality.In order to achieve the goal of reducing fuel consumption of hybrid electric vehicles, it is proposed to use pure electric drive on the premise of meeting the torque required for driving the vehicle. When the output torque of the motor cannot meet the driving requirements of the vehicle, the motor outputs additional torque to drive the engine. The control strategy of fuel injection ignition after reaching a certain speed. After the engine is ignited, the main and driven discs of the clutch are in a sliding state, and when the speed difference between the main and driven discs is small, they are quickly engaged to reduce impact and improve ride comfort.

Hybrid electric bus;Automatic clutch;Comfortability;Fuzzy control

U469.7

A

1671-7988(2023)17-119-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.021

楊昭（1989－），男，工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌?，E-mail:yangzhao@sxqc.com。