機(jī)械式自動(dòng)變速器的離合器起步控制

米林，劉瑞杰，譚偉

(重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054)

機(jī)械式自動(dòng)變速器的離合器起步控制

米林，劉瑞杰，譚偉

(重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054)

對(duì)機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)的離合器起步過程進(jìn)行分析，得到起步階段“快—慢—快”的結(jié)合規(guī)律;針對(duì)這種結(jié)合規(guī)律和起步過程控制要求，制定了不同的起步階段控制策略;在滑磨控制階段，基于優(yōu)秀駕駛員的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了模糊控制策略，并應(yīng)用Matlab/Simulink建立模糊控制模型。仿真結(jié)果表明:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和離合器結(jié)合速度的控制效果良好，滿足起步評(píng)價(jià)指標(biāo)的要求。

機(jī)械式自動(dòng)變速器;起步控制;分層;模糊控制

車輛起步性能是衡量自動(dòng)變速傳動(dòng)系統(tǒng)先進(jìn)性的重要指標(biāo)。機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)傳動(dòng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是起步過程中對(duì)離合器的控制。起步過程的平順性和離合器的滑磨是2個(gè)主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，然而這2個(gè)指標(biāo)卻不能同時(shí)滿足。如果要求平順性好就必須使離合器結(jié)合速度慢，滑磨功將大大增加;如果滑磨功小，則離合器必須以較快的速度結(jié)合，平順性變差。離合器控制受駕駛員意圖及其他多方面因素的影響，比如道路條件(坡道起步)、負(fù)載條件等。怎樣才能在不同起步條件下同時(shí)滿足這2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)是離合器控制的關(guān)鍵。由于駕駛員意圖具有多樣性，行駛的車輛是一個(gè)時(shí)變、多線性的系統(tǒng)，而且起步過程又分為不同的階段，因此本文將采用不同的控制策略研究車輛的起步過程，著重研究滑磨階段離合器的模糊控制。

1 AMT汽車離合器起步過程

如圖1所示，汽車起步過程中AMT離合器從分離到結(jié)合可分為以下3個(gè)階段［1］:

1)自由行程階段，對(duì)應(yīng)圖1中的0～t1段。此時(shí)離合器完全處于分離狀態(tài)，主、從動(dòng)盤之間存在間隙，沒有扭矩傳遞。這一階段的控制以快速消除間隙為目標(biāo)，希望主、從動(dòng)盤能盡快結(jié)合，減少動(dòng)力中斷時(shí)間。在此階段，離合器通過消除空行程到達(dá)半接合點(diǎn)位置，車輛保持原靜止?fàn)顟B(tài)。半接合點(diǎn)是指離合器接合，主、從動(dòng)盤滑磨，離合器傳遞的扭矩恰好能克服起動(dòng)阻力矩時(shí)的離合器行程位置［2］。

2)滑磨階段，對(duì)應(yīng)圖1中的t1～t3段。該階段是離合器控制最重要的階段。在此階段中，主、從動(dòng)盤滑磨并產(chǎn)生力矩。為了減少傳動(dòng)系沖擊載荷，提高乘坐舒適性以獲得平穩(wěn)起步，在這一階段離合器的接合速度相對(duì)較慢。如果結(jié)合速度過慢，離合器摩擦片在滑動(dòng)摩擦狀態(tài)的時(shí)間過長，加劇摩擦片磨損，使能量損失大，離合器的使用壽命將縮短;如果接合速度過快，將會(huì)對(duì)離合器造成沖擊。

3)同步結(jié)合階段，對(duì)應(yīng)圖1中t3以后的時(shí)段。該階段離合器轉(zhuǎn)速會(huì)穩(wěn)步提高，主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速已經(jīng)完全相同，車輛成功起步。該階段應(yīng)以快速接合為目的，因?yàn)榇藭r(shí)主、從盤轉(zhuǎn)速己經(jīng)達(dá)到同步，離合器的快速接合不會(huì)給離合器帶來沖擊，基本沒有滑動(dòng)摩擦［2］。

圖1 起步過程中AMT離合器的結(jié)合示意圖

2 AMT離合器結(jié)合過程控制策略的制定

汽車起步時(shí)離合器控制的關(guān)鍵是使車輛平穩(wěn)起步。離合器控制應(yīng)滿足以下幾項(xiàng)要求:①避免在傳動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生過大的動(dòng)載荷;②避免發(fā)動(dòng)機(jī)熄火;③使駕駛員的起步意圖得到滿足;④滿足離合器的使用壽命要求。

通常在對(duì)車輛起步過程進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)提出的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是沖擊度和滑磨功［3］。

2.1 離合器結(jié)合影響參數(shù)分析

在車輛起步過程中，通過對(duì)離合器的控制來獲得駕駛員所需的車輛起動(dòng)速度，使得整個(gè)過程起動(dòng)平穩(wěn)，沖擊度小。同時(shí)應(yīng)盡量減少離合器工作在滑磨階段的時(shí)間，降低滑磨功，確保發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火［4］。然而，這兩項(xiàng)要求是互相矛盾的。如果要求起步慢，就必須使離合器接合速度慢，雖然起步平穩(wěn)性好，但這會(huì)導(dǎo)致離合器滑磨時(shí)間過長，使離合器使用壽命降低。如果通過快速起步來降低滑磨功，雖然離合器結(jié)合時(shí)間短，但是沖擊大，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。離合器控制的關(guān)鍵是如何在滿足駕駛員起步平穩(wěn)、沖擊度小的基礎(chǔ)上確保發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火，從而獲得滿意的滑磨功指標(biāo)。

離合器接合規(guī)律在執(zhí)行中體現(xiàn)在離合器接合速度上。汽車的起步由駕駛員直接控制。駕駛員起步意圖通常可以由油門開度及油門開度變化率來體現(xiàn)。如果駕駛員踩踏油門開度越大，踩踏板的速率越大，就表明駕駛員希望快速起步，那么應(yīng)加快離合器接合速度;反之離合器的接合速度應(yīng)減慢。因此選取由油門開度及油門開度變化率共同決定的駕駛員意圖作為離合器接合速度變化的輸入控制參數(shù)。此外，通過研究得知離合器主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差也是控制離合器接合速度的一個(gè)關(guān)鍵因素。如果差值過大，應(yīng)減少離合器接合，降低結(jié)合過程產(chǎn)生的滑磨功;反之應(yīng)增大離合器的接合量［5］。

2.2 起步過程中控制規(guī)律的制定

目前廣泛使用的離合器起步過程控制方法主要有兩種，分別是變接合速度和定接合速度控制［6］。定接合速度控制是充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使離合器在結(jié)合過程中始終保持一個(gè)恒定不變的速度，以此縮短離合器接合時(shí)間。但是在這種條件下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，長時(shí)間工作在惡劣環(huán)境中，滑磨功也較大［6］。

離合器變接合速度控制即“快—慢—快”的接合控制。通過對(duì)離合器結(jié)合過程的分析可知:第1階段(自由行程階段)和第3階段(同步結(jié)合階段)對(duì)起步品質(zhì)無大的影響，只要求離合器以較快的速度結(jié)合。第2階段(滑磨控制階段)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括駕駛員意圖、起步的品質(zhì)及接合沖擊度等，該階段結(jié)合速度相對(duì)較慢［7］。

根據(jù)以上分析，針對(duì)離合器的接合規(guī)律，在不同結(jié)合階段應(yīng)采取不同的控制策略。在起步過程的第1、3階段要求離合器以較快的速度結(jié)合，結(jié)合過程較為簡(jiǎn)單，因此采用普通的PID控制即可。在滑磨控制階段，由于受外界工作環(huán)境和駕駛員主觀意圖等因素的影響，采用簡(jiǎn)單的PID控制策略很難適應(yīng)各種不同的工況和車況，考慮到采用模糊控制能有效減少制造和使用過程中的不確定因素對(duì)控制效果的影響，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和自調(diào)整能力，因此本文在滑磨控制階段采用模糊控制器，將油門開度，開度變化率，主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差和離合器行程作為輸入量，首先進(jìn)行模糊化處理，根據(jù)模糊規(guī)則做出模糊推理后，通過反模糊化計(jì)算出離合器結(jié)合速度。離合器起步控制規(guī)律如圖2所示。

圖2 離合器起步控制規(guī)律

2.3 滑磨階段控制目標(biāo)

在滑磨階段，油門的開度及變化率反映駕駛員意圖，駕駛員意圖又量化為發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速?？刂圃瓌t是選取某一油門開度下最大轉(zhuǎn)矩時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速作為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，將發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)速度的速度差作為輸入變量，將離合器接合速度作為輸出量［8］。如果實(shí)際轉(zhuǎn)速比目標(biāo)轉(zhuǎn)速高，可以通過增加接合面使發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載加大，達(dá)到降低實(shí)際轉(zhuǎn)速的目的;反之則通過減小接合面使實(shí)際轉(zhuǎn)速增大。對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，選取某一油門開度下最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為目標(biāo)轉(zhuǎn)速［9］。發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3 AMT離合器起步滑磨控制局部模糊控制規(guī)則

根據(jù)圖2的離合器起步控制規(guī)律，在滑磨控制階段的局部模糊控制中采用2層模糊推理:第1層根據(jù)油門開度大小及開度變化率推理出駕駛員意圖;第2層根據(jù)由第1層推理得到的駕駛員意圖以及主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差和離合器行程，通過模糊推理，經(jīng)反模糊化后得出離合器結(jié)合速度?？刂圃砣鐖D4所示。

圖4 離合器滑磨控制器原理

3.1 駕駛員起步意圖模糊推理

3.1.1 輸入?yún)?shù)

油門開度的論域是［0，10］，設(shè)定5個(gè)模糊語言值:{非常小(VS)、小(S)、中(M)、大(B)、非常大(VB)}。節(jié)氣門開度變化率的論域是［－6，6］，設(shè)定7個(gè)模糊語言值:{負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)正大(PB)}。

3.1.2 輸出參數(shù)

駕駛員起步意圖的論域是［0，10］，設(shè)定5個(gè)模糊語言值:{非常慢(VS)、慢(S)、正常(M)、快(B)、非?？?VB)}。

3.1.3 駕駛員起步意圖控制規(guī)律

通過對(duì)熟練駕駛員的技巧和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，如果踩下的節(jié)氣門開度較大，節(jié)氣門開度變化率也較大，說明汽車駕駛員希望車輛能快速起步，此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)驅(qū)動(dòng)離合器快速接合;如果踩下的節(jié)氣門開度小，節(jié)氣門開度變化率也小，說明汽車駕駛員希望車輛緩慢起步，此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)驅(qū)動(dòng)離合器緩慢結(jié)合。根據(jù)駕駛員的這種操作規(guī)律，利用Matlab模糊推理機(jī)中的IFTHEN規(guī)則對(duì)輸入變量進(jìn)行模糊推理，可以得到相應(yīng)的駕駛員起步意圖。控制規(guī)則如表1所示。

表1 駕駛員起步意圖控制規(guī)則

在Matlab的模糊邏輯工具箱中，對(duì)輸入、輸出的模糊規(guī)則進(jìn)行設(shè)定，系統(tǒng)會(huì)繪制一個(gè)輸出曲面，用于顯示輸出對(duì)任何1個(gè)或2個(gè)輸入的依賴性。駕駛員起步意圖推理結(jié)果如圖5所示。

圖5 駕駛員起步意圖推理結(jié)果

3.2 離合器結(jié)合速度模糊推理

3.2.1 輸入?yún)?shù)

駕駛員起步意圖的論域是［0，10］，設(shè)定5個(gè)模糊語言值:{非常慢(VS)、慢(S)、正常(M)、快(B)、非?？?VB)};離合器行程的論域是［0，14］，設(shè)定7個(gè)模糊語言值:{非常小(VS)、很小(S)、較小(LS)、中(M)、較大(LB)、很大(B)、非常大(VB)};主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差的論域是［0，14］，設(shè)定7個(gè)模糊語言值:{非常小(VS)、很小(S)、較小(LS)、中(M)、較大(LB)、很大(B)、非常大(VB)}。

3.2.2 輸出參數(shù)

離合器結(jié)合速度的論域是［0，14］，設(shè)定7個(gè)模糊語言值:{非常慢(VS)、很慢(S)、較慢(LS)、中(M)、較快(LB)、很快(B)、非?？?VB)}。

3.2.3 離合器結(jié)合速度控制規(guī)律

離合器結(jié)合速度控制規(guī)則見表2，推理結(jié)果見圖6。

表2 離合器結(jié)合速度控制規(guī)則

圖6 離合器結(jié)合速度推理結(jié)果

4 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證模糊控制模型效果，在制定的模糊控制策略基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，建立了離合器起步模糊控制模型。其中仿真對(duì)象的重要參數(shù)見表3。

表3 仿真對(duì)象重要參數(shù)

設(shè)定起步油門開度為30%和60%時(shí)，仿真結(jié)果如圖7、8所示。

圖730 %油門開度起步仿真

圖860 %油門開度起步仿真

圖7是油門開度為30%時(shí)的起步?jīng)_擊度和滑磨功仿真結(jié)果，圖8是油門開度為60%時(shí)的起步?jīng)_擊度和滑磨功仿真結(jié)果?？梢钥吹?沖擊貫穿整個(gè)滑磨階段，其中最大沖擊度產(chǎn)生在離合器接合的同步點(diǎn)和半結(jié)合點(diǎn)處。這是因?yàn)殡x合器在半結(jié)合點(diǎn)時(shí)，需要克服車輛阻力矩形成了沖擊，同時(shí)離合器同步時(shí)車輛行駛阻力也會(huì)產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致離合器傳遞扭矩發(fā)生波動(dòng)。30%油門起步時(shí)的最大沖擊度為5.7，60%油門起步時(shí)的最大沖擊度為8.9，符合起步?jīng)_擊度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

從滑磨功仿真結(jié)果可知，30%油門起步的滑磨功為4 400 J，60%油門起步的滑磨功為5 750 J。這就間接證實(shí)了在大油門起步時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，離合器主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差越大，滑磨功越大。

綜上所述，整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合離合器起步規(guī)律，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和離合器結(jié)合速度的控制效果良好。根據(jù)GB/T 12535—2007汽車起動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)方法，起步過程沖擊度和滑磨功滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)的要求。

5 結(jié)束語

通過對(duì)離合器起步結(jié)合過程的分析，確定了油門開度，開度變化率，離合器行程和主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差是影響離合器結(jié)合過程中的重要因素。制定了離合器在其結(jié)合過程中“快—慢—快”的變速度結(jié)合規(guī)律。針對(duì)該結(jié)合規(guī)律，指出在離合器結(jié)合過程的3個(gè)不同階段應(yīng)使用不同的控制策略。制定了起步規(guī)律控制策略，特別是在滑磨控制階段的模糊控制策略?；贛atlab/Simulink仿真平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的離合器控制策略進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，該模糊控制策略可以很好地對(duì)AMT汽車起步過程進(jìn)行控制。

［1］孫東野，秦大同.汽車離合器局部恒轉(zhuǎn)速起步自動(dòng)控制研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39(11):108－111.

［2］梅雪峰.電控機(jī)械式自動(dòng)變速器離合器起步控制研究及仿真分析［D］.沈陽:東北大學(xué)，2009.

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［4］楊晶晶，米林.基于雙模糊控制的商用車AMT離合器起步結(jié)合控制研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，26(9):5－10.

［5］蔣雪峰.重型商用車AMT坡道起步系統(tǒng)研究與開發(fā)［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2011.

［6］許男.自動(dòng)離合器結(jié)合規(guī)律及控制系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

［7］黃建明，曹長修.汽車起步過程的離合器控制［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，28(3):91－94.

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［9］金倫，葛安林.電控機(jī)械式自動(dòng)變速器起步控制［J］.設(shè)計(jì)計(jì)算研究，2004(12):15－17.

(責(zé)任編輯 劉舸)

Research Control of AMT Clutch for Starting Process

MI Lin，LIU Rui－jie，TAN Wei
(School of Mechanical Engineering，
Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Through analyzing the starting process of AMT，we got the combination rule of its infancy which was“fast－slow－fast”.According to this combination rule and process control requirements，we developed different strategies in the initial stage.In the stage of friction control，based on the excellent pilots＇experience，this article designed fuzzy control strategy and used Matlab/Simulink to build fuzzy control model.The simulation result coincides with the clutch start rule.The combination of engine speed and clutch speed is controlled very well，meeting the initial evaluation index.

AMT;starting control;layered;fuzzy control

U463.211

A

1674－8425(2014)05－0007－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.05.002

2013－12－21

米林(1964—)，男，重慶人，教授，主要從事機(jī)電測(cè)控方面的研究。

米林，劉瑞杰，譚偉.機(jī)械式自動(dòng)變速器的離合器起步控制［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(5): 7－12.

format:MI Lin，LIU Rui－jie，TAN Wei.Research Control of AMT Clutch for Starting Process［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(5):7－12.