基于AMESim的離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王丹丹，王滿江，普剛，陳大偉

（東風(fēng)商用車有限公司商用車技術(shù)中心 先行技術(shù)開(kāi)發(fā)部，武漢 430056）

1 前言

隨著我國(guó)AMT技術(shù)水平的不斷發(fā)展，舒適性較高的AMT變速器開(kāi)始逐步安裝在卡車和客車上。離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接控制離合器的分離接合，其性能的好壞直接影響到換擋平順性和駕駛員的舒適性。因此，需要不斷對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升其性能。

目前，研究人員研究離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性的方式主要有兩種：1、臺(tái)架測(cè)試方法，該方法建立在已有待測(cè)實(shí)物的基礎(chǔ)上，一旦希望對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化，必然需要完成設(shè)計(jì)及試制，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，開(kāi)發(fā)成本高；2、通過(guò)Matlab/Simulink建立數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行仿真研究，該方法需要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)建模，建立的模型往往不能直觀表達(dá)出各系統(tǒng)間的關(guān)系，并且建模過(guò)程繁瑣、工作量大。

AMESim(Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems)，是法國(guó)IMAGINE公司于1995年推出的多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)。它是基于直觀的圖形界面的建模仿真平臺(tái)，具有豐富的元件設(shè)計(jì)庫(kù)（32個(gè)模型庫(kù)，4 000多個(gè)元件），能為流體動(dòng)力、機(jī)械、熱流體和控制系統(tǒng)提供一個(gè)完善、優(yōu)越的仿真環(huán)境和靈活的解決方案。面向工程應(yīng)用的定位使得AMESim在航空航天工業(yè)、汽車制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

本文以某中卡氣動(dòng)式AMT的離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，在現(xiàn)有樣件的參數(shù)基礎(chǔ)上，使用AMESim建立AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型，通過(guò)分析離合器系統(tǒng)的工作過(guò)程，調(diào)校關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得氣缸設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性的影響，提出優(yōu)化建議。并對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和新一輪樣件試制，在測(cè)試臺(tái)架上對(duì)新一輪試制樣件進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證運(yùn)用AMESim軟件仿真指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性。

2 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

如圖1，離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一個(gè)單作用氣缸、四個(gè)常閉式兩位兩通電磁閥和位移傳感器組成?；钊麑飧追譃榍昂髿馐遥皻馐遗c大氣相通，后氣室接電磁閥。位移傳感器可檢測(cè)離合器的接合分離位置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。電磁閥采用PWM控制，進(jìn)排氣閥各由一個(gè)快閥和一個(gè)慢閥組成，快慢閥區(qū)別在于通徑大小不同。

離合器分離時(shí)，進(jìn)氣閥通電將閥打開(kāi)，儲(chǔ)氣筒內(nèi)的高壓氣體經(jīng)過(guò)減壓閥后到達(dá)氣缸，快速分離離合器，離合器完全分離后關(guān)閉進(jìn)氣閥；離合器接合時(shí)，打開(kāi)排氣閥，氣缸內(nèi)高壓氣體排出，離合器快慢快接合，離合器接合后關(guān)閉排氣閥。

3 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模

AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型主要由機(jī)械部分、氣動(dòng)部分和控制程序組成，采用AMESim軟件的 Mechanical庫(kù) 、 Pneumatic庫(kù) 、 single control庫(kù) 和Electrical Static Conversion庫(kù)中相應(yīng)的模塊構(gòu)建離合器系統(tǒng)的模型。

如圖2，模型中包括：離合器，離合器分離機(jī)構(gòu)、位移傳感器、氣缸、氣壓傳感器、進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥、氣源等。其中離合器的分離力通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查表獲取。

4 仿真分析

主要的仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1：

表1 仿真模型參數(shù)設(shè)置

4.1 仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

本文仿真及測(cè)試均以快閥為例。設(shè)置電磁閥控制信號(hào)占空比為最常用的30%，進(jìn)行仿真與實(shí)際臺(tái)架測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。下文中缸內(nèi)氣壓均指后氣室內(nèi)氣壓。

由圖3、圖4可以看出，仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線基本吻合。

電磁閥控制信號(hào)占空比范圍為20%～70%，分別設(shè)置占空比為20%、50%、70%進(jìn)行仿真，進(jìn)一步驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確度。

對(duì)比圖5和圖6，可以看出，仿真與實(shí)測(cè)的離合器接合分離時(shí)間略有差異，這是由于系統(tǒng)摩擦等因素導(dǎo)致的，但不同占空比下仿真與實(shí)測(cè)曲線趨勢(shì)一致，因此仿真模型可以指導(dǎo)優(yōu)化離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4.2 氣缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真

設(shè)置控制信號(hào)占空比30%；仿真步長(zhǎng)為0.001；仿真時(shí)間為10 S，第0 S開(kāi)啟進(jìn)氣閥、第3 S關(guān)閉進(jìn)氣閥，第5 S開(kāi)啟排氣閥、第8 S關(guān)閉排氣閥。分別更改模型中氣缸本體各參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化仿真。

4.2.1 不同氣缸直徑的仿真對(duì)比

位移正方向?yàn)殡x合器分離方向，由圖7知：①缸徑越大，離合器分離接合越快，當(dāng)缸徑大于等于100 mm時(shí)，缸徑大小對(duì)離合器分離時(shí)間的影響很?。虎诟讖皆酱?，離合器接合動(dòng)作響應(yīng)越慢。③缸徑為80 mm時(shí)，離合器不能徹底分離。綜上三點(diǎn)，缸徑保持90 mm不變。

4.2.2 不同缸內(nèi)容積的仿真對(duì)比

由圖8可知，容積越小，離合器分離接合越快、離合器接合動(dòng)作響應(yīng)越快。結(jié)合氣缸本身結(jié)構(gòu)要求，氣缸長(zhǎng)度在滿足活塞行程及缸內(nèi)預(yù)緊彈簧工作行程的前提下，氣缸長(zhǎng)度可縮短10 mm。

4.2.3 加泄壓閥與未加泄壓閥的仿真對(duì)比

由于膜片彈簧離合器完全分離后的彈簧力小于開(kāi)始分離時(shí)的彈簧力，因此增加泄壓裝置，在離合器接合前，排出部分高壓氣，可以縮短離合器接合動(dòng)作前的氣缸排氣時(shí)間。

為了保證泄壓后，氣缸力足以保持離合器位移不變，缸內(nèi)氣壓要大于等于離合器接合階段氣壓曲線上氣壓跳動(dòng)時(shí)的尖峰值，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)約為4 bar。設(shè)置泄壓閥在仿真時(shí)第3 S開(kāi)啟，將缸內(nèi)氣壓降至4 bar時(shí)停止泄壓。

由圖9、圖10可知，提前泄壓加速了離合器接合動(dòng)作響應(yīng)，但離合器接合過(guò)程總時(shí)長(zhǎng)基本保持一致。因此，可加泄壓閥將缸內(nèi)氣壓提前泄壓至4 bar。

4.2.4 前后氣室共用排氣閥與前后氣室分開(kāi)排氣的仿真對(duì)比

由于缺乏手段測(cè)量排氣閥處排氣阻力，仿真時(shí)在排氣口處加限流面積不同的限流元件模擬不同排氣阻力。

由圖11、12，前后氣室共用1個(gè)排氣閥，限流面積為5 mm2時(shí)，排氣過(guò)程中有一部分高壓氣體進(jìn)入前氣室，對(duì)缸內(nèi)氣壓平衡產(chǎn)生影響。由圖13，前后氣室共用1個(gè)排氣閥且排氣阻力較大時(shí)，離合器接合時(shí)動(dòng)作響應(yīng)加快，但合器接合過(guò)程總時(shí)長(zhǎng)變化很小。限流面積大于等于15 mm2時(shí)，對(duì)離合器接合影響很小。

綜上仿真結(jié)果，離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)可從以下三方面優(yōu)化：①氣缸縮短10 mm，減小氣缸容積；②加泄壓閥或用一個(gè)排氣閥作為泄壓閥，離合器接合時(shí)提前泄壓至4 bar；③前后缸共用同一排氣閥。

5 臺(tái)架測(cè)試

根據(jù)優(yōu)化仿真提出的三個(gè)優(yōu)化方向，對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和新一輪樣件試制，在測(cè)試臺(tái)架上對(duì)其進(jìn)行測(cè)試和性能對(duì)比。

5.1 減小氣缸容積前后的測(cè)試對(duì)比

在氣缸內(nèi)加裝一個(gè)10 mm厚的墊塊模擬氣缸縮短10 mm，墊塊避開(kāi)進(jìn)排氣道及預(yù)緊彈簧安裝位置。實(shí)物如圖14、15所示。

實(shí)際測(cè)試對(duì)比情況如表2所示。對(duì)比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，增加墊塊，縮小氣缸容積縮短了離合器分離接合時(shí)間。

表2 有無(wú)墊塊情況下離合器分離接合時(shí)間的對(duì)比

5.2 加泄壓閥與未加泄壓閥的測(cè)試對(duì)比

電磁閥控制占空比30%，離合器分離后，控制泄壓閥排氣，使缸內(nèi)氣壓降至4 bar，然后正?？刂齐x合器接合。

由圖16、圖17，增加泄壓閥后，縮短了離合器開(kāi)始接合動(dòng)作前的氣缸排氣時(shí)間0.2 S，提升了離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能。

5.3 前后氣室共用排氣閥與前后氣室分開(kāi)排氣的測(cè)試對(duì)比

在前氣室排氣管上加密封，將前氣室氣體引至排氣閥，前后氣室共用同一排氣閥。由于排氣越快，前后缸共用排氣閥對(duì)離合器接合影響越大，因此以快閥、占空比為70%為例，對(duì)比離合器接合情況。

由圖18，前后氣室共用同一排氣閥時(shí)離合器接合動(dòng)作響應(yīng)比前后氣室分開(kāi)排氣時(shí)縮短0.03 S。

綜上，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物進(jìn)行的三個(gè)方面改進(jìn)，均在不同程度上提升了離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能。

6 結(jié)論

(1)本文運(yùn)用仿真軟件AMESim建立了AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型，并對(duì)離合器系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)行仿真分析，避免了繁瑣的Matlab/Simulink計(jì)算建模和大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，顯示出AMESim是一個(gè)直觀、方便、高效的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真分析工具。

(2)本文通過(guò)在仿真模型中調(diào)校離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得氣缸設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性的影響，提出氣缸縮短10 mm，減小氣缸容積；加泄壓閥，離合器接合時(shí)提前泄壓至4 bar；前后缸共用同一排氣閥三個(gè)方面的優(yōu)化建議。進(jìn)而對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和試制，在測(cè)試臺(tái)架上對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物進(jìn)行的三方面改進(jìn)，均不同程度上提升了離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能。因此，運(yùn)用AMESim對(duì)實(shí)物進(jìn)行仿真分析，還可以對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇提供依據(jù)，有效提高設(shè)計(jì)效率，降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

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