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      AMT車輛起步過程離合器控制研究

      2018-01-25 07:48:51王浩王克
      汽車實(shí)用技術(shù) 2018年1期
      關(guān)鍵詞:動(dòng)盤主從時(shí)間段

      王浩,王克

      (1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 南陽 473009;2.唐山愛信齒輪有限責(zé)任公司,河北 唐山 063033)

      引言

      電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(Automated Mechanical Transmi-ssion,AMT)是在原來干式摩擦片離合器和定軸齒輪式分級(jí)手動(dòng)變速器的基礎(chǔ)上增設(shè)電控?fù)Q擋機(jī)構(gòu)改進(jìn)形成。AMT具有動(dòng)力傳遞效率高、油耗低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)有著良好的應(yīng)用前景。但是國內(nèi)自主研發(fā)的 AMT在推廣市場(chǎng)化中還有離合器起步控制等問題需要解決[1]。

      本文以AMT在起步過程中的控制方法為主要研究?jī)?nèi)容,對(duì)起步過程控制評(píng)價(jià)參數(shù)沖擊度、滑摩功和離合器結(jié)合階段特性進(jìn)行了研究,提出了以模糊控制為根本的分時(shí)間段封閉反饋控制方法;開發(fā)了基于Freescale MC9S12DT128單片機(jī)的模糊控制系統(tǒng),并用臺(tái)架試驗(yàn),驗(yàn)證了控制方法的合理性。

      1 離合器結(jié)合控制評(píng)價(jià)指標(biāo)

      車輛在起步過程中的響應(yīng)時(shí)間、換擋過度、離合器的更換周期都與離合器的控制過程具有重要關(guān)系。在離合器結(jié)合時(shí),既要車輛運(yùn)行穩(wěn)定、沒有挫車感,還要保證離合器的耐用。所以,一般用沖擊度和滑摩功來評(píng)價(jià)離合器結(jié)合時(shí),電控系統(tǒng)控制效果的優(yōu)劣。

      (1)沖擊度

      車輛起步時(shí),運(yùn)行平穩(wěn)性和挫車感的好壞是由沖擊度的大小來評(píng)價(jià)。沖擊度越小,起步就越慢;反之,沖擊度越大,車輛運(yùn)行平穩(wěn)性越差,并有越強(qiáng)的頓挫感,因此沖擊度要恰到好處。沖擊度指車輛車身縱向加速度的變化率[2]:

      式中a:車輛車身縱向加速度;u:車速。

      汽車的行駛方程為[3]:

      式中Ft:發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)力;Ff:車輛輪胎所受滾動(dòng)阻力;Fw:車身所受空氣阻力;Fi:坡度阻力;Fj:加速阻力。

      通過等效換算即:

      式中Tc:離合器傳遞的扭矩;ig:變速器的變速比;i0:主減速器的傳動(dòng)比;η:傳動(dòng)效率;r:車輪半徑;M:汽車質(zhì)量;CD:空氣阻力系數(shù);A:迎風(fēng)面積;δ:汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);G:車重。

      在起步過程中Fw≈0,F(xiàn)i和Ff近似不變,由式(3)可得:

      根據(jù)式(1)及(4)可得:

      假設(shè)膜片彈簧壓力呈線性增加,則

      式中 μs:離合器主從動(dòng)摩擦片之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù);z:離合器的摩擦面數(shù);Rc:離合器壓盤有效作用半徑;kc:離合器線性近似剛度;x:膜片彈簧變形量。

      由式(5)和(6)可得

      由以上列式可知,沖擊度與車輛外形、重量等指標(biāo)和離合器零部件具體結(jié)構(gòu)尺寸以及離合器的結(jié)合速度有關(guān),其中,車輛和離合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為固定的,因此沖擊度的大小就是由控制離合器的結(jié)合速度來實(shí)現(xiàn)。通常,沖擊度參數(shù)的最大值jmax為10m/s3, 由式(7)就能得到該車輛離合器可用的接合速度上限值。本文的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和車輛實(shí)際測(cè)試不同,在最大結(jié)合速度根據(jù)標(biāo)定和計(jì)算相結(jié)合的方法,選定為9.76mm/s。

      (2)滑摩功

      滑摩功計(jì)算公式可以表示為[2]:

      式中 ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速;ωc為離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速。由式(8)可知,離合器滑摩功的大小與以下參數(shù)有關(guān):

      1)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速,其值與滑摩功成正比;

      2)外界阻力,其值與滑摩功成正比;

      3)滑摩時(shí)間,其值與滑摩功成正比;

      4)離合器主從動(dòng)盤相對(duì)轉(zhuǎn)速差,只差值與滑摩功成正比。

      2 控制方法

      (1)離合器結(jié)合過程分析

      離合器整個(gè)結(jié)合過程可分為空行程、半聯(lián)動(dòng)邊轉(zhuǎn)邊滑過程和主從動(dòng)盤同步三個(gè)階段,半聯(lián)動(dòng)邊轉(zhuǎn)邊滑階段是控制重點(diǎn),這一過程有以下三個(gè)子階段組成:初始起步階段、起步加速階段和趨于同步階段[2]。以上五個(gè)階段控制的目標(biāo)重點(diǎn)不完全一致:

      空行程階段:該階段是從離合器主從動(dòng)盤接觸開始到將要半聯(lián)動(dòng)時(shí)為止,在該時(shí)間內(nèi)沒有產(chǎn)生沖擊,因此控制目標(biāo)是盡可能地減小結(jié)合時(shí)間,從而減小滑摩功。

      初始起步階段:這是半聯(lián)動(dòng)邊轉(zhuǎn)邊滑過程的第一階段。在該時(shí)間段內(nèi)離合器從動(dòng)盤得到的摩擦力矩逐步增大,直至超過起步阻力矩從而開始轉(zhuǎn)動(dòng),車輛開始起步。該階段是起步控制的重點(diǎn),如果在此時(shí)間段離合器從動(dòng)盤所傳遞的扭矩增量過于迅速,就會(huì)引起車輛縱向加速度的快速增大,從而產(chǎn)生沖擊,需要根據(jù)離合器的磨損狀況、路面以及載荷情況等及時(shí)判斷半接合點(diǎn)位置,控制結(jié)合速度。

      起步加速階段:該階段是指起步后到趨于同步前的時(shí)間段。該階段較容易產(chǎn)生滑摩功,控制重點(diǎn)是在初始起步階段末期,適量增大結(jié)合速度,使得離合器傳遞的扭矩和從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速能夠快速平穩(wěn)的增大,盡量耗時(shí)短地完成該階段,從而減小滑摩功。

      趨于同步階段:該階段最大的特點(diǎn)是離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速趨于同步。該時(shí)間段內(nèi)主從動(dòng)盤的相對(duì)轉(zhuǎn)速差值逐步減小為零,如果主從動(dòng)盤同步過于急劇,會(huì)在主從動(dòng)盤的同步點(diǎn)處引起強(qiáng)烈的扭矩?cái)_動(dòng),就出現(xiàn)較大的沖擊現(xiàn)象,因此該時(shí)間段內(nèi)控制的重點(diǎn)是在起步加速階段末期適當(dāng)放慢結(jié)合速度,以使扭矩平緩變化,盡可能地避免較大的沖擊。

      主從動(dòng)盤同步階段:該時(shí)間段內(nèi)離合器主從動(dòng)盤停止滑動(dòng)摩擦,兩者接合為一個(gè)整體,沒有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),離合器所傳遞的扭矩大小不再按摩擦力矩大小來傳遞動(dòng)力,而是按照行駛阻力大小來傳遞動(dòng)力。該階段沒有滑摩功,也不會(huì)出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象,因此控制重點(diǎn)是縮短該階段的時(shí)間。

      (2)控制參數(shù)選取

      根據(jù)以上分析,離合器結(jié)合過程的五個(gè)階段分別有不同的控制重點(diǎn),根據(jù)沖擊度和滑摩功的控制要求,本文選用以下控制參數(shù):

      (3)多階段模糊封閉反饋控制方法

      本文所研究的控制方法是根據(jù)不同時(shí)間段的控制重點(diǎn)差異,選取不同的被控參數(shù)和控制目標(biāo),在空行程階段和同步階段采用定速結(jié)合;在初始起步階段、起步加速階段和趨于同步階段采用模糊封閉反饋控制,模糊控制流程如圖1所示。

      圖1 分時(shí)間段模糊封閉反饋控制流程圖

      當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)起步條件情況下,在空行程階段和同步階段控制主從動(dòng)盤以定速進(jìn)行結(jié)合,目標(biāo)是縮短整個(gè)過程的接合時(shí)間,減小滑摩功;在初始起步階段,以控制半接合點(diǎn)附近的沖擊度為主要目標(biāo),作為被控制參數(shù),其理想值由標(biāo)定可得,因此,模糊控制器的一個(gè)輸入量是的實(shí)測(cè)值與理想值的偏差 sc,另一個(gè)輸入量是 sc的變化率;在起步加速階段以控制滑摩功為主要目標(biāo),作為被控制參數(shù),其理想值由標(biāo)定可得,因此,模糊控制器的一個(gè)輸入量是實(shí)測(cè)值與理想值的偏差 se,另一個(gè)輸入量是 se的變化率;在趨于同步階段,以控制同步點(diǎn)附近的沖擊度為主要目標(biāo),作為被控制參數(shù),的理想值由標(biāo)定可得,模糊控制器的一個(gè)輸入量是的實(shí)測(cè)值與理想值的偏差sec,另一個(gè)輸入量是sec的變化率;閉環(huán)控制器如圖2所示。

      圖2 模糊封閉反饋控制器原理圖

      模糊控制不再用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程,而是依靠專家的豐富經(jīng)驗(yàn)和知識(shí),通過對(duì)輸入量的模糊化、模糊推理、輸出量的去模糊化就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的精確控制,具有非線性應(yīng)用方便,魯棒性好等特點(diǎn)。模糊控制能夠很好的模仿優(yōu)秀駕駛員的操作過程,充分解決了離合器起步的時(shí)間內(nèi)隨時(shí)變化、多種工況、非線性等復(fù)雜問題。

      本文開發(fā)了基于Freescale MC9S12DT128單片機(jī)的模糊閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),該單片機(jī)內(nèi)部集成了模糊推理機(jī),并且提供了專門的模糊控制指令,可以方便的開發(fā)模糊控制程序。對(duì)離合器的控制通過控制離合器的伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和方向來實(shí)現(xiàn)。

      MC9S12DT128單片機(jī)規(guī)定隸屬函數(shù)采用梯形表示,模糊論域?yàn)閇0,255]。根據(jù)前面分析對(duì)控制的要求,初始起步階段模糊控制器的輸入sc、及輸出u(結(jié)合速度)都分為七個(gè)等級(jí),模糊語言變量選為{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大 },對(duì)應(yīng)的模糊子集表示為{ NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB }。假定離合器接合的方向?yàn)檎?,分開的方向?yàn)樨?fù),則對(duì)于 u,NB表示快速分開,NM 表示中速分開,NS表示慢速分開,ZE表示暫停原位置,PS表示慢速結(jié)合,PM表示中速結(jié)合,PB表示快速結(jié)合,該階段的模糊控制規(guī)則庫為表1所示。

      起步加速階段模糊控制器的輸入se和及輸出u都分為五個(gè)等級(jí),模糊語言變量選為{負(fù)大、負(fù)小、零、正小、正大 },對(duì)應(yīng)的模糊子集表示為{ NB、NS、ZE、PS、PB },該階段的模糊控制規(guī)則如表2所示。

      趨于同步階段模糊控制器的輸入sec和及輸出u都分為七個(gè)等級(jí),模糊語言變量選為{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大 },對(duì)應(yīng)的模糊子集表示為{ NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB },該階段的模糊控制規(guī)則如表3所示。

      表1 初始起步階段模糊控制規(guī)則

      表2 起步加速階段模糊控制規(guī)則

      表3 趨于同步階段模糊控制規(guī)則表

      3 試驗(yàn)研究

      由計(jì)算和標(biāo)定可知,起步前階段和同步階段的結(jié)合速度是9.76mm/s,初始起步階段的理想值是30rad/s2,起步加速階段的理想值為 100rad/s2,趨于同步階段的理想值為40rad/s2。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了離合器的起步結(jié)合控制試驗(yàn)。本文分別進(jìn)行了一檔起步和二檔起步試驗(yàn),結(jié)果如圖3和圖4所示:

      圖3 一檔起步控制試驗(yàn)

      圖4 二檔起步控制試驗(yàn)

      由圖3可知,在1.4s時(shí)離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速開始平穩(wěn)快速增加,在2.7s時(shí)到達(dá)同步點(diǎn),滑摩時(shí)間為1.3s,整個(gè)起步結(jié)合時(shí)間為1.5s;在整個(gè)接合過程中最大沖擊度為8m/s3,其值小于沖擊度的控制標(biāo)準(zhǔn)10m/s3。由圖4可知,在1.15s時(shí)離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速開始平穩(wěn)快速增加,在2s時(shí)到達(dá)同步點(diǎn),滑摩時(shí)間為0.85s,起步過程接合時(shí)間為1.1s;在整個(gè)接合過程中最大沖擊度為 8.5m/s3,其值也小于沖擊度的控制標(biāo)準(zhǔn)10m/s3。對(duì)比以上兩組圖片,兩種工況下都實(shí)現(xiàn)了車輛的快速起步,二檔起步時(shí)間快于一檔起步,更適合于輕載快速起步;空行程和同步階段這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)離合器主從動(dòng)盤是定速結(jié)合,縮短整個(gè)過程的結(jié)合時(shí)間,減小滑摩功;滑摩過程的初始起步階段和趨于同步階段結(jié)合速度比較小,是為了減小主從動(dòng)盤半接合點(diǎn)附近和同步點(diǎn)附近的沖擊度;起步加速階段接合速度增大,能夠減小滑摩功,結(jié)合速度的變化符合控制策略的要求;在半接合點(diǎn)附近離合器沖擊度最大,隨之慢慢減弱,接下來有一段明顯的波動(dòng),在同步點(diǎn)附近又突然增大,整個(gè)變化過程和前面的分析相吻合,這個(gè)控制策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)最大沖擊度的控制,符合控制標(biāo)準(zhǔn),能夠適合車輛平穩(wěn)起步。

      4 結(jié)論

      AMT車輛起步過程對(duì)離合器的控制是一個(gè)較復(fù)雜的控制問題,由于起步時(shí),各個(gè)控制目標(biāo)既統(tǒng)一又有矛盾性,需要把握好適當(dāng)?shù)亩?,而且起步工況時(shí)參數(shù)復(fù)雜多變,給離合器控制增加了很大的難度。本文通過對(duì)沖擊度、滑摩功、離合器結(jié)合特性的深入分析,劃分出離合器主從動(dòng)盤在結(jié)合過程不同階段分別確定的控制重點(diǎn),提出了分階段模糊閉環(huán)控制策略,根據(jù)不同階段的控制重點(diǎn)的差異確定了各個(gè)階段不同的控制參數(shù),開發(fā)了基于Freescale MC9S12DT128單片機(jī)的模糊封閉反饋控制系統(tǒng),進(jìn)行的臺(tái)架試驗(yàn),驗(yàn)證了本文模糊封閉反饋控制方法對(duì)車輛起步時(shí)間段的離合器沖擊度和起步時(shí)間的有效控制,可以實(shí)現(xiàn)車輛的穩(wěn)定快速起步。

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