AMT系統(tǒng)干式離合器自動(dòng)控制策略研究

史湧杰(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院, 上海 201804)

離合器起步控制是AMT控制系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)之一，由于在車輛起步過程中面臨著多元化的駕駛意圖、復(fù)雜的行駛路面和工況、車輛重量變化等因素的影響，起步時(shí)離合器接合控制需要保證發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火，同時(shí)追求快捷平順的車輛起步[1].

1 車輛起步動(dòng)力學(xué)分析

如圖1所示，假設(shè)坡道路面良好以及車輪不打滑，起步過程中車速為零，依靠離合器的逐漸接合摩擦，傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩，從而完成車輛的動(dòng)力銜接過程.在起步過程中車輛受到驅(qū)動(dòng)力、制動(dòng)力、加速阻力、滾動(dòng)阻力和坡道阻力的綜合作用，它們之間的相互關(guān)系可以描述為[2]

Mt=Mg+Mf+Mi+Mj，

(1)

式中：Mt、Mg、Mj、Mf、Mi為車體上的驅(qū)動(dòng)力、制動(dòng)力、加速阻力、滾動(dòng)阻力、坡道阻力，N·m.

在起步過程的不同階段，車輛縱向動(dòng)力學(xué)滿足不同關(guān)系：

(1)離合器消除其主、從動(dòng)部分的間隙過程，傳遞的離合器扭矩為零，此時(shí)車輛還處于靜止?fàn)顟B(tài)，制動(dòng)力矩等于車輛的坡道阻力矩，滿足公式：

Mg=Mf+Mi.

(2)

(2)離合器開始摩擦傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，但是尚不足以克服車輛阻力，此時(shí)車輛仍然保持靜止?fàn)顟B(tài)，車輪的力矩平衡方程式如下：

Mt+Mg=Mf+Mi.

(3)

(3)隨著離合器接合的逐漸深入，離合器傳遞的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩逐漸增加，當(dāng)驅(qū)動(dòng)扭矩大于坡道阻力和摩擦阻力矩的合力矩時(shí)，車輪的力矩平衡方程式如下：

Mt=Mg+Mf+Mi.

(4)

(4)此時(shí)制動(dòng)力逐漸解除，車輛開始出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)車速，離合器主從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速差漸漸縮小，離合器完全接合后車輛起步過程完畢.此時(shí)

Mt=Mf+Mj+Mi.

(5)

圖1 車輛受力變化趨勢

在車輛坡道起步過程中，解除制動(dòng)力的時(shí)刻非常重要，在階段(4)中制動(dòng)力解除時(shí)間偏晚，如曲線1部分，車輛已經(jīng)處于向前運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，制動(dòng)力成為阻力會(huì)導(dǎo)致離合器的滑摩負(fù)荷加大，不利于離合器的使用壽命；在階段(3)中制動(dòng)解除時(shí)刻正常，如曲線2部分順利完成了車輛動(dòng)力的交接，車輛順暢起步；在階段(1)、(2)中制動(dòng)解除過早，如線3部分，這時(shí)離合器傳遞的摩擦扭矩還不足以克服車輛受到的坡道阻力，如果此時(shí)解除制動(dòng)力矩，車輛可能會(huì)出現(xiàn)溜車的現(xiàn)象.

2 離合器操縱系統(tǒng)溫度特性研究

為了實(shí)現(xiàn)車輛起步過程自動(dòng)化控制的同時(shí)追求快速性和舒適性，AMT系統(tǒng)需要精確控制離合器的接合與分離，因此，需要對(duì)離合器操縱系統(tǒng)特性進(jìn)行分析研究.

AMT系統(tǒng)采用電控液動(dòng)的干式離合器，其中離合器操控油缸電磁閥采用比例流量閥，額定電阻為2.5歐姆，功率為5瓦.設(shè)定一組不同的溫度，將10個(gè)樣本流量比例電磁閥放置于不同環(huán)境溫度下，其電阻測量值如圖2所示.可以看到,隨著環(huán)境溫度的升高而電磁閥電阻會(huì)明顯變大.因此，在同一占空比下，隨著電磁閥散熱或環(huán)境溫度變化引起電磁閥電阻變大，導(dǎo)致電磁閥的控制電流變小，閥口開度面積變小，最終導(dǎo)致操控油缸流量變化，嚴(yán)重影響離合器控制的一致性[3].

圖2 不同溫度下比例流量電磁閥電阻

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)離合器的精確控制，在不同溫度下對(duì)離合器操縱系統(tǒng)進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)如圖3所示.AMT系統(tǒng)中離合器起步控制的重點(diǎn)在于精準(zhǔn)控制離合器的接合過程，為了確保不同溫度下離合器接合過程控制的一致性，采用試驗(yàn)建模查表的方式獲得不同溫度下離合器控制參數(shù).

圖3 不同溫度下離合器操控系統(tǒng)接合速度

3 離合器起步過程評(píng)價(jià)指標(biāo)

車輛的起步過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)連續(xù)的過程，一個(gè)良好的車輛起步過程可以充分反映駕駛員意圖、并具有快捷和舒適的優(yōu)點(diǎn)，因此，離合器起步過程評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包含：起步時(shí)間、滑摩功、沖擊度.

在車輛的起步過程中，離合器經(jīng)歷從動(dòng)力中斷狀態(tài)、滑摩狀態(tài)、到完全接合狀態(tài)，其中，在起步過程的滑摩功可由如下公式表示：

(6)

式中：W表示離合器接合過程的滑摩功，J；t0表示離合器主、從動(dòng)盤開始接觸滑摩的時(shí)刻，s；t1表示離合器從動(dòng)盤開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)速的時(shí)刻，s；t2表示離合器主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速同步的時(shí)刻，s；Mc(t)表示離合器起步過程中傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩，Nm；ωe(t)表示發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪盤的角速度，rad/s；ω1(t)表示離合器從動(dòng)盤的角速度，rad/s.

此外，在離合器接合過程中，乘客的乘坐舒適性通常使用沖擊度指標(biāo)來衡量，其表達(dá)式如下：

(7)

式中：ω1為變速器輸入軸角速度，rad/s；ω2為變速器輸出軸角速度，rad/s.

離合器起步過程的快捷性一般憑借離合器的接合時(shí)間來評(píng)價(jià)，所以車輛起步過程追求的最優(yōu)指標(biāo)就是在最短的起步時(shí)間內(nèi)使得離合器接合過程所產(chǎn)生的沖擊度和滑摩功最小，也即是確保起步品質(zhì)的快捷性、舒適性和耐久性.

4 離合器起步控制策略

車輛從靜止起步時(shí)離合器的接合過程一共可以分為3個(gè)階段[4-6]：消除空行程、滑摩過程和同步過程.針對(duì)這3個(gè)階段并結(jié)合離合器起步效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)(起步時(shí)間、滑磨功、沖擊度等)來分析，在消除空行程階段由于離合器不傳遞扭矩，只是消除分離軸承和膜片彈簧之間的間隙，為了縮短離合器接合時(shí)間，一般采取離合器快速接合的控制方式；在滑磨過程階段，為了確保離合器能夠平穩(wěn)傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，一般采取離合器平穩(wěn)緩慢接合的控制方式；在同步過程階段，離合器主從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速差消失，轉(zhuǎn)速同步從而使得滑摩功為零，此階段采用離合器快速接合的控制方式.在離合器接合的不同階段的銜接階段，需要確保離合器接合速度的平穩(wěn)過渡，防止離合器接合速度的超調(diào)，從而引起離合器傳遞的摩擦扭矩突變.

根據(jù)以上離合器特性分析，提出依據(jù)駕駛員意圖的離合器控制策略，如圖4所示.

由于發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是全程調(diào)速的柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)油門開度，調(diào)節(jié)噴油量從而自適應(yīng)不同負(fù)載情況下的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速控制.因此,不同油門開度對(duì)應(yīng)著不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.圖4的控制策略圖里提到的參考模型即為根據(jù)油門開度的發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖，輸入為油門開度，輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)參考轉(zhuǎn)速.控制器通過發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)參考轉(zhuǎn)速的誤差和誤差變化率來產(chǎn)生電磁閥的控制信號(hào)kp，從而完成離合器的自動(dòng)起步控制.

圖4 離合器起步過程控制策略

令neref為駕駛員油門開度下發(fā)動(dòng)機(jī)參考轉(zhuǎn)速，r/min；neact為當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min.則控制誤差e可表示為

e=neref-neact.

(8)

選擇三角函數(shù)作為控制變量的隸屬函數(shù)曲線如圖5所示，在確定物理論域和模糊論域后，將輸入信號(hào)模糊化，即通過隸屬函數(shù)將物理論域的精確輸入量映射到模糊論域上.一般地，隸屬函數(shù)為單峰函數(shù)，在論域上的分布位置上的重疊率取0.2～0.6為宜.

圖5 誤差及其變化率的隸屬度函數(shù)

當(dāng)誤差變化率大時(shí)，主要根據(jù)誤差方向來選擇控制量，如誤差有增大的趨勢，為盡快消除已有的誤差并抑制誤差的繼續(xù)擴(kuò)大，應(yīng)選取負(fù)向較大的控制量；當(dāng)誤差為負(fù)，但誤差變化率為正時(shí)，由于系統(tǒng)自身慣性具有減少誤差的運(yùn)動(dòng)趨勢，為了提高系統(tǒng)響應(yīng)過程的穩(wěn)定性，降低超調(diào)，因此,宜選取較小的控制量，具體推理規(guī)則如表1所示.

表1 kp的控制規(guī)則

基于圖中離合器自動(dòng)起步的控制策略，在AMT系統(tǒng)車輛上進(jìn)行水泥平路和小坡道離合器起步試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示.

圖6 離合器起步試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

針對(duì)AMT系統(tǒng)離合器起步過程的車輛動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，將車輛當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)分析了離合器起步過程中車輪的受力情況以及力學(xué)變化趨勢；其次,在不同溫度下進(jìn)行離合器操縱系統(tǒng)試驗(yàn),探索了溫度對(duì)離合器操縱系統(tǒng)的影響；最終提出了基于模糊規(guī)則的離合器起步控制策略并進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明離合器起步控制策略的正確性和有效性.

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