某輕卡智能離合系統(tǒng)開發(fā)

楊允輝，幸振帆，佟 維

某輕卡智能離合系統(tǒng)開發(fā)

楊允輝，幸振帆，佟 維

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先從智能離合系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)背景出發(fā)，介紹了智能離合系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢。根據(jù)早期技術(shù)路線和應(yīng)用情況闡明了輕卡車型應(yīng)用開發(fā)智能離合系統(tǒng)的難點。針對輕卡車型的使用工況和環(huán)境闡述了輕卡智能離合系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)原理和方案，并設(shè)計開發(fā)智能離合系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能，從卡車開發(fā)的難點方面提出具體的技術(shù)解決方案。方案開發(fā)實施后經(jīng)過標(biāo)定驗證和主觀評價，達成了既定開發(fā)功能及性能目標(biāo)，實現(xiàn)了智能離合系統(tǒng)在輕卡上開發(fā)應(yīng)用。完全解放駕駛員左腳，解決了手動擋車型頻繁腳踩離合帶來的疲勞，讓駕駛員暢享手動換擋的樂趣。根據(jù)智能離合器系統(tǒng)的未來應(yīng)用發(fā)展趨勢，可以預(yù)測智能離合系統(tǒng)將成為智能駕駛和輔助駕駛的重要組成部分。

輕卡車型；智能離合系統(tǒng)；技術(shù)方案；開發(fā)應(yīng)用；系統(tǒng)開發(fā)

隨著制造業(yè)以及消費的升級，智能化產(chǎn)品逐漸成為市場的新寵。從智能機器人到人工智能販賣機，智能化產(chǎn)品開始滲透到生活的方方面面。同樣商用車客戶已經(jīng)逐步去接受智能駕駛、智能操控、車聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)出現(xiàn)在商用車上，車已經(jīng)不再只是一輛車，而是智能化產(chǎn)品的載體。隨著人們對自動化、舒適性要求的進一步增加，促使商用車變速器自動化市場需求不斷增長，自動擋可以大幅降低駕駛者的勞動強度、提高駕駛舒適性。

但商用車主要用途是運送人員和貨物，客戶將其作為生產(chǎn)工具會重點考慮投入產(chǎn)出比，因此，對購買及使用成本更為關(guān)注。目前自動擋比手動擋車輛平均售價高約10 000元，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自動擋車輛維護費用也遠高于手動擋車輛。使用智能離合是一種實現(xiàn)低成本換擋的解決方案，對比機械式自動變速器（Automatic Manual Trans- mission, AMT）產(chǎn)品，智能離合可實現(xiàn)70%的功能，成本只有AMT產(chǎn)品的40%。智能離合系統(tǒng)不僅可以提高駕駛舒適性和安全性，而且從降低油耗、延長離合器壽命、減少維修次數(shù)、降低駕駛難度等多個方面節(jié)約車輛運營成本，從而提高客戶整體收益[1]。

1 智能離合系統(tǒng)早期技術(shù)路線及輕卡車型應(yīng)用開發(fā)難點

1.1 早期技術(shù)路線及表現(xiàn)

上世紀(jì)90年代中期，奔馳公司開始由4S店在C230車型加裝電控自動離合器，經(jīng)過幾年的市場磨合，得到市場認(rèn)可。而作為電控自動離合器真正成熟的標(biāo)志是1999年的奔馳A160投放市場。2003年奔馳又將A190電控自動離合器車型投放市場，這進一步說明電控自動離合器有一定的市場前景。

2000年后國內(nèi)廠商也開始嘗試開發(fā)自動離合器產(chǎn)品，主要應(yīng)用在乘用車后裝市場，目前已累計安裝10余萬套產(chǎn)品。自動離合器后裝產(chǎn)品系統(tǒng)獨立，適應(yīng)車型較多，但是安裝調(diào)試較復(fù)雜，產(chǎn)品外形尺寸較大，不利于整車布置，軟件不夠成熟。

1.2 基于輕卡用途現(xiàn)狀開發(fā)技術(shù)難度及技術(shù)路線

輕卡運用智能離合系統(tǒng)需要面對以下問題：（1）路況和負載條件復(fù)雜；（2）各車型配置差異大；（3）環(huán)境惡劣對產(chǎn)品的穩(wěn)定性要求高；（4）成本控制嚴(yán)格。為了提升智能離合系統(tǒng)的適應(yīng)性、拓展性、安全性和經(jīng)濟性，在智能離合系統(tǒng)研發(fā)初期確定技術(shù)路線：通過開發(fā)智能化自學(xué)習(xí)控制程序以適應(yīng)復(fù)雜路況和復(fù)雜條件；通過開發(fā)緊湊型、多規(guī)格的執(zhí)行機構(gòu)和靈活變形的選換擋傳感器應(yīng)對車型差異；通過提高產(chǎn)品的防水防塵等級和借用成熟組件保障產(chǎn)品穩(wěn)定性；通過系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的材料、結(jié)構(gòu)選用和設(shè)計降低產(chǎn)品成本?；谝陨霞夹g(shù)路線智能離合系統(tǒng)可匹配商用車領(lǐng)域幾乎所有車型，系統(tǒng)硬件具備高的穩(wěn)定性，可以不用擔(dān)心輕卡車型空間布置限定。

2 智能離合系統(tǒng)開發(fā)方案

2.1 技術(shù)方案整體思路

通過對輕卡使用環(huán)境、用戶市場調(diào)研，在普通輕卡上保留離合器踏板操縱形式，增加智能化控制系統(tǒng)和機電液壓執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)駕駛員的換擋意圖適時分離、結(jié)合離合器[2]。確保車輛起步平穩(wěn)、換擋順暢、踩制動不熄火、運行狀態(tài)可視（儀表集成擋位顯示和升降擋提醒），既保留手動擋車型各種工況下的駕駛樂趣，同時解放左腳。在車輛智能離合系統(tǒng)出現(xiàn)故障或特殊路況下，可以通過切換閥將車輛切換為原有的腳踩離合踏板模式，使用離合器踏板控制離合器，不影響車輛正常駕駛。

2.2 技術(shù)原理

發(fā)動機電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）將車輛部分信號發(fā)送至控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）總線，智能離合系統(tǒng)控制器通過CAN總線讀取車輛實時狀態(tài)信號（例：發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、扭矩、油門踏板位置、剎車踏板位置、手剎位置開關(guān)），控制器通過整車CAN總線與各類傳感器信號進行實時交互[3]，并結(jié)合駕駛員的意圖，綜合選/換擋傳感器信號來控制離合器結(jié)合速度及結(jié)合位置，如圖1所示。

圖1 智能離合系統(tǒng)技術(shù)原理圖

2.3 技術(shù)方案開發(fā)

智能離合器系統(tǒng)是在未改變傳統(tǒng)手動擋車型變速箱、離合器等部件前提下（部分車型取消離合器、踏板及離合器開關(guān)）；通過集成執(zhí)行機構(gòu)、選/換擋傳感器、控制器（ICU）、離合器油路等構(gòu)件；經(jīng)過信號采集/判斷來模擬優(yōu)秀駕駛員的駕駛技術(shù)和習(xí)慣，用最佳的時間和速度控制智能離合器執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)動離合器實現(xiàn)快速分離與平穩(wěn)結(jié)合，達到起步平順、換擋舒適、在擋踩剎車不熄火的目的[4]，系統(tǒng)部件方案圖如圖2所示。

圖2 智能離合系統(tǒng)部件方案圖

智能離合系統(tǒng)主要有以下功能：

（1）自動離合：在換擋、制動、高擋低速時自動識別適時執(zhí)行離合器分離與結(jié)合；

（2）自動調(diào)整：操縱裝置能夠自動補償摩擦片和機械部件的磨損；

（3）高擋位起步保護：高擋起步，離合器不結(jié)合車輛無法行駛；

（4）自適應(yīng)學(xué)習(xí)：電控單元自動學(xué)習(xí)并優(yōu)化調(diào)整運行參數(shù)；

（5）故障檢測：電控單元自動判別故障，并儲存故障碼備查；

（6）儀表顯示：能夠在儀表顯示所在擋位及提示換擋功能；

（7）坡道起步輔助：能夠識別坡道并與發(fā)動機聯(lián)動提供坡道起步輔助；

（8）智能腳動雙模式：保留原離合踏板，通過切換閥實現(xiàn)腳踩模式與智能自動模式之間自由切換。

3 針對卡車智能離合系統(tǒng)開發(fā)難點的技術(shù)解決方案

3.1 建立動力學(xué)模型

通過接收車輛駕駛過程中轉(zhuǎn)速、扭矩、車速、剎車、油門等信號，可計算車輛負載情況，通過接收加速度傳感器信號，可以計算車輛當(dāng)前姿態(tài)，動力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 智能離合系統(tǒng)動力學(xué)模型

3.2 開發(fā)自學(xué)習(xí)功能

車輛隨著使用離合器會磨損、系統(tǒng)機械間隙會發(fā)生變化，系統(tǒng)需具備補償學(xué)習(xí)功能消除離合器的磨損及系統(tǒng)間隙，否則行駛頓挫不平順，甚至車輛無法正常行駛。自學(xué)習(xí)功能在駕駛過程中不斷調(diào)整軟件參數(shù)適應(yīng)車輛的差異性和駕駛員的駕駛習(xí)慣。

開發(fā)自學(xué)習(xí)功能，根據(jù)不同車型設(shè)定不同離合器傳扭值。未同步蠕行及起步過程中，計算該位置的離合器從動盤扭矩；若扭矩偏差大于閾值，則逐步調(diào)節(jié)該位置。通過實際使用情況不斷學(xué)習(xí)和調(diào)整，離合器各位置點如圖4所示。

3.3 建立離合器溫度保護模型

在獲知發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機水溫、智能離合執(zhí)行機構(gòu)位置、擋位、發(fā)動機飛輪端輸出扭矩、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過將以上數(shù)據(jù)代入離合器零維溫度模型計算得出離合器滑摩功以及摩擦片溫升（如圖5所示），在離合器溫度過高時及時提醒駕駛員停車休息。

圖4 離合器位置點

圖5 離合器壓盤和摩擦片熱仿真

3.4 擋位智能提示

系統(tǒng)可通過儀表顯示屏提醒駕駛員升擋或降擋，使車輛保持較好動力性及以經(jīng)濟性狀態(tài)；若駕駛員高擋位起步時儀表會顯示：“請勿高擋起步”，同時3擋以上時離合器也不執(zhí)行結(jié)合，車輛無法起步，更好保護離合器。

系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前車速、擋位和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等信息，經(jīng)過軟件運算對比標(biāo)定時動力性與經(jīng)濟性數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前擋位是否合適，如果需要升擋或降擋，控制器會向儀表發(fā)出報文顯示升降擋提示。擋位提醒原理如圖6所示。

圖6 換擋提醒原理圖

3.5 制動踏板增加行程傳感器

此行程傳感器可采集制動力大小，信號傳遞至控制器，與設(shè)定的起步時離合器結(jié)合時對應(yīng)制動力值，形成閉環(huán)式控制系統(tǒng)；當(dāng)制動踏板力值剛達至離合器結(jié)合時，車輛有動力傳遞，可避免普通制動信號開關(guān)只能采集制動踏板釋放與否，引起的釋放踏板至車輛起步時中間動力中斷時間。兩種制動信號傳感器圖7所示。

圖7 兩種制動信號采集控制系統(tǒng)試驗測試響應(yīng)時間

閉環(huán)式制動信號采集控制系統(tǒng)將車輛起步響應(yīng)時間由采用普通制動信號開關(guān)的控制系統(tǒng)的0.5 s提至0.2 s，減少動力中斷時間，大幅度提升駕駛舒適性。

3.6 系統(tǒng)具備坡道輔助功能

在系統(tǒng)控制器內(nèi)采用三軸加速度傳感器，通過傳感器識別到當(dāng)前車輛所處坡道坡度，傳遞信號至發(fā)動機ECU，發(fā)動機響應(yīng)起步所需求轉(zhuǎn)速及扭矩，通過控制離合器接合速度和位置，為車輛提供足夠的坡道起步動力，避免溜坡。

基于以上技術(shù)路線智能離合系統(tǒng)可匹配商用車領(lǐng)域幾乎所有車型，軟硬件系統(tǒng)有足夠高的穩(wěn)定性。

4 各工況的標(biāo)定及驗證

搭載智能離合系統(tǒng)的整車在多重工況（鋪裝路面、大坡道、泥濘路面等）下、不同負載（空載、滿載、超載）情況下歷經(jīng)數(shù)月標(biāo)定，達到整車最佳的動力性能和駕駛舒適性。

對智能離合系統(tǒng)進行嚴(yán)謹(jǐn)嚴(yán)苛的耐久測試，此系統(tǒng)經(jīng)過了300萬次臺架耐久測試；搭載了智能離合系統(tǒng)的某輕卡車車輛，在國內(nèi)進行了高原、高溫、高寒的適應(yīng)性測試和整車道路強化耐久測試，確保智能離合系統(tǒng)的可靠性。

駕評工程師駕評車輛按照下表進行主觀評價，經(jīng)過各工況評價智能離合車輛動力性與手動擋車輛一致，換擋過程平順無頓挫，車輛沒有出現(xiàn)熄火現(xiàn)象，在重載大坡道起步時可以一次坡起成功。

駕評標(biāo)準(zhǔn)及評分如表1所示。

表1 主觀駕評表

序號駕評內(nèi)容評分說明評分 1蠕行功能性：5分4 2穩(wěn)定性：10分7 31/2/R擋起步（含1/2/R擋停車）起步頓挫嚴(yán)重：0～3分起步平順性一般：4～6分起步平順性良好：7～10分7 4低速行駛功能性：5分3 5常規(guī)升擋平順性較差：0～3分平順性一般：4～6分平順性良好：7～10分7 6降擋踩油門超車平順/動力性較差：0～3分平順/動力性一般：4～6分平順/動力性良好：7～10分8 71/R擋坡道起步滿載坡道起步不溜坡：0～10分8 8坡道升擋轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，無飛轉(zhuǎn)速：0～10分7 9輔助制動不踩剎車輔助制動：0～5分4 10踩剎車后輔助制動：0～5分3 11滑行進擋轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，無飛轉(zhuǎn)速：0～5分4 12超前踩油門換擋轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，無飛轉(zhuǎn)速：0～5分4 13車輛摘擋力正常摘擋力/輔助制動摘擋力：0～5分4 14執(zhí)行機構(gòu)工作噪音關(guān)車窗后駕駛室內(nèi)噪音：0～5分4 總計：74

5 總結(jié)

基于輕卡市場需求分析，客戶對于輕卡車型舒適性要求進一步提升，但價格也相對敏感，智能離合系統(tǒng)的成功開發(fā)，提升了輕卡車型的駕駛操縱舒適性，具有較高的性價比，完全解放駕駛員左腳，解決了手動擋車型頻繁腳踩離合帶來的疲勞，讓駕駛員暢享手動換擋的樂趣[5]。同時對于輕卡使用環(huán)境及工況復(fù)雜問題，制訂針對性的解決方案，能夠兼容商用車大部分系列車型，提高整車匹配開發(fā)通用性。

未來智能離合在產(chǎn)品上的應(yīng)用趨勢有兩方面：（1）與整車系統(tǒng)集成度更高，通過硬件上與變速器集成，軟件上加深與發(fā)動機、ABS等系統(tǒng)交互，發(fā)揮出智能離合更全面的功能；（2）控制上更智能，軟件上整車動力學(xué)模型和人工智能自學(xué)習(xí)模型逐漸成熟，智能離合系統(tǒng)將成為智能駕駛和輔助駕駛的重要組成部分。

智能離合器系統(tǒng)從技術(shù)層面可向兩個方向擴展：（1）能夠與變速器自動換擋系統(tǒng)合二為一，發(fā)展為機械式自動變速器；（2）技術(shù)應(yīng)用與線控底盤產(chǎn)品類似，可發(fā)展為線控制動系統(tǒng)應(yīng)用在混動領(lǐng)域。

[1] 莫舒玥,韋皓.自動離合器起步控制研究[J].輕型汽車技術(shù),2015(7):21-25.

[2] 劉存香,劉學(xué)軍,林土淦.雙模式離合控制系統(tǒng)仿真分析及試驗研究[J].現(xiàn)代制造工程,2017(5):6.

[3] 柯何俊,王永紅.商用車智能離合系統(tǒng)研究[J].汽車實用技術(shù),2020,45(15):115-117.

[4] 周啟榮,劉海峰.一種新型離合器智能控制系統(tǒng):CN 201910272722.5 [P]. 2019-04-04.

[5] 袁志剛,丁兆順,劉振偉,等.基于OBD的車輛自動離合器系統(tǒng)研究[J].新技術(shù)新工藝,2022(3):44-50.

Development of Intelligent Clutch System for a Light Truck

YANG Yunhui, XING Zhenfan, TONG Wei

( Anhui Jianghuai Automobile Company Limited, Hefei 230601, China )

Starting from the technical development background of intelligent clutch system,this paper introduces the technical advantages of intelligent clutch system.According to the early technical route and application situation, this paper expounds the difficulties of developing intelligent clutch system for light truck application.According to the working conditions and environment of light truck, the technical principle and scheme of the development of light truck intelligent clutch system are expounded.And design the main functions of intelligent clutch system.Propose specific technical solutions from the difficulties of truck development.After calibration verification and subjective evaluation,the established development function and performance objectives are achieved.The development and application of intelligent clutch system on a light truck is realized.Completely liberate the driver’s left foot,solve the fatigue caused by frequent stepping on the clutch pedal,and let the driver enjoy the fun of manual shifting.According to the future application and development trend of intelligent clutch system, it can be predicted that intelligent clutch system will become an important part of intelligent driving and assisted driving.

Light truck;Intelligent clutch system; Technical solution; Developing applications; System development

U463.211

A

1671-7988(2022)21-47-06

U463.211

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1671-7988(2022)21-47-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.009

楊允輝（1983—），男，高級工程師，研究方向為汽車底盤傳動系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，E-mail:281921534@qq.com。