電磁滑差離合器在小型汽車無級變速中的應(yīng)用研究

白日欣，董軍剛，陳淑春，馬冬來

（河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000）

變速器作為汽車動力傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是承擔(dān)放大發(fā)動機扭矩，配合引擎功扭特性，實現(xiàn)車速與扭矩變化的主要裝置。因此，長期以來人們一直努力研究，追求高性能、高品質(zhì)的自動變速技術(shù)，不斷改進(jìn)和完善汽車傳動系統(tǒng)。傳統(tǒng)汽車的傳動系統(tǒng)利用的是有級機械式手動變速器來實現(xiàn)汽車行駛速度的調(diào)節(jié)，機械式手動變速器則采用不同的齒輪搭配實現(xiàn)上述目的。

1 自動變速器技術(shù)現(xiàn)狀分析[1-2]

隨著電子技術(shù)和微處理器技術(shù)日新月異的發(fā)展，自動變速技術(shù)也發(fā)展迅速，并推動著汽車業(yè)迅猛發(fā)展。目前，國內(nèi)外汽車自動變速器種類很多，主要有自動變速器AT、機械自動變速器AMT和連續(xù)變化的變速器CVT三種。

自動變速器AT是指液力變矩器加行星齒輪變速器，或固定軸式變速器增加自動變速操縱系統(tǒng)組成的自動變速系統(tǒng)。其優(yōu)點是不用離合器換檔，檔位少、變速大，操作簡單，起步平穩(wěn)，加速迅速均勻。但是它也存在對速度變化反應(yīng)較慢，燃油消耗量大、不經(jīng)濟，傳動效率低，變矩范圍有限，機構(gòu)復(fù)雜，制造和修理困難及成本高等缺點。

機械自動變速器AMT是在原手動變速器基礎(chǔ)上應(yīng)用自動變速理論和電子控制技術(shù)，通過電控單元（ECU）控制液壓裝置，來操縱有級機械式變速器的離合器和換擋桿，使離合器自動進(jìn)行分離和結(jié)合。但AMT中的許多技術(shù)也存在一些問題有待完善，如換擋平穩(wěn)性不高，舒適性較差；控制參量太多，實現(xiàn)自動控制困難；對路況、車況和駕駛意圖的適應(yīng)性較差。

連續(xù)變化的變速器CVT采用傳動帶和可變槽寬的棘輪進(jìn)行動力傳遞，即當(dāng)棘輪變化槽寬時，相應(yīng)改變驅(qū)動輪與從動輪上傳動帶的接觸半徑從而進(jìn)行變速。傳動帶一般是橡膠帶、鋼帶或金屬鏈。它的優(yōu)點是重量輕，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，零部件少，與AT比較具有較高的運行效率，油耗較低，實現(xiàn)了真正的無級變速，乘坐舒適性好。但CVT的缺點是傳遞扭矩有限，不能承受較大的載荷。

2 利用電磁滑差離合器對小型汽車無級調(diào)速的技術(shù)原理[3-5]

利用電磁滑差離合器替代手動檔汽車腳踏離合器，取消有級變速的齒輪箱，實現(xiàn)無級變速和傳遞扭矩，是一種新的小型汽車調(diào)速技術(shù)。其實驗原理如圖1所示。電磁滑差離合器由電樞和磁極組成，電樞是用鑄鋼（鑄鋼有很好的機械性能）制成的圓筒形結(jié)構(gòu)，與發(fā)動機動力輸出軸連接，發(fā)動機動力轉(zhuǎn)矩直接傳遞給電磁離合器，并帶動電樞轉(zhuǎn)動。磁極由鐵心和勵磁繞組組成，繞組通過滑環(huán)和碳刷接直流電源，獲取勵磁電流。磁極與汽車萬向節(jié)主動軸連接。動力轉(zhuǎn)矩通過萬向節(jié)傳給汽車后橋驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。

發(fā)動機帶動電樞旋轉(zhuǎn)時，當(dāng)線圈中通以直流電流時，沿氣隙圓周將產(chǎn)生磁場，電樞切割磁極的磁感應(yīng)線，在電樞內(nèi)感應(yīng)出渦流，渦流再與磁極相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，推動磁極跟隨電樞旋轉(zhuǎn)，磁極軸與汽車萬向節(jié)主動軸連接從而帶動車輪轉(zhuǎn)動。電磁滑差離合器磁極軸的轉(zhuǎn)速必須低于電樞轉(zhuǎn)速，這樣電樞才能與磁極由相對運動而產(chǎn)生渦流和電磁轉(zhuǎn)矩，并承擔(dān)汽車驅(qū)動負(fù)載。磁極輸出軸轉(zhuǎn)速愈低，與電樞的轉(zhuǎn)速差愈大，感生的渦流和電磁轉(zhuǎn)矩也愈大。在某一負(fù)載下，電磁滑差離合器與汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速有一對應(yīng)的輸出軸轉(zhuǎn)速。此時，電磁轉(zhuǎn)矩與汽車驅(qū)動負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡。調(diào)節(jié)勵磁線圈中的直流電流大小而改變氣隙磁通，則電樞中的感生渦流和產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也將改變，于是破壞了兩種轉(zhuǎn)矩的平衡，電磁離合器輸出軸就將自動改變轉(zhuǎn)速，使得在新的轉(zhuǎn)速下電磁轉(zhuǎn)矩與汽車負(fù)載轉(zhuǎn)矩再次平衡，從而實現(xiàn)在同一負(fù)載下改變輸出軸轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變汽車行駛速度的無級調(diào)速的目的。

顯然，離合器的磁極勵磁電流等于零時，磁極沒有磁通，電樞不產(chǎn)生渦流，車輪不會轉(zhuǎn)動；當(dāng)對磁極加上勵磁電流時，磁極即刻轉(zhuǎn)動起來，車輪主動軸也會轉(zhuǎn)動起來。當(dāng)從動部分的車輪主動軸帶有一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，勵磁電流的大小便決定了磁極軸轉(zhuǎn)速的高低。勵磁電流愈大，轉(zhuǎn)速愈高，車速愈快；反之，車速愈慢。勵磁電流的大小在一定范圍內(nèi)可平滑調(diào)整，這樣就實現(xiàn)了汽車無級變速。另外，汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速為零時，電樞不會旋轉(zhuǎn)，電磁離合器也不會帶動汽車傳動軸轉(zhuǎn)動，汽車就不會行駛。而在磁極勵磁電流一定時，汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化也會影響電磁滑差離合器磁極輸出軸的轉(zhuǎn)速，結(jié)果也會使汽車行駛速度發(fā)生無級連續(xù)的變化。動力轉(zhuǎn)矩傳動示意圖見圖2。

圖2 動力轉(zhuǎn)矩傳遞示意圖

3 電磁滑差離合器機械特性分析[4-5]

通過測試，電磁滑差離合器的機械特性較軟，見圖3。

圖3 離合器的機械特性

圖中特性曲線表示的是在不同的勵磁電流下電磁滑差離合器磁級軸的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系。電磁離合器的理想空載轉(zhuǎn)速n1就是汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。改變勵磁電流的大小，就改變了磁通的強弱，這一原理與異步電動機改變定子電壓相似。當(dāng)電磁離合器的磁極軸帶有一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，勵磁電流的大小便決定了轉(zhuǎn)速的高低。勵磁電流越大，轉(zhuǎn)速越高，汽車行駛速度越快；反之，勵磁電流越小，轉(zhuǎn)速越低，汽車行駛速度越慢。如果勵磁電流太小，磁通太弱，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩太小，離合器的磁極軸轉(zhuǎn)動不起來，就會失控。

在一定的磁場下，如果負(fù)載過大，磁極軸轉(zhuǎn)速太低，也會造成因為從動部分跟不上主動部分轉(zhuǎn)動而失控。由此可見，電磁滑差離合器的機械特性較軟。為避免使其工作在失控區(qū)，需對該滑差離合器加裝控制器，從而有效地改變電機的機械特性，使之變“硬”。電控單元設(shè)計采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能方法控制帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)勵磁電流、轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的最佳匹配，使離合器的起步控制和換擋操縱規(guī)律與人的駕駛意圖、外界道路環(huán)境情況及汽車當(dāng)前的運行情況相適應(yīng)，實現(xiàn)電磁無級調(diào)速系統(tǒng)的智能化。電磁離合器的基本控制原理如圖4所示。

圖4 電磁離合器基本控制原理圖

目前，小型汽車多采用交流發(fā)電機，與直流發(fā)電機相比功率較大，如JF系列發(fā)電機及別克轎車采用的CS系列發(fā)電機，其功率均可達(dá)1 000W以上。汽車發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)時，向汽車用電設(shè)備供電，同時，也向蓄電池充電。目前，小型汽車蓄電池容量一般在60Ah以上，正常工作時，可為電磁離合器提供所需電流。當(dāng)蓄電池容量不足時，可由汽車發(fā)電機與蓄電池共同向電磁離合器提供勵磁電流，建立磁場，將汽車發(fā)動機的機械能轉(zhuǎn)換為磁場能，并將磁場能轉(zhuǎn)換為機械能帶動傳動軸轉(zhuǎn)動。

4 需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)問題

該項目針對發(fā)動機排量為1.0L～2.0L的車型，該類車型的發(fā)動機最大功率（kW/rpm）應(yīng)不大于95/5250；最大扭矩（N.m/rpm）應(yīng)不大于195/2500～3000。實驗設(shè)計時，主要參照這兩個參數(shù)指標(biāo)設(shè)計制造來滿足扭矩和功率傳遞所需要的電磁滑差離合器，再根據(jù)離合器最大輸出扭矩和從動部分的最大轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩選擇合適負(fù)載，通過改變離合器勵磁電流實驗，采集轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T及勵磁電流i等數(shù)據(jù)，制作T-n機械特性曲線，確定離合器機械特性的工作區(qū)和失控區(qū)。通過改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速，并采用頻閃rpm轉(zhuǎn)速測量法來測量發(fā)動機輸出軸及離合器磁極軸轉(zhuǎn)速，并確定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及電流之間的關(guān)系，建立電控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用C語言設(shè)計電控系統(tǒng)軟件；基于32位微控制器對電控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計電控系統(tǒng)硬件單元。在進(jìn)行電控單位設(shè)計時，盡可能采用現(xiàn)有自動檔汽車的成熟技術(shù)和硬件。

5 結(jié)語

利用電磁滑差離合器對小型汽車進(jìn)行無級調(diào)速技術(shù)的原理是科學(xué)的，技術(shù)是可行的。它既保留了機械能與電磁能的轉(zhuǎn)換具有較高傳動效率的優(yōu)點，又保證了發(fā)動機在最佳工況條件下穩(wěn)定地工作，從而使汽車燃油的經(jīng)濟性顯著提高。電磁滑差離合器調(diào)速技術(shù)的科學(xué)性、平順性優(yōu)于熟練駕駛員的手工操作，不僅滿足了人們對汽車多功能的需求，而且實現(xiàn)了人們對汽車駕駛便捷、乘坐舒適的愿望。

目前，國內(nèi)現(xiàn)有的汽車自動變速器來源不是靠直接進(jìn)口，就是靠引進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)線制造，前者無自主知識產(chǎn)權(quán)，增加了汽車制造成本；后者周期長、費用高，專一性強、通用性差。而利用電磁滑差離合器調(diào)速的技術(shù)，通過加裝微機控制的自動操縱系統(tǒng)來實現(xiàn)變矩變速的自動化，完成操作離合器和選檔兩個動作，適合于小型汽車的無級變速，因而生產(chǎn)繼承性好，特別適合中國國情，有極大的研究和技術(shù)推廣價值。

［1］黃康，曾億山.汽車自動變速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005（12）：1503-1507.

［2］黃安華，岳強，楊世軼.現(xiàn)代汽車的自動變速器技術(shù)及應(yīng)用［J］.汽車工程師，2009（9）：54-56.

［3］郁建平.機電控制技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［4］劉建功，李鳳錦.電磁調(diào)速電牽引采煤機的研究與應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2001（5）：22-25.

［5］韓瑞東，宋慶偉，王靜.電磁轉(zhuǎn)差離合器在電機調(diào)速中的應(yīng)用［J］.煤，2003（6）：34-35.