客車離合器自動(dòng)控制方法的探討

劉欣，高立程，方家寶

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024)

0 引言

城市客車的起步、停車以及加減速都非常頻繁，對(duì)于一般使用人工操縱離合器的客車來說，駕駛員平均每天需要踩離合器2 000 次以上［1］，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，且分散了注意力。同時(shí)，離合器操作時(shí)機(jī)的把握需要一定的駕駛經(jīng)驗(yàn)和技巧，不恰當(dāng)?shù)牟僮鲿?huì)造成沖擊，增大離合器的磨損，增加油耗，從而降低了乘客乘坐的舒適性，車輛故障率升高，使用壽命縮短。采用自動(dòng)離合器，可以減少駕駛員的工作量，同時(shí)在最佳結(jié)合規(guī)律的控制下還可以有效地減少?zèng)_擊，提高乘坐舒適性。目前自動(dòng)離合器已廣泛應(yīng)用于微型車和轎車等小型汽車，但在客車上應(yīng)用還不多。

1 方案選擇

自動(dòng)離合器是在原有的干式摩擦離合器及其操縱機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上改造而成的，通過電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)控制液壓、氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成對(duì)車輛離合器的自動(dòng)操縱。系統(tǒng)保留了原有的離合器踏板，將自動(dòng)離合器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)與原有的人工離合器操縱機(jī)構(gòu)并聯(lián)安裝，可以由駕駛員選擇使用自動(dòng)或手動(dòng)控制。目前，按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力源的不同，自動(dòng)離合器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有電控電動(dòng)(全電式)、電控液動(dòng)和電控氣動(dòng)三種類型［2］。

電控電動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu):完全由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活，成本較低，但直流電機(jī)受負(fù)載影響較大，適用于微型車和轎車等小型汽車，而對(duì)于客車這種離合器分離力較大的大型汽車來說不太適用。

電控液動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu):由電控單元控制電磁閥，從而控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)離合器的動(dòng)作，響應(yīng)快，控制精度高，在高檔轎車上應(yīng)用較廣。但液壓系統(tǒng)存在著受溫度影響較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高等缺點(diǎn)。

電控氣動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu):由電控單元控制單元閥，通過控制氣缸的動(dòng)作來操縱離合器的分離與結(jié)合，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無污染，成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于裝有氣壓系統(tǒng)的大型客車和重型汽車。但氣動(dòng)系統(tǒng)控制精度低，響應(yīng)慢，增加了控制的難度。

綜合考慮以上三種方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及客車自身的特點(diǎn)，筆者提出了一種新的自動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即電控氣壓助力式離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與氣壓助力結(jié)合起來，既有電動(dòng)系統(tǒng)便于控制的優(yōu)點(diǎn)，又充分利用了客車自身的氣壓系統(tǒng)為操縱提供助力。

2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理

電控氣壓助力式離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由直流減速電機(jī)1、螺桿2、螺母3、活塞桿5、助力氣缸6、回位彈簧7、推桿8、儲(chǔ)氣瓶12 等組成。

直流減速電機(jī)1 為主要?jiǎng)恿υ?，直流電?dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)與調(diào)速性能，減速齒輪箱則起到減速增矩的作用，這里可以直接選用合適的直流減速電機(jī)，也可根據(jù)需要設(shè)計(jì)制造減速齒輪配合直流電機(jī)使用。助力氣缸6 內(nèi)部的活塞與活塞桿5 連接為一個(gè)整體，活塞桿5 為中空管狀結(jié)構(gòu)，它與螺桿2 沒有接觸，從而使活塞桿5 的左右移動(dòng)和螺桿2 的轉(zhuǎn)動(dòng)互不干涉。

當(dāng)需要離合器分離時(shí)，直流減速電機(jī)1 在ECU 的控制下正轉(zhuǎn)，并通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)螺桿2 旋轉(zhuǎn)，螺桿2 的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺母3在導(dǎo)桿4 限制下平行右移?；钊麠U5 左端與螺母3 接觸，在螺母3 右移的推動(dòng)下，活塞桿5 連同活塞也向右移。同時(shí)，進(jìn)氣閥在ECU 控制下開啟，儲(chǔ)氣瓶12 內(nèi)的高壓氣進(jìn)入助力氣缸6推動(dòng)活塞右移。助力氣缸6 內(nèi)的回位彈簧7 有預(yù)壓緊力，在螺母3 和高壓氣的共同作用下，活塞克服回位彈簧7 向右移動(dòng)，推動(dòng)與活塞接觸的推桿8 右移，從而推動(dòng)撥叉9 來完成膜片彈簧離合器10 的分離。

當(dāng)需要離合器接合時(shí)，在ECU 的控制下，直流減速電機(jī)1反轉(zhuǎn)，螺母3 平行左移。同時(shí)，進(jìn)氣閥關(guān)閉，在回位彈簧7 的作用下，活塞向左移動(dòng)。由于離合器為拉式膜片彈簧離合器，在膜片彈簧的作用下，離合器回到接合狀態(tài)。

3 離合器接合品質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

離合器接合品質(zhì)的好壞通常由以下兩個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行評(píng)價(jià)［3］:

(1)沖擊度j

沖擊度是以車輛縱向加速度的變化率來表征的，即j =da/dt。沖擊度與車輛本身特性和離合器的接合速度有關(guān)，在車輛本身特性確定的情況下，主要通過控制離合器的接合速度來控制沖擊度，接合速度越慢，沖擊度越小，乘坐舒適性越好。

(2)滑磨功W

當(dāng)摩擦離合器接合時(shí)，主、從摩擦元件要經(jīng)歷從轉(zhuǎn)速不等到一致的滑磨過程?；?huì)使摩擦片磨損，引起壓盤、飛輪等零件的溫度升高，而摩擦表面溫度過高又進(jìn)一步加劇摩擦片磨損，降低離合器的使用壽命。離合器滑磨的嚴(yán)重程度常用滑磨功的大小來衡量。離合器的滑磨功是指離合器接合過程中有多少機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能?；スΦ拇笮∨c離合器接合過程的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，接合過程越長(zhǎng)，滑磨功越大，車輛功率損失越大，離合器磨損越嚴(yán)重。

由此可見，沖擊度和滑磨功這兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)相互矛盾，相互制約，需要綜合考慮，才能達(dá)到令人滿意的效果。

4 起步時(shí)的離合器控制策略

客車起步時(shí)的離合器的接合控制是離合器自動(dòng)控制的關(guān)鍵和難點(diǎn)。起步控制不僅要求滿足起步過程中客車的平順性要求，即降低沖擊度，還要減少離合器的滑磨。平順性和滑磨功是兩個(gè)矛盾的指標(biāo)，如何使這兩個(gè)指標(biāo)在各種行駛環(huán)境下都能達(dá)到令人滿意的效果是客車起步過程中離合器控制的關(guān)鍵。

客車起步時(shí)的離合器接合過程可分為4 個(gè)階段［4］，如圖2所示，其中Tc為離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩，Tf為阻力矩，ωe為離合器主動(dòng)部分轉(zhuǎn)速，ωc為離合器從動(dòng)部分轉(zhuǎn)速。

(1)時(shí)間從0 到t1:空行程階段，離合器雖然在接合，但主、從動(dòng)盤并未接觸，無轉(zhuǎn)矩傳遞，這一階段應(yīng)盡可能短，以縮短起步時(shí)間。

(2)時(shí)間從t1到t2:離合器主、從動(dòng)盤開始接觸，但離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩Tc還不足以克服最大滾動(dòng)阻力矩Tf，離合器從動(dòng)部分轉(zhuǎn)速ωc仍為0，即客車仍為靜止?fàn)顟B(tài)，沖擊度為0，但離合器進(jìn)入滑磨狀態(tài)，這一階段應(yīng)盡可能短，以減小滑磨功。

(3)時(shí)間從t2到t3:離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩Tc大于最大滾動(dòng)阻力矩Tf，ωc＞0，即客車開始運(yùn)動(dòng)，t2時(shí)刻為離合器半接合點(diǎn)。此階段客車的沖擊度主要取決于離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的變化率，而轉(zhuǎn)矩的變化率正比于離合器的接合速度，為使客車起步平穩(wěn)，減小沖擊度，此階段應(yīng)緩慢接合，但時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)增加滑磨功，因此，需要在減輕沖擊度與減少滑磨功之間找一個(gè)合適的折中點(diǎn)，即在滿足舒適性的前提下，盡量提高離合器的接合速度。

(4)時(shí)間為t3以后:離合器主、從動(dòng)盤已經(jīng)同步，離合器滑磨停止，此階段的接合速度對(duì)沖擊度和滑磨功沒有影響，從縮短起步時(shí)間考慮，此階段應(yīng)盡可能短。

綜上所述，客車起步時(shí)，在到達(dá)離合器半接合點(diǎn)之前，離合器應(yīng)快速接合，在離合器主、從動(dòng)盤同步后，離合器亦應(yīng)快速接合，而在中間階段，離合器應(yīng)以適當(dāng)?shù)乃俣冉雍?，以滿足舒適性和減少滑磨功的要求。

5 換擋時(shí)的離合器控制策略

客車換擋時(shí)要求換擋過程應(yīng)能迅速完成，以減少因換擋期間輸入功率的中斷所引起的動(dòng)力損失;離合器的分離應(yīng)該迅速?gòu)氐?，否則影響摘擋和換擋的速度;離合器的接合應(yīng)該平穩(wěn)迅速，即在不引起沖擊的情況下快速接合。

所以，客車換擋時(shí)的控制策略為:迅速分離離合器，并調(diào)節(jié)換擋期間發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以減小離合器接合時(shí)主、從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速差，使主、從動(dòng)部分轉(zhuǎn)速基本相同，這樣就可以使接合時(shí)沖擊度降至最低，并基本避免了離合器的滑磨階段，接合后再恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩［5］。

6 結(jié)論

針對(duì)客車的特點(diǎn)，提出了電控氣壓助力式離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為自動(dòng)離合器在客車上的應(yīng)用提供了一種新的思路。通過探討離合器的控制策略，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究打下了基礎(chǔ)。

【1】鄭方明，鄧衛(wèi)東，黃榮英，譚道梅. AMT 自動(dòng)換擋變速器在大客車上的應(yīng)用［J］.客車技術(shù)，2004(4):15 -16.

【2】柳承軍.微型汽車自動(dòng)離合器控制策略研究與原型設(shè)計(jì)［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2009.

【3】徐石安，江發(fā)潮. 汽車離合器［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2005:200 -211.

【4】許男.自動(dòng)離合器接合規(guī)律及控制系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

【5】劉秋錚.AMT 離合器自適應(yīng)控制策略及執(zhí)行器系統(tǒng)開發(fā)［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2006.