自動(dòng)離合器起步控制的模糊控制方法*

莫舒玥

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

目前市場(chǎng)上汽車用變速器有2種，一種是手動(dòng)變速器，價(jià)格較低，但駕駛的舒適性和安全性不夠好；另一種是自動(dòng)變速器，舒適性好但價(jià)格較高。文章在手動(dòng)變速器的基礎(chǔ)上對(duì)離合器部分進(jìn)行改裝，成為自動(dòng)離合器（ACS）[1]。ACS的優(yōu)勢(shì)在于：改變?nèi)謩?dòng)換擋的模式，對(duì)傳統(tǒng)離合器加裝一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，讓駕駛操控更為簡(jiǎn)單也更安全；提高了變速器的相應(yīng)速度與駕駛舒適性；價(jià)格低廉，1 000～2 000元即可實(shí)現(xiàn)，維修經(jīng)濟(jì)且省油。如果自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，離合器還是保留人為控制（腳踩）的方式來接合或分離。

1 研究?jī)?nèi)容和方法

目前國外采用自動(dòng)離合器的手動(dòng)變速器已經(jīng)在一些品牌的車型上運(yùn)用[2]，如奔馳A190和C230；該技術(shù)在國內(nèi)一些小型車或微型車上運(yùn)用的較多。ACS具有廣闊的市場(chǎng)，但其接合過程的沖擊度控制還不完善，一定程度上影響乘坐的舒適性。

文章主要研究自動(dòng)離合器的控制方面，且主要針對(duì)汽車起步時(shí)自動(dòng)離合器的控制，實(shí)現(xiàn)能夠根據(jù)駕駛員意圖平穩(wěn)快捷地起步，且該過程的沖擊度和摩擦都盡量小，如何制定有效的控制策略是離合器起步控制的一個(gè)難點(diǎn)[3]。文章重點(diǎn)研究的方法是采用一種科學(xué)的多模控制方法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)離合器的控制。

自動(dòng)離合器性能是否優(yōu)良是通過沖擊度和滑摩功2個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行評(píng)價(jià)。一方面，離合器接合過程中主從動(dòng)盤接合瞬間由于轉(zhuǎn)速不一樣會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊，使得乘坐人員產(chǎn)生不舒適的感受。而且沖擊度過大，使得零部件之間的撞擊力增大，加速零部件的損壞，并可能引起汽車起步熄火。另一方面，離合器接合過程實(shí)際上就是主從動(dòng)盤之間摩擦力矩傳遞的過程，有摩擦必然產(chǎn)生熱量，熱量在此過程中就會(huì)被損耗掉，同時(shí)摩擦產(chǎn)生了磨損，摩擦?xí)r間越久，轉(zhuǎn)速差越大，摩擦損耗就越大[3]。

從以上分析得知，自動(dòng)離合器接合控制的理想目標(biāo)是沖擊度和滑摩功均越小越好[4]。減少摩擦損耗（滑摩功），則必須讓離合器接合速度縮短，但接合過快將導(dǎo)致沖擊度增加，頓挫感增強(qiáng)，影響起步時(shí)的乘坐舒適性，而且沖擊度的增加也會(huì)使得零部件受到?jīng)_擊的影響而縮短壽命，同時(shí)汽車還容易熄火。因此，尋求一個(gè)合適的平衡點(diǎn)，制定一個(gè)科學(xué)合理的控制策略來解決沖擊度和滑摩功的矛盾是離合器控制的關(guān)鍵[4]。

目前，對(duì)自動(dòng)離合器結(jié)合點(diǎn)的大部分研究都是在保證汽車起步和換擋要求的前提下，根據(jù)離合器接合過程的一般特點(diǎn)采用“快—慢—快”的接合規(guī)律和模糊控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的[5]。文章基于多模控制理論，對(duì)自動(dòng)離合器接合規(guī)律進(jìn)行多模控制策略研究及試驗(yàn)。

2 自動(dòng)離合器起步控制方法及試驗(yàn)

2.1 起步多?？刂品椒?/h3>

由于起步過程中離合器的工作狀態(tài)同時(shí)受到駕駛員起步意圖、路面狀況及汽車負(fù)載情況等因素的共同影響，設(shè)計(jì)出多?？刂葡到y(tǒng)，其設(shè)計(jì)原理，如圖1所示。知識(shí)庫代表駕駛員起步意圖、路面狀況及汽車負(fù)載情況等因素獲得的精確數(shù)據(jù)，進(jìn)行模糊化，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制目標(biāo)離合器的控制。

針對(duì)控制目標(biāo)（沖擊度和滑摩功最小的平衡點(diǎn)）以及離合器接合過程的特點(diǎn)，采用“快—慢—快”接合原則。離合器的接合過程分為3個(gè)階段：1）轉(zhuǎn)矩傳到離合器的主動(dòng)盤，此時(shí)離合器的從動(dòng)盤還未與主動(dòng)盤接觸，未轉(zhuǎn)動(dòng)，無沖擊度和滑摩功，可以加快接合速度；2）主從動(dòng)盤接觸，但是轉(zhuǎn)速不一致，兩者之間產(chǎn)生滑摩，此時(shí)應(yīng)減緩接合速度以減少?zèng)_擊度，提高乘坐舒適性[5]；3）主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速一致，汽車實(shí)現(xiàn)起步，此過程可以適當(dāng)加快接合速度，以減少滑摩功，同時(shí)提高起步速度。

由離合器起步接合過程分析可以把離合器工作的第1階段看成空行程控制階段，此時(shí)，離合器主動(dòng)盤沒有摩擦力矩；第2階段看成滑摩控制階段；第3階段看成同步控制階段。根據(jù)3個(gè)階段的特點(diǎn)，選擇“比例—模糊—PID”多?？刂品绞?。多模控制系統(tǒng)圖，如圖2所示。

因此，自動(dòng)離合器的控制實(shí)際上就是通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)一個(gè)多模控制程序，再通過自動(dòng)離合器自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械式離合器的自動(dòng)控制目標(biāo)，取代駕駛員離合器操縱，從而實(shí)現(xiàn)汽車起步離合器操縱的自動(dòng)化。而這個(gè)功能只需要一套多?？刂瞥绦?、直流電動(dòng)機(jī)、離合器操縱機(jī)構(gòu)、電控單元、傳感器、線束及顯示單元等部件組成的自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)就完全可以實(shí)現(xiàn)[6]。

2.2 離合器接合速度模糊控制

駕駛員通過操縱油門踏板和離合踏板來使汽車起步。駕駛員起步意圖有慢起步、正常起步和急起步3種情況，一般通過油門開度及油門開度變化率2個(gè)參數(shù)來共同表現(xiàn)[4]。若油門開度大，表明駕駛員油門踩得較深，意圖為急起步，但是會(huì)將其（沖擊度）控制在合理的范圍內(nèi)，即低于國際上的沖擊度限值（最大沖擊度為10 m/s3，這是最大的舒適性限定值[5]）；反之，若油門開度小，表明駕駛員想慢起步。如果駕駛員踩踏油門踏板速度快，則油門開度變化率大[7]，反之，則油門開度變化率小。計(jì)算機(jī)多?？刂萍夹g(shù)將駕駛員的駕駛意圖采用模糊控制的方式設(shè)計(jì)控制程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)離合器的控制。根據(jù)以上因素得到自動(dòng)離合器起步模糊控制器，如圖3所示。

2.3 自動(dòng)離合器起步控制仿真試驗(yàn)

自動(dòng)離合器系統(tǒng)研制完畢后，與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和手動(dòng)變速箱臺(tái)架進(jìn)行連接，并與測(cè)功機(jī)臺(tái)架連接且進(jìn)行了自動(dòng)離合器起步控制仿真試驗(yàn)。

2.3.1 慢起步

在同等載荷情況下，設(shè)定平地緩起步的油門開度為20%，地面坡度為0°，離合器的結(jié)合過程遵循“快—慢—快”多模控制策略。在主從動(dòng)盤開始接觸到兩者轉(zhuǎn)速同步的過程中，為了提高乘車舒適性，減少起步?jīng)_擊，采用模糊控制適當(dāng)降低接合速度，當(dāng)?shù)竭_(dá)同步階段后，迅速提高離合器接合速度，完成起步。圖4～圖6分別示出油門開度為20%，地面坡度為0°時(shí)主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速、沖擊度及滑摩功曲線。從圖4～圖6可以看出，主從動(dòng)盤在1.8 s時(shí)實(shí)現(xiàn)同步，完成起步時(shí)間為1.9 s，最大沖擊度為6.8 m/s3，最大滑摩功為8 750 N/m。

2.3.2 正常起步

設(shè)定油門開度為40%，地面坡度為0°，圖7～圖9分別示出此時(shí)主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速、沖擊度及滑摩功曲線。從圖7～圖9可以看出，離合器主從動(dòng)盤在1.25 s時(shí)實(shí)現(xiàn)同步，汽車完成起步時(shí)間為1.5 s，最大沖擊度為5 m/s3，最大滑摩功為5 000 N/m。油門開度增加，設(shè)定的結(jié)合速度變快，沖擊度也增加，但是由于同步時(shí)間變短，主從動(dòng)盤因轉(zhuǎn)速不同產(chǎn)生的滑摩功也相應(yīng)減少。

2.3.3 急起步

設(shè)定油門開度為70%，地面坡度為0°，圖10～圖12分別示出此時(shí)主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速、沖擊度及滑摩功曲線。從圖10～圖12可以看出，主從動(dòng)盤在1.1 s時(shí)實(shí)現(xiàn)同步，完成起步時(shí)間為1.75 s，最大沖擊度為8.2 m/s3，最大滑摩功為4 000 N/m。此時(shí)設(shè)定駕駛員意圖為急起步，主從動(dòng)盤同步時(shí)間進(jìn)一步縮短，因此最大滑摩功也進(jìn)一步下降；但是，由于兩者之間的轉(zhuǎn)速差過大，驅(qū)動(dòng)汽車起步的時(shí)間反而比正常起步時(shí)間稍有延長(zhǎng)。

3 結(jié)論

根據(jù)在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行3種常規(guī)起步試驗(yàn)（慢起步、正常起步及急起步）的試驗(yàn)結(jié)果，采用多?？刂萍夹g(shù)進(jìn)行汽車起步離合器的自動(dòng)控制，基本與駕駛員的手動(dòng)控制模式相符。因此得出采用多?？刂萍夹g(shù)實(shí)現(xiàn)汽車起步時(shí)自動(dòng)離合器的控制是可行的。

設(shè)計(jì)的自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)，在某微型車上進(jìn)行了安裝測(cè)試，包括不同油門開度下的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠可靠和平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)離合器的自動(dòng)控制，且安裝此系統(tǒng)后的汽車油耗，比未安裝自動(dòng)離合器時(shí)的油耗降低了5%左右。因此，在微型車上將機(jī)械式離合器改裝成自動(dòng)離合器是可以實(shí)現(xiàn)的。不過，汽車的起步過程（比如在有坡道或汽車負(fù)荷變化的情況下）極其復(fù)雜，需要進(jìn)一步完善多?？刂萍夹g(shù)實(shí)現(xiàn)控制，這也是今后需要研究的課題。