AMT車輛起步過程離合器控制研究

王浩，王克

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473009；2.唐山愛信齒輪有限責(zé)任公司，河北 唐山 063033）

引言

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automated Mechanical Transmi-ssion,AMT）是在原來干式摩擦片離合器和定軸齒輪式分級(jí)手動(dòng)變速器的基礎(chǔ)上增設(shè)電控?fù)Q擋機(jī)構(gòu)改進(jìn)形成。AMT具有動(dòng)力傳遞效率高、油耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)有著良好的應(yīng)用前景。但是國內(nèi)自主研發(fā)的 AMT在推廣市場(chǎng)化中還有離合器起步控制等問題需要解決[1]。

本文以AMT在起步過程中的控制方法為主要研究?jī)?nèi)容，對(duì)起步過程控制評(píng)價(jià)參數(shù)沖擊度、滑摩功和離合器結(jié)合階段特性進(jìn)行了研究，提出了以模糊控制為根本的分時(shí)間段封閉反饋控制方法；開發(fā)了基于Freescale MC9S12DT128單片機(jī)的模糊控制系統(tǒng)，并用臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了控制方法的合理性。

1 離合器結(jié)合控制評(píng)價(jià)指標(biāo)

車輛在起步過程中的響應(yīng)時(shí)間、換擋過度、離合器的更換周期都與離合器的控制過程具有重要關(guān)系。在離合器結(jié)合時(shí)，既要車輛運(yùn)行穩(wěn)定、沒有挫車感，還要保證離合器的耐用。所以，一般用沖擊度和滑摩功來評(píng)價(jià)離合器結(jié)合時(shí)，電控系統(tǒng)控制效果的優(yōu)劣。

（1）沖擊度

車輛起步時(shí)，運(yùn)行平穩(wěn)性和挫車感的好壞是由沖擊度的大小來評(píng)價(jià)。沖擊度越小，起步就越慢；反之，沖擊度越大，車輛運(yùn)行平穩(wěn)性越差，并有越強(qiáng)的頓挫感，因此沖擊度要恰到好處。沖擊度指車輛車身縱向加速度的變化率[2]：

式中a：車輛車身縱向加速度；u：車速。

汽車的行駛方程為[3]：

式中Ft：發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)力；Ff：車輛輪胎所受滾動(dòng)阻力；Fw：車身所受空氣阻力；Fi：坡度阻力；Fj：加速阻力。

通過等效換算即：

式中Tc：離合器傳遞的扭矩；ig：變速器的變速比；i0：主減速器的傳動(dòng)比；η：傳動(dòng)效率；r：車輪半徑；M：汽車質(zhì)量；CD：空氣阻力系數(shù)；A：迎風(fēng)面積；δ：汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)；G：車重。

在起步過程中Fw≈0，F(xiàn)i和Ff近似不變，由式(3)可得：

根據(jù)式(1)及(4)可得：

假設(shè)膜片彈簧壓力呈線性增加，則

式中 μs：離合器主從動(dòng)摩擦片之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；z:離合器的摩擦面數(shù)；Rc：離合器壓盤有效作用半徑；kc：離合器線性近似剛度；x：膜片彈簧變形量。

由式(5)和(6)可得

由以上列式可知，沖擊度與車輛外形、重量等指標(biāo)和離合器零部件具體結(jié)構(gòu)尺寸以及離合器的結(jié)合速度有關(guān)，其中，車輛和離合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為固定的，因此沖擊度的大小就是由控制離合器的結(jié)合速度來實(shí)現(xiàn)。通常，沖擊度參數(shù)的最大值jmax為10m/s3， 由式(7)就能得到該車輛離合器可用的接合速度上限值。本文的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和車輛實(shí)際測(cè)試不同，在最大結(jié)合速度根據(jù)標(biāo)定和計(jì)算相結(jié)合的方法，選定為9.76mm/s。

（2）滑摩功

滑摩功計(jì)算公式可以表示為[2]：

式中 ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速；ωc為離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速。由式(8)可知，離合器滑摩功的大小與以下參數(shù)有關(guān)：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速，其值與滑摩功成正比；

2）外界阻力，其值與滑摩功成正比；

3）滑摩時(shí)間，其值與滑摩功成正比；

4）離合器主從動(dòng)盤相對(duì)轉(zhuǎn)速差，只差值與滑摩功成正比。

2 控制方法

（1）離合器結(jié)合過程分析

離合器整個(gè)結(jié)合過程可分為空行程、半聯(lián)動(dòng)邊轉(zhuǎn)邊滑過程和主從動(dòng)盤同步三個(gè)階段，半聯(lián)動(dòng)邊轉(zhuǎn)邊滑階段是控制重點(diǎn)，這一過程有以下三個(gè)子階段組成：初始起步階段、起步加速階段和趨于同步階段[2]。以上五個(gè)階段控制的目標(biāo)重點(diǎn)不完全一致：

空行程階段：該階段是從離合器主從動(dòng)盤接觸開始到將要半聯(lián)動(dòng)時(shí)為止，在該時(shí)間內(nèi)沒有產(chǎn)生沖擊，因此控制目標(biāo)是盡可能地減小結(jié)合時(shí)間，從而減小滑摩功。

初始起步階段：這是半聯(lián)動(dòng)邊轉(zhuǎn)邊滑過程的第一階段。在該時(shí)間段內(nèi)離合器從動(dòng)盤得到的摩擦力矩逐步增大，直至超過起步阻力矩從而開始轉(zhuǎn)動(dòng)，車輛開始起步。該階段是起步控制的重點(diǎn)，如果在此時(shí)間段離合器從動(dòng)盤所傳遞的扭矩增量過于迅速，就會(huì)引起車輛縱向加速度的快速增大，從而產(chǎn)生沖擊，需要根據(jù)離合器的磨損狀況、路面以及載荷情況等及時(shí)判斷半接合點(diǎn)位置，控制結(jié)合速度。

起步加速階段：該階段是指起步后到趨于同步前的時(shí)間段。該階段較容易產(chǎn)生滑摩功，控制重點(diǎn)是在初始起步階段末期，適量增大結(jié)合速度，使得離合器傳遞的扭矩和從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速能夠快速平穩(wěn)的增大，盡量耗時(shí)短地完成該階段，從而減小滑摩功。

趨于同步階段：該階段最大的特點(diǎn)是離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速趨于同步。該時(shí)間段內(nèi)主從動(dòng)盤的相對(duì)轉(zhuǎn)速差值逐步減小為零，如果主從動(dòng)盤同步過于急劇，會(huì)在主從動(dòng)盤的同步點(diǎn)處引起強(qiáng)烈的扭矩?cái)_動(dòng)，就出現(xiàn)較大的沖擊現(xiàn)象，因此該時(shí)間段內(nèi)控制的重點(diǎn)是在起步加速階段末期適當(dāng)放慢結(jié)合速度，以使扭矩平緩變化，盡可能地避免較大的沖擊。

主從動(dòng)盤同步階段：該時(shí)間段內(nèi)離合器主從動(dòng)盤停止滑動(dòng)摩擦，兩者接合為一個(gè)整體，沒有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，離合器所傳遞的扭矩大小不再按摩擦力矩大小來傳遞動(dòng)力，而是按照行駛阻力大小來傳遞動(dòng)力。該階段沒有滑摩功，也不會(huì)出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，因此控制重點(diǎn)是縮短該階段的時(shí)間。

（2）控制參數(shù)選取

根據(jù)以上分析，離合器結(jié)合過程的五個(gè)階段分別有不同的控制重點(diǎn)，根據(jù)沖擊度和滑摩功的控制要求，本文選用以下控制參數(shù)：

（3）多階段模糊封閉反饋控制方法

本文所研究的控制方法是根據(jù)不同時(shí)間段的控制重點(diǎn)差異，選取不同的被控參數(shù)和控制目標(biāo)，在空行程階段和同步階段采用定速結(jié)合；在初始起步階段、起步加速階段和趨于同步階段采用模糊封閉反饋控制，模糊控制流程如圖1所示。

圖1 分時(shí)間段模糊封閉反饋控制流程圖

當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)起步條件情況下，在空行程階段和同步階段控制主從動(dòng)盤以定速進(jìn)行結(jié)合，目標(biāo)是縮短整個(gè)過程的接合時(shí)間，減小滑摩功；在初始起步階段，以控制半接合點(diǎn)附近的沖擊度為主要目標(biāo)，作為被控制參數(shù)，其理想值由標(biāo)定可得，因此，模糊控制器的一個(gè)輸入量是的實(shí)測(cè)值與理想值的偏差 sc，另一個(gè)輸入量是 sc的變化率；在起步加速階段以控制滑摩功為主要目標(biāo)，作為被控制參數(shù)，其理想值由標(biāo)定可得，因此，模糊控制器的一個(gè)輸入量是實(shí)測(cè)值與理想值的偏差 se，另一個(gè)輸入量是 se的變化率；在趨于同步階段，以控制同步點(diǎn)附近的沖擊度為主要目標(biāo)，作為被控制參數(shù)，的理想值由標(biāo)定可得，模糊控制器的一個(gè)輸入量是的實(shí)測(cè)值與理想值的偏差sec，另一個(gè)輸入量是sec的變化率；閉環(huán)控制器如圖2所示。

圖2 模糊封閉反饋控制器原理圖

模糊控制不再用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，而是依靠專家的豐富經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，通過對(duì)輸入量的模糊化、模糊推理、輸出量的去模糊化就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的精確控制，具有非線性應(yīng)用方便，魯棒性好等特點(diǎn)。模糊控制能夠很好的模仿優(yōu)秀駕駛員的操作過程，充分解決了離合器起步的時(shí)間內(nèi)隨時(shí)變化、多種工況、非線性等復(fù)雜問題。

本文開發(fā)了基于Freescale MC9S12DT128單片機(jī)的模糊閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，該單片機(jī)內(nèi)部集成了模糊推理機(jī)，并且提供了專門的模糊控制指令，可以方便的開發(fā)模糊控制程序。對(duì)離合器的控制通過控制離合器的伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和方向來實(shí)現(xiàn)。

MC9S12DT128單片機(jī)規(guī)定隸屬函數(shù)采用梯形表示，模糊論域?yàn)閇0，255]。根據(jù)前面分析對(duì)控制的要求，初始起步階段模糊控制器的輸入sc、及輸出u（結(jié)合速度）都分為七個(gè)等級(jí)，模糊語言變量選為{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大 }，對(duì)應(yīng)的模糊子集表示為{ NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB }。假定離合器接合的方向?yàn)檎?，分開的方向?yàn)樨?fù)，則對(duì)于 u，NB表示快速分開，NM 表示中速分開，NS表示慢速分開，ZE表示暫停原位置，PS表示慢速結(jié)合，PM表示中速結(jié)合，PB表示快速結(jié)合，該階段的模糊控制規(guī)則庫為表1所示。

起步加速階段模糊控制器的輸入se和及輸出u都分為五個(gè)等級(jí)，模糊語言變量選為{負(fù)大、負(fù)小、零、正小、正大 }，對(duì)應(yīng)的模糊子集表示為{ NB、NS、ZE、PS、PB }，該階段的模糊控制規(guī)則如表2所示。

趨于同步階段模糊控制器的輸入sec和及輸出u都分為七個(gè)等級(jí)，模糊語言變量選為{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大 }，對(duì)應(yīng)的模糊子集表示為{ NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB }，該階段的模糊控制規(guī)則如表3所示。

表1 初始起步階段模糊控制規(guī)則

表2 起步加速階段模糊控制規(guī)則

表3 趨于同步階段模糊控制規(guī)則表

3 試驗(yàn)研究

由計(jì)算和標(biāo)定可知，起步前階段和同步階段的結(jié)合速度是9.76mm/s，初始起步階段的理想值是30rad/s2，起步加速階段的理想值為 100rad/s2，趨于同步階段的理想值為40rad/s2。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了離合器的起步結(jié)合控制試驗(yàn)。本文分別進(jìn)行了一檔起步和二檔起步試驗(yàn)，結(jié)果如圖3和圖4所示：

圖3 一檔起步控制試驗(yàn)

圖4 二檔起步控制試驗(yàn)

由圖3可知，在1.4s時(shí)離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速開始平穩(wěn)快速增加，在2.7s時(shí)到達(dá)同步點(diǎn)，滑摩時(shí)間為1.3s，整個(gè)起步結(jié)合時(shí)間為1.5s；在整個(gè)接合過程中最大沖擊度為8m/s3，其值小于沖擊度的控制標(biāo)準(zhǔn)10m/s3。由圖4可知，在1.15s時(shí)離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速開始平穩(wěn)快速增加，在2s時(shí)到達(dá)同步點(diǎn)，滑摩時(shí)間為0.85s，起步過程接合時(shí)間為1.1s；在整個(gè)接合過程中最大沖擊度為 8.5m/s3，其值也小于沖擊度的控制標(biāo)準(zhǔn)10m/s3。對(duì)比以上兩組圖片，兩種工況下都實(shí)現(xiàn)了車輛的快速起步，二檔起步時(shí)間快于一檔起步，更適合于輕載快速起步；空行程和同步階段這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)離合器主從動(dòng)盤是定速結(jié)合，縮短整個(gè)過程的結(jié)合時(shí)間，減小滑摩功；滑摩過程的初始起步階段和趨于同步階段結(jié)合速度比較小，是為了減小主從動(dòng)盤半接合點(diǎn)附近和同步點(diǎn)附近的沖擊度；起步加速階段接合速度增大，能夠減小滑摩功，結(jié)合速度的變化符合控制策略的要求；在半接合點(diǎn)附近離合器沖擊度最大，隨之慢慢減弱，接下來有一段明顯的波動(dòng)，在同步點(diǎn)附近又突然增大，整個(gè)變化過程和前面的分析相吻合，這個(gè)控制策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)最大沖擊度的控制，符合控制標(biāo)準(zhǔn)，能夠適合車輛平穩(wěn)起步。

4 結(jié)論

AMT車輛起步過程對(duì)離合器的控制是一個(gè)較復(fù)雜的控制問題，由于起步時(shí)，各個(gè)控制目標(biāo)既統(tǒng)一又有矛盾性，需要把握好適當(dāng)?shù)亩?，而且起步工況時(shí)參數(shù)復(fù)雜多變，給離合器控制增加了很大的難度。本文通過對(duì)沖擊度、滑摩功、離合器結(jié)合特性的深入分析，劃分出離合器主從動(dòng)盤在結(jié)合過程不同階段分別確定的控制重點(diǎn)，提出了分階段模糊閉環(huán)控制策略，根據(jù)不同階段的控制重點(diǎn)的差異確定了各個(gè)階段不同的控制參數(shù)，開發(fā)了基于Freescale MC9S12DT128單片機(jī)的模糊封閉反饋控制系統(tǒng)，進(jìn)行的臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文模糊封閉反饋控制方法對(duì)車輛起步時(shí)間段的離合器沖擊度和起步時(shí)間的有效控制，可以實(shí)現(xiàn)車輛的穩(wěn)定快速起步。

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