基于電控超越離合器的AMT起步過程研究*

李文廣 馮國(guó)勝 賈素梅

（石家莊鐵道大學(xué)）

目前關(guān)于離合器控制的研究成果主要有離合器“快—慢—快”的接合規(guī)律、模糊控制、自適應(yīng)控制和預(yù)測(cè)控制等，此外還有對(duì)變速器結(jié)構(gòu)方案改進(jìn)的研究。文獻(xiàn)[1]研究了在汽車傳動(dòng)系加裝電控型超越離合器實(shí)現(xiàn)汽車的自動(dòng)滑行；文獻(xiàn)[2]用多模式可控?fù)Q擋器代替同步器解決了換擋過程中的動(dòng)力中斷以及離合器的磨損問題；文獻(xiàn)[3]研制了一種純電動(dòng)汽車無動(dòng)力中斷換擋變速箱，換擋過程采用雙向可控超越離合器；文獻(xiàn)[4]提出了一種使用雙電機(jī)和超越離合器的3 速變速器，在不中斷動(dòng)力傳遞的情況下執(zhí)行平穩(wěn)的速度換擋；文獻(xiàn)[5]提出了一種新型無級(jí)變速器（CVT），其不會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲、不會(huì)出現(xiàn)打滑和效率較低的現(xiàn)象。文章提出了一種在傳動(dòng)系統(tǒng)加裝電控超越離合器的改進(jìn)方案，可完成汽車的快速起步，縮短主離合器的滑摩過程，進(jìn)而減少摩擦片的磨損。

1 電控超越離合器的結(jié)構(gòu)與工作原理

電控超越離合器的結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。工作時(shí)，主從動(dòng)部件依靠盤面?zhèn)鬟f扭矩。楔塊環(huán)上表面為凸起的楔形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使離合器能夠在雙向傳遞轉(zhuǎn)矩；其下表面為平面，與從動(dòng)環(huán)接觸形成摩擦轉(zhuǎn)矩，滾柱沿徑向?qū)ΨQ排布于楔塊的斜面上，在主動(dòng)環(huán)與楔塊環(huán)之間傳遞轉(zhuǎn)矩。控制環(huán)為環(huán)形多撥爪結(jié)構(gòu)，工作時(shí)只與滾柱接觸，撥爪撥動(dòng)滾柱脫離楔角而使電控超越離合器分離。預(yù)緊彈簧為壓縮彈簧，安置在2 個(gè)滾柱之間，將滾柱推向楔角的上坡面而達(dá)到預(yù)緊的作用，促使電控超越離合器快速接合。

圖1 電控超越離合器結(jié)構(gòu)示意圖

通過改變控制環(huán)的約束方式，電控超越離合器可以選擇正向單向超越、反向單向超越、雙向超越以及雙向楔合中的1 種工作模式進(jìn)行工作。當(dāng)控制環(huán)正反雙向均不受約束時(shí)，主動(dòng)環(huán)經(jīng)楔塊環(huán)，通過兩側(cè)對(duì)稱的楔塊-滾柱機(jī)構(gòu)在正反兩向均可傳遞轉(zhuǎn)矩，此時(shí)控制環(huán)處于自由狀態(tài)，不會(huì)阻止?jié)L柱進(jìn)入由楔塊環(huán)與從動(dòng)環(huán)組成的楔角，電控超越離合器運(yùn)行于“雙向楔合”模式，相當(dāng)于聯(lián)軸器的作用；當(dāng)控制環(huán)正反兩向均受約束時(shí)，控制環(huán)將阻止?jié)L柱進(jìn)入楔角，動(dòng)力在正反兩向均無法傳遞給從動(dòng)環(huán)。從動(dòng)環(huán)因不受其他構(gòu)件的約束，可以自由運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電控超越離合器完全分離，運(yùn)行于控制分離的“雙向超越”模式；而當(dāng)控制環(huán)受到單向約束時(shí)，在受到約束的方向上電控超越離合器處于控制分離的超越狀態(tài)，反方向上處于楔合狀態(tài)，此時(shí)電控超越離合器運(yùn)行于控制分離的單向超越模式，等同于典型單向離合器[6]。電控超越離合器實(shí)物，如圖2 所示。

圖2 電控超越離合器實(shí)物圖

通過對(duì)電控超越離合器進(jìn)行建模分析和試驗(yàn)研究，由試驗(yàn)測(cè)定的離合器楔合時(shí)間、解楔時(shí)間與轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3 所示。圖3 中對(duì)應(yīng)于2 000 r/min 的實(shí)測(cè)楔合時(shí)間為0.56 ms，楔合時(shí)間與空轉(zhuǎn)角均略大于仿真值，考慮到實(shí)測(cè)條件的復(fù)雜性，這一差異是可以接受的。通過比較，無論是仿真結(jié)果還是實(shí)測(cè)結(jié)果，楔合時(shí)間均小于同等工況下超越離合器的楔合時(shí)間，說明該電控超越離合器可以達(dá)到對(duì)楔合時(shí)間的設(shè)計(jì)要求。

圖3 電控超越離合器楔合時(shí)間和解楔時(shí)間與轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

2 汽車起步過程離合器模糊控制研究

2.1 起步過程離合器動(dòng)力特性分析

汽車的起步過程就是主離合器接合的過程，可以分為消除空行程、傳遞摩擦扭矩和接合后穩(wěn)定運(yùn)行3 個(gè)階段。消除空行程階段即無扭矩傳遞階段，主要用于消除摩擦副之間的間隙，本研究重點(diǎn)考慮后2 個(gè)階段，從離合器產(chǎn)生摩擦扭矩到離合器主被動(dòng)端同步，終止滑摩。起步過程的控制目標(biāo)主要包含起步平順性和離合器滑摩功。

1）平順性指起步過程平穩(wěn)、沖擊小、舒適感良好，通常用沖擊度j 度量：

其中：k=r/（igi0）

式中：a——汽車加速度，m/s2；

r——車輪行駛半徑，m；

ig——變速箱總傳動(dòng)比；

i0——差速器傳動(dòng)比；

Tc——離合器傳遞扭矩，N·m；

Tr——阻力矩，N·m；

J——發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、飛輪及離合器主動(dòng)片系統(tǒng)的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

2）滑摩功（W/J）：離合器主從動(dòng)片接合過程中有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和摩擦，從而導(dǎo)致摩擦片溫度升高，滑摩功的大小通常能體現(xiàn)出溫度的高低、摩擦片磨損程度的大小。

式中：t0——離合器接合過程所用時(shí)間，s；

we——離合器輸入軸轉(zhuǎn)速，rad/s；

wc——離合器輸出軸轉(zhuǎn)速，rad/s。

將離合器主、從動(dòng)部分簡(jiǎn)化為阻尼與慣性環(huán)節(jié)，得到離合器主、從動(dòng)部分結(jié)合過程的動(dòng)力學(xué)方程，如式（3）和式（4）所示。

式中：Te——發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；

Td——主動(dòng)與從動(dòng)盤之間傳遞的摩擦扭矩，N·m；

Ie——等效至離合器主動(dòng)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

βe——離合器主動(dòng)端等效阻尼系數(shù)；

Iv——離合器從動(dòng)端的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

wv——從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速，rad/s；

βv——離合器從動(dòng)端等效阻尼系數(shù)；

Tl——從動(dòng)端等效阻力矩，N·m。

2.2 模糊控制策略的制定及仿真

采用2 層模糊推理[7]，第1 層根據(jù)油門開度及油門開度變化率推理出駕駛員的起步意圖；第2 層根據(jù)離合器接合行程、起步意圖和主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速比推理出離合器的接合速度。

1）駕駛員起步意圖的模糊判斷：駕駛員起步意圖通常是通過油門開度和油門開度的變化率2 個(gè)信息來判斷的。油門開度大，說明駕駛員急于起步；油門開度的變化率越快，說明越想較快地起步，反之，變化慢則說明起步要求較慢[8]。

2）離合器接合速度模糊控制：在對(duì)離合器接合速度進(jìn)行控制時(shí)，“快—慢—快”的接合速度是比較理想的，而針對(duì)其中“慢”的階段，分成“慢—快—慢”的接合過程。當(dāng)駕駛員起步意圖較大時(shí)，表明要快速起步，反之則要慢速起步。當(dāng)離合器主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差變大時(shí)，應(yīng)慢速接合，轉(zhuǎn)速差降低時(shí)，可適當(dāng)增加接合速度；當(dāng)轉(zhuǎn)速差小于一定值時(shí)，應(yīng)慢速接合。

基于MATLAB/Simulink 建立的起步過程控制模型，如圖4 所示。

圖4 離合器接合速度模糊控制原理與模型

基于上述分析，進(jìn)行不同油門開度下的變接合速度起步仿真。當(dāng)油門開度（α）在25%～50%時(shí)，為正常起步工況；當(dāng)α＞50%時(shí)，汽車起步為急起步工況。分別對(duì)正常起步和快速起步2 種情況進(jìn)行仿真，α 分別取值為30%和50%，離合器接合過程仿真曲線，如圖5 所示。從圖5 可以看出，在小油門開度下，離合器主從動(dòng)盤達(dá)到同步的時(shí)間是2.4 s，在大油門開度下為2.0 s，離合器的接合速度基本按照所制定的接合速度進(jìn)行，驗(yàn)證了模糊規(guī)則的合理性。

圖5 不同油門開度下離合器接合過程仿真曲線

不同起步過程下的滑摩功仿真曲線對(duì)比，如圖6所示。由圖6 可知，緩慢起步時(shí)，離合器滑摩產(chǎn)生的滑摩功較小，而快速起步的滑摩功較大，因此離合器溫升過高可能出現(xiàn)在快速起步工況，故對(duì)此工況下的離合器瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。以快速起步為仿真條件，油門開度在1.5 s 后穩(wěn)定在60%，求得起步過程中的滑摩功，圖7 示出快速起步工況離合器滑摩功曲線，在傳熱學(xué)理論的基礎(chǔ)上，建立離合器摩擦片的瞬態(tài)熱傳遞模型，利用有限元的求解方法，根據(jù)熱流密度、對(duì)流換熱條件等熱力學(xué)參數(shù)，得到大油門起步過程中離合器的瞬態(tài)溫度場(chǎng)，如圖8 所示。

圖6 不同油門開度下滑摩功仿真曲線

圖7 快速起步工況離合器滑摩功仿真曲線

圖8 快速起步工況離合器溫度特性分析

從圖8 可以看出，起步過程剛開始時(shí)溫度急速上升，原因是吸收的摩擦熱量還未來得及向周圍擴(kuò)散，導(dǎo)致摩擦表面溫度急劇上升。隨著滑摩時(shí)間的延長(zhǎng)，主從動(dòng)轉(zhuǎn)速差減小，熱流密度也不斷減小，對(duì)流換熱不斷增大，導(dǎo)致溫度下降。當(dāng)離合器連續(xù)多次進(jìn)行接合后，摩擦片溫度可達(dá)到100 ℃以上，這就亟需采用措施對(duì)離合器的溫升進(jìn)行控制。

3 加裝電控超越離合器后起步性能比較

在離合器同步階段，汽車可以穩(wěn)步加速，但此時(shí)離合器的接合壓力并未達(dá)到最大，該階段離合器的主、從動(dòng)片接合不影響汽車的行駛性能，因此該階段應(yīng)以較快的速度完成。由滑摩功仿真可知，在完全接合前的一段時(shí)間內(nèi)，滑摩功急劇上升，因此有必要采取相應(yīng)措施降低滑摩功。

將電控超越離合器平行布置在主離合器兩端，當(dāng)主離合器進(jìn)入同步階段時(shí)，開始啟用電控超越離合器，通過控制其控制環(huán)的位置，使其運(yùn)行在雙向楔合模式，從而保證主離合器前后兩軸快速同步。而此時(shí)主離合器可以停止高速下的繼續(xù)接合，從而減少主離合器的磨損，待電控超越離合器完成扭矩傳遞，主離合器溫度降低后，設(shè)置較大的接合速度進(jìn)行主離合器的接合。加裝電控超越離合器前后的起步特性對(duì)比，如圖9 所示。

圖9 加裝電控超越離合器前后起步特性比較

從圖9 可以看出，當(dāng)采用加入電控超越離合器的方案后，主離合器接合的同步階段滑摩功和溫升明顯降低，而沖擊度卻有所上升，但是仍然低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的10 m/s3，而摩擦片的最高溫度相比不加電控超越離合器時(shí)有明顯降低，由此證明，通過犧牲部分沖擊度指標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)降低溫升的目標(biāo)。

4 結(jié)論

文章針對(duì)AMT 的起步過程進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了適用于起步過程的多模式可控離合器，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及樣機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明該離合器原理正確，楔合與解楔性能優(yōu)異，變速器整體性能可靠。通過與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)AMT 起步過程的沖擊度、溫升進(jìn)行仿真對(duì)比，新型的傳動(dòng)方案在降低起步過程主離合器的滑摩功和溫升方面有一定的優(yōu)勢(shì)，本結(jié)構(gòu)方案對(duì)實(shí)車的改進(jìn)具有借鑒意義，后續(xù)可結(jié)合電控離合器的多模式切換與汽車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化控制研究，進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能。