基于OBD的車輛自動離合器系統(tǒng)研究*

袁志剛，丁兆順，劉振偉，姜振華，曹云旗，洪寶峰，鄭來萍

(東北工業(yè)集團有限公司，吉林 長春 130103)

傳統(tǒng)的手動擋車型在起步的過程中需要駕駛人熟練地控制離合器踏板和油門踏板。如果遇到坡路、冰雪路面等惡劣工況，離合器踏板位置控制不當就會導致車輛闖動，嚴重的就會直接導致車輛熄火[1]。而一旦熄火溜車就會出現安全問題。如果在起步時忘記踩下離合器踏板，點火開關一旦打開，由于離合器處于接合狀態(tài)，車輛會迅速被發(fā)動機拖動，而車輛由于慣性會反拖發(fā)動機，導致發(fā)動機熄火[2]。

傳統(tǒng)的手動擋車型在行駛過程中換擋時，需要駕駛人通過離合器踏板來控制離合器的分離位置，此時如果控制不當也會直接導致車輛聳車，加速磨損離合器片的同時，也間接損傷變速器中的同步器[3]。

傳統(tǒng)的手動擋車型在制動時，需要駕駛人通過離合器踏板來控制離合器的分離位置，此時需要駕駛人根據車速和發(fā)動機轉速來判斷是否需要踩踏離合器踏板，而且踩踏的時機和速度會直接影響車輛的舒適性，如果踩踏的時機和速度不當，嚴重的會導致車輛聳車甚至熄火。

隨著自動控制理論的不斷發(fā)展，汽車電子控制技術越來越成熟，在市場需求的推動下，在原有手動擋離合器控制的基礎上逐步衍生出一種離合器隨動控制系統(tǒng)[4]，即自動離合器系統(tǒng)。其實現低耗智能離合、舒適手動換擋，完全解放駕駛人左腳。

1 ACS系統(tǒng)方案

隨著汽車電控技術的滲透率逐步提升，變相地增加了車輛的故障診斷和維修難度[5]，為了快速提取診斷信息，兼顧車輛數據的兼容性和可追溯性，采用車輛原有故障診斷口(OBD)來讀取車載控制系統(tǒng)的相關故障信息。本項目的方案就是基于整車統(tǒng)一故障診斷口(OBD)的一種自動離合器系統(tǒng)，其系統(tǒng)構架如下：控制器主芯片選用飛思卡爾MC9S12G240MLF，分別處理來自車輛的點火開關信號、發(fā)動機轉速信號、車速信號、油門開度信號、制動踏板信號，來自于離合器操縱機構的離合器位置傳感器信號、依附于變速箱選換擋位置處的選擋、擋位及換擋意圖信號，來自于離合器控制單元和操縱機構的3路溫度信號；離合器操縱機構和控制單元構成線控電子液壓離合系統(tǒng)，控制單元中集成智能離合功能算法；量產方案中離合器操縱機構和控制單元可為一體，傳感器模塊可與變速箱集成。系統(tǒng)架構原理如圖1所示。

2 自動離合器系統(tǒng)設計

2.1 自動離合器系統(tǒng)方案原理

當前已具備成熟的量產或進行市場推廣應用的ACS能力的企業(yè)多數為外資廠商，且與發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS)、車身穩(wěn)定系統(tǒng)(ESC)以及變速器控制單元(TCU)或多或少都有交集，如博世、大陸、舍弗勒以及法雷奧。國內汽車零部件企業(yè)和高校進行預研和產品開發(fā)工作，如哈爾濱宏泰偉業(yè)、西安渦普動力、武漢理工大學、吉林大學、哈爾濱理工大學、上海交通大學等，都開展了ACS產品的理論研究及產品試制開發(fā)工作。

設計開發(fā)一種自動離合器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器信號采集裝置、電控單元、離合器操縱機構、主缸、管路、分泵以及CAN總線網絡。其工作原理如圖2所示。

該自動離合器系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的手動變速器的基礎上增加電控液壓操縱機構驅動離合器分離軸承，駕駛人操縱油門踏板和換擋手柄，電控單元根據傳感器信號采集裝置反饋的角位移信號(α、β、γ)和CAN總線網絡通信獲取的車速Vspeed、發(fā)動機轉速Espeed、發(fā)動機扭矩Etorque、節(jié)氣門開度Tposition、加速踏板位置APposition、制動踏板位置Bposition進行邏輯計算分析，制定控制策略，指揮操縱機構實現離合器的自動分離與接合。擋位在儀表板的窗口內顯示，出現駕駛人誤操作或系統(tǒng)故障時，儀表板的窗口內數碼閃爍并發(fā)出蜂鳴報警，故障代碼存儲在電控單元的存儲器中，可利用診斷儀來判讀[6]。

2.2 自動離合器系統(tǒng)操縱機構設計

針對操縱機構的設計，主要考慮其響應速度和輸出力的大小，通過對目標車型的離合器傳扭特性的測試，獲得其離合器分離力曲線，再結合離合器物理特性[7-11]，參考國內外當前研究現狀的優(yōu)略勢后選擇電動機直驅方式，即操縱機構包括電動機蝸輪蝸桿減速器、原車離合器主缸、離合器位置傳感器(見圖3)。

電動機接收到來自控制單元的PWM控制信號后，按照指令開始工作，通過聯軸器將電動機軸的旋轉運動傳遞到蝸桿上，通過離合器主缸推桿將蝸輪的旋轉運動轉化為離合器主缸活塞的直線往復運動，其搭建的軟件仿真模型如圖4所示。

2.3 自動離合器系統(tǒng)控制單元設計

如前文所述，自動離合器系統(tǒng)控制單元組芯片為飛思卡爾MC9S12G240MLF，電動機驅動采用經典H橋控制[12]，選用驅動芯片為BTN8982TA，為了電磁兼容輻射騷擾限制達到等級4的要求，選用B82789C0104N002共模扼流器件在CANH和CANL端濾波，選用CMX1616Y222B-10共模扼流器件在車載電瓶的正極和負極濾波，在主芯片的供電端串聯電感進一步濾波，最終通過驗證的PCBA板如圖5所示。

2.4 自動離合器系統(tǒng)電控軟件設計

兼顧車輛原有的功能，借鑒自動擋變速箱的手自一體模式下的相關控制策略，控制軟件定義了9個狀態(tài)來描述車輛的運行工況。它們分別是：初始化、怠速、爬行、起步、行駛、換擋、診斷、斷電、跛行。

每個狀態(tài)結束后，輸出離合器控制的目標位置和目標接合或分離速率，用于指導離合器的控制[13-14]。ACS軟件框架如圖6所示。

從該軟件基本架構中可以清楚地看出，操作系統(tǒng)和任務時序管理器驅動任務的執(zhí)行、控制硬件接口；主要軟件功能以標定的時間周期運行；駕駛和控制方面主要功能在“離合器核心控制”和“電動機控制”模塊中實現，支持和輔助功能在其他模塊中實現，此處涉及到故障診斷，依據整車故障診斷規(guī)范，按照故障處理與發(fā)送優(yōu)先級，結合軟件系統(tǒng)的潛在失效模式，定義DTC[15-16]。與此同時，軟件架構中考慮到與發(fā)動機管理系統(tǒng)的協調通信，當前采用的ACS與EMS通信鏈路采用基于ISO11898標準的CAN(版本2.0A)總線結構，通信速率為500 kb/s。協調通信控制目的為了如下4個方面。

1)爬行增扭。駕駛人掛擋、解除制動時車輛爬行，ACS協調發(fā)動機增加輸出扭矩，改善爬行平順性和舒適性，提高發(fā)動機穩(wěn)定性，避免熄火。

2)帶油換擋。駕駛人不收油換擋時，ACS協調發(fā)動機降低輸出扭矩，避免離合器分離后發(fā)動機轉速上沖；換擋后，ACS協調發(fā)動機扭矩恢復，直到駕駛人期望值，保證車輛平順性。

3)滑摩控制。駕駛人在爬行工況踩加速踏板時車輛起步，起步或者換擋后，ACS協調發(fā)動機降扭控制，扭矩恢復控制，實現對離合器滑摩的優(yōu)化控制，降低油耗。

4)滑行控制。制動踏板和加速踏板開度為0時車輛滑行，根據EMS的要求，ACS進行離合器分離和接合控制，實現節(jié)能減排。

ACS控制軟件協同通信邏輯框圖如圖7所示。

3 自動離合器系統(tǒng)臺架及實車驗證

3.1 臺架驗證

自動離合器系統(tǒng)臺架試驗包括快速控制原型、車輛模型、功能測試、VECTOR等測試工具以及必要的溫度沖擊、溫度交變、濕熱、振動、鹽霧、 沙塵以

及淋雨相關試驗設施。圖8所示是硬件在環(huán)仿真測試臺架，圖9所示是軟件在環(huán)仿真測試模型。圖8是常溫下的臺架測試，在高溫或者低溫等環(huán)境下，基于自動離合器系統(tǒng)在整車上的布置，對應的需要做相關的試驗驗證，其試驗驗證的簡易臺架如圖10所示。

臺架驗證前需要先通過軟件驗證，過濾掉不必要的極限工況測試的同時縮短整個驗證周期。將控制程序燒錄到實物控制單元，通過實物變速箱、電動機模擬發(fā)動機來實現硬件在環(huán)仿真測試。硬件在環(huán)測試過程中，通過設置相應的系統(tǒng)模型參數及仿真所需要的邊界條件，可以分析自動離合器系統(tǒng)的相關特性(包括控制特性、離合器主泵分泵壓力特性及接合分離特性)。給定圖11所示的轉速控制信號以及角度限位信號，可以得到操縱機構分離泵壓力特性及分離行程特性(見圖12)，可以測出實際控制的電動機角位移與角速度曲線(見圖13)，還可以根據負載及離合器控制角度的變化，得到離合器主從動盤的轉速特性(見圖14)。

軟件在環(huán)仿真測試模型包括發(fā)動機、離合器、變速器、整車及相關控制信號，其模型如圖9所示，通過設置適當的模型參數及相關的邊界輸入，可以得到整車的一般性能特性，在軟件在環(huán)仿真測試模型中，離合器切換及擋位選擇均采用信號時序直接輸入。在圖9所示軟件在環(huán)仿真測試模型中，給定一定的發(fā)動機節(jié)氣門開度信號、擋位信號以及離合器控制信號(見圖15)，便可以得到離合器主從動盤的轉速(見圖16)以及整車加速度(見圖17)等特性。

離合器的功能要求如下：1)要求離合器接合平順、柔和，即不應有過高的瞬時加速度，避免產生使乘員感到不舒適的抖動、沖擊和過大的傳動系動載荷，此要求用沖擊度來評價；2)離合器耐用性要好，使用壽命越長越好，影響離合器使用壽命的直接原因是離合器摩擦片的磨損，此要求用滑磨功來評價；3)離合器切換應保證動力性，這對于離合器動力性

換擋來說至關重要，此要求用切換時間來評價。

一般來說，接合時間長，車輛起步就平緩，換擋時沖擊度就小，但滑磨功會比較大；接合時間短，車輛起步和換擋時速度快，滑磨功會比較小，但會產生沖擊。因此這2個指標互相制約，是一個綜合最優(yōu)問題。切換時間是直接對應于動力性的評價指標。顯然，基于動力性的要求切換時間越短越好。特別是對于換擋過程而言，該指標意味著動力中斷時間的長短。但是，一般隨著切換時間的縮短，沖擊會相應增大，這就會與舒適性的要求產生矛盾。由于復雜的控制邏輯策略是比較難以在臺架上得到充分驗證，因此還需要經過必要的實車驗證，最終的控制邏輯確定以后便可以將控制邏輯代入計算，得到最終的控制效果。

綜上所述，臺架試驗驗證的結果滿足設計期望值，依據測試離合器的物理特性，離合器有效分離時間控制在200 ms內，離合器完全分離時間控制在350 ms內(見圖18)。

3.2 實車驗證

針對手動擋車型的相關整車驗證規(guī)范，該系統(tǒng)的實車驗證進行了動力性、經濟性、道路耐久以及三高驗證。整車試驗是以鄭州海馬汽車公司的海馬S5為測試樣車(見圖19)，在湖北襄陽進行動力性和經濟性試驗，在重慶墊江試驗場進行道路耐久，在新疆吐魯番進行高溫，在青海昆侖山、祁連山進行高原，在黑龍江黑河、漠河進行高寒。利用博世公司開發(fā)的KT700診斷儀來對自動離合器系統(tǒng)故障診斷模塊進行實車測試。經濟性、爬坡性能及駕駛性能試驗數據見表1。

表1 自動離合器系統(tǒng)試驗車經濟性、爬坡性能及駕駛性能對照表

表1中涉及到自動離合器系統(tǒng)與發(fā)動機管理系統(tǒng)的協同通信，即上述提到的4個方面。用VECTOR工具實車實時采集曲線如圖20和圖21所示，試驗車的動力性指標見表2。

序號項目負載/kgACS試驗車同車型手動擋10～100 km/h車速加速187.515 s13 s20～400 m距離加速187.519.8 s18.9 s34擋最高車速187.5157 km/h157 km/h45擋最高車速187.5174 km/h174 km/h51擋最低車速187.56.5 km/h6 km/h64擋最低車速187.522 km/h20 km/h75擋最低車速187.526 km/h22 km/h84擋60～100 km/h車速加速187.514 s14 s95擋60～100 km/h車速加速187.518 s18 s105擋80～120 km/h車速加速187.520 s20 s111擋坡底爬坡37540%坡度40%坡度121擋半坡起步37520%坡度30%坡度133擋坡底爬坡37510%坡度10%坡度

動力性試驗還涉及ACS試驗車的操作規(guī)范，針對不同廠家的車型，可能還有局部差異性。綜合評價，ACS試驗車的動力性等同于同車型的手動擋。

4 結語

本文設計了一種基于整車統(tǒng)一診斷口的自動離合器系統(tǒng)，并通過臺架及實車搭載試驗驗證了該自動離合器系統(tǒng)的響應速度，對比分析了同等車型的整車動力性和經濟性指標的差異性，尤其是針對離合器的物理特性充分驗證了系統(tǒng)的可靠性。在系統(tǒng)設計開發(fā)過程中，分別通過軟件在環(huán)和硬件在環(huán)進行了仿真驗證，基本達到了開發(fā)目標，為后續(xù)量產開發(fā)打下了良好的基礎。