（光学工程专业论文）amt离合器接合规律研究及其稳定性分析.pdf

两北工业大学硕十论文 摘要 摘要 电控机械式自动变速器( a m t ) 是在传统机械式变速器基础上改进而成的， 它不仅实现了自动变速，而且又具有传动效率高，成本低等优点，具有广阔的发 展前景。 离合器的接合控制是a m t 技术的核心之一，同时离合器在接合过程中时常 出现异常的振动，影响接合过程的稳定性。因此本文研究内容主要包含两方面， 一是设计离合器的接合控制规律，二是离合器接合过程中的稳定性分析。 在设计离合器的接合控制规律时，必须了解离合器膜片弹簧的动态工作特 性，因此本文首先建立了膜片弹簧变形与压力之间的非线性关系，同时根据发动 机试验数据建立其动态数学模型。然后详细分析了离合器的接合过程、评价指标 及其影响因素，建立了离合器接合过程中的车辆动力学模型。通过对各种控制方 法的分析，本文采用了控制接合速度的方法来设计控制器。控制策略分为两层， 首先根据输入判断驾驶员起步意图，再根据起步意图和离合器主、从动盘的转速 比来控制离合器的接合速度，并应用模糊控制设计了离合器的接合控制规律。 为了研究离合器在接合过程中的稳定性，本文建立了传动系5 自由度模型。 重点分析了离合器摩擦系数的变化对离合器接合稳定性的影响。通过对系统特征 值的求解可知，摩擦系数的变化是离合器在接合过程中不稳定的主要因素之一。 最后，本文在m a t l a b s i m u l i n k 中建立了相应的仿真模型，对不同起步意图 进行了仿真，结果表明模糊控制策略能正确反映驾驶员的起步要求，实现离合器 的顺利接合。在5 自由度模型下，对不同摩擦系数的变化率进行了仿真，结果与 稳定性分析一致，当摩擦系数的变化率小于临界稳定值时，离合器接合过程不稳 定，但是通过对接会速度的控制可以抑制接合过程中产生的振动。 关键词：a m t ，离合器，接合控制，稳定性，分析 西北下业大学硕十论文 a b s t r c t a b s t r a c t a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ( a m t ) i sb a s e do nt r a d i t i o n a l g e a r t r a n s m i s s i o n ，w h i c hh a sh i g h e rt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n dl o w e rc o s tt h a na t s oi t h a sa ne x p a n s i v em a r k e ta n d d e v e l o p m e n tf o r e g r o u n d t h ec o n t r o lo fc l u t c hi so n eo ft h ek e yp r o b l e m so fa m t t e c h n o l o g y , a n d a b n o r m a lv i b r a t i o nh a p p e n i n gd u r i n gt h ec l u t c he n g a g e m e n ta f f e c t st h es t a b i l i t yo f c l u t c h s ot h i sp a p e r sc o n t e n th a st w op a r t s ，t h ef i r s ti st od e s i g nt h ec o n t r o ls t r a t e g y o f c l u t c he n g a g e m e n t ，a n o t h e ri st oa n a l y z et h es t a b i l i t yd u r i n gc l u t c he n g a g e m e n t t od e s i g nt h ec o n t r o ll a wo fc l u t c he n g a g e m e n t ，i ti s n e c e s s a r yt ok n o wt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fd i a p h r a g ms p r i n g s ot h ep a p e re s t a b l i s h e d t h en o l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s p l a c e m e n ta n dt h ep r e s s u r eo fd i a p h r a g m s p r i n g ，a tt h es a m et i m e ，t h ed y n a m i cn u m e r a lm o d e lo fe n g i n ew a sf o u n d e db a s e do n t h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h e n ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ee n g a g i n g p r o c e s so fc l u t c h ， p e r f o r m a n c ei n d e x e sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r s ，a n df o u n d e dt h ev e h i c l ed y n a m i cm o d e l o ft h ec l u t c he n g a g e m e n t t h r o u g ht h ea n a l y s i so fa l lk i n d so fc o n t r o lm e t h o d s ，t h e p a p e ru s e ds p e e d c o n t r o l m e t h o dt od e s i g nt h ec o n t r o l l e r t h ec o n t r o l s t r a t e g y c o n t a i n e dt w os t e p s ：t h ef i r s ti st oj u d g et h ed r i v e r si n t e n t i o n ，t h es e c o n di st o d e t e r m i n et h ee n g a g i n gs p e e da c c o r d i n gt ob o t hd r i v e r si n t e n t i o na n dr o t a t es p e e do f e n g i n ea n dd r i v e nd i s ko fc l u t c h a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls t r a t e g y , t h i sp a p e r d e s i g n e dt h ec o n t r o ll a ww i t hf u z z yc o n t r 0 1 i no r d e rt os t u d yt h es t a b i l i t yd u r i n gt h ec l u t c he n g a g e m e n t ，t h ep a p e re s t a b l i s h e d af i v ed o fd y n a m i cm o d e lt oa n a l y z eh o wt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti n f l u e n c et h e s y s t e ms t a b i l i t y t h ev a r i a t i o no ff r i c t i o nc o e f f i c i e n ti so n eo ft h ep r i m a r yc a u s e sf o r v i b r a t i o nd u r i n gt h ec l u t c he n g a g e m e n tb ya n a l y z i n gs y s t e me i g e n v a l u e a tl a s t t l l i sp a p e re s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e li nm a t l a b s i m u l i n k , t h e s i m u l a t i o nr e s u l tu n d e rd i f f e r e n td r i v e ri n t e n t i o n ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g ym e e t s t h er e q u i r e m e n t so fv e h i c l es t a r t - u p s i m u l a t i o nr e s u l t so ff i v ed o fm o d e ls h o wt h a t w h e nt h es l o p eo ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ff r i c t i o nd i s cw i t hs l i ps p e e di sl e s s t h a n c r i t i c a lv a l u e ，t h ec l u t c he n g a g e m e n ti su n s t a b l e ，w h i c ha c c o r d sw i t ht h es t a b i l i t y a n a l y s i s b u tt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ee n g a g i n gs p e e d ，t h ev i b r a t i o nc a n b er e p r e s s e d k e yw o r d s ：a m t , c l u t c h ，e n g a g i n gc o n t r o l ，s t a b i l i t y , a n a l y s i s l l 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电予版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将 本学位沦文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论 文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名j 蠼生 x 硐年 二9 斗 指导教师签名：7 哆7 功 弓月口同工。矿年壬。月如同 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文 中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经公丌发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用 途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：趁龟宽，o 0 、。l ! 一”一 知钉年；月弘f 1 f 西北t 业大学硕十论文 第一章绪论 第一章绪论 随着汽车工业的日益发展，人们对汽车的使用性能提出了更高的要求。特别 是近年来，汽车的产量逐年增加，应用范围越来越广，同时也面临很多问题。车 辆在起步和换档时要求加速踏板、离合器踏板及换档杆的协调配合，对于非职业 驾驶员而言，传统变速器操作复杂、难于掌握。 此外，连续频繁的换档常会有两种结果，一是加速驾驶员精神和体力上的疲 劳，分散在行驶方向上的注意力，使交通事故增加；二是因疲劳而懒于换档，简单 地以油门大小代替变速，从而以牺牲燃料经济性换取暂时的休息。而自动变速器， 则从根本上简化了操作，离合器踏板、变速杆都取消了，驾驶员只要控制油门， 即控制了自动变速，极大地改善了驾驶员的劳动条件，从而降低事故率。自动变 速器对于提高车辆的动力性与经济性，降低排放污染，延长零部件的使用寿命具 有举足轻重的意义。 电控机械式自动变速器【2 】( a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 是自动变速 器领域的重要分支。它是在传统机械变速器的基础上改进而成的，它去掉了离合 器踏板和选档杆，增加微机控制实现了自动选档和离合器自动接合，它保留了传 统变速器传动效率高、成本低、容易维护的优点，同时又实现了起步、换档自动 化；在结构构造、制造工艺上没有a t 复杂，在操纵方便上具备了a t 的优点。它 不仅降低了驾驶员的疲劳程度，实现车辆的平稳起步，而且降低离合器的磨损， 延长离合器的使用寿命，通过对滑动速率的有效控制还可以降低传动系的噪音和 振动，因而成为自动变速器领域里的一个重要研究与开发方向。 1 1a m t 简介 目前世界上使用最多的汽车自动变速器主要有3 种类型【3 】1 4 j 1 5 1 ，一种是液力自 动变速器( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n 简称“a t ”) ，一种是金属带式无级自动变 速器( c o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o n 简称“c v t ”) ，另一种是电控机械式 自动变速器( a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n 简称“a m t ”) 。受限于a m t 结构形式，与a t 相比，a m t 在控制方面难度更大。具体表现在l ，j ： 1 电控机械式自动变速器为切断动力换挡，没有液力变矩器在起步和换挡 过程中能够缓和冲击与振动的良好条件。 西北丁业大学硕十论文第一章绪论 2 电控机械式自动变速器需在换档过程中变化油门，远远难于定油门下换 档的液力变速器。 3 a t 中的湿式离合器与a m t 中的干式离合器相比，允许较长时间打滑而 不会烧伤摩擦片，因而有利于起步、换挡品质的提高。 4 由于液力变矩器具有自动适应性，坡道上起步很容易，而电控机械式变 速器则要靠驾驶员熟练的驾驶技术使制动、离合器、发动机油门三者协调工作才 能实现起步。自动化后需要增加坡道辅助起动装置，以提高安全性。 a m t 的基本控制原理【5 】f 1 0 】1 5 0 堤：e c u 根据驾驶员的操纵( 油门踏板、制动踏 板、转向盘、选档器的操纵) 和车辆的运行状态( 车速、发动机转速、变速器输入 轴转速) ，综合判断确定驾驶员的意图以及路面情况，采用相应的控制规律，发 出控制指令，借助于相应的执行机构，对车辆的动力传动系统进行联合操纵。 图1 - 1n d t 原理图 图卜l 为a m t 的控制原理图，要实现机械式自动变速器的自动化，包含几个 关键部分，如图1 - 1 中的换档执行器、离合执行器和油门执行器，因此相应的控 制策略和执行机构也就成为研究a m t 系统的关键所在。 ( 1 ) 车辆档位决策和控制 档位决策就是根据车辆运行情况、道路情况和驾驶员的意图，按照某些目标 ( 如动力性、经济性) 最优的原则确定当前车辆应处的档位，并通过换档执行机 构控制变速器进行换档。目前采用的换档决策主要是两参数( 车速、油门) 和三 参数( 车速、加速度、油门) 两种换档规律；根据选择的最优指标的不同，又可 2 两北t 业大学硕十论文第一章绪论 以分为基于最优车辆燃油经济性和基于最优行驶动力性两种换档规律l 。 ( 2 ) 离合器接合控制 离合器接合控制就是根据车辆状况、路况和驾驶员的意图获得离合器的接合 规律，并控制执行机构按此规律接合。离合器接合控制是电控机械式自动变速器 开发中的难点，其控制目标要求车辆起步和换档平顺、冲击小和离合器的滑磨功 小。离合器的分离与接合执行机构一般由机、电、液组件构成，是一个典型的非 线性系统，因此为了有效地完成离合器接合，执行机构的优化设计与高精度控制 是一个很重要的问题。 ( 3 ) 油门开度的自动调节 油门自动调节方法通常是用步进电机代替机械传动，加速踏板的行程通过传 感器将踏下豹程度传至微机，微机再按其开度要求控制步迸电机。在正常行驶时， 踏板程度与步进电机驱动油门的开度是一致的。但是在换档过程中并不一致，它 按换档规律要求先松油门，以便挂空档，而挂上新档位后，接合离合器的同时， 要求按预先设置于微机中的自适应调节规律控制油门。 1 2 电控离合器的研究 机械式自动变速器是在原来手动变速器和干式离合器基础上实现自动化的， 取消了离合器踏板；而离合器工作工况众多，且与发动机油门及换档需要协调配 合，自动控制系统对它有很高的要求。因此实现机械传动系自动化的核心问题就 是离合器的最佳接合规律，解决了它才能保证汽车起步、换档过程的品质，减少 传动系零部件的冲击，提高使用寿命和乘坐舒适性。 1 2 1 电控离合器的执行机构 根掘动力源的不同，离合器操纵机构主要有3 种p 州：液动、气动和电动。 1 液动方式 液动方式采用液压的工作方式，液动电控离合器示意图如图1 2 所示。液压 缸为特殊设计的空腔形式，一个高速开关阀为驱动阀，该阀与油源相接，该阀打 开时高压油进入油缸向右运动，驱动离合器分离；另一个为卸油阀，该阀直接与 油箱相接，该阀打开时依靠离合器膜片弹簧的复位力让油缸里的油向右运动使离 合器接合；单片机根据加速踏板、节气门开度、发动机转速等信号对p w m 占空 比不断进行调节，就可以控制两高速开关阀的开与关的时间，从而控制油腔内压 力的大小，达到控制离合器的目的。这种方式的结构较为复杂，成本高。同时由 西j e t 业大学硕士论文 第一章绪论 于采用高速开关电磁阀控制液压缸的电液操纵机构，通过对速度反馈量的脉宽调 制，控制商速开关电磁阀的开闭，实现离合器接合速度的控制，这样电磁阀歼启 的滞后性、启闭时产生的击水现象、油液黏度变化以及弹簧回复力变化会对控制 产生影响，使离合器接合的精确速度控制很难实现。 图卜2 浓动电控离合器原理图 2 气动方式 气动方式采用气压动作的工作方式，其基本原理同液压电控离合器一样，所 不同的是工作介质为气体。气动方式的工作较为粗暴，难以实现精确控制。对离 合器接合速度的控制如图1 3 所示，将驱动阀设计成4 个电磁阀( 三出一进) 的 布置方式。离合器分离时通过一个电磁阀控制快速进气实现快速分离；离合器接 合时通过3 个并联出气电磁阀的排列组合以控制出气量，实现接合过程的快一 慢一快控制。 位移传感器 离合器简化 图1 _ 3 气动电控离合器的控制原理图 4 西北工业大学硕十论文第一章绪论 3 电动方式 电动方式以电动机作为离合器执行机构，通过电机脉宽调制转速控制，不仅 可以实现直接速度反馈的离合器接合速度精确控制，而且取消了液压系统所需的 复杂油源，使系统结构大为简化，降低了系统成本。而且采用电机驱动容易实现， 可移植性强，便于实现精确控制，所以目前应用广泛。 电机驱动的离合器执行机构主要包括电机( 直流伺服电机、步进电机等) 、 减速结构和速度转换机构，如图l - 4 所示。减速机构为直齿单级减速器，速度转 换机构为丝杠螺母，它可以将旋转运动转换为离合器分离、接合所需要的直线运 动，同时实现较大减速比，获得恰当的速度和足够的分离力。 图1 - 4 电控离合器执行机构示意图 1 2 2 电控离合器的开发 电子控制技术是电控离合器的核心技术，是电控离合器的硬件基础。由于汽 车工作环境恶劣多变，为保证电控离合器正常工作，应确保电子控制系统在各种 不同条件下可靠工作，这样就对电子控制系统的设计提出了较高要求，不仅要求 电控系统能够正常可靠地工作，而且要具有很好的电磁兼容性和快速响应特性。 1 传感器的选择 根据所选用的操纵机构不同，所选用的传感器也有所不同，例如，当离合器 采用位置控制时就要选用线性位移传感器；采用转速控制时就要采用转速传感器 等。采用位置控制时还要将位移的变化转化为电压值的变化，该模拟量的变化范 围一般为o 5 v ( 全部踏下是为o v ，松开时为5 v ) 。在选用传感器时，需要考 西北1 = 业大学硕士论文 第一章绪论 虑精度、温度特性、响应特性以及环境等因素。 2 操纵系统的开发 由于接合过程很短，操作系统的响应速度和动作精度要求较高，为了保证响 应速度和动作精度，在具体设计时对于气动要考虑气缸的缸径和气压大小，对于 液动要考虑油缸的缸径，对于电机控制要选择合适的电机功率以及合适的减速器 速比。同时还要对具体的操纵力进行计算和验证。 3 ，电控单元的开发 电控单元的开发包括硬件和软件两部分。电控单元的c p u 是整个电控系统 的核心，目前国外汽车普遍采用8 位或1 6 位的通用微机或单片机。虽然高抗干 扰及耐振动的汽车专用微机的速度和精度比不上计算用专用微机，但其抗干扰性 好，耐振性强，温度范围宽，内存几十k ，频率一般在1 0 m h z 左右，i o 口较 多，具有a d 、d a 转换功能，这些特点有利于减少外围硬件电路，减小系统尺 寸，使得系统可靠性得以较大提高。对于接1 ：3 电路和放大电路，功率器件均采用 抗干扰性好、温度范围较宽、多功能的i c 芯片、或者汽车专用芯片，这样可以 使电控系统小型化、微型化，提高了系统可靠性，降低了成本。电控系统的元器 件在选用时也要着重考虑环境因素。 4 仿真系统的应用 为了获得最佳的离合器接合规律，可以对电控离合器建立接合过程的仿真模 型，采用m a f l a b 进行仿真，对所制定的控制规律进行验证，通过对系统的仿真 和优化得出最佳的接合控制规律，对控制软件和整个系统进行考核，看能否正确 地实现功能。 1 2 3 电控离合器接合规律研究现状 迄今为止，国内外对离合器的接合规律已有不少研究，采用的控制方案也不 尽相同，在不同的方案下，也有不同的控制策略。s u m i d a 【1 3 l 在大量实验的基础 上总结了驾驶员的操作习惯，并在此基础上设计了离合器的起步控制器，得出离 合器的接合控制与发动机的转速有密切的关系，这种控制器的特点在于发动机的 扭矩输出与节气门开度相一致。s z a d k o w s k i 【1 4 】【1 5 】分析了在节气门为定常时的控 制及其优化，他提出了理想接合控制策略，即在离合器接合过程中，摩擦盘压力 的变化率为常数，在保证发动机不熄火以及较小的冲击的条件下尽量减小离合器 的接合时间。金伦等 1 9 2 2 增加了采集的信息量，以油门开度、发动机转速、离 合器从动盘转速、离合器位移等作为控制参数，利用发动机与离合器从动盘的转 速差和油门开度信号来控制离合器接合，这是目前应用比较多的离合器控制策 略。江发潮等16 】【1 1 8 1 还采用最优化理论设计离合器的接合控制：此外还有模糊 6 西北t 业大学硕十论文 第一章绪论 控制、压力控制、自适应控制、滑模控制等。 1 3 本文研究意义及研究内容 1 3 1 研究意义 电控离合器的研究是a m t 研究中的核心，同时由于电控离合器接合过程受 外界环境和本身工况的影响较大，在不同的状态下需用不同的接合规律完成。如 果没有良好的接合规律，汽车在起步和换档过程中就会造成冲击及令人不适的振 动，严重时甚至造成汽车熄火。因此接合规律的研究就成了电控离合器的核心问 题。 尽管当前已经有不少针对离合器接合规律的研究成果，但仍然有许多亟待解 决的问题，例如如何正确的反映驾驶员的起步意图等，因此本文将采用模糊控制 来设计离合器的接合控制规律。 此外，试验表明【5 4 j 离合器在起步接合过程中时常伴随着异常的振动，有时甚 至无法顺利接合，它不仅影响了车辆起步时的舒适性，而且容易对车辆传动系造 成破坏。因此本文的另一研究内容是分析离合器在接合过程中的稳定性。 1 3 2 研究内容 本文的研究内容主要包括两部分：设计离合器的接合规律；离合器接合过程 的稳定性分析。具体内容如下： 1 分析传动系的组成和原理，建立发动机的三维动态数学模型，以此作为整个 传动系的输入。 2 、分析离合器膜片弹簧的动态工作特性，分析各参数对工作特性曲线的影响。 研究离合器摩擦副的磨损特性。 3 、设计离合器接合控制方案。分析离合器的接合过程、评价指标及影响因素， 建立动力学模型和仿真模型，设计离合器接合控制方案。 4 、离合器接合过程中的稳定性研究。在完成2 自由度模型上的基础上，进一步 细化传动系的模型，建立包括离合器减振弹簧及阻尼的因素在内的5 自由度动力 学模型，分析对离合器接合稳定性产生影响的主要因素。 5 、在m a t l a b s i m u l i n k 中建立了相应的仿真模型，对不同起步意图进行仿真，以 验证所设计的模糊控制器，对影响离合器接合稳定性的因素进行仿真分析。 两北1 二业大学硕十论文第二章动力传动系特性 第二章动力传动系特性 2 1 传动系的组成原理 汽车传动系是位于发动机和驱动车轮之间的动力传动装置，其基本功用是将 发动机发出的动力传递给驱动车轮。基本组成如图2 1 t 3 6 1 ，发动机发出的动力依 次经过离合器、变速器、万向节和传动轴组成的万向传动装置以及安装在驱动桥 中的主减速器、差速器和半轴，最后传到驱动车轮。 传动系的首要任务是与发动机协同工作，以保证汽车在各种行驶条件下正常 行驶所必须的驱动力与车速，并使汽车具有良好的动力性和燃油经济性。为此， 任何形式的传动系统都必须具有以下功能。 ( 1 ) 实现减速增扭，汽车变速； ( 2 ) 实现汽车倒驶； ( 3 ) 必要时中断传动系的动力传递： ( 4 ) 应使两侧驱动轮具有差速作用； 图2 - 1 传动系统的组成及布置示意图 1 一离合器2 一变速器3 一万向节4 一驱动桥5 一差速器 6 半轴7 一主减速器8 - 传动轴 2 2 发动机动态模型 发动机是汽车的动力源，其输出扭矩是动态变化的，很难用解析的理论模型 8 两北丁业大学硕十论文 第二章动力传动系特性 来准确描述其运动状态，发动机生产商提供的都是外特性曲线，发动机部分负荷 特性曲线基本上都用测功机依靠试验分析和系统辨识的方法建立模型，常用的有 多项式逼近和神经网络辨识等方法，其中前者表达更直观计算速度快，应用更广 泛。本文采用已有的试验数据进行多项式拟合得到发动机的动态特性。表2 一l 为发 动机的试验数据。 表2 - 1 发动机试验数据 转速 油门( ) ( n r a i n )1 2 2 22 93 84 75 76 78 01 0 0 1 2 0 0 5 0 o o7 6 6 79 3 5 69 9 7 81 0 4 4 41 0 8 8 91 0 8 8 91 0 8 8 91 1 8 6 7 1 6 0 02 8 4 45 7 1 l8 4 8 9 1 0 2 8 91 1 1 5 61 2 0 | 4 41 2 5 5 61 2 5 5 61 3 1 5 6 2 0 0 0 3 8 6 76 7 5 69 4 4 41 0 8 ，8 9 1 2 2 4 41 2 9 3 31 3 1 1 l1 3 7 ，7 8 2 4 0 0 2 6 6 75 1 1 l8 1 1 11 0 0 4 41 2 0 o o1 2 9 1 11 3 1 1 l 1 4 2 4 4 2 8 0 0 4 0 0 07 0 0 09 1 1 l1 1 5 7 81 3 1 3 31 3 8 6 71 4 8 8 9 3 2 0 0 2 8 4 45 7 3 38 2 6 71 1 0 o o1 3 1 1 11 3 7 7 81 5 0 6 7 3 6 0 02 0 2 24 7 7 8 7 2 ，2 21 0 1 1 l1 2 8 8 91 3 5 5 61 4 5 ，5 6 4 0 0 0 3 7 3 36 1 ，1 19 2 8 9 1 2 4 4 41 3 3 1 11 3 7 ，7 8 4 4 0 0 3 5 1 15 8 8 99 1 5 61 2 4 4 41 3 2 2 21 4 0 0 0 4 8 0 0 2 3 ，3 34 7 7 87 9 5 61 1 8 8 91 2 8 8 91 4 0 4 4 5 2 0 0 4 0 0 06 9 5 61 0 8 4 41 2 1 3 31 3 0 0 0 分别对表2 - i 中各油门开度下的试验数据进行拟合，结果如图2 3 所示。 1 2 ：y = 一5 3 9 + x + l1 4 6 8 ： 2 2 ：y = o 4 6 5 2 x l 4 6 8 6 3 x + 1 3 0 1 8 ； 2 9 ：y = 0 4 6 5 2 x 3 - 4 0 8 4 x + 1 4 4 7 7 ； 3 8 ：y = 0 3 1 0 1 * x 2 + 2 1 7 8 6 5 x + 1 3 3 4 7 0 0 ： 4 7 ：y = 2 2 6 6 2 x 2 + 4 2 4 3 1 + x + 1 2 0 3 3 ； 5 7 ：y = 4 8 5 5 8 x 2 + 1 9 ，2 2 + x + 9 8 9 1 8 ： 6 7 ：y = o 8 2 7 6 x 3 1 3 0 4 4 + x 2 + 5 4 4 3 1 x 十6 4 1 1 6 ； 8 0 ：y = o 9 9 0 4 9 x 3 1 4 7 1 4 x 2 + 6 2 7 3 x + 5 5 2 7 7 ： 1 0 0 ：y = 1 1 8 8 5 x 3 1 6 9 0 1 + x 0 7 0 2 2 7 + x + 5 6 7 0 3 ； 上述等式中x 表示以1 0 0 0 ，y 表示e 。在建立发动机三维动态函数时，有 的将参数分成三段进行回归，这样得到的分段函数存在不连续性问题，本文用二 元四次回归方程： 乏= a t + a 2 n 4 。+ 龟定+ 口4 n 2 + a s n 。+ a 6 c t 4 + 口7 口3 + a s a 2 + a g a ( 2 - 1 、 a l o n y t + a ll 噬2 口+ a 1 2 霄口2 + a t 3 心口3 + a 1 4 n e a 2 + a 1 5 吃口 q 、口：a i ，为多项式系数，假设x t = 、而= 以：、x 3 = 彰、x 4 = 、 x s ：口4x 6 = 、而= 口2 、x 8 = 口，则瓦为x s 的函数。 将表2 1 中的各数值带入到上式中可得到向量方程： 9 西北t 业大学硕十论文 第二章动力传动系特性 卜阻f s 0 0 弘巨1 2 1 2 1 2 1 2 x o 1 2 1兰2 1 ，口= 1i 43 2 2 o 1 2 根据数理统计学原理【3 7 1 可得到口i b 最, j , - 乘估计： 口= ( x 7 叼1 x 7 y ( 2 3 ) 解答结果 口= 5 6 6 9 ，一0 8 1 6 ，1 0 9 4 1 ，一3 2 1 0 1 ，一1 7 5 8 ，4 9 9 5 1 8 ，一2 8 8 3 8 2 ，一4 8 8 9 4 6 ，2 2 2 7 1 ，1 0 5 3 ，一7 4 9 3 6 ，4 0 5 3 2 ，2 7 8 7 1 6 ，一3 0 2 3 7 3 ，2 0 2 6 2 7 转速( r m i n ) 图2 - 2 发动机试验数据 其三维图形如下 鲁 z v 卜 嫂 啦 转速，k ( r r a i n ) 图2 - 3 发动机拟合曲线 圈2 - 4 发动机三维动态拟合曲线 1 0 2 n 2 1土 0 q 吒； r。l 两北工业大学硕士论文第二章动力传动系特性 2 3 离合器的组成原理 离合器位于发动机和变速箱之间的飞轮壳内，用螺钉将离合器总成固定在飞 轮的后平面上，离合器的输出轴就是变速箱的输入轴。在汽车行驶过程中，驾驶 员可根据需要踩下或松开离合器踏板，使发动机与变速箱暂时分离或逐渐接合， 以切断或传递发动机向变速器输入的动力。 离合器的主动部分和从动部分借接触面间的摩擦作用，或是用液体作为传动 介质( 液力偶合器) ，或是用磁力传动( 电磁离合器) 来传递转矩，使两者之间可以 暂时分离，又可逐渐接合，在传动过程中又允许两部分相互转动。 发动机发出的转矩，通过飞轮及压盘与从动盘接触面的摩擦作用，传给从动 盘。当驾驶员踩下离合器踏板时，通过机件的传递，使膜片弹簧大端带动压盘后 移，此时从动部分与主动部分分离。 摩擦离合器应能满足以下基本要求： ( 1 ) 保证能传递发动机发出的最大转矩，并且还有一定的传递转矩余量； ( 2 ) 能作到分离时，彻底分离，接合时柔和，并具有良好的散热能力； ( 3 ) 从动部分的转动惯量尽量小一些。这样，在分离离合器换档时，与变速 器输入轴相连部分的转速就比较容易变化，从而减轻齿轮间冲击； ( 4 ) 具有缓和转动方向冲击，衰减该方向振动的能力，且噪音小； ( 5 ) 压盘压力和摩擦片的摩擦系数变化小，工作稳定； ( 6 ) 操纵省力，维修保养方便。 2 4 膜片弹簧离合器的结构及特点 膜片弹簧离合器的主要特点是用一个膜片弹簧代替传统的螺旋弹簧和分离 杠杆，其结构和工作原理【4 0 】如图2 5 所示。因为它布置在中央，所以也算中央离 合器，因其具有许多优点而被现代乘用车广泛采用。 ：许多零件的形状单一，易实现“三化”，即通用化、系列化、批量化。 二：膜片弹簧带有锥度成碟形，靠中心部位开有许多径向切槽，形成许多分 离指，因此膜片弹簧本身兼起压紧弹簧和分离杆的作用，使得结构大为简化，故 零件数目减少、质量减轻，同时显著地缩短了离合器的轴间尺寸。 三：膜片弹簧呈圆形，对离合器轴线来说是对称的，所以压盘周围受的压力 分布均匀，具有高速时压紧力稳定的特点。 四：膜片弹簧为圆形，因此这样保证既不使压盘易于变形和产生局部过热或 两北丁业大学硕七论文 第二章动力传动系特性 裂纹，又能使离合器摩擦片接触良好，磨损均匀，从而延长了离合器摩擦片的使 用寿命。 五：膜片弹簧具有理想的非线性特性( 图2 6 ) ，设计合适，则摩擦片磨损到 极限，压紧力仍能维持很少改变，且可减轻分离离合器时的踏板力，使操纵轻便。 i ( a ) ( b ) 熬：熬 l 图2 5 膜片弹簧离合器组成及工作原理 卜飞轮，2 一从动盘，3 一压盘，4 一膜片弹簧，5 一分离轴承 图2 - 6 膜片弹簧工作特性曲线 图2 6 中实线为膜片弹簧的特性曲线，虚线为螺旋弹簧的特性曲线，a 、a 为 摩擦片磨损后的接合位置，占点为新离合器( 摩擦片无磨损) 在接合状态时的工 作点。c 、c 点为完全分离点，但是汽车在行驶过程中由于离合器的经常分离与 接合，造成摩擦片的磨损使得离合器处于完全接合状态时膜片弹簧的工作点向左 移，a 为磨损量，a 为离合器升程。可以看出在相同的磨损量a 情况下， 膜片弹簧的压盘压紧力从b 减小到只，而螺旋弹簧压紧力从最减少到只，压紧 力明显降低，容易使离合器产生滑磨。当分离时，在相同的压盘升程a 下，分 西北t 业大学硕十论文第二章动力传动系特性 离轴承所需的力明显小于螺旋弹簧，因此操纵省力。 2 5 膜片弹簧的特性曲线 膜片弹簧离合器分为推式和拉式两种，但其膜片弹簧的结构形式都是一样 的，计算的力学模型也是一样，膜片弹簧真正起作用的部分为碟簧，碟簧的精确 计算很困难，为简便计算起见，对膜片弹簧( 碟簧部分) 作一些假设。 1 ) 碟簧在受到轴向载荷p 时，沿其轴向的剖面不发生变形( 仍保持其原剖面形 状) ，而是其轴向剖面绕剖面某一中心点转动； 2 ) 作用在膜片弹簧上的载荷均匀分布在内外圆周上； 3 ) 弹簧变形时，膜片弹簧和各支承面之间的滑动摩擦忽略不计； 4 ) 膜片弹簧的材料是各向同性的线弹性体，卸载后没有塑性变形。 协 p 移 1j一二 h j 、t 7 自由状态 承载状态 图2 - 7 碟形弹簧及其承载变形 如图2 7 所示当其大小端承受压力时，载荷p 与变形a 之间有如下关系 3 8 】： p = 而z t ：e h 1 而h a ( r r ) ( 一a ) ( 日一害) + 矗2 ( 2 4 ) 式中；e 一弹性模量，一波松比，h 一钢板厚度，h 一碟簧的内截锥高，r 一大 端半径，r - - t 、端半径。 ( b ) ( a )自由状态；( b ) 接合状态；( c ) 分离状态 图2 - 8 膜片弹簧在各种状态时的受力及变形 两北j 业大学硕十论文第二章动力传动系特性 汽车离合器膜片弹簧在实际安装中的支撑点如图2 8 所示，稍微偏离其碟簧 部分大、小端部，离合器在工作中，膜片弹簧两支承圈的位置不变，而压盘和分 离轴承有轴向移动。 1 自由状态：当离合器盖总成尚未与发动机飞轮装合以前，膜片弹簧近似 处于自由状态，不承载无变形。 2 接合状态：当离合器盖总成与飞轮装合时，离合器盖前端面向飞轮靠拢。 此时，离合器盖通过上支承环对膜片弹簧施加压力载荷只，膜片弹簧逐渐变形直 到离合器盖和飞轮完全贴合为止，此时膜片弹簧呈接合状态。它由原来的自由状 态的锥形近乎变成一平板形。相应地在压盘大端处也作用有一载荷只，把只称为 膜片弹簧的压紧力或工作载荷。 3 分离状态：当分离轴承以只作用于膜片弹簧小端处时，膜片弹簧的力点 逐渐由大端向小端转移，直到彻底分离为止。分离时，膜片弹簧分离指相当于分 离杆绕支点转动。 2 5 1 膜片弹簧动态工作特性 离合器彻底分离时，大端载荷片= o 。接合过程中，首先克服接合间隙，即空 行程阶段。该阶段小端载荷只减小，只保持为0 ，离合器仍处于分离状态。到达初 始接合点后，只继续减小，只逐渐增大，最后到达完全接合状态。因此就离合器 的接合过程中力的作用方式可以分作三个阶段：分离阶段、过渡阶段、接合阶段。 在过渡状态下，膜片弹簧大端和小端同时作用，而且随着接合的完成，大端作用 力逐渐增大、小端作用力逐渐减小。熟练驾驶员操作时，空行程阶段越快越好， 而到达初始接合点后，则根据车况、路况和主观意图“慢松”离合器踏板，控制 膜片弹簧的小端变形，使只的增长速率适中，才能减少冲击，并尽量减少摩擦片 磨损量。“慢松”操作的效果取决于膜片弹簧的非线性动态工作特性，即膜片弹 簧的小端变形与大端载荷的动态非线性关系。 对于图2 - 7 ，2 - 8 所示的两种加载情况，只要碟簧部分的子午断面从自由状态 的初始位置转过相同的转角，且假设膜片弹簧受载变形时的转角矿与变形量五之 间为线性关系，且便有如下的对应关系： t a n p ：三：上 ( 2 5 ) r 一， 三一f 即 2 ：丝z ( 2 6 ) 1 胄一r 那么 1 4 两北t 业大学硕十论文 第二章动力传动系特性 日：等p ( 2 - 7 ) 式中一一膜片弹簧与压盘接触处的半径，m i l l ； 卜一支撑圈平均半径，n l n l ； r 、，一一碟簧部分大、小端的半径，l n l n ； 将以上两式带入式( 2 - 4 ) ，整理可得压紧力只和膜片弹簧大端变形 的关系式： 肛6 棚0 - - 5 7 ) 一器( h - ( 日一和卅 ( 2 - 8 ) 其中，k l ：百g - r 。 当离合器分离时，如图2 - 8 ( c ) 所示，其加载点改变。在膜片弹簧小端的分 离指处作用有分离轴承推力昱( n ) ，该作用点的变形为如( m m ) ，同样存在相似 的换算关系： = 乞五 ( 2 - 9 ) 其中k 2 = 当! f 一， 以支承环为支点，载荷产生的合力矩为 m 2 只( 三一d + 最“一0 )( 2 1 0 ) 设在接合过程中丑近似为常值，因此产生变形量所需的外力矩不变，由于接 合状态下的力矩为= ( l - i ) ，e l 。为接合初始状态下的压盘压力。则可得大 端载荷与小端载荷的关系 # ：一鲁b ( 2 - 1 1 ) * 大端变形 可看作大端载荷异在大端产生的变形 。与小端载荷b 在大端产 生的变形五。之和。 = 1 + 如l = 口 ( 2 - 1 2 ) 那么 五。= 。一五。= 。一五：岛 ( 2 1 3 ) 同时有也= ：+ 五：，忽略接合过程中如的影响，可以认为如= 如：。将上式带入 ( 2 - 8 ) 中可得小端变形与大端压力之间的关系。 日= 而# e h 器( a b 嘞) 【h - ( 铲毛】( h 一华” 2 ( 2 1 4 ) 两北t 业大学硕十论文 第二章动力传动系特性 2 5 2 初始工作点位置的选取 汽车离合器膜片弹簧特性曲线如图2 - 6 所示，选择好固线上的几个特定工作 点的位置很重要。拐点对应着膜片弹簧的压平位置，而五，为曲线凸点m 和凹点 n 的横坐标平均值。b 点为新离合器在接合状态下的工作点，通常取在使其横坐 标为 。= ( o 8 1 o ) a ，的位置。 对式( 2 - 8 ) 求二阶导数且令f = 0 可得： 2 黜( 3 砰 一3 砚) ：0 (215)60 一2 ) ( 三一，) 2 、1 、“ 即拐点位