（光学工程专业论文）汽车自动离合器接合控制的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 自动离合器是a m t 系统中最重要的一个功能模块，也是a m t 控 制的难点和核心。自动离合器控制的难点在于获取最佳的离合器接合 规律并制定有效的离合器接合控制策略，本文便围绕着车辆起步过程 自动离合器接合控制的相关内容进行深入的研究。 本文分析了a 1 v i t 汽车所用干式膜片弹簧离合器的工作特性以及 膜片弹簧的负荷特性。把离合器的整个接合过程分为三个阶段，在此 基础上分别建立了车辆起步过程的动力学模型和离合器扭矩传递模 型，为接下来对离合器的接合控制研究建立了理论基础。 针对所建立的车辆起步离合器接合过程的动力学模型，论文进行 了软件仿真，并通过实车实验予以了验证，通过对仿真和实验所得结 果数据的对比分析，证明了所建立的模型的正确性，为制定正确的离 合器接合控制策略，实现离合器最佳的控制规律提供了前提。 从自动离合器接合控制应满足的要求、接合性能评价指标入手， 对离合器的接合过程及其影响因素作了详细的分析，把离合器的接合 过程进一步细分为五个阶段，确定了离合器的接合速度应满足“快一 慢( 慢快一慢) 一快 的接合规律。通过对当前国内外各种控制方 法的较深入的分析，确定了基于模糊控制原理来对离合器接合过程进 行控制的控制策略。并设计了离合器接合控制模糊控制器，控制器分 为两层，第一层根据油门开度及其变化率来判断驾驶员起步意图，第 二层根据起步意图、离合器主从动盘的转速比和离合器接合行程来控 汽车自动离合器接合控制的研究 制离合器的接合速度。 最后，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了离合器接合控制的仿真 模型，包括发动机模块、离合器起步接合控制模块、离合器滑磨模块、 完全接合模块、状态判断模块等，分别对驾驶员不同的起步意图进行 了仿真，仿真结果表明所设计的模糊控制器是合理的，能够正确反映 驾驶员起步意图，满足自动离合器的使用要求。 关键词：自动离合器，起步过程，实验验证，接合控制，模糊控制， 仿真分析 江苏大学硕士学位论文 a u t o m a t i cd u t c hi st h em o s ti m p o r t a n tf u n c t i o nm o d u l ei nt h e s y s t e mo fa m t , a n da l s oi ti st h ed i f f i c u l t ya n dc o r ei nt h ec o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o ld i f f i c u l t i e so fa u t o m a t i cd u t c hi n c l u d et h eo b t a i n i n go f o p t i m a le n g a g e m e n to fa u t o m a t i cc l u t c h ，a n dt h ee s t a b l i s h m e n to fc o n t r o l s t r a t e g yo fj o i n tp r o c e s s ad e e pr e s e a r c ho nt h er e l e v a n tc o n t e n t so f e n g a g i n gc o n t r o lo fa u t o m a t i cc l u t c hd u r i n gv e h i c l es t a r t u ph a sb e e n d o n ei nt h ep a p e r t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ed 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 co fd r y d u t c ha n dt h el o a dc h a r a c t e r i s t i co fd i a p h r a g ms p r i n g t h e nt h ep a p e r f o u n d e dt h ev e h i c l ed y n a m i cm o d e la n dt h e t o r q u et r a n s m i s s i o nm o d e lo f c l u t c ha sd i v i d e dt h ed u t c hj o i n tp r o c e s si n t ot h r e ep h a s e s ，w h i c h p r o v i d e d t h e t h e o r e t i c a l l y f o u n d a t i o nf o rt h e e n g a g i n g c o n t r o lo f a u t o m a t i cd u t c h f o rt h ev e h i c l ed y n a m i cm o d e lo ft h ed u t c hj o i n tp r o c e s s ，t h e s i m u l a t i o nw a sd o n ef r i s ti nt h i sp a p e r ，a n dt h ev e h i c l ef i e l dt e s tw a s c a r r i e do u tl a t e r t h e i rr e s u l t i n gd a t aw e r e c o m p a r a t i v e l ya n a l y z e d ，w h i c h v e r i f i e dt h ev a l i d i t yo ft h em o d e l a l lt h e s ep r o v i d e dap r e c o n d i t i o nf o r t h ee s t a b l i s h m e n to fc o r r e c tc o n t r o ls t r a t e g yo fj o i n tp r o c e s sa n dt h e r e a l i z i n go fo p t i m a le n g a g e m e n t t h e p a p e r s t a r t e dw i t ht h er e q u i r e m e n t sa n dt h e p e r f o r m a n c ei n d e x e s w h i c ht h e e n g a g i n gc o n t r o l o fa u t o m a t i cd u t c hs h o u l dm e e t ，a n d a n a l y z e dt h ee n g a g i n gp r o c e s so fd u t c ha n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r si n d e t a i l t h e nt h ep a p e rd e t e r m i n e dt h eo p t i m a le n g a g e m e n tl a ww h i c ht h e 汽车自动离合器接合控制的研究 e n g a g i n gs p e e do fd u t c hs h o u l dm e e t 弱f u r t h e rd i v i d e dt h ej o i n tp r o c e s s i n t of i v ep h a s e s 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 df u z z yc o n t r o lm e t h o d t 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 l e r w a sd i v i d e di n t ot w ol a y e r 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 r o u g ht h r o t t l eo p e n i n ga n di t sc h a n g i n gr a t e s ；t h es e c o n d i 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 od r i v e r si n t e n t i o n ，r o t a t es p e e d o ft h ec l u t c ha c t i v ed i s ca n dt h es l a v ed i s ca n dt h ed i s p l a c e m e n to fd u t c h a tl a s t ，t h ep a p e rf o u n d e dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fc l u t c he n g a g i n g c o n t r o ld u r i n gs t a r t - u p ，w h i c hc o n t a i n sm u l t i p l em o d u l e ss u c h 嬲e n g i n e s t e a d y - s t a t et o r q u em o d u l e ，d u t c he n g a g i n gc o n t r o l ，f r i c t i o ns t a g eo f d u t c h ，f u l l ye n g a g e ds t a g eo fd u t c ha n ds t a t ej u d g e m e n tm o d u l e t h e s i m u l a t i o nu n d e rd i f f e r e n td r i v e r si n t e n t i o nw a sc a r r i e do u t ，t h er e s u l t s s h o w nt h a tt h ed e s i g n e dc o n t r o l l e rw a sr e a s o n a b l e ，t h ec o n t r o ls t r a t e g y c o u l dr e f l e c td r i v e r si n t e n t i o na n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fv e h i c l e s t a r t _ u p k e yw o r d s ：a u t o m a t i cc l u t c h ，s t a r t u pp r o c e s s ，t e s tv e r i f i c a t i o n i v e n g a g i n gc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，s i m u l a t i o na n a l y s i s 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，目的是在原地起步、爬 坡、转弯、加速等各种行驶工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发 动机在最有利的工况范围内工作。人工操作的有级变速器在换挡时转速变化突 然，常使发动机处于非稳态工况，这样汽车排出的有害物质多，污染严重，而且， 频繁的换挡和离合器操作很容易引起驾驶疲劳，同时还需要较高的驾驶技术和经 验。为了保证发动机在车辆行驶过程中处于良好的工作状态，减少污染，保护环 境，同时减轻驾驶员的体力消耗和提高驾驶与乘坐的舒适性【1 1 ，自动变速器在现 代汽车上的应用就越来越广泛。 经过几十年的发展和演变，当前市场上的自动变速器主要包括四种：液力自 动变速器a t ( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ) 、机械式无级变速器c v t ( 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 ) 、电控机械式自动变速器a m t ( a u t o m a t i cm e c h a n i c a l t r 孤s m i s s i o n ) 和双离合器式自动变速器d c t ( d u a lc l u t c ht r a n s m i s s i o n ) 。 在自动变速器领域，我国与国外仍然有很大差距，目前还主要依赖国外跨国 公司，每年都需要大量进口，这与我国作为汽车大国的地位很不相称。目前我国 有相当一部分轿车和绝大多数客车使用的都是手动变速器，随着人民生活水平的 提高，轿车的需求量将大幅增加，随着非职业驾驶者的增多，对自动变速车辆的 需求也会越来越大。 机械自动变速器a m t 是在传统固定轴式变速器和干式离合器的基础上加装 自动换档和自动离合器控制系统，以电子控制单元( e c u ) 为核心，通过执行机构 控制离合器的分离与接合、选换档操作和发动机油门动作，来实现离合器和换档 的自动操纵，实现自动变速功能【2 】【3 l 。a m t 对于现有车辆改动小，特别适宜于手 动变速器的改造，同时它还具有结构简单、成本低、传动效率高的特点1 4 5 1 ，是 一种特别适合我国国情的自动变速器，已经得到了各大汽车厂的重视。本文所研 究的自动离合器便是机械自动变速器的一重要组成部分。 汽车自动离合器接合控制的研究 1 1 机械式自动变速器a m t 简介 1 1 1a m t 技术的发展历史 在a m t 技术研究初期，由于受到电子技术和控制技术水平的限制，不能实 现真正意义上的自动变速，通常是将离合器控制和换档控制分别考虑，单独实现 各自的自动控制功能，美国e a t o n 的s a m t 系统、德国z f 的s e m i s h i f t 都是代 表性的半自动变速系统 6 1 1 7 1 。半自动系统的自动离合器的控制是通过档位信号传 感器获得手动换档信号，控制离合器自动分离与接合 g l l g 。 直到上世纪八十年代初a m t 技术才获得突破性的进展并逐步产品化。1 9 8 3 年，日本五十铃公司在世界上最先研制成功了电子控制机械自动变速器n a v i 5 ， 装备于a s k a 轿车上投放市场【1 0 l ，标志着a m t 进入了全自动发展阶段。同期日 野的蓝带大客车也装备了这种类型的e e ( e a s ya n de c o n o m yd r i v e ) 传动系统，美 国e a t o n 公司在1 9 8 3 年宣布成功地将重型货车的手动变速器实现了自动化，德 国z f 公司对“e c o s p l i t 变速器也实现了自动换挡，称为“a u t o s h i f t ”装置，于 1 9 8 8 年装于g e n e v a 货车上【1 1 l 【1 2 j 。此后美国f o r d 公司、法国r e n a u l t 公司、意大 利f i a t 公司也都陆续开发了全自动a m t ，在换档时将离合器和发动机的控制纳 入自动控制系统，只要驾驶员通过简单的开关向系统发出升档或降档信号，便能 自动完成换档操作。 近年来随着电子技术和计算机技术的发展和应用，a m t 技术得到了快速发 展，在国外已实现了商品化。奔驰公司开发的s p r i n t s h i f t 机械式自动变速器主要 应用在奔驰s p r i n t e r 商用车上，德国用户对这款a m t 非常欢迎，自从2 0 0 0 年这 种变速器批量生产以来，选装这种a m t 的车辆数量在长途客车中占5 0 ，在商 用车中占2 5 。a m t - 7 机械式自动变速器在1 9 9 9 年由t i c 公司推向市场，用 于中型商用车上，这种变速器取消离合器踏板并自动实现换挡，同时具有手动换 挡的功能，通过和发动机e c u 之间通讯，实现最佳换挡性能和最优的燃油经济 性。z fm e r i t o ra u t o m o t i v e 和s a c h s 公司共同开发了z f - a st r o n i c 机械式自动变 速器，并于1 9 9 7 年开始批量生产，首先装备在i v e c o 车上。2 0 0 0 年欧洲在重 型载货汽车上推出了1 2 挡和1 6 挡a m t 。l u k 、v a l e o 、g e t r a g 、m a r e l l i 等公司 也研制开发了a m t 产品【1 3 1 【1 4 】【1 5 1 。 2 江苏大学硕士学位论文 经过多年的研究与开发，a m t 技术有了很大的提高。现代a m t 不仅起步、 换档操作更加符合驾驶员的意愿，而且还利用现代控制方法，解决了特殊环境下 的控制问题，使控制性能及可靠性大幅度提高。其主要特点是一机( 微机) 多参数、 多规律性的控制。多参数指输入电控单元的控制参数多元化，即控制参数不仅有 发动机转速、车速、节气门开度等信号，而且包含发动机、变速器工作环境和行 驶条件等信息，全面的反映发动机和变速器的实际工作情况；多规律是指控制器 中存储多种不同的换挡规律，如各种行驶条件下的最佳经济性、最佳动力性和最 佳排放量性能等，可按需要调用相应的规律实现最佳控制，使发动机和变速器在 不同节气门开度和各种行驶环境下都能处于最佳工作状态。 1 1 2 a m t 的关键控制技术 a m t 控制的基本思想是：根据驾驶员的意图( 加速踏板、制动踏板、选择 器开关等) 和车辆的状态( 发动机转速、变速器输入轴转速、车速和挡位等) ， 依据设定的控制规律( 变速器选换挡规律和离合器控制规律等) ，借助于相应的 执行机构( 选换挡执行机构和离合器执行机构) ，对车辆的动力传动系统进行联 合操纵。其基本控制思想如图1 1 所示： 匝回 ：穗羹赏 图1 1a i o 的基本控制思想 f i 9 1 1t h eb a s i cc o n t r o lt h o u g h to f a m t 图中，- 代表驾驶员感觉信息，一表示电信号，匕表示机械 动作。 3 汽车自动离合器接合控制的研究 可见，a m t 是一个复杂的系统，不同的运行环境可能就需要采取不同的控 制参数和控制方法，这更提高了a m t 的控制难度。目前，对于a m t 来说，它 的关键控制技术主要包括离合器起步接合控制、换档品质控制、换档规律设计。 ( 1 ) 离合器起步接合控制 起步过程中离合器的接合控制是a m t 的关键技术之一。车辆起步控制不仅 要求起步平稳、快捷，而且要求能满足驾驶员的起步意图( 慢起步、正常起步、 快起步) ，同时要求能适应外界行驶环境的变化以及能适应离合器结构参数和车 辆自身参数的变化【1 6 】【1 7 1 。 ( 2 ) 换档品质控制 a m t 属于动力中断换档，整个换档过程包括分离离合器、摘档、选档、挂 档和接合离合器以及在此过程中的发动机调节。评价换档品质的指标包括换档时 间、滑磨功和冲击度，由于对换档品质这三个指标的控制是相互矛盾的，这就需 要在软件的控制策略上解决换档时序的正确匹配、离合器与发动机的协调控制等 问题【阍。 ( 3 ) 换档规律设计 换挡规律即采用何种参数在何时来控制变速器换档。换档规律的设计不仅要 最大限度的提高车辆的动力性和经济性，而且要具有一定的自适应性( 对行驶环 境、发动机运转状况、车辆自身参数的变化以及驾驶员的驾驶个性等的适应) 。 车辆动力性和经济性的发挥是由动力型和经济型换档规律保证的，这就涉及到如 何设计这两种换档规律的问题。而换档规律具有一定的自适应性要通过智能化的 控制策略加以解决【1 9 1 。 1 2 自动离合器及其控制研究现状 由a m t 的控制思想及关键控制技术可以看出，按照模块所实现的功能的不 同，可把a m t 的控制分为自动离合器控制模块、自动换档控制模块和自动油门 控制模块。其中自动离合器是a m t 最重要的一个模块，也是a m t 控制系统的 难点和核心，其性能决定了a m t 性能的好坏，同时自动离合器也可作为一个单 独的产品来开发，因此深入研究自动离合器控制规律，对于开发实用的半自动机 械变速系统或全自动机械自动变速器具有重要意义 2 a l 2 。 4 江苏大学硕士学位论文 自动离合器是在机械干式离合器的基础上增加一套自动控制系统，取代原来 由驾驶员人工完成的离合器操作，实现车辆起步、换档和行进时离合器操纵的自 动化。自动离合器控制系统主要由各种传感器、e c u 控制单元、离合器执行机 构组成，系统结构如图1 2 所示。驾驶员通过感知外界环境、车辆状况以及驾驶 意图等操纵油门踏板和换档杆，此时e c u 根据各传感器信号信息和设定的控制 策略控制执行机构执行相应的动作，实现离合器的自动接合与分离。 臣薹口 图1 2 自动离合器控制结构图 f i 9 1 2c o n t r o ls y s t e ms t m c t u r eo fa u t o m a t i cc l u t c h 迄今为止，国内外对离合器的接合规律已有不少的研究，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。 在国外，s u m i d a 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输出转矩与节气门开度相一致【2 2 】。 s z a d k o w s d i 分析了在节气门为定常时的控制及其优化，提出了理想的接合控制策 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少离合器的接合时间1 2 3 1 。e s e n o v s k y l a s h k o v 对 发动机转速与油门开度、离合器传递转矩与其行程的关系进行了理论分析，建议 s 汽车自动离合器接合控制的研究 以发动机转速或油门开度作为离合器接合过程的控制参数，p e l l e g r i n o 对此进行 了实验研究刚。石冢松男曾以实验的方法研究离合器和油门的操作对车身纵向 动态特性的影响1 2 5 ，l u c a s 提出用统计平均模型研究坡度对离合器控制的影响。 t a n a k a 首次引入司机经验，采用模糊推理技术进行控制，使得汽车的起步性能 得到较大提升【2 6 l 。综合来看，以上这些研究对自动离合器的开发具有重要意义， 但也有一些缺点，主要是他们仅仅在众多影响因素中取其一二，不能反映实际行 驶中综合作用的效果，而且方法限于实验和统计分析，缺乏对对离合器接合过程 的更深入的分析，故没有找到对干扰时变和不确定性因素适应能力强的动态最佳 接合规律。 在国内，吉林大学葛安林教授在大量统计与实验资料的基础上，建立了离合 器的数学力学最优模型，提出了模糊评判思想1 2 7 2 9 。金伦等以油门开度、发动 机转速、离合器从动盘转速等作为控制参数，据此来控制离合器的接合量，这是 目前应用较多的离合器控制策略【冽；陈俐等将自动离合器分成两个解耦的子系 统，并采用自适应最优控制方法进行离合器的控制，也取得了不错的效果，但由 于算法复杂而无法满足实车运行需求【删。同济大学张德明等将发动机转速信号 及其与离合器从动盘转速信号差作为反馈信号，设计了线性二次状态反馈最优控 制器，建立了能够综合反映最小能量接合和乘坐舒适性的目标泛函，仿真结果表 明该最优控制器的性能要优于一般的接合控制【3 1 】。上海交通大学程东升利用大 型刚体分析软件a d a m s 分析了离合器接合规律，在满足冲击度和滑磨功综合 最优前提下，总结出离合器最佳接合规律的模糊控制规则库，取得了较好仿真效 果，但还需进一步进行实车验证，他同时利用滑模控制方法实现离合器位置跟踪 控制，取得了较好效果，但滑模控制存在的抖动问题还需要进一步解决【3 2 】。重 庆大学秦大同等人在综合目前采用的发动机设定转速控制和发动机恒转速控制 思想的基础上，提出了离合器自动接合的发动机局部恒转速控制原则【矧。北京 理工大学刘海鸥等人提出采用基于模型参考自适应的控制方法，以转速信号作为 参考模型控制离合器接合，但该转速信号的理想模型难以建立，该方法在相对不 变的环境中是有效的，但当环境变化时有较大的局限性剐。综合来看，以上控 制策略存在一个共性的问题，要么算法比较容易实现，但适应性不强，不能满足 各种不同工况下的控制要求，要么采用自适应算法，控制策略适应性较强，但实 6 江苏大学硕士学位论文 用性不够。 1 3 论文选题的意义和主要研究内容 1 3 1 研究意义 自动离合器的接合规律直接影响着汽车起步平顺性、汽车行驶性能和离合器 的使用寿命，同时由于自动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 此汽车起步离合器接合控制的研究就成了自动离合器的核心问题。 对起步过程离合器接合控制的基本要求是，接合过程能快速、平稳无冲击地 进行，并能够根据驾驶员的意图实现不同的接合规律。显然，平稳性与快速性是 相互矛盾的，又由于车辆行驶环境复杂多变、驾驶员意图的不同以及车辆系统本 身的非线性、时变性等因素的影响，采用传统的基于离合器接合模型的控制方法 难以适应对起步过程的不同要求。因此，本文在研究汽车起步过程离合器的控制 时，对离合器的接合过程及影响因素等作了深入的分析，并提出控制离合器接合 过程的基于油门开度、离合器主、从动盘转速以及离合器接合行程等参数的综合 模糊控制策略，为自动变速器汽车的开发研究提供了一定的参考。 1 3 2 主要研究内容 论文对车辆起步过程中离合器的接合控制展开研究，主要包括以下几个方面 内容： ( 1 ) 对膜片弹簧离合器膜片弹簧的工作特性以及车辆起步过程的动力学特 性进行了分析，在此基础上，建立了车辆起步过程的动力学模型和离合器扭矩传 递模型。 ( 2 ) 针对所建立的车辆起步离合器接合过程动力学模型，首先采用 m t a l a b s i m u l i n k 软件对模型进行了仿真，随后又进行了实车实验，对仿真结果予 以了验证。通过对所得结果数据的分析对比，证明了所建立的模型的正确性。 ( 3 ) 详细分析了汽车起步时离合器的接合过程、自动离合器接合控制应满 足的要求以及影响离合器接合过程的主要因素，由此确定了车辆起步过程自动离 7 汽车自动离合器接合控制的研究 合器的最佳接合规律和离合器接合控制应该选取的控制参数，并制定了基于油门 开度、离合器主、从动盘转速以及离合器接合行程等参数的综合模糊控制策略。 ( 4 ) 设计了自动离合器接合控制模糊控制器，建立了基于m a f l a b s i m u l i n k 的车辆起步过程离合器接合控制的仿真模型，对仿真结果进行了总结与分析，验 证了所制定的控制策略的有效性。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章离合器工作过程分析和动力学模型建立 在一般的汽车动力传动系统中，动力的传递或者中断是依靠一种主、从动部 分之间相互摩擦的机构来完成的，这种机构就称之为摩擦离合器。摩擦式离合器 有单、双、多片式及干湿式之分，压紧方式有圆柱螺旋弹簧、矩形断面的圆锥螺 旋弹簧和膜片弹簧等。膜片弹簧由于具有特有的非线性特性，从动盘的磨损对离 合器的压紧力没有太大的影响，以及结构简单、不易变形、使用寿命长等优点， 在汽车离合器上得到了最广泛的应用，汽车上安装的离合器多为膜片弹簧压紧、 单片、干式摩擦离合器。a m t 自动变速器中所使用的也大都是这种离合器。本 章将对膜片弹簧离合器的工作特性进行深入的分析。 2 1 离合器的结构及工作原理 膜片弹簧离合器总成结构如图2 1 所示，主要由分离轴承、离合器盖、支撑 环、膜片弹簧、传动片、压盘、摩擦片等零部件来构成。 l 一分离轴承，2 一离合器盖，3 ，4 一支撑环，5 膜片弹簧，6 铆钉，7 分离钩，8 传动 片，9 一压盘，1 0 一摩擦片，1 1 一发动机飞轮 图2 1 膜片弹簧离合器结构示意图 f i 9 2 1t h e s t r u c t u r ed i a g r a mo fd i a p h r a g ms p r i n gd u t c h 当离合器与发动机飞轮盘用螺栓紧固在一起时，膜片弹簧被压紧，离合器处 于接合位置，由于膜片弹簧大端对压盘的压紧力使压盘与从动盘摩擦片之间产生 摩擦力。于是当离合器盖总成随飞轮转动时( 构成离合器主动部分) 就通过摩擦 片上的摩擦转矩带动从动盘总成和变速器第一轴一起转动，从而传递发动机动 9 汽车自动离合器接合控制的研究 力。要分离离合器时，将离合器踏板踏下，通过操纵机构，使分离叉将分离轴承 前移压迫膜片弹簧分离指，使膜片弹簧呈反锥形变形，其大端离开压盘，压盘在 传动片的弹力作用下离开摩擦片，使从动盘总成处于分离位置，从而切断了发动 机动力的传递。 2 2 膜片弹簧离合器的工作特性分析 图2 2 膜片弹簧结构简图 f i 9 2 2s t r u c t u r eo fd i a p h r a g ms p r i n g 本文研究的对象是s a n t a n a 2 0 0 0 型轿车所采用的m f 2 1 0 型推式膜片弹簧离 合器，膜片弹簧的主要结构参数如图2 2 所示，各参数值见表2 1 。 表2 1 膜片弹簧的主要结构参数 t a b l e 2 1t h em a i ns t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fd i a p h r a g ms p r i n g 参数名 rrhh r f l l 数值( m m ) 9 7 7 74 7 1 2 4 5 2 2 o9 4 2 57 7 其中，r 为膜片弹簧( 碟簧部分) 外径；，为碟簧内径；日为碟簧部分内锥 高；h 为弹簧板厚度；为外支撑半径；z 为内支撑半径；印表示小端加载半径。 由于准确掌握离合器的各种特性是保证离合器控制精度，实现离合器最佳控 制规律的前提。下面便对膜片弹簧的工作过程和负荷特性进行分析。膜片弹簧负 荷特性是指膜片弹簧的载荷与变形量之间的关系。膜片弹簧由碟簧部分和分离指 部分所组成，起压紧作用的部分为碟簧，碟簧的精确计算很困难，为简便计算起 1 0 江苏大学硕士学位论文 见，对膜片弹簧碟簧部分作一些假设【3 5 】。 ( 1 ) 碟簧在受到轴向载荷时，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。 碟形弹簧模型如图2 3 所示，图中，为作用于碟簧上的载荷；a 为碟簧在 载荷作用下发生的变形。 a ) 自由状态b ) 承载状态 图2 3 碟形弹簧及其承载变形 f 逗；2 3d i s ks p r i n g sa n dt h ed e f o r m a t i o nw h e nu n l o a d e d 当碟形弹簧大小端承受压力时，载荷f 与变形a 之间有如下关系： f = 瓦勿e h g l n ( r r ) ( h 一五，f ，日一；) + 矿l ( 2 _ 1 ) 1 6 f “八 2 。”j r 式中：e 一弹性模量，单位为n m 2 ，本文取值为2 0 5 e 5 ，九一波松比本文取值0 3 。 汽车离合器膜片弹簧在实际安装中的支承点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。膜片弹簧的工作情况可分为下列三种工作状态来研究，如图2 4 所示。 a ) 自由状态b ) 接合状态c ) 分离状态 图2 4 膜片弹簧的三种工作状态以及在各种状态时的受力及变形示意图 f i 9 2 4w o r k i n gc o n d i t i o n so fd i a p h r a g ms p r i n gd 岫a n dt h ed e f o r m a t i o nw h e nu n l o a d e d 1 1 汽车自动离合器接合控制的研究 ( 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，此时其既不承载也无变形。 ( 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，离合器盖通过后支承环对膜片弹簧施加压力载荷b ，相应地膜片弹簧与 压盘接触处作用有支承反力局。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。从图2 4 b ) 可见，此时压紧力为局6 ，大小端的变形量分别为乃= 乃6 ( 在三处) 与乞= 五。( 在，处) ，只有圆环形的碟簧部分受载，而分离指部分并不受载。 ( 3 ) 分离状态将分离轴承向前推向飞轮时，作用于膜片弹簧小端加载半径 处的分离力乃使膜片弹簧以中部处前支承环为支点，继续受到压缩。此时，膜 片弹簧的大端对压盘的压紧力r 逐渐减小直到消失，使从动盘分离，离合器处 于分离位置。膜片弹簧大小端所产生的附加变形量分别为4 五”= 五，( 以，称为压 盘升程) 与么五“= 五，( 五，称为分离轴承行程) ，于是总变形量分别为 冯= 乃。= 气+ 4 五“，五= 五。= 五6 + 4 如”，此时只有分离指部分受载，碟簧部分 不受载。 离合器彻底分离时，大端载荷局= 0 。在离合器接合过程中，首先消除接合 间隙，即空行程阶段，该阶段小端载荷兄减小，局保持为o ，离合器仍处于分 离状态。到达初始接合点后，疋继续减小，局逐渐增大，最后到达完全接合状 态。因此，就离合器的接合过程中按力的作用方式可以分为三个阶段，即分离阶 段、过渡阶段和接合阶段。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，使乃的增长速率适中，才能 减少冲击，并减少摩擦片的磨损。“慢松 的效果便取决于膜片弹簧大端载荷与 小端变形之间动态非线性关系。 对于图2 3 ，2 4 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伊与变形量a 之间为线性关系，便有如下的对应关系： 1 2 江苏大学硕士学位论文 矽= r - l r2 土l - l ( 2 - 2 ) t a n 矽= = ， 即： 名，：丝允 那么： e ：_ r - _ r ， ( 2 3 ) 1 一z 、 将以上两式带入式( 2 1 ) ，可得压紧力毋和膜片弹簧大端变形乃的关系式： e = 磊字竺粉1r 日一五岛) f h 一互2 岛) + 矿l ( 2 - 4 ) q 一6 ( ，j 一) f ，l 一妒l i 上上 1 八“ “j r 其中，毛= 一r ) 伍一z ) 。 由此所得的膜片弹簧大端载荷与变形的特性曲线如图2 5 所示。 图2 5 膜片弹簧大端载荷一变形特性曲线 f i 9 2 5t h el o a dc h a r a c t e d s f i co fd i a p h r a g ms p r i n gc l u t c h 当离合器分离时，如图2 4 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f 2 ，该作用点的变形为2 2 ( m m ) ，在不计分离指在小 端载荷的作用下的弯曲变形的情况下，存在相似的换算关系： 五= k 2 如，e = k 2 e 其中，也= 亿- 1 ) ( 1 - , f 故可得压紧力毋和膜片弹簧小端变形如的关系式： 汽车自动离合器接合控制的研究 e ：高芸磊卜等k - r 训日一争a 2 等k - - r 叫( 2 - 5 ) e 2 石而而习卜肛瓦训肛了i 肿2 同理也可得小端载荷尼与小端r f 处的变形如关系式： e ：蔷高 ( h 一等御一鲁等卅 p 回 2 3 车辆起步过程的动力学分析 车辆的传动系统工作机理较为复杂，发动机的动力输出至车轮的过程中，要 经过众多环节，各环节对动力传递过程的影响各不相同，为了便于分析通常需要 对动力传动过程进行必要的简化。 本文在对车辆传动系统进行简化处理时，将发动机用其数学模型表示，同时 忽略发动机扭振、轴的扭振和离合器减振器对系统的影响，将离合器、变速器等 简化为- - n u 性环节，将汽车的阻力转矩折算到离合器输出轴上，并忽略轴承和轴 承座的摩擦阻力、搅油阻力等系统的内部摩擦阻力以及系统内部弹性元件的弹性 阻力，得到的简化传动系统模型如图2 6 所示。 j 霉 ， 卒h 、 、心 c i、 | 0 -、 ；二 ，譬 ； 乃、心 臌 l 1 、 、 ； c 2 1 l t e l a 图2 6 车辆传动系统简化的动力学模型 f i 萨6s i m p l i f i e dd y n a m i c sm o d e lo ft r a n s m i s s i o no fv e h i c l e 图中，吃代表发动机转速，亦为离合器主动部分转速；以表示包括发动机 飞轮、曲轴、以及离合器主动部分等在内的旋转质量的转动惯量；互为发动机输 出转矩；c 为离合器传递的转矩；已为汽车阻力等效换算到离合器从动盘输出 轴上的阻力矩，主要包括空气阻力矩、滚动阻力矩等；j v 为将整车的平移质量 1 4 江苏大学硕士学位论文 等效变换为与车轮同轴的旋转质量，且连同车轮、传动系统的各个旋转件一起换 算到离合器从动盘上所形成的等效转动惯量；够为离合器从动盘的转速，也即 变速器输出轴的转速。 根据以上建立的车辆传动系统动力学模型，我们可以将传动系统的工作分为 三个阶段，即离合器完全分离阶段、离合器主从动盘滑磨阶段、离合器完全接合 阶段，各阶段的数学模型如下： ( 1 ) 离合器完全分离阶段 ：兰 气iz - ，i 【皱= d 、 ( 2 ) 离合器主从动盘滑磨阶段 对于主动盘： t 警= 乏一瓦( 2 - 8 ) 对于从动盘： 在车辆尚未起步前： 亿= l 1 吐：0 ( 2 9 ) 在车辆起步后，有： ，鲁= t l ( 2 - 1 0 ) ( 3 ) 离合器完全接合阶段 f 哆= q 沁等哥l p 1 1 根据汽车理论闭的相关知识，汽车在行驶过程中行驶阻力主要包括滚动阻 力毋、空气阻力凡、坡度阻力只以及加速阻力毋四部分组成。汽车行驶动力 学方程为： e = 毋+ l + e + ( 2 - 1 2 ) 其中，f 为驱动力。 以上各个力的数学表达式分别为： ( 1 ) 驱动力b 汽车自动离合器接合控制的研究 e = 塑r wl a ) 毕 式中，变速比，易主减速比，仇传动效率，o 车轮滚动 半径( m m ) 。 ( 2 ) 滚动阻力毋 毋= g 。，。c o s 0 ( 2 1 4 ) 其中，g 是指汽车总重量( n ) ，口为坡度倾斜角( 。) ，f 是轮胎的滚动阻力 系数，主要与路面状态轮胎转速、轮胎结构及材料、轮胎气压及接地负荷等因素 有关。对于良好的沥青或混凝土路面。一般有厂= 0 0 1 。0 0 1 8 。 ( 3 ) 空气阻力凡 e = ；c d a 舢。2 ( 2 1 5 ) 式中，配。是汽车行驶速度( m s ) ，a 表示汽车迎风面积( m 2 ) ，c b 表示空气 阻力系数，对轿车一般a = i 4 以6m 2 ，c n = o 3 加4 1 。p 为空气密度，一般 p = 1 2 2 5 8 k g m 3 如以k m h 计，则空气阻力的表达式为 l = 尝。( 2 - 1 6 ) ( 4 ) 坡度阻力r e = g s i n 0( 2 - 1 7 ) ( 5 ) 加速阻力f j f i = 6 卅i d u ( 2 q 8 ) 式中，m 为汽车质量( k g ) ，万为汽车旋转质量换算系数，万主要与飞轮的 转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关，其计算公式为： 蹦谣+ 警 缈 m r ：m r ： 、。 式中，l 车轮的转动惯量；，飞轮的转动惯量。 将式( 2 1 3 ) - ( 2 - 1 8 ) 分别代入式( 2 1 2 ) 可得： 江苏大学硕士学位论文 e = g ，伽秒+ 面c o a 2 + g 确秒+ 万m 鲁 故阻力矩乙可表示为： 乙= 矗f g - 厂一目+ 器2 + g s 跏秒协m d u q 夕d t l g b 仇 z ) 2 4 膜片弹簧离合器扭矩传递模型的建立 ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 离合器接合过程中，不同阶段所传递的扭矩大小是不同的。在空行程阶段， 主从动盘分离，所以离合器传递的扭矩为t c = o ；在滑磨阶段，膜片弹簧压力从 零逐渐增大，离合器传递的扭矩也逐渐加大，直到最大滑动摩擦扭矩；在同步阶 段，离合器压力保持不变，离合器所传递的扭矩主要取决于车辆的行驶过程中受 到的阻力矩。在离合器的接合控制研究中，重点是对滑磨阶段离合器传递扭矩的 研究。 离合器的扭矩计算模型有很多种，比如离合器动态摩擦系数模型法、离合器 静态模型法等1 3 7 】跚。由于摩擦过程中主从动盘间的相对滑动引起摩擦片表面层 发热、变形、化学变化和磨损等等，会显著地影响动态摩擦系数，从而影响离合 器扭矩的传递，离合器动态摩