（机械电子工程专业论文）微型汽车自动离合器执行机构与结合规律研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：孕! 勾爱日期：兰! ! ! ：! ! ：! 多 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 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子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名如钦翩c ：酗w 帅m 多 摘要 汽车自动离合器a c s ( a u t o m a t i cc l u t c hs y s t e m ) 是在传统的干式离合器基 础上改进而来的，它取消了传统的由人为控制的离合器踏板，改由其他装置对 离合器进行自动控制。它能够减轻驾驶员劳动强度，使离合器的接合分离动作 趋于最优化，因此，它提高了汽车的动力性与燃料经济性。本系统采用电机驱 动式自动离合器控制系统，相比于其它形式驱动，它具有结构简单、精度较高 和低成本等优点，尤其适合使用在微型汽车上。 离合器自动控制的好坏取决于它的控制策略的优劣，控制策略也直接影响 着汽车的行驶状况和换档品质。为此，本文首先详细介绍了离合器的动力学模 型，并确定了离合器接合过程巾两个性能评价指标一冲击度和滑磨功。将离合 器接合过程巾的接合量与接合速度作为控制变量，实现了“快一慢一快”的接 合控制规律。采用发动机恒转速控制策略作为接合规律的基础，采用模糊控制 策略作为具体实现策略，同时确定了接合速度需要采集的信号，这些为离合器 的控制系统设计提供了理论基础。 本文主要包括两个一部分，一是自动离合器执行机构的设计，根据膜片弹 簧的特性和微型汽车自身的特点，选择直流电机作为动力源，其驱动形式选用 螺旋传动，具体就是直流电机带动螺杆旋转，通过螺旋运动副到螺母，螺母端 与离合器接线相连，这样将电机的旋转运动转变为拉线的直线运动，从而控制 离合器的分离与接合。为了验证机构的可靠性，同时节省开发成本，使用 m a t l a b s i m u l i n k 建立执行机构的数学模型，并进行了动态仿真。二是自动离合 器起步控制策略的编写与实现，首先分析离合器接合过程的动态特性，以此为 根据，确定离合器起步的影响因素，作为控制策略的依据，采用模糊控制进行 接合规律的设计，同时设计了模糊控制器，控制离合器的接合速度，在 m a t l a b s i m u l i n k 下对这一策略进行了设计，根据汽车起步的不同工况，模拟了 驾驶员的操作，仿真结果表明这理论是可行的，也为控制系统的开发提供了 理论基础。 关键词：自动离合器机构设计起步模糊控制仿真 a b s t r a c t a c s ( a u t o m a t i cc l u t c hs y s t e m ) i si m p r o v e m e n tb a s e do nt h et r a d i t i o n a ld r y c l u t c hw h i c ha b o l i s ht h et r a d i t i o n a lc l u t c hp e d a l ，c l u t c ha u t o m a t i c a l l yc o n t r o l l e d ，i n t h i sc a s e t h ed r i v e rc a nr e d u c el a b o ri n t e n s i t ya n da tt h es a m et i m e ，t h ec l u t c h s i s o l a t e da c t i o ni si nt h eo p t i m i z a t i o n ，也e r e f o r e ，i ti m p r o v e st h ec a r sp o w e r p e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m y t h es y s t e mu s e se l e c t r i c d r i v e n ，c o m p a r e dt oo t h e r f o r m so fd r i v e ，i th a sas i m p l es t r u c t u r e ，h i g hp r e c i s i o na n dl o wc o s ta d v a n t a g e s ， w h i c hi sp a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o rm i n iv e h i c l e s t h ec o n t r o lq u a l i t yo fc l u t c hd e p e n d so ni t sc o n t r o ls t r a t e g y ；t h ec o n t r o ls t r a t e g y d i r e c t l ya f f e c t st h ec a r sd r i v i n gc o n d i t i o n sa n ds h i f tq u a l i t y t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l e i n t r o d u c e st h es y s t e mm o d e lo ft h ec l u t c h ；c o n f i r mt w op e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n si n t h ec l u t c he n g a g e m e n tp r o c e s s ，t h a ta r es t a r t i n gj e r ka n df r i c t i o nw o r k t h ec l u t c h e n g a g e m e n ti nt h ep r o c e s so fb o n d i n gc a p a c i t ya n db o n dr a t ea r ea st h ec o n t r o l v a r i a b l et oa c h i e v ea f a s t s l o w f a s t e n g a g e m e n tc o n t r o ll a w u s ec o n s t a n te n g i n e s p e e dc o n t r o ls t r a t e g y a st h eb a s i sf o re n g a g e m e n tr u l e s ，u s et h ef u z z yc o n t r o l s t r a t e g ya sac o n c r e t er e a l i z a t i o nb a s e do nt h es a m et i m e ，t h eb o n d i n g r a t et ob e c o l l e c t e dt od e t e r m i n et h es i g n a l ，t h e s ep r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ec o n t r o l s y s t e m t h i sa r t i c l ei n c l u d e st w op a r t ，f i r s t ，t h ed e s i g no fa u t o m a t i cc l u t c ha c t u a t o r , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ed i a p h r a g ms p r i n ga n dm i n iv e h i c l e s ，s e l e c tt h e d c m o t o ra st h ep o w e rs o u r c e ，t h ed r i v e rt y p ec h o o s e st h ef o r mo fs c r e wd r i v e ， d c m o t o rd r i v e ns c r e wi ss p e c i f i c a l l yr o t a t i o n ，t h r o u g ht h ed e p u t yt ot h es p i r a l m o t i o nn u t s ，n u t s i d ew i t ht h ec l u t c hc a b l ei sc o n n e c t e d ，s ot h a tt h em o t o r sr o t a t i o n i n t ol i n e a rm o t i o no fc a b l et oc o n t r o lt h ec l u t c hs e p a r a t i o na n db o n d i n g i no r d e rt o v e r i f yt h er e l i a b i l i t yo fb o d yw h i l es a v i n gd e v e l o p m e n tc o s t s ，t h eu s eo fm a t l a b s i m u l i n km o d e l i m p l e m e n t i n ga g e n c i e s t oe s t a b l i s ha n dc o n d u c tad y n a m i c s i m u l a t i o n s e c o n d ，t h ea u t o m a t i cc l u t c hs t a r tt h ep r e p a r a t i o na n di m p l e m e n t a t i o no f c o n t r o ls t r a t e g i e s ，a tf i r s t ，a n a l y s i so ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec l u t c h e n g a g e m e n tp r o c e s s ，o nt h i sb a s i s ，t h ei m p a c to f f a c t o r sd e t e r m i n et h es t a r t i n gc l u t c h a st h eb a s i sf o rc o n t r o ls t r a t e g y , t h ef u z z yc o n t r o ll a wd e s i g n e df o rb o n d i n g ，w h i l e i l d e s i g nt h ef u z z yc o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h ec l u t c hs p e e d ，i nm a t l a b s i m u l i n ku n d e r t h i ss t r a t e g yw a sd e s i g n e d ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，s i m u l a t et h ed r i v e r s o p e r a t i o n ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h i st h e o r yi sf e a s i b l e ，b u ta l s op r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：a u t o m a t i cc l u t c h ；s y s t e md e s i g n ；s t a r t i n g ；f u z z yc o n t r o l ；s i m u l a t i o n i i i 目录 第1 章绪论1 1 1 本文研究背景l 1 2 自动离合器及其控制系统研究现状2 1 2 1 自动离合器结构单元及其工作原理2 1 2 2 自动离合器执行系统研究现状3 1 2 3 自动离合器接合规律的研究现状6 1 3 本文研究的目的与意义8 1 4 本文研究的主要任务与组织8 1 4 1 主要任务8 1 4 2 本文组织9 第2 章自动离合器执行系统研究1 0 2 1 原有离合器操纵机构1 0 2 2 离合器工作特性分析1 1 2 2 1 膜片弹簧负荷特性1 2 2 2 2 膜片弹簧转矩特性1 5 2 3 驱动形式与电机的确定1 9 2 3 1 驱动形式的确定1 9 2 3 2 电机的选择2 l 2 3 4 螺旋传动机构参数的确定2 2 2 4 执行机构动态特性研究2 4 2 4 1 直流电机数学模型2 4 2 4 2 操纵机构数学模型2 6 2 5 执行机构p i d 控制2 7 2 5 1p i d 控制基本原理2 7 2 5 2 执行机构动态特性仿真2 8 2 6 本章小结3 0 第3 章离合器起步结合控制策略的研究3 l 3 1 起步工况分析及控制要求3 l 3 1 1 起步工况分析3 l 3 1 2 起步控制要求3 2 3 2 离合器接合过程动力学分析3 4 3 3 离合器起步控制评价指标3 7 3 4 离合器起步控制策略研究3 8 3 4 1 起步总体控制策略3 8 3 4 2 发动机局部恒转速策略一3 9 3 4 3 离合器接合的土要影响冈素4 0 3 4 4 最大接合速度的确定4 l 3 4 5 自动离合器接合控制策略4 2 3 5 本章小结4 3 第4 章自动离合器起步模糊控制策略4 4 4 1 模糊控制的基本理论4 4 4 2 驾驶员起步模糊控制器一4 5 4 2 1 输入输出量的模糊化4 6 4 2 2 隶属度函数设计4 7 4 2 3 驾驶意图控制规则4 7 4 3 离合器接合速度模糊控制器4 9 4 3 1 输入输出量的模糊化4 9 4 3 2 隶属度函数设计5 0 4 3 3 离合器接合速度模糊控制规则表5 0 4 4 本章小结5l 第5 章车辆起步时离合器接合过程的仿真分析5 2 5 1 动力传递系统的简化假设5 2 5 2 动力传动系统数学模型的建立5 2 5 2 1 发动机动态模型5 2 5 2 2 离合器模型的建立5 3 5 3 仿真实验与结果分析5 9 5 3 1 慢起步仿真6 0 5 3 2 正常起步仿真6 l 5 3 3 急起步仿真6 2 5 4 分析与结论6 4 5 5 本章小结6 5 第6 章总结与展望6 6 6 1 本文总结6 6 6 2 本文展望6 6 参考文献一6 7 致谢7 0 附录一研究生期间发表的论文7 1 附录二研究生期间参与的项目7 2 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 本文研究背景 第1 章绪论 近年来，国家对汽车行业的大力支持以及生产技术的提高，使得各个城市 的汽车保有量持续增涨，同时，人们的消费能力也有很大的提高。随之而来的 就是人们对于汽车驾驶的安全性和舒适性，提出了更高的要求。传统汽车主要 采用机械式变速器，离合器及换档操作均由人力完成，这就使得离合器和换档 的操作变的十分频繁，特别是在一些大城市交通拥挤路段，驾驶员对离合器的 操作更加频繁。手动换档和离合器踏板动作强度非常大，长时间就容易造成驾 驶人员的疲劳，同时频繁的操作对驾驶员的技术和经验有较高要求，对于初学 者来说，由于技术和经验不足，极易造成熄火和追尾，不仅影响了驾驶乐趣， 对公共交通安全也是一个极大的隐患。 离合器作为汽车动力传动系统的重要组成部分，频繁使用于车辆起步，换 档，跟车，停止工况。实现其操作的自动化有如下几点好处： ( 1 ) 降低驾驶疲劳离合器操作的自动化可以简化汽车的操纵方式，驾驶 员只需要控制汽车油门与换档，离合器的操作交由机械部分自动控制，从而极 大地降低驾驶员的疲劳强度，同时也能提高驾驶过程中的安全性。 ( 2 ) 降低离合器磨损，提高车辆的燃油经济性与动力性踏板式离合器操 作，需要对离合器的结合与分离有良好的感觉，初学者往往由于经验不足，频 繁的对离合器进行分离，不仅降低了离合器的使用寿命，对汽车的动力性与燃 油经济性也有很大的影响，自动离合器完全模拟熟练驾驶员的经验，能够自动 根据工况情况操纵离合器，可以极大的改善这一情况。 ( 3 ) 保留驾驶乐趣自动离合器仅仅取消了分离踏板的功能，但是保留了 手动换档机构，驾驶员仍然可以手动控制档位，在给驾驶员降低操作强度的同 时，保留了对车速自由掌控的乐趣。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 自动离合器及其控制系统研究现状 1 2 1 自动离合器结构单元及其工作原理 自动离合器是在保留传统干式离合器和机械齿轮式变速器的基础上，取消 原来由人工操作的离合器踏板，改由电控单元控制，代替离合器踏板执行离合 器的分离与接合操作【l 】，它可以实现离合器的自动控制。基本的自动离合器系 统主要包括以下几个单元：电控单元( e c u ) 、离合器执行机构单元、信号传感 器单元，其系统机构如图1 1 所示。主要原理是：由驾驶员控制油门踏板和换档 操作，同时e c u 控制单元根据采集到的各个传感器信号、汽车k l i n e 通讯数 据和控制策略控制执行机构执行相应的动作，从而实现离合器的自动接合与分 离。离合器的接合规律直接影响起步的平稳性、汽车行驶性能和离合器的使用 寿命，在离合器的接合过程中，既要求车辆行驶平稳、没有冲击感，又要保证 离合器的使用寿命至少不低于普通离合器的平均使用里程【z j 。 感觉 屯信号 机械连接 一i n i 发动机转速 ? 一一1 车速 图1 - 1 自动离合器系统结构 对离合器进行电控技术的改造时，它的丁作内容体现在两个方面：硬件部 分和软件部分【3 1 。电控离合器基本结构一般由3 部分组成：传感器部分、微机控 制单元和执行机构，他们相当于人的各个身体器官，帮助驾驶员实现各种操作。 各部分的功能如下： 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 传感器部分各种传感器相当于人的感觉神经，帮助驾驶员获取汽车 信息，主要是获取离合器状态信息( 如离合器的主、从动盘转速信号、位置信 号) 、变速器状态信息( 档位信号) 、车辆状态信息( 如发动机转速、车速、油 门开度) 以及制动意图( 如起步、刹车等信息) ，将这些信息进行汇总集合，向 e c u 电控单元提供其做出正确判断的依据。根据离合器控制方式不同，可以选 择不同的传感器。如果需要对离合器位置进行控制，可以采用线性位移传感器 来确定分离轴承的位置；如果是对于转速控制，则多采用两个转速传感器分别 获取离合器主、从动盘的转速。 ( 2 ) 电控单元( e c u ) 电控单元相当于熟练司机的大脑，将熟练驾驶员的 经验性操作做成控制策略规则表，存储在控制单元中，从而保证离合器能在最 佳状态下：j ：作。 ( 3 ) 执行机构执行机构相当于驾驶员的脚，它是控制系统的下级执行者， 代替原有的离合器踏板，实现对离合器的分离与结合操作，它是纯粹的执行者， 根据上层控制单元发出的指令完成相应动作。根据执行机构动力源的不同，可 将电控离合器分为3 种：气动、液动和电动。 1 2 2 自动离合器执行系统研究现状 自动离合器执行机构作为控制系统指令的执行单元，其作用是根据上级控 制器的要求，对离合器接合规律进行执行、跟踪，其动态性能的好坏将直接关 系到自动离合器接合规律的执行效果，并对汽车的燃油经济性、舒适性有很大 的影响，离合器执行机构的可靠性和稳定性对整个控制系统的正常工作有直接 的关系。 按照离合器执行机构结构形式的不同，通常包括三种类型：电控气动式、 电控液动式和电控电动式( 全电式) 。下面对这三种方式进行介绍【4 】。 ( 1 ) 气动式 气动方式采用气压动作的：i ：作方式，其：i ：作介质为气体，一些车辆配有气 压制动系统，可以作为气动式机构的气体源，为其提供气体，该方式不需要改 变太多的原有机构，因而可以大大简化了驱动机构的结构，其缺点在于执行元 件体积较大，机构布置不便，且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 2 所示，将驱动阀设计成4 个电磁阀( 三出一进) 3 武汉理工大学硕士学位论文 的布置方式。离合器分离时通过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，并可实现慢接合的速度调节。 离合器简化 位移传感器 模型 图卜2 气动式执行机构 ( 2 ) 液动式 液动方式使用液压油路进行离合器动作控制，液动式离合器操作系统如图 l 一3 所示。液压缸的结构设计较为特殊，主要包括驱动阀和卸油阀，其中驱动阀 是一个开关阀，将它的一端与油箱连接，当驱动阀打开时，高压油在压力的作 用下能够进入油缸快速向右运动，从而分离离合器；卸油阀用来进行接合操作， 卸油阀也直接与油箱连接，当它打开时，在离合器膜片弹簧的复位力的帮助下， 油缸油向左运动使离合器接合；电控单元采集油门踏板、节气门开度、发动机 转速等信号，持续发出占空比可变的p w m 信号，对驱动阀和卸油阀开与关的时 间进行控制，这样就能控制油腔内压力的大小，完成离合器分离与结合的目削川。 但是其缺点也较为明显，由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，控制高速开关电磁阀的开闭，实现离合器接合 速度的控制，这样电磁阀开启会产生滞后性、启闭时产生击水现象，油液黏度 变化以及弹簧回复力变化也会对控制产生影响，使离合器接合的精确速度控制 难以实删州。 液压执行机构最早在国外得到应用，1 9 9 3 年由德国的l u k 公司研制开发的 4 武汉理工大学硕十学位论文 液压系统e k m 在宝马公司的a l p i n a b l 2 上安装应用，英国的a p b o r g & b e c k 公 司研n - ；e a s y 系列液压驱动系统，美国的g m 公司开发的电液电磁阀控制式4 t 6 0 e 变速系统。在中国，由吉林工业大学研制的自动变速器系统，采用两个高 速电磁阀对液压缸进行控制。液压执行机构的缺点是：其结构较为复杂，制造 困难，油液容易受到污染，受温度变化影响较大，更重要的是其使用成本很高， 因此与传统机构相比，不具有性价比优判。 图1 - 3 液动式执行机构 ( 3 ) 电动方式 电动方式是以直流电机取代踏板作为离合器操作的执行者，而且随着电子 技术的提高，也大大提高了电机的控制精度，通过对直流电机进行p w m 转速控 制，同时使用经典的控制算法，可以保证离合器接合速度的精确控制，相较于 液控系统的复杂结构，能够大大简化系统结构，同时采用齿轮传动或螺母螺杆 式机构可以保证传动效率，同时也能降低系统成本l 引。特别是直流电机的驱动控 制比较容易实现，使用现有的集成芯片即可实现其转速的控制，因此目前应用 十分广泛。这里通过儿个已研制出的产品，详细介绍电动电控式执行机构。 哈尔滨埃姆特汽车电子有限公司设计的驱动机构以蜗轮蜗杆传动作为换向 机构，该机构加装了压缩弹簧，作为其助力结构，使用角度传感器进行位置信 号的采集，离合器的动作交由电机与液压系统共同配合完成，因此其结构较为 复杂，而且结构安装不便，同时驱动机构上没有设计机械限位机构，有一定的 局限性。 武汉理工大学硕士学位论文 上海交通大学张建武等人设计的驱动机构采用双辅助弹簧作为助力机构p j ， 与单弹簧补偿机构相比，此结构对于电机控制更加有利，而且补偿的力矩能够 更好的接近离合器负荷特性。但是使用双弹簧增加了机构空间，并且没有考虑 到离合器磨损后其负荷特性曲线会发生偏移，从而在离合器磨损后起不到很好 的补偿效果。 常用的电机驱动式执行机构主要由以下几个单元组成：动力源( 如直流伺 服电机、无刷直流电机、步进电机等) 、减速结构( 如齿轮机构) 和速度转换机 构( 主要有蜗轮蜗杆和螺母螺杆形式) ，如图l - 4 所示，该执行机构采用的减速 机构为一级直齿减速齿轮，速度转换机构选用的是螺杆螺母，电机通过螺杆螺 母，可以将其旋转运动转换为离合器分离、接合所需要的直线运动，同时可以 获得较大的减速比，为离合器提供合适的速度和足够的分离力l l 。 图1 - 4 电动式执行机构 1 2 3 自动离合器接合规律的研究现状 合器 离合器的接合过程比较复杂，加装电控操作时，考虑到执行机构的滞后性， 将给e c u 控制带来很大的难度，为了降低汽车起步过程中冲击和振动，同时发 动机不能熄火，保证乘坐的舒适性必须制定合理的接合规律。因此接合规律的 研究就成了电控离合器的核心问题。 起步控制一直是困扰自动离合器的难题，也是自动离合器系统的难点之一。 6 武汉理工大学硕士学位论文 其关键问题主要在于： ( 1 ) 首先必须保证汽车在起步和换档时的安全性，需要离合器与发动机能 够配合协调，保证发动机在离合器操作过程中不熄火，小振动。 ( 2 ) 要求控制系统对环境有自适应能力，特别是在环境恶劣复杂情况下， 如冰雪天气，交通拥挤路段，上下坡起步，出入库等。 ( 3 ) 要求自动离合器系统能够实现驾驶员在不同环境下起步需要。 由于离合器接合、分离过程的动力学模型比较复杂，并且其本身存在变结 构、非线性、时变和滞后等特性，长时间使用离合器，也会造成离合器接合点 的偏离，同时离合器接合过程存在互相矛盾的工作要求，既要工作平稳又要减 小磨损提高寿命，以上这些因素增加了离合器控制的复杂性和难度。 离合器的接合规律可以从有经验的驾驶员处获得。把驾驶员的经验总结出 若干规则并将其量化，然后编制成程序来实现这种接合规律。但是由此得出的 接合规律只是初步的，很难涵盖其它工况。为了解决这一问题，必须建立离合 器控制系统的精确数学模型，然后根据数学模型进行推理和计算才能得到最佳 的离合器接合规律。在此思路基础之上，1 9 8 3 年g l f a l z o n i l j 根据油门开度来 控制离合器负荷，通过试验建立了正确的发动机转速与油门开度，离合器传递 负荷与离合器位移的函数关系。对此前苏联学者e s e n o v s k y l a s h k o v 做了详尽的 理论分析，并指出可以选择发动机转速或油门开度作为离合器的接合过程中最 重要的参数【i2 1 。j m 施利克和1 9 8 4 年上市的n a v a l - 5 所采用的基本上都是这种 思想，但不同的是施利克和h o r i u c h 把车辆离合器的控制分成两种模式：施利克 称之为爬行( c r e e p ) 控制和正常( n o r m a l ) 控制摸式【1 3 1 ，h o r i u c h 称之为接合 ( s e m i e n g a g e m e n t ) 控制和通常( u s u a l ) 控制两种模式。n a v a l - 5 在不同模式 的控制策略是不一样的，在爬行离合模式，根据踏板行程米控制离合器接合量； 在通常模式，根据发动机转速控制离合器接合量。而施利克则考虑在离合器控 制器中增加补偿器以降低低速时传动系的噪声。但是由于发动机动态性能滞后 与离合器模型时变的影响，仅仅依靠油门开度或发动转速来控制离合器缺乏足 够的信息。日本的石冢松男曾以实验方法研究了离合器和各油门开度下对汽车 冲击度的影响【。4 j ，英国的l u c a s l l 5 提出统计平均模型研究坡度对汽车性能的影 响。但这些均未对许多因索进行全面统计，实际上也难以做到，故这种研究方 法找不出各种状态下的离合器的最优接合。k a r i h a r a 、s u g i m u r a 、b r a u n 、 w e s t e n d o r f 、f i s h e r 1 6 】等人通过增加离合器控制时的参考因素，将油门开度、 7 武汉理工大学硕士学位论文 发动机( 即主动盘转速) 转速、离合器从动盘转速、离合器接合位移量作为控 制参数，将离合器主动盘与从动盘的转速差和油门开度信号作为主要的控制参 数，控制离合器的接合过程，同时以离合器位移信号作为接合过程的反馈信号， 这是目前普遍采用的控制策略【1 7 】。国内吉林大学的葛安林教授根据大量的统计 与实验数据，首先分析了影响离合器接合过程各种因素，然后建立反映共同规 律的数学一力学最优模型，并通过模糊评判方法实现最优控制【i 引。申水文提出 两层p i d 模糊控制器策略，上层在线推理离合器逻辑动作，下层为动作执行器i 憎j 。 1 9 9 8 年，雷雨龙提出发动机恒转速控制策略，以各油门下的发动机最低转速为 基础【2 0 1 。 1 3 本文研究的目的与意义 a c s 控制单元发出的各个指令只有通过执行机构才能实现对汽车的控制， 执行机构也要将收集到的数据实时反馈回控制单元，因此一套快速、精确响应 的执行机构，对于整个控制系统的作用是不言而寓的。本文就是通过分析离合 器在各个工况下的接合规律，设计一套适用于微型汽车的电控执行机构。 a c s 的执行机构是能否实现离合器分离接合动作的关键，同时又是a c s 离 合器的直接控制目标，因此必须保证执行机构设计的可靠性和准确响应，它也 是a c s 系统进行实际应用的基础。 考虑到离合器结构的特点，采用m a t l a b 进行控制系统的建模，可以对控制 策略实现快速仿真和比较，从而节省成本和研发时间，并能为自动离合器系统 的开发提供可靠依据 1 4 本文研究的主要任务与组织 1 4 1 主要任务 ( 1 ) 根据离合器工作要求，选择并确定电机参数，设计并优化电控离合器 执行机构的结构形式并计算结构尺寸。设计执行电机控制器的硬件电路及软件 程序。 ( 2 ) 制定自动离合器起步控制策略，确定离合器控制算法，在这一理论基 础上运用m a t l a b f u z z y l o g i c 进行控制策略的离线仿真。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 对离合器的结合过程进行动力学分析，建立数学模型。运用 m a t l a b s i m u l i n k 建立离合器及其执行机构的动力学系统模型，并根据不同工况 进行仿真。 1 4 2 本文组织 全文的内容如下： 第l 章为本文的绪论部分，主要介绍了本文研究背景、研究目的与意义及 国内外针对本文课题的研究现状。 第2 章首先介绍了原有离合器的操纵机构，并具体分析了本文使用的膜片 弹簧离合器的负荷特性和转矩传递特性，并以此为根据，分析并确定了自动离 合器的驱动形式，决定采用电机驱动式螺母螺杆机构作为离合器的执行机构， 确定了电机的电气参数和执行机构的结构尺寸，同时利用m a t l a b s i m u l i n k 进行 了执行机构的动态仿真。 第3 章主要介绍了汽车起步时的工况，具体分析其控制要求，对起步过程 中离合器的动力学进行了分析，并以此为根据，确定离合器的控制评价指标为： 冲击度与滑磨功。介绍了常用离合器的起步控制策略，分析各自特点，决定采 用发动机局部恒转速的模糊控制策略，并分析了具体的影响因素。 第4 章主要介绍了模糊控制理论，根据汽车起步的接合策略，确定了模糊 控制的输入与输出量，利用m a t l a b f u z z y l o g i c 进行了模糊控制器的制定与研 究。 第5 章为本文的核心部分，综合上述几章的分析，分别建立了汽车发动机 模型，离合器接合模型，模糊控制器。分别模拟不同油门开度下的驾驶员操作， 验证了本文理论分析的合理性和正确性。 第6 章为全文总结，对全文所做的主要工作进行了总结，并提出文中存在 的不足以及未来需要进一步做的工作。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章自动离合器执行系统研究 自动离合器是在原有膜片弹簧离合器基础上改进的。自动离合器系统包括 离合器、离合器执行机构、e c u 以及信号采集装置。自动离合器系统主要是取 消了离合器踏板，将离合器的分离与接合交由直流电机控制，档位操作依然由 人工操纵，因此它属于一种半自动控制，其执行机构主要有电控液动式、电控 电动气和全电工三种形式，近年来国内外许多汽车和零部件厂商研制出适合多 种车型的电控机械式自动离合器，这些产品的离合器自动执行部分基本上都是 采用上面介绍的三种形式。虽然如前所说控制机构有电液、电气和全电三种形 式，液动式比较局限，仅限于重型商用车，气动式由于气体的可压缩性特点， 速度比较慢，适合于有气源的车辆因无需再为其增加能源、调压与蓄电池等设 备，仍有可用之处。对于微型汽车上，由于其空间与结构限制，应用比较少。 目前用得多的是电液执行机构与全电动式机构。本章首先介绍了原离合器操纵 机构，然后根据微型汽车的特点介绍其执行机构的设计过程。 2 1 原有离合器操纵机构 离合器操纵机构可以分为机械式、液压式、气压式和自动操纵机构四种方 式2 。 机械式操纵机构包括绳索式和杆系式两种类型。其中，杆系传动式机构结 构简单、制造容易，工作可靠，广泛用于各种类型的汽车上，但质量及摩擦损 耗较大，传动效率低，且发动机的较大振动以及车架或车身的变形都会影响其 正常工作。当离合器需远距离操纵时，由于杆系的结构复杂，布置比较困难， 也会增大踏板的自由行程，其刚度和可靠性将会降低。该传动系多用于东风、 解放等大、中型货车中。 液压式操纵机构具有摩擦阻力小，传动效率高，质量小，布置方便，接合 柔和的特点。广泛使用于轿车及中、轻型客车及货车上。 在绳索式操纵机构中，其拉索的一端与踏板组件连接，该组件处有一个弹 簧，使踏板保持在向上位置，拉索通过弹簧的张力和隔热板上同定的钢索止块 支撑；拉索的另一端连于离合器分离叉的外端，该分离叉外端上有螺纹，配有 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 调整螺母和锁定螺母，可实现踏板自由行程的调整。 9 卜分离踏板2 一偏心弹簧3 一支承a4 一拉线自动调整机构5 一传动器壳体 支承b6 一操纵臂 7 一分离臂8 一分离轴承9 一分离推杆 图2 - 1 绳索式操纵机构 本文所研究的微型汽车，其离合器操纵机构采用的是绳索式机构。其结构 如图2 1 上所示。它主要借助拉索的传递作用，将踏板力先传到离合器分离臂上， 再推动分离轴承，分离轴承作用于离合器主动盘，使离合器膜片弹簧变形，从 而与压盘分离，达到分离离合器的目的。 2 2 离合器工作特性分析 要研究适用于离合器的执行机构，必须首先要了解其工作特性，离合器的 各种特性是分析离合器接合过程的基础，也是下一步制定离合器接合规律的关 键。根据离合器中压紧弹簧的结构型式及布置的不同，干式离合器分为三类： 圆柱螺旋弹簧式、矩形断面的圆锥螺旋式以及膜片弹簧式。膜片弹簧离合器中 分离轴承的运动方式包括压式和拉式1 2 引。本文使用的离合器类型为压式膜片弹 簧离合器，本章将详细分析压式离合器的负荷特性与转矩特性。 本文所使用的膜片弹簧离合器的主要结构参数如表2 一l 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 离合器结构参数 参数r ( m m )r ( m m )h ( m m )h ( m m )r r ( m m )l ( m m )l ( m m ) 参数值9 2 6 8 34 4 82 2 5 2 48 9 67 0 表中，r 为膜片弹簧( 碟簧部分) 外半径；，为碟簧部分内半径；日为碟簧 部分内截锥高度；h 为弹簧板厚度；r f 为小端加载半径；l 为外支承半径；，为 内支承半径。 2 2 1 膜片弹簧负荷特性 膜片弹簧负荷特性是指膜片弹簧两端的变形量与其所受到的载荷之间的关 系。可以将膜片弹簧看成是由碟形弹簧部分和分离指两部分组成，但真正起作 用的部分为碟形弹簧，但是碟形弹簧的精确计算比较困难，通常，在实际计算 时，需要首先对膜片弹簧部分做一些假设1 2 3 1 。 ( 1 ) 碟形弹簧在受到轴向载荷时，沿其轴向的剖面不发生变形，而是其轴 向剖面绕剖面某一中心转动； ( 2 ) 碟形弹簧受载时，作用在膜片弹簧上的载荷和支撑反力均匀分布在内 外圆周和外圆轴上； ( 3 ) 碟形弹簧变形过程中，膜片弹簧与上下支承面之间的滑动摩擦不考虑； ( 4 ) 膜片弹簧的材料是各向同性的线弹性体，具有完全弹性，符合胡克定 律，在卸载后不会发生塑性变形。 如图2 2 所示，图中，f 为作用于碟簧上的载荷；入为碟簧在载荷作用下发 生的变形。 f a l _ l 1r i - ! 一 自t h o r , 承载状态 图2 - 2 碟形弹簧及其承载状态 当碟形弹簧大小端承受轴向压力时，载荷f 与变形入之间的有如下关系阴】： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ，= 丽l r l e 帮h a ) l ( n r ( r 叫r ：) r l t m 力( 日一害) 榭 ( 2 - 1 ) 上式中： e 弹性模量( 吻口) ，对于钢：e = 2 1 1 0 5 m p a ； 泊松比，对于钢：= 0 2 9 。 在实际安装时，膜片弹簧的支承点与其碟簧部分大、小端部会发生稍微的 移动。当离合器工作时，膜片弹簧的支撑圈的位置保持不变，压盘与分离轴承 产生轴向的移动。弹簧的工作情况可分为下列三种工作状态【2 引，如图2 3 所示。 a ) 自由状态b ) 接合状态 c ) 分离状态 图2 3 膜片弹簧在各种状态时的受力及变形 ( 1 ) 自由状态指的是离合器没有装车时的状态。外形呈现出锥形，膜片 弹簧无承载无形变。 ( 2 ) 接合状态指的是离合器盖总成与飞轮装合，圆环形的碟簧部分受载、 而分离指部分不受载的状态。外形近乎平板形。如图2 3b ) 所示。此状态下压 紧力为f l b ，膜片弹簧产生形变使离合器盖总成和飞轮完全贴合。大端在l 处产 生的变形量为入l _ 入1 6 。小端在r f 处产生变形量为入2 = 入2 b 。 ( 3 ) 分离状态指的是从动盘分离，离合器处于分离位置的状态。此时， 作用于膜片弹簧小端加载半径r f 处的分离力为f 2 ，大端对压盘的压紧f l 为零。 膜片弹簧大端产生附加变形量为a 入”= 入l f 膜片弹簧小端产生的附加变形