汽车干式离合器的平滑接合[外文翻译]

本科学生毕业设计（论文）附件 附件C：译文指导教师评定成绩(五级制)：指导教师签字：附件C：译文 汽车干式离合器的平滑接合 摘要 由于干式离合器的出现及其突出表现，本文描述了汽车驱动系统的俩个分段式线性稳态模式 以及他们的混合结构。基于第二种体制模式，一种干式离合器接合的滑磨控制技术被提了出来。以曲轴转速和离合器盘的转速为控制参数的反馈控制器也被设计了出来。这种控制器保证了锁定的舒适性并且避免了由于发动机转速和滑移转速控制的不同步而引起的发动机熄火。这种对于锁止状态下的滑移加速的管制是用于减小非设计性的驱动系统的振动。本文考虑了关键的起步操作状况，并且模拟结果表明此种控制器的表现良好。1引言 在汽车系统中，为保证干式离合器的较小磨损以及动力系统的良好表现，其结合是十分重要的过程1。结合过程必须被控制以满足不同的甚至有时是相反的目标：小的摩擦损失，最小的结合需求时间，驾驶舒适性的保证。这些目标必须通过对离合器压盘施加一个适当的力来实现2,3。为达到这个目的，一些控制策略在文献4-6中被设计了出来。在文献4中考虑了柴油机汽车离合器结合过程中避免喉管使用的问题。一种运用了动力总成六阶状态空间模型的模糊控制器在文献5中被提出，不同摩擦系数和汽车操作状况的影响也被考虑其中。文献6讨论了重型卡车离合器的结合控制。同时，二次线性和模型预测控制技术的应用最近也作为一种可行的解决干式离合器接合问题的方法而被提出，参见文献7和8。在这篇论文中第一次提出了俩种传动系统的动态模型，呈现了为什么离合器的存在使这些模式存在分段线性稳态。通过运用一种离合器接合的二阶动态空间模型，展现了影响乘坐舒适性的传动系统的振动是取决于离合器锁止时的滑磨加速度。基于这个结果，一种适应性的滑磨控制策略被提了出来，旨在控制在离合器结合的整个过程中主动盘和曲轴的转速差。此外，对于由分离控制器获取了发动机转速的控制，实现了发动机熄火的避免。一个基于Simulink/Stateflow 的仿真方案被用于检查预测控制器的功效。通过合适的Simulingk方案，就能实现Stateflow模块区分离合器的锁止及滑磨状态。数字仿真展现了预测控制器所带来的良好表现。2 动态模型2.1 七阶模型图1是一种典型的动力系统方案图1：驱动系方案内燃机产生的力矩经离合器被传送到动力系。通过传动装置的啮合和分离，力被施加到离合器转盘上以分离发动机飞轮盘并且切断力矩到动力系统的传递。图1中的弹性和摩擦元素是用于模拟动力系的机械特性。整个动态模型可以通过对图1中的不同节点施加平衡力矩获得，并且在一个子系统中作为负载的力矩在下一个系统中就成为驱动力矩。曲轴转速的动态方程（也称作发动机转速）e可以写作其中的角标e和c分别代表发动机和离合器，Je是发动机的转动惯量，Te是发动机扭矩，e是曲轴摩擦系数，Tec是通过离合器传递的力矩（表现为发动机动态子系统中的负载力矩),并且为了注释的简化，显而易见的时间附属被忽略了。类似的，离合器从动盘的速度c可以写成其中角标m指是主传动轴，变量指传动轴的角度位置。对主传动轴列平衡方程式则有其中，角标s和t表示同步器和传动轴，Js1和Js2是俩个连接在同步器的盘的转动惯量，g是变速箱传动比，d是主减速器传动比，同时我们运用了熟知的特性，就是齿轮转换器的重要一侧的转动惯量决定于变速箱传动比的平方，而力矩和变速箱传动比线性相关9。最后是车轮的力矩平衡方程式其中角标m带只车轮，Jw是考虑了车轮和其余部分的转动惯量，Tload是负载力矩。动力系模型也可以转换为突出了转动惯量、摩擦力和阻尼项的典型机械形式。特别的，通过定义传动轴角度位置的向量和控制向量，简化后可将公式（1）-（4）写为其中显然，把角度位置和不同驱动系转轴的转子速度都看成是矩阵参数时，整个动力系的动态模型都可以写成经典的矩阵形式。2.2 分段LT1模式由于弹性作用力把离合器盘锁止在曲轴上，所以当离合器结合时，发动机的转速e和离合器从动盘转速c是相等的。为了模拟这种情况，可以把（1）和（2）加起来得由于e=c，滑移模式（1）-（4）到接合模式（11），（3），（4）的转化由条件 e=c和离合器力矩小于静态摩擦力矩的约束所决定，所以避免了进一步的滑移。换句话说，动力系可以模拟成一个布局分别与滑移阶段和接合阶段相一致的分段线性稳态系统。为了用一种简洁的形式展现整个系统，可以定义一个可转换的变数，与经典的程序相似，用于模拟电子能量转换器10。通过引入变量d，在滑磨阶段等于1，在其他阶段等于0，则动力系模型（1）-（4），（11）可以写成其中，角标sl和eng指代滑磨和接合的系统矩阵，并且矩阵元素可以从（1）-（4），（11）中得来。等式（12）是一个驱动系的简洁模式，可以解释为混合模式。从滑移模式到接合模式的交换可以在每一个离合器的锁止时获得，是基于状态条件的，即e=c。相反的转换发生在司机请求变速箱增档或减档时，可以看做是外部事件。2.3二阶模式运用简单模式的可能性是设计离合器控制器的非常重要一个步骤。为了实现这个目的，我们假设将（13）带入（2）-（4）并且加入结果等式，则从离合器从动盘到车轮的整个动力系都可以约等于一阶系统其中，并且v是离合器从动盘转速。在假设驱动系为刚性时，等式（1）建立了曲轴旋转的模型，而等式（14）则是离合器从动盘旋转的模型。虽然等式（1），（14）没有详尽的建立整个动力系模型，但他们抓住了主要的系统动态特性并且足以通过分析性程序来设计控制器。与七阶模型相似，可以建立一个简洁的驱动系的分段线性稳态模型，包括滑磨阶段和接合阶段。特别的，当离合器接合时，式（1）和（14）转变为其中=e=v。又一次，从滑移模式（1），（14）转换为接合模式（15）的先决条件是e=v。为了控制设计意图，一种不同的滑移模式可以通过使用发动机转速和所谓的滑移速度 sl=e-v作为参数来获得.特别的,可以简单的从(1),(14)中获得如下的滑磨动态模型其中为了注释的简便,g和d的附属被忽略了.这个模型将用于下个阶段设计的解耦控制器。3 控制器设计3.1 控制目标如所提到的，此控制器必须满足不同的有时甚至是冲突的目标。在这个环节我们将定型一个受限于发动机和滑磨速度的闭环循环系统。离合器接合过程的基本限制是所谓的不死条件，即避免发动机熄火。这个条件可以写成离合器接合的一个更重要条件被称作无蹒跚条件。一个不平滑的结合过程决定了动力系的振动，是应当避免以保证驾驶舒适性。可以看出驱动系的扰动是取决于接合时sl的时间导数。事实上，运用（1）和（4），并且假设发动机转矩和负载力矩在锁止瞬间是连续的，汽车速度在此时的不连续点可写为现在提出一些关于（19)的思考：l 如前面的推测，汽车加速的间断取决于在锁止时离合器从动盘和曲轴加速度的差异。l 假设锁止现象存在有限的持续时间，（19）式的左边可以解释为增长速率，因此，也可看做是由锁止所引起的冲击。l 汽车加速度的间断在t是负值。这是由sl（t-）的一阶导必定是负数而带来的。事实上，运用了滑移速度这个定义，可以看出为了获得锁止，无论汽车和曲轴加速度的符号，曲轴加速度必须低于汽车加速度。为了获得平滑的接合过程，控制器要维持锁止时尽量小的汽车加速度的间断。通过（19），这个条件可以写为其中M是一个选定的正常数3.2 解耦控制器在前一个环节写到为了获得平滑的接合同时防止发动机熄火，曲轴速度和滑移速度必须独立控制。为了达到这个目的，可以采用一个解耦控制器。对（16）-（17）运用拉普拉斯变化，可转换为通过选择以下解耦控制器带入（21）得其中因此，控制变量v1只影响e且控制变量v2只影响sl。4 仿真结果整个控制方案如图2。参考发动机的转速是恒定的且为选定的，所以避免了发动机熄火（参见（18）和减小了燃油消耗。此外，仿真使用了一个合适的参考性滑移速度数据图，所以条件（20）也在M16rad/s2时被满足。图2：闭环仿真控制方案为了展现解耦控制器的作用并且突出驱动系不需要振动动行为，七阶动态模型被用于仿真实验中。图3展现了Simulink/Stateflow模块与七阶转换模式（12）相一致而图4中Stateflow方案决定了转换功能d。接下来的是一辆用于模拟七阶模型的中型汽车的真实参数设置：五个不同的变速箱档位被选为g=（0.256,0.35,0.5,0.75,0.95),而d= 0.25，假设负载力矩恒定为10Nm。发动机转速控制循环运用了简单的比例控制器，增加量等于20，而滑移速度控制器是典型的三参数PID控制器，参数分别为4,0.1,0.001。图3：施行七阶混合驱动系模型的仿真方案：Stateflow“转换功能”模块区分滑移模式和接合模式图4：图3中Stateflow方案的“转换功能”模块图5和图6展示了起步时离合器接合的数字结果。提出的控制器成果与那些通过传统开环控制策略实现的控制器进行了比较。仿真结果表明通过使用提出的控制器，锁止后驱动系振动有所减少，接合更加迅速。5 结论本文评价了汽车系统干式离合器接合过程的控制。离合器的存在，更具体的说，它在汽车循环中的不同工作状态（滑移或接合），使描述驱动系动态的分段线性稳态模型的使用变得合理。由于离合器锁止后驱动系的振动强烈与否影响着驾驶舒适性，七阶模型被考虑到以检测此种振动。一种简易的二阶模型，仍能捕获离合器结合时的主要驱动系动态，并被运用设计了文中的控制器。图5：接合中的发动机转速和离合器从动盘转速；实（虚）线对应于闭（开）环控制的仿真图6：接合中的发动机转速和离合器从动盘转速；实（虚）线对应于闭（开）环控制的仿真发动机转速和滑移速度解耦控制器能使发动机避免熄火并且减小接合后驱动系的抖动。特别的，此种抖动取决于接合尾段的滑移加速度。本文建立了Simulink/Stateflow的仿真方案以模拟驱动系的分段线性稳态模型。在与传统接合控制策略对比后，一些数字结果表明文中的控制器改善了原有成果。未来的工作将考虑不确定参数，负载力矩以及基于转速的发动机力矩的影响。此外，还需要考虑离合器转盘的位置执行机构以顾及其非线性行为，分析闭环控制的运用对离合器盘的影响。最后，提出的驱动系分段线性稳态模型也许可以用于设计更多“全球性”控制策略：人们可以尝试设计具有转换功能的数据图表以减小整个标准驱动循环中的燃油消耗和能源浪费附录在附录中我们展示一下如何获得公式（19）。由于锁止后e=v=，由（15）得其中为了注释的简略，g和d的附属被忽略了。由于锁止后汽车的速度是连续的，交换（25）中的v（t+）和v（t-），计算（14）中的v（t-），得现在，计算（1）中的Tec然后带入（26），假设Te（t+）=Te（t-