某款轎車AMT離合器起步模糊控制仿真

2012-07-09 02:32:06王德倫張振珠

兵器裝備工程學報 2012年10期

王德倫，李偉，張振珠

(重慶理工大學重慶汽車學院，重慶 400054)

隨著我國經濟的發展，各大城市機動車保有量迅速增加，道路擁擠狀況日趨嚴重，堵車跟隨情況時有發生，尤其是對于多坡道的“山城”重慶來說，離合器起步控制顯得更為重要。

起步控制是機械式自動離合器技術的一個難點，他要求汽車起步平穩快捷，沖擊度小，能反映駕駛員意圖，并盡量減少離合器滑磨功，延長離合器使用壽命。起步的平穩性和離合器滑膜是2 個矛盾的指標，如果過分降低離合器的結合速度，滑磨功將增加，從而降低離合器的使用壽命;如果離合器結合過猛，就會破壞起步的平穩性，還會引起發動機轉速波動，產生噪音。可見控制起步時間尤為重要，他是達到令人滿意的起步控制效果的關鍵。

1 車輛離合器接合過程分析

理論上可將離合器的接合過程分為4 個階段:消除離合器間隙階段(OA)、克服起步阻力階段(AB)、起步加速階段(BC)和同步接合階段(CD)，如圖1 所示。其中:MC為摩擦力矩;ne為離合器主動片轉速;nc為離合器從動片轉速。

圖1 正常起步時各矢量關系

在實際控制過程中，由于只能通過檢測離合器的半接合點來判斷車輛是否已經起步，因此可按控制策略將離合器接合過程分為3 個階段。

1)起步前的快速接合階段(OB)

由于此階段主要是消除離合器空行程和克服起步阻力，因此應快速接合離合器。該階段的控制目標是反映駕駛員的起步意圖并根據起步意圖確定可接受的最大沖擊度。通過控制算法，將換算后的值直接作為電機的驅動電壓值。該值大則離合器接合速度快。這樣，離合器的接合速度可隨駕駛員的起步意圖而變。

2)起步加速階段(BC)

這是離合器接合控制的重點，此階段初期的控制目標是使車速平緩上升至某一設定值，以減小起步初期的沖擊。根據OB 段所確定的最大沖擊度值，通過控制算法計算出控制周期內電機正反向運轉的時間和電壓值，使電機正反向間歇運轉，從而控制離合器的接合速度，使該值始終不超過目標值。

3)同步接合階段(CD)

因離合器主從動摩擦片已經同步，因此快速接合離合器也不會引起沖擊，所以在該階段，對電機施加反向驅動電壓，使離合器在電機驅動力和回位彈簧的雙重作用下快速接合，從而完成離合器的整個接合過程。

2 自動離合器模型建立

對機械式自動變速系統來說，使自動離合器的動態過程達到并超過熟練駕駛員油離配合的水平也是追求的目標之一。要實現這個目標，就必須分析離合器動態過程的特性。圖2 為自動離合器原理。

圖2 動離合器原理

在離合器控制系統中，用2 個膜片彈簧摩擦片連接發動機與變速箱來實現扭矩的傳輸。為便于對自動離合器進行動態分析以及進行控制器設計，首先建立自動離合器模型，將該離合器控制系統分為3 部分:無刷直流電動機模型、帶有機械執行機構的離合器模型以及動力傳動系統模型。

2.1 無刷直流電動機模型

直流無刷電機的機械特性方程為

式中:n 為電機轉速;U 為電源電壓;ΔU 為功率管管壓降(約0);Ke為電動勢系數;Ta為電動機產生的電動轉矩平均值;Kr為轉矩系數。

由式(1)可知，當負載一定時，轉速與加在電樞上的端電壓成正比，因此可通過控制電樞電壓來控制電機轉速，進而控制離合器的接合速度。而電機的正反轉則通過控制定子繞組的換相次序來實現。

2.2 離合器執行機構建模

離合器及其執行機構可簡化為如圖3 所示的杠桿、彈簧和質量系統。其中，膜片彈簧簡化為壓盤及分離軸承之間的杠桿、彈簧、阻尼系統和彈簧阻尼系統的組合。膜片彈簧在離合器中起著分離杠桿和壓緊彈簧的作用。同時，其特殊的非線性特性在從動盤摩擦片磨損后，仍能可靠地傳遞轉矩，并使踏板操縱輕便。

圖3 離合器及操作機構

膜片彈簧小端的非線性彈性特性曲線經擬合后可表示為該端變形量x 的4 次函數，即

如圖4 所示。

電動機機械角位移θm和離合器分離軸承位移x1之間的傳遞關系為

其中:lpl、lps分別為踏板杠桿長端和短端的長度;lal、las分別為傳動臂杠桿長臂和短臂的長度;z、z'分別為蝸桿和蝸輪的齒數;r 為繞鏈輪的半徑。

圖4 離合器膜片彈簧特性曲線

2.3 動力傳動系統

汽車起步時，動力傳動系統可進行簡化，如圖5 所示。圖5 中:Tw為空氣阻力矩;Ti為坡度阻力矩;Tf為滾動阻力矩;rw為車輪半徑;ig(n)為n 檔傳動比;i0為主減速比。

圖5 車輛動力傳動系統示意圖

根據動力學原理，建立汽車起步過程中，動力傳動模型系統的運動微分方程為:

式中:Te為發動機輸出轉矩;Tc為離合器傳遞的摩擦力矩;Tm為由Tw、Ti、Tf等效而來的阻力矩;We為發動機曲軸角速度;Wc為離合器從動片角速度;Je為發動機轉動慣量;Jv為等效到變速器輸入軸上的車輛平動轉動慣量。

汽車起步過程中所受到的外界阻力矩為

2.4 發動機輸出轉矩模型

發動機輸出轉矩曲線是發動機節氣門開度和發動機轉速的函數。在一定的節氣門開度下，發動機輸出轉矩曲線可由試驗數據通過3 次樣條插值擬合達到滿意的精度。圖6是根據發動機試驗數據及應用范圍繪制出的節氣門開度、發動機轉速和輸出轉矩關系。

圖6 發動機輸出轉矩關系

3 實例仿真分析

以力帆某轎車為研究對象，該車的主要參數見表1。在以上數學模型的基礎上，利用Matlab/Simulink 仿真軟件建立汽車起步離合器接合過程仿真模型，如圖7 所示。

現進行不同工況的起步仿真，其中包括在不同路況、不同油門開度下的起步仿真。圖8 ～圖10 為3 組仿真結果曲線。

由圖8 可以看出:在上坡起步過程中，駕駛員踩油門的力度直接影響離合器的結合時間和平穩時的發動機轉速。車輛開始起動以后，由于上坡坡道阻力較大，車輛加速緩慢，致使離合器同步時間較長，滑摩功也較大。其中緩加油門時，3 s 后轉速保持在560 rad/min，甚至有下滑的趨勢。可見，上坡緩加油門起步，可能導致汽車熄火。從圖9 可以看出:汽車平路起步仿真中，駕駛員緩加油門時，緩加油門離合器在1.5 s 時結合，且結合后轉速能很快達到目的轉速(1 000 rad/min)，波動小，所以平路起步時應盡量緩加油門。圖10 中，在汽車下坡時，通過緩加油門起步與速加油門起步比較可知:駕駛員緩加油門時，離合器結合時間會延遲到1.7 s，結合后轉速出現小波動，發動機轉速變化比較大，汽車不能平穩起步，所以下坡起步時，駕駛員應盡量速加油門。