客車離合器自動控制方法的探討

劉欣，高立程，方家寶

(大連理工大學機械工程學院，遼寧大連116024)

0 引言

城市客車的起步、停車以及加減速都非常頻繁，對于一般使用人工操縱離合器的客車來說，駕駛員平均每天需要踩離合器2 000 次以上［1］，勞動強度很大，且分散了注意力。同時，離合器操作時機的把握需要一定的駕駛經驗和技巧，不恰當的操作會造成沖擊，增大離合器的磨損，增加油耗，從而降低了乘客乘坐的舒適性，車輛故障率升高，使用壽命縮短。采用自動離合器，可以減少駕駛員的工作量，同時在最佳結合規律的控制下還可以有效地減少沖擊，提高乘坐舒適性。目前自動離合器已廣泛應用于微型車和轎車等小型汽車，但在客車上應用還不多。

1 方案選擇

自動離合器是在原有的干式摩擦離合器及其操縱機構的基礎上改造而成的，通過電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)控制液壓、氣動或電動執行機構，完成對車輛離合器的自動操縱。系統保留了原有的離合器踏板，將自動離合器的執行機構與原有的人工離合器操縱機構并聯安裝，可以由駕駛員選擇使用自動或手動控制。目前，按照執行機構動力源的不同，自動離合器的執行機構主要有電控電動(全電式)、電控液動和電控氣動三種類型［2］。

電控電動離合器執行機構:完全由直流電機驅動執行機構，結構簡單，控制靈活，成本較低，但直流電機受負載影響較大，適用于微型車和轎車等小型汽車，而對于客車這種離合器分離力較大的大型汽車來說不太適用。

電控液動離合器執行機構:由電控單元控制電磁閥，從而控制液壓系統驅動離合器的動作，響應快，控制精度高，在高檔轎車上應用較廣。但液壓系統存在著受溫度影響較大，結構復雜，成本較高等缺點。

電控氣動離合器執行機構:由電控單元控制單元閥，通過控制氣缸的動作來操縱離合器的分離與結合，具有結構簡單，無污染，成本低等優點，適用于裝有氣壓系統的大型客車和重型汽車。但氣動系統控制精度低，響應慢，增加了控制的難度。

綜合考慮以上三種方式的優缺點以及客車自身的特點，筆者提出了一種新的自動離合器執行機構，即電控氣壓助力式離合器執行機構，將直流電機驅動的電動執行機構與氣壓助力結合起來，既有電動系統便于控制的優點，又充分利用了客車自身的氣壓系統為操縱提供助力。

2 執行機構原理

電控氣壓助力式離合器執行機構的基本結構原理如圖1 所示。該執行機構主要由直流減速電機1、螺桿2、螺母3、活塞桿5、助力氣缸6、回位彈簧7、推桿8、儲氣瓶12 等組成。

直流減速電機1 為主要動力源，直流電動機具有良好的起動與調速性能，減速齒輪箱則起到減速增矩的作用，這里可以直接選用合適的直流減速電機，也可根據需要設計制造減速齒輪配合直流電機使用。助力氣缸6 內部的活塞與活塞桿5 連接為一個整體，活塞桿5 為中空管狀結構，它與螺桿2 沒有接觸，從而使活塞桿5 的左右移動和螺桿2 的轉動互不干涉。

當需要離合器分離時，直流減速電機1 在ECU 的控制下正轉，并通過聯軸器驅動螺桿2 旋轉，螺桿2 的旋轉帶動螺母3在導桿4 限制下平行右移。活塞桿5 左端與螺母3 接觸，在螺母3 右移的推動下，活塞桿5 連同活塞也向右移。同時，進氣閥在ECU 控制下開啟，儲氣瓶12 內的高壓氣進入助力氣缸6推動活塞右移。助力氣缸6 內的回位彈簧7 有預壓緊力，在螺母3 和高壓氣的共同作用下，活塞克服回位彈簧7 向右移動，推動與活塞接觸的推桿8 右移，從而推動撥叉9 來完成膜片彈簧離合器10 的分離。

當需要離合器接合時，在ECU 的控制下，直流減速電機1反轉，螺母3 平行左移。同時，進氣閥關閉，在回位彈簧7 的作用下，活塞向左移動。由于離合器為拉式膜片彈簧離合器，在膜片彈簧的作用下，離合器回到接合狀態。

3 離合器接合品質的評價指標

離合器接合品質的好壞通常由以下兩個指標來進行評價［3］:

(1)沖擊度j

沖擊度是以車輛縱向加速度的變化率來表征的，即j =da/dt。沖擊度與車輛本身特性和離合器的接合速度有關，在車輛本身特性確定的情況下，主要通過控制離合器的接合速度來控制沖擊度，接合速度越慢，沖擊度越小，乘坐舒適性越好。

(2)滑磨功W

當摩擦離合器接合時，主、從摩擦元件要經歷從轉速不等到一致的滑磨過程。滑磨會使摩擦片磨損，引起壓盤、飛輪等零件的溫度升高，而摩擦表面溫度過高又進一步加劇摩擦片磨損，降低離合器的使用壽命。離合器滑磨的嚴重程度常用滑磨功的大小來衡量。離合器的滑磨功是指離合器接合過程中有多少機械能轉化為熱能。滑磨功的大小與離合器接合過程的時間長短有關，接合過程越長，滑磨功越大，車輛功率損失越大，離合器磨損越嚴重。

由此可見，沖擊度和滑磨功這兩項評價指標相互矛盾，相互制約，需要綜合考慮，才能達到令人滿意的效果。

4 起步時的離合器控制策略

客車起步時的離合器的接合控制是離合器自動控制的關鍵和難點。起步控制不僅要求滿足起步過程中客車的平順性要求，即降低沖擊度，還要減少離合器的滑磨。平順性和滑磨功是兩個矛盾的指標，如何使這兩個指標在各種行駛環境下都能達到令人滿意的效果是客車起步過程中離合器控制的關鍵。

客車起步時的離合器接合過程可分為4 個階段［4］，如圖2所示，其中Tc為離合器傳遞的轉矩，Tf為阻力矩，ωe為離合器主動部分轉速，ωc為離合器從動部分轉速。

(1)時間從0 到t1:空行程階段，離合器雖然在接合，但主、從動盤并未接觸，無轉矩傳遞，這一階段應盡可能短，以縮短起步時間。

(2)時間從t1到t2:離合器主、從動盤開始接觸，但離合器傳遞的轉矩Tc還不足以克服最大滾動阻力矩Tf，離合器從動部分轉速ωc仍為0，即客車仍為靜止狀態，沖擊度為0，但離合器進入滑磨狀態，這一階段應盡可能短，以減小滑磨功。

(3)時間從t2到t3:離合器傳遞的轉矩Tc大于最大滾動阻力矩Tf，ωc＞0，即客車開始運動，t2時刻為離合器半接合點。此階段客車的沖擊度主要取決于離合器傳遞轉矩的變化率，而轉矩的變化率正比于離合器的接合速度，為使客車起步平穩，減小沖擊度，此階段應緩慢接合，但時間過長會增加滑磨功，因此，需要在減輕沖擊度與減少滑磨功之間找一個合適的折中點，即在滿足舒適性的前提下，盡量提高離合器的接合速度。

(4)時間為t3以后:離合器主、從動盤已經同步，離合器滑磨停止，此階段的接合速度對沖擊度和滑磨功沒有影響，從縮短起步時間考慮，此階段應盡可能短。

綜上所述，客車起步時，在到達離合器半接合點之前，離合器應快速接合，在離合器主、從動盤同步后，離合器亦應快速接合，而在中間階段，離合器應以適當的速度接合，以滿足舒適性和減少滑磨功的要求。

5 換擋時的離合器控制策略

客車換擋時要求換擋過程應能迅速完成，以減少因換擋期間輸入功率的中斷所引起的動力損失;離合器的分離應該迅速徹底，否則影響摘擋和換擋的速度;離合器的接合應該平穩迅速，即在不引起沖擊的情況下快速接合。

所以，客車換擋時的控制策略為:迅速分離離合器，并調節換擋期間發動機的轉速，以減小離合器接合時主、從動部分的轉速差，使主、從動部分轉速基本相同，這樣就可以使接合時沖擊度降至最低，并基本避免了離合器的滑磨階段，接合后再恢復發動機扭矩［5］。

6 結論

針對客車的特點，提出了電控氣壓助力式離合器執行機構，為自動離合器在客車上的應用提供了一種新的思路。通過探討離合器的控制策略，為進一步的實驗研究打下了基礎。

【1】鄭方明，鄧衛東，黃榮英，譚道梅. AMT 自動換擋變速器在大客車上的應用［J］.客車技術，2004(4):15 -16.

【2】柳承軍.微型汽車自動離合器控制策略研究與原型設計［D］.武漢:武漢理工大學，2009.

【3】徐石安，江發潮. 汽車離合器［M］. 北京:清華大學出版社，2005:200 -211.

【4】許男.自動離合器接合規律及控制系統的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2009.

【5】劉秋錚.AMT 離合器自適應控制策略及執行器系統開發［D］.長春:吉林大學，2006.