電控液動氣助力離合器操控系統溫度模型辨識

， 　， ， ， 　 (中國北方車輛研究所 車輛傳動重點實驗室, 北京　100072)

引言

離合器接合控制是決定自動機械變速器(AMT)車輛起步性能、換檔過程品質、爬坡性能的主要因素[1]。大多數重型AMT車輛采用干式離合器，其離合器接合過程的控制方法一直是車輛傳動系統研究的重點。在重型AMT車輛中，為了滿足離合器膜片彈簧分離力的需求，采用電控液動氣助力離合器操控系統對離合器進行控制是離合器控制中的一個重要方向[2,3]。但溫度的變化對離合器操控系統的控制精度影響很大，尤其是低溫環境嚴重影響其控制性能，限制了AMT系統應用范圍的推廣。

為了提高離合器過程控制對溫度的自適應能力，通過理論分析和實驗計算，研究了溫度因素對離合器操控系統控制效果的影響規律，建立了離合器操控系統的經驗模型，并通過試驗驗證了該模型的準確性和正確性。

1　溫度對離合器操控系統的影響

AMT控制的難點之一是起步過程中離合器的接合控制。離合器的控制目標是不僅要提高起步過程離合器接合的平順性，減少離合器滑磨功，延長離合器使用壽命，而且要保證發動機穩定運轉。沖擊度j是車輛縱向加速度的變化率，是離合器接合過程重要的評價指標之一，其表達式為：

(1)

式中，a為車輛縱向加速度；Tc為離合器傳遞扭矩；r為車輪滾動半徑；Jc為離合器從動部分的轉動慣量；io為主減速傳動比；ig為變速器傳動比。

通過對干式膜片彈簧離合器的特性分析[3]可知，離合器傳遞的摩擦扭矩Tc與離合器分離軸承縱向位移λ成正比：

(2)

(3)

式中,p為離合器摩擦片上所加載負荷；n為摩擦片片數；φ為摩擦系數；r1為摩擦面內徑；r2為摩擦面外徑；E為彈性模量。

由式(2)和式(3)可知，當離合器位移速率Δλ變化越大，則離合器傳遞的扭矩Tc變化越大，從而導致了沖擊度j的增加。而離合器分離軸承的速率Δλ是由離合器操控系統所決定，如圖1所示，當外部環境溫度發生較大變化時，離合器操控系統控制下的離合器接合速度出現較大波動，嚴重影響了車輛起步的平穩性。因此研究溫度因素對離合器操控系統的影響是十分必要的。

圖1　不同溫度下離合器操控系統結合速度

如圖2所示，電控液動氣助力離合器操縱系統其工作原理為：電控單元通過控制輸出脈沖寬度調制波(PWM)的占空比大小來實現離合器操縱油缸油壓的調節，達到控制離合器位移的目的，由此使實現離合器結合、分離和保持三種工況。根據電控液壓系統本身的物理特性，通過分析和研究電控系統和液壓系統與溫度之間的定量關系，從而獲得溫度補償函數。

圖2　電控液動氣助力離合器控制系統結構圖

2　離合器操控系統溫敏特性分析

2.1　溫度對電控系統影響

如圖3所示，在離合器電控部分由PWM驅動電路和比例流量閥構成，通過控制PWM波占空比來控制比例流量閥閥芯的位置，從而實現離合器控制油缸油壓的調節。

圖3　電磁閥驅動電路簡圖

其中離合器操控系統電磁閥為某公司生產的常開比例流量閥RD758，額定電阻為2.5 Ω，功率為5 W。該比例流量閥具有控制電流大、精度高、響應快、一致性好等特點。閥芯位置受驅動電流的控制，隨著電流的增大而增大(如圖4所示)，其近似關系式為：

(4)

式中,y為閥芯位移;i為驅動電流;Ivmin為控制閥芯移動的最小電流；Ivmax為使閥芯達到最大位移處最小驅動電流；Imax為比例流量閥能夠承受的最大驅動電流；k1為比例系數。

圖4　比例流量閥特性曲線

(5)

(6)

從公式(4)和(6)公式中，可知比例流量閥閥芯位移和比例電磁閥電流成比例關系，比例電磁閥驅動電流與驅動電壓U、電阻R和占空比k2三個因素有關，其中電阻R與外部環境溫度密切相關。圖5中，將10個樣本流量比例電磁閥放置于不同環境溫度下，其電阻測量值如圖5所示，隨著環境溫度的升高而電磁閥電阻明顯變大。在同一占空比k2下，隨著電磁閥散熱或環境溫度變化，比例流量閥電阻的變化嚴重影響離合器控制的一致性，無法忽略溫度變化所帶來的擾動，是電控部分的主要溫敏因素。

2.2　液壓驅動部分

液壓驅動部分主要由油源、分泵、氣壓助力液壓工作缸和踏板總成等部分構成。離合器操控機構的運動速度是由液壓油流量決定的， 除了比例流量閥閥芯的位置，影響流量的因素還與彈簧剛度系數、液壓油的壓力、液壓油的黏度、摩擦等有關。在離合器接合過程中，此時氣助力液壓缸不工作，氣閥處于關閉狀態，離合器接合力來自于膜片彈簧的回復力，因此不考慮溫度對氣體密度的影響。

圖5　不同溫度下比例流量電磁閥電阻

離合器操控機構中主要的彈性部件有踏板回位彈簧和離合器從動盤彈簧。其中踏板回位彈簧為扭簧，其剛度系數表示為[5]：

(7)

式中,C為單列扭簧的剛度；E為材料彈性模量；d為鋼絲線徑；D為扭簧中徑；n為扭簧圈數。使用的一般材料彈性模量會隨溫度的升高而減少，但對于汽車上的彈簧材料，溫度對其影響較小。以40Cr鋼材料為例，其在-30 ℃的彈性模量為186.56 GPa，在20 ℃的彈性模量為182.4 GPa，在60 ℃的彈性模量為179.15 GPa，從-30 ℃到20 ℃的變化率為2.28%[6,7]，因此溫度對膜片彈簧的彈力影響可忽略不計。

如圖6所示，液壓油黏度隨著油溫的變化而變化，油溫升高會使液壓油的黏度下降， 油溫降低會使油液黏度升高，造成系統壓降大、效率低。液壓油黏度的變化會影響離合器操控系統的回油阻力，進而影響到離合器接合速度。在低溫時，液壓油黏度隨溫度的降低而指數級的增長，成為阻礙機構運動的主要阻力，因此液壓油的溫度特性也是操離合器操控系統主要的溫敏環節之一。

圖6　液壓油黏溫特性

綜合上述分析，離合器操控系統中的溫敏環節主要是比例流量閥電阻和液壓油黏度。比例流量閥阻抗隨溫度降低而減小；液壓油的黏度隨溫度降低而變大，低溫時更加明顯。

3　離合器操控機構溫敏特性試驗

為了得到更加準確的溫度對比例流量閥和液壓油影響關系，因此在恒溫箱中模擬實際環境溫度離合器操控系統的影響，如圖7所示。根據前面的分析，本研究基于課題研究的AMT車輛機構搭建了離合器操縱機構測試平臺。

圖7　實驗設備連接示意圖

3.1　溫度對比例流量閥驅動電流的影響試驗

如圖7所示，通過低電阻測量儀測試比例流量閥在同一控制頻率不同溫度下電阻的變化來反映溫度對比例閥電器特性的影響，實驗數據如圖8所示。通過實驗數據曲線可知，在一定的溫度范圍內，比例流量閥電阻隨著溫度的升高成近似線性化的變大，從-30 ℃到20 ℃的其變化率為22.7%，因此比例流量閥為操控機構中的一個溫敏環節之一。根據實驗數據，由于比例流量閥一致性和線性度較好，因此可以用擬合公式代替比例流量閥電阻隨溫度的變化特性：

R≈0.0128T-0.935

(8)

根據式(6)、式(8)得比例流量閥驅動電流與溫度、驅動占空比之間的關系：

(9)

圖8　溫度與比例流量閥電阻的關系

3.2　固定溫度下占空比與結合速度的關系實驗

在固定溫度下，當比例流量閥閥芯位移值小于其保持區間最小位移時，離合器操控機構的運動速度隨著比例流量閥的開度的增大而減小，如圖9所示。

圖9　某溫度下驅動電流與結合速度的關系

由于電磁閥電流與閥芯開度之間的線性關系不受溫度變化影響，因此則認為在不同溫度下，驅動比例流量閥的最小電流Ivmin和比例流量閥的截止最小電流Imin是不變的。根據圖9可得任意溫度下驅動電流與離合器結合速度的關系：

(10)

同時聯立式(9)和式(10)得離合器結合速度與控制信號占空比的關系：

(11)

圖10為溫度292 K時占空比與離合器自動操控機構結合速度關系。通過對圖中的數據進行最小方差擬合，則a為1.23×10-3，b為7.5865×10-4。由此得占空比k2與溫度T、結合速度v的關系式：

圖10　292 K時占空比與離合器結合速度的關系

3.3　溫度對液壓驅動部分的影響實驗

通過式(12)得到了控制信號的占空比與輸出速度、溫度的關系，但其中vmax是一個與溫度相關的函數。為了更加準確地測量出溫度對液壓驅動部分的影響，排除比例流量閥開度變化的干擾，采用離合器操控系統自由回位的特性來反映不同溫度下液壓油黏性變化對離合器結合速度造成的影響，即得到不同溫度下離合器最大結合速度vmax。

自由回位是指在離合器完全分離后，在比例流量電磁閥接通回油路時離合器操控機構的回位特性，其主要取決于系統的機械特性(包含液壓傳動特性)。圖11為不同溫度下系統的自由回位特性圖，從圖中數據可以看出，隨著溫度的升高操縱機構的響應時間逐漸縮短，但變化幅值越來越小，同時離合器操縱機構的響應速度逐漸增大。通過對實驗數據及液壓油特性的特性分析，當溫度大于283 K時，溫度與離合器結合速度關系近似線性；溫度小于283 K時，離合器結合速度為溫度的二次函數。根據非線性最小二乘法擬合得到離合器最大結合速度與溫度的近似關系 (擬合效果如圖12所示)：

圖11　不同溫度下系統的自由回位特性

(13)

圖12　實驗數據與擬合實驗數據的對比效果

聯立式(12)和式(13)得到占空比與溫度、結合速度的經驗公式：

(14)

4　試驗驗證

為了驗證公式(14)和公式(15)的正確性，在圖7中的實驗臺架上測試了溫度在263 K、284 K和299 K時不同占空比(γ′)下離合器操縱機構的響應特性，得到了相應溫度下的占空比與離合器結合速度的關系。圖13、圖14和圖15分別為299 K、 284 K、 260 K時離合器接合速度實驗數據與公式預測速度的對比圖。

通過圖中數據的對比可知：經驗公式所估計的離合器不同溫度下的接合速度與實測結果誤差在10%之內，從而證明了離合器溫度理論分析、經驗公式建模的正確性。基于上述經驗公式，在實際應用過程中，根

圖13　299 K時實驗數據與經驗公式對比圖

圖14　284 K時實驗數據與經驗公式對比圖

圖15　260 K時實驗數據與經驗公式對比圖

據期望離合器接合速度和當前環境溫度來修正驅動占空比，從而保證不同溫度下離合器接合速度的一致性，提高離合器控制對溫度的魯棒性。

5　結論

為了消除溫度對離合器自動控制的影響，提出了一種離合器溫度經驗模型。通過對電控液動氣助力離合器自動操控機構進行理論分析和試驗研究，建立了該自動操控系統的溫度經驗模型并通過試驗驗證了其有效性和正確性，從而提高了離合器自動控制對溫度的自適應能力。

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