基于AMESim的離合器執行機構優化設計

王丹丹，王滿江，普剛，陳大偉

（東風商用車有限公司商用車技術中心 先行技術開發部，武漢 430056）

1 前言

隨著我國AMT技術水平的不斷發展，舒適性較高的AMT變速器開始逐步安裝在卡車和客車上。離合器執行機構直接控制離合器的分離接合，其性能的好壞直接影響到換擋平順性和駕駛員的舒適性。因此，需要不斷對離合器執行機構進行優化，提升其性能。

目前，研究人員研究離合器執行機構特性的方式主要有兩種：1、臺架測試方法，該方法建立在已有待測實物的基礎上，一旦希望對被測對象進行優化，必然需要完成設計及試制，費時費力，開發成本高；2、通過Matlab/Simulink建立數學模型對其進行仿真研究，該方法需要對被控對象進行大量的數學建模，建立的模型往往不能直觀表達出各系統間的關系，并且建模過程繁瑣、工作量大。

AMESim(Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems)，是法國IMAGINE公司于1995年推出的多學科領域復雜系統建模仿真平臺。它是基于直觀的圖形界面的建模仿真平臺，具有豐富的元件設計庫（32個模型庫，4 000多個元件），能為流體動力、機械、熱流體和控制系統提供一個完善、優越的仿真環境和靈活的解決方案。面向工程應用的定位使得AMESim在航空航天工業、汽車制造等領域得到了廣泛的應用。

本文以某中卡氣動式AMT的離合器執行機構為研究對象，在現有樣件的參數基礎上，使用AMESim建立AMT離合器執行機構仿真模型，通過分析離合器系統的工作過程，調校關鍵設計參數，獲得氣缸設計參數對其離合器執行機構特性的影響，提出優化建議。并對離合器執行機構實物進行優化設計和新一輪樣件試制，在測試臺架上對新一輪試制樣件進行測試，驗證運用AMESim軟件仿真指導結構優化的可行性。

2 離合器執行機構結構分析

如圖1，離合器執行機構由一個單作用氣缸、四個常閉式兩位兩通電磁閥和位移傳感器組成。活塞將氣缸分為前后氣室，前氣室與大氣相通，后氣室接電磁閥。位移傳感器可檢測離合器的接合分離位置，實現閉環控制。電磁閥采用PWM控制，進排氣閥各由一個快閥和一個慢閥組成，快慢閥區別在于通徑大小不同。

離合器分離時，進氣閥通電將閥打開，儲氣筒內的高壓氣體經過減壓閥后到達氣缸，快速分離離合器，離合器完全分離后關閉進氣閥；離合器接合時，打開排氣閥，氣缸內高壓氣體排出，離合器快慢快接合，離合器接合后關閉排氣閥。

3 離合器執行機構建模

AMT離合器執行機構仿真模型主要由機械部分、氣動部分和控制程序組成，采用AMESim軟件的 Mechanical庫 、 Pneumatic庫 、 single control庫 和Electrical Static Conversion庫中相應的模塊構建離合器系統的模型。

如圖2，模型中包括：離合器，離合器分離機構、位移傳感器、氣缸、氣壓傳感器、進氣電磁閥、排氣電磁閥、氣源等。其中離合器的分離力通過實驗數據查表獲取。

4 仿真分析

主要的仿真參數設置見表1：

表1 仿真模型參數設置

4.1 仿真結果與測試數據對比

本文仿真及測試均以快閥為例。設置電磁閥控制信號占空比為最常用的30%，進行仿真與實際臺架測試結果的對比。下文中缸內氣壓均指后氣室內氣壓。

由圖3、圖4可以看出，仿真曲線與實測曲線基本吻合。

電磁閥控制信號占空比范圍為20%～70%，分別設置占空比為20%、50%、70%進行仿真，進一步驗證仿真模型的準確度。

對比圖5和圖6，可以看出，仿真與實測的離合器接合分離時間略有差異，這是由于系統摩擦等因素導致的，但不同占空比下仿真與實測曲線趨勢一致，因此仿真模型可以指導優化離合器執行機構。

4.2 氣缸結構優化仿真

設置控制信號占空比30%；仿真步長為0.001；仿真時間為10 S，第0 S開啟進氣閥、第3 S關閉進氣閥，第5 S開啟排氣閥、第8 S關閉排氣閥。分別更改模型中氣缸本體各參數，進行優化仿真。

4.2.1 不同氣缸直徑的仿真對比

位移正方向為離合器分離方向，由圖7知：①缸徑越大，離合器分離接合越快，當缸徑大于等于100 mm時，缸徑大小對離合器分離時間的影響很小；②缸徑越大，離合器接合動作響應越慢。③缸徑為80 mm時，離合器不能徹底分離。綜上三點，缸徑保持90 mm不變。

4.2.2 不同缸內容積的仿真對比

由圖8可知，容積越小，離合器分離接合越快、離合器接合動作響應越快。結合氣缸本身結構要求，氣缸長度在滿足活塞行程及缸內預緊彈簧工作行程的前提下，氣缸長度可縮短10 mm。

4.2.3 加泄壓閥與未加泄壓閥的仿真對比

由于膜片彈簧離合器完全分離后的彈簧力小于開始分離時的彈簧力，因此增加泄壓裝置，在離合器接合前，排出部分高壓氣，可以縮短離合器接合動作前的氣缸排氣時間。

為了保證泄壓后，氣缸力足以保持離合器位移不變，缸內氣壓要大于等于離合器接合階段氣壓曲線上氣壓跳動時的尖峰值，實測數據約為4 bar。設置泄壓閥在仿真時第3 S開啟，將缸內氣壓降至4 bar時停止泄壓。

由圖9、圖10可知，提前泄壓加速了離合器接合動作響應，但離合器接合過程總時長基本保持一致。因此，可加泄壓閥將缸內氣壓提前泄壓至4 bar。

4.2.4 前后氣室共用排氣閥與前后氣室分開排氣的仿真對比

由于缺乏手段測量排氣閥處排氣阻力，仿真時在排氣口處加限流面積不同的限流元件模擬不同排氣阻力。

由圖11、12，前后氣室共用1個排氣閥，限流面積為5 mm2時，排氣過程中有一部分高壓氣體進入前氣室，對缸內氣壓平衡產生影響。由圖13，前后氣室共用1個排氣閥且排氣阻力較大時，離合器接合時動作響應加快，但合器接合過程總時長變化很小。限流面積大于等于15 mm2時，對離合器接合影響很小。

綜上仿真結果，離合器執行機構可從以下三方面優化：①氣缸縮短10 mm，減小氣缸容積；②加泄壓閥或用一個排氣閥作為泄壓閥，離合器接合時提前泄壓至4 bar；③前后缸共用同一排氣閥。

5 臺架測試

根據優化仿真提出的三個優化方向，對離合器執行機構實物進行優化設計和新一輪樣件試制，在測試臺架上對其進行測試和性能對比。

5.1 減小氣缸容積前后的測試對比

在氣缸內加裝一個10 mm厚的墊塊模擬氣缸縮短10 mm，墊塊避開進排氣道及預緊彈簧安裝位置。實物如圖14、15所示。

實際測試對比情況如表2所示。對比數據可以發現，增加墊塊，縮小氣缸容積縮短了離合器分離接合時間。

表2 有無墊塊情況下離合器分離接合時間的對比

5.2 加泄壓閥與未加泄壓閥的測試對比

電磁閥控制占空比30%，離合器分離后，控制泄壓閥排氣，使缸內氣壓降至4 bar，然后正常控制離合器接合。

由圖16、圖17，增加泄壓閥后，縮短了離合器開始接合動作前的氣缸排氣時間0.2 S，提升了離合器執行機構的性能。

5.3 前后氣室共用排氣閥與前后氣室分開排氣的測試對比

在前氣室排氣管上加密封，將前氣室氣體引至排氣閥，前后氣室共用同一排氣閥。由于排氣越快，前后缸共用排氣閥對離合器接合影響越大，因此以快閥、占空比為70%為例，對比離合器接合情況。

由圖18，前后氣室共用同一排氣閥時離合器接合動作響應比前后氣室分開排氣時縮短0.03 S。

綜上，根據仿真結果對離合器執行機構實物進行的三個方面改進，均在不同程度上提升了離合器執行機構的性能。

6 結論

(1)本文運用仿真軟件AMESim建立了AMT離合器執行機構仿真模型，并對離合器系統的工作過程進行仿真分析，避免了繁瑣的Matlab/Simulink計算建模和大量的測試實驗，顯示出AMESim是一個直觀、方便、高效的動態系統建模和仿真分析工具。

(2)本文通過在仿真模型中調校離合器執行機構的關鍵設計參數，獲得氣缸設計參數對其離合器執行機構特性的影響，提出氣缸縮短10 mm，減小氣缸容積；加泄壓閥，離合器接合時提前泄壓至4 bar；前后缸共用同一排氣閥三個方面的優化建議。進而對離合器執行機構實物進行優化設計和試制，在測試臺架上對其進行檢測。檢測結果顯示對離合器執行機構實物進行的三方面改進，均不同程度上提升了離合器執行機構的性能。因此，運用AMESim對實物進行仿真分析，還可以對結構設計、關鍵設計參數的選擇提供依據，有效提高設計效率，降低項目風險。

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