車輛蠕行控制策略研究*

馬 彪，昌 和，李和言，李慧珠，朱禮安

（1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081； 3.江麓機(jī)電集團(tuán)公司，湘潭 411100）

前言

車輛在城市擁堵路況下，經(jīng)常采用離合器半聯(lián)動的方式以較低的車速緩慢前行，通過離合器摩擦副滑摩實現(xiàn)可控的動力輸出，此種工況稱為蠕行。但離合器長時間滑摩過程中，摩擦因數(shù)會隨離合器摩擦片溫度上升發(fā)生變化，從而引起車速抖動，在長時間蠕行下，甚至引起離合器燒蝕。

國內(nèi)外對于車輛蠕行控制策略進(jìn)行了大量的研究。JIN［1］，ZHANG［2］等采用模糊控制方法制定了AMT慢速跟車的離合器控制策略。尹良杰等［3］針對濕式DCT車輛的1擋蠕行起步過程，分析滑摩轉(zhuǎn)矩波動幅值與車身沖擊度的關(guān)系，設(shè)計了濕式離合器滑摩轉(zhuǎn)矩的測試方法，抑制了蠕行起步過程車身振動。王陽陽等［4］通過正交試驗和極差分析法，研究了溫度、速差和壓力對摩擦片最高觸點溫度的影響，分析了蠕行過程中離合器盤片熱穩(wěn)定性。

國內(nèi)外研究主要集中于蠕行起步階段離合器接合分離控制，針對蠕行過程中摩擦副溫度、摩擦因數(shù)變化引起車速變化的研究較少。本文中建立了車輛傳動系統(tǒng)模型，通過試驗分析了銅基粉末冶金與65Mn配對的摩擦副摩擦特性；在考慮蠕行過程中離合器摩擦副摩擦因數(shù)變化條件下，得到了滿足沖擊度要求的蠕行起步控制策略；通過PID調(diào)節(jié)離合器壓緊力，保證了車速穩(wěn)定；為避免離合器燒蝕，制訂了車輛蠕行控制策略。

1 蠕行工況動力學(xué)分析

將搭載干式離合器三軸變速器按照1擋行駛工況簡化為集中質(zhì)量模型，如圖1所示。

圖1 傳動系統(tǒng)集中質(zhì)量模型

忽略軸系的剛度和阻尼，蠕行過程中發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與離合器負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，建立車輛動力學(xué)方程：

式中：Me為發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Mc為離合器摩擦轉(zhuǎn)矩；M1為中間軸傳遞轉(zhuǎn)矩；M2為輸出軸傳遞轉(zhuǎn)矩；MR為路面阻力矩；iin為輸入軸常嚙合齒輪傳動比；i1為1擋傳動比；ia為主減速器傳動比；Ie為發(fā)動機(jī)飛輪慣量；Ic為輸入軸慣量；I1為中間軸慣量；I2為輸出軸慣量；Iv為車輪慣量；ωe為發(fā)動機(jī)飛輪角速度；ωc為離合器被動端角速度；ω1為中間軸角速度；ω2為輸出軸角速度；ωv為車輪角速度；η為傳動系傳動效率；μ為摩擦因數(shù)；F為離合器摩擦副壓緊力；n為摩擦副對數(shù)；rz為摩擦片有效半徑；A為迎風(fēng)面積；f為滾動阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；α為路面坡度；rw為車輪半徑。計算得到車輛蠕行時，摩擦副壓緊力與對應(yīng)路面坡度之間的關(guān)系為

由式（1）可知，在路面坡度不變的情況下，車輛蠕行過程中，離合器輸出轉(zhuǎn)矩隨著摩擦副摩擦因數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而引起車速波動，因此首先需要對摩擦副的摩擦特性進(jìn)行分析。

2 離合器摩擦副摩擦磨損特性分析

2.1 試驗方法

利用銷 -盤試驗對干式離合器摩擦副在蠕行工況下的摩擦磨損特性進(jìn)行研究。干式銷 盤旋轉(zhuǎn)試驗?zāi)K結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。柱銷材料為65Mn合金鋼，摩擦盤材料為銅基粉末冶金。

圖2 干式銷 -盤試驗?zāi)K結(jié)構(gòu)圖

試驗步驟［5］為：①加熱被試件至目標(biāo)溫度；②待溫度穩(wěn)定后接合摩擦副，調(diào)節(jié)電機(jī)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速；③采樣時間30min，記錄轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、摩擦因數(shù)；④停止試驗，分離摩擦副。

干式銷 -盤試驗工況參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 干式銷- 盤試驗工況參數(shù)設(shè)置

2.2 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)銷 盤試驗得到不同滑摩速差、不同壓緊力、不同溫度下摩擦因數(shù)試驗結(jié)果如表2所示。

表2 干式摩擦副摩擦因數(shù)試驗結(jié)果

圖3 不同溫度下摩擦副表面微觀形貌

由表2可知，離合器摩擦副摩擦因數(shù)隨著溫度升高，摩擦因數(shù)先增大后減小，隨后又增大；隨著壓緊力增大而減小；隨著滑摩速差變大而增大。

利用掃描電鏡對試驗后摩擦副表面形貌進(jìn)行分析。如圖3所示，當(dāng)試驗溫度小于Tc=195℃時，摩擦副表面劃痕較為規(guī)整，磨損表面相對光滑，此時磨損機(jī)理仍然為磨粒磨損。當(dāng)試驗溫度升高到Tc=270℃時，如圖中標(biāo)記所示，摩擦副表面開始出現(xiàn)部分黏著，磨損表面相對粗糙，磨損機(jī)理為犁溝磨損并伴隨部分黏著磨損。當(dāng)試驗溫度繼續(xù)升高到Tc=345℃時，摩擦副磨損加劇，黏著部分占比較大，此時磨損機(jī)理已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp。與摩擦因數(shù)試驗結(jié)果進(jìn)行對比同樣可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Tc＞270℃時，摩擦因數(shù)同樣開始變大，表明摩擦副摩擦狀態(tài)惡化明顯，因此以270℃為蠕行安全溫度。

3 車輛蠕行控制策略分析

3.1 離合器溫升模型

采用集總參數(shù)分析法［6］，忽略材料差異性，將離合器及其內(nèi)部空氣簡化為節(jié)點，并假設(shè)變速器為封閉環(huán)境。

離合器產(chǎn)熱功率為

離合器摩擦片及其內(nèi)部空氣熱狀態(tài)方程［7］為

式中：Tc為離合器摩擦片平均溫度；Tair為離合器內(nèi)空氣平均溫度；cc為離合器摩擦材料比熱容；mc為離合器摩擦片質(zhì)量；cair為離合器內(nèi)部空氣比熱容；mair為離合器內(nèi)部空氣質(zhì)量；K為離合器與空氣對流換熱系數(shù)；G為節(jié)點間換熱系數(shù)。

3.2 蠕行過程車速穩(wěn)定控制器

蠕行過程中須對摩擦副壓緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)以補(bǔ)償由于摩擦副摩擦因數(shù)發(fā)生變化引起的車輛加速度、車速變化。

以實際車速v和目標(biāo)車速vaim的偏差作為輸入，離合器摩擦副壓緊力作為輸出，控制目標(biāo)為Δv→0，構(gòu)建PID控制器如下：

式中：Kp，Ki，Kd分別為 PID控制器比例常數(shù)、積分常數(shù)、微分常數(shù)。經(jīng)過調(diào)試，本文取Kp=3686.28，Ki=6380.1，Kd=177.225，vaim=3km／h。

3.3 車輛蠕行控制策略

城市路況下，駕駛員松開制動踏板，車輛開始蠕行。隨著摩擦副滑摩時間增大，摩擦片溫度不斷升高，摩擦片溫度升高至蠕行安全溫度后車輛進(jìn)入跛行模式。此時車輛向駕駛員發(fā)出警告，不再響應(yīng)駕駛員繼續(xù)蠕行請求，摩擦副快速分離以對離合器進(jìn)行保護(hù)，直到摩擦片溫度降至200℃后，重新響應(yīng)駕駛員起步請求。車輛蠕行控制策略框圖見圖4。

圖4 蠕行控制策略框圖

4 不同工況下車輛蠕行分析

在城市道路中，車輛蠕行過程分為長時間蠕行工況和蠕行跟車工況。長時間蠕行工況下，離合器摩擦副始終保持滑摩狀態(tài)；蠕行跟車工況下，車輛跟隨前車一段距離后停車，隨后繼續(xù)跟車，以此往復(fù)。

假設(shè)離合器摩擦片溫度低于120℃時，摩擦因數(shù)保持不變，根據(jù)式（2）得出壓緊力為1 061，2 123，3 184N對應(yīng)路面坡度分別為 4.8°，11.5°，17.4°，在該摩擦因數(shù)下，車輛驅(qū)動力矩等于對應(yīng)坡度的路面阻力矩，車輛能恒速行駛。

4.1 蠕行起步過程分析

車輛蠕行起步過程中應(yīng)兼顧沖擊度與起步時間，保證車輛能平穩(wěn)迅速起步達(dá)到目標(biāo)車速，且車速相對于目標(biāo)車速超調(diào)量小。在車輛起步過程中，離合器摩擦副接合過程應(yīng)分為如下3個階段。

（1）消除空行程階段 該階段主要消除離合器摩擦副之間的間隙，此階段離合器摩擦副還未接合，無轉(zhuǎn)矩傳遞，可忽略不計。

（2）克服路面阻力階段 該階段離合器摩擦副壓緊力隨時間線性增大，摩擦副開始滑摩直到地面與輪胎間的起步轉(zhuǎn)矩大于路面阻力矩，車輛開始位移。

（3）加速至目標(biāo)車速階段 該階段離合器摩擦副壓緊力先增大后減小，車輛加速行駛，直至車輛達(dá)到目標(biāo)車速。

車輛加速度由下式計算：

車輛沖擊度為

根據(jù)文獻(xiàn)［8］，車輛蠕行起步過程中，車輛沖擊度范圍為±（1～3）m／s3。本文中在滿足該沖擊度范圍的條件下以最快時間起步，控制目標(biāo)為tf→min。起步過程中車輛加速度和車速可表示為

式中：tf為起步時間；t0為車輛開始位移時間。

將銷 盤試驗所得摩擦因數(shù)代入車輛傳動系統(tǒng)模型。假設(shè)離合器摩擦片初始溫度Te=60℃。對上文中3種坡度下離合器摩擦副壓緊力、車速和沖擊度進(jìn)行仿真分析，仿真參數(shù)如表3所示。

表3 模型仿真參數(shù)

圖5～圖7分別為蠕行起步過程中離合器摩擦副壓緊力變化、車速和沖擊度變化。由圖5可知，壓緊力先快速增加以克服路面阻力矩，隨后車輛開始位移，壓緊力增加速率減慢以保證車輛加速度緩慢上升，隨后壓緊力下降，此時車輛加速度緩慢減小至0，直至車輛達(dá)到目標(biāo)車速。以17.4°坡為例，給出了離合器摩擦副壓緊力變化的3個階段。由圖6和圖7可知在該壓緊力控制策略下，車輛在3種坡度下車速平穩(wěn)上升至目標(biāo)車速3km／h，車速超調(diào)量較小，起步階段沖擊度始終保持在±3m／s3，保證了車輛在允許沖擊度范圍內(nèi)的最快速度起步，在3種坡度下車輛起步時間分別為1.05，1.15和1.3s。

圖5 蠕行起步過程摩擦副壓緊力

4.2 長時間蠕行過程分析

車輛長時間蠕行過程中，離合器摩擦副始終保持滑摩狀態(tài)，直至離合器摩擦片溫度過高進(jìn)入跛行模式。

圖6 起步過程車速

圖7 起步過程沖擊度

圖8 ～圖10分別為車輛在不同坡度下起步后長時間蠕行過程中摩擦因數(shù)、摩擦片溫度變化趨勢和車速。

圖8 長時間蠕行過程摩擦因數(shù)波動

圖9 長時間蠕行過程摩擦片溫度

圖10 長時間蠕行過程車速

由圖8和圖9可知，在4.8°坡上，隨著摩擦片溫度升高，摩擦因數(shù)先增大，隨后減小，在蠕行時間317.68s、蠕行距離264.3m后進(jìn)入跛行模式。重新響應(yīng)駕駛員起步請求后下一次只能蠕行71.74s，70.9m；在11.5°坡上，在滑摩初始階段，摩擦因數(shù)先減小，隨后由于溫度升高，摩擦因數(shù)先增大后減小，蠕行時間70.77s，蠕行距離62.5m后進(jìn)入跛行模式，重新響應(yīng)駕駛員起步請求后下一次只能蠕行11.87s，11.73m；在 17.4°坡上，摩擦因數(shù)在滑摩初始階段就已經(jīng)小于基準(zhǔn)摩擦因數(shù)0.5，隨著摩擦片溫度迅速升高摩擦因數(shù)繼續(xù)下降，蠕行時間20.6s、蠕行距離16.5m后進(jìn)入跛行模式，重新響應(yīng)駕駛員起步請求后下一次只能蠕行5.1s，5.04m。由圖10可知，在該控制策略下，蠕行過程中車速始終保持穩(wěn)定。同時，跛行模式下車輛停車使離合器降溫時間越來越長，這是因為隨著離合器摩擦片與空氣溫差越來越小，離合器摩擦片散熱減慢，導(dǎo)致時間間隔變大，當(dāng)散熱達(dá)到平衡后時間間隔不再變化。

4.3 蠕行跟車過程分析

本文仿真分析中設(shè)定車輛跟隨前車蠕行10m后停車5s作為一次跟車［9］，直至摩擦片溫度達(dá)到許用安全溫度進(jìn)入跛行模式。

圖11～圖13分別為車輛在不同坡度下蠕行跟車過程中摩擦因數(shù)、摩擦片溫度和車速變化趨勢。由圖11和圖12可知，在4.8°坡上，由于摩擦片溫度始終未達(dá)到設(shè)定安全溫度270℃，隨著跟車次數(shù)增加，摩擦片溫度越來越高，較上次跟車完成時，摩擦因數(shù)先變大后變小，在跟車 486.5s、跟車距離298.4m后進(jìn)入跛行模式；在11.5°坡上，隨著摩擦片溫度升高，摩擦因數(shù)增大，每次跟車完成后摩擦片溫度高于上次跟車完成后摩擦片溫度，因此每次跟車完成后摩擦因數(shù)相較于上次跟車完成時摩擦因數(shù)先變大后變小，在跟車100.02s、跟車距離62.8m后觸發(fā)跛行模式；在17.4°坡上，隨著每次跟車完成后摩擦片溫度升高，摩擦因數(shù)下降，跟車28.6s、跟車距離18.5m后觸發(fā)跛行模式。由圖13可知，對應(yīng)不同坡度下摩擦副摩擦因數(shù)變化，在該控制策略下跟車車速穩(wěn)定。

圖11 蠕行跟車過程摩擦因數(shù)波動

圖12 蠕行跟車過程摩擦片溫度

圖13 蠕行跟車過程車速變化

5 結(jié)論

本文中通過銷 盤試驗，研究了干式摩擦副的摩擦磨損特性，建立了車輛蠕行過程動力學(xué)模型，制訂了車輛蠕行控制策略，具體結(jié)論如下。

（1）銅基粉末冶金材料與65Mn配對的干式離合器摩擦副摩擦因數(shù)隨摩擦片溫度升高先增大后減小，隨后又增大；隨著滑摩速差增大而增大；隨著壓緊力增大而減小。

（2）在蠕行起步過程中，在沖擊度最大約束條件下，車輛以最快速度起步，車速平穩(wěn)上升至目標(biāo)車速且無超調(diào)，車輛在4.8°，11.5°和17.4°坡下的蠕行起步時間分別為1.05，1.15和1.3s。

（3）制定了車輛蠕行控制策略及跛行控制策略，使車輛在蠕行過程中保持車速穩(wěn)定且離合器始終處于安全溫度以下。車輛在4.8°坡上可正常長時間蠕行317.68s，正常蠕行跟車486.5s；在11.5°坡上可正常長時間蠕行70.77s，正常蠕行100.02s；在17.4°坡上可正常長時間蠕行20.6s，正常蠕行跟車28.6s。