電控離合器溫度變化的臺(tái)架搭建與試驗(yàn)方法

歷寶錄 李俊 張寬寬 王飛 李淑英

(聯(lián)合汽車電子有限公司, 上海 201206)

1 前言

隨著國際環(huán)境形勢(shì)得到越來越廣泛的重視，在車輛中實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排成為大勢(shì)所趨[1-2]。在城市擁堵的工況下，區(qū)別于傳統(tǒng)燃油車輛，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛會(huì)有更好的排放表現(xiàn)[3]。考慮到經(jīng)濟(jì)性以及續(xù)航能力，混動(dòng)車輛得到了市場(chǎng)的青睞，但在混動(dòng)車輛中，由于有兩種動(dòng)力源的存在[4]，其傳動(dòng)系統(tǒng)只能配備自動(dòng)變速箱，傳動(dòng)手動(dòng)變速箱并不適配。然而，考慮成本原因和一定的燃油經(jīng)濟(jì)性，裝有手動(dòng)變速箱的車輛依然在我國占據(jù)很大的市場(chǎng)。實(shí)現(xiàn)車輛手動(dòng)變速箱中的離合器自動(dòng)化，十分有利于拓展裝有手動(dòng)變速箱的傳動(dòng)系統(tǒng)的功能性、提升駕駛舒適度以及便捷性、同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的混動(dòng)化。因此，電控離合器作為一種手動(dòng)變速箱混動(dòng)化的解決方案，得到了一些廠商(如博世、舍弗勒等)的關(guān)注以及開發(fā)。

電控離合器實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)變速箱中的離合器的自動(dòng)化控制，即駕駛員只需要通過手動(dòng)操縱進(jìn)行換擋，不需要同時(shí)操縱離合器踏板[5]。這樣極大地提高操作的便捷性，同時(shí)還可以使裝有手動(dòng)變速箱的傳動(dòng)系統(tǒng)具有滑行功能，實(shí)現(xiàn)頻繁啟停下的擁堵路況的節(jié)能減排。

在電控離合器的工作過程當(dāng)中，摩擦片之間的滑動(dòng)摩擦不僅會(huì)導(dǎo)致離合器磨損，還會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱量[6-7]。這些熱量會(huì)使離合器表面溫度急劇升高，而電控離合器摩擦片的摩擦系數(shù)會(huì)隨著溫度的升高而下降，這會(huì)造成電控離合器傳扭能力的下降[8-9]。另外，由于離合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，無法安裝溫度傳感器，在短時(shí)間脫開冷卻后無法確定離合器當(dāng)前溫度。因此，對(duì)電控離合器的溫度特性的研究具有非常重要的實(shí)際意義。

本文在電機(jī)臺(tái)架上搭建了電控離合器變速箱臺(tái)架，在離合器壓盤、飛輪盤以及離合器蓋上分別布置溫度傳感器，通過雙滑環(huán)結(jié)構(gòu)將多路旋轉(zhuǎn)的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)為非旋轉(zhuǎn)的可穩(wěn)定收集的溫度信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后得到離合器溫度場(chǎng)分布。分別針對(duì)穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)工況試驗(yàn)和起動(dòng)工況試驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同的試驗(yàn)方法，用來對(duì)電控離合器的溫度進(jìn)行多工況的測(cè)量以及分析，探究電控離合器溫度變化的規(guī)律。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)臺(tái)架為上海交通大學(xué)大學(xué)提供的輸出端帶測(cè)功機(jī)的動(dòng)力總成臺(tái)架，可以實(shí)現(xiàn)多種類型的變速箱的相關(guān)試驗(yàn)以及性能測(cè)試，其結(jié)構(gòu)示意圖以及照片如圖 1所示。臺(tái)架主要由驅(qū)動(dòng)模塊、被測(cè)件模塊以及負(fù)載模塊組成。

(a) 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意

驅(qū)動(dòng)模塊由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、扭矩儀和編碼盤三個(gè)部分組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接被測(cè)件的輸入端，用來模擬車輛發(fā)動(dòng)機(jī)，為被測(cè)件提供動(dòng)力來源。扭矩儀和編碼盤則作為傳感器測(cè)量驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)。

負(fù)載模塊連接被測(cè)件的輸出端，用來模擬車輛所受到的阻力，包括慣性飛輪盤、負(fù)載電機(jī)、扭矩儀和編碼盤。其中負(fù)載電機(jī)提供相應(yīng)的大小可變的阻力矩，慣性飛輪盤用來模擬整車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，慣量的大小可以根據(jù)需求通過增加或者減少飛輪盤的數(shù)目來調(diào)整。與驅(qū)動(dòng)模塊相似，扭矩儀和編碼盤用來測(cè)量負(fù)載電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)。

被測(cè)件模塊主要包括被測(cè)變速箱及其支撐板，支撐板又分為母板和子板兩個(gè)部分，其中母板可以為不同的變速箱提供支撐，子板則根據(jù)不同的變速箱具體設(shè)計(jì)加工。

試驗(yàn)臺(tái)架的主要參數(shù)如表 1所示。

表1 測(cè)功機(jī)參數(shù)

臺(tái)架的測(cè)功機(jī)系統(tǒng)由西門子的PLC編程控制，即PLC作為兩個(gè)測(cè)功機(jī)的直接控制器。臺(tái)架的上位機(jī)(Human Machine Interface)負(fù)責(zé)給PLC發(fā)送電機(jī)的控制指令，使電機(jī)根據(jù)試驗(yàn)需求運(yùn)轉(zhuǎn)。測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖 2所示，上位機(jī)的控制程序由LabVIEW編寫，通過Ethernet總線，將控制指令(一般是電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速或目標(biāo)轉(zhuǎn)矩)以共享變量的方式發(fā)送給PLC，PLC收到指令后，將相應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩迅速調(diào)整到指令目標(biāo)值；另一方面，測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等參數(shù)由PLC通過DP總線(臺(tái)架的扭矩儀和編碼器均提供DP接口)采集，再通過共享變量的方式傳給上位機(jī)。上位機(jī)對(duì)PLC的控制屬于開環(huán)控制，PLC對(duì)電機(jī)的控制則屬于閉環(huán)控制。

圖2 測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)Fig.2 Structure of the control system of the motors

2.2 溫度傳感器的安裝

本試驗(yàn)選取熱電偶作為溫度傳感器。這是因?yàn)闊犭娕季哂袦y(cè)溫范圍交廣、靈敏度較高的特點(diǎn)。在測(cè)量點(diǎn)的選取上，由于要進(jìn)行散熱性能的測(cè)試，本試驗(yàn)將在離合器壓盤的表面、離合器蓋及飛輪盤表面處分別選取測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行熱電偶的安裝。熱電偶在離合器壓盤的表面和飛輪盤表面處的安裝需要打孔，按照對(duì)稱的原則，壓盤上打孔數(shù)量為兩個(gè)，飛輪上為六個(gè)，離合器蓋不需要進(jìn)行打孔，具體測(cè)量點(diǎn)位置如圖3所示。

(a) 壓盤打孔位置

在臺(tái)架試驗(yàn)的過程當(dāng)中，壓盤和飛輪等部件處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，使熱電偶的測(cè)量信號(hào)不能直接由引線接出。同時(shí)，由于電控離合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，無線傳輸?shù)姆椒ㄒ膊⒉滑F(xiàn)實(shí)。因此，為了將旋轉(zhuǎn)的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的非旋轉(zhuǎn)信號(hào)，本試驗(yàn)采用導(dǎo)電滑環(huán)實(shí)現(xiàn)熱電偶信號(hào)的傳輸。滑環(huán)的內(nèi)外圈有相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)保持電接觸。滑環(huán)的內(nèi)圈和離合器輸入軸固連，隨著輸入電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，外圈則固定在臺(tái)架上。這樣，熱電偶的接線連接到滑環(huán)內(nèi)圈，隨著離合器輸入軸選擇，信號(hào)由滑環(huán)外圈引出，連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備。另外，由于試驗(yàn)需要多路溫度傳感器的信號(hào)采集，需要安裝兩個(gè)滑環(huán)進(jìn)行采集。

3 試驗(yàn)方法

在本節(jié)中，為了研究電控離合器在不同工況下的溫度變化規(guī)律，根據(jù)穩(wěn)態(tài)工況、動(dòng)態(tài)工況以及起步工況的特點(diǎn)分別設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法。

3.1 穩(wěn)態(tài)工況的試驗(yàn)方法

在穩(wěn)態(tài)工況的試驗(yàn)條件下，使電控離合器工作在一個(gè)穩(wěn)態(tài)的工況下，即觀測(cè)離合器在前后端的轉(zhuǎn)速不變條件下溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。在單次滑摩的溫升試驗(yàn)中，分別給離合器前后端不同的轉(zhuǎn)速差和傳遞扭矩，來探究其對(duì)離合器溫升所造成的影響。在散熱試驗(yàn)中，分別給離合器前后端不同的轉(zhuǎn)速差和初始溫度，來探究其對(duì)離合器散熱所造成的影響。

在單次滑摩的穩(wěn)態(tài)工況的對(duì)比試驗(yàn)中，輸入測(cè)功機(jī)為限扭的速度閉環(huán)控制，負(fù)載測(cè)功機(jī)也為限扭的速度閉環(huán)控制。給予相同的管路初始溫度、壓盤初始溫度、飛輪初始溫度以及離合器蓋初始溫度。設(shè)置離合器傳遞扭矩、滑摩時(shí)間以及前后端轉(zhuǎn)速差，其中不同的傳遞扭矩通過給予離合器壓盤不同的壓力來實(shí)現(xiàn)。通過熱電偶溫度傳感器和雙滑環(huán)結(jié)構(gòu)采集壓盤、飛輪盤以及離合器蓋的溫度變化趨勢(shì)。

以單次滑摩過程中不同的前后端轉(zhuǎn)速對(duì)溫升變化的影響為例，在本組試驗(yàn)中，管路溫度為28℃±1 ℃，壓盤起始溫度為30℃±10 ℃，飛輪起始溫度為30℃±10 ℃，離合器蓋起始溫度為30℃±10 ℃。設(shè)置電控離合器傳遞扭矩為50 Nm，滑摩時(shí)間為60 s，分別記錄離合器前后端轉(zhuǎn)速差為250 r/min和750 r/min下的壓盤、飛輪以及離合器蓋溫升趨勢(shì)，結(jié)果如圖4所示。

(a) 壓盤溫度

3.2 動(dòng)態(tài)工況的試驗(yàn)方法

在動(dòng)態(tài)工況的試驗(yàn)條件下，離合器工作在一個(gè)動(dòng)態(tài)過程當(dāng)中，即觀測(cè)離合器滑摩-脫開動(dòng)態(tài)變化的條件下溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。在多次滑摩的溫升試驗(yàn)中，離合器會(huì)先后經(jīng)歷多次滑摩過程，分別給離合器前后端不同的轉(zhuǎn)速差和傳遞扭矩，來探究其對(duì)離合器溫升所造成的影響。

在多次滑摩的動(dòng)態(tài)工況的對(duì)比試驗(yàn)中，輸入測(cè)功機(jī)為限扭的速度閉環(huán)控制，負(fù)載測(cè)功機(jī)也為限扭的速度閉環(huán)控制。給予相同的管路初始溫度、壓盤初始溫度、飛輪初始溫度以及離合器蓋初始溫度。設(shè)置離合器傳遞扭矩、滑摩時(shí)間以及前后端轉(zhuǎn)速差，其中，不同的傳遞扭矩通過給予離合器壓盤不同的壓力來實(shí)現(xiàn)。通過熱電偶溫度傳感器和雙滑環(huán)結(jié)構(gòu)采集壓盤、飛輪盤以及離合器蓋的溫度變化趨勢(shì)。

以多次滑摩過程中不同的前后端轉(zhuǎn)速對(duì)溫升變化的影響為例，在本組試驗(yàn)中，管路溫度為28 ℃±1 ℃，壓盤起始溫度為50 ℃±10 ℃，飛輪起始溫度為50 ℃±10 ℃，離合器蓋起始溫度為50 ℃±10 ℃。設(shè)置電控離合器傳遞扭矩為75 Nm，單次滑摩時(shí)間為8 s，滑摩結(jié)束打開冷卻10 s，循環(huán)4個(gè)周期，分別記錄離合器前后端轉(zhuǎn)速差為750 r/min和1,000 r/min下的壓盤、飛輪以及離合器蓋溫升趨勢(shì)，其結(jié)果如圖5所示。

(a) 壓盤溫度

3.2 起步工況的試驗(yàn)方法

在起步工況的試驗(yàn)條件下，離合器工作在一個(gè)模擬起步的過程當(dāng)中，即觀測(cè)離合器在實(shí)車起步的條件下溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。在起步工況的溫升試驗(yàn)中，離合器會(huì)先后經(jīng)歷多次滑摩過程，分別給予了離合器變速箱不同的擋位，來探究其對(duì)離合器溫升所造成的影響。

在起步工況的對(duì)比試驗(yàn)中，輸入測(cè)功機(jī)為限扭的速度閉環(huán)控制，負(fù)載測(cè)功機(jī)也為限扭的速度閉環(huán)控制。輸入測(cè)功機(jī)起始工作轉(zhuǎn)速分別為800 r/min、900 r/min、1,000 r/min、1,100 r/min、1,300 r/min，以此模擬不同油門條件下離合器滑動(dòng)摩擦車輛起步的工作；負(fù)載測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)設(shè)定是根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)和力矩傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算獲得的轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速等效于車速。給予相同的管路初始溫度、壓盤初始溫度、飛輪初始溫度以及離合器蓋初始溫度。通過熱電偶溫度傳感器和雙滑環(huán)結(jié)構(gòu)采集壓盤、飛輪盤以及離合器蓋的溫度變化趨勢(shì)。

在本組試驗(yàn)中，管路溫度為281 ℃±1 ℃，壓盤起始溫度為501 ℃±10 ℃，飛輪起始溫度為451 ℃±5 ℃，離合器蓋起始溫度為351 ℃±5℃。分別記錄一擋和二擋全油門起步下的壓盤、飛輪以及離合器蓋溫升趨勢(shì)，結(jié)果如圖 6所示。

(a) 壓盤溫度

值得注意的是，在實(shí)際運(yùn)行過程中當(dāng)離合器輸入側(cè)和輸出側(cè)接近同步時(shí)，會(huì)出現(xiàn)劇烈扭振，主要原始是雙速度閉環(huán)的力矩快速調(diào)整導(dǎo)致的，因此在接近同步之前輸入測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速控制適當(dāng)提高，避開扭振，同時(shí)實(shí)現(xiàn)起步加速工況的動(dòng)態(tài)模擬。

4 結(jié)論

為了探究電控離合器滑摩作用時(shí)的溫度變化的特性，搭建了電控離合器變速箱臺(tái)架，并在臺(tái)架上進(jìn)行了一系列溫度試驗(yàn)。在進(jìn)行臺(tái)架的搭建時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)需要，分別在壓盤表面、飛輪盤表面以及離合器蓋上選取了溫度測(cè)量點(diǎn)。選取熱電偶作為溫度傳感器來記錄離合器脫開后溫度下降的變化。由于壓盤以及飛輪盤是旋轉(zhuǎn)部件，本試驗(yàn)中利用滑環(huán)將旋轉(zhuǎn)的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉切D(zhuǎn)信號(hào)來傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。另外，考慮到本試驗(yàn)要采集多路溫度信號(hào)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的雙滑環(huán)結(jié)構(gòu)。

在試驗(yàn)中，針對(duì)穩(wěn)態(tài)工況、動(dòng)態(tài)工況以及起步工況分別進(jìn)行了不同的溫度試驗(yàn)，根據(jù)每種工況的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了不同的試驗(yàn)方法。其中，起步工況較為復(fù)雜，分別給予輸入測(cè)功機(jī)不同的轉(zhuǎn)速指令來模擬不同油門條件下離合器滑動(dòng)摩擦車輛起步的工作，并給予輸出測(cè)功機(jī)動(dòng)態(tài)計(jì)算的轉(zhuǎn)速來模擬車輛當(dāng)前負(fù)載以及道路狀況下的有效速度。

本文提出的臺(tái)架搭建和試驗(yàn)方案為建立電控離合器溫度模型、故障診斷以及補(bǔ)償算法提供了具有可行性的試驗(yàn)方案以及理論依據(jù)。