基于OBD的車輛自動(dòng)離合器系統(tǒng)研究*

袁志剛，丁兆順，劉振偉，姜振華，曹云旗，洪寶峰，鄭來萍

(東北工業(yè)集團(tuán)有限公司，吉林 長春 130103)

傳統(tǒng)的手動(dòng)擋車型在起步的過程中需要駕駛?cè)耸炀毜乜刂齐x合器踏板和油門踏板。如果遇到坡路、冰雪路面等惡劣工況，離合器踏板位置控制不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致車輛闖動(dòng)，嚴(yán)重的就會(huì)直接導(dǎo)致車輛熄火[1]。而一旦熄火溜車就會(huì)出現(xiàn)安全問題。如果在起步時(shí)忘記踩下離合器踏板，點(diǎn)火開關(guān)一旦打開，由于離合器處于接合狀態(tài)，車輛會(huì)迅速被發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，而車輛由于慣性會(huì)反拖發(fā)動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火[2]。

傳統(tǒng)的手動(dòng)擋車型在行駛過程中換擋時(shí)，需要駕駛?cè)送ㄟ^離合器踏板來控制離合器的分離位置，此時(shí)如果控制不當(dāng)也會(huì)直接導(dǎo)致車輛聳車，加速磨損離合器片的同時(shí)，也間接損傷變速器中的同步器[3]。

傳統(tǒng)的手動(dòng)擋車型在制動(dòng)時(shí)，需要駕駛?cè)送ㄟ^離合器踏板來控制離合器的分離位置，此時(shí)需要駕駛?cè)烁鶕?jù)車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來判斷是否需要踩踏離合器踏板，而且踩踏的時(shí)機(jī)和速度會(huì)直接影響車輛的舒適性，如果踩踏的時(shí)機(jī)和速度不當(dāng)，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致車輛聳車甚至熄火。

隨著自動(dòng)控制理論的不斷發(fā)展，汽車電子控制技術(shù)越來越成熟，在市場需求的推動(dòng)下，在原有手動(dòng)擋離合器控制的基礎(chǔ)上逐步衍生出一種離合器隨動(dòng)控制系統(tǒng)[4]，即自動(dòng)離合器系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)低耗智能離合、舒適手動(dòng)換擋，完全解放駕駛?cè)俗竽_。

1 ACS系統(tǒng)方案

隨著汽車電控技術(shù)的滲透率逐步提升，變相地增加了車輛的故障診斷和維修難度[5]，為了快速提取診斷信息，兼顧車輛數(shù)據(jù)的兼容性和可追溯性，采用車輛原有故障診斷口(OBD)來讀取車載控制系統(tǒng)的相關(guān)故障信息。本項(xiàng)目的方案就是基于整車統(tǒng)一故障診斷口(OBD)的一種自動(dòng)離合器系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)架如下：控制器主芯片選用飛思卡爾MC9S12G240MLF，分別處理來自車輛的點(diǎn)火開關(guān)信號、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號、車速信號、油門開度信號、制動(dòng)踏板信號，來自于離合器操縱機(jī)構(gòu)的離合器位置傳感器信號、依附于變速箱選換擋位置處的選擋、擋位及換擋意圖信號，來自于離合器控制單元和操縱機(jī)構(gòu)的3路溫度信號；離合器操縱機(jī)構(gòu)和控制單元構(gòu)成線控電子液壓離合系統(tǒng)，控制單元中集成智能離合功能算法；量產(chǎn)方案中離合器操縱機(jī)構(gòu)和控制單元可為一體，傳感器模塊可與變速箱集成。系統(tǒng)架構(gòu)原理如圖1所示。

2 自動(dòng)離合器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)離合器系統(tǒng)方案原理

當(dāng)前已具備成熟的量產(chǎn)或進(jìn)行市場推廣應(yīng)用的ACS能力的企業(yè)多數(shù)為外資廠商，且與發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)(EMS)、車身穩(wěn)定系統(tǒng)(ESC)以及變速器控制單元(TCU)或多或少都有交集，如博世、大陸、舍弗勒以及法雷奧。國內(nèi)汽車零部件企業(yè)和高校進(jìn)行預(yù)研和產(chǎn)品開發(fā)工作，如哈爾濱宏泰偉業(yè)、西安渦普動(dòng)力、武漢理工大學(xué)、吉林大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等，都開展了ACS產(chǎn)品的理論研究及產(chǎn)品試制開發(fā)工作。

設(shè)計(jì)開發(fā)一種自動(dòng)離合器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器信號采集裝置、電控單元、離合器操縱機(jī)構(gòu)、主缸、管路、分泵以及CAN總線網(wǎng)絡(luò)。其工作原理如圖2所示。

該自動(dòng)離合器系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的手動(dòng)變速器的基礎(chǔ)上增加電控液壓操縱機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)離合器分離軸承，駕駛?cè)瞬倏v油門踏板和換擋手柄，電控單元根據(jù)傳感器信號采集裝置反饋的角位移信號(α、β、γ)和CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信獲取的車速Vspeed、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速Espeed、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩Etorque、節(jié)氣門開度Tposition、加速踏板位置APposition、制動(dòng)踏板位置Bposition進(jìn)行邏輯計(jì)算分析，制定控制策略，指揮操縱機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)離合器的自動(dòng)分離與接合。擋位在儀表板的窗口內(nèi)顯示，出現(xiàn)駕駛?cè)苏`操作或系統(tǒng)故障時(shí)，儀表板的窗口內(nèi)數(shù)碼閃爍并發(fā)出蜂鳴報(bào)警，故障代碼存儲(chǔ)在電控單元的存儲(chǔ)器中，可利用診斷儀來判讀[6]。

2.2 自動(dòng)離合器系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要考慮其響應(yīng)速度和輸出力的大小，通過對目標(biāo)車型的離合器傳扭特性的測試，獲得其離合器分離力曲線，再結(jié)合離合器物理特性[7-11]，參考國內(nèi)外當(dāng)前研究現(xiàn)狀的優(yōu)略勢后選擇電動(dòng)機(jī)直驅(qū)方式，即操縱機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)蝸輪蝸桿減速器、原車離合器主缸、離合器位置傳感器(見圖3)。

電動(dòng)機(jī)接收到來自控制單元的PWM控制信號后，按照指令開始工作，通過聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到蝸桿上，通過離合器主缸推桿將蝸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為離合器主缸活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其搭建的軟件仿真模型如圖4所示。

2.3 自動(dòng)離合器系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)

如前文所述，自動(dòng)離合器系統(tǒng)控制單元組芯片為飛思卡爾MC9S12G240MLF，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)采用經(jīng)典H橋控制[12]，選用驅(qū)動(dòng)芯片為BTN8982TA，為了電磁兼容輻射騷擾限制達(dá)到等級4的要求，選用B82789C0104N002共模扼流器件在CANH和CANL端濾波，選用CMX1616Y222B-10共模扼流器件在車載電瓶的正極和負(fù)極濾波，在主芯片的供電端串聯(lián)電感進(jìn)一步濾波，最終通過驗(yàn)證的PCBA板如圖5所示。

2.4 自動(dòng)離合器系統(tǒng)電控軟件設(shè)計(jì)

兼顧車輛原有的功能，借鑒自動(dòng)擋變速箱的手自一體模式下的相關(guān)控制策略，控制軟件定義了9個(gè)狀態(tài)來描述車輛的運(yùn)行工況。它們分別是：初始化、怠速、爬行、起步、行駛、換擋、診斷、斷電、跛行。

每個(gè)狀態(tài)結(jié)束后，輸出離合器控制的目標(biāo)位置和目標(biāo)接合或分離速率，用于指導(dǎo)離合器的控制[13-14]。ACS軟件框架如圖6所示。

從該軟件基本架構(gòu)中可以清楚地看出，操作系統(tǒng)和任務(wù)時(shí)序管理器驅(qū)動(dòng)任務(wù)的執(zhí)行、控制硬件接口；主要軟件功能以標(biāo)定的時(shí)間周期運(yùn)行；駕駛和控制方面主要功能在“離合器核心控制”和“電動(dòng)機(jī)控制”模塊中實(shí)現(xiàn)，支持和輔助功能在其他模塊中實(shí)現(xiàn)，此處涉及到故障診斷，依據(jù)整車故障診斷規(guī)范，按照故障處理與發(fā)送優(yōu)先級，結(jié)合軟件系統(tǒng)的潛在失效模式，定義DTC[15-16]。與此同時(shí)，軟件架構(gòu)中考慮到與發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)通信，當(dāng)前采用的ACS與EMS通信鏈路采用基于ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的CAN(版本2.0A)總線結(jié)構(gòu)，通信速率為500 kb/s。協(xié)調(diào)通信控制目的為了如下4個(gè)方面。

1)爬行增扭。駕駛?cè)藪鞊酢⒔獬苿?dòng)時(shí)車輛爬行，ACS協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)增加輸出扭矩，改善爬行平順性和舒適性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性，避免熄火。

2)帶油換擋。駕駛?cè)瞬皇沼蛽Q擋時(shí)，ACS協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)降低輸出扭矩，避免離合器分離后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上沖；換擋后，ACS協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩恢復(fù)，直到駕駛?cè)似谕担ＷC車輛平順性。

3)滑摩控制。駕駛?cè)嗽谂佬泄r踩加速踏板時(shí)車輛起步，起步或者換擋后，ACS協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)降扭控制，扭矩恢復(fù)控制，實(shí)現(xiàn)對離合器滑摩的優(yōu)化控制，降低油耗。

4)滑行控制。制動(dòng)踏板和加速踏板開度為0時(shí)車輛滑行，根據(jù)EMS的要求，ACS進(jìn)行離合器分離和接合控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

ACS控制軟件協(xié)同通信邏輯框圖如圖7所示。

3 自動(dòng)離合器系統(tǒng)臺(tái)架及實(shí)車驗(yàn)證

3.1 臺(tái)架驗(yàn)證

自動(dòng)離合器系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)包括快速控制原型、車輛模型、功能測試、VECTOR等測試工具以及必要的溫度沖擊、溫度交變、濕熱、振動(dòng)、鹽霧、 沙塵以

及淋雨相關(guān)試驗(yàn)設(shè)施。圖8所示是硬件在環(huán)仿真測試臺(tái)架，圖9所示是軟件在環(huán)仿真測試模型。圖8是常溫下的臺(tái)架測試，在高溫或者低溫等環(huán)境下，基于自動(dòng)離合器系統(tǒng)在整車上的布置，對應(yīng)的需要做相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，其試驗(yàn)驗(yàn)證的簡易臺(tái)架如圖10所示。

臺(tái)架驗(yàn)證前需要先通過軟件驗(yàn)證，過濾掉不必要的極限工況測試的同時(shí)縮短整個(gè)驗(yàn)證周期。將控制程序燒錄到實(shí)物控制單元，通過實(shí)物變速箱、電動(dòng)機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)仿真測試。硬件在環(huán)測試過程中，通過設(shè)置相應(yīng)的系統(tǒng)模型參數(shù)及仿真所需要的邊界條件，可以分析自動(dòng)離合器系統(tǒng)的相關(guān)特性(包括控制特性、離合器主泵分泵壓力特性及接合分離特性)。給定圖11所示的轉(zhuǎn)速控制信號以及角度限位信號，可以得到操縱機(jī)構(gòu)分離泵壓力特性及分離行程特性(見圖12)，可以測出實(shí)際控制的電動(dòng)機(jī)角位移與角速度曲線(見圖13)，還可以根據(jù)負(fù)載及離合器控制角度的變化，得到離合器主從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速特性(見圖14)。

軟件在環(huán)仿真測試模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、整車及相關(guān)控制信號，其模型如圖9所示，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛥?shù)及相關(guān)的邊界輸入，可以得到整車的一般性能特性，在軟件在環(huán)仿真測試模型中，離合器切換及擋位選擇均采用信號時(shí)序直接輸入。在圖9所示軟件在環(huán)仿真測試模型中，給定一定的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度信號、擋位信號以及離合器控制信號(見圖15)，便可以得到離合器主從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速(見圖16)以及整車加速度(見圖17)等特性。

離合器的功能要求如下：1)要求離合器接合平順、柔和，即不應(yīng)有過高的瞬時(shí)加速度，避免產(chǎn)生使乘員感到不舒適的抖動(dòng)、沖擊和過大的傳動(dòng)系動(dòng)載荷，此要求用沖擊度來評價(jià)；2)離合器耐用性要好，使用壽命越長越好，影響離合器使用壽命的直接原因是離合器摩擦片的磨損，此要求用滑磨功來評價(jià)；3)離合器切換應(yīng)保證動(dòng)力性，這對于離合器動(dòng)力性

換擋來說至關(guān)重要，此要求用切換時(shí)間來評價(jià)。

一般來說，接合時(shí)間長，車輛起步就平緩，換擋時(shí)沖擊度就小，但滑磨功會(huì)比較大；接合時(shí)間短，車輛起步和換擋時(shí)速度快，滑磨功會(huì)比較小，但會(huì)產(chǎn)生沖擊。因此這2個(gè)指標(biāo)互相制約，是一個(gè)綜合最優(yōu)問題。切換時(shí)間是直接對應(yīng)于動(dòng)力性的評價(jià)指標(biāo)。顯然，基于動(dòng)力性的要求切換時(shí)間越短越好。特別是對于換擋過程而言，該指標(biāo)意味著動(dòng)力中斷時(shí)間的長短。但是，一般隨著切換時(shí)間的縮短，沖擊會(huì)相應(yīng)增大，這就會(huì)與舒適性的要求產(chǎn)生矛盾。由于復(fù)雜的控制邏輯策略是比較難以在臺(tái)架上得到充分驗(yàn)證，因此還需要經(jīng)過必要的實(shí)車驗(yàn)證，最終的控制邏輯確定以后便可以將控制邏輯代入計(jì)算，得到最終的控制效果。

綜上所述，臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果滿足設(shè)計(jì)期望值，依據(jù)測試離合器的物理特性，離合器有效分離時(shí)間控制在200 ms內(nèi)，離合器完全分離時(shí)間控制在350 ms內(nèi)(見圖18)。

3.2 實(shí)車驗(yàn)證

針對手動(dòng)擋車型的相關(guān)整車驗(yàn)證規(guī)范，該系統(tǒng)的實(shí)車驗(yàn)證進(jìn)行了動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、道路耐久以及三高驗(yàn)證。整車試驗(yàn)是以鄭州海馬汽車公司的海馬S5為測試樣車(見圖19)，在湖北襄陽進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，在重慶墊江試驗(yàn)場進(jìn)行道路耐久，在新疆吐魯番進(jìn)行高溫，在青海昆侖山、祁連山進(jìn)行高原，在黑龍江黑河、漠河進(jìn)行高寒。利用博世公司開發(fā)的KT700診斷儀來對自動(dòng)離合器系統(tǒng)故障診斷模塊進(jìn)行實(shí)車測試。經(jīng)濟(jì)性、爬坡性能及駕駛性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 自動(dòng)離合器系統(tǒng)試驗(yàn)車經(jīng)濟(jì)性、爬坡性能及駕駛性能對照表

表1中涉及到自動(dòng)離合器系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的協(xié)同通信，即上述提到的4個(gè)方面。用VECTOR工具實(shí)車實(shí)時(shí)采集曲線如圖20和圖21所示，試驗(yàn)車的動(dòng)力性指標(biāo)見表2。

序號項(xiàng)目負(fù)載/kgACS試驗(yàn)車同車型手動(dòng)擋10～100 km/h車速加速187.515 s13 s20～400 m距離加速187.519.8 s18.9 s34擋最高車速187.5157 km/h157 km/h45擋最高車速187.5174 km/h174 km/h51擋最低車速187.56.5 km/h6 km/h64擋最低車速187.522 km/h20 km/h75擋最低車速187.526 km/h22 km/h84擋60～100 km/h車速加速187.514 s14 s95擋60～100 km/h車速加速187.518 s18 s105擋80～120 km/h車速加速187.520 s20 s111擋坡底爬坡37540%坡度40%坡度121擋半坡起步37520%坡度30%坡度133擋坡底爬坡37510%坡度10%坡度

動(dòng)力性試驗(yàn)還涉及ACS試驗(yàn)車的操作規(guī)范，針對不同廠家的車型，可能還有局部差異性。綜合評價(jià)，ACS試驗(yàn)車的動(dòng)力性等同于同車型的手動(dòng)擋。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于整車統(tǒng)一診斷口的自動(dòng)離合器系統(tǒng)，并通過臺(tái)架及實(shí)車搭載試驗(yàn)驗(yàn)證了該自動(dòng)離合器系統(tǒng)的響應(yīng)速度，對比分析了同等車型的整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的差異性，尤其是針對離合器的物理特性充分驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，分別通過軟件在環(huán)和硬件在環(huán)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，基本達(dá)到了開發(fā)目標(biāo)，為后續(xù)量產(chǎn)開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。