濕式離合器充油控制響應特性研究

李云燕，劉宇鍵，陳漫

(1.湘潭大學自動化與電子信息學院，湖南湘潭 411100；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

0 前言

濕式離合器接合過程中執行機構的迅速準確響應對于離合器接合品質具有重要作用。由于離合器摩擦副的磨損以及工作環境如負載、油溫的改變，系統動力學參數隨著時間劇烈變化，使得離合器的魯棒性控制變得更加困難。

在濕式離合器液壓控制系統的研究方面， BALAU等考慮了液壓控制過程中的時間延遲，設計了一個預測控制策略以控制離合器的活塞位移并減小通信延遲，顯著改善了控制性能。MENG等建立了完整的離合器電液控制模型，制定了預充油自適應參數修正策略。GUO等應用模糊自適應控制方法對離合器預充油控制參數進行自適應修正。吳健鵬等建立了離合器電液比例減壓閥和離合器供油系統的數學模型，研究了不同的PWM輸入信號對離合器充油特性的影響。孔慧芳等建立了離合器的電液操縱系統的數值模型，設計了滑模控制器并進行了穩定性分析。唐治研究了油液溫度、控制頻率等控制參數對油壓的影響，設計了前饋-串級復合控制系統以實現對油壓的精確控制。目前，多數研究集中于液壓閥控制系統對離合器油壓的控制，對離合器接合過程中壓力、充油流量之間變化規律研究較少，而且未從離合器充油流量對升壓特性角度對離合器油壓升高的需求進行分析。

本文作者建立濕式離合器充油過程數值模型，并進行實驗驗證。從充油流量與離合器升壓特性的關系對離合器充油流量需求進行分析，揭示油液溫度、回位彈簧、摩擦副間隙對離合器預充油效果的影響，提出液壓閥控離合器的預充油控制方法，改善預充油過程控制效果。

1 濕式離合器充油過程建模

如圖1所示，比例電磁閥先導控制的離合器主要包含電液比例閥、減壓閥和離合器3個主要部分。在比例電磁閥輸入控制信號后，電液比例閥的壓力控制油作用于減壓閥閥芯的左腔，推動閥芯向右移動，使得減壓閥卸油口逐漸關閉，進油口逐漸打開，離合器開始充油。離合器的分離過程則與之相反，比例電磁閥輸入信號逐漸減小，作用于減壓閥閥芯左腔的油壓逐漸減小，閥芯在減壓閥彈簧的作用下逐漸向左移動，減壓閥進油口逐漸關閉，卸油口逐漸打開，離合器油腔內壓力油逐漸泄至油箱中。

圖1 比例電磁閥先導控制離合器充油示意

1.1 減壓閥模型

減壓閥閥芯的動力學運動方程：

(1)

式中：、、分別為閥芯左側、右側以及閥芯控制油腔的壓力；、分別為閥芯左側和右側的面積；、分別為閥芯油腔左側和右側的面積；為閥芯的質量；為閥芯右側彈簧的剛度；為閥芯的位移；為彈簧的預壓縮量。

減壓閥右腔流量平衡方程：

(2)

式中：為流入閥芯右腔的流量；為流量壓力系數；為右腔的體積；為油液的體積彈性模量。

減壓閥控制油腔流量連續性方程：

(3)

式中：為減壓閥進口流量；為減壓閥至離合器的出口流量；為泄至油箱的流量。

(4)

(5)

式中：、分別為進油和卸油口閥口流量系數；、分別為進油與卸油口開口面積；為油液的密度。對于離合器充油和放油這兩個不同的過程，閥芯位置不同，對應的、中開口面積、不同。

1.2 離合器充油模型

離合器活塞動力學運動方程：

(6)

活塞受到的離心油壓作用計算公式為

(7)

式中：為油液密度；為油液旋轉角速度；、分別為摩擦片內徑、外徑的半徑；為控制油入口處半徑。

在離合器的充油過程中，回位彈簧阻力為

(8)

式中：為回位彈簧預壓縮量；為離合器預充油結束時活塞移動的距離；為回位彈簧的剛度；為摩擦副擠壓時的剛度。

活塞的密封阻力計算公式如下：

(9)

式中：和為常數；是活塞密封環的阻尼系數；是靜摩擦阻力。在這個較小的速度范圍內，靜摩擦力與活塞受到的其他力相平衡，而靜摩擦力也存在著一個最大值，一旦其他力超過靜摩擦力，活塞開始移動。最大靜摩擦力的大小與離合器內油壓的大小成正比，如式(10)所示：

=+

(10)

式中：和為常數。

當摩擦副間隙完全消除之后，活塞不再移動，此時的靜摩擦力相對于摩擦副的壓緊力忽略不計，因此得到此時摩擦副受到的壓緊力如式(11)所示：

=+-

(11)

離合器油缸流量連續性方程：

(12)

式中：為離合器的充油流量；為離合器油缸的體積；=+，為離合器油缸初始體積；=，為離合器油缸流量泄漏系數。

進入離合器油缸的流量為

(13)

式中：、分別為控制閥閥口到離合器油缸的油道等效半徑和長度；為控制油的動力黏度。

2 充油流量對離合器升壓特性的影響

2.1 離合器充油模型的仿真與驗證

基于MATLAB/Simulink軟件對離合器充油過程進行仿真分析，并搭建試驗臺對充油模型進行驗證。仿真參數如表1所示。

表1 離合器充油模型仿真參數

離合器充油試驗臺如圖2所示。離合器控制油路和潤滑油路由兩個泵分別供油，離合器的充、放油由比例減壓閥進行控制，通過改變減壓閥輸入信號從而改變離合器的充油流量。同時，在壓力控制閥的出口至離合器活塞之間安裝流量和壓力傳感器測量離合器油缸的充油流量和壓力。

圖2 離合器充油試驗臺架簡圖

試驗測得的離合器輸入流量和壓力變化如圖3所示。為驗證創建模型的準確性，將試驗測得的離合器輸入流量作為模型的輸入，仿真得到的離合器油壓與試驗測得油壓進行比較。由圖4可知：仿真得到的離合器油壓在離合器油壓快速上升至額定壓力時存在較大波動，這是由于仿真模型中認為在離合器摩擦副間隙完全消除后，離合器的充油流量完全用于離合器油腔內的油液體積壓縮，此時流量的波動導致離合器油壓的波動。但是總體上仿真的離合器油壓曲線與試驗結果相吻合，驗證了模型的正確性。

圖3 試驗測得離合器充油流量和壓力 圖4 離合器充油過程仿真油壓與真實油壓對比

2.2 充油流量對離合器升壓過程的影響分析

對于離合器的充油過程，總體上可以分為預充油階段、緩沖升壓和階躍升壓階段。在階躍升壓階段，油壓迅速上升至理想最大油壓，只需控制液壓閥的輸入信號在緩沖升壓結束時迅速增大至預設工況，離合器迅速充油并達到設定油壓。然而，預充油階段和緩沖升壓階段的離合器升壓特性會顯著影響離合器的接合品質。

2.2.1 預充油階段

在預充油階段，充油流量不僅用于油液壓縮升壓,還需填充活塞移動帶來的油缸體積增量，因此充油流量需求遠大于緩沖升壓階段。在泄漏流量為0的情況下，離合器預充油結束所需的總的充油體積是一樣的。

為研究預充油階段充油流量大小對離合器升壓特性的影響，在離合器預充油過程中改變離合器充油流量的大小，保證在該階段離合器充油體積不變而摩擦副間隙完全消除。表2所示為離合器各充油工況下的充油流量和充油時間。充油工況A、B和C的充油流量曲線如圖5所示，改變了預充油階段的充油流量和充油時間，得到了離合器油壓曲線如圖6所示。

表2 各工況下充油流量和充油時間

圖5 考慮預充油階段的離合器充油流量圖

圖6 考慮預充油階段的離合器油壓變化圖

由圖6可以看出:隨著預充油階段充油流量的增大，從充油開始到克服回位彈簧與預壓緊力的時間逐漸縮短，離合器預充油階段油壓上升速度也逐漸增大，在預充油結束時刻離合器油壓均升至同一壓力。而在緩沖升壓階段，由于充油流量大小一致，離合器的升壓速度一致，最終達到同一油壓。因此預充油階段充油流量大小影響著該階段所需的時間，充油流量大，所需時間減小，同時總的離合器接合時間縮短。

2.2.2 緩沖升壓階段

改變緩沖階段充油流量大小，保證該階段總的充油體積不變，確保緩沖結束時離合器的油壓相等，從而研究該階段充油流量對離合器充油壓力的影響。充油工況B、D和E的充油流量曲線如圖7所示，改變了緩沖升壓階段的充油流量和充油時間，得到了離合器油壓曲線如圖8所示。

圖7 考慮緩沖升壓階段的離合器充油流量圖

圖8 考慮緩沖升壓階段的離合器油壓變化圖

如圖8所示：隨著緩沖升壓階段充油流量的增大，離合器油壓上升速度明顯加快，緩沖升壓階段時間明顯縮短。該階段充油流量很小的情況下，離合器的升壓速度依然很快，較小的充油流量差別就會導致離合器升壓速度的明顯差異。因此該階段的充油流量需要精確控制，充油流量太大，將會導致離合器壓力急劇上升。

2.3 離合器充油控制方法

對于理想的離合器充油升壓過程，希望預充油階段充油流量大，盡可能縮短該階段所需時間，而在緩沖升壓階段離合器的充油流量較小以滿足離合器油壓緩慢上升的要求。從離合器充油流量角度可知：在預充油階段離合器控制閥保持閥口開度較大或者出口油壓較大，以保證較大的充油流量，縮短預充油時間；在緩沖升壓階段，控制閥出口油壓迅速減小，隨后逐漸增大，以保證離合器充油流量較小，離合器油壓緩慢上升。此外，還需準確控制預充油階段離合器保持大流量充油的時間即控制閥出口油壓迅速減小的時間，以避免離合器預充油不足和預充油過度的情況發生。

對于理想離合器的預充油階段，由于沒有摩擦轉矩傳遞，對換擋品質幾乎沒有影響，所以該階段時間Δ應盡量短，從而縮短整個換擋過程的時間。為此，設計離合器充油階段電磁閥輸入的控制信號如圖9所示。

圖9 充油階段電磁閥控制信號

在～階段，電磁閥輸入較大的控制信號，離合器以較大的充油流量進行充油，直到摩擦副間隙幾乎完全消除。在時刻，電磁閥控制信號迅速減小,離合器的充油流量也逐漸減小;在～階段，離合器摩擦副完全消除，電磁閥的控制輸入信號調整為，使得減壓閥輸出壓力剛好等于預充油結束時期望的壓力，從而隨后的緩沖升壓階段離合器油壓可以平穩上升。預充油階段主要的控制參數就是充油時間Δ以及預充油結束時刻電磁閥的輸入信號大小。

3 濕式離合器充油控制研究

基于MATLAB/Simulink進行濕式離合器充油過程的仿真分析，比例電磁閥輸入信號如圖10所示。接下來將研究不同影響因素對離合器整個充油過程中油壓上升的影響規律，從而得出各影響因素對離合器預充油的影響，為離合器預充油控制方法提供理論基礎。

圖10 比例電磁閥控制信號輸入

3.1 潤滑油溫度對充油過程的影響

隨著溫度的升高，油液的黏度逐漸降低。由式(13)可知在離合器的充油過程中，隨著溫度升高，油液黏度降低，增大，離合器充油速度增大。如圖11所示：當油溫為70 ℃時，離合器預充油控制未出現較大的油壓波動；當油溫為100 ℃時，控制油黏度降低，離合器充油流量增大。在電磁閥輸入電流減小之前，離合器摩擦副間隙已經消除，而此時充油流量較大，因此導致油壓急劇上升，出現了離合器預充油過度的情況。隨后電流較小，離合器又回到正常的充油規律；而當油溫降至40 ℃時，控制油黏度增大，離合器的充油流量降低，在預期的預充油時間內，離合器摩擦副間隙并沒有完全消除，預充油不足的情況發生。在電磁閥輸入電流減小之后離合器充油流量迅速降低，即使隨后電磁閥電流增大，離合器的充油流量增長緩慢，直到=0.392 s離合器摩擦副間隙才完全消除，而此時比例電磁閥電流較大，離合器油壓迅速上升并出現震蕩，隨后離合器油壓按照正常的油壓曲線上升。

圖11 溫度對離合器充油過程的影響

3.2 回位彈簧剛度和預壓縮量對充油過程的影響

在制造和裝配過程中，并不能保證同一批次離合器的回位彈簧剛度和預壓縮量完全一致。回位彈簧剛度的大小和預壓縮量的大小則會影響到離合器活塞開始運動的離合器油壓大小，以及對應的預充油結束的油壓大小。

從圖12和圖13可知，隨著回位彈簧剛度和預壓縮量的增大，在=0.225 8 s活塞開始移動時對應的離合器油壓增大，在期望的預充油過程結束時，真實離合器預充油過程并未完成，預充油不足的情況出現。在緊接著的緩沖升壓階段，離合器實際壓力小于預期離合器油壓，此時離合器繼續預充油過程，但是充油流量較小，直到=0.384 3 s(回位彈簧剛度增大)和=0.393 9 s(預壓縮量增大)才完成真實離合器預充油過程。

圖12 回位彈簧剛度對離合器預充油的影響

圖13 回位彈簧預壓縮量對離合器預充油的影響

而在回位彈簧剛度和預壓縮量減小時，在期望的預充油結束之前離合器預充油過程就已經完成，回位彈簧剛度減小情況下用時0.331 9 s，回位彈簧預壓縮量減小情況下用時0.330 4 s，導致預充油過度的情況出現。離合器回位彈簧剛度和預壓縮量的改變對離合器預充油過程有著顯著影響，因此，對于離合器預充油過程的控制需要考慮回位彈簧剛度和預壓縮量的影響。

3.3 摩擦副間隙變化對充油過程的影響

隨著離合器的使用，也不可避免地伴隨著離合器的磨損，使得摩擦副間隙逐漸增大。隨著摩擦副間隙的增大，理論上離合器預充油階段所需的充油體積以及結束時刻離合器油壓都增大。

如圖14所示，摩擦副間隙較小時，離合器預充油階段所需的充油體積較小，在預充油控制參數相同的條件下，率先完成離合器預充油，離合器油壓在=0.326 5 s時迅速增大，出現預充油過度的情況。隨后在比例電磁閥電流減小后，離合器油壓又隨之減小到期望的預充油結束油壓。而摩擦副間隙較大時，預充油階段所需的充油體積較大，在預期預充油結束時刻，離合器摩擦副間隙未完全消除，在緩沖升壓階段離合器繼續進行預充油階段的充油過程，導致離合器真實油壓不能響應目標離合器油壓，出現離合器預充油不足的現象。直到=0.403 5 s離合器真實預充油過程結束，離合器充油流量較大，導致離合器油壓出現較大波動，隨后離合器真實油壓響應目標油壓逐漸增大。

圖14 摩擦副間隙對離合器預充油的影響

4 結論

建立了濕式離合器充油過程的數值模型，并通過臺架實驗驗證了模型的正確性，研究了離合器充油流量與離合器升壓特性之間的關系，明確了離合器接合過程中不同階段的充油流量需求。離合器預充油階段需要較大的充油流量，以縮短充油時間；而在緩沖升壓階段離合器的充油流量較小以滿足離合器油壓緩慢上升的要求。同時給出了液壓閥控離合器的預充油控制方法。另外，研究了油液溫度、回位彈簧剛度和預壓縮量以及摩擦副間隙對離合器預充油影響規律，為離合器充油過程的參數匹配與優化提供了理論基礎。