某款轿车AMT离合器起步模糊控制仿真

2012-07-09 02:32王德伦张振珠

兵器装备工程学报 2012年10期

王德伦，李伟，张振珠

(重庆理工大学重庆汽车学院，重庆 400054)

随着我国经济的发展，各大城市机动车保有量迅速增加，道路拥挤状况日趋严重，堵车跟随情况时有发生，尤其是对于多坡道的“山城”重庆来说，离合器起步控制显得更为重要。

起步控制是机械式自动离合器技术的一个难点，他要求汽车起步平稳快捷，冲击度小，能反映驾驶员意图，并尽量减少离合器滑磨功，延长离合器使用寿命。起步的平稳性和离合器滑膜是2 个矛盾的指标，如果过分降低离合器的结合速度，滑磨功将增加，从而降低离合器的使用寿命;如果离合器结合过猛，就会破坏起步的平稳性，还会引起发动机转速波动，产生噪音。可见控制起步时间尤为重要，他是达到令人满意的起步控制效果的关键。

1 车辆离合器接合过程分析

理论上可将离合器的接合过程分为4 个阶段:消除离合器间隙阶段(OA)、克服起步阻力阶段(AB)、起步加速阶段(BC)和同步接合阶段(CD)，如图1 所示。其中:MC为摩擦力矩;ne为离合器主动片转速;nc为离合器从动片转速。

图1 正常起步时各矢量关系

在实际控制过程中，由于只能通过检测离合器的半接合点来判断车辆是否已经起步，因此可按控制策略将离合器接合过程分为3 个阶段。

1)起步前的快速接合阶段(OB)

由于此阶段主要是消除离合器空行程和克服起步阻力，因此应快速接合离合器。该阶段的控制目标是反映驾驶员的起步意图并根据起步意图确定可接受的最大冲击度。通过控制算法，将换算后的值直接作为电机的驱动电压值。该值大则离合器接合速度快。这样，离合器的接合速度可随驾驶员的起步意图而变。

2)起步加速阶段(BC)

这是离合器接合控制的重点，此阶段初期的控制目标是使车速平缓上升至某一设定值，以减小起步初期的冲击。根据OB 段所确定的最大冲击度值，通过控制算法计算出控制周期内电机正反向运转的时间和电压值，使电机正反向间歇运转，从而控制离合器的接合速度，使该值始终不超过目标值。

3)同步接合阶段(CD)

因离合器主从动摩擦片已经同步，因此快速接合离合器也不会引起冲击，所以在该阶段，对电机施加反向驱动电压，使离合器在电机驱动力和回位弹簧的双重作用下快速接合，从而完成离合器的整个接合过程。

2 自动离合器模型建立

对机械式自动变速系统来说，使自动离合器的动态过程达到并超过熟练驾驶员油离配合的水平也是追求的目标之一。要实现这个目标，就必须分析离合器动态过程的特性。图2 为自动离合器原理。

图2 动离合器原理

在离合器控制系统中，用2 个膜片弹簧摩擦片连接发动机与变速箱来实现扭矩的传输。为便于对自动离合器进行动态分析以及进行控制器设计，首先建立自动离合器模型，将该离合器控制系统分为3 部分:无刷直流电动机模型、带有机械执行机构的离合器模型以及动力传动系统模型。

2.1 无刷直流电动机模型

直流无刷电机的机械特性方程为

式中:n 为电机转速;U 为电源电压;ΔU 为功率管管压降(约0);Ke为电动势系数;Ta为电动机产生的电动转矩平均值;Kr为转矩系数。

由式(1)可知，当负载一定时，转速与加在电枢上的端电压成正比，因此可通过控制电枢电压来控制电机转速，进而控制离合器的接合速度。而电机的正反转则通过控制定子绕组的换相次序来实现。

2.2 离合器执行机构建模

离合器及其执行机构可简化为如图3 所示的杠杆、弹簧和质量系统。其中，膜片弹簧简化为压盘及分离轴承之间的杠杆、弹簧、阻尼系统和弹簧阻尼系统的组合。膜片弹簧在离合器中起着分离杠杆和压紧弹簧的作用。同时，其特殊的非线性特性在从动盘摩擦片磨损后，仍能可靠地传递转矩，并使踏板操纵轻便。

图3 离合器及操作机构

膜片弹簧小端的非线性弹性特性曲线经拟合后可表示为该端变形量x 的4 次函数，即

如图4 所示。

电动机机械角位移θm和离合器分离轴承位移x1之间的传递关系为

其中:lpl、lps分别为踏板杠杆长端和短端的长度;lal、las分别为传动臂杠杆长臂和短臂的长度;z、z'分别为蜗杆和蜗轮的齿数;r 为绕链轮的半径。

图4 离合器膜片弹簧特性曲线

2.3 动力传动系统

汽车起步时，动力传动系统可进行简化，如图5 所示。图5 中:Tw为空气阻力矩;Ti为坡度阻力矩;Tf为滚动阻力矩;rw为车轮半径;ig(n)为n 档传动比;i0为主减速比。

图5 车辆动力传动系统示意图

根据动力学原理，建立汽车起步过程中，动力传动模型系统的运动微分方程为:

式中:Te为发动机输出转矩;Tc为离合器传递的摩擦力矩;Tm为由Tw、Ti、Tf等效而来的阻力矩;We为发动机曲轴角速度;Wc为离合器从动片角速度;Je为发动机转动惯量;Jv为等效到变速器输入轴上的车辆平动转动惯量。

汽车起步过程中所受到的外界阻力矩为

2.4 发动机输出转矩模型

发动机输出转矩曲线是发动机节气门开度和发动机转速的函数。在一定的节气门开度下，发动机输出转矩曲线可由试验数据通过3 次样条插值拟合达到满意的精度。图6是根据发动机试验数据及应用范围绘制出的节气门开度、发动机转速和输出转矩关系。

图6 发动机输出转矩关系

3 实例仿真分析

以力帆某轿车为研究对象，该车的主要参数见表1。在以上数学模型的基础上，利用Matlab/Simulink 仿真软件建立汽车起步离合器接合过程仿真模型，如图7 所示。

现进行不同工况的起步仿真，其中包括在不同路况、不同油门开度下的起步仿真。图8 ～图10 为3 组仿真结果曲线。

由图8 可以看出:在上坡起步过程中，驾驶员踩油门的力度直接影响离合器的结合时间和平稳时的发动机转速。车辆开始起动以后，由于上坡坡道阻力较大，车辆加速缓慢，致使离合器同步时间较长，滑摩功也较大。其中缓加油门时，3 s 后转速保持在560 rad/min，甚至有下滑的趋势。可见，上坡缓加油门起步，可能导致汽车熄火。从图9 可以看出:汽车平路起步仿真中，驾驶员缓加油门时，缓加油门离合器在1.5 s 时结合，且结合后转速能很快达到目的转速(1 000 rad/min)，波动小，所以平路起步时应尽量缓加油门。图10 中，在汽车下坡时，通过缓加油门起步与速加油门起步比较可知:驾驶员缓加油门时，离合器结合时间会延迟到1.7 s，结合后转速出现小波动，发动机转速变化比较大，汽车不能平稳起步，所以下坡起步时，驾驶员应尽量速加油门。