自动变速器电液控制离合器系统建模与仿真

支姝 百合提·努尔

摘 要：本文针对湿片式离合器接合过程中系统稳定性问题，根据离合器接合和分离特性，建立湿片式离合器系统的数学模型，运用Matlab/Simulink进行仿真分析，并与实验结果对比，证明了模型的正确性与准确性，并分析了阀体压力、离合器压力以及流量等影响。仿真结果体现了稳定的鲁棒性和相应的性能，为系统研究提供了理论依据。

关键词：自动变速器 湿片式离合器 建模 仿真

引言

汽车传动系统中自动变速器是一个非常重要的总成之一。随着电液控制系统在自动变速器的应用，使得换挡更加柔和、燃油经济性明显提高。是因为电液控制系统的电磁阀执行器具有压力高、流量大、尺寸小、成本低等优点。针对湿式离合器执行机构非线性强、稳定性等问题，以湿式离合器的执行机构为研究对象，结合湿式离合器工作特点及控制策略要求，建立一种湿式离合器执行机构电液控制模型，并通过Matlab/Simulink软件进行仿真。研究表明，仿真结果与实验结果基本一致，此外其整体变化趋势与输入电流一致。

1 湿式离合器系统建模

本文首先将要建立减压阀的动力学模型，然后要建立湿片式离合器的模型。液压控制阀是利用机械运动来控制液体动力源的装置，并在汽车系统中常当作执行器之用。一般液压控制阀有方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀三种类型。下面分别建立减压阀和湿片式离合器的动力学模型。

1.1 减压阀的动力学模型

在图1所示，三位三通减压阀是离合器的执行机构。在液压控制系统中输入压力是管道压力PY，电流I通过电磁阀时产生电磁力FM，而系统输出压力是PR。在减压阀的结构里有不同的三种压力，分别是左油室压力PC，中间油室压力PR和右油室压力PD。在液压系统工作时减压阀的中间和左右两边油室中出现压力差，并产生流量QC和QD。作用在左边油压室的作用力FC与作用在右边油压室的作用力FD之差就是反馈力FF。在这些力和电磁力的作用下滑阀移动，并控制中间油室压力PR。在通电时，电磁线圈中产生的电磁力FM大于反馈力FF，以便使柱塞向左移动并与离合器相通。在断电时，电磁线圈中的电磁力FM小于反馈力FF，以便使柱塞向右移动，并离合器与油箱相通。

反馈力FF和电磁力FM是非常重要的两个力，在这两个力的作用下阀体中的柱塞处于平衡状态。根据帕斯卡方程，液压压力转换为机械力时，用以下方程来表示：

FF=CPC-D PD （1）

式中、PC为左油室压力；PD为右油室压力；C为左边柱塞面积；D为右边柱塞面积。

利用电磁力和反馈力在左右油室中产生压力，并推动柱塞来控制输出压力，可表示为：

（2）

式中，MV为滑阀质量； X为柱塞位移； 为柱塞的速度； 为柱塞的加速度；Ke为流力弹簧率；z为阻尼系数。

要使约束柱塞在左右两边的运动，左右两边直线运动停止约束力FY可表示为：

（3）

式中，XMIN，XMAX分别为左右两边的最小与最大间隙；KP，KN分别为左右极限接触刚度；DP，DN分别为左右限制阻尼系数。

由于液压系统中常采用毛细管来稳定减压阀的压力，并在上游中采用静压轴承来限制运动。因此，在左右油管中的流动可以简化为层流。在通电和断电阶段流过油管的流量QC和QD可以表示为：

式中，rc 为左边油管道的半径；，rd为右边油管道的半径；LC，LD为油管道的长度；ε为液体的运动粘度。

左右两个油室流量连续性动态方程式可表示为：

式中，VC和VD为滑阀初始位置时的油室容积；βe为有效容积模量。滑阀向左移动时，左边油室的容积逐渐变小，而右边油室的容积逐渐变大。由式（6），（7）中可以推导出下式：

由上式可知，根据柱塞的运动可以确定QC和QD的流动方向。对于离合器和动力源、离合器与油箱相连的节流孔的流动特性建立模型，必须要考虑圆柱形滑阀产生的可变节流流动。通过节流孔的流量与节流孔的开度和节流孔截面的压差成正比。所以建模時考虑了紊流流态，流体通过节流孔时，流速提高以便导致雷诺数提高。

在通电阶段，从动力源到离合器的流量根据以下方程确定：

式中，QY为动力源流量；Cd为流量排出系数；AY（x） 为瞬时节流孔面积； b为节流槽宽度；ρ为液体密度；AL为节流孔泄漏面积；为了简化计算，AL可以忽虑不计。

在通电阶段，控制油压室的流量连续性方程式可表示为：

式中，QL为离合器活塞油室的流量；

在断电阶段，从离合器到油箱的流量可表示为：

式中，QT为流入油箱的流量；PT为油箱油压的压力。

减压阀在工作阶段的流量QL也称为排出流量，包括QL流量的方程可表示为：

从上式中可以看到QC和QD流量可以当成扰动流量来考虑，而QL流量取决于连接到减压阀输出端的负荷。

1.2 湿片式离合器的动力学模型

湿片式离合器的示意图如图1所示，离合器总成内有活塞，活塞背面的离合器片固定于输入轴上，离合器毂连接到输出上。离合器片上的摩擦表面内有有机材料，并由输入轴流入的冷却油来润滑。当离合器结合时，要考虑一个阶跃输入，并通过四个阶段来区别离合器压力，如图2所示。

1）在离合器充油过程中，压力增加并不是很明显；

2）系统压力增加超过作用于活塞回位弹簧的弹性力时，压力将会升高；

3）活塞移动到离合器片方向；

4）当压力升高到设定点值P设之后，离合器片将会重新接触。

最初离合器处于分离状态时，离合器内没有液压油流入。活塞被推回到活塞停止位置时，回位弹簧便有总的刚度K回，在这种情况下的距离用X停表示。活塞本身被认为是无质量的一个横截面A活时，作用在其上的离合器压力才能有效。离合器工作时，在第三阶段才能有活塞运动，这个时候活塞从X停移动到X接。活塞的位置可以由平衡方程来表示：

P离A活+F停=K回X活+F摩 （15）

式中，F停为活塞停止时的作用力；F摩为摩擦力。

此外，活塞上设有密封圈来密封活塞左右两边的容积。因此，活塞和离合器壳之间的泄漏可以忽略不计。摩擦力F摩是密封圈和离合器壳之间的摩擦。当离合器压力给活塞的作用力大于摩擦力与作用在活塞上的回位弹簧弹性力之和时，活塞开始向离合器片移动。这个压力用P预来表示。

离合器片接合时的压缩力F压可表示为：

F压=（P离- P接）A活 （17）

由流量连续性方程可表示为：

式中，V（t）=V0+A活X活（t）为体积变量；Kt为活塞负载弹簧的梯度

有式（18）中计算可得湿片式离合器的动力学模型为：

2 仿真结果及分析

根据所建立的减压阀和湿片式离合器动力学模型，在Matlab/Simulink 软件平台上建立电液控制离合器系统仿真模型。并且由油箱、液压油设备、三个测试回路、油液冷却加热回路、电气设备和电子控制设备组成的实验台（图3）上进行测试。该实验台压力可以调节为1-10MPa，工作温度可调为20-100C°，流量可调为10-50L/min。

图4中说明了从0至630毫安的脉冲电流表示的输入信号，并此输入电流获取电磁力。

如图5所示仿真结果，在相同条件下，滑阀仿真位移的变化比测试获得的位移变化还小；对于压力的降低，实验结果表明，仿真压力跟随实验测试压力，同时在稳定状态下仿真压力的变化幅度比实验测试压力的变化幅度低如图6所示。

如图7所示仿真结果，比较了减压阀降低的压力和流量与实验台测试获得的实际数据。图7中可以看出，离合器压力与测试获得的压力非常相似，这就说明建模误差很小。减压阀流过的流量仿真信号表明了一些因素如泄漏、管道力学等没有考虑进去。因此，在仿真信号与试验测得的流量信号之间有比较大的差异。于是从流量信号中可以看出试验测得的结果有一些负面影响，如可以测出持续的噪音，但测不出倒流流量等。图7中可以看出离合器活塞位置与第三阶段的离合器压力平稳的同步。模型的响应处在有效的试验数据范围之内。

3 结论

针对自动变速器电液控制离合器系统的结构特点，分析了其阀体压力、离合器压力以及流量，对减压阀和湿片式离合器的模型进行仿真，仿真结果表明，能满足仿真数据与实验测试数据的对比，说明了所建立的模型的正确性，能真实地仿真系统的工作过程，为电液控制离合器系统的校核、优化设计等相关分析提供一定的分析基础。

参考文献：

[1]吴光强、杨伟斌、秦大同. 双离合器自动变速器控制系统的关键技术[J]. 机械工程学报， 2007，2：13-21

[2]秦大同、陈清洪. 基于最优控制的AMT/DCT离合器通用起步控制[J]. 机械工程学报， 2011，12：85-91

[3]百合提努尔. 自动变速器换档控制液压系统的研究[J]. 机床与液压， 2015，43：138-142

[4]百合提努尔. 自动变速器离合器液压执行机构的建模与控制[J].液压与气动， 2014，9：39-42

[5]张炜、祝勇仁. 多片式湿式离合器接合过程湿振稳定性分析[J].传动技术，2014，12：13-18

[6]傅林堅.大容量高响应电液比例阀德设计及关键技术研究[D]. 浙江大学：学位论文，2010年

[7]理查德等著，杨占鹏等译.现代汽车技术[M].北京：机械工业出版社，2010年

基金项目：受新疆维吾尔自治区高校科研计划重点项目（项目编号：XJEDU2014I062）资助

作者简介：

支姝 （1982-），女，汉族，在读博士，讲师，主要研究领域为车辆工程 .