劉欣，高立程，方家寶

(大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連116024)

0 引言

城市客車的起步、停車以及加減速都非常頻繁，對于一般使用人工操縱離合器的客車來說，駕駛員平均每天需要踩離合器2 000 次以上［1］，勞動強度很大，且分散了注意力。同時，離合器操作時機的把握需要一定的駕駛經(jīng)驗和技巧，不恰當(dāng)?shù)牟僮鲿斐蓻_擊，增大離合器的磨損，增加油耗，從而降低了乘客乘坐的舒適性，車輛故障率升高，使用壽命縮短。采用自動離合器，可以減少駕駛員的工作量，同時在最佳結(jié)合規(guī)律的控制下還可以有效地減少沖擊，提高乘坐舒適性。目前自動離合器已廣泛應(yīng)用于微型車和轎車等小型汽車，但在客車上應(yīng)用還不多。

1 方案選擇

自動離合器是在原有的干式摩擦離合器及其操縱機構(gòu)的基礎(chǔ)上改造而成的，通過電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)控制液壓、氣動或電動執(zhí)行機構(gòu)，完成對車輛離合器的自動操縱。系統(tǒng)保留了原有的離合器踏板，將自動離合器的執(zhí)行機構(gòu)與原有的人工離合器操縱機構(gòu)并聯(lián)安裝，可以由駕駛員選擇使用自動或手動控制。目前，按照執(zhí)行機構(gòu)動力源的不同，自動離合器的執(zhí)行機構(gòu)主要有電控電動(全電式)、電控液動和電控氣動三種類型［2］。

電控電動離合器執(zhí)行機構(gòu):完全由直流電機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，成本較低，但直流電機受負(fù)載影響較大，適用于微型車和轎車等小型汽車，而對于客車這種離合器分離力較大的大型汽車來說不太適用。

電控液動離合器執(zhí)行機構(gòu):由電控單元控制電磁閥，從而控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動離合器的動作，響應(yīng)快，控制精度高，在高檔轎車上應(yīng)用較廣。但液壓系統(tǒng)存在著受溫度影響較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高等缺點。

電控氣動離合器執(zhí)行機構(gòu):由電控單元控制單元閥，通過控制氣缸的動作來操縱離合器的分離與結(jié)合，具有結(jié)構(gòu)簡單，無污染，成本低等優(yōu)點，適用于裝有氣壓系統(tǒng)的大型客車和重型汽車。但氣動系統(tǒng)控制精度低，響應(yīng)慢，增加了控制的難度。

綜合考慮以上三種方式的優(yōu)缺點以及客車自身的特點，筆者提出了一種新的自動離合器執(zhí)行機構(gòu)，即電控氣壓助力式離合器執(zhí)行機構(gòu)，將直流電機驅(qū)動的電動執(zhí)行機構(gòu)與氣壓助力結(jié)合起來，既有電動系統(tǒng)便于控制的優(yōu)點，又充分利用了客車自身的氣壓系統(tǒng)為操縱提供助力。

2 執(zhí)行機構(gòu)原理

電控氣壓助力式離合器執(zhí)行機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。該執(zhí)行機構(gòu)主要由直流減速電機1、螺桿2、螺母3、活塞桿5、助力氣缸6、回位彈簧7、推桿8、儲氣瓶12 等組成。

直流減速電機1 為主要動力源，直流電動機具有良好的起動與調(diào)速性能，減速齒輪箱則起到減速增矩的作用，這里可以直接選用合適的直流減速電機，也可根據(jù)需要設(shè)計制造減速齒輪配合直流電機使用。助力氣缸6 內(nèi)部的活塞與活塞桿5 連接為一個整體，活塞桿5 為中空管狀結(jié)構(gòu)，它與螺桿2 沒有接觸，從而使活塞桿5 的左右移動和螺桿2 的轉(zhuǎn)動互不干涉。

當(dāng)需要離合器分離時，直流減速電機1 在ECU 的控制下正轉(zhuǎn)，并通過聯(lián)軸器驅(qū)動螺桿2 旋轉(zhuǎn)，螺桿2 的旋轉(zhuǎn)帶動螺母3在導(dǎo)桿4 限制下平行右移。活塞桿5 左端與螺母3 接觸，在螺母3 右移的推動下，活塞桿5 連同活塞也向右移。同時，進(jìn)氣閥在ECU 控制下開啟，儲氣瓶12 內(nèi)的高壓氣進(jìn)入助力氣缸6推動活塞右移。助力氣缸6 內(nèi)的回位彈簧7 有預(yù)壓緊力，在螺母3 和高壓氣的共同作用下，活塞克服回位彈簧7 向右移動，推動與活塞接觸的推桿8 右移，從而推動撥叉9 來完成膜片彈簧離合器10 的分離。

當(dāng)需要離合器接合時，在ECU 的控制下，直流減速電機1反轉(zhuǎn)，螺母3 平行左移。同時，進(jìn)氣閥關(guān)閉，在回位彈簧7 的作用下，活塞向左移動。由于離合器為拉式膜片彈簧離合器，在膜片彈簧的作用下，離合器回到接合狀態(tài)。

3 離合器接合品質(zhì)的評價指標(biāo)

離合器接合品質(zhì)的好壞通常由以下兩個指標(biāo)來進(jìn)行評價［3］:

(1)沖擊度j

沖擊度是以車輛縱向加速度的變化率來表征的，即j =da/dt。沖擊度與車輛本身特性和離合器的接合速度有關(guān)，在車輛本身特性確定的情況下，主要通過控制離合器的接合速度來控制沖擊度，接合速度越慢，沖擊度越小，乘坐舒適性越好。

(2)滑磨功W

當(dāng)摩擦離合器接合時，主、從摩擦元件要經(jīng)歷從轉(zhuǎn)速不等到一致的滑磨過程?；鼓Σ疗p，引起壓盤、飛輪等零件的溫度升高，而摩擦表面溫度過高又進(jìn)一步加劇摩擦片磨損，降低離合器的使用壽命。離合器滑磨的嚴(yán)重程度常用滑磨功的大小來衡量。離合器的滑磨功是指離合器接合過程中有多少機械能轉(zhuǎn)化為熱能。滑磨功的大小與離合器接合過程的時間長短有關(guān)，接合過程越長，滑磨功越大，車輛功率損失越大，離合器磨損越嚴(yán)重。

由此可見，沖擊度和滑磨功這兩項評價指標(biāo)相互矛盾，相互制約，需要綜合考慮，才能達(dá)到令人滿意的效果。

4 起步時的離合器控制策略

客車起步時的離合器的接合控制是離合器自動控制的關(guān)鍵和難點。起步控制不僅要求滿足起步過程中客車的平順性要求，即降低沖擊度，還要減少離合器的滑磨。平順性和滑磨功是兩個矛盾的指標(biāo)，如何使這兩個指標(biāo)在各種行駛環(huán)境下都能達(dá)到令人滿意的效果是客車起步過程中離合器控制的關(guān)鍵。

客車起步時的離合器接合過程可分為4 個階段［4］，如圖2所示，其中Tc為離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩，Tf為阻力矩，ωe為離合器主動部分轉(zhuǎn)速，ωc為離合器從動部分轉(zhuǎn)速。

(1)時間從0 到t1:空行程階段，離合器雖然在接合，但主、從動盤并未接觸，無轉(zhuǎn)矩傳遞，這一階段應(yīng)盡可能短，以縮短起步時間。

(2)時間從t1到t2:離合器主、從動盤開始接觸，但離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩Tc還不足以克服最大滾動阻力矩Tf，離合器從動部分轉(zhuǎn)速ωc仍為0，即客車仍為靜止?fàn)顟B(tài)，沖擊度為0，但離合器進(jìn)入滑磨狀態(tài)，這一階段應(yīng)盡可能短，以減小滑磨功。

(3)時間從t2到t3:離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩Tc大于最大滾動阻力矩Tf，ωc＞0，即客車開始運動，t2時刻為離合器半接合點。此階段客車的沖擊度主要取決于離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的變化率，而轉(zhuǎn)矩的變化率正比于離合器的接合速度，為使客車起步平穩(wěn)，減小沖擊度，此階段應(yīng)緩慢接合，但時間過長會增加滑磨功，因此，需要在減輕沖擊度與減少滑磨功之間找一個合適的折中點，即在滿足舒適性的前提下，盡量提高離合器的接合速度。

(4)時間為t3以后:離合器主、從動盤已經(jīng)同步，離合器滑磨停止，此階段的接合速度對沖擊度和滑磨功沒有影響，從縮短起步時間考慮，此階段應(yīng)盡可能短。

綜上所述，客車起步時，在到達(dá)離合器半接合點之前，離合器應(yīng)快速接合，在離合器主、從動盤同步后，離合器亦應(yīng)快速接合，而在中間階段，離合器應(yīng)以適當(dāng)?shù)乃俣冉雍?，以滿足舒適性和減少滑磨功的要求。

5 換擋時的離合器控制策略

客車換擋時要求換擋過程應(yīng)能迅速完成，以減少因換擋期間輸入功率的中斷所引起的動力損失;離合器的分離應(yīng)該迅速徹底，否則影響摘擋和換擋的速度;離合器的接合應(yīng)該平穩(wěn)迅速，即在不引起沖擊的情況下快速接合。

所以，客車換擋時的控制策略為:迅速分離離合器，并調(diào)節(jié)換擋期間發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，以減小離合器接合時主、從動部分的轉(zhuǎn)速差，使主、從動部分轉(zhuǎn)速基本相同，這樣就可以使接合時沖擊度降至最低，并基本避免了離合器的滑磨階段，接合后再恢復(fù)發(fā)動機扭矩［5］。

6 結(jié)論

針對客車的特點，提出了電控氣壓助力式離合器執(zhí)行機構(gòu)，為自動離合器在客車上的應(yīng)用提供了一種新的思路。通過探討離合器的控制策略，為進(jìn)一步的實驗研究打下了基礎(chǔ)。

【1】鄭方明，鄧衛(wèi)東，黃榮英，譚道梅. AMT 自動換擋變速器在大客車上的應(yīng)用［J］.客車技術(shù)，2004(4):15 -16.

【2】柳承軍.微型汽車自動離合器控制策略研究與原型設(shè)計［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2009.

【3】徐石安，江發(fā)潮. 汽車離合器［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2005:200 -211.

【4】許男.自動離合器接合規(guī)律及控制系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

【5】劉秋錚.AMT 離合器自適應(yīng)控制策略及執(zhí)行器系統(tǒng)開發(fā)［D］.長春:吉林大學(xué)，2006.