包科杰，李 峰

（1.襄陽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 襄陽 441021；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

1 引言

車輛起步時，離合器結(jié)合過程處于滑摩狀態(tài)下時，摩擦轉(zhuǎn)矩會有較大波動。起步意圖的不同，造成油門開度和變換速率的差異，使得離合器的結(jié)合速度差異較大，進(jìn)而對傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動和使用壽命造成重大的影響[1]。離合器理想的結(jié)合過程是平穩(wěn)且滑摩功較少，其最優(yōu)控制就是以在合理的沖擊度下使滑摩功最小。因此，對不同起步意圖對離合器的結(jié)合過程影響開展研究，具有重要的應(yīng)用價值。

國內(nèi)外學(xué)者開展一定研究：文獻(xiàn)[2]針對離合器過渡過程的平穩(wěn)性和接合元件熱負(fù)荷進(jìn)行分析，以此作為指標(biāo)開展換擋品質(zhì)評價；文獻(xiàn)[3]基于AMESim建立整個傳動系統(tǒng)的動態(tài)模擬仿真模型，分析換檔過程中的不同影響因素及規(guī)律；文獻(xiàn)[4]通過識別汽車行駛環(huán)境和駕駛員意圖，對控制參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)整，實現(xiàn)差異化的換檔控制；文獻(xiàn)[5]建立了基于系統(tǒng)控制和人機(jī)交換的換擋模型，提升控制模型分析的精準(zhǔn)度。

根據(jù)自動變速箱的結(jié)構(gòu)特點，針對離合器結(jié)合過程進(jìn)行分析，建立離合器結(jié)合過程的數(shù)學(xué)模型和動力學(xué)模型，建立影響車輛換擋品質(zhì)的評價指標(biāo)對離合器結(jié)合過程進(jìn)行評價；基于Simu?link建立離合器結(jié)合過程的分析模型；基于以上模型，采用Mat?lab/RWT 和NI-PXI系統(tǒng)建立整個系統(tǒng)的實時仿真系統(tǒng)模型；分析不同算法和步長對實時仿真結(jié)果的影響，獲取最優(yōu)步長設(shè)計；分析緩起步、正常起步和急起步等三種不同的起步意圖對離合器結(jié)合過程的影響規(guī)律，為設(shè)計提供參考依據(jù)。

2 離合器結(jié)合過程動力學(xué)模型

2.1 自動變速箱模型

所研究自動變速器主要由液力變矩器，緩速器，離合器，行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和液力控制系統(tǒng)組成[6]。變速器三維圖剖視圖，如圖1所示。

圖1 變速器三維圖剖視圖Fig.1 3D Sectional View of the Transmission

通過結(jié)合不同檔位的離合器或制動器，使不同的行星排參加工作，改變其動力的傳遞路線，就可以實現(xiàn)不同的檔位[7]。自動變速器的傳動結(jié)構(gòu)簡圖，如圖2所示。選擇某一檔位時，只需閉合相應(yīng)的離合器就可實現(xiàn)相應(yīng)的檔位。

圖2 自動變速器傳動結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic Diagram of Automatic Transmission Structure

2.2 離合器結(jié)合過程動力學(xué)模型

車輛起步時離合器結(jié)合分三個過程：

（1）主從動片完全分離狀態(tài)，此時離合器不傳遞扭矩；

（2）主從動片滑摩狀態(tài)，此時離合器主從動片有轉(zhuǎn)速差，以動摩擦的形式傳遞扭矩[8]；

（3）主從動片完全結(jié)合狀態(tài)，此時離合器主從動片轉(zhuǎn)速相同，以靜摩擦的形式傳遞扭矩。在上述三個階段中，離合器片完全分離狀態(tài)、離合器片完全結(jié)合狀態(tài)下傳遞扭矩不會出現(xiàn)大的波動，是處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)；而在離合器片滑摩狀態(tài)下摩擦轉(zhuǎn)矩會有較大波動。

在車輛起步時，是通過離合器摩擦片結(jié)合來將動力傳遞到驅(qū)動輪上[9]。車輛傳動系統(tǒng)中包含多個環(huán)節(jié)，為了對離合器進(jìn)行更好地分析，需要將傳動過程進(jìn)行一定的簡化。其簡化后的動力學(xué)模型，如圖3所示。

圖3 離合器滑摩狀態(tài)模型Fig.3 Model of Clutch Slipping State

可建立如下模型：

輸入軸：

輸出軸：

完全結(jié)合時的模型，如圖4所示。

圖4 離合器完全結(jié)合狀態(tài)模型Fig.4 Clutch Fully Engaged State Model

可建立如下模型：

2.3 離合器結(jié)合過程評價指標(biāo)

車輛的換擋品質(zhì)就可從沖擊度和滑摩功兩個方面來評價[10]。

2.3.1 沖擊度

車輛沖擊度定義為j，它可以用車輛的加速度變化率來表示，這樣可以把其他因素，如路狀況、車速大小等因素排除在外。其表達(dá)式為：

對于某一具體車而言，其中自動變速器傳動比ig、液力變矩器轉(zhuǎn)速比i0、摩擦片間摩擦因數(shù)μ、摩擦副個數(shù)z、摩擦片有效作用半徑Rc、s、動力傳遞系統(tǒng)效率ηT、摩擦片與從動片的初始間隙δ、轉(zhuǎn)矩M、輪胎半徑r都是定值，故沖擊度j只會隨離合器工作壓力變化變化而改變，要實現(xiàn)對離合器沖擊度的控制，只需對離合器工作油壓進(jìn)行控制[11]。

2.3.2 滑摩功

滑摩功是由于離合器的主動從片有轉(zhuǎn)速差，導(dǎo)致摩擦產(chǎn)生的大量熱。它反映了離合器結(jié)合過程中機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱量的多少，滑摩功越大表明產(chǎn)生的熱量也就越多，摩擦片的溫升也就越厲害，摩擦片的受損也就越嚴(yán)重[10]。離合器的滑摩功主要產(chǎn)生于起步階段、滑摩階段、趨于同步階段。其表達(dá)式為：

式中：t—離合器結(jié)合時間；Tc—結(jié)合力矩；（ωe-ωc）—主從動片角速度差。

分析上式可知，可合理控制離合器結(jié)合時間、結(jié)合力矩（與工作油壓有關(guān)）、主從動片轉(zhuǎn)速差來控制滑摩功的大小[12]。

2.4 基于Simulink離合器動力學(xué)建模

基于Simulink建立離合器系統(tǒng)模型，如圖5所示。

圖5 離合器系統(tǒng)Simulink 模型Fig.5 Simulink Model of the Clutch System

圖中模型包含有發(fā)動機(jī)模塊、滑摩狀態(tài)模塊、同步狀態(tài)模塊、邏輯判斷模塊、油壓模塊、離合器扭矩計算模塊、沖擊度模塊、滑摩功模塊等。

3 基于Matlab/RWT和NI-PXI的實時仿真系統(tǒng)

3.1 實時仿真系統(tǒng)建立

PXI系統(tǒng)可以連接到任何一種PC機(jī)上且可以擴(kuò)展各種I/O模塊。PXI系統(tǒng)由三個基本部分組成：機(jī)箱，系統(tǒng)控制器和模塊，如圖6所示。

圖6 NI PXI系統(tǒng)組成Fig.6 NI PXI System Component

打開建立好的Simulink仿真模型，設(shè)置仿真開始時間、結(jié)束時間、仿真方法等，注意仿真步長設(shè)定為定步長；將Simulink模型編譯成C語言代碼，并導(dǎo)入labview 系統(tǒng)中。參數(shù)設(shè)置完成后將labview程序部署到PXI平臺進(jìn)行實時仿真。

3.2 步長對分析結(jié)果的影響

采用simulink 定步長連續(xù)算法中的ode3 和ode4 來進(jìn)行計算。其中，ode3是Bogacki和Shampine 相組合的低階算法，用于解決非剛性問題，在允許誤差方面及稍帶剛性問題上效率較高；ode4的精度比較高[13]。

使用ode3、ode4算法中三種不同步長所進(jìn)行的離合器系統(tǒng)摩擦片滑摩功實時仿真結(jié)果放大曲線圖，如圖7所示。

圖7 不同算法實時仿真結(jié)果Fig.7 Real-Time Simulation Result of Different Algorithm

由圖可以看出，由于單位時間內(nèi)采集點次數(shù)的增加，離合器結(jié)合過程產(chǎn)生滑摩功結(jié)果有一定誤差。當(dāng)同種算法步長不同時，所得計算結(jié)果也有所不同，步長越小計算結(jié)果越準(zhǔn)確，但計算量有很大增加，因此應(yīng)該在滿足誤差允許的范圍內(nèi)盡量的減小計算量。由圖7可以看出，步長e3的誤差較大，而e4與e5的結(jié)果相差不大，因此，應(yīng)選擇步長為e4。相同步長ode3和ode4算法比較，如圖8所示。

圖8 相同步長不同算法比較Fig.8 Comparison of Different Algorithm for Phase Synchronization

圖中為相同步長情況下采用ode3與ode4兩種不同算法的情況下離合器結(jié)合過程產(chǎn)生滑摩功的比較。由圖中可以看出，不同的算法對實時仿真結(jié)果有一定的影響，因此要根據(jù)各自算法的特點、仿真性能與適應(yīng)范圍，正確選擇算法，以得到最佳仿真效果。

4 起步意圖對離合器結(jié)合過程影響

起步意圖的差異反應(yīng)在節(jié)氣門開度節(jié)氣門開度α及其變化率dα/dt。按照駕駛員的起步意圖不同可分為緩起步、正常起步和急起步。

4.1 緩起步

在駕駛員緩起步意圖下，節(jié)氣門開度較小且變化率也較小，此處設(shè)置油門開度α為20%，油門開度變化率dα/dt為30%，獲得離合器結(jié)合曲線，如圖9所示。緩起步設(shè)置下的摩擦片角速度變化曲線圖，如圖9（a）所示。緩起步設(shè)置下的摩擦片滑摩功變化曲線圖，如圖9（b）所示。緩起步設(shè)置下摩擦片沖擊度變化曲線圖，如圖9（c）所示。從圖9（a）中可看出在小油門開度下，離合器結(jié)合時間為2.3s，摩擦片結(jié)合角速度為52rad/s，由此可以看出離合器摩擦片結(jié)合角速度很小且變化很快，發(fā)動機(jī)在此轉(zhuǎn)速下傳遞的扭矩不高，不能克服摩擦阻力而導(dǎo)致離合器的轉(zhuǎn)速不斷下降。這與現(xiàn)實中在小油門下，離合器結(jié)合過快會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)“熄火”是一致的。由圖9（b）知，在小油門開度下離合器摩擦片角速度差較小，結(jié)合時間也較短，由式（6）可知摩擦片滑摩功的大小與結(jié)合時間及角速度差的大小有關(guān)，因此小油門開度下產(chǎn)生滑摩功也較小。對比圖9（c）對比圖9（a）可知，整個過程中，隨著從動片角速度變化，摩擦片的沖擊度先增加后減小，最大值為6.12m/s，小于國際標(biāo)準(zhǔn)10m/s滿足要求。

圖9 離合器結(jié)合曲線變化Fig.9 Change of Clutch Engagement Curve

4.2 正常起步

在駕駛員正常起步意圖下，節(jié)氣門開度及變化率都有所增大，此處設(shè)置油門開度α 為40%，油門開度變化率dα/dt為40%，獲得離合器結(jié)合曲線，如圖10所示。

圖10 離合器結(jié)合曲線變化Fig.10 Change of Clutch Engagement Curve

4.3 急起步

在駕駛員急起步意圖下，節(jié)氣門開度較大且變化率也較大，此處設(shè)置油門開度α為80%，油門開度變化率dα/dt為40%，獲得離合器結(jié)合曲線，如圖11所示。

急起步設(shè)置下的摩擦片角速度變化曲線圖，如圖11（a）所示。急起步設(shè)置下的摩擦片滑摩功變化曲線圖，如圖11（b）所示。急起步設(shè)置下的摩擦片沖擊度變化曲線圖，如圖11（c）所示。

由圖11（a）中可以看出，在急起步情況下摩擦片角速度變化率較小，離合器結(jié)合時間為4.25s，結(jié)合角速度為220rad/s，發(fā)動機(jī)在此轉(zhuǎn)速下能夠傳遞較大扭矩，克服復(fù)雜路況的大阻力進(jìn)行起步。

圖11 離合器結(jié)合曲線變化Fig.11 Change of Clutch Engagement Curve

由圖11（b）可知在急起步情況下，離合器摩擦片結(jié)合角速度及結(jié)合時間都有了很大的增加，因此結(jié)合過程中產(chǎn)生的摩擦功也增大很多。由圖11（c）中可以看出，整個過程中，隨著從動片角速度變化，摩擦片的沖擊度先增加后減小，最大值為7.2m/s，稍大于緩起步情況，但小于國際標(biāo)準(zhǔn)的10m/s滿足要求。

5 結(jié)論

（1）對于所研究的離合器結(jié)果過程，步長e3的誤差較大，而e4與e5的結(jié)果相差不大，e4與實際結(jié)果更為接近，因此，應(yīng)選擇步長為e4進(jìn)行實時分析；

（2）不同起步意圖的結(jié)合過程中，急起步階段摩擦片沖擊度最大值為7.2m/s，稍大于緩起步情況，但小于國際標(biāo)準(zhǔn)的10m/s滿足要求；

（3）隨著油門開度和油門變化率的逐漸增大，離合器結(jié)合角速度和結(jié)合時間都有所增大，結(jié)合過程產(chǎn)生的滑摩功也不斷增多。