電磁滑差離合器在小型汽車無級變速中的應用研究

白日欣，董軍剛，陳淑春，馬冬來

（河北軟件職業技術學院，河北 保定 071000）

變速器作為汽車動力傳動系統的關鍵部件，是承擔放大發動機扭矩，配合引擎功扭特性，實現車速與扭矩變化的主要裝置。因此，長期以來人們一直努力研究，追求高性能、高品質的自動變速技術，不斷改進和完善汽車傳動系統。傳統汽車的傳動系統利用的是有級機械式手動變速器來實現汽車行駛速度的調節，機械式手動變速器則采用不同的齒輪搭配實現上述目的。

1 自動變速器技術現狀分析[1-2]

隨著電子技術和微處理器技術日新月異的發展，自動變速技術也發展迅速，并推動著汽車業迅猛發展。目前，國內外汽車自動變速器種類很多，主要有自動變速器AT、機械自動變速器AMT和連續變化的變速器CVT三種。

自動變速器AT是指液力變矩器加行星齒輪變速器，或固定軸式變速器增加自動變速操縱系統組成的自動變速系統。其優點是不用離合器換檔，檔位少、變速大，操作簡單，起步平穩，加速迅速均勻。但是它也存在對速度變化反應較慢，燃油消耗量大、不經濟，傳動效率低，變矩范圍有限，機構復雜，制造和修理困難及成本高等缺點。

機械自動變速器AMT是在原手動變速器基礎上應用自動變速理論和電子控制技術，通過電控單元（ECU）控制液壓裝置，來操縱有級機械式變速器的離合器和換擋桿，使離合器自動進行分離和結合。但AMT中的許多技術也存在一些問題有待完善，如換擋平穩性不高，舒適性較差；控制參量太多，實現自動控制困難；對路況、車況和駕駛意圖的適應性較差。

連續變化的變速器CVT采用傳動帶和可變槽寬的棘輪進行動力傳遞，即當棘輪變化槽寬時，相應改變驅動輪與從動輪上傳動帶的接觸半徑從而進行變速。傳動帶一般是橡膠帶、鋼帶或金屬鏈。它的優點是重量輕，體積小，結構簡單，零部件少，與AT比較具有較高的運行效率，油耗較低，實現了真正的無級變速，乘坐舒適性好。但CVT的缺點是傳遞扭矩有限，不能承受較大的載荷。

2 利用電磁滑差離合器對小型汽車無級調速的技術原理[3-5]

利用電磁滑差離合器替代手動檔汽車腳踏離合器，取消有級變速的齒輪箱，實現無級變速和傳遞扭矩，是一種新的小型汽車調速技術。其實驗原理如圖1所示。電磁滑差離合器由電樞和磁極組成，電樞是用鑄鋼（鑄鋼有很好的機械性能）制成的圓筒形結構，與發動機動力輸出軸連接，發動機動力轉矩直接傳遞給電磁離合器，并帶動電樞轉動。磁極由鐵心和勵磁繞組組成，繞組通過滑環和碳刷接直流電源，獲取勵磁電流。磁極與汽車萬向節主動軸連接。動力轉矩通過萬向節傳給汽車后橋驅動車輪轉動。

發動機帶動電樞旋轉時，當線圈中通以直流電流時，沿氣隙圓周將產生磁場，電樞切割磁極的磁感應線，在電樞內感應出渦流，渦流再與磁極相互作用產生轉矩，推動磁極跟隨電樞旋轉，磁極軸與汽車萬向節主動軸連接從而帶動車輪轉動。電磁滑差離合器磁極軸的轉速必須低于電樞轉速，這樣電樞才能與磁極由相對運動而產生渦流和電磁轉矩，并承擔汽車驅動負載。磁極輸出軸轉速愈低，與電樞的轉速差愈大，感生的渦流和電磁轉矩也愈大。在某一負載下，電磁滑差離合器與汽車發動機轉速有一對應的輸出軸轉速。此時，電磁轉矩與汽車驅動負載轉矩平衡。調節勵磁線圈中的直流電流大小而改變氣隙磁通，則電樞中的感生渦流和產生的電磁轉矩也將改變，于是破壞了兩種轉矩的平衡，電磁離合器輸出軸就將自動改變轉速，使得在新的轉速下電磁轉矩與汽車負載轉矩再次平衡，從而實現在同一負載下改變輸出軸轉速進而改變汽車行駛速度的無級調速的目的。

顯然，離合器的磁極勵磁電流等于零時，磁極沒有磁通，電樞不產生渦流，車輪不會轉動；當對磁極加上勵磁電流時，磁極即刻轉動起來，車輪主動軸也會轉動起來。當從動部分的車輪主動軸帶有一定的負載轉矩時，勵磁電流的大小便決定了磁極軸轉速的高低。勵磁電流愈大，轉速愈高，車速愈快；反之，車速愈慢。勵磁電流的大小在一定范圍內可平滑調整，這樣就實現了汽車無級變速。另外，汽車發動機轉速為零時，電樞不會旋轉，電磁離合器也不會帶動汽車傳動軸轉動，汽車就不會行駛。而在磁極勵磁電流一定時，汽車發動機轉速的變化也會影響電磁滑差離合器磁極輸出軸的轉速，結果也會使汽車行駛速度發生無級連續的變化。動力轉矩傳動示意圖見圖2。

圖2 動力轉矩傳遞示意圖

3 電磁滑差離合器機械特性分析[4-5]

通過測試，電磁滑差離合器的機械特性較軟，見圖3。

圖3 離合器的機械特性

圖中特性曲線表示的是在不同的勵磁電流下電磁滑差離合器磁級軸的轉速n與轉矩T的關系。電磁離合器的理想空載轉速n1就是汽車發動機的轉速。改變勵磁電流的大小，就改變了磁通的強弱，這一原理與異步電動機改變定子電壓相似。當電磁離合器的磁極軸帶有一定的負載轉矩時，勵磁電流的大小便決定了轉速的高低。勵磁電流越大，轉速越高，汽車行駛速度越快；反之，勵磁電流越小，轉速越低，汽車行駛速度越慢。如果勵磁電流太小，磁通太弱，產生的轉矩太小，離合器的磁極軸轉動不起來，就會失控。

在一定的磁場下，如果負載過大，磁極軸轉速太低，也會造成因為從動部分跟不上主動部分轉動而失控。由此可見，電磁滑差離合器的機械特性較軟。為避免使其工作在失控區，需對該滑差離合器加裝控制器，從而有效地改變電機的機械特性，使之變“硬”。電控單元設計采用神經網絡、模糊控制等智能方法控制帶轉速負反饋的閉環調速系統，實現勵磁電流、轉速和負載轉矩的最佳匹配，使離合器的起步控制和換擋操縱規律與人的駕駛意圖、外界道路環境情況及汽車當前的運行情況相適應，實現電磁無級調速系統的智能化。電磁離合器的基本控制原理如圖4所示。

圖4 電磁離合器基本控制原理圖

目前，小型汽車多采用交流發電機，與直流發電機相比功率較大，如JF系列發電機及別克轎車采用的CS系列發電機，其功率均可達1 000W以上。汽車發動機正常運轉時，向汽車用電設備供電，同時，也向蓄電池充電。目前，小型汽車蓄電池容量一般在60Ah以上，正常工作時，可為電磁離合器提供所需電流。當蓄電池容量不足時，可由汽車發電機與蓄電池共同向電磁離合器提供勵磁電流，建立磁場，將汽車發動機的機械能轉換為磁場能，并將磁場能轉換為機械能帶動傳動軸轉動。

4 需要考慮的關鍵技術問題

該項目針對發動機排量為1.0L～2.0L的車型，該類車型的發動機最大功率（kW/rpm）應不大于95/5250；最大扭矩（N.m/rpm）應不大于195/2500～3000。實驗設計時，主要參照這兩個參數指標設計制造來滿足扭矩和功率傳遞所需要的電磁滑差離合器，再根據離合器最大輸出扭矩和從動部分的最大轉速、轉矩選擇合適負載，通過改變離合器勵磁電流實驗，采集轉速n、轉矩T及勵磁電流i等數據，制作T-n機械特性曲線，確定離合器機械特性的工作區和失控區。通過改變發動機轉速，并采用頻閃rpm轉速測量法來測量發動機輸出軸及離合器磁極軸轉速，并確定轉速、轉矩及電流之間的關系，建立電控系統數學模型，利用C語言設計電控系統軟件；基于32位微控制器對電控系統進行優化，設計電控系統硬件單元。在進行電控單位設計時，盡可能采用現有自動檔汽車的成熟技術和硬件。

5 結語

利用電磁滑差離合器對小型汽車進行無級調速技術的原理是科學的，技術是可行的。它既保留了機械能與電磁能的轉換具有較高傳動效率的優點，又保證了發動機在最佳工況條件下穩定地工作，從而使汽車燃油的經濟性顯著提高。電磁滑差離合器調速技術的科學性、平順性優于熟練駕駛員的手工操作，不僅滿足了人們對汽車多功能的需求，而且實現了人們對汽車駕駛便捷、乘坐舒適的愿望。

目前，國內現有的汽車自動變速器來源不是靠直接進口，就是靠引進技術和生產線制造，前者無自主知識產權，增加了汽車制造成本；后者周期長、費用高，專一性強、通用性差。而利用電磁滑差離合器調速的技術，通過加裝微機控制的自動操縱系統來實現變矩變速的自動化，完成操作離合器和選檔兩個動作，適合于小型汽車的無級變速，因而生產繼承性好，特別適合中國國情，有極大的研究和技術推廣價值。

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