氣動AMT的離合器硬件在環系統的開發

蔣立偉，朱 江，周 垚，葉新偉，普 剛

（東風汽車有限公司 東風商用車技術中心，武漢430056）

硬件在環即是硬件在回路 （HiL，Hardware-inthe-Loop），硬件在環仿真測試系統是以實時處理器運行仿真模型來模擬受控對象的運行狀態，通過I/O接口與被測的ECU連接，對被測ECU進行全方面的、系統的測試。

氣動AMT系統的性能主要取決于對離合器的控制精準度，這需要做大量的研究和實驗，傳統的研究和實驗方法主要有離線仿真和實車調試兩種。離線仿真方便高效，但是實時性和準確度較差；實車調試雖然實時性好，但是效率低、成本高，且具有一定的危險性。

為了解決這種矛盾，開發了離合器硬件在環系統，來代替離合器臺架和實車，進而對離合器進行大量的研究和實驗。

1 離合器硬件在環系統的組成

離合器硬件在環系統（見圖1），主要由dSPACE實時仿真系統、離合器被控對象模型和控制器三部分組成。

dSPACE實時仿真系統主要由dSPACE所提供的模塊化硬件組成。該組件系統主要包括處理器板卡和外圍I/O，擁有高效的計算和擴展能力。實驗時，模型下載到板卡實時運行。上位機與板卡通過網線進行通訊，完成模型下載、試驗管理、參數修改等操作。

離合器被控對象模型利用Matlab/Simulink搭建，編譯后下載到實時仿真系統中。物理模型的準確性對結果影響很大，必須能準確的模擬出實際狀況，提供正確的信號。

控制器用于運行控制策略，采用NI-USB6366控制器。該控制器除了可以完成控制任務外，也能通過USB接口同上位機通訊，利用上位機監控控制器運行狀態。

2 被控對象建模

氣動AMT系統離合器機構有兩部分組成，包括離合器執行機構和離合器本體。同時，還加上了簡化的發動機和整車模型。離合器執行機構是一個由電磁閥控制的氣缸，通過控制高壓氣體產生的推力。離合器本體以國產395膜片離合器為樣本進行建模。

2.1 離合器執行機構建模

離合器執行機構主要包括助力氣缸和與之相連的電磁閥組。電磁閥組由兩個進氣閥和兩個排氣閥組成，分別為快進、慢進、快排、慢排。執行機構工作原理如圖2所示。

對離合器執行機構建模時，輸入信號有5個，其中4個輸入為4個電磁閥的開通信號，另外一個輸入為離合器的分離特性；兩個輸出信號，即氣缸位移和分離軸承位移。離合器執行機構建模思路如圖3所示。

2.1.1 氣孔模型

電磁閥開通時，氣缸與儲氣罐或者外界空氣通過小孔相通，小孔的直徑即電磁閥孔的直徑，因此，電磁閥模型可以簡化為一個氣孔模型。當氣孔打開時，通過氣孔兩側的大氣壓強和氣孔的橫截面積，即可計算出該氣孔的質量流量。假設流經氣孔的氣體為理想氣體，氣孔兩端溫度相同，且氣體流動的時候沒有熱傳遞，則氣體質量流量計算公式如下。

式中：p0、p1分別為進氣口和出氣口的壓力；A為孔的橫截面積；T為環境溫度；R為氣體常數；對于空氣取 R=287 N·m（kg·K），x為等熵指數，對于空氣取x=1.4。

根據氣體質量流量公式建立四個電磁閥的氣孔模型，將四個氣孔的流量相加，得到氣體質量流量，單位kg/s，為正時表明進空氣流入氣缸，為負時表明空氣流出氣缸。

2.1.2 壓力模型

選取氣缸為對象進行分析，根據理想氣體狀態平衡方程，將氣體壓強P看做質量與體積的函數，即：

式中：m為氣體質量；V為氣體體積；T為氣體溫度；r為比例系數。將上式對時間t求導得：

2.1.3 活塞動力學模型

對活塞進行受力分析，忽略活塞運動過程中摩擦力的影響，則活塞主要受三個力的作用：氣缸內高壓氣體的推力F1、離合器膜片彈簧的反作用力Fn、外界大氣產生的壓力F2。受力圖如圖4所示。

根據牛頓第二定律，求出活塞加速度：

式中：l0為活塞的初始位移。

離合器分離軸承位移與活塞位移成正比，比率即分離搖臂的杠桿比。

2.2離合器本體建模

離合器是一個較為復雜總成，建立其準確的物理模型難度較大，且需要較多的參數。為在保證模型準確性滿足要求的前提下，對一些小細節做了簡化處理。根據離合器動力傳遞路徑（見圖5）和離合器物理結構，離合器建模主要分為三部分：壓盤模型、減震彈簧模型、從動盤模型。

2.2.1 壓盤模型

膜片彈簧是壓盤中的重要部件，膜片彈簧提供壓緊力，使摩擦片緊緊結合，從而傳遞扭矩。壓盤的受力特性如圖6所示。

可以看到，膜片彈簧是非線性的，且加載與卸載的受力特性有細微差別，在保證準確性的前提下，對模型進行簡化，將加載和卸載的曲線簡化成一條曲線，進行查表，得到離合器的分離力。

摩擦片與壓盤間的正壓力決定了摩擦力所能傳遞的最大扭矩，在離合器完全分離前，正壓力與分離軸承位移近似為反比關系，因此，離合器能傳遞的最大扭矩可以近似看作分離軸承位移的一次函數。利用分離軸承的位移查表，得到離合器能傳遞的最大扭矩。

2.2.2 減震彈簧模型

減震彈簧可以等效為一個彈簧阻尼系統。其輸出扭矩可以表示為：

式中：k為彈簧剛度系數；D為阻尼系數；△α為摩擦片與從動盤的角度差；△ω為摩擦片與從動盤的轉速差。

2.2.3 從動盤模型

從動盤與變速箱輸入軸相連，將動力輸出，驅動汽車行駛。根據轉動定律可知：

式中：Tin為減震彈簧傳遞來的驅動扭矩；T′為變速箱傳遞來的阻力扭矩；J為從動盤的轉動慣量。根據式（10）建立從動盤的動力學模型，計算出離合器的輸出轉速。

離合器本體的simulink模型結構如圖7所示。壓盤模型通過查表獲得膜片彈簧的力學特性；從動盤利用發動機輸入的轉速轉矩和減震彈簧反作用的扭矩，計算出傳遞給減震彈簧轉速，以及摩擦力、摩擦功等數據；減震彈簧模型則根據從動盤輸入的轉速計算出輸出扭矩。

3 仿真

用Matlab/simulink建立離合器本體極其執行機構的物理模型，編譯后下載到dSPACE實時仿真系統之中，實時運行。

首先考慮分離軸承位移情況，分別使用快閥和慢閥，在不同占空比下控制離合器的分離結合，結果如圖8所示。

可以看到，位移曲線與實際情況基本一致。離合器最快分離時間為0.48 s，滿足最快分離時間小于0.5 s的要求。選擇不同的電磁閥，在不同的占空比下工作，可以獲得很寬的調節范圍。

下面通過車輛起步工況，分析離合器工作情況。汽車初始速度為0，發動機運轉，離合器分離，排氣閥開始工作，離合器開始結合。讓快排閥和慢排閥分別在100%、50%、15%三種占空比下工作，采集整車速度和離合器輸出的扭矩，結果如圖9所示。

圖中點劃線為汽車的速度，實線為離合器輸出的扭矩，轉矩的拐點表明離合器已經鎖死，沒有相對摩擦，即圖垂直虛線之間的部分為離合器磨合階段。可以看到，磨合階段最大加速度為1.58，最小為0.83，加速度越大沖擊也越大。對于卡車，最大加速度不宜超過1.2，因此，離合器結合過程應當稍慢。然而，為了使離合器盡快的結合，在非磨合階段分離軸承運動應當盡量快，即先快后慢再快的結合過程。

針對上述結合要求，對電磁閥的控制方式為：離合器磨合前，快排閥在100%占空比下工作，離合器磨合階段，僅慢排閥在15%占空比下工作；離合器磨合后，快排閥在100%占空比下工作，離合器完全結合。按照這種控制方式，對起步工況進行驗證，結果如圖10所示。

根據分離軸承位移可以很清楚看到先快后慢再快的結合過程，即圖中t1、t2、t3三個階段，分別為0.22 s、2.14 s、0.65 s，其中 t2為磨合時間。 離合器結合總時間為3.01 s，符合要求。在結合過程中，車速始終很平穩，沒有大的波動，這表明這種控制是可行的。

4 結論

實現了氣動AMT離合器的硬件在環系統的開發。介紹了硬件在環系統的組成，結合物理結構和理論公式對AMT系統的離合器及其執行機構進行建模，并進行了實時仿真，驗證了其準確性。運行表明，利用dSPACE平臺建立硬件在環仿真系統用于控制策略開發是可行的。

在離合器控制策略的開發過程中，需要大量的調試和試驗。建立一個準確的物理模型，通過硬件在環來對控制策略進行調試和驗證，替代一部分實車調試，無疑使工作更輕松，也更有效率，是非常有意義的。

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