機械式自動變速器的離合器起步控制

米林，劉瑞杰，譚偉

(重慶理工大學機械工程學院，重慶 400054)

機械式自動變速器的離合器起步控制

米林，劉瑞杰，譚偉

(重慶理工大學機械工程學院，重慶 400054)

對機械式自動變速器(AMT)的離合器起步過程進行分析，得到起步階段“快—慢—快”的結合規律;針對這種結合規律和起步過程控制要求，制定了不同的起步階段控制策略;在滑磨控制階段，基于優秀駕駛員的經驗，設計了模糊控制策略，并應用Matlab/Simulink建立模糊控制模型。仿真結果表明:發動機轉速和離合器結合速度的控制效果良好，滿足起步評價指標的要求。

機械式自動變速器;起步控制;分層;模糊控制

車輛起步性能是衡量自動變速傳動系統先進性的重要指標。機械式自動變速器(AMT)傳動的重點和難點是起步過程中對離合器的控制。起步過程的平順性和離合器的滑磨是2個主要的評價指標，然而這2個指標卻不能同時滿足。如果要求平順性好就必須使離合器結合速度慢，滑磨功將大大增加;如果滑磨功小，則離合器必須以較快的速度結合，平順性變差。離合器控制受駕駛員意圖及其他多方面因素的影響，比如道路條件(坡道起步)、負載條件等。怎樣才能在不同起步條件下同時滿足這2個評價指標是離合器控制的關鍵。由于駕駛員意圖具有多樣性，行駛的車輛是一個時變、多線性的系統，而且起步過程又分為不同的階段，因此本文將采用不同的控制策略研究車輛的起步過程，著重研究滑磨階段離合器的模糊控制。

1 AMT汽車離合器起步過程

如圖1所示，汽車起步過程中AMT離合器從分離到結合可分為以下3個階段［1］:

1)自由行程階段，對應圖1中的0～t1段。此時離合器完全處于分離狀態，主、從動盤之間存在間隙，沒有扭矩傳遞。這一階段的控制以快速消除間隙為目標，希望主、從動盤能盡快結合，減少動力中斷時間。在此階段，離合器通過消除空行程到達半接合點位置，車輛保持原靜止狀態。半接合點是指離合器接合，主、從動盤滑磨，離合器傳遞的扭矩恰好能克服起動阻力矩時的離合器行程位置［2］。

2)滑磨階段，對應圖1中的t1～t3段。該階段是離合器控制最重要的階段。在此階段中，主、從動盤滑磨并產生力矩。為了減少傳動系沖擊載荷，提高乘坐舒適性以獲得平穩起步，在這一階段離合器的接合速度相對較慢。如果結合速度過慢，離合器摩擦片在滑動摩擦狀態的時間過長，加劇摩擦片磨損，使能量損失大，離合器的使用壽命將縮短;如果接合速度過快，將會對離合器造成沖擊。

3)同步結合階段，對應圖1中t3以后的時段。該階段離合器轉速會穩步提高，主、從動盤轉速已經完全相同，車輛成功起步。該階段應以快速接合為目的，因為此時主、從盤轉速己經達到同步，離合器的快速接合不會給離合器帶來沖擊，基本沒有滑動摩擦［2］。

圖1 起步過程中AMT離合器的結合示意圖

2 AMT離合器結合過程控制策略的制定

汽車起步時離合器控制的關鍵是使車輛平穩起步。離合器控制應滿足以下幾項要求:①避免在傳動系統中產生過大的動載荷;②避免發動機熄火;③使駕駛員的起步意圖得到滿足;④滿足離合器的使用壽命要求。

通常在對車輛起步過程進行評價時提出的客觀評價指標主要是沖擊度和滑磨功［3］。

2.1 離合器結合影響參數分析

在車輛起步過程中，通過對離合器的控制來獲得駕駛員所需的車輛起動速度，使得整個過程起動平穩，沖擊度小。同時應盡量減少離合器工作在滑磨階段的時間，降低滑磨功，確保發動機不熄火［4］。然而，這兩項要求是互相矛盾的。如果要求起步慢，就必須使離合器接合速度慢，雖然起步平穩性好，但這會導致離合器滑磨時間過長，使離合器使用壽命降低。如果通過快速起步來降低滑磨功，雖然離合器結合時間短，但是沖擊大，會導致發動機熄火。離合器控制的關鍵是如何在滿足駕駛員起步平穩、沖擊度小的基礎上確保發動機不熄火，從而獲得滿意的滑磨功指標。

離合器接合規律在執行中體現在離合器接合速度上。汽車的起步由駕駛員直接控制。駕駛員起步意圖通?？梢杂捎烷T開度及油門開度變化率來體現。如果駕駛員踩踏油門開度越大，踩踏板的速率越大，就表明駕駛員希望快速起步，那么應加快離合器接合速度;反之離合器的接合速度應減慢。因此選取由油門開度及油門開度變化率共同決定的駕駛員意圖作為離合器接合速度變化的輸入控制參數。此外，通過研究得知離合器主、從動盤轉速差也是控制離合器接合速度的一個關鍵因素。如果差值過大，應減少離合器接合，降低結合過程產生的滑磨功;反之應增大離合器的接合量［5］。

2.2 起步過程中控制規律的制定

目前廣泛使用的離合器起步過程控制方法主要有兩種，分別是變接合速度和定接合速度控制［6］。定接合速度控制是充分利用發動機的轉動慣量，使離合器在結合過程中始終保持一個恒定不變的速度，以此縮短離合器接合時間。但是在這種條件下發動機轉速高，長時間工作在惡劣環境中，滑磨功也較大［6］。

離合器變接合速度控制即“快—慢—快”的接合控制。通過對離合器結合過程的分析可知:第1階段(自由行程階段)和第3階段(同步結合階段)對起步品質無大的影響，只要求離合器以較快的速度結合。第2階段(滑磨控制階段)評價指標包括駕駛員意圖、起步的品質及接合沖擊度等，該階段結合速度相對較慢［7］。

根據以上分析，針對離合器的接合規律，在不同結合階段應采取不同的控制策略。在起步過程的第1、3階段要求離合器以較快的速度結合，結合過程較為簡單，因此采用普通的PID控制即可。在滑磨控制階段，由于受外界工作環境和駕駛員主觀意圖等因素的影響，采用簡單的PID控制策略很難適應各種不同的工況和車況，考慮到采用模糊控制能有效減少制造和使用過程中的不確定因素對控制效果的影響，具有很強的適應性和自調整能力，因此本文在滑磨控制階段采用模糊控制器，將油門開度，開度變化率，主、從動盤轉速差和離合器行程作為輸入量，首先進行模糊化處理，根據模糊規則做出模糊推理后，通過反模糊化計算出離合器結合速度。離合器起步控制規律如圖2所示。

圖2 離合器起步控制規律

2.3 滑磨階段控制目標

在滑磨階段，油門的開度及變化率反映駕駛員意圖，駕駛員意圖又量化為發動機的目標轉速?？刂圃瓌t是選取某一油門開度下最大轉矩時發動機的轉速作為目標轉速，將發動機實際轉速與目標速度的速度差作為輸入變量，將離合器接合速度作為輸出量［8］。如果實際轉速比目標轉速高，可以通過增加接合面使發動機負載加大，達到降低實際轉速的目的;反之則通過減小接合面使實際轉速增大。對某發動機進行性能測試，選取某一油門開度下最大轉矩時的發動機轉速為目標轉速［9］。發動機油門開度與目標轉速的關系如圖3所示。

圖3 發動機油門開度與目標轉速的關系

3 AMT離合器起步滑磨控制局部模糊控制規則

根據圖2的離合器起步控制規律，在滑磨控制階段的局部模糊控制中采用2層模糊推理:第1層根據油門開度大小及開度變化率推理出駕駛員意圖;第2層根據由第1層推理得到的駕駛員意圖以及主、從動盤轉速差和離合器行程，通過模糊推理，經反模糊化后得出離合器結合速度。控制原理如圖4所示。

圖4 離合器滑磨控制器原理

3.1 駕駛員起步意圖模糊推理

3.1.1 輸入參數

油門開度的論域是［0，10］，設定5個模糊語言值:{非常小(VS)、小(S)、中(M)、大(B)、非常大(VB)}。節氣門開度變化率的論域是［－6，6］，設定7個模糊語言值:{負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)正大(PB)}。

3.1.2 輸出參數

駕駛員起步意圖的論域是［0，10］，設定5個模糊語言值:{非常慢(VS)、慢(S)、正常(M)、快(B)、非?？?VB)}。

3.1.3 駕駛員起步意圖控制規律

通過對熟練駕駛員的技巧和經驗進行總結發現，如果踩下的節氣門開度較大，節氣門開度變化率也較大，說明汽車駕駛員希望車輛能快速起步，此時執行機構應驅動離合器快速接合;如果踩下的節氣門開度小，節氣門開度變化率也小，說明汽車駕駛員希望車輛緩慢起步，此時執行機構應驅動離合器緩慢結合。根據駕駛員的這種操作規律，利用Matlab模糊推理機中的IFTHEN規則對輸入變量進行模糊推理，可以得到相應的駕駛員起步意圖。控制規則如表1所示。

表1 駕駛員起步意圖控制規則

在Matlab的模糊邏輯工具箱中，對輸入、輸出的模糊規則進行設定，系統會繪制一個輸出曲面，用于顯示輸出對任何1個或2個輸入的依賴性。駕駛員起步意圖推理結果如圖5所示。

圖5 駕駛員起步意圖推理結果

3.2 離合器結合速度模糊推理

3.2.1 輸入參數

駕駛員起步意圖的論域是［0，10］，設定5個模糊語言值:{非常慢(VS)、慢(S)、正常(M)、快(B)、非?？?VB)};離合器行程的論域是［0，14］，設定7個模糊語言值:{非常小(VS)、很小(S)、較小(LS)、中(M)、較大(LB)、很大(B)、非常大(VB)};主、從動盤轉速差的論域是［0，14］，設定7個模糊語言值:{非常小(VS)、很小(S)、較小(LS)、中(M)、較大(LB)、很大(B)、非常大(VB)}。

3.2.2 輸出參數

離合器結合速度的論域是［0，14］，設定7個模糊語言值:{非常慢(VS)、很慢(S)、較慢(LS)、中(M)、較快(LB)、很快(B)、非?？?VB)}。

3.2.3 離合器結合速度控制規律

離合器結合速度控制規則見表2，推理結果見圖6。

表2 離合器結合速度控制規則

圖6 離合器結合速度推理結果

4 仿真結果與分析

為了驗證模糊控制模型效果，在制定的模糊控制策略基礎上，利用Matlab/Simulink仿真平臺，建立了離合器起步模糊控制模型。其中仿真對象的重要參數見表3。

表3 仿真對象重要參數

設定起步油門開度為30%和60%時，仿真結果如圖7、8所示。

圖730 %油門開度起步仿真

圖860 %油門開度起步仿真

圖7是油門開度為30%時的起步沖擊度和滑磨功仿真結果，圖8是油門開度為60%時的起步沖擊度和滑磨功仿真結果。可以看到:沖擊貫穿整個滑磨階段，其中最大沖擊度產生在離合器接合的同步點和半結合點處。這是因為離合器在半結合點時，需要克服車輛阻力矩形成了沖擊，同時離合器同步時車輛行駛阻力也會產生變化，從而導致離合器傳遞扭矩發生波動。30%油門起步時的最大沖擊度為5.7，60%油門起步時的最大沖擊度為8.9，符合起步沖擊度的評價指標。

從滑磨功仿真結果可知，30%油門起步的滑磨功為4 400 J，60%油門起步的滑磨功為5 750 J。這就間接證實了在大油門起步時，發動機轉速越高，離合器主、從動盤轉速差越大，滑磨功越大。

綜上所述，整個仿真實驗結果符合離合器起步規律，發動機轉速和離合器結合速度的控制效果良好。根據GB/T 12535—2007汽車起動性能實驗方法，起步過程沖擊度和滑磨功滿足評價指標的要求。

5 結束語

通過對離合器起步結合過程的分析，確定了油門開度，開度變化率，離合器行程和主、從動盤轉速差是影響離合器結合過程中的重要因素。制定了離合器在其結合過程中“快—慢—快”的變速度結合規律。針對該結合規律，指出在離合器結合過程的3個不同階段應使用不同的控制策略。制定了起步規律控制策略，特別是在滑磨控制階段的模糊控制策略。基于Matlab/Simulink仿真平臺，對設計的離合器控制策略進行仿真。結果表明，該模糊控制策略可以很好地對AMT汽車起步過程進行控制。

［1］孫東野，秦大同.汽車離合器局部恒轉速起步自動控制研究［J］.機械工程學報，2003，39(11):108－111.

［2］梅雪峰.電控機械式自動變速器離合器起步控制研究及仿真分析［D］.沈陽:東北大學，2009.

［3］余猛進.重型車AMT離合器起步過程綜合控制研究［D］.重慶:重慶大學，2009.

［4］楊晶晶，米林.基于雙模糊控制的商用車AMT離合器起步結合控制研究［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2012，26(9):5－10.

［5］蔣雪峰.重型商用車AMT坡道起步系統研究與開發［D］.武漢:華中科技大學，2011.

［6］許男.自動離合器結合規律及控制系統的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2009.

［7］黃建明，曹長修.汽車起步過程的離合器控制［J］.重慶大學學報:自然科學版，2003，28(3):91－94.

［8］陳然，孫東野.自動變速車輛起步模糊神經網絡控制策略仿真［J］.系統仿真學報，2010，22(4):912－914.

［9］金倫，葛安林.電控機械式自動變速器起步控制［J］.設計計算研究，2004(12):15－17.

(責任編輯 劉舸)

Research Control of AMT Clutch for Starting Process

MI Lin，LIU Rui－jie，TAN Wei
(School of Mechanical Engineering，
Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Through analyzing the starting process of AMT，we got the combination rule of its infancy which was“fast－slow－fast”.According to this combination rule and process control requirements，we developed different strategies in the initial stage.In the stage of friction control，based on the excellent pilots＇experience，this article designed fuzzy control strategy and used Matlab/Simulink to build fuzzy control model.The simulation result coincides with the clutch start rule.The combination of engine speed and clutch speed is controlled very well，meeting the initial evaluation index.

AMT;starting control;layered;fuzzy control

U463.211

A

1674－8425(2014)05－0007－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.05.002

2013－12－21

米林(1964—)，男，重慶人，教授，主要從事機電測控方面的研究。

米林，劉瑞杰，譚偉.機械式自動變速器的離合器起步控制［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(5): 7－12.

format:MI Lin，LIU Rui－jie，TAN Wei.Research Control of AMT Clutch for Starting Process［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(5):7－12.