自動離合器起步控制研究

莫舒玥

（廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

目前市場上汽車用變速器有兩種：（1）手動變速器，價格較低，但駕駛的舒適性和安全性不夠好；（2）自動變速器，舒適性高但價格較高。對于價格低廉的微型車，多數運用手動變速器，而很多新手第一輛練手的車恰好就是價格不高的微型車，可是車主多數又是新手，車技不是很好，所以手動變速器的車型搭配一個自動離合器可以實現價格不貴就能用上智能半自動變速器的心愿。

自動離合器英文名稱為Automatic Clutch System［1］，英文縮寫為ACS。ACS自動離合器是在常見的手動變速箱MT基礎上，駕駛員不需要再踩踏離合器，根據駕駛員意圖自動實現離合器分離與接合，僅僅只需要手動換檔操作即可。ACS的優勢在于，對于價格比較低廉的手動擋車型，如果車主想改變全手動換擋的模式，增加駕駛的舒適性和安全性，可以通過加裝一套自動離合器的方法實現。與手動檔車型相比，即為對傳統離合器加裝一套自動控制系統，讓駕駛操控更為簡單也更安全；提高了變速器的相應速度，提高了駕駛舒適性。加裝一套自動離合器控制系統，只需要進行簡單的改裝，價格低廉，1 000～2 000元即可實現，而且與自動檔車型相比，具有造價便宜、維修經濟、省油的特點。如果自動離合器控制系統出現故障，離合器還是保留人為控制（腳踩）的方式來接合或分離，提高行車安全性，避免造成安全隱患。

1 研究內容和方法

1.1 國內外研究現狀

目前國外采用自動離合器的手動變速器已經在一些品牌的車型上運用，如奔馳A190、C230，國內的比亞迪部分車型、東風景逸等車型、部分華晨中華車型等，可見這個技術在一些小型車或微型車上運用的較多。這種類型變速器稱之為AutomatedManual Transmission，即為AMT［2］，中文含義為“自動控制手動變速器”。而ACS又是AMT系統中的一個重要功能模塊，AMT的控制實際上就是實現對ACS的控制，所以，自動離合器的研究對促進AMT的發展具有重要的理論和現實意義。

1.2 研究的問題

ACS具有廣闊的市場，因此近年來一直是研究開發的熱門課題，但其接合過程的沖擊度控制還不是非常完善，一定程度上影響乘坐的舒適性。例如，結合點的把握、結合過程的沖擊控制等都是目前需要解決的問題，因而本文將對此進行研究與探討。

1.3 研究內容與方法

本文主要研究自動離合器的控制方面，且主要針對車輛起步是自動離合器的控制，實現能夠根據駕駛員意圖平穩快捷地起步，且該過程的沖擊度和摩擦都盡量小，如何制定有效的控制策略是離合器起步控制的一個難點［4］。本文重點研究的方法是采用一種科學的多?？刂品椒▉韺崿F自動離合器的控制。本項目基于廣西教育廳科研項目《汽車自動離合器技術研究與系統開發》（項目編號LX2014574）完成研究，并根據研究結果撰寫本文。

自動離合器性能是否優良是通過沖擊度和滑摩功兩個指標來進行評價。（1）離合器接合過程中主從動盤接合瞬間由于轉速不一樣會產生一定的沖擊，這個沖擊表現為有一定的頓挫感，從而影響到車輛起步的平順性，使得乘坐人員產生不舒適的感受。而且沖擊度過大，使得零部件之間的撞擊力增大，加速零部件的損壞，縮短零部件的壽命，同時由于控制時機不好還有可能引起汽車起步熄火。（2）離合器主從動盤之間從分離到接合是從兩者之間有轉速差到轉速一致的過程，當兩者轉速不一致時，兩者是靠摩擦來達到轉速一致的，這個過程依靠摩擦作用來傳遞動力，所以離合器接合過程實際上就是主、從動盤之間摩擦力矩傳遞的過程，有摩擦必然就產生熱量，熱量在此過程中就會被損耗掉，同時摩擦產生了磨損，摩擦時間越久，轉速差越大，摩擦損耗就越大。為評價由于摩擦而引起的摩擦損耗，引入了滑摩功?；λ从车氖请x合器在接合過程中機械能轉變為摩擦熱損耗能量的多少，滑摩功數值越大，表明機械能轉變為熱能的損耗越大，發熱越多，磨損也越嚴重，其使用壽命越短［4］。

從以上分析得知，自動離合器接合控制的理想目標是沖擊度和滑摩功均越小越好［5］。但實際上這兩個指標卻是相對矛盾的，即想要減少摩擦損耗（滑摩功），則必須讓離合器接合速度縮短，但接合過快將導致沖擊度增加，頓挫感增強，影響到起步時乘坐舒適性，而且沖擊度的增加也會使得零部件受到沖擊的影響縮短壽命，同時車輛還容易熄火；如果想要減小沖擊度，離合器的接合速度就要減緩，這就使得滑摩功會增大，摩擦損耗增加，零部件使用壽命縮短，同時使車輛起步時間變長。因此，尋求一個合適的平衡點，制定一個科學合理的控制策略來解決沖擊度和滑摩功的矛盾是離合器控制的關鍵［5］。

目前，對自動離合器結合點的大部分研究都是在保證車輛起步和換擋要求的前提下，根據離合器接合過程的一般特點采用“快－慢－快”的接合規律和模糊控制技術來實現的［6］。本文基于多?？刂评碚?，對自動離合器接合規律進行多?？刂撇呗匝芯考霸囼?。

2 自動離合器起步控制研究及試驗

2.1 起步多模控制研究

由于起步過程中離合器的工作狀態同時受到駕駛員起步意圖，路面狀況，車輛負載情況等因素的共同影響，針對這些因素獲得的精確的數學模型卻無法共同進行車輛起步過程中離合器接合過程的控制，因此必須將這些影響因素的精確數學模型進行模糊化，設計出多?？刂葡到y，其設計原理如圖1所示。知識庫代表的是駕駛員起步意圖、路面狀況，車輛負載情況等因素獲得的精確數據，但是必須將其進行模糊化，才能進行模糊推理以及模糊化化控制，最終實現對控制目標離合器的模糊化控制。

圖1 模糊控制原理圖

針對控制目標（沖擊度和滑磨功最小的平衡點）以及離合器接合過程的特點，采用“快－慢－快”接合原則。根據研究可得，可以把離合器的接合過程看成三個階段：第一階段，發動機的轉矩通過飛輪傳到離合器的主動盤，此時主動盤的轉速可以近似看成與飛輪一致，此時離合器的從動盤還未與主動盤接觸，因此并未轉動，這個過程不存在沖擊度和滑摩功，為加快接合過程應使離合器以一較快的速度接合；第二階段，離合器從動盤在主動盤的帶動下開始轉動，但是此時兩者的轉速不一致，主、從動盤之間開始產生滑磨，此時應開始減緩接合速度以減少沖擊度，提高乘坐舒適性［6］；第三階段，等到機械式離合器主、從動盤轉速差低于某一數值后，并實現兩者一致，此時動力通過發動機－飛輪－離合器（主、從動盤）－變速器－車輪，車輛實現起步，此過程可以適當加快接合速度，以減少滑摩功，同時提高起步速度。通過“快－慢－快”［3］接合規律實現分段改變離合器接合速度的控制。

由以上離合器起步接合過程分析可以把上述離合器工作的第一階段看作空行程控制階段，空行程即為離合器的主動盤轉動，但是從動盤還未轉動，此時，離合器主動盤沒有摩擦力矩；第二階段為滑磨控制階段，滑磨階段主從動盤之間開始接觸，但是兩者之間轉速不一致，但兩者從轉速不一致到轉速一致的過程；第三階段為同步控制階段，同步控制是指離合器主從動盤轉速一致合為一體，帶動變速器工作的過程。根據這三個階段的特點，選擇“比列－模糊－PID”多?？刂品绞?，多模控制系統圖如圖2所示。

圖2 多模控制系統示意圖

因此，自動離合器的控制實際上就是通過計算機軟件設計一個多?？刂瞥绦颍偻ㄟ^自動離合器自動控制系統實現機械式離合器的自動控制目標，取代駕駛員離合器操縱，從而實現汽車起步離合器操縱的自動化。而這個功能只需要一套多?？刂瞥绦颉⒅绷麟妱訖C、離合器操縱機構、電控單元、傳感器、線束、顯示單元等部件組成的自動離合器控制系統就完全可以實現，且成本只需要1 000～2 000元［7］。

2.2 離合器接合速度模糊控制

汽車在起步時，駕駛員通過操縱油門踏板和離合踏板來使汽車起步，而且在此過程中，油、離合器配合很重要，否則會導致起步沖擊過大或起步熄火。試驗表明，駕駛員起步意圖有慢起步、正常起步和急起步三種情況，一般通過油門開度及油門開度變化率兩個參數來表現［5］。因此，自動離合器結合方式的模糊控制可以參考這兩個因素進行控制。設計要求必須滿足以下要求：若油門開度大，表明駕駛員油門踩得較深，駕駛員的起步意圖判定為想急起步，自動離合器控制系統收到大油門開度的信號后，判定為急起步狀態，則要求輸出指令使執行機構控制離合器盡快接合，以滿足車輛較快的起步過程，在此過程中，滑磨功會減小，沖擊度會增加，但是會將其（沖擊度）控制在合理的范圍內，即低于國際上的沖擊度限值（最大沖擊度為10m／s3，這是最大的舒適性限定值［6］），否則會影響乘坐舒適性；反之，若油門開度小，表明駕駛員想慢起步，自動離合器控制系統收到小油門開度的信號后，判定為慢起步，則要求輸出指令使執行機構減慢離合器的接合速度，以滿足駕駛員慢起步的意圖，在此過程中?；スυ黾?，但沖擊度減小，起步比較平穩。另外，踩踏油門速度越快，油門變化率越大，速度越慢，變化率越小。變化率越大，認為駕駛員的起步意圖為快起步，變化較慢，認為駕駛員的起步意圖為慢起步。如果在駕駛員踩踏油門踏板的時候速度快，則油門開度變化率大［8］，反之，則油門開度變化率小。油門開度變化率與油門開度共同反映駕駛員起步意圖，計算機多?？刂萍夹g將駕駛員的駕駛意圖采用模糊控制的方式設計控制程序，實現自動離合器的控制。

另外還需要引入車況（如發動機轉速、車速等）。離合器主動盤轉速可近似視為發動機轉速，從動盤轉速經計算可以得到車速，將離合器當前工況和駕駛員意圖結合在一起，才能準確反映離合器的接合速度。根據以上因素得到離合器起步模糊控制器如圖3所示。

圖3 離合器起步模糊控制器示意圖

自動離合器系統即在普通離合器的基礎上增加一套自動控制系統，取代原來由駕駛員人工完成的離合器操縱，以實現汽車起步、換檔離合器操縱的自動化。實現這一功能，自動離合器系統主要由直流電動機、離合器操縱機構、電控單元、傳感器、線束、顯示單元等部件組成［7］。

2.3 自動離合器起步控制仿真試驗

自動離合器系統研制完畢后，與發動機臺架和手動變速箱臺架進行連接，并與測功機臺架連接且進行了實驗。本文進行了微型車輛五菱之光在坡度為0°，油門開度分別為20%、40%、70%三個狀態下起步（即慢起步、正常起步、急起步）的自動離合器控制仿真實驗。繪制出三種狀態下的沖擊度、滑摩功等曲線圖，對比三個狀態下的數據，然后對這些數據進行記錄、整理與分析，得出本文提出的采用多?？刂萍夹g實現駕駛員起步意圖的控制合理且可行的結論。

2.3.1 油門開度20%，坡度為0°

在同等載荷情況下，設定平地緩起步的油門開度為20%，地面坡度為0°，離合器的結合過程遵循“快－慢－快”多?？刂撇呗?，在主、從動盤開始接觸到兩者轉速同步的過程中，為了提高乘車舒適性減少起步沖擊，采用模糊控制適當降低接合速度，當到達同步階段后，迅速提高離合器接合速度，完成起步。圖4為主、從動盤轉速曲線，圖5為沖擊度曲線，圖6為滑磨功曲線。主、從動盤在1.8s的時候實現同步，完成起步時間為1.9s，最大沖擊度為6.8m／s3，最大滑磨功為8 750N／m。

圖4 油門開度20%、坡度為0°主、從動盤轉速曲線圖

圖5 沖擊度曲線圖

圖6 滑磨功曲線圖

2.3.2 油門開度40%，坡度為0°

設定油門開度為40%，地面坡度為0°，圖7為主、從動盤轉速曲線，圖8為沖擊度曲線，圖9為滑磨功曲線。離合器主、從動盤在1.25s的時候實現同步，車輛完成起步時間為1.5s，最大沖擊度為5m／s3，最大滑磨功為5 000N／m。油門開度增加，設定的結合速度變快，沖擊度也增加，但是由于同步時間變短，主、從動盤因轉速不同產生的滑磨功也相應減少。

圖7 油門開度40%、坡度為0°主、從動盤轉速曲線圖

圖8 沖擊度曲線圖

圖9 滑磨功曲線圖

2.3.3 油門開度70%，坡度為0°

設定油門開度為70%，地面坡度為0°，圖10為主、從動盤轉速曲線，圖11為沖擊度曲線，圖12為滑磨功曲線。主、從動盤在1.1s的時候實現同步，完成起步時間為1.75s，最大沖擊度為18.2m／s3，最大滑磨功為4 000N／m。此時設定駕駛員意圖為急起步，主、從動盤同步時間進一步縮短，因此最大滑磨功也進一步下降；但是，由于兩者之間的轉速差過大，驅動車輛起步的時間反而比正常起步時間稍有延長。

圖10 油門開度70%，坡度為0°主、從動盤轉速曲線圖

圖11 沖擊度曲線圖

圖12 滑磨功曲線圖

3 結語

根據實驗結果可知，采用多模控制技術實現車輛起步時自動離合器的控制是可行的，試驗的結果與駕駛員人工操控機械式離合器的情況基本相同。對慢起步、正常起步、急起步三種情況進行了仿真試驗，結果證明離合器在多模控制技術下，基本能實現根據駕駛員意圖自動控制離合器，順利完成車輛起步。

因此，在微型車輛上將機械式離合器改裝成自動離合器是可以實現的。不過，車輛的起步過程是及其復雜的，比如在有坡道或車輛負荷變化的情況下，需要更完善的多?？刂萍夹g實現控制，這也是下一步需要研究的課題。

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