乘用車自動離合器性能實車實驗與分析

李培龍

（廣東省交通運輸高級技工學校，廣東 廣州 528000）

乘用車自動離合器性能實車實驗與分析

李培龍

（廣東省交通運輸高級技工學校，廣東 廣州 528000）

為了研究乘用車自動離合器起步控制策略，首先，對某款乘用車自動離合器工作原理及其評價指標進行了分析和研究；然后，對該車進行了多工況自動離合器起步性能實車實驗；最后，得出該款自動離合器起步控制策略不能滿足乘用車舒適性要求的結論。

自動離合器；控制策略；實車實驗

1 自動離合器結構及工作原理

車輛的離合器是傳動系統的一個重要組成部分，它起到傳遞或中斷動力的作用。傳統手動擋車輛，駕駛員需要踩下離合器踏板，再操作換擋桿，然后松開離合器，完成離合器接合動作，以達到車輛起步或換擋的目的。相對離合器，自動離合器技術減輕了駕駛員的負擔，其工作原理如圖1所示。

圖1　自動離合器工作原理

自動離合器系統包括信號采集傳感器、自動離合器系統（ACS）控制器和執行器組成。信號采集傳感器包括點火開關傳感器、制動踏板位置傳感器、變速器轉速傳感器、離合器位置傳感器、擋位傳感器、節氣門位置傳感器及發動機轉速傳感器。ACS執行器包括驅動電機、減速機構和離合器。以車輛起步過程為例說明自動離合器系統工作原理：駕駛員旋轉點火開關打開至通電狀態，電控系統開始上電，此時ACS控制器接收各個傳感器信號，ACS控制器對各個信號進行處理后判斷此時變速器處于空擋位置，發出控制信號給驅動電機，驅動執行機構實現離合器快速分離，并將離合器位置反饋給ACS控制器；當駕駛員撥動換擋手柄，ACS控制器根據各個傳感器信號進行判斷，發出控制信號控制驅動電機驅動執行機構按照控制策略進行離合器快速平穩接合；當駕駛員松開手剎或制動器踏板，車輛開始起步。

自動離合器按驅動方式分為兩種：液壓驅動式和電機驅動式。液壓驅動式自動離合器的驅動機構由液壓缸、液壓泵、儲壓器以及油管組成。電機驅動式自動離合器的驅動機構由電機、減速機構等組成。本文所研究的某款乘用車自動離合器系統為電機驅動式，其結構如圖2所示。

圖2　某款車型所安裝的自動離合器系統結構圖

該自動離合器系統的執行器主要包括：驅動電機、蝸桿蝸輪、擺臂、桿端關節軸承、拉索以及聯動軸。其工作原理為：驅動電機帶動蝸桿轉動，蝸桿帶動蝸輪轉動，實現減速增扭，蝸輪帶動同軸的擺臂旋轉，擺臂通過桿端關節軸承與拉索連接，實現旋轉運動轉化為拉索的近似直線運動，拉索拉動離合器杠桿運動，從而實現離合器從動件與發動機飛輪的接合與分離。

2 自動離合器工作過程要求

自動離合器系統中離合器工作原理及工作要求與傳統手動擋車輛的離合器相似，其工作過程中都是通過摩擦片的摩擦來實現動力傳遞的，傳動系通過它與發動機連接并在必要時中斷動力的傳遞。汽車由起步進入正常行駛、加速、減速、制動直至最后停車的整個行駛過程中，離合器起著連接和中斷動力的作用。由此自動離合器工作過程應滿足以下幾點要求[1]：

（1）可以實現徹底迅速地分離，換擋時中斷動力傳遞，減少齒輪切換造成的沖擊；

（2）起步時將發動機與傳動系平順地接合，使汽車能夠平穩起步；

（3）在工作中，當受到大的動載荷時能夠保護傳動系；

（4）工作可靠，使用壽命長。

由自動離合器控制過程的要求，通過自動離合器工作過程中的沖擊度和滑磨功這兩個指標來評價其工作過程中的好壞?；スχ冈诳刂齐x合器接合過程中，離合器主從之間產生摩擦，由接合產生摩擦而損失的功；沖擊度是指加速度的變化率。

車輛起步的過程是靠離合器滑磨將發動機動力平緩地傳遞到變速器以克服路面阻力實現車輛由靜止到運動的過程。因此，起步控制品質對行車平順性和離合器磨損提出較高的要求。

3 乘用車自動離合器評價指標

離合器的評價指標主要為滑磨功和沖擊度。滑磨功的大小直接影響離合器的使用壽命；沖擊度的大小直接影響車輛的平順性。

3.1滑磨功

在控制離合器接合過程中，離合器主、從盤之間產生摩擦，由接合產生摩擦而損失的功即為滑磨功[2]。

滑磨功的計算如式（1）所示：

式中，t1為離合器滑磨開始時刻；t2為同步時刻；Tfc為離合器傳遞轉矩大?。籲e為發動機轉速；nc為離合器的轉速。

從式（1）以看出，滑磨功受以下幾個因素影響：

（1）發動機轉速：發動機轉速越高則滑磨功越大；

（2）離合器接合時間：接合時間越長則滑磨功越大；

（3）發動機與離合器的轉速差：轉速差越大，滑磨功越大；

（4）車輛的阻力矩：車輛的阻力決定了離合器接合過程的傳遞轉矩。車輛阻力越大，接合時間越長，由此產生滑磨功越大。此因素由車輛的外界環境決定。

滑磨功越大，發動機功率損失越大，離合器磨損就越大，離合器壽命相應的就會縮短，因此要減少離合器接合過程產生的滑磨功。

為了減少車輛起步過程產生的滑磨功，要求做到以下兩點[3]：

（1）起步過程中保持發動機轉速較低；

（2）同時在盡量加快起步過程中離合器接合速度，減少接合時間。

3.2沖擊度

自動離合器控制下的車輛起步過程，目的不僅希望能減輕駕駛員起步控制的難度，而且希望能有效提高駕駛舒適度，給駕駛帶來更好的駕駛體驗。因此，分析控制起步接合沖擊十分重要。

由車輛動力學平衡方程如式（2）所示：

式中，ig為變速器減速比；io為主減速器減速比；η為傳動系統機械傳動效率；R_wheel為車輪半徑，單位為m；T為離合器完全接合同步時傳遞的轉矩；m為整車質量，單位為kg；f為滾動阻力系數；g為重力加速度；α為坡度角，在水平路面時，α=0；CD為空氣阻力系數；A為的迎風面積，單位為m2；ua為其行駛速度，單位為km/h；δ為旋轉質量轉換系數；dua/dt為行駛過程的加速度，單位為m/s2。

當離合器未完全接合即同步前傳遞的有效發動機轉矩為Tfc，Tfc為控制變量，帶入式（2），并對式（2）求導，可以得在平地起步時的沖擊如式（3）所示。

由此得知平地起步時，沖擊度 J的大小與自動離合器傳遞轉矩Tfc的變化率成正比。引入離合器傳遞轉矩隨其接合位置的變化率dTfc/dx，將其代入式（3）可得式（4）：

由式（4）可得，影響車輛起步的沖擊度的兩個關鍵因素：

（1）自動離合器接合位置，決定傳遞轉矩的大小和轉矩變化率；

（2）離合器的接合速度。

4 乘用車自動離合器性能實車實驗原理及系統組成

4.1乘用車自動離合器性能測試實驗系統原理

為了研究常用的自動離合器起步控制策略，根據乘用車自動離合器工作原理及其評價指標，以某款乘用車自動離合器為研究對象，設計了其性能測試實驗系統，該系統的工作原理如圖3所示。

圖3　自動離合器性能測試實驗系統原理圖

自動離合器性能測試實驗系統中在離合器分離杠桿的外臂分別安裝光電位置傳感器和加速度傳感器，如圖 4所示。利用光電位置傳感器測量離合器工作的整個過程中離合器接合位置的變化；利用加速度傳感器測量離合器工作過程中沖擊度的變化。并將光電位置傳感器與加速度傳感器的測量信號發送給數據采集卡，由數據采集卡對測量信號進行D/A轉換以及濾波后，通過USB接口將數據上傳至PC機，通過PC機內安裝的信號處理軟件進行數據的保存和處理。

圖4　傳感器安裝現場

4.2乘用車自動離合器性能測試實驗系統組成

乘用車自動離合器性能測試實驗系統如圖 5所示。由該圖可知，乘用車自動離合器性能測試實驗系統主要由實驗車輛、光電位置傳感器、加速度傳感器、數據采集卡和數據處理系統等組成，如圖5。

圖5　乘用車自動離合器性能測試實驗系統示意圖

（1）實驗車輛

實驗車輛如圖6所示，其整車技術參數如表1所示。

圖6　自動離合器車輛

表1　某款乘用車整車參數

（2）自動離合器

對實驗車輛所安裝的自動離合器進行離車實驗。在電控發動機實驗臺上采集發動機轉速、制動信號、發動機節氣門信號作為自動離合器信號輸入，人工操作輸入檔位信號、啟動信號，檢測自動離合器接合分離速度，如圖7。

圖7　自動離合器離車實驗

該款自動離合器在離車實驗中因發動機負載及節氣門開度都沒有變，發動機轉速保持在750r/min不變，自動離合器在ACS控制信號下在接合和分離實驗中速度均為勻速。而在負載不變的情況下改變節氣門開度，自動離合器系統仍然按照勻速進行接合和分離，如圖8所示。

圖8　自動離合器離車實驗接合與分離速度

其中，實驗車輛離合器膜片彈簧參數如表 2所示，彈簧尺寸如圖9所示。

表2　離合器膜片彈簧參數（mm）

圖9　離合器膜片彈簧尺寸圖

（3）傳感器

①光電位置傳感器

本次實驗采用光電位置傳感器來測量自動離合器分離杠桿位移時間曲線。激光位移傳感器OPTONCDT1300系列是一種專為在工業領域使用的精度比較高的傳感器，如圖10所示。

圖10　光電位置傳感器

由于使用了激光技術，則無論測量位移、距離、還是位置和角度，均能實現無接觸，抗干擾能力強且測量速度快、精度高。激光位移傳感器驅動電壓為24VDC，工作溫度為-20℃～70℃，線性量程為±50mm，測量的絕對誤差小于±0.2%，此外具有達到0.02%靜態分辨率，500Hz的測量頻率，輸出電流信號為4～20mA，輸出電壓信號為1～5V，電流消耗為50mA。該傳感器的驅動電路如圖11所示，光電位置傳感器標定曲線如圖12所示。

圖11　OPTONCDT1300驅動電路

圖12　光電傳位置感器標定曲線

②加速度傳感器

本次實驗采用加速度傳感器來測量車輛運行時自動離合器工作過程中產生的振動沖擊，加速度傳感器實物如圖13所示。

加速度傳感器內有壓電晶體片，將其與被檢測物體固連在一起的，當被檢測物體發生振動時，慣性作用會對壓電晶體片產生壓力使其發生形變，其晶體面或極化面上將有電荷產生，所產生的電荷數與壓力的大小成正比，從而實現將被測物體的振動量轉換成加速度傳感器的電壓信號。本次實驗采用DYTRAN 3055B2壓電式加速度傳感器，經實驗測試此傳感器當振動為25m/s3時，產生電壓為2.5V，如圖14所示。

圖13　加速度傳感器

圖14　加速度傳感器標定曲線

（4）數據采集卡

數據采集卡是采集傳感器測量信號的硬件，它能實現模擬信號向數字信號的轉換并發送給PC機存儲起來，數據采集卡DT9837如圖15所示。數據采集卡作為數據采集應用應具備的性能指標有：多路模擬信號輸入通道、前端信號預處理、模擬信號輸出、一定的精度和速率、簡單的數字I/O處理功能、與上位機通訊。

圖15　數據采集卡DT9837

DT9837美國生產的用于振動及噪聲信號等動態信號高精度采集的設備，其具備24位分辨率D/A轉換器，±10V的模擬輸出電壓，由USB驅動，每通道具備高達52.7KHZ的采樣率，可通過軟件編程觸發，從而進行模擬輸出操作，適合現場及實驗室使用。數據采集卡DT9837的參數如表3所示。

表3　數據采集卡DT9837參數

（5）數據采集和處理軟件

DEWEsoft7軟件是DEWEsoft公司開發的數據采集和處理軟件，已被廣泛應用于各種測試領域。軟件數據采集界面如圖16所示，本次實驗采用該軟件與數據采集卡DT9837配合使用。

圖16　DEWEsoft7軟件數據采集界面

5 乘用車自動離合器實車實驗與分析

根據GB/T19752—2005標準，以某款乘用車為對象，利用自動離合器性能測試實驗系統分別對車輛進行正常起步、半坡起步、急加速起步、倒擋起步四種工況下的自動離合器性能進行了實驗，獲取了不同工況下的自動離合器接合特性曲線。主要有：

（1）平地正常起步工況

圖17為車輛平地正常起步接合位移與振動幅值曲線。

由圖17可知，該自動離合器起步接合位移約為30mm，其起步對應的時間為 0.832s，其平地正常起步接合位移變化速率dx/dt與接合時間t關系如圖18所示。

圖18　平地正常起步接合位移變化速率

根據沖擊度表達式（3）可知，沖擊度J是dx/dt的函數，且J與dx/dt成正比關系。由圖18可知，在平地正常起步接合過程中，自動離合器的最大沖擊度出現在接合過程第 0.9s時刻上。由圖17中的自動離合器振動曲線可知，該自動離合器從開始接合到同步（離合器從動角速度與發動機角速度相等）所經歷時間△t（簡稱滑磨時間）約為2s。依據滑磨功W表達式（1）可知，在發動機角速度一定條件下，滑磨時間△t越大，其W越大。所以，通過圖17中的自動離合器振動曲線變化關系可推知，自動離合器起步控制策略對其滑磨功 W的影響較大。

（2）平地急起步工況

圖19為車輛平地急起步接合位移與振動幅值曲線。

圖19　平地急起步接合位移與振動幅值

由圖19可知，該自動離合器起步時間為0.667s，其平地急起步接合位移變化速率dx/dt與接合時間t關系如圖20所示。

圖20　平地急起步接合位移變化速率

由圖20可知，在平地急起步接合過程中，自動離合器的最大沖擊度出現在接合過程第1.4s時刻上。由圖19中的自動離合器振動曲線可知，該自動離合器從開始接合到同步所經歷時間△t約為1.5s。

（3）平地倒擋起步工況

圖21為車輛平地倒擋起步接合位移與振動幅值曲線。

圖21　平地倒擋起步接合位移與振動幅值

由圖21可知，該自動離合器起步時間為1.298s，其平地倒擋起步接合位移變化速率 dx/dt與接合時間 t關系如圖22所示。

圖22　平地倒擋起步接合位移變化速率

由圖22可知，在平地倒擋起步接合過程中，自動離合器的最大沖擊度出現在接合過程第1.4s時刻上。由圖21中的自動離合器振動曲線可知，該自動離合器從開始接合到同步所經歷時間△t約為1.0s。

（4）半坡起步工況

圖23為車輛半坡起步接合位移與振動幅值與時間的關系曲線。

圖23　半坡起步接合位移和振動幅值

由圖23可知，該自動離合器起步時間為1.298s，其半坡起步接合位移變化速率dx/dt與接合時間t關系如圖24所示。

由圖24可知，在半坡起步接合過程中，自動離合器的最大沖擊度出現在接合過程第1.5s時刻上。由圖23中的自動離合器振動曲線可知，該自動離合器從開始接合到同步所經歷時間△t約為1.5s。

圖24　半坡起步接合位移變化速率

通過對以上對自動離合器實車實驗的分析得到以下數據，表4所示。

表4　乘用車自動離合器性能實車實驗數據

由表4可知，在不同工況下的乘用車自動離合器起步時間不同，其中平地急起步時間最短，平地倒擋起步時間最長；大沖擊出現的位置以及最大沖擊度也是不相同的；滑磨時間的長短也是不同的，其中平地正常起步時間最短，平地倒擋起步時間最長。

本章節對乘用車自動離合器結構原理、工作過程以及性能評價指標進行分析，設計了自動離合器起步性能實車實驗系統。在自動離合器性能實車實驗的基礎上，對接合位移和振動幅值進行采集與分析。實驗發現不同工況下自動離合器起步時間不同，其中平地急起步時間最短，平地倒擋起步時間最長；而且大沖擊度出現的位置、最大沖擊度以及滑磨時間也是不相同的，需要對自動離合器控制系統控制策略進行合理設計。

[1] 何忠波,白鴻柏,孔慶春,等.基于駕駛員意圖的 AMT車輛控制研究[J].軍械工程學院,2005,17(3):24-28.

[2] 何忠波,李國章,張培林,等.起步過程中離合器半接合點的試驗研究[J].軍械工程學院學報,2002,14(2):43-47.

[3] 陳榮桐.機械式自動變速器的全電動離合器的開發[D].長春:吉林大學,2005.

Experiment and analysis on the performance of the automatic clutch of passenger vehicle

In order to study the passenger vehicle automatic clutch starting control strategy, first of all, for a passenger car clutch working principle and evaluation indexes are analyzed and studied; then, the car were working automatic clutch starting performance of real vehicle experiment; finally, the paper gives the automatic clutch starting control strategy can not meet the passenger comfort requirements of the conclusion.

Automatic clutch system;control strategy;vehicle test

U463.211

A

1008-1151(2015)07-0040-07

2015-06-12

李培龍（1983－），男，廣東省交通運輸高級技工學校汽車技術講師，研究方向為車輛控制。