AMT膜片彈簧離合器接合參數分析

詹長書，狄佳福

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

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AMT膜片彈簧離合器接合參數分析

詹長書，狄佳福

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

摘要：本文首先介紹AMT(Automated Mechanical Transmission)離合器特性，確定影響沖擊度和滑磨功的幾個主要因素，選取離合器接合控制的最佳控制參數，并對這些參數進行分析。采用模糊控制方法，建立AMT離合器動力學模型、沖擊度和滑磨功計算模型以及整車模型，利用simulink/MATLAB進行仿真，對仿真結果進行分析，為離合器接合規律的優化控制提供了理論基礎。

關鍵詞：AMT；離合器；接合參數；仿真

引文格式：詹長書，狄佳福.AMT膜片彈簧離合器接合參數分析[J].森林工程，2016，32(1)：54-48.

0引言

轎車和微型車普遍采用膜片彈簧離合器，膜片彈簧離合器的自動操縱可提高起步、換檔的平順性，延長離合器的使用壽命，大大減輕駕駛員的勞動強度，所以其具有重要的實用價值。其中，離合器的接合控制是實現AMT操縱自動化[1]的重點和難點。在起步接合過程中，離合器的控制目標是按照駕駛員的操作意圖運行。既要平穩沖擊度小，又要降低滑磨功，且保證發動機不熄火，這是最基本的條件。然而，這些目標之間是相互矛盾的。為了使車輛起步快且滑磨功小，要減少離合器接合時間，這樣就會造成沖擊度增加，甚至發動機熄火。如果起步慢，則離合器接合速度慢，起步平穩性好，但是滑磨時間過長，影響離合器的使用壽命。

1膜片彈簧離合器特性分析

1.1膜片彈簧離合器的負荷特性

膜片彈簧是離合器中的壓緊元件，其負荷特性決定了離合器的基本性能，負荷特性是指離合器壓盤壓緊力隨著壓盤位移變化的關系。繪制的膜片彈簧剖視圖如圖1所示。在碟簧的小端沿軸線方向加上負載，碟簧沿載荷方向變形量為λ。

圖1　膜片彈簧剖視圖Fig.1 The section view of diaphragm spring

離合器膜片彈簧變形量與負荷之間的關系式可表示為：

式中：E為彈性模量；R為大端半徑；r為小端半徑；μ為泊松比；h為厚度；H為彈簧高度。

1.2膜片彈簧離合器扭矩特性

離合器所傳遞的扭矩跟離合器的工作狀態有關，離合器工作過程分為3種工作狀態，不同工作狀態下的離合器傳遞的扭矩不同。

(1)全分離狀態，此狀態離合器摩擦片不接觸，系統傳動力處于中斷狀態，故不傳遞扭矩，即：

Tc=0。

(2)

(2)滑膜狀態，若離合器的各項參數一定，則其摩擦片的壓緊力和傳遞的扭矩成函數關系，其關系式為：

Tc=ZμRcf(ζ)。

(3)

式中：Tc=f(ζ)為軸向位移ζ與壓盤的壓緊力Fc的函數。

(3)充分接合狀態，膜片彈簧離合器滑磨結束以后，摩擦片繼續接合，直至壓緊狀態后停止。此時，離合器傳遞的扭矩為：

Tc=ZμRcRb1。

(4)

由以上分析知離合器扭矩傳遞公式為：

(5)

2離合器控制的目標及參數

2.1離合器的控制目標

離合器總體的控制目標就是在充分體現駕駛意圖的情況下，根據不同的車輛狀況和道路環境條件，盡量減小離合器接合時的沖擊度，并在此前提下盡快接合，以減少離合器接合時的滑摩功。離合器的控制原理[2]如圖2所示。

起步沖擊度[4]指的就是車輛起步時的縱向沖擊。沖擊度在汽車動力學中指的是其縱向加速度變化率，其計算公式為：

(6)

式中：v為車輛速度；r為驅動輪滾動半徑；為從動摩擦片角速度；a為縱向車輛加速度；ig為變速器齒輪傳動比；i0為主減速器齒輪傳動比；Ic為發動機傳動系作用到離合器從動軸上的轉動慣量；Tc為離合器所傳輸的轉矩。

根據以上公式在simulink/MATLAB中建立離合器接合沖擊度模型。

圖2　離合器控制原理圖Fig.2 The principle diagram of clutch control

發動機的動力是靠離合器的接合來傳遞的。在主、從動盤接合的過程中，會產生大量的熱。滑磨功[5]就是表征離合器摩擦片摩擦過程中由機械能轉化的熱能。因此，滑磨功是評價起步性能的另一個重要指標。滑磨功的計算公式為：

(7)

式中：Tc表示摩擦片傳遞的扭矩；ωe表示發動機運行角速度；ωc表示離合器從動盤的角速度，前一項表示車輛起步時離合器消耗的滑摩功，第二項表示離合器開始接合到同步消耗的滑磨功。

由滑磨功計算公式，在simulink/MATLAB中建立滑磨功計算模型。

2.2控制參數分析

車輛起步時，駕駛員的操縱意圖是通過油門踏板來體現的，除此之外，傳動系的運行狀態也會直接影響離合器的控制，因此還需研究與離合器接合過程緊密相關的其他控制參數[6]。其中包括：油門踏板開度β；油門開度α；發動機轉速n；中間軸轉速nc；車速v；離合器主從動盤轉速差nec。發動機轉速為最主要的影響參數，其他的起到參考作用。

2.2.1踏板開度β與接合速度的關系

離合器結合控制過程，主要由踏板開度來控制，其大小直接體現駕駛意圖。車輛踏板開度與結合速度關系如圖3所示。

當踏板開度β<10%時，稱為小油門，車輛為慢起步(爬行)工況；中油門，即10%<β<75%時，為正常起步；大油門，即β>75%時，為快起步工況。

圖3　車輛踏板開度與結合速度關系示意圖Fig.3 Relationship between pedal opening and joint speed

2.2.2油門開度α對接合量、接合速度影響

發動機輸出轉矩(功率)的大小由油門開度來體現，如果發動機輸出扭矩變化過快，則有可能導致發動機熄火，因此離合器接合速度的控制要和油門開度的控制相結合。油門開度與離合器接合量和結合速度關系如圖4所示。

圖4　油門開度與離合器接合量和結合速度示意圖Fig.4 Relationship between throttle opening and thejoint quantity and speed of clutch engagement

圖4中，Vcmax表示在沖擊度允許的范圍之內，離合器接合速度的最大值，α0表示油門開度在離合器接合時的最小值，即怠速。

2.2.3發動機轉速n對離合器接合的影響

根據發動機特性[7]可知，當油門開度一定時，發動機扭矩輸出量及其燃油消耗率和發動機的轉速之間的關系可用函數表示。即：

(8)

式中：ne為實際發動機轉速；nes為目標轉速。

其控制關系如圖5所示。

隨著發動機轉速的提高，滑摩功會相應增大，此時應增加接合量以防止發動機轉速過高。

2.2.4中間軸速度對接合的影響

中間軸是變速箱里的一根軸，軸本身與齒輪為一體，作用是將一軸和二軸連接，通過換擋桿的變換來選擇與不同的齒輪嚙合，使二軸能輸出不同轉速、扭矩。中間軸轉速的大小體現車輛的運行狀態。離合器結合時，中間軸轉速對離合器接合量及接合速度控制關系如圖6所示。

圖5　離合器結合量、接合速度與發動機轉速關系示意圖Fig.5 Relationship between joint quantity andspeed of clutch engagement with engine rotational speed

圖6　離合器接合量及接合速度與中間軸轉速控制關系示意圖Fig.6 The control diagram between clutch engagementand joint velocity with intermediate shaft speed

若中間軸轉速較高，應適當改變發動機轉速，降低發動機和中間軸轉速差。同時，在規定的沖擊度范圍內，需相應的增加離合器接合速度，防止發動機因轉速太低而抖動。

2.2.5主、從動盤轉速差對離合器接合速度的影響

主、從動盤轉速差較大時，離合器接合產生的沖擊度和滑摩功都較大，應適當減小接合速度；轉速差小時，較快的使離合器接合也不會產生大的沖擊；當轉速差為零時，離合器的接合速度對沖擊度沒有影響。其示意圖如圖7所示。

圖7　離合器接合速度與主從動盤轉速差控制關系示意圖Fig.7 The control diagram of master-slave clutch engagingspeed and the speed difference of driving disc and driven disc

總體來說，油門開度控制離合器接合速度，中間軸無轉速時，離合器開始第一次快速接合，隨著中間軸轉速逐漸增大，離合器緩慢接合。最后的快速接合階段通過主從動盤轉速差控制，其差值越小，離合器結合的越快，從而實現離合器接合的優化控制。

3整車動力學模型及仿真分析

3.1整車動力學模型的建立

在simulink/MATLAB中選擇合適的傳輸模塊[8-9]，并為每個模塊設置合適的參數。按照車輛動力傳遞方向，建立整車動力學模型。利用simulink/MATLAB建立的整車模型可視性強，操作也方便，且傳動系數據可以修改，可以更好地完成仿真分析。

3.2仿真模型的建立

將整車動力學模型與Simulink/MATLAB系統中建立的模糊控制器[10]進行整合，并且加入沖擊度以及滑磨功作為輸出量，建立AMT離合器整車控制模型，如圖8所示。

圖8　AMT離合器起步過程整車動力學控制模型Fig.8 The vehicle dynamics control model in AMT clutch starting process

3.3仿真實驗與結果分析

為了研究以上參數對沖擊度和滑磨功的影響，將油門開度作為輸入量，沖擊度和滑磨功作為輸出量，在不同的油門開度下，對離合器接合控制過程進行仿真分析。

(1)40%油門開度下的沖擊度和滑磨功如圖9所示。

(2)50%油門開度下的沖擊度和滑磨功如圖10所示。

通過對離合器沖擊度仿真結果分析可以看出，沖擊度伴隨整個滑磨階段。并且，在離合器接合時的接合點與半接合點處的沖擊度最大。這是因為離合器在半接合點處，需克服車輛由于起步產生的沖擊。同時，由于車輛的行駛阻力的變化，也會使離合器傳遞的轉矩不穩定。

(a)40%沖擊度下沖擊度和時間的關系

(b)40%沖擊度下滑磨功和時間的關系

通過離合器滑磨功仿真結果可以看出，從離合器接合滑磨開始，一直到離合器主、從動盤速度同步結束，都會產生滑磨功。同時可以看出，在大油門起步時，發動機的轉速會更高，離合器主、從動盤轉速差也會更大，從而會產生更多的滑磨功。

(a)50%沖擊度下沖擊度和時間的關系

(b)50%沖擊度下滑磨功和時間的關系

4結論

本文研究了離合器的負荷特性以及扭矩特性，分析了離合器接合時的三個不同階段；最后由離合器接合性能的評價指標[11-12]：沖擊度、滑磨功，確定了離合器接合目標。分析并確定了造成沖擊度、滑磨功的主要因素為發動機轉速、油門開度、踏板開度、車速、中間軸轉速和離合器主從動盤轉

速差，并以油門開度作為輸入量，沖擊度和滑磨功為輸出量，利用simulink/MATLAB進行仿真分析，為后續對離合器接合控制優化設計打下基礎。

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Bonding Parameter Analysis of AMT Diaphragm Spring Clutch

Zhan Changshu，Di Jiafu

(Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：This paper introduces the characteristics of AMT(Automated Mechanical Transmission)clutch，determines the major factors influencing the degree of impact and friction work.The optimal control parameters of clutch engagement control are selected and analyzed.Fuzzy control method is used to establish a dynamic model of AMT clutch，the degree of impact and friction work calculation models and the whole vehicle mode.Simulink/MATLAB is used to conduct simulation and the simulation results are analyzed，which has provided a theoretical basis for the optimization of clutch engagement control.

Keywords：AMT；clutch；engaging parameters；simulation

作者簡介：第一詹長書，博士，副教授。研究方向: 載運工具運用工程。E-mail：zhchsh3@sohu.com

基金項目：國家博士后科學基金面上項目(2013M541329)

收稿日期：2015-09-11

中圖分類號：U 463.211；s 776.032

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)01-0054-05