AMT車輛起步過程離合器控制研究

王浩，王克

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473009；2.唐山愛信齒輪有限責(zé)任公司，河北 唐山 063033）

引言

電控機械式自動變速器（Automated Mechanical Transmi-ssion,AMT）是在原來干式摩擦片離合器和定軸齒輪式分級手動變速器的基礎(chǔ)上增設(shè)電控換擋機構(gòu)改進形成。AMT具有動力傳遞效率高、油耗低，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜等優(yōu)點，在國內(nèi)有著良好的應(yīng)用前景。但是國內(nèi)自主研發(fā)的 AMT在推廣市場化中還有離合器起步控制等問題需要解決[1]。

本文以AMT在起步過程中的控制方法為主要研究內(nèi)容，對起步過程控制評價參數(shù)沖擊度、滑摩功和離合器結(jié)合階段特性進行了研究，提出了以模糊控制為根本的分時間段封閉反饋控制方法；開發(fā)了基于Freescale MC9S12DT128單片機的模糊控制系統(tǒng)，并用臺架試驗，驗證了控制方法的合理性。

1 離合器結(jié)合控制評價指標(biāo)

車輛在起步過程中的響應(yīng)時間、換擋過度、離合器的更換周期都與離合器的控制過程具有重要關(guān)系。在離合器結(jié)合時，既要車輛運行穩(wěn)定、沒有挫車感，還要保證離合器的耐用。所以，一般用沖擊度和滑摩功來評價離合器結(jié)合時，電控系統(tǒng)控制效果的優(yōu)劣。

（1）沖擊度

車輛起步時，運行平穩(wěn)性和挫車感的好壞是由沖擊度的大小來評價。沖擊度越小，起步就越慢；反之，沖擊度越大，車輛運行平穩(wěn)性越差，并有越強的頓挫感，因此沖擊度要恰到好處。沖擊度指車輛車身縱向加速度的變化率[2]：

式中a：車輛車身縱向加速度；u：車速。

汽車的行駛方程為[3]：

式中Ft：發(fā)動機輸出的驅(qū)動力；Ff：車輛輪胎所受滾動阻力；Fw：車身所受空氣阻力；Fi：坡度阻力；Fj：加速阻力。

通過等效換算即：

式中Tc：離合器傳遞的扭矩；ig：變速器的變速比；i0：主減速器的傳動比；η：傳動效率；r：車輪半徑；M：汽車質(zhì)量；CD：空氣阻力系數(shù)；A：迎風(fēng)面積；δ：汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)；G：車重。

在起步過程中Fw≈0，F(xiàn)i和Ff近似不變，由式(3)可得：

根據(jù)式(1)及(4)可得：

假設(shè)膜片彈簧壓力呈線性增加，則

式中 μs：離合器主從動摩擦片之間的滑動摩擦系數(shù)；z:離合器的摩擦面數(shù)；Rc：離合器壓盤有效作用半徑；kc：離合器線性近似剛度；x：膜片彈簧變形量。

由式(5)和(6)可得

由以上列式可知，沖擊度與車輛外形、重量等指標(biāo)和離合器零部件具體結(jié)構(gòu)尺寸以及離合器的結(jié)合速度有關(guān)，其中，車輛和離合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為固定的，因此沖擊度的大小就是由控制離合器的結(jié)合速度來實現(xiàn)。通常，沖擊度參數(shù)的最大值jmax為10m/s3， 由式(7)就能得到該車輛離合器可用的接合速度上限值。本文的臺架實驗和車輛實際測試不同，在最大結(jié)合速度根據(jù)標(biāo)定和計算相結(jié)合的方法，選定為9.76mm/s。

（2）滑摩功

滑摩功計算公式可以表示為[2]：

式中 ωe為發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速；ωc為離合器從動盤轉(zhuǎn)速。由式(8)可知，離合器滑摩功的大小與以下參數(shù)有關(guān)：

1）發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速，其值與滑摩功成正比；

2）外界阻力，其值與滑摩功成正比；

3）滑摩時間，其值與滑摩功成正比；

4）離合器主從動盤相對轉(zhuǎn)速差，只差值與滑摩功成正比。

2 控制方法

（1）離合器結(jié)合過程分析

離合器整個結(jié)合過程可分為空行程、半聯(lián)動邊轉(zhuǎn)邊滑過程和主從動盤同步三個階段，半聯(lián)動邊轉(zhuǎn)邊滑階段是控制重點，這一過程有以下三個子階段組成：初始起步階段、起步加速階段和趨于同步階段[2]。以上五個階段控制的目標(biāo)重點不完全一致：

空行程階段：該階段是從離合器主從動盤接觸開始到將要半聯(lián)動時為止，在該時間內(nèi)沒有產(chǎn)生沖擊，因此控制目標(biāo)是盡可能地減小結(jié)合時間，從而減小滑摩功。

初始起步階段：這是半聯(lián)動邊轉(zhuǎn)邊滑過程的第一階段。在該時間段內(nèi)離合器從動盤得到的摩擦力矩逐步增大，直至超過起步阻力矩從而開始轉(zhuǎn)動，車輛開始起步。該階段是起步控制的重點，如果在此時間段離合器從動盤所傳遞的扭矩增量過于迅速，就會引起車輛縱向加速度的快速增大，從而產(chǎn)生沖擊，需要根據(jù)離合器的磨損狀況、路面以及載荷情況等及時判斷半接合點位置，控制結(jié)合速度。

起步加速階段：該階段是指起步后到趨于同步前的時間段。該階段較容易產(chǎn)生滑摩功，控制重點是在初始起步階段末期，適量增大結(jié)合速度，使得離合器傳遞的扭矩和從動盤轉(zhuǎn)速能夠快速平穩(wěn)的增大，盡量耗時短地完成該階段，從而減小滑摩功。

趨于同步階段：該階段最大的特點是離合器主從動盤轉(zhuǎn)速趨于同步。該時間段內(nèi)主從動盤的相對轉(zhuǎn)速差值逐步減小為零，如果主從動盤同步過于急劇，會在主從動盤的同步點處引起強烈的扭矩擾動，就出現(xiàn)較大的沖擊現(xiàn)象，因此該時間段內(nèi)控制的重點是在起步加速階段末期適當(dāng)放慢結(jié)合速度，以使扭矩平緩變化，盡可能地避免較大的沖擊。

主從動盤同步階段：該時間段內(nèi)離合器主從動盤停止滑動摩擦，兩者接合為一個整體，沒有相對轉(zhuǎn)動，離合器所傳遞的扭矩大小不再按摩擦力矩大小來傳遞動力，而是按照行駛阻力大小來傳遞動力。該階段沒有滑摩功，也不會出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，因此控制重點是縮短該階段的時間。

（2）控制參數(shù)選取

根據(jù)以上分析，離合器結(jié)合過程的五個階段分別有不同的控制重點，根據(jù)沖擊度和滑摩功的控制要求，本文選用以下控制參數(shù)：

（3）多階段模糊封閉反饋控制方法

本文所研究的控制方法是根據(jù)不同時間段的控制重點差異，選取不同的被控參數(shù)和控制目標(biāo)，在空行程階段和同步階段采用定速結(jié)合；在初始起步階段、起步加速階段和趨于同步階段采用模糊封閉反饋控制，模糊控制流程如圖1所示。

圖1 分時間段模糊封閉反饋控制流程圖

當(dāng)達到預(yù)設(shè)起步條件情況下，在空行程階段和同步階段控制主從動盤以定速進行結(jié)合，目標(biāo)是縮短整個過程的接合時間，減小滑摩功；在初始起步階段，以控制半接合點附近的沖擊度為主要目標(biāo)，作為被控制參數(shù)，其理想值由標(biāo)定可得，因此，模糊控制器的一個輸入量是的實測值與理想值的偏差 sc，另一個輸入量是 sc的變化率；在起步加速階段以控制滑摩功為主要目標(biāo)，作為被控制參數(shù)，其理想值由標(biāo)定可得，因此，模糊控制器的一個輸入量是實測值與理想值的偏差 se，另一個輸入量是 se的變化率；在趨于同步階段，以控制同步點附近的沖擊度為主要目標(biāo)，作為被控制參數(shù)，的理想值由標(biāo)定可得，模糊控制器的一個輸入量是的實測值與理想值的偏差sec，另一個輸入量是sec的變化率；閉環(huán)控制器如圖2所示。

圖2 模糊封閉反饋控制器原理圖

模糊控制不再用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來描述系統(tǒng)的動態(tài)過程，而是依靠專家的豐富經(jīng)驗和知識，通過對輸入量的模糊化、模糊推理、輸出量的去模糊化就可以實現(xiàn)對被控對象的精確控制，具有非線性應(yīng)用方便，魯棒性好等特點。模糊控制能夠很好的模仿優(yōu)秀駕駛員的操作過程，充分解決了離合器起步的時間內(nèi)隨時變化、多種工況、非線性等復(fù)雜問題。

本文開發(fā)了基于Freescale MC9S12DT128單片機的模糊閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，該單片機內(nèi)部集成了模糊推理機，并且提供了專門的模糊控制指令，可以方便的開發(fā)模糊控制程序。對離合器的控制通過控制離合器的伺服電機的旋轉(zhuǎn)速度和方向來實現(xiàn)。

MC9S12DT128單片機規(guī)定隸屬函數(shù)采用梯形表示，模糊論域為[0，255]。根據(jù)前面分析對控制的要求，初始起步階段模糊控制器的輸入sc、及輸出u（結(jié)合速度）都分為七個等級，模糊語言變量選為{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大 }，對應(yīng)的模糊子集表示為{ NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB }。假定離合器接合的方向為正，分開的方向為負，則對于 u，NB表示快速分開，NM 表示中速分開，NS表示慢速分開，ZE表示暫停原位置，PS表示慢速結(jié)合，PM表示中速結(jié)合，PB表示快速結(jié)合，該階段的模糊控制規(guī)則庫為表1所示。

起步加速階段模糊控制器的輸入se和及輸出u都分為五個等級，模糊語言變量選為{負大、負小、零、正小、正大 }，對應(yīng)的模糊子集表示為{ NB、NS、ZE、PS、PB }，該階段的模糊控制規(guī)則如表2所示。

趨于同步階段模糊控制器的輸入sec和及輸出u都分為七個等級，模糊語言變量選為{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大 }，對應(yīng)的模糊子集表示為{ NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB }，該階段的模糊控制規(guī)則如表3所示。

表1 初始起步階段模糊控制規(guī)則

表2 起步加速階段模糊控制規(guī)則

表3 趨于同步階段模糊控制規(guī)則表

3 試驗研究

由計算和標(biāo)定可知，起步前階段和同步階段的結(jié)合速度是9.76mm/s，初始起步階段的理想值是30rad/s2，起步加速階段的理想值為 100rad/s2，趨于同步階段的理想值為40rad/s2。在此基礎(chǔ)上進行了離合器的起步結(jié)合控制試驗。本文分別進行了一檔起步和二檔起步試驗，結(jié)果如圖3和圖4所示：

圖3 一檔起步控制試驗

圖4 二檔起步控制試驗

由圖3可知，在1.4s時離合器從動盤轉(zhuǎn)速開始平穩(wěn)快速增加，在2.7s時到達同步點，滑摩時間為1.3s，整個起步結(jié)合時間為1.5s；在整個接合過程中最大沖擊度為8m/s3，其值小于沖擊度的控制標(biāo)準(zhǔn)10m/s3。由圖4可知，在1.15s時離合器從動盤轉(zhuǎn)速開始平穩(wěn)快速增加，在2s時到達同步點，滑摩時間為0.85s，起步過程接合時間為1.1s；在整個接合過程中最大沖擊度為 8.5m/s3，其值也小于沖擊度的控制標(biāo)準(zhǔn)10m/s3。對比以上兩組圖片，兩種工況下都實現(xiàn)了車輛的快速起步，二檔起步時間快于一檔起步，更適合于輕載快速起步；空行程和同步階段這兩個時間段內(nèi)離合器主從動盤是定速結(jié)合，縮短整個過程的結(jié)合時間，減小滑摩功；滑摩過程的初始起步階段和趨于同步階段結(jié)合速度比較小，是為了減小主從動盤半接合點附近和同步點附近的沖擊度；起步加速階段接合速度增大，能夠減小滑摩功，結(jié)合速度的變化符合控制策略的要求；在半接合點附近離合器沖擊度最大，隨之慢慢減弱，接下來有一段明顯的波動，在同步點附近又突然增大，整個變化過程和前面的分析相吻合，這個控制策略實現(xiàn)了對最大沖擊度的控制，符合控制標(biāo)準(zhǔn)，能夠適合車輛平穩(wěn)起步。

4 結(jié)論

AMT車輛起步過程對離合器的控制是一個較復(fù)雜的控制問題，由于起步時，各個控制目標(biāo)既統(tǒng)一又有矛盾性，需要把握好適當(dāng)?shù)亩?，而且起步工況時參數(shù)復(fù)雜多變，給離合器控制增加了很大的難度。本文通過對沖擊度、滑摩功、離合器結(jié)合特性的深入分析，劃分出離合器主從動盤在結(jié)合過程不同階段分別確定的控制重點，提出了分階段模糊閉環(huán)控制策略，根據(jù)不同階段的控制重點的差異確定了各個階段不同的控制參數(shù)，開發(fā)了基于Freescale MC9S12DT128單片機的模糊封閉反饋控制系統(tǒng)，進行的臺架試驗，驗證了本文模糊封閉反饋控制方法對車輛起步時間段的離合器沖擊度和起步時間的有效控制，可以實現(xiàn)車輛的穩(wěn)定快速起步。

[1] 陳運星,馬強.無動力中斷電控機械式自動變速器換擋特性研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程, 2016,54(5): 1-7.

[2] 賈元華, 周立元. 自動變速器模糊換擋及其控制理論研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程, 2005,12(4): 33-36.

[3] 熊光欏等.控制系統(tǒng)仿真與模型處理.科技出版社,1993:87～92

[4] 王望予.汽車設(shè)計[M].4版.北京:機械工業(yè)出版社,2004:209-210.

[5] Heath R,Child A,Zeroshift.A seamless automated manual transmissi-on(AMT)with no torque interrupt[J].SAE Technical Paper 2007-01-1307,2007,doi:10.4271/2007-01-1307.