汽車離合器IPPD方法研究

嚴正峰，侯林子，韓 瑱，白先旭

（合肥工業大學汽車與交通工程學院，安徽合肥 230009）

汽車離合器是汽車傳動系統的重要起步元件。隨著油耗和污染物排放要求日趨嚴格，新能源汽車和更加先進、高效的汽車傳動技術得到快速發展。然而，目前摩擦式汽車離合器因其效率及結構特點，在機械式自動變速器（automated mechanical transmission，AMT）、雙離合變速器（double clutch transmission，DCT）和專用混合動力變速器（dedicated hybrid transmission，DHT）中仍得到廣泛應用。

許多學者對汽車傳動系統及汽車離合器的設計理論、建模方法和動力學分析等進行了研究。Li等[1]對汽車傳動系統和離合器建立了動力學模型。萬里翔等[2-3]建立了膜片彈簧的工作位置和波形彈簧的軸向剛度與離合器分離力—分離位移特性之間的關系，并且建立了膜片彈簧和波形彈簧的力學計算公式。上述研究將汽車離合器的工作狀態分為3種：滑磨狀態、完全接合狀態和完全分離狀態，將汽車離合器在動作過程中的接合與分離階段統一以滑磨狀態來考慮。雖然該2個階段都屬滑磨狀態，但因制造公差導致離合器在接合與分離的過程中存在進程與回程的遲滯，其特性有所變化，應分開討論。在起步和換擋過程中，離合器有4個階段：接合狀態、分離過程、分離狀態、接合過程。同時離合器接合與分離速度、摩擦片材料等都會影響離合器的接合與分離特性。因此，應平衡轉矩傳遞能力與踏板操縱特性，通過權衡尋優來滿足整車傳動系統的要求。

針對傳動系統的建模方法較多，有圖論方法、凱恩方法、旋量方法、最大數量坐標法和變分方法，相關研究中采用較多的是凱恩方法，得出一階微分方程形式的運動方程。常常采用鍵合圖方法確定車輛傳動系統的動力學方程，考慮車輛動力系統與傳動系統的結合關系，建立符合車輛傳動要求的車輛動力學模型。Josˇko等[4]概述了先進的汽車變速器和傳動系統的鍵合圖模型，以及基于機電執行器的濕式和干式離合器執行系統模型，表明采用鍵合圖方法可以有效研究系統的動力學結構和行為。王濤等[5]運用鍵合圖理論構建了電動汽車電機驅動系統的鍵合圖模型，并推導出該系統的狀態方程，表明應用鍵合圖理論對系統進行仿真能較好地反映系統的動態特性和整車性能。

針對集成產品工藝設計（integrated product and process design，IPPD），美國國防部于1998年8月發布了集成產品工藝手冊，涉及質量功能展開（quality function deployment，QFD）、面向制造/裝配的設計（design for manufacturing and assembly，DFMA）、減少變量（variable reduction，VR）、Taguchi田口方法、實驗設計（design of experiment，DOE，）、6 sigma等設計工具[6]。Bejgerowski等[7-8]運用IPPD 方法進行了撲翼驅動機構和飛機配置的設計。羅潤[9]探討了基于 QFD、TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，發明問題解決理論）、DOE的產品設計方法在工程實際中應用的可能性。馮培恩等[10]針對在復合功能產品概念設計循環求解過程中映射模式單一的問題，提出了復合循環求解過程。龐繼紅等[11-12]開展了數控機床精度設計質量特性反向映射的研究，對該映射關系進行了量化，從而建立了主運動性能與二級運動性能之間的映射變換矩陣。鄧軍等[13-14]建立了產品質量與過程質量的映射模型，引入可拓理論對產品質量和過程質量進行可拓描述，并以公理設計為指導框架，以功能需求分析為出發點，提出了一種產品平臺設計新方法。鄭浩等[15-16]提出了基于性能演化的復雜產品概念設計求解過程的模型及實現方法，在魯棒公差設計、并行公差設計、功能需求與設計參數的設計關聯矩陣及由性能演化驅動的產品概念設計過程等方面進行了研究。

IPPD在大批量生產的汽車產品領域的應用研究還不多。現有優化方法較少考慮制造工藝、統計過程、分析過程中的成本約束。通過對離合器膜片彈簧、摩擦片、波形彈簧等關鍵零件的產品特性研究發現，工藝對離合器這些關鍵零件的產品性能如膜片彈簧的力學特性、摩擦片的摩擦因數等影響較大。在汽車離合器批量生產中因工藝方案/工藝參數變化引起的制造及裝配公差和在其生命周期內尺寸的變化會對其轉矩傳遞能力和踏板操縱特性產生影響，產品制造及裝配公差會引起滯后力，從而導致動摩擦力矩發生變化。因此，須建立一套系統的、涵蓋用戶域—功能域—物理域—過程域的多層次交互效應的汽車離合器IPPD理論和方法。

本文以汽車離合器為研究對象，以汽車動力學和優化設計理論為基礎，結合IPPD理論，運用技術鑒定、評估和選擇（technology identification，evaluation and selection，TIES）方法和穩健設計仿真（robust design simulation，RDS），首先建立汽車離合器IPPD方法，包括工藝設計流程、汽車離合器轉矩傳遞能力和踏板操縱特性的分析，汽車離合器功能與產品特性/公差映射關系、汽車離合器產品特性及工藝參數公差（以下簡稱產品特性/公差）與工藝方案及工藝參數的映射關系的建立，然后基于MATLAB/Simulink進行建模仿真及參數優化分析方法設計，最后設計實驗方案來驗證汽車離合器IPPD方法。

1 汽車離合器IPPD方法

汽車離合器IPPD方法如圖1所示。其中涉及較多技術管理和工具，包括數據共享和集成化數據模型。為了滿足產品開發的功能及實現對開發成本和周期的控制，須建立開發框架，確定合理的開發流程，并對關鍵環節展開研究，如產品特性/公差對性能的影響、產品特性/公差與工藝的映射關系等。產品設計采用的系統工程方法、工藝設計采用的質量工程方法、CAD/CAE/CAPP/CAM（computer aided design/computer aided engineering/computer aided process planning/computer aided manufacturing）集成以及自頂向下的設計決策支持程序構成了汽車離合器開發框架的主干，通過多層次正反向映射，建立基于產品特性/公差、工藝方案及工藝參數、過程能力的系統功能特性（轉矩傳遞能力、踏板操縱特性）的集成化設計方法。

1.1 汽車離合器IPPD流程

汽車離合器IPPD流程框圖如圖2所示。針對期望的功能需求，采用功能—特性—工藝—過程能力的迭代映射方法，建立功能—特性—工藝—工藝參數的開發分解模型及公差映射關系，進行功能權衡尋優以及總成產品特性/公差、零件產品特性/公差、工藝方案、工藝參數及公差的優化，建立產品特性/公差并行設計的集成化公差分析過程模型，建立期望特性的動態模型。

圖2 汽車離合器IPPD流程框圖Fig.2 IPPD flow chart of automobile clutch

通過工藝參數的產生、傳遞、分解、轉換，建立汽車離合器轉矩傳遞能力、踏板操縱特性與產品特性/公差、工藝方案及工藝參數之間的關系。

1.2 汽車離合器轉矩傳遞能力和踏板操縱特性的分析

從汽車離合器轉矩傳遞能力和踏板操縱特性的角度，系統考慮汽車離合器主動部分和從動部分的共同作用，分析膜片彈簧、摩擦片、波形彈簧等關鍵零件的性能參數及公差對轉矩傳遞能力和踏板操縱特性的影響。

采用功能結構分解方法建立物場模型。考慮逆映射，采用TRIZ理論中的套疊法、提取法和逆向工作法等產生多個方案，運用理想化法則，使用標準解、效應庫、專利庫和專家系統等知識工具來解決系統問題，提高系統理想度以推動系統向理想化方向進化。采用模糊聚類分析方法建立特征矩陣，將推理定量化，以便于計算。技術方案確定、評價和選擇的流程如圖3所示。采用鍵合圖建立汽車動力總成系統和汽車離合器框圖，并建立汽車離合器模型及其分階段的力學模型；考慮到在其生命周期內磨損對離合器接合與分離特性的影響，針對離合器壓盤升程、蓋總成負荷和分離力的要求，提出汽車離合器扭矩傳遞能力與踏板操縱特性之間的平衡方案。建立汽車離合器在工作過程中系統動力學、摩擦學和傳熱學聯合動態仿真模型，揭示在熱摩擦環境中汽車離合器工作品質和使用壽命的影響因素及其作用機理，并對產品特性參數進行調整和優化。通過優化汽車離合器產品特性/公差，滿足批量裝車的動力系統功能匹配要求。

圖3 技術方案確定、評價和選擇的流程Fig.3 Process of technical scheme determination,evaluation and selection

首先建立汽車離合器摩擦力矩和踏板分離特性的力學分析模型，分析膜片彈簧壓緊力、波形彈簧負荷—變形的軸向壓縮特性對離合器主從動部分的影響。分析摩擦片摩擦因數與循環次數、溫度、接合速度、對偶件的表面質量等的變化關系，根據工況確定摩擦因數的變化；分析熱影響對摩擦片作用半徑的影響。

典型汽車離合器及其操縱機構如圖4所示。汽車離合器包括主動部分（蓋總成）和從動部分（從動盤總成），通過操縱機構實現主、從動部分接合與分離，實現轉矩的傳遞與切斷。

圖4 典型汽車離合器及其操縱機構Fig.4 Typical automobile clutch and its operating mechanism

典型汽車離合器蓋總成工作特性曲線如圖5所示[17]。以膜片彈簧離合器為例，其工作過程分為接合狀態、分離階段、分離狀態和接合階段。由圖5（a）可知，因為制造和裝配公差等影響，離合器負荷特性曲線在分離階段和接合階段存在滯后值，隨著離合器使用磨損，接合點會沿曲線向左端移動。由圖5（b）可知：在離合器分離開始時，分離軸承開始向膜片彈簧的分離指施加載荷，此時，膜片彈簧的大端尚未變形，壓盤不會產生軸向運動，但分離力逐漸變大；當分離力達到峰值時，膜片彈簧將支撐環作為支點使其大端變形，從而使壓盤朝著膜片彈簧軸向移動，即壓力板開始抬起；分離行程越大，壓盤升程越大。

圖5 典型汽車離合器蓋總成工作特性曲線Fig.5 Working characteristic curve of typical automobile clutch cover assembly

采用鍵合圖方法建立汽車及離合器動力傳動系統鍵合圖，如圖6所示。圖中：Te、Tc、Tt分別為發動機、離合器、變速器的轉矩；ωe、ωc、ωt分別為發動機、離合器、變速器的轉速；Tdl、Tdr分別為左、右差速器的轉矩；Tal、Tar分別為左、右傳動軸的轉矩；ωdl、ωdr分別為左、右差速器的轉速；ωal、ωar分別為左、右傳動軸的轉速；Fl、Fr分別為左、右車輪的驅動力；ν為車速；Rcv為離合器摩擦片阻尼；Rcd為離合器減振片阻尼；Cc為離合器柔度；Ic為離合器轉動慣量。汽車離合器傳遞轉矩與離合器蓋總成負荷特性、從動盤總成軸向壓縮特性、摩擦因數、擦片作用半徑和摩擦副數量相關。對應于離合器的接合狀態和滑磨狀態，摩擦因數分為靜摩擦因數和動摩擦因數。踏板操縱特性與離合器蓋總成分離特性、從動盤總成軸向壓縮特性和操縱系統的設計相關。

圖6 汽車及離合器動力傳動系統鍵合圖Fig.6 Bonding diagram of power transmission systems of automobile and clutch

1.3 汽車離合器功能與產品特性/公差的映射關系

結合汽車離合器的特點，通過功能—行為—結構（function-behaviour-structure，FBS）模型建立功能與產品特性/公差的循環映射關系。考慮到離合器性能與產品特性、零件特性存在反向映射，通過構建離合器形態學矩陣與產品結構矩陣實現滿意可行解推理映射，采用改進的TOPSIS（technique for order preference by similarity to an ideal solution，逼近理想解排法）和QFC方法得到理想解。

對汽車離合器的膜片彈簧、摩擦片和波形彈簧進行三維建模及力學特性分析。提出基于膜片彈簧關鍵尺寸公差的A-L（Almen-Laszlo）法修正計算公式；摩擦片的摩擦因數隨溫度、速度、對偶件表面粗糙度的變化而變化，對其變化特性進行分析，確定其對轉矩傳遞能力的影響；對波形彈簧的材料、厚度、波形、硬度進行分析，研究其與軸向壓縮特性的映射關系。

膜片彈簧如圖7所示。其基于主要尺寸公差變化的負荷和分離特性曲線如圖8所示[17]。通過分析確定影響膜片彈簧性能的主要尺寸，分析膜片彈簧的厚度、錐角等的公差對負荷特性和分離特性的影響。

圖7 膜片彈簧Fig.7 Diaphragm spring

圖8 膜片彈簧基于主要尺寸公差變化的負荷和分離特性曲線Fig.8 Load and separation characteristic curve of diaphragm spring based on main dimensional tolerance change

以某款摩擦片為例，摩擦片的摩擦因數隨離合循環次數和溫度的變化曲線如圖9所示。由圖可知：在離合器磨合過程中，隨著離合循環次數的增加，摩擦片的摩擦因數逐漸增大；在溫度低于350℃時摩擦因數隨著溫度的升高緩慢減小，當溫度為380～390℃時隨著溫度的升高急劇減小。摩擦因數的影響因素還包括夾緊力、接合速度、對偶件表面質量等，限于篇幅，在此不展開討論。

圖9 摩擦片的摩擦因數隨離合循環次數和溫度的變化曲線Fig.9 Variation curve of friction coefficient of friction plate with the number of dutch cycle and temperature

波形彈簧如圖10所示。其為非線性彈性元件，工作特性與彈簧材料、厚度、波形及硬度相關。波形彈簧的軸向壓縮特性如圖11所示。由圖可知，軸向壓縮量隨載荷的增大而增大；因是薄殼彈性件，其軸向壓縮量隨載荷的變化曲線呈現非線性。

圖10 波形彈簧Fig.10 Wave spring

圖11 波形彈簧軸向壓縮特性Fig.11 Axial compression characteristics of wave spring

將基于成本、性能優化的機床過程能力作為約束條件，將公差的區間不確定模型引入汽車離合器傳遞轉矩和操縱特性的動力學分析模型，并基于考慮公差的區間優化模型對離合器的產品特性進行優化，對特性值和公差分別建立函數關系式，采用公差評價系數和敏感性進行分析。

采用TRIZ理論和公理設計的方法，結合汽車離合器形態學矩陣與產品結構矩陣的構建，實現滿意可行解推理映射，利用QFD與失效模式及影響分析相結合的模型，建立QFD流程圖。引入一種結合層次分析法和粗糙TOPSIS理論的方法，利用QFD對產品設計進行矩陣展開，確定相應零件特性的重要度，實現產品設計中關鍵質量特性提取和關聯權重計算，確定理想的設計值和公差，從而提高設計產品的可靠性，以保證轉矩傳遞能力和踏板操縱特性滿足要求。考慮到工藝方案及工藝參數的變化對映射的影響，須建立一個信息接口進行影響反饋分析。

1.4 汽車離合器產品特性/公差與工藝方案及工藝參數的映射關系

采用基于公差的可拓理論和過程矩陣圖求解汽車離合器產品特性/公差與工藝方案及工藝參數的映射關系。主要針對膜片彈簧、摩擦片、波形彈簧進行產品特性/公差與工藝方案及工藝參數的映射關系研究，從而建立離合器轉矩傳遞能力和踏板操縱特性與工藝方案及工藝參數的關系，保證在規定的工藝方案及工藝參數條件下批量生產的產品都能滿足性能要求。汽車離合器產品工藝矩陣如圖12所示。

圖12 汽車離合器產品工藝矩陣Fig.12 Product process matrix of automobile clutch

膜片彈簧、摩擦片和波形彈簧具有多特性指標，其每一指標及其變動范圍由工藝方案、工藝過程參數及過程能力綜合決定。須建立膜片彈簧、摩擦片和波形彈簧的產品特性與工藝方案及工藝參數的映射關系，結合統計過程分析方法分析過程能力，建立循環映射模型，通過算法優化工藝路線，通過均勻試驗優化工藝參數及其范圍。確定膜片彈簧、摩擦片和波形彈簧的工藝過程。根據其性能-工藝特性矩陣圖，確定膜片彈簧負荷特性與工藝參數的映射關系，開展公差分析；確定摩擦片摩擦因數與工藝參數的映射關系，通過摩擦特性正交試驗與回歸分析確立合理的工藝參數及其變化范圍；確定波形彈簧軸向壓縮特性與工藝參數的映射關系。

產品特性與工藝參數的映射關系如圖13所示。

圖13 產品特性與工藝參數映射關系Fig.13 Mapping relationship between product characteristics and process parameters

利用機器學習算法對基于工藝原則約束的工藝路線進行優化決策，開展面向產品特性適配的工藝方案生成及工藝參數優化，考慮各種加工方法的工序能力，合理優化人、機、料、法、環，在獲得穩健公差的條件下確定各工序經濟的工序過程能力指數，確定工藝參數水平值及容差。考慮到汽車離合器由蓋總成、從動盤總成共同構成，而蓋總成負荷特性與裝配工藝直接相關，因此須進行裝配公差分析，建立多個零件裝配的公差數學模型，并采用極值法、統計法進行公差分析。

2 基于MATLAB/Simulink建模仿真及參數優化分析方法

利用MATLAB/Simulink軟件建立汽車離合器在工作過程中的系統動力學、摩擦學和傳熱學聯合動態仿真模型，揭示在熱摩擦環境中離合器工作品質和使用壽命的影響因素及其作用機理，通過對產品特性參數調整和優化的仿真分析，確定合理的產品特性/公差。根據如圖8所示的基于公差的膜片彈簧負荷/分離力—位移特性編制分析軟件，來分析、優化膜片彈簧的特性參數及其公差范圍。進行工藝方案優化設計和基于工序能力的公差敏感性分析，建立離合器產品特性/公差與工藝方案及工藝參數的關系模型，通過統計過程分析建立基于工序能力的穩健公差設計方法，建立多因素、多水平敏感矩陣，采用專業軟件進行仿真分析優化。采用如圖14所示的穩健性設計仿真路線，進行穩健性設計仿真。通過技術輸入、物理建模、工藝及過程建模，同時考慮設計環境約束、經濟及成本約束、學科不確定性、技術性能及進程風險的影響，進行仿真并綜合分析，最后得到滿足要求的優化結果。

圖14 穩健性設計仿真路線圖Fig.14 Robust design simulation roadmap

3 實驗方案設計

為確定離合器膜片彈簧負荷特性、摩擦片摩擦因數及波形彈簧軸向壓縮特性與工藝參數的映射關系，進而建立離合器轉矩傳遞能力和踏板操縱特性與工藝方案及工藝參數的關系，完善離合器產品特性/公差與工藝方案及工藝參數的映射關系，完善離合器產品工藝矩陣，進行離合器產品特性的實驗測試是必要的。根據GB/T 5764—2011、QC/T 25—2014、QC/T 27—2014的規定和大眾VW103標準進行汽車離合器產品特性的測試。

采用圖15所示的摩擦片試驗機來測定摩擦片的摩擦因數隨離合循環次數、溫度、接合速度、夾緊力、對偶件表面質量的變化規律。通過調整工藝方案及工藝參數，測試其對摩擦因數的影響，確定摩擦因數與工藝參數的映射關系。通過摩擦特性正交試驗與回歸分析確立合理的工藝參數變化范圍。摩擦片摩擦因數與溫度的關系曲線如圖16所示。

圖15 摩擦片試驗機Fig.15 Friction plate tester

圖16 摩擦片摩擦因數與溫度關系曲線Fig.16 Relation curve between friction coefficient of friction plate and temperature

采用圖17所示的波形彈簧軸向壓縮測試設備測定波形彈簧軸向壓縮特性曲線，測試其在公差范圍內材料厚度、硬度對軸向壓縮特性的影響。波形彈簧軸向壓縮特性受淬火、回火成形等工序的工藝參數及變動范圍綜合影響，須確定其與淬火/回火溫度、冷卻速度、回火成形壓力及保壓時間等工藝參數之間的映射關系。波形彈簧軸向壓縮位移與軸向載荷的關系曲線如圖18所示。

圖17 波形彈簧軸向壓縮測試設備Fig.17 Wave spring axial compression testing equipment

圖18 波形彈簧軸向壓縮位移與軸向載荷的關系曲線Fig.18 Relation curve between axial compression displacement and axial load of wave spring

分別采用如圖19、圖20所示的汽車離合器綜合性能測試設備和踏板操縱特性測試設備測試離合器的傳遞轉矩和踏板操縱特性。汽車離合器轉矩曲線和踏板操縱特性曲線分別如圖21、圖22所示。

圖19 汽車離合器綜合性能測試設備Fig.19 Automobile clutch comprehensive performance testing equipment

圖20 汽車離合器踏板操縱特性測試設備Fig.20 Automobile clutch pedal control characteristic testing equipment

圖21 汽車離合器轉矩曲線Fig.21 Automobile clutch torque curve

圖22 汽車離合器踏板操縱特性曲線Fig.22 Automobile clutch pedal control characteristic curve

4 總 結

本文提出了汽車離合器IPPD方法，包括以下幾個方面：

1）提出了汽車離合器功能—產品特性/公差—工藝方案及工藝參數—過程能力的多層次映射方法。為提高離合器設計精度和可靠性提供支撐。利用該方法可以進行功能權衡尋優，以及總成和零件產品特性/公差、工藝方案和參數的優化。

2）建立了汽車傳動系統和離合器動力學模型，揭示了汽車離合器蓋總成、從動盤總成共同作用的機理，建立了功能—產品特性/公差的映射模型，表述了功能與產品、關鍵零件特性/公差的關系，以滿足批量裝車的動力系統功能匹配要求。

3）形成工藝方案生成及優化、工藝參數及其范圍優化的解決方案，建立產品特性/公差—工藝方案及工藝參數的映射模型，表述產品、關鍵零件特性/公差與工藝方案及工藝參數的關系，從而保證在規定工藝方案及工藝參數范圍內批量生產的產品都能滿足性能要求。

4）建立了建模仿真及參數優化分析方法，并設計了實驗方案，驗證了基于功能—特性—工藝及過程能力的汽車離合器IPPD方法的正確性。