一種新型離合器執行機構的研究

摘要：汽車離合器的自動控制是實現電控機械式自動變速器（AMT）的核心之一。通過對各種離合器執行機構的對比分析，提出了氣液聯控離合器執行機構。基于氣動流體力學，建立該執行機構的數學模型，利用MATLAB/SIMULINK軟件進行該機構分離過程動態仿真分析。仿真結果表明：該執行機構滿足離合器分離過程要求。

關鍵詞：離合器；執行機構；氣液聯控

汽車離合器自動控制嚴重制約了電控機械式自動變速器（AMT）的研究進程。傳統的機械式離合器是駕駛人通過離合器踏板控制離合器的分離和結合。根據駕駛人的要求和離合器執行機構的深入研究，先后出現了彈簧助力式、氣壓助力式等機械離合器執行機構，顯著降低了駕駛人的操作強度。但是以上離合器執行機構只是部分減輕了勞動強度，仍需駕駛人頻繁地操作離合器執行機構。

實現離合器的自動控制，讓駕駛人從繁重的離合器操作中擺脫出來，這是所有駕駛人的期望和設計者的目標。為了實現離合器的自動控制，先后出現了電控氣壓式、電控液壓式和全電控式離合器。

電控氣壓式離合器受氣壓傳動位置控制、速度控制差等，難于實現離合器結合過程位置的精確控制。電控液壓式離合器能夠滿足汽車起步過程對離合器的要求，但必須有液壓源，而且液壓元件加工的精度要求非常高，加工工藝復雜，對液壓油品質、密封性和抗污染等性能要求高，還受溫度影響較大等。

全電控式離合器由直流電動機驅動，與電控液動的相比，具有結構簡單、控制靈活、對環境的適應強、工藝簡單、成本低及能耗小等優點；缺點是電動機的執行動作沒有液壓系統精確，而且選換擋的動作比較遲緩，輸出功率較小，對于選換擋速度不需要太快的情況下可以使用電動機驅動。

本文結合氣壓與液壓傳動的優缺點，在重型商用車上采用氣液聯合離合器執行機構，建立該機構的數學模型，運用MATLAB/SIMULINK進行氣液聯控離合器執行機構分離過程的動態分析。

氣液聯控離合器執行機構及其工作過程離合器氣液聯合離合器執行機構由氣液缸、氣壓閥、液壓單向閥、液壓可控節流閥、油杯和氣源等組成，具體如圖1所示。

該執行機構具體工作過程：離合器分離過程中，通過計算機控制氣壓閥打開，氣源與氣缸左腔接通，液壓單向閥工作，保證離合器快速分離；離合器結合過程中，計算機控制氣壓閥關閉，氣缸左腔與大氣相通，液壓單向閥關閉，傳感器檢測到離合器的位移反饋到計算機，計算機根據駕駛人的意圖控制液壓可控截流閥開口的大小變化來控制離合器的位移量。

氣液聯控離合器執行機構的數學模型

為方便建立描述氣液聯控離合器執行機構運動的數學模型， 對其的運動過程作出以下假設：

1）氣體為理想氣體， 滿足理想氣體狀態方程P=rRT。

2）氣缸進氣過程為等熵過程，排氣腔直接與大氣相連，其氣體壓力等于大氣壓力。

3）由于氣液缸的阻尼力和摩擦力變化對離合器執行機構影響較小，為了計算方便，取氣液缸的阻尼力和摩擦力為定值。

4）忽略由于氣體速度引起的氣體慣性力的影響，氣體只是以靜壓力形式作用于活塞。

5）系統與外界無熱量交換。

6）離合器膜片彈簧作用力的變化對離合器的分離過程影響不大，為便于計算，保證離合器快速分離，取膜片彈簧作用力的最大值。

1.進氣流量方程

在氣動技術中，經常將氣流所通過的各種氣動元件抽象成一個收縮噴嘴或節流小孔來計算，其進氣流量Qm1可用下列公式

式中 k——氣體絕熱指數；

R——氣體常數；

Ts——氣源氣體的溫度；

ps——氣源氣體的壓力；

Ae1——進氣口的有效斷面積；

p1——氣液缸氣壓部分左腔的氣體壓力。

2.氣壓部分的能量方程

（1）氣壓部分進氣腔能量方程 根據變7db3fcbb8065016022cfbd80c85ec929質量系統的能量方程可得出氣缸進氣腔能量方程

（2）

式中 Qm1——流入氣壓部分進氣腔氣體的質量流量；

A1——氣壓部分左腔活塞的截面積；

X——活塞位移；

X10——氣壓部分左腔余隙坐標。

（2）氣壓部分排氣腔能量方程 根據假設條件（2），可得出排氣腔能量方程

p2=pa （3）

式中 p2——氣壓部分排氣腔氣體壓力；

pa——大氣壓力。

3.氣液聯控離合器執行機構運動方程

當氣液聯控離合器執行機構水平安裝，只受慣性負載時，根據假設條件3）、4）、6）和牛頓第二定律，氣液缸活塞的運動方程為

（4）

式中 M——負載、活塞和活塞桿等的質量；

A2——氣壓部分右腔活塞的截面積；

FL——膜片彈簧作用到執行機構的最大值；

Ff——氣液缸的阻尼力和摩擦力。

氣液聯控離合器執行機構計算分析

1.氣液聯控離合器執行機構的基本尺寸的靜態確定

本文以某重型商用車為例，取氣源壓力ps=0.6MPa，執行機構行程為24.5mm，離合器膜片彈簧作用到執行機構的FL最大值=5200N。根據公式（5）和公式（6）靜態確定氣液聯控離合器執行機構的基本尺寸。

（5）

（6）

式中 F1——氣壓部分氣缸的實際壓力；

F2——氣壓部分氣缸的理論壓力；

h——氣壓部分氣缸的效率；

R1——氣壓部分氣缸活塞的半徑。

R1=56.5mm，查閱有關手冊，R1取=60mm，R2（活塞桿直徑）=18mm。

2.氣液聯控離合器執行機構的MATLAB/SIMULINK仿真模型

根據公式（1）～（4）建立的數學模型，以MATLAB/SIMULINK仿真軟件為平臺，根據上面的計算結果建立該機構的系統仿真模塊圖（見圖2），通過該仿真模塊可以方便地調整氣液缸的參數，動態顯示氣缸壓力和位移的變化。

3.氣液聯控離合器執行機構分離過程的動態仿真結果

仿真結果如圖3～圖6所示。根據圖3和圖4的結果可以得到，在氣壓部分活塞半徑不變的情況下，氣源壓力的大小對進氣腔的壓力變化和離合器行程影響較大。氣源壓力ps=0.7MPa時，進氣腔壓力變化波動較大，相應快，離合器在短時間內完成分離，但由于沖擊大，造成分離過程噪聲大，對零件的性能要求較高；氣源壓力ps =0.5MPa時，進氣腔壓力達到0.5MPa后，進氣腔壓力不變化，離合器不分離；相對來說，當氣源壓力ps =0.6MPa時，進氣腔壓力變化波動較小，離合器在規定時間內完成分離，沖擊小，對零件的性能要求不高。

根據圖5和圖6的結果可以得到，在氣源壓力的大小不變的情況下，氣壓部分活塞半徑對進氣腔的壓力變化和離合器行程影響較大。氣壓部分活塞半徑R1=62mm時，進氣腔壓力變化波動較大，離合器在短時間內完成分離，但由于沖擊大，造成分離過程噪音大，對零件的性能要求較高；氣壓部分活塞半徑R1=58mm時，進氣腔壓力達到0.6MPa后，進氣腔壓力變化較小，離合器不能在規定的時間內正常分離；相對來說，當氣壓部分活塞半徑R1=60mm時，進氣腔壓力變化波動較小，離合器在規定時間內完成分離，沖擊小，對零件的性能要求不高。

結語

1）從仿真圖形中可以看出，氣液聯控離合器執行機構能夠滿足離合器快速分離的要求，對實現離合器的自動控制意義重大。

2）SIMULINK是一個強大的軟件包，在氣液聯控系統仿真中只需要做數學模型的推導工作。用SIMULINK對設計好的系統進行仿真，可以預知效果，檢驗設計的正確性，為設計人員提供參考。

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