蔣立偉，朱 江，周 垚，葉新偉，普 剛

（東風(fēng)汽車有限公司 東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢430056）

硬件在環(huán)即是硬件在回路 （HiL，Hardware-inthe-Loop），硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)是以實時處理器運行仿真模型來模擬受控對象的運行狀態(tài)，通過I/O接口與被測的ECU連接，對被測ECU進行全方面的、系統(tǒng)的測試。

氣動AMT系統(tǒng)的性能主要取決于對離合器的控制精準(zhǔn)度，這需要做大量的研究和實驗，傳統(tǒng)的研究和實驗方法主要有離線仿真和實車調(diào)試兩種。離線仿真方便高效，但是實時性和準(zhǔn)確度較差；實車調(diào)試雖然實時性好，但是效率低、成本高，且具有一定的危險性。

為了解決這種矛盾，開發(fā)了離合器硬件在環(huán)系統(tǒng)，來代替離合器臺架和實車，進而對離合器進行大量的研究和實驗。

1 離合器硬件在環(huán)系統(tǒng)的組成

離合器硬件在環(huán)系統(tǒng)（見圖1），主要由dSPACE實時仿真系統(tǒng)、離合器被控對象模型和控制器三部分組成。

dSPACE實時仿真系統(tǒng)主要由dSPACE所提供的模塊化硬件組成。該組件系統(tǒng)主要包括處理器板卡和外圍I/O，擁有高效的計算和擴展能力。實驗時，模型下載到板卡實時運行。上位機與板卡通過網(wǎng)線進行通訊，完成模型下載、試驗管理、參數(shù)修改等操作。

離合器被控對象模型利用Matlab/Simulink搭建，編譯后下載到實時仿真系統(tǒng)中。物理模型的準(zhǔn)確性對結(jié)果影響很大，必須能準(zhǔn)確的模擬出實際狀況，提供正確的信號。

控制器用于運行控制策略，采用NI-USB6366控制器。該控制器除了可以完成控制任務(wù)外，也能通過USB接口同上位機通訊，利用上位機監(jiān)控控制器運行狀態(tài)。

2 被控對象建模

氣動AMT系統(tǒng)離合器機構(gòu)有兩部分組成，包括離合器執(zhí)行機構(gòu)和離合器本體。同時，還加上了簡化的發(fā)動機和整車模型。離合器執(zhí)行機構(gòu)是一個由電磁閥控制的氣缸，通過控制高壓氣體產(chǎn)生的推力。離合器本體以國產(chǎn)395膜片離合器為樣本進行建模。

2.1 離合器執(zhí)行機構(gòu)建模

離合器執(zhí)行機構(gòu)主要包括助力氣缸和與之相連的電磁閥組。電磁閥組由兩個進氣閥和兩個排氣閥組成，分別為快進、慢進、快排、慢排。執(zhí)行機構(gòu)工作原理如圖2所示。

對離合器執(zhí)行機構(gòu)建模時，輸入信號有5個，其中4個輸入為4個電磁閥的開通信號，另外一個輸入為離合器的分離特性；兩個輸出信號，即氣缸位移和分離軸承位移。離合器執(zhí)行機構(gòu)建模思路如圖3所示。

2.1.1 氣孔模型

電磁閥開通時，氣缸與儲氣罐或者外界空氣通過小孔相通，小孔的直徑即電磁閥孔的直徑，因此，電磁閥模型可以簡化為一個氣孔模型。當(dāng)氣孔打開時，通過氣孔兩側(cè)的大氣壓強和氣孔的橫截面積，即可計算出該氣孔的質(zhì)量流量。假設(shè)流經(jīng)氣孔的氣體為理想氣體，氣孔兩端溫度相同，且氣體流動的時候沒有熱傳遞，則氣體質(zhì)量流量計算公式如下。

式中：p0、p1分別為進氣口和出氣口的壓力；A為孔的橫截面積；T為環(huán)境溫度；R為氣體常數(shù)；對于空氣取 R=287 N·m（kg·K），x為等熵指數(shù)，對于空氣取x=1.4。

根據(jù)氣體質(zhì)量流量公式建立四個電磁閥的氣孔模型，將四個氣孔的流量相加，得到氣體質(zhì)量流量，單位kg/s，為正時表明進空氣流入氣缸，為負時表明空氣流出氣缸。

2.1.2 壓力模型

選取氣缸為對象進行分析，根據(jù)理想氣體狀態(tài)平衡方程，將氣體壓強P看做質(zhì)量與體積的函數(shù)，即：

式中：m為氣體質(zhì)量；V為氣體體積；T為氣體溫度；r為比例系數(shù)。將上式對時間t求導(dǎo)得：

2.1.3 活塞動力學(xué)模型

對活塞進行受力分析，忽略活塞運動過程中摩擦力的影響，則活塞主要受三個力的作用：氣缸內(nèi)高壓氣體的推力F1、離合器膜片彈簧的反作用力Fn、外界大氣產(chǎn)生的壓力F2。受力圖如圖4所示。

根據(jù)牛頓第二定律，求出活塞加速度：

式中：l0為活塞的初始位移。

離合器分離軸承位移與活塞位移成正比，比率即分離搖臂的杠桿比。

2.2離合器本體建模

離合器是一個較為復(fù)雜總成，建立其準(zhǔn)確的物理模型難度較大，且需要較多的參數(shù)。為在保證模型準(zhǔn)確性滿足要求的前提下，對一些小細節(jié)做了簡化處理。根據(jù)離合器動力傳遞路徑（見圖5）和離合器物理結(jié)構(gòu)，離合器建模主要分為三部分：壓盤模型、減震彈簧模型、從動盤模型。

2.2.1 壓盤模型

膜片彈簧是壓盤中的重要部件，膜片彈簧提供壓緊力，使摩擦片緊緊結(jié)合，從而傳遞扭矩。壓盤的受力特性如圖6所示。

可以看到，膜片彈簧是非線性的，且加載與卸載的受力特性有細微差別，在保證準(zhǔn)確性的前提下，對模型進行簡化，將加載和卸載的曲線簡化成一條曲線，進行查表，得到離合器的分離力。

摩擦片與壓盤間的正壓力決定了摩擦力所能傳遞的最大扭矩，在離合器完全分離前，正壓力與分離軸承位移近似為反比關(guān)系，因此，離合器能傳遞的最大扭矩可以近似看作分離軸承位移的一次函數(shù)。利用分離軸承的位移查表，得到離合器能傳遞的最大扭矩。

2.2.2 減震彈簧模型

減震彈簧可以等效為一個彈簧阻尼系統(tǒng)。其輸出扭矩可以表示為：

式中：k為彈簧剛度系數(shù)；D為阻尼系數(shù)；△α為摩擦片與從動盤的角度差；△ω為摩擦片與從動盤的轉(zhuǎn)速差。

2.2.3 從動盤模型

從動盤與變速箱輸入軸相連，將動力輸出，驅(qū)動汽車行駛。根據(jù)轉(zhuǎn)動定律可知：

式中：Tin為減震彈簧傳遞來的驅(qū)動扭矩；T′為變速箱傳遞來的阻力扭矩；J為從動盤的轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)式（10）建立從動盤的動力學(xué)模型，計算出離合器的輸出轉(zhuǎn)速。

離合器本體的simulink模型結(jié)構(gòu)如圖7所示。壓盤模型通過查表獲得膜片彈簧的力學(xué)特性；從動盤利用發(fā)動機輸入的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩和減震彈簧反作用的扭矩，計算出傳遞給減震彈簧轉(zhuǎn)速，以及摩擦力、摩擦功等數(shù)據(jù)；減震彈簧模型則根據(jù)從動盤輸入的轉(zhuǎn)速計算出輸出扭矩。

3 仿真

用Matlab/simulink建立離合器本體極其執(zhí)行機構(gòu)的物理模型，編譯后下載到dSPACE實時仿真系統(tǒng)之中，實時運行。

首先考慮分離軸承位移情況，分別使用快閥和慢閥，在不同占空比下控制離合器的分離結(jié)合，結(jié)果如圖8所示。

可以看到，位移曲線與實際情況基本一致。離合器最快分離時間為0.48 s，滿足最快分離時間小于0.5 s的要求。選擇不同的電磁閥，在不同的占空比下工作，可以獲得很寬的調(diào)節(jié)范圍。

下面通過車輛起步工況，分析離合器工作情況。汽車初始速度為0，發(fā)動機運轉(zhuǎn)，離合器分離，排氣閥開始工作，離合器開始結(jié)合。讓快排閥和慢排閥分別在100%、50%、15%三種占空比下工作，采集整車速度和離合器輸出的扭矩，結(jié)果如圖9所示。

圖中點劃線為汽車的速度，實線為離合器輸出的扭矩，轉(zhuǎn)矩的拐點表明離合器已經(jīng)鎖死，沒有相對摩擦，即圖垂直虛線之間的部分為離合器磨合階段?？梢钥吹剑ズ想A段最大加速度為1.58，最小為0.83，加速度越大沖擊也越大。對于卡車，最大加速度不宜超過1.2，因此，離合器結(jié)合過程應(yīng)當(dāng)稍慢。然而，為了使離合器盡快的結(jié)合，在非磨合階段分離軸承運動應(yīng)當(dāng)盡量快，即先快后慢再快的結(jié)合過程。

針對上述結(jié)合要求，對電磁閥的控制方式為：離合器磨合前，快排閥在100%占空比下工作，離合器磨合階段，僅慢排閥在15%占空比下工作；離合器磨合后，快排閥在100%占空比下工作，離合器完全結(jié)合。按照這種控制方式，對起步工況進行驗證，結(jié)果如圖10所示。

根據(jù)分離軸承位移可以很清楚看到先快后慢再快的結(jié)合過程，即圖中t1、t2、t3三個階段，分別為0.22 s、2.14 s、0.65 s，其中 t2為磨合時間。 離合器結(jié)合總時間為3.01 s，符合要求。在結(jié)合過程中，車速始終很平穩(wěn)，沒有大的波動，這表明這種控制是可行的。

4 結(jié)論

實現(xiàn)了氣動AMT離合器的硬件在環(huán)系統(tǒng)的開發(fā)。介紹了硬件在環(huán)系統(tǒng)的組成，結(jié)合物理結(jié)構(gòu)和理論公式對AMT系統(tǒng)的離合器及其執(zhí)行機構(gòu)進行建模，并進行了實時仿真，驗證了其準(zhǔn)確性。運行表明，利用dSPACE平臺建立硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)用于控制策略開發(fā)是可行的。

在離合器控制策略的開發(fā)過程中，需要大量的調(diào)試和試驗。建立一個準(zhǔn)確的物理模型，通過硬件在環(huán)來對控制策略進行調(diào)試和驗證，替代一部分實車調(diào)試，無疑使工作更輕松，也更有效率，是非常有意義的。

［1］ 王玉海，宋健，李興坤．離合器動態(tài)過程建模與仿真［J］．公路交通科技，2004，（10）：121-125．

［2］張為，王偉達，丁能根，等．基于dSPACE的ASR硬件在環(huán)仿真平臺開發(fā)及ECU性能試驗 ［J］．設(shè)計·計算·研究，2009，（10）：4-8．

［3］ 陳家瑞．汽車構(gòu)造［M］．北京：機械工業(yè)出版社．2008：10-38．

［4］李國勇，謝克明，楊麗娟．計算機仿真技術(shù)與CAD— 基于MATLAB的控制系統(tǒng) ［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2008：150-165．

［5］陳強，李聰聰，喻凡，等．基于AMESim的雙離合器變速器建模及其在Simulink中的仿真 ［J］．設(shè)計·計算·研究，2011（10）：33-37．