劉 欣，周厚金，趙甜甜，尚玄清

（大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116024）

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）作為自動(dòng)變速器主要方式之一，以其傳動(dòng)效率高、成本低和易于制造等優(yōu)點(diǎn)，非常適合我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展需要。離合器控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)械變速器(A M T)的關(guān)鍵技術(shù),也是決定自動(dòng)機(jī)械變速器車(chē)輛起步、換檔過(guò)程品質(zhì)的重要因素。然而，對(duì)離合器操作系統(tǒng)在離合器自動(dòng)分離與接合過(guò)程中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)的快速性、位置控制精度性都有嚴(yán)格的要求。因而，對(duì)離合器自動(dòng)離合操縱系統(tǒng)的控制方法研究及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，即對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要。目前，根據(jù)動(dòng)力源的不同，離合器自動(dòng)離合操縱系統(tǒng)可分為電控液動(dòng)式、電控氣動(dòng)式、電控電動(dòng)式[1-3]等類(lèi)型。在對(duì)離合器控制規(guī)律深入分析的基礎(chǔ)上結(jié)合氣動(dòng)控制特點(diǎn)，以及結(jié)合重型商用車(chē)自身帶有氣源，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種新型的商用車(chē)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)包含兩部分，分別為離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械主體部分設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)。如圖1所示。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 The clutch actuator structure diagram

離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械主體部分的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括步進(jìn)電機(jī)1、絲杠螺母3、車(chē)身氣源4、閥組（進(jìn)氣閥5、出氣閥 6）、氣缸 7、助理彈簧 8、推桿 10、壓力傳感器 12、套筒13、滑塊14、位移傳感器15、滾珠絲杠16、聯(lián)軸器17等組成。在重型商用車(chē)離合器整個(gè)分離與接合過(guò)程中，控制離合器分離杠桿的力比較大，如果采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則需加裝力矩放大裝置，如齒輪減速等，增加系統(tǒng)復(fù)雜程度。因而，在本系統(tǒng)中，運(yùn)用氣缸與助力彈簧的組合，承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的主要的載荷，減輕電機(jī)工作負(fù)荷。同時(shí)利用步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲桿組成電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，壓力傳感器與位移傳感器組成的反饋系統(tǒng)，電磁閥組與氣缸組成的氣壓系統(tǒng)，形成并聯(lián)閉環(huán)系統(tǒng)。位移傳感器、滑塊、套筒、活塞彼此之間機(jī)械聯(lián)接，且無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)活塞的具體位置。滾珠絲杠與套筒之間無(wú)聯(lián)接，彼此之間的運(yùn)動(dòng)互不影響，但是在離合器進(jìn)行半聯(lián)動(dòng)的控制過(guò)程中，套筒的位置受絲杠螺母位置限制。氣缸氣壓大小由電磁閥組控制，且壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)氣缸壓強(qiáng)。

1.2 控制系統(tǒng)

離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)部分，主要如圖1所示的離合器控制器。離合器控制器為整個(gè)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的控制中心。主要包含電源處理模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，CAN總線(xiàn)控制模塊，傳感檢測(cè)處理模塊，電磁閥組驅(qū)動(dòng)模塊，以及其他輔助模塊。通過(guò)對(duì)模塊的控制，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)機(jī)械部分控制，其中通過(guò)CAN總線(xiàn)模塊，實(shí)現(xiàn)離合器執(zhí)行器系統(tǒng)與車(chē)載系統(tǒng)的ECU控制中心進(jìn)行信息交流。

2 系統(tǒng)工作原理

車(chē)載系統(tǒng)的ECU控制中心通過(guò)CAN總線(xiàn)[4]將系統(tǒng)所需其他信息如車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等，發(fā)送給離合器控制器，最終實(shí)現(xiàn)離合器自動(dòng)離合，整個(gè)系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Working principle of the system

整個(gè)系統(tǒng)工作原理如下：1)離合器分離階段：離合器控制器發(fā)送指令，電磁閥組工作，氣缸壓力增大，且遠(yuǎn)大于助力彈簧彈力，推桿推動(dòng)分離杠桿快速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)離合器快速?gòu)氐椎姆蛛x。2)離合器接合階段：主要分3個(gè)過(guò)程，總體要求為“快-慢-快”。其過(guò)程為，首先，離合器控制器收集各種信息，預(yù)先判斷出系統(tǒng)半聯(lián)動(dòng)接合點(diǎn)的位置，然后發(fā)送指令，使步進(jìn)電機(jī)快速正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲杠螺母運(yùn)動(dòng)到半聯(lián)動(dòng)接合點(diǎn)位置。同時(shí)電磁閥組工作，使得氣缸壓力小于助力彈簧彈力與離合器回復(fù)力的合力，但氣缸要保持一定的壓力?；钊剡\(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)套筒頂上螺母，推桿往回運(yùn)動(dòng)，離合器快速接合。此后，將位移控制交給螺母，電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)離合器慢接合。最后，當(dāng)系統(tǒng)判斷出，離合器主動(dòng)盤(pán)與從動(dòng)盤(pán)速度一致時(shí)，電機(jī)快速反轉(zhuǎn)，使得套筒隨螺母快速移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)離合器快速接合，同時(shí)放掉剩余氣缸氣壓。

3 硬件設(shè)計(jì)

離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的硬件電路主要包含有控制電路，電源模塊電路，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，CAN總線(xiàn)控制電路，傳感檢測(cè)處理電路，電磁閥組驅(qū)動(dòng)電路，以及其他輔助電路，如圖3所示。其中控制電路以PIC單片機(jī)為核心，根據(jù)壓力傳感器、位移傳感器、CAN總線(xiàn)接受的信息，控制步進(jìn)電機(jī)、電磁閥組以及其他輔助電路。

圖3 硬件框圖Fig.3 Hardware block diagram

1)系統(tǒng)采用的MCU是微芯公司的8位高檔單片機(jī)PIC18F26K80[5]，該型號(hào)單片機(jī)屬于汽車(chē)級(jí)芯片，能夠滿(mǎn)足行車(chē)復(fù)雜工況的應(yīng)用要求。具有64K的flash存儲(chǔ)器、3K的RAM存儲(chǔ)器、1K的EEPREOM、28個(gè)I/O端口、多個(gè)可配置的定時(shí)計(jì)數(shù)器、多路A/D轉(zhuǎn)換通道，多路PWM輸出通道，集成CAN控制器等片上資源，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的所需功能要求。

2)電源模塊采用的是凌力爾特公司的LT1076-HV5開(kāi)關(guān)降壓穩(wěn)壓器，該型號(hào)芯片具有8 V到60 V電壓輸入，5 V電壓輸出，最大輸出電流2 A，100 HZ的轉(zhuǎn)化頻率。本系統(tǒng)工作環(huán)境電源電壓為24 V，而數(shù)字電路需要5 V電壓，能夠很好滿(mǎn)足工作需要。

3）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用TI公司的DRV8711[6]作為控制芯片，如圖4所示，通過(guò)外加8個(gè)N通道 MOSFET放大管來(lái)組成雙H全橋驅(qū)動(dòng)電路，并且采用PWM方式控制步進(jìn)電機(jī)。該芯片內(nèi)置 1/256步長(zhǎng)微步進(jìn)分度器，8～52 V運(yùn)行電源電壓范圍，可擴(kuò)展輸出電流，并且具有過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱關(guān)斷、欠壓閉鎖等功能，能夠?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)精確控制提供良好保障。

4）CAN總線(xiàn)電路采用微芯公司的MCP2561作為CAN收發(fā)器，如圖5所示，它與單片機(jī)的CAN控制器配合工作，將自動(dòng)離合所需的其他信息以CAN總線(xiàn)的方式與車(chē)載系統(tǒng)ECU通訊。

5）采用意法半導(dǎo)體TIP132達(dá)林頓管作為電磁閥組驅(qū)動(dòng)芯片，位移傳感器與壓力傳感器所采集到信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理電路后輸送到PIC單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。輔助電路有蜂鳴器電路，時(shí)鐘電路等。蜂鳴器電路實(shí)行報(bào)警功能，且隨頻率的不同，表示警示類(lèi)型與級(jí)別不同。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。由于要實(shí)現(xiàn)離合器自動(dòng)離合所需處理信息比較多，同時(shí)為提高系統(tǒng)的可靠性及實(shí)時(shí)性，還需要相應(yīng)的控制算法，所以本系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，即由一個(gè)主程序及多個(gè)子程序模塊組成。每個(gè)模塊的程序先單獨(dú)編寫(xiě)編譯，且單獨(dú)調(diào)試，最后將所有模塊放在一起調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制離合器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)離合。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Stepper motor drive circuit

圖5 CAN收發(fā)器原理圖Fig.5 The CAN transceiver principle diagram

圖6 主程序流程圖Fig.6 The main program flow chart

如圖6所示主程序流程圖，系統(tǒng)上電后，對(duì)各模塊初始化，先進(jìn)行信息采集，信息處理，進(jìn)行離合器動(dòng)作邏輯判斷，即將通過(guò)CAN總線(xiàn)采集的來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車(chē)速、擋位信息等其他信息與離合器執(zhí)行器自身所得到的位移、壓力信號(hào)進(jìn)行綜合判斷，判別離合器動(dòng)作。然后分別通過(guò)控制電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)與氣壓系統(tǒng)等模塊，進(jìn)入離合器分離與接合程序循環(huán)。同時(shí)，為了處理在離合器控制過(guò)程出現(xiàn)異常情況，如人為操作失誤等，設(shè)計(jì)了異常處理模塊，通過(guò)定時(shí)器定時(shí)延遲等待，讓系統(tǒng)判斷處理，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本新型商用車(chē)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新之處在于：一方面氣壓系統(tǒng)承擔(dān)了離合器控制過(guò)程的主要負(fù)載以及位移行程，電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)只負(fù)責(zé)了從離合器半聯(lián)動(dòng)到完全接合過(guò)程的部分位移行程控制，從而減輕了電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)工作負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的精確性、快速響應(yīng)性、換擋品質(zhì)；另一方面，氣壓系統(tǒng)部分加入助力彈簧與電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)并聯(lián)控制，中和了氣壓傳動(dòng)存在易暴躁性，使得離合器工作過(guò)程中更具有柔順性，保護(hù)摩擦片，提高離合器的使用壽命，提升了乘坐的舒適性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了部分功能，軟硬件處于繼續(xù)完善中。相信隨著系統(tǒng)繼續(xù)完善，將逐漸滿(mǎn)足工業(yè)實(shí)際應(yīng)用需要，為商品化打下良好的基礎(chǔ)。

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[5]美國(guó)微芯科技公司，PIC18F66K80單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL].[2012-02-23].http://www.microchip.com/

[6]TI公司，DRV8711數(shù)據(jù)手冊(cè) [EB/OL].[2013-06-01].http://www.ti.com.cn/.