， 　， ， ， 　 (中國(guó)北方車輛研究所 車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京　100072)

引言

離合器接合控制是決定自動(dòng)機(jī)械變速器(AMT)車輛起步性能、換檔過(guò)程品質(zhì)、爬坡性能的主要因素[1]。大多數(shù)重型AMT車輛采用干式離合器，其離合器接合過(guò)程的控制方法一直是車輛傳動(dòng)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。在重型AMT車輛中，為了滿足離合器膜片彈簧分離力的需求，采用電控液動(dòng)氣助力離合器操控系統(tǒng)對(duì)離合器進(jìn)行控制是離合器控制中的一個(gè)重要方向[2,3]。但溫度的變化對(duì)離合器操控系統(tǒng)的控制精度影響很大，尤其是低溫環(huán)境嚴(yán)重影響其控制性能，限制了AMT系統(tǒng)應(yīng)用范圍的推廣。

為了提高離合器過(guò)程控制對(duì)溫度的自適應(yīng)能力，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)計(jì)算，研究了溫度因素對(duì)離合器操控系統(tǒng)控制效果的影響規(guī)律，建立了離合器操控系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性和正確性。

1　溫度對(duì)離合器操控系統(tǒng)的影響

AMT控制的難點(diǎn)之一是起步過(guò)程中離合器的接合控制。離合器的控制目標(biāo)是不僅要提高起步過(guò)程離合器接合的平順性，減少離合器滑磨功，延長(zhǎng)離合器使用壽命，而且要保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。沖擊度j是車輛縱向加速度的變化率，是離合器接合過(guò)程重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，其表達(dá)式為：

(1)

式中，a為車輛縱向加速度；Tc為離合器傳遞扭矩；r為車輪滾動(dòng)半徑；Jc為離合器從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；io為主減速傳動(dòng)比；ig為變速器傳動(dòng)比。

通過(guò)對(duì)干式膜片彈簧離合器的特性分析[3]可知，離合器傳遞的摩擦扭矩Tc與離合器分離軸承縱向位移λ成正比：

(2)

(3)

式中,p為離合器摩擦片上所加載負(fù)荷；n為摩擦片片數(shù)；φ為摩擦系數(shù)；r1為摩擦面內(nèi)徑；r2為摩擦面外徑；E為彈性模量。

由式(2)和式(3)可知，當(dāng)離合器位移速率Δλ變化越大，則離合器傳遞的扭矩Tc變化越大，從而導(dǎo)致了沖擊度j的增加。而離合器分離軸承的速率Δλ是由離合器操控系統(tǒng)所決定，如圖1所示，當(dāng)外部環(huán)境溫度發(fā)生較大變化時(shí)，離合器操控系統(tǒng)控制下的離合器接合速度出現(xiàn)較大波動(dòng)，嚴(yán)重影響了車輛起步的平穩(wěn)性。因此研究溫度因素對(duì)離合器操控系統(tǒng)的影響是十分必要的。

圖1　不同溫度下離合器操控系統(tǒng)結(jié)合速度

如圖2所示，電控液動(dòng)氣助力離合器操縱系統(tǒng)其工作原理為：電控單元通過(guò)控制輸出脈沖寬度調(diào)制波(PWM)的占空比大小來(lái)實(shí)現(xiàn)離合器操縱油缸油壓的調(diào)節(jié)，達(dá)到控制離合器位移的目的，由此使實(shí)現(xiàn)離合器結(jié)合、分離和保持三種工況。根據(jù)電控液壓系統(tǒng)本身的物理特性，通過(guò)分析和研究電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)與溫度之間的定量關(guān)系，從而獲得溫度補(bǔ)償函數(shù)。

圖2　電控液動(dòng)氣助力離合器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　離合器操控系統(tǒng)溫敏特性分析

2.1　溫度對(duì)電控系統(tǒng)影響

如圖3所示，在離合器電控部分由PWM驅(qū)動(dòng)電路和比例流量閥構(gòu)成，通過(guò)控制PWM波占空比來(lái)控制比例流量閥閥芯的位置，從而實(shí)現(xiàn)離合器控制油缸油壓的調(diào)節(jié)。

圖3　電磁閥驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)圖

其中離合器操控系統(tǒng)電磁閥為某公司生產(chǎn)的常開比例流量閥RD758，額定電阻為2.5 Ω，功率為5 W。該比例流量閥具有控制電流大、精度高、響應(yīng)快、一致性好等特點(diǎn)。閥芯位置受驅(qū)動(dòng)電流的控制，隨著電流的增大而增大(如圖4所示)，其近似關(guān)系式為：

(4)

式中,y為閥芯位移;i為驅(qū)動(dòng)電流;Ivmin為控制閥芯移動(dòng)的最小電流；Ivmax為使閥芯達(dá)到最大位移處最小驅(qū)動(dòng)電流；Imax為比例流量閥能夠承受的最大驅(qū)動(dòng)電流；k1為比例系數(shù)。

圖4　比例流量閥特性曲線

(5)

(6)

從公式(4)和(6)公式中，可知比例流量閥閥芯位移和比例電磁閥電流成比例關(guān)系，比例電磁閥驅(qū)動(dòng)電流與驅(qū)動(dòng)電壓U、電阻R和占空比k2三個(gè)因素有關(guān)，其中電阻R與外部環(huán)境溫度密切相關(guān)。圖5中，將10個(gè)樣本流量比例電磁閥放置于不同環(huán)境溫度下，其電阻測(cè)量值如圖5所示，隨著環(huán)境溫度的升高而電磁閥電阻明顯變大。在同一占空比k2下，隨著電磁閥散熱或環(huán)境溫度變化，比例流量閥電阻的變化嚴(yán)重影響離合器控制的一致性，無(wú)法忽略溫度變化所帶來(lái)的擾動(dòng)，是電控部分的主要溫敏因素。

2.2　液壓驅(qū)動(dòng)部分

液壓驅(qū)動(dòng)部分主要由油源、分泵、氣壓助力液壓工作缸和踏板總成等部分構(gòu)成。離合器操控機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度是由液壓油流量決定的， 除了比例流量閥閥芯的位置，影響流量的因素還與彈簧剛度系數(shù)、液壓油的壓力、液壓油的黏度、摩擦等有關(guān)。在離合器接合過(guò)程中，此時(shí)氣助力液壓缸不工作，氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，離合器接合力來(lái)自于膜片彈簧的回復(fù)力，因此不考慮溫度對(duì)氣體密度的影響。

圖5　不同溫度下比例流量電磁閥電阻

離合器操控機(jī)構(gòu)中主要的彈性部件有踏板回位彈簧和離合器從動(dòng)盤彈簧。其中踏板回位彈簧為扭簧，其剛度系數(shù)表示為[5]：

(7)

式中,C為單列扭簧的剛度；E為材料彈性模量；d為鋼絲線徑；D為扭簧中徑；n為扭簧圈數(shù)。使用的一般材料彈性模量會(huì)隨溫度的升高而減少，但對(duì)于汽車上的彈簧材料，溫度對(duì)其影響較小。以40Cr鋼材料為例，其在-30 ℃的彈性模量為186.56 GPa，在20 ℃的彈性模量為182.4 GPa，在60 ℃的彈性模量為179.15 GPa，從-30 ℃到20 ℃的變化率為2.28%[6,7]，因此溫度對(duì)膜片彈簧的彈力影響可忽略不計(jì)。

如圖6所示，液壓油黏度隨著油溫的變化而變化，油溫升高會(huì)使液壓油的黏度下降， 油溫降低會(huì)使油液黏度升高，造成系統(tǒng)壓降大、效率低。液壓油黏度的變化會(huì)影響離合器操控系統(tǒng)的回油阻力，進(jìn)而影響到離合器接合速度。在低溫時(shí)，液壓油黏度隨溫度的降低而指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，成為阻礙機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的主要阻力，因此液壓油的溫度特性也是操離合器操控系統(tǒng)主要的溫敏環(huán)節(jié)之一。

圖6　液壓油黏溫特性

綜合上述分析，離合器操控系統(tǒng)中的溫敏環(huán)節(jié)主要是比例流量閥電阻和液壓油黏度。比例流量閥阻抗隨溫度降低而減小；液壓油的黏度隨溫度降低而變大，低溫時(shí)更加明顯。

3　離合器操控機(jī)構(gòu)溫敏特性試驗(yàn)

為了得到更加準(zhǔn)確的溫度對(duì)比例流量閥和液壓油影響關(guān)系，因此在恒溫箱中模擬實(shí)際環(huán)境溫度離合器操控系統(tǒng)的影響，如圖7所示。根據(jù)前面的分析，本研究基于課題研究的AMT車輛機(jī)構(gòu)搭建了離合器操縱機(jī)構(gòu)測(cè)試平臺(tái)。

圖7　實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接示意圖

3.1　溫度對(duì)比例流量閥驅(qū)動(dòng)電流的影響試驗(yàn)

如圖7所示，通過(guò)低電阻測(cè)量?jī)x測(cè)試比例流量閥在同一控制頻率不同溫度下電阻的變化來(lái)反映溫度對(duì)比例閥電器特性的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線可知，在一定的溫度范圍內(nèi)，比例流量閥電阻隨著溫度的升高成近似線性化的變大，從-30 ℃到20 ℃的其變化率為22.7%，因此比例流量閥為操控機(jī)構(gòu)中的一個(gè)溫敏環(huán)節(jié)之一。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于比例流量閥一致性和線性度較好，因此可以用擬合公式代替比例流量閥電阻隨溫度的變化特性：

R≈0.0128T-0.935

(8)

根據(jù)式(6)、式(8)得比例流量閥驅(qū)動(dòng)電流與溫度、驅(qū)動(dòng)占空比之間的關(guān)系：

(9)

圖8　溫度與比例流量閥電阻的關(guān)系

3.2　固定溫度下占空比與結(jié)合速度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)

在固定溫度下，當(dāng)比例流量閥閥芯位移值小于其保持區(qū)間最小位移時(shí)，離合器操控機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度隨著比例流量閥的開度的增大而減小，如圖9所示。

圖9　某溫度下驅(qū)動(dòng)電流與結(jié)合速度的關(guān)系

由于電磁閥電流與閥芯開度之間的線性關(guān)系不受溫度變化影響，因此則認(rèn)為在不同溫度下，驅(qū)動(dòng)比例流量閥的最小電流Ivmin和比例流量閥的截止最小電流Imin是不變的。根據(jù)圖9可得任意溫度下驅(qū)動(dòng)電流與離合器結(jié)合速度的關(guān)系：

(10)

同時(shí)聯(lián)立式(9)和式(10)得離合器結(jié)合速度與控制信號(hào)占空比的關(guān)系：

(11)

圖10為溫度292 K時(shí)占空比與離合器自動(dòng)操控機(jī)構(gòu)結(jié)合速度關(guān)系。通過(guò)對(duì)圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小方差擬合，則a為1.23×10-3，b為7.5865×10-4。由此得占空比k2與溫度T、結(jié)合速度v的關(guān)系式：

圖10　292 K時(shí)占空比與離合器結(jié)合速度的關(guān)系

3.3　溫度對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)部分的影響實(shí)驗(yàn)

通過(guò)式(12)得到了控制信號(hào)的占空比與輸出速度、溫度的關(guān)系，但其中vmax是一個(gè)與溫度相關(guān)的函數(shù)。為了更加準(zhǔn)確地測(cè)量出溫度對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)部分的影響，排除比例流量閥開度變化的干擾，采用離合器操控系統(tǒng)自由回位的特性來(lái)反映不同溫度下液壓油黏性變化對(duì)離合器結(jié)合速度造成的影響，即得到不同溫度下離合器最大結(jié)合速度vmax。

自由回位是指在離合器完全分離后，在比例流量電磁閥接通回油路時(shí)離合器操控機(jī)構(gòu)的回位特性，其主要取決于系統(tǒng)的機(jī)械特性(包含液壓傳動(dòng)特性)。圖11為不同溫度下系統(tǒng)的自由回位特性圖，從圖中數(shù)據(jù)可以看出，隨著溫度的升高操縱機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間逐漸縮短，但變化幅值越來(lái)越小，同時(shí)離合器操縱機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度逐漸增大。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及液壓油特性的特性分析，當(dāng)溫度大于283 K時(shí)，溫度與離合器結(jié)合速度關(guān)系近似線性；溫度小于283 K時(shí)，離合器結(jié)合速度為溫度的二次函數(shù)。根據(jù)非線性最小二乘法擬合得到離合器最大結(jié)合速度與溫度的近似關(guān)系 (擬合效果如圖12所示)：

圖11　不同溫度下系統(tǒng)的自由回位特性

(13)

圖12　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比效果

聯(lián)立式(12)和式(13)得到占空比與溫度、結(jié)合速度的經(jīng)驗(yàn)公式：

(14)

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證公式(14)和公式(15)的正確性，在圖7中的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上測(cè)試了溫度在263 K、284 K和299 K時(shí)不同占空比(γ′)下離合器操縱機(jī)構(gòu)的響應(yīng)特性，得到了相應(yīng)溫度下的占空比與離合器結(jié)合速度的關(guān)系。圖13、圖14和圖15分別為299 K、 284 K、 260 K時(shí)離合器接合速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與公式預(yù)測(cè)速度的對(duì)比圖。

通過(guò)圖中數(shù)據(jù)的對(duì)比可知：經(jīng)驗(yàn)公式所估計(jì)的離合器不同溫度下的接合速度與實(shí)測(cè)結(jié)果誤差在10%之內(nèi)，從而證明了離合器溫度理論分析、經(jīng)驗(yàn)公式建模的正確性?；谏鲜鼋?jīng)驗(yàn)公式，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，根

圖13　299 K時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比圖

圖14　284 K時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比圖

圖15　260 K時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比圖

據(jù)期望離合器接合速度和當(dāng)前環(huán)境溫度來(lái)修正驅(qū)動(dòng)占空比，從而保證不同溫度下離合器接合速度的一致性，提高離合器控制對(duì)溫度的魯棒性。

5　結(jié)論

為了消除溫度對(duì)離合器自動(dòng)控制的影響，提出了一種離合器溫度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通過(guò)對(duì)電控液動(dòng)氣助力離合器自動(dòng)操控機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究，建立了該自動(dòng)操控系統(tǒng)的溫度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⑼ㄟ^(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性和正確性，從而提高了離合器自動(dòng)控制對(duì)溫度的自適應(yīng)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉海鷗，陳慧巖，金亞英，翟涌.基于轉(zhuǎn)速信號(hào)的履帶車輛主離合器控制策略[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005,(6):8-11.

[2]劉振軍，余猛進(jìn)，秦大同.重型車AMT液控氣助力離合器自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2010,(2):105-110.

[3]王洪亮，劉海鷗，趙熙俊，張明.基于流量閥的自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)的AMT離合器改裝研究[J].汽車工程，2011,(1):47-51.

[4]宮文斌，劉昕暉，孫延偉.電液比例PWM控制方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,(3):104-106.

[5]馮躍華.雙列扭簧的剛度計(jì)算[J].洪都科技,1992,(4):21-23.

[6]劉軼群，董冬，胥德峰.溫度對(duì)40Cr鋼彈性模量影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，2005,(45):23-24.

[7]潘春.離合器的膜片彈簧負(fù)荷特性及靜力學(xué)仿真研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2013.