莫舒玥

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

目前市場(chǎng)上汽車用變速器有兩種：（1）手動(dòng)變速器，價(jià)格較低，但駕駛的舒適性和安全性不夠好；（2）自動(dòng)變速器，舒適性高但價(jià)格較高。對(duì)于價(jià)格低廉的微型車，多數(shù)運(yùn)用手動(dòng)變速器，而很多新手第一輛練手的車恰好就是價(jià)格不高的微型車，可是車主多數(shù)又是新手，車技不是很好，所以手動(dòng)變速器的車型搭配一個(gè)自動(dòng)離合器可以實(shí)現(xiàn)價(jià)格不貴就能用上智能半自動(dòng)變速器的心愿。

自動(dòng)離合器英文名稱為Automatic Clutch System［1］，英文縮寫為ACS。ACS自動(dòng)離合器是在常見的手動(dòng)變速箱MT基礎(chǔ)上，駕駛員不需要再踩踏離合器，根據(jù)駕駛員意圖自動(dòng)實(shí)現(xiàn)離合器分離與接合，僅僅只需要手動(dòng)換檔操作即可。ACS的優(yōu)勢(shì)在于，對(duì)于價(jià)格比較低廉的手動(dòng)擋車型，如果車主想改變?nèi)謩?dòng)換擋的模式，增加駕駛的舒適性和安全性，可以通過(guò)加裝一套自動(dòng)離合器的方法實(shí)現(xiàn)。與手動(dòng)檔車型相比，即為對(duì)傳統(tǒng)離合器加裝一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，讓駕駛操控更為簡(jiǎn)單也更安全；提高了變速器的相應(yīng)速度，提高了駕駛舒適性。加裝一套自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的改裝，價(jià)格低廉，1 000～2 000元即可實(shí)現(xiàn)，而且與自動(dòng)檔車型相比，具有造價(jià)便宜、維修經(jīng)濟(jì)、省油的特點(diǎn)。如果自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，離合器還是保留人為控制（腳踩）的方式來(lái)接合或分離，提高行車安全性，避免造成安全隱患。

1 研究?jī)?nèi)容和方法

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)外采用自動(dòng)離合器的手動(dòng)變速器已經(jīng)在一些品牌的車型上運(yùn)用，如奔馳A190、C230，國(guó)內(nèi)的比亞迪部分車型、東風(fēng)景逸等車型、部分華晨中華車型等，可見這個(gè)技術(shù)在一些小型車或微型車上運(yùn)用的較多。這種類型變速器稱之為AutomatedManual Transmission，即為AMT［2］，中文含義為“自動(dòng)控制手動(dòng)變速器”。而ACS又是AMT系統(tǒng)中的一個(gè)重要功能模塊，AMT的控制實(shí)際上就是實(shí)現(xiàn)對(duì)ACS的控制，所以，自動(dòng)離合器的研究對(duì)促進(jìn)AMT的發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 研究的問(wèn)題

ACS具有廣闊的市場(chǎng)，因此近年來(lái)一直是研究開發(fā)的熱門課題，但其接合過(guò)程的沖擊度控制還不是非常完善，一定程度上影響乘坐的舒適性。例如，結(jié)合點(diǎn)的把握、結(jié)合過(guò)程的沖擊控制等都是目前需要解決的問(wèn)題，因而本文將對(duì)此進(jìn)行研究與探討。

1.3 研究?jī)?nèi)容與方法

本文主要研究自動(dòng)離合器的控制方面，且主要針對(duì)車輛起步是自動(dòng)離合器的控制，實(shí)現(xiàn)能夠根據(jù)駕駛員意圖平穩(wěn)快捷地起步，且該過(guò)程的沖擊度和摩擦都盡量小，如何制定有效的控制策略是離合器起步控制的一個(gè)難點(diǎn)［4］。本文重點(diǎn)研究的方法是采用一種科學(xué)的多?？刂品椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)離合器的控制。本項(xiàng)目基于廣西教育廳科研項(xiàng)目《汽車自動(dòng)離合器技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā)》（項(xiàng)目編號(hào)LX2014574）完成研究，并根據(jù)研究結(jié)果撰寫本文。

自動(dòng)離合器性能是否優(yōu)良是通過(guò)沖擊度和滑摩功兩個(gè)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。（1）離合器接合過(guò)程中主從動(dòng)盤接合瞬間由于轉(zhuǎn)速不一樣會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊，這個(gè)沖擊表現(xiàn)為有一定的頓挫感，從而影響到車輛起步的平順性，使得乘坐人員產(chǎn)生不舒適的感受。而且沖擊度過(guò)大，使得零部件之間的撞擊力增大，加速零部件的損壞，縮短零部件的壽命，同時(shí)由于控制時(shí)機(jī)不好還有可能引起汽車起步熄火。（2）離合器主從動(dòng)盤之間從分離到接合是從兩者之間有轉(zhuǎn)速差到轉(zhuǎn)速一致的過(guò)程，當(dāng)兩者轉(zhuǎn)速不一致時(shí)，兩者是靠摩擦來(lái)達(dá)到轉(zhuǎn)速一致的，這個(gè)過(guò)程依靠摩擦作用來(lái)傳遞動(dòng)力，所以離合器接合過(guò)程實(shí)際上就是主、從動(dòng)盤之間摩擦力矩傳遞的過(guò)程，有摩擦必然就產(chǎn)生熱量，熱量在此過(guò)程中就會(huì)被損耗掉，同時(shí)摩擦產(chǎn)生了磨損，摩擦?xí)r間越久，轉(zhuǎn)速差越大，摩擦損耗就越大。為評(píng)價(jià)由于摩擦而引起的摩擦損耗，引入了滑摩功?；λ从车氖请x合器在接合過(guò)程中機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ翢釗p耗能量的多少，滑摩功數(shù)值越大，表明機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿膿p耗越大，發(fā)熱越多，磨損也越嚴(yán)重，其使用壽命越短［4］。

從以上分析得知，自動(dòng)離合器接合控制的理想目標(biāo)是沖擊度和滑摩功均越小越好［5］。但實(shí)際上這兩個(gè)指標(biāo)卻是相對(duì)矛盾的，即想要減少摩擦損耗（滑摩功），則必須讓離合器接合速度縮短，但接合過(guò)快將導(dǎo)致沖擊度增加，頓挫感增強(qiáng)，影響到起步時(shí)乘坐舒適性，而且沖擊度的增加也會(huì)使得零部件受到?jīng)_擊的影響縮短壽命，同時(shí)車輛還容易熄火；如果想要減小沖擊度，離合器的接合速度就要減緩，這就使得滑摩功會(huì)增大，摩擦損耗增加，零部件使用壽命縮短，同時(shí)使車輛起步時(shí)間變長(zhǎng)。因此，尋求一個(gè)合適的平衡點(diǎn)，制定一個(gè)科學(xué)合理的控制策略來(lái)解決沖擊度和滑摩功的矛盾是離合器控制的關(guān)鍵［5］。

目前，對(duì)自動(dòng)離合器結(jié)合點(diǎn)的大部分研究都是在保證車輛起步和換擋要求的前提下，根據(jù)離合器接合過(guò)程的一般特點(diǎn)采用“快－慢－快”的接合規(guī)律和模糊控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的［6］。本文基于多?？刂评碚?，對(duì)自動(dòng)離合器接合規(guī)律進(jìn)行多?？刂撇呗匝芯考霸囼?yàn)。

2 自動(dòng)離合器起步控制研究及試驗(yàn)

2.1 起步多?？刂蒲芯?/h3>

由于起步過(guò)程中離合器的工作狀態(tài)同時(shí)受到駕駛員起步意圖，路面狀況，車輛負(fù)載情況等因素的共同影響，針對(duì)這些因素獲得的精確的數(shù)學(xué)模型卻無(wú)法共同進(jìn)行車輛起步過(guò)程中離合器接合過(guò)程的控制，因此必須將這些影響因素的精確數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模糊化，設(shè)計(jì)出多?？刂葡到y(tǒng)，其設(shè)計(jì)原理如圖1所示。知識(shí)庫(kù)代表的是駕駛員起步意圖、路面狀況，車輛負(fù)載情況等因素獲得的精確數(shù)據(jù)，但是必須將其進(jìn)行模糊化，才能進(jìn)行模糊推理以及模糊化化控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)控制目標(biāo)離合器的模糊化控制。

圖1 模糊控制原理圖

針對(duì)控制目標(biāo)（沖擊度和滑磨功最小的平衡點(diǎn)）以及離合器接合過(guò)程的特點(diǎn)，采用“快－慢－快”接合原則。根據(jù)研究可得，可以把離合器的接合過(guò)程看成三個(gè)階段：第一階段，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過(guò)飛輪傳到離合器的主動(dòng)盤，此時(shí)主動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速可以近似看成與飛輪一致，此時(shí)離合器的從動(dòng)盤還未與主動(dòng)盤接觸，因此并未轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程不存在沖擊度和滑摩功，為加快接合過(guò)程應(yīng)使離合器以一較快的速度接合；第二階段，離合器從動(dòng)盤在主動(dòng)盤的帶動(dòng)下開始轉(zhuǎn)動(dòng)，但是此時(shí)兩者的轉(zhuǎn)速不一致，主、從動(dòng)盤之間開始產(chǎn)生滑磨，此時(shí)應(yīng)開始減緩接合速度以減少?zèng)_擊度，提高乘坐舒適性［6］；第三階段，等到機(jī)械式離合器主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差低于某一數(shù)值后，并實(shí)現(xiàn)兩者一致，此時(shí)動(dòng)力通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)－飛輪－離合器（主、從動(dòng)盤）－變速器－車輪，車輛實(shí)現(xiàn)起步，此過(guò)程可以適當(dāng)加快接合速度，以減少滑摩功，同時(shí)提高起步速度。通過(guò)“快－慢－快”［3］接合規(guī)律實(shí)現(xiàn)分段改變離合器接合速度的控制。

由以上離合器起步接合過(guò)程分析可以把上述離合器工作的第一階段看作空行程控制階段，空行程即為離合器的主動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，但是從動(dòng)盤還未轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，離合器主動(dòng)盤沒有摩擦力矩；第二階段為滑磨控制階段，滑磨階段主從動(dòng)盤之間開始接觸，但是兩者之間轉(zhuǎn)速不一致，但兩者從轉(zhuǎn)速不一致到轉(zhuǎn)速一致的過(guò)程；第三階段為同步控制階段，同步控制是指離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速一致合為一體，帶動(dòng)變速器工作的過(guò)程。根據(jù)這三個(gè)階段的特點(diǎn)，選擇“比列－模糊－PID”多?？刂品绞?，多?？刂葡到y(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 多?？刂葡到y(tǒng)示意圖

因此，自動(dòng)離合器的控制實(shí)際上就是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)一個(gè)多?？刂瞥绦?，再通過(guò)自動(dòng)離合器自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械式離合器的自動(dòng)控制目標(biāo)，取代駕駛員離合器操縱，從而實(shí)現(xiàn)汽車起步離合器操縱的自動(dòng)化。而這個(gè)功能只需要一套多?？刂瞥绦?、直流電動(dòng)機(jī)、離合器操縱機(jī)構(gòu)、電控單元、傳感器、線束、顯示單元等部件組成的自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)就完全可以實(shí)現(xiàn)，且成本只需要1 000～2 000元［7］。

2.2 離合器接合速度模糊控制

汽車在起步時(shí)，駕駛員通過(guò)操縱油門踏板和離合踏板來(lái)使汽車起步，而且在此過(guò)程中，油、離合器配合很重要，否則會(huì)導(dǎo)致起步?jīng)_擊過(guò)大或起步熄火。試驗(yàn)表明，駕駛員起步意圖有慢起步、正常起步和急起步三種情況，一般通過(guò)油門開度及油門開度變化率兩個(gè)參數(shù)來(lái)表現(xiàn)［5］。因此，自動(dòng)離合器結(jié)合方式的模糊控制可以參考這兩個(gè)因素進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)要求必須滿足以下要求：若油門開度大，表明駕駛員油門踩得較深，駕駛員的起步意圖判定為想急起步，自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)收到大油門開度的信號(hào)后，判定為急起步狀態(tài)，則要求輸出指令使執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制離合器盡快接合，以滿足車輛較快的起步過(guò)程，在此過(guò)程中，滑磨功會(huì)減小，沖擊度會(huì)增加，但是會(huì)將其（沖擊度）控制在合理的范圍內(nèi)，即低于國(guó)際上的沖擊度限值（最大沖擊度為10m／s3，這是最大的舒適性限定值［6］），否則會(huì)影響乘坐舒適性；反之，若油門開度小，表明駕駛員想慢起步，自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)收到小油門開度的信號(hào)后，判定為慢起步，則要求輸出指令使執(zhí)行機(jī)構(gòu)減慢離合器的接合速度，以滿足駕駛員慢起步的意圖，在此過(guò)程中?；スυ黾?，但沖擊度減小，起步比較平穩(wěn)。另外，踩踏油門速度越快，油門變化率越大，速度越慢，變化率越小。變化率越大，認(rèn)為駕駛員的起步意圖為快起步，變化較慢，認(rèn)為駕駛員的起步意圖為慢起步。如果在駕駛員踩踏油門踏板的時(shí)候速度快，則油門開度變化率大［8］，反之，則油門開度變化率小。油門開度變化率與油門開度共同反映駕駛員起步意圖，計(jì)算機(jī)多?？刂萍夹g(shù)將駕駛員的駕駛意圖采用模糊控制的方式設(shè)計(jì)控制程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)離合器的控制。

另外還需要引入車況（如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等）。離合器主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速可近似視為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速經(jīng)計(jì)算可以得到車速，將離合器當(dāng)前工況和駕駛員意圖結(jié)合在一起，才能準(zhǔn)確反映離合器的接合速度。根據(jù)以上因素得到離合器起步模糊控制器如圖3所示。

圖3 離合器起步模糊控制器示意圖

自動(dòng)離合器系統(tǒng)即在普通離合器的基礎(chǔ)上增加一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，取代原來(lái)由駕駛員人工完成的離合器操縱，以實(shí)現(xiàn)汽車起步、換檔離合器操縱的自動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)這一功能，自動(dòng)離合器系統(tǒng)主要由直流電動(dòng)機(jī)、離合器操縱機(jī)構(gòu)、電控單元、傳感器、線束、顯示單元等部件組成［7］。

2.3 自動(dòng)離合器起步控制仿真試驗(yàn)

自動(dòng)離合器系統(tǒng)研制完畢后，與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和手動(dòng)變速箱臺(tái)架進(jìn)行連接，并與測(cè)功機(jī)臺(tái)架連接且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。本文進(jìn)行了微型車輛五菱之光在坡度為0°，油門開度分別為20%、40%、70%三個(gè)狀態(tài)下起步（即慢起步、正常起步、急起步）的自動(dòng)離合器控制仿真實(shí)驗(yàn)。繪制出三種狀態(tài)下的沖擊度、滑摩功等曲線圖，對(duì)比三個(gè)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、整理與分析，得出本文提出的采用多?？刂萍夹g(shù)實(shí)現(xiàn)駕駛員起步意圖的控制合理且可行的結(jié)論。

2.3.1 油門開度20%，坡度為0°

在同等載荷情況下，設(shè)定平地緩起步的油門開度為20%，地面坡度為0°，離合器的結(jié)合過(guò)程遵循“快－慢－快”多?？刂撇呗裕谥?、從動(dòng)盤開始接觸到兩者轉(zhuǎn)速同步的過(guò)程中，為了提高乘車舒適性減少起步?jīng)_擊，采用模糊控制適當(dāng)降低接合速度，當(dāng)?shù)竭_(dá)同步階段后，迅速提高離合器接合速度，完成起步。圖4為主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速曲線，圖5為沖擊度曲線，圖6為滑磨功曲線。主、從動(dòng)盤在1.8s的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)同步，完成起步時(shí)間為1.9s，最大沖擊度為6.8m／s3，最大滑磨功為8 750N／m。

圖4 油門開度20%、坡度為0°主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速曲線圖

圖5 沖擊度曲線圖

圖6 滑磨功曲線圖

2.3.2 油門開度40%，坡度為0°

設(shè)定油門開度為40%，地面坡度為0°，圖7為主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速曲線，圖8為沖擊度曲線，圖9為滑磨功曲線。離合器主、從動(dòng)盤在1.25s的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)同步，車輛完成起步時(shí)間為1.5s，最大沖擊度為5m／s3，最大滑磨功為5 000N／m。油門開度增加，設(shè)定的結(jié)合速度變快，沖擊度也增加，但是由于同步時(shí)間變短，主、從動(dòng)盤因轉(zhuǎn)速不同產(chǎn)生的滑磨功也相應(yīng)減少。

圖7 油門開度40%、坡度為0°主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速曲線圖

圖8 沖擊度曲線圖

圖9 滑磨功曲線圖

2.3.3 油門開度70%，坡度為0°

設(shè)定油門開度為70%，地面坡度為0°，圖10為主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速曲線，圖11為沖擊度曲線，圖12為滑磨功曲線。主、從動(dòng)盤在1.1s的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)同步，完成起步時(shí)間為1.75s，最大沖擊度為18.2m／s3，最大滑磨功為4 000N／m。此時(shí)設(shè)定駕駛員意圖為急起步，主、從動(dòng)盤同步時(shí)間進(jìn)一步縮短，因此最大滑磨功也進(jìn)一步下降；但是，由于兩者之間的轉(zhuǎn)速差過(guò)大，驅(qū)動(dòng)車輛起步的時(shí)間反而比正常起步時(shí)間稍有延長(zhǎng)。

圖10 油門開度70%，坡度為0°主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速曲線圖

圖11 沖擊度曲線圖

圖12 滑磨功曲線圖

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用多?？刂萍夹g(shù)實(shí)現(xiàn)車輛起步時(shí)自動(dòng)離合器的控制是可行的，試驗(yàn)的結(jié)果與駕駛員人工操控機(jī)械式離合器的情況基本相同。對(duì)慢起步、正常起步、急起步三種情況進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，結(jié)果證明離合器在多?？刂萍夹g(shù)下，基本能實(shí)現(xiàn)根據(jù)駕駛員意圖自動(dòng)控制離合器，順利完成車輛起步。

因此，在微型車輛上將機(jī)械式離合器改裝成自動(dòng)離合器是可以實(shí)現(xiàn)的。不過(guò)，車輛的起步過(guò)程是及其復(fù)雜的，比如在有坡道或車輛負(fù)荷變化的情況下，需要更完善的多?？刂萍夹g(shù)實(shí)現(xiàn)控制，這也是下一步需要研究的課題。

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