湯一飛 劉麗新 吳亞軍 姜冠伊 周宇

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011）

AMT離合器恒轉(zhuǎn)矩起步控制策略研究

湯一飛 劉麗新 吳亞軍 姜冠伊 周宇

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011）

以商用車(chē)AMT起步控制策略為研究對(duì)象，基于離合器轉(zhuǎn)矩傳遞過(guò)程，提出一種新策略以控制沖擊度和平穩(wěn)起步，并進(jìn)行對(duì)比分析。利用試驗(yàn)擬合出從動(dòng)盤(pán)總成軸向剛度特性曲線(xiàn)方程，在此基礎(chǔ)上建立以離合器分離行程精確控制輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算模型，并研究離合器耐久性試驗(yàn)后轉(zhuǎn)矩控制的修正方法，形成了全壽命周期的離合器恒轉(zhuǎn)矩起步控制策略。臺(tái)架模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，該策略能夠滿(mǎn)足整車(chē)自動(dòng)起步要求。

1 前言

目前，國(guó)內(nèi)自主品牌商用車(chē)AMT研究與應(yīng)用還處于起步階段，并沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化，且自動(dòng)起步是AMT推廣應(yīng)用所面臨的最大困難，在此過(guò)程中往往伴有不同程度的聳車(chē)、頓挫甚至熄火等現(xiàn)象。由于離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律直接影響到起步質(zhì)量，因此離合器控制策略在A(yíng)MT研究中顯得尤為重要。本文通過(guò)研究論證，提出一種新的離合器控制策略并進(jìn)行對(duì)比分析。

2 起步過(guò)程分析及新控制策略的提出

2.1 起步過(guò)程分析

評(píng)價(jià)起步過(guò)程質(zhì)量有兩個(gè)指標(biāo)：離合器沖擊度j和滑磨功Lc。j是汽車(chē)縱向的加速度突變，當(dāng)其超出一定范圍，整車(chē)表現(xiàn)為聳車(chē)、頓挫現(xiàn)象。對(duì)車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化處理，可將j表示為[1]：

式中，a為車(chē)輛縱向加速度；v為車(chē)速；r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑；ig為起步擋速比；i0為主減速器速比；ωc為離合器從動(dòng)盤(pán)角速度；Ic為汽車(chē)的傳動(dòng)部件等簡(jiǎn)化到離合器從動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tc為離合器傳遞轉(zhuǎn)矩。

可見(jiàn)，在汽車(chē)各相關(guān)參數(shù)一定的情況下，j和Tc的變化率大小成正比，如果Tc變化率為零，即Tc為恒定值，則j就為零。因此，如能開(kāi)發(fā)一種新起步策略，精確控制Tc并使其維持在任一預(yù)期值附近，則AMT自動(dòng)起步?jīng)_擊度大的問(wèn)題就會(huì)解決。該策略稱(chēng)之為恒轉(zhuǎn)矩起步控制策略。

2.2 幾種控制策略對(duì)比

AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出參數(shù)分為力、速度和位移，其控制方法有力控制、轉(zhuǎn)矩控制、速度控制和位移控制[2]。力控制和轉(zhuǎn)矩控制屬于精確控制，效果較好，但成本高昂，并不適合商用車(chē)。速度控制和位移控制屬于模糊邏輯控制，采用廣泛[3～6]，但國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的控制程序由于起步晚而不盡完善，導(dǎo)致實(shí)際效果并不理想。

對(duì)比分析模糊邏輯控制策略和恒轉(zhuǎn)矩控制策略下的起步接合過(guò)程，如圖1所示，其中前者參數(shù)前綴F，后者參數(shù)前綴為C，ne為飛輪轉(zhuǎn)速，nc為從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速，Tf為阻力矩。

圖1 兩種控制策略接合過(guò)程對(duì)比示意

由圖1可知：

a.恒轉(zhuǎn)矩起步并非指整個(gè)起步過(guò)程轉(zhuǎn)矩恒定不變，而是指轉(zhuǎn)矩遞增至超過(guò)汽車(chē)行駛阻力矩（圖1半接合點(diǎn)）一定值后在主、從動(dòng)盤(pán)同步滑磨過(guò)程（t2～t3）中維持不變，從而將此階段的沖擊度降至最低或零。

b.同等條件下恒轉(zhuǎn)矩控制策略相比模糊邏輯控制策略起步時(shí)間長(zhǎng)，滑磨功高。原因在于滑磨階段，前者控制Tc不變，從動(dòng)盤(pán)連同整車(chē)的加速度近似恒定；而后者控制Tc逐漸增大，從動(dòng)盤(pán)連同整車(chē)的加速度隨之增大，主、從動(dòng)盤(pán)同步所需時(shí)間短，滑磨功也較低。根據(jù)滑磨功的定義[3]可知，應(yīng)盡量降低發(fā)動(dòng)機(jī)起步轉(zhuǎn)速，通過(guò)減小同步轉(zhuǎn)速差以降低滑磨功，延長(zhǎng)離合器使用壽命。

c.恒轉(zhuǎn)矩控制策略的本質(zhì)在于通過(guò)犧牲可接受的起步時(shí)間和滑磨功，來(lái)?yè)Q取整車(chē)起步的平穩(wěn)性。

兩種策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，但由于現(xiàn)階段模糊邏輯控制策略還不成熟，且從動(dòng)盤(pán)的耐磨性相對(duì)廉價(jià)可靠，故恒轉(zhuǎn)矩控制策略的開(kāi)發(fā)應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義，而其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)對(duì)Tc的精確控制。

3 離合器起步過(guò)程轉(zhuǎn)矩傳遞精確控制策略

3.1 摩擦轉(zhuǎn)矩傳遞的影響因素

由式（1）可知，j取決于Tc變化率的大小，而在離合器起步過(guò)程中，僅在同步滑磨階段產(chǎn)生j，此時(shí)離合器主從動(dòng)盤(pán)接合程度已經(jīng)越過(guò)半接合點(diǎn)，典型單片式Tc為：

式中，μc為摩擦系數(shù)；FN為從動(dòng)盤(pán)總成所受壓緊力；Rc為當(dāng)量摩擦半徑，對(duì)于任一定型產(chǎn)品是一定值。

3.1.1μc的變化規(guī)律

從動(dòng)盤(pán)總成摩擦襯片和離合器壓盤(pán)及飛輪之間的μc隨溫度和轉(zhuǎn)速差變化。AMT車(chē)輛起步時(shí)間一般應(yīng)控制在2～5 s以?xún)?nèi)[7]，因此在離合器正常接合過(guò)程中，滑磨階段時(shí)長(zhǎng)一般不超過(guò)3 s。由文獻(xiàn)[8]可知，采用維持發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速的辦法，能有效提高車(chē)輛起步品質(zhì)。

對(duì)某知名品牌430型膜片彈簧離合器進(jìn)行定轉(zhuǎn)速（600 r/min）、定接合量、定溫度的滑磨試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 滑磨試驗(yàn)結(jié)果

可見(jiàn)，在離合器不少于4 s的強(qiáng)制滑磨過(guò)程中，摩擦襯片表面溫度迅速升高，摩擦系數(shù)也隨之降低。由于摩擦系數(shù)最大降幅只有5.4%，故在此階段可將其視為一個(gè)常數(shù)，用起止平均值0.294來(lái)近似表示。

3.1.2FN的變化規(guī)律

在A(yíng)MT離合器接合過(guò)程中，高速電磁開(kāi)關(guān)閥按既定程序控制分離撥叉和分離軸承行程，使壓盤(pán)升程減小至壓緊從動(dòng)盤(pán)總成，從而產(chǎn)生摩擦轉(zhuǎn)矩。離合器接合過(guò)程中受力分析如圖2所示。

圖2 離合器接合過(guò)程受力分析

離合器接合過(guò)程中，A點(diǎn)以前，F(xiàn)N為零；C點(diǎn)以后，F(xiàn)N等于從動(dòng)盤(pán)彈力；從動(dòng)盤(pán)變形階段即AC區(qū)間，膜簧變形彈力Fs被從動(dòng)盤(pán)軸向變形彈力Ft和分離力Fe所平衡，根據(jù)牛頓第三定律知：

可見(jiàn)，離合器接合過(guò)程中的壓緊力隨壓盤(pán)升程的變化規(guī)律可用從動(dòng)盤(pán)總成軸向剛度特性等效描述。

3.1.3 分離行程與壓縮量及壓緊力之間的關(guān)系

從動(dòng)盤(pán)總成軸向壓縮量z實(shí)際上由離合器壓盤(pán)所在位置決定，故分離行程x通過(guò)控制壓盤(pán)升程y間接決定FN的大小[9]。離合器的分離特性曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 離合器蓋總成分離特性曲線(xiàn)

由膜片彈簧離合器相關(guān)特性可知，分離行程與從動(dòng)盤(pán)總成壓縮量存在關(guān)系：

式中，h為從動(dòng)盤(pán)總成安裝狀態(tài)下的壓縮量；k為壓盤(pán)升程曲線(xiàn)的斜率；b為曲線(xiàn)在縱軸上的截距。

分析從動(dòng)盤(pán)總成軸向壓縮量與壓緊力之間的關(guān)系，即從動(dòng)盤(pán)總成軸向剛度特性曲線(xiàn)。由理論可知，該曲線(xiàn)類(lèi)似一條非線(xiàn)性遞增函數(shù)曲線(xiàn)，故只需擬合出該曲線(xiàn)的方程式，則對(duì)一定范圍內(nèi)任意給定的FN，即可求解出z。

因此，通過(guò)控制分離行程來(lái)控制z和FN，即可精確控制Tc的大小及變化規(guī)律。

3.2 基于全壽命周期的剛度特性描述

從動(dòng)盤(pán)總成軸向剛度特性在初始狀態(tài)和耐久后狀態(tài)并不相同，由于控制策略是面向產(chǎn)品全壽命周期的，故對(duì)剛度特性的研究也需以全壽命模型為對(duì)象。

3.2.1 初始狀態(tài)剛度特性

目前，國(guó)內(nèi)離合器廠(chǎng)家一般通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)、調(diào)整波形彈簧片的過(guò)渡倒角和拱高落差的方法來(lái)修正從動(dòng)盤(pán)總成軸向剛度特性，使該曲線(xiàn)落在預(yù)定范圍內(nèi)，但只有范圍限定而無(wú)精確描述。為此，通過(guò)試驗(yàn)得出一系列壓緊力與軸向壓縮量數(shù)據(jù)組，再利用多項(xiàng)式對(duì)這些散點(diǎn)進(jìn)行擬合，就可得出一個(gè)解析方程式。并對(duì)3件樣品進(jìn)行試驗(yàn)。

對(duì)3條試驗(yàn)曲線(xiàn)各典型散點(diǎn)進(jìn)行分析，找出最大值Fmax、最小值Fmin、平均值Fa、平均值與實(shí)際散點(diǎn)之間最大誤差值Fd及誤差率δ，結(jié)果見(jiàn)表2。

在離合器起步滑磨階段，經(jīng)計(jì)算可知整車(chē)空載和滿(mǎn)載所對(duì)應(yīng)從動(dòng)盤(pán)總成壓縮量處于0.3～0.6 mm，誤差范圍最大為5.5%。該誤差根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況可以酌情接受；否則，需對(duì)產(chǎn)品一致性做出更嚴(yán)格要求，以期誤差在可接受范圍內(nèi)。

表2 剛度特性數(shù)值分析

對(duì)試驗(yàn)測(cè)取各個(gè)離散點(diǎn)的平均值用多項(xiàng)式進(jìn)行回歸分析，可知五次多項(xiàng)式能精準(zhǔn)擬合，并將置信度控制在95%以上?；貧w模型方程式為：

式中，p1=9.355×105；p2=-1.506×106；p3=9.34×105；p4=-2.515×105；p5=3.937×104；p6=-1619。

對(duì)式（5）取典型點(diǎn)Fi與Fa進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。在從動(dòng)盤(pán)總成壓縮量為0.3～0.6 mm，各典型點(diǎn)的回歸方程式計(jì)算值與實(shí)際值誤差不大于3.64%，如對(duì)精度有更高要求，可提高擬合多項(xiàng)式階次，直至滿(mǎn)足實(shí)際需求為止。

表3 回歸預(yù)測(cè)模型誤差分析

根據(jù)整車(chē)控制精度需求，對(duì)式（5）按合適步長(zhǎng)取一系列散點(diǎn)參數(shù)組（Fa，z），并存儲(chǔ)在ROM中，TCU通過(guò)判定整車(chē)起步工況，讀取預(yù)定參數(shù)組按給定算法計(jì)算輸出即可獲得所需起步轉(zhuǎn)矩。

3.2.2 使用過(guò)程中的剛度誤差修正

離合器從動(dòng)盤(pán)總成在使用中，摩擦襯片因磨損厚度逐漸減小，波形彈簧片剛度也因疲勞而有所強(qiáng)化。因此，隨著離合器分離接合次數(shù)增加，其起步控制程序也應(yīng)適時(shí)調(diào)整，以修正因從動(dòng)盤(pán)總成變薄和軸向剛度強(qiáng)化而導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。從動(dòng)盤(pán)總成的軸向剛度及疲勞特性主要由波形彈簧片自身特性決定[10]。對(duì)樣品進(jìn)行50萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)，分別根據(jù)試驗(yàn)前后剛度特性測(cè)取一系列典型點(diǎn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 耐久試驗(yàn)前后剛度變化對(duì)比 %

由表4可知，從動(dòng)盤(pán)總成剛度變化幅度在壓縮量維度上的分布并不規(guī)律，因此剛度修正難以采用公式表達(dá)的方法，而只能以試驗(yàn)法修正各參數(shù)組。以5萬(wàn)次疲勞耐久后的剛度修正為例，疲勞耐久前后剛度曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 疲勞耐久前后剛度特性曲線(xiàn)對(duì)比

對(duì)初始狀態(tài)的任一參數(shù)組，以壓緊力為基準(zhǔn)找出疲勞耐久后曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng)的壓縮量值，即可得到修正參數(shù)組（Fa，z′），依此組成一個(gè)5萬(wàn)次疲勞耐久后的修正數(shù)據(jù)包。對(duì)于未能在試驗(yàn)中直接測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可通過(guò)在相鄰兩點(diǎn)間插值近似替代。

據(jù)此，對(duì)TCU進(jìn)行設(shè)置：每分離接合1 000次，以上次完全接合時(shí)分離軸承所處位置為零點(diǎn)；參數(shù)庫(kù)包含n個(gè)數(shù)據(jù)包，依次對(duì)應(yīng)初始狀態(tài)和各個(gè)設(shè)定次數(shù)的耐久狀態(tài)，當(dāng)計(jì)數(shù)傳感器監(jiān)測(cè)到離合器分離接合至某設(shè)定次數(shù)時(shí)，TCU自動(dòng)轉(zhuǎn)入下一個(gè)修正數(shù)據(jù)包求解，即可得到相應(yīng)的控制輸出指令。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

假設(shè)某AMT商用車(chē)在坡道自動(dòng)起步，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到整車(chē)RFM量為50 t，坡道角度為α（tanα=8%），加速度a0=0.3 m/s2。由于在起步過(guò)程中，車(chē)速一般較低，車(chē)輛起步瞬間完成所用時(shí)間短，故理論研究中認(rèn)為在車(chē)輛起步過(guò)程中道路阻力矩M變化率為零[11]，可得離合器需提供的轉(zhuǎn)矩為：

式中，β為輪胎角加速度；W為整車(chē)質(zhì)量；RT為輪胎滾動(dòng)半徑；ψ=sinα+f·cosα。

目前國(guó)內(nèi)沖擊度推薦值[12]為j≤17.64 m·s-3，故在起步3 s滑磨過(guò)程中加速度變化量應(yīng)滿(mǎn)足：

為方便計(jì)算，假設(shè)滑磨過(guò)程中加速度恒定，則-52.62≤at≤53.22，將相關(guān)參數(shù)代入式（6）得。實(shí)際上不可能小于零，從而其數(shù)值范圍應(yīng)為。

若Tc穩(wěn)定為595 N·m，則整車(chē)可按a0=0.3 m/s2的加速度均勻起步；而在滑磨階段，只要在上述范圍內(nèi)，即可保證j不超標(biāo)。聯(lián)立式（2）～式（5）得：

為防止因誤差使實(shí)際轉(zhuǎn)矩偏小導(dǎo)致整車(chē)不能起步，對(duì)所需轉(zhuǎn)矩取1.1的后備系數(shù)得Tc(a0)=655 N·m；μc取 0.294；Rc=0.172 mm。可得x=3.95 mm。

據(jù)此隨機(jī)抽取3套樣品進(jìn)行磨合，按表5條件進(jìn)行臺(tái)架模擬試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

表5 離合器強(qiáng)制滑磨試驗(yàn)條件

圖5 離合器滑磨曲線(xiàn)

試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比見(jiàn)表6，分析可知：

a.離合器預(yù)定滑磨起點(diǎn)傳遞轉(zhuǎn)矩非常接近理論值，證明該策略是完全可行的；實(shí)際值普遍略小，因此后備系數(shù)很有必要。

b.引入后備系數(shù)后滑磨起點(diǎn)加速度均大于理論值，但j與a的大小無(wú)關(guān)，只與其變化率有關(guān)，因此該情況對(duì)實(shí)車(chē)起步無(wú)實(shí)質(zhì)影響。

c.離合器越過(guò)半接合點(diǎn)到達(dá)穩(wěn)定點(diǎn)區(qū)間，j最有可能超標(biāo)，實(shí)車(chē)控制程序應(yīng)保證此段接合過(guò)程適度平穩(wěn)。

d.隨著溫度升高，從動(dòng)盤(pán)的μc減小導(dǎo)致Tc減小，而軸向熱膨脹使其所受壓緊力增大導(dǎo)致Tc增大，在兩種相反趨勢(shì)作用下，最終輸出轉(zhuǎn)矩變大變小都有可能，但基本呈均勻態(tài)勢(shì)且變幅較小，故對(duì)j影響也較小。

表6 理論值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為確保整車(chē)不會(huì)出現(xiàn)因轉(zhuǎn)矩降低導(dǎo)致整車(chē)減速不能起步甚至離合器燒蝕事件，可在TCU和ECU程序中采取預(yù)防措施：當(dāng)在起步中監(jiān)測(cè)到從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速不變或降低時(shí)，適當(dāng)加大油門(mén)開(kāi)度和離合器接合量，即可保證源動(dòng)力和傳遞轉(zhuǎn)矩均滿(mǎn)足起步需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

分析了AMT車(chē)輛起步過(guò)程中的離合器動(dòng)力學(xué)特性，以從動(dòng)盤(pán)總成軸向剛度為切入口，利用五次多項(xiàng)式對(duì)其進(jìn)行了精確擬合，通過(guò)試驗(yàn)給出了疲勞耐久后的參數(shù)組修正方法，并提出了通過(guò)精確控制離合器分離行程以間接控制其傳遞轉(zhuǎn)矩大小的新策略，以此保障沖擊度維持在低水平，并在臺(tái)架試驗(yàn)中證明了其可行性。

1 楊晶晶.某商用車(chē)AMT離合器起步過(guò)程控制研究：[學(xué)位論文].重慶：重慶理工大學(xué)，2013.

2 葛安林.車(chē)輛自動(dòng)變速理論與設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

3 李笛.AMT車(chē)輛離合器起步控制策略研究及應(yīng)用：[學(xué)位論文].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013.

4 胡建軍，胡宏奎，伍國(guó)強(qiáng),等.重型商用車(chē)AMT自動(dòng)控制策略及試驗(yàn)分析.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（6）：31～41.

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11 李冬冬.汽車(chē)起步階段AMT離合器模糊控制方法研究：[學(xué)位論文].秦皇島：燕山大學(xué)，2013.

12 雷曉東.電控機(jī)械自動(dòng)變速系統(tǒng)換檔控制策略研究.重慶：重慶大學(xué)，2005.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年10月1日。

Research on the Constant Torque Starting Control Strategy of AMT Clutch

Tang Yifei,Liu Lixin,Wu Yajun,Jiang Guanyi,Zhou Yu
（China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011）

With starting control strategy of commercial vehicle AMT as research object,a new strategy based on the torque transfer process of clutch was proposed in order to control the degree of impact and start smoothly,comparative analysis was also carried out.With the fitting equation of stiffness characteristics of the driven clutch plate was obtained by test,a model for precisely calculating output torque by controlling clutch release stroke was established,and the correction method of output torque controlling after the durability test of the clutch was studied,then a constant torque starting control strategy of the full clutch life cycle was formed.Bench test results indicated that the strategy can meet the requirements of vehicle automatic start.

AMT,Clutch,Constant torque,Start,Control strategy

AMT 離合器 恒轉(zhuǎn)矩 起步 控制策略

U463.2

A

1000-3703（2017）07-0020-05