李文廣 馮國勝 賈素梅

（石家莊鐵道大學）

目前關于離合器控制的研究成果主要有離合器“快—慢—快”的接合規(guī)律、模糊控制、自適應控制和預測控制等，此外還有對變速器結構方案改進的研究。文獻[1]研究了在汽車傳動系加裝電控型超越離合器實現(xiàn)汽車的自動滑行；文獻[2]用多模式可控換擋器代替同步器解決了換擋過程中的動力中斷以及離合器的磨損問題；文獻[3]研制了一種純電動汽車無動力中斷換擋變速箱，換擋過程采用雙向可控超越離合器；文獻[4]提出了一種使用雙電機和超越離合器的3 速變速器，在不中斷動力傳遞的情況下執(zhí)行平穩(wěn)的速度換擋；文獻[5]提出了一種新型無級變速器（CVT），其不會產(chǎn)生較大的噪聲、不會出現(xiàn)打滑和效率較低的現(xiàn)象。文章提出了一種在傳動系統(tǒng)加裝電控超越離合器的改進方案，可完成汽車的快速起步，縮短主離合器的滑摩過程，進而減少摩擦片的磨損。

1 電控超越離合器的結構與工作原理

電控超越離合器的結構，如圖1 所示。工作時，主從動部件依靠盤面?zhèn)鬟f扭矩。楔塊環(huán)上表面為凸起的楔形對稱結構，該結構使離合器能夠在雙向傳遞轉矩；其下表面為平面，與從動環(huán)接觸形成摩擦轉矩，滾柱沿徑向對稱排布于楔塊的斜面上，在主動環(huán)與楔塊環(huán)之間傳遞轉矩。控制環(huán)為環(huán)形多撥爪結構，工作時只與滾柱接觸，撥爪撥動滾柱脫離楔角而使電控超越離合器分離。預緊彈簧為壓縮彈簧，安置在2 個滾柱之間，將滾柱推向楔角的上坡面而達到預緊的作用，促使電控超越離合器快速接合。

圖1 電控超越離合器結構示意圖

通過改變控制環(huán)的約束方式，電控超越離合器可以選擇正向單向超越、反向單向超越、雙向超越以及雙向楔合中的1 種工作模式進行工作。當控制環(huán)正反雙向均不受約束時，主動環(huán)經(jīng)楔塊環(huán)，通過兩側對稱的楔塊-滾柱機構在正反兩向均可傳遞轉矩，此時控制環(huán)處于自由狀態(tài)，不會阻止?jié)L柱進入由楔塊環(huán)與從動環(huán)組成的楔角，電控超越離合器運行于“雙向楔合”模式，相當于聯(lián)軸器的作用；當控制環(huán)正反兩向均受約束時，控制環(huán)將阻止?jié)L柱進入楔角，動力在正反兩向均無法傳遞給從動環(huán)。從動環(huán)因不受其他構件的約束，可以自由運動，此時電控超越離合器完全分離，運行于控制分離的“雙向超越”模式；而當控制環(huán)受到單向約束時，在受到約束的方向上電控超越離合器處于控制分離的超越狀態(tài)，反方向上處于楔合狀態(tài)，此時電控超越離合器運行于控制分離的單向超越模式，等同于典型單向離合器[6]。電控超越離合器實物，如圖2 所示。

圖2 電控超越離合器實物圖

通過對電控超越離合器進行建模分析和試驗研究，由試驗測定的離合器楔合時間、解楔時間與轉速的對應關系，如圖3 所示。圖3 中對應于2 000 r/min 的實測楔合時間為0.56 ms，楔合時間與空轉角均略大于仿真值，考慮到實測條件的復雜性，這一差異是可以接受的。通過比較，無論是仿真結果還是實測結果，楔合時間均小于同等工況下超越離合器的楔合時間，說明該電控超越離合器可以達到對楔合時間的設計要求。

圖3 電控超越離合器楔合時間和解楔時間與轉速的對應關系圖

2 汽車起步過程離合器模糊控制研究

2.1 起步過程離合器動力特性分析

汽車的起步過程就是主離合器接合的過程，可以分為消除空行程、傳遞摩擦扭矩和接合后穩(wěn)定運行3 個階段。消除空行程階段即無扭矩傳遞階段，主要用于消除摩擦副之間的間隙，本研究重點考慮后2 個階段，從離合器產(chǎn)生摩擦扭矩到離合器主被動端同步，終止滑摩。起步過程的控制目標主要包含起步平順性和離合器滑摩功。

1）平順性指起步過程平穩(wěn)、沖擊小、舒適感良好，通常用沖擊度j 度量：

其中：k=r/（igi0）

式中：a——汽車加速度，m/s2；

r——車輪行駛半徑，m；

ig——變速箱總傳動比；

i0——差速器傳動比；

Tc——離合器傳遞扭矩，N·m；

Tr——阻力矩，N·m；

J——發(fā)動機曲軸、飛輪及離合器主動片系統(tǒng)的當量轉動慣量，kg·m2。

2）滑摩功（W/J）：離合器主從動片接合過程中有相對轉動和摩擦，從而導致摩擦片溫度升高，滑摩功的大小通常能體現(xiàn)出溫度的高低、摩擦片磨損程度的大小。

式中：t0——離合器接合過程所用時間，s；

we——離合器輸入軸轉速，rad/s；

wc——離合器輸出軸轉速，rad/s。

將離合器主、從動部分簡化為阻尼與慣性環(huán)節(jié)，得到離合器主、從動部分結合過程的動力學方程，如式（3）和式（4）所示。

式中：Te——發(fā)動機輸出轉矩，N·m；

Td——主動與從動盤之間傳遞的摩擦扭矩，N·m；

Ie——等效至離合器主動端的轉動慣量，kg·m2；

βe——離合器主動端等效阻尼系數(shù)；

Iv——離合器從動端的等效轉動慣量，kg·m2；

wv——從動盤轉速，rad/s；

βv——離合器從動端等效阻尼系數(shù)；

Tl——從動端等效阻力矩，N·m。

2.2 模糊控制策略的制定及仿真

采用2 層模糊推理[7]，第1 層根據(jù)油門開度及油門開度變化率推理出駕駛員的起步意圖；第2 層根據(jù)離合器接合行程、起步意圖和主從動盤轉速比推理出離合器的接合速度。

1）駕駛員起步意圖的模糊判斷：駕駛員起步意圖通常是通過油門開度和油門開度的變化率2 個信息來判斷的。油門開度大，說明駕駛員急于起步；油門開度的變化率越快，說明越想較快地起步，反之，變化慢則說明起步要求較慢[8]。

2）離合器接合速度模糊控制：在對離合器接合速度進行控制時，“快—慢—快”的接合速度是比較理想的，而針對其中“慢”的階段，分成“慢—快—慢”的接合過程。當駕駛員起步意圖較大時，表明要快速起步，反之則要慢速起步。當離合器主、從動盤轉速差變大時，應慢速接合，轉速差降低時，可適當增加接合速度；當轉速差小于一定值時，應慢速接合。

基于MATLAB/Simulink 建立的起步過程控制模型，如圖4 所示。

圖4 離合器接合速度模糊控制原理與模型

基于上述分析，進行不同油門開度下的變接合速度起步仿真。當油門開度（α）在25%～50%時，為正常起步工況；當α＞50%時，汽車起步為急起步工況。分別對正常起步和快速起步2 種情況進行仿真，α 分別取值為30%和50%，離合器接合過程仿真曲線，如圖5 所示。從圖5 可以看出，在小油門開度下，離合器主從動盤達到同步的時間是2.4 s，在大油門開度下為2.0 s，離合器的接合速度基本按照所制定的接合速度進行，驗證了模糊規(guī)則的合理性。

圖5 不同油門開度下離合器接合過程仿真曲線

不同起步過程下的滑摩功仿真曲線對比，如圖6所示。由圖6 可知，緩慢起步時，離合器滑摩產(chǎn)生的滑摩功較小，而快速起步的滑摩功較大，因此離合器溫升過高可能出現(xiàn)在快速起步工況，故對此工況下的離合器瞬態(tài)溫度場進行仿真分析。以快速起步為仿真條件，油門開度在1.5 s 后穩(wěn)定在60%，求得起步過程中的滑摩功，圖7 示出快速起步工況離合器滑摩功曲線，在傳熱學理論的基礎上，建立離合器摩擦片的瞬態(tài)熱傳遞模型，利用有限元的求解方法，根據(jù)熱流密度、對流換熱條件等熱力學參數(shù)，得到大油門起步過程中離合器的瞬態(tài)溫度場，如圖8 所示。

圖6 不同油門開度下滑摩功仿真曲線

圖7 快速起步工況離合器滑摩功仿真曲線

圖8 快速起步工況離合器溫度特性分析

從圖8 可以看出，起步過程剛開始時溫度急速上升，原因是吸收的摩擦熱量還未來得及向周圍擴散，導致摩擦表面溫度急劇上升。隨著滑摩時間的延長，主從動轉速差減小，熱流密度也不斷減小，對流換熱不斷增大，導致溫度下降。當離合器連續(xù)多次進行接合后，摩擦片溫度可達到100 ℃以上，這就亟需采用措施對離合器的溫升進行控制。

3 加裝電控超越離合器后起步性能比較

在離合器同步階段，汽車可以穩(wěn)步加速，但此時離合器的接合壓力并未達到最大，該階段離合器的主、從動片接合不影響汽車的行駛性能，因此該階段應以較快的速度完成。由滑摩功仿真可知，在完全接合前的一段時間內(nèi)，滑摩功急劇上升，因此有必要采取相應措施降低滑摩功。

將電控超越離合器平行布置在主離合器兩端，當主離合器進入同步階段時，開始啟用電控超越離合器，通過控制其控制環(huán)的位置，使其運行在雙向楔合模式，從而保證主離合器前后兩軸快速同步。而此時主離合器可以停止高速下的繼續(xù)接合，從而減少主離合器的磨損，待電控超越離合器完成扭矩傳遞，主離合器溫度降低后，設置較大的接合速度進行主離合器的接合。加裝電控超越離合器前后的起步特性對比，如圖9 所示。

圖9 加裝電控超越離合器前后起步特性比較

從圖9 可以看出，當采用加入電控超越離合器的方案后，主離合器接合的同步階段滑摩功和溫升明顯降低，而沖擊度卻有所上升，但是仍然低于國際標準的10 m/s3，而摩擦片的最高溫度相比不加電控超越離合器時有明顯降低，由此證明，通過犧牲部分沖擊度指標可以實現(xiàn)降低溫升的目標。

4 結論

文章針對AMT 的起步過程進行研究，設計了適用于起步過程的多模式可控離合器，對其進行運動學仿真及樣機試驗，結果表明該離合器原理正確，楔合與解楔性能優(yōu)異，變速器整體性能可靠。通過與傳統(tǒng)結構AMT 起步過程的沖擊度、溫升進行仿真對比，新型的傳動方案在降低起步過程主離合器的滑摩功和溫升方面有一定的優(yōu)勢，本結構方案對實車的改進具有借鑒意義，后續(xù)可結合電控離合器的多模式切換與汽車運行狀態(tài)進行優(yōu)化控制研究，進一步改善系統(tǒng)性能。