歷寶錄 李俊 張寬寬 王飛 李淑英

(聯(lián)合汽車電子有限公司, 上海 201206)

1 前言

隨著國際環(huán)境形勢得到越來越廣泛的重視，在車輛中實現(xiàn)節(jié)能減排成為大勢所趨[1-2]。在城市擁堵的工況下，區(qū)別于傳統(tǒng)燃油車輛，由電機驅(qū)動的車輛會有更好的排放表現(xiàn)[3]?？紤]到經(jīng)濟性以及續(xù)航能力，混動車輛得到了市場的青睞，但在混動車輛中，由于有兩種動力源的存在[4]，其傳動系統(tǒng)只能配備自動變速箱，傳動手動變速箱并不適配。然而，考慮成本原因和一定的燃油經(jīng)濟性，裝有手動變速箱的車輛依然在我國占據(jù)很大的市場。實現(xiàn)車輛手動變速箱中的離合器自動化，十分有利于拓展裝有手動變速箱的傳動系統(tǒng)的功能性、提升駕駛舒適度以及便捷性、同時實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的混動化。因此，電控離合器作為一種手動變速箱混動化的解決方案，得到了一些廠商(如博世、舍弗勒等)的關(guān)注以及開發(fā)。

電控離合器實現(xiàn)了手動變速箱中的離合器的自動化控制，即駕駛員只需要通過手動操縱進行換擋，不需要同時操縱離合器踏板[5]。這樣極大地提高操作的便捷性，同時還可以使裝有手動變速箱的傳動系統(tǒng)具有滑行功能，實現(xiàn)頻繁啟停下的擁堵路況的節(jié)能減排。

在電控離合器的工作過程當(dāng)中，摩擦片之間的滑動摩擦不僅會導(dǎo)致離合器磨損，還會產(chǎn)生大量的摩擦熱量[6-7]。這些熱量會使離合器表面溫度急劇升高，而電控離合器摩擦片的摩擦系數(shù)會隨著溫度的升高而下降，這會造成電控離合器傳扭能力的下降[8-9]。另外，由于離合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，無法安裝溫度傳感器，在短時間脫開冷卻后無法確定離合器當(dāng)前溫度。因此，對電控離合器的溫度特性的研究具有非常重要的實際意義。

本文在電機臺架上搭建了電控離合器變速箱臺架，在離合器壓盤、飛輪盤以及離合器蓋上分別布置溫度傳感器，通過雙滑環(huán)結(jié)構(gòu)將多路旋轉(zhuǎn)的溫度信號轉(zhuǎn)為非旋轉(zhuǎn)的可穩(wěn)定收集的溫度信號，進行數(shù)據(jù)采集后得到離合器溫度場分布。分別針對穩(wěn)態(tài)工況試驗、動態(tài)工況試驗和起動工況試驗設(shè)計了不同的試驗方法，用來對電控離合器的溫度進行多工況的測量以及分析，探究電控離合器溫度變化的規(guī)律。

2 試驗方案

2.1 試驗臺架

試驗臺架為上海交通大學(xué)大學(xué)提供的輸出端帶測功機的動力總成臺架，可以實現(xiàn)多種類型的變速箱的相關(guān)試驗以及性能測試，其結(jié)構(gòu)示意圖以及照片如圖 1所示。臺架主要由驅(qū)動模塊、被測件模塊以及負載模塊組成。

(a) 試驗臺架結(jié)構(gòu)示意

驅(qū)動模塊由驅(qū)動電機、扭矩儀和編碼盤三個部分組成。驅(qū)動電機連接被測件的輸入端，用來模擬車輛發(fā)動機，為被測件提供動力來源。扭矩儀和編碼盤則作為傳感器測量驅(qū)動電機輸出軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號。

負載模塊連接被測件的輸出端，用來模擬車輛所受到的阻力，包括慣性飛輪盤、負載電機、扭矩儀和編碼盤。其中負載電機提供相應(yīng)的大小可變的阻力矩，慣性飛輪盤用來模擬整車的轉(zhuǎn)動慣量，慣量的大小可以根據(jù)需求通過增加或者減少飛輪盤的數(shù)目來調(diào)整。與驅(qū)動模塊相似，扭矩儀和編碼盤用來測量負載電機輸出軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號。

被測件模塊主要包括被測變速箱及其支撐板，支撐板又分為母板和子板兩個部分，其中母板可以為不同的變速箱提供支撐，子板則根據(jù)不同的變速箱具體設(shè)計加工。

試驗臺架的主要參數(shù)如表 1所示。

表1 測功機參數(shù)

臺架的測功機系統(tǒng)由西門子的PLC編程控制，即PLC作為兩個測功機的直接控制器。臺架的上位機(Human Machine Interface)負責(zé)給PLC發(fā)送電機的控制指令，使電機根據(jù)試驗需求運轉(zhuǎn)。測功機控制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖 2所示，上位機的控制程序由LabVIEW編寫，通過Ethernet總線，將控制指令(一般是電機的目標(biāo)轉(zhuǎn)速或目標(biāo)轉(zhuǎn)矩)以共享變量的方式發(fā)送給PLC，PLC收到指令后，將相應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩迅速調(diào)整到指令目標(biāo)值；另一方面，測功機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等參數(shù)由PLC通過DP總線(臺架的扭矩儀和編碼器均提供DP接口)采集，再通過共享變量的方式傳給上位機。上位機對PLC的控制屬于開環(huán)控制，PLC對電機的控制則屬于閉環(huán)控制。

圖2 測功機控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)Fig.2 Structure of the control system of the motors

2.2 溫度傳感器的安裝

本試驗選取熱電偶作為溫度傳感器。這是因為熱電偶具有測溫范圍交廣、靈敏度較高的特點。在測量點的選取上，由于要進行散熱性能的測試，本試驗將在離合器壓盤的表面、離合器蓋及飛輪盤表面處分別選取測量點進行熱電偶的安裝。熱電偶在離合器壓盤的表面和飛輪盤表面處的安裝需要打孔，按照對稱的原則，壓盤上打孔數(shù)量為兩個，飛輪上為六個，離合器蓋不需要進行打孔，具體測量點位置如圖3所示。

(a) 壓盤打孔位置

在臺架試驗的過程當(dāng)中，壓盤和飛輪等部件處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，使熱電偶的測量信號不能直接由引線接出。同時，由于電控離合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，無線傳輸?shù)姆椒ㄒ膊⒉滑F(xiàn)實。因此，為了將旋轉(zhuǎn)的溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的非旋轉(zhuǎn)信號，本試驗采用導(dǎo)電滑環(huán)實現(xiàn)熱電偶信號的傳輸?；h(huán)的內(nèi)外圈有相對的轉(zhuǎn)動，同時保持電接觸?；h(huán)的內(nèi)圈和離合器輸入軸固連，隨著輸入電機同步運轉(zhuǎn)，外圈則固定在臺架上。這樣，熱電偶的接線連接到滑環(huán)內(nèi)圈，隨著離合器輸入軸選擇，信號由滑環(huán)外圈引出，連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備。另外，由于試驗需要多路溫度傳感器的信號采集，需要安裝兩個滑環(huán)進行采集。

3 試驗方法

在本節(jié)中，為了研究電控離合器在不同工況下的溫度變化規(guī)律，根據(jù)穩(wěn)態(tài)工況、動態(tài)工況以及起步工況的特點分別設(shè)計了對應(yīng)的試驗方法。

3.1 穩(wěn)態(tài)工況的試驗方法

在穩(wěn)態(tài)工況的試驗條件下，使電控離合器工作在一個穩(wěn)態(tài)的工況下，即觀測離合器在前后端的轉(zhuǎn)速不變條件下溫度場的變化規(guī)律。在單次滑摩的溫升試驗中，分別給離合器前后端不同的轉(zhuǎn)速差和傳遞扭矩，來探究其對離合器溫升所造成的影響。在散熱試驗中，分別給離合器前后端不同的轉(zhuǎn)速差和初始溫度，來探究其對離合器散熱所造成的影響。

在單次滑摩的穩(wěn)態(tài)工況的對比試驗中，輸入測功機為限扭的速度閉環(huán)控制，負載測功機也為限扭的速度閉環(huán)控制。給予相同的管路初始溫度、壓盤初始溫度、飛輪初始溫度以及離合器蓋初始溫度。設(shè)置離合器傳遞扭矩、滑摩時間以及前后端轉(zhuǎn)速差，其中不同的傳遞扭矩通過給予離合器壓盤不同的壓力來實現(xiàn)。通過熱電偶溫度傳感器和雙滑環(huán)結(jié)構(gòu)采集壓盤、飛輪盤以及離合器蓋的溫度變化趨勢。

以單次滑摩過程中不同的前后端轉(zhuǎn)速對溫升變化的影響為例，在本組試驗中，管路溫度為28℃±1 ℃，壓盤起始溫度為30℃±10 ℃，飛輪起始溫度為30℃±10 ℃，離合器蓋起始溫度為30℃±10 ℃。設(shè)置電控離合器傳遞扭矩為50 Nm，滑摩時間為60 s，分別記錄離合器前后端轉(zhuǎn)速差為250 r/min和750 r/min下的壓盤、飛輪以及離合器蓋溫升趨勢，結(jié)果如圖4所示。

(a) 壓盤溫度

3.2 動態(tài)工況的試驗方法

在動態(tài)工況的試驗條件下，離合器工作在一個動態(tài)過程當(dāng)中，即觀測離合器滑摩-脫開動態(tài)變化的條件下溫度場的變化規(guī)律。在多次滑摩的溫升試驗中，離合器會先后經(jīng)歷多次滑摩過程，分別給離合器前后端不同的轉(zhuǎn)速差和傳遞扭矩，來探究其對離合器溫升所造成的影響。

在多次滑摩的動態(tài)工況的對比試驗中，輸入測功機為限扭的速度閉環(huán)控制，負載測功機也為限扭的速度閉環(huán)控制。給予相同的管路初始溫度、壓盤初始溫度、飛輪初始溫度以及離合器蓋初始溫度。設(shè)置離合器傳遞扭矩、滑摩時間以及前后端轉(zhuǎn)速差，其中，不同的傳遞扭矩通過給予離合器壓盤不同的壓力來實現(xiàn)。通過熱電偶溫度傳感器和雙滑環(huán)結(jié)構(gòu)采集壓盤、飛輪盤以及離合器蓋的溫度變化趨勢。

以多次滑摩過程中不同的前后端轉(zhuǎn)速對溫升變化的影響為例，在本組試驗中，管路溫度為28 ℃±1 ℃，壓盤起始溫度為50 ℃±10 ℃，飛輪起始溫度為50 ℃±10 ℃，離合器蓋起始溫度為50 ℃±10 ℃。設(shè)置電控離合器傳遞扭矩為75 Nm，單次滑摩時間為8 s，滑摩結(jié)束打開冷卻10 s，循環(huán)4個周期，分別記錄離合器前后端轉(zhuǎn)速差為750 r/min和1,000 r/min下的壓盤、飛輪以及離合器蓋溫升趨勢，其結(jié)果如圖5所示。

(a) 壓盤溫度

3.2 起步工況的試驗方法

在起步工況的試驗條件下，離合器工作在一個模擬起步的過程當(dāng)中，即觀測離合器在實車起步的條件下溫度場的變化規(guī)律。在起步工況的溫升試驗中，離合器會先后經(jīng)歷多次滑摩過程，分別給予了離合器變速箱不同的擋位，來探究其對離合器溫升所造成的影響。

在起步工況的對比試驗中，輸入測功機為限扭的速度閉環(huán)控制，負載測功機也為限扭的速度閉環(huán)控制。輸入測功機起始工作轉(zhuǎn)速分別為800 r/min、900 r/min、1,000 r/min、1,100 r/min、1,300 r/min，以此模擬不同油門條件下離合器滑動摩擦車輛起步的工作；負載測功機的轉(zhuǎn)速動態(tài)設(shè)定是根據(jù)車輛動力學(xué)和力矩傳感器的實時數(shù)據(jù)進行計算獲得的轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速等效于車速。給予相同的管路初始溫度、壓盤初始溫度、飛輪初始溫度以及離合器蓋初始溫度。通過熱電偶溫度傳感器和雙滑環(huán)結(jié)構(gòu)采集壓盤、飛輪盤以及離合器蓋的溫度變化趨勢。

在本組試驗中，管路溫度為281 ℃±1 ℃，壓盤起始溫度為501 ℃±10 ℃，飛輪起始溫度為451 ℃±5 ℃，離合器蓋起始溫度為351 ℃±5℃。分別記錄一擋和二擋全油門起步下的壓盤、飛輪以及離合器蓋溫升趨勢，結(jié)果如圖 6所示。

(a) 壓盤溫度

值得注意的是，在實際運行過程中當(dāng)離合器輸入側(cè)和輸出側(cè)接近同步時，會出現(xiàn)劇烈扭振，主要原始是雙速度閉環(huán)的力矩快速調(diào)整導(dǎo)致的，因此在接近同步之前輸入測功機的轉(zhuǎn)速控制適當(dāng)提高，避開扭振，同時實現(xiàn)起步加速工況的動態(tài)模擬。

4 結(jié)論

為了探究電控離合器滑摩作用時的溫度變化的特性，搭建了電控離合器變速箱臺架，并在臺架上進行了一系列溫度試驗。在進行臺架的搭建時，根據(jù)試驗需要，分別在壓盤表面、飛輪盤表面以及離合器蓋上選取了溫度測量點。選取熱電偶作為溫度傳感器來記錄離合器脫開后溫度下降的變化。由于壓盤以及飛輪盤是旋轉(zhuǎn)部件，本試驗中利用滑環(huán)將旋轉(zhuǎn)的溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉切D(zhuǎn)信號來傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。另外，考慮到本試驗要采集多路溫度信號，設(shè)計了相應(yīng)的雙滑環(huán)結(jié)構(gòu)。

在試驗中，針對穩(wěn)態(tài)工況、動態(tài)工況以及起步工況分別進行了不同的溫度試驗，根據(jù)每種工況的特點設(shè)計了不同的試驗方法。其中，起步工況較為復(fù)雜，分別給予輸入測功機不同的轉(zhuǎn)速指令來模擬不同油門條件下離合器滑動摩擦車輛起步的工作，并給予輸出測功機動態(tài)計算的轉(zhuǎn)速來模擬車輛當(dāng)前負載以及道路狀況下的有效速度。

本文提出的臺架搭建和試驗方案為建立電控離合器溫度模型、故障診斷以及補償算法提供了具有可行性的試驗方案以及理論依據(jù)。