李云燕，劉宇鍵，陳漫

(1.湘潭大學(xué)自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，湖南湘潭 411100；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

0 前言

濕式離合器接合過程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的迅速準(zhǔn)確響應(yīng)對(duì)于離合器接合品質(zhì)具有重要作用。由于離合器摩擦副的磨損以及工作環(huán)境如負(fù)載、油溫的改變，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨著時(shí)間劇烈變化，使得離合器的魯棒性控制變得更加困難。

在濕式離合器液壓控制系統(tǒng)的研究方面， BALAU等考慮了液壓控制過程中的時(shí)間延遲，設(shè)計(jì)了一個(gè)預(yù)測(cè)控制策略以控制離合器的活塞位移并減小通信延遲，顯著改善了控制性能。MENG等建立了完整的離合器電液控制模型，制定了預(yù)充油自適應(yīng)參數(shù)修正策略。GUO等應(yīng)用模糊自適應(yīng)控制方法對(duì)離合器預(yù)充油控制參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)修正。吳健鵬等建立了離合器電液比例減壓閥和離合器供油系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究了不同的PWM輸入信號(hào)對(duì)離合器充油特性的影響?？谆鄯嫉冉⒘穗x合器的電液操縱系統(tǒng)的數(shù)值模型，設(shè)計(jì)了滑?？刂破鞑⑦M(jìn)行了穩(wěn)定性分析。唐治研究了油液溫度、控制頻率等控制參數(shù)對(duì)油壓的影響，設(shè)計(jì)了前饋-串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)油壓的精確控制。目前，多數(shù)研究集中于液壓閥控制系統(tǒng)對(duì)離合器油壓的控制，對(duì)離合器接合過程中壓力、充油流量之間變化規(guī)律研究較少，而且未從離合器充油流量對(duì)升壓特性角度對(duì)離合器油壓升高的需求進(jìn)行分析。

本文作者建立濕式離合器充油過程數(shù)值模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。從充油流量與離合器升壓特性的關(guān)系對(duì)離合器充油流量需求進(jìn)行分析，揭示油液溫度、回位彈簧、摩擦副間隙對(duì)離合器預(yù)充油效果的影響，提出液壓閥控離合器的預(yù)充油控制方法，改善預(yù)充油過程控制效果。

1 濕式離合器充油過程建模

如圖1所示，比例電磁閥先導(dǎo)控制的離合器主要包含電液比例閥、減壓閥和離合器3個(gè)主要部分。在比例電磁閥輸入控制信號(hào)后，電液比例閥的壓力控制油作用于減壓閥閥芯的左腔，推動(dòng)閥芯向右移動(dòng)，使得減壓閥卸油口逐漸關(guān)閉，進(jìn)油口逐漸打開，離合器開始充油。離合器的分離過程則與之相反，比例電磁閥輸入信號(hào)逐漸減小，作用于減壓閥閥芯左腔的油壓逐漸減小，閥芯在減壓閥彈簧的作用下逐漸向左移動(dòng)，減壓閥進(jìn)油口逐漸關(guān)閉，卸油口逐漸打開，離合器油腔內(nèi)壓力油逐漸泄至油箱中。

圖1 比例電磁閥先導(dǎo)控制離合器充油示意

1.1 減壓閥模型

減壓閥閥芯的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程：

(1)

式中：、、分別為閥芯左側(cè)、右側(cè)以及閥芯控制油腔的壓力；、分別為閥芯左側(cè)和右側(cè)的面積；、分別為閥芯油腔左側(cè)和右側(cè)的面積；為閥芯的質(zhì)量；為閥芯右側(cè)彈簧的剛度；為閥芯的位移；為彈簧的預(yù)壓縮量。

減壓閥右腔流量平衡方程：

(2)

式中：為流入閥芯右腔的流量；為流量壓力系數(shù)；為右腔的體積；為油液的體積彈性模量。

減壓閥控制油腔流量連續(xù)性方程：

(3)

式中：為減壓閥進(jìn)口流量；為減壓閥至離合器的出口流量；為泄至油箱的流量。

(4)

(5)

式中：、分別為進(jìn)油和卸油口閥口流量系數(shù)；、分別為進(jìn)油與卸油口開口面積；為油液的密度。對(duì)于離合器充油和放油這兩個(gè)不同的過程，閥芯位置不同，對(duì)應(yīng)的、中開口面積、不同。

1.2 離合器充油模型

離合器活塞動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程：

(6)

活塞受到的離心油壓作用計(jì)算公式為

(7)

式中：為油液密度；為油液旋轉(zhuǎn)角速度；、分別為摩擦片內(nèi)徑、外徑的半徑；為控制油入口處半徑。

在離合器的充油過程中，回位彈簧阻力為

(8)

式中：為回位彈簧預(yù)壓縮量；為離合器預(yù)充油結(jié)束時(shí)活塞移動(dòng)的距離；為回位彈簧的剛度；為摩擦副擠壓時(shí)的剛度。

活塞的密封阻力計(jì)算公式如下：

(9)

式中：和為常數(shù)；是活塞密封環(huán)的阻尼系數(shù)；是靜摩擦阻力。在這個(gè)較小的速度范圍內(nèi)，靜摩擦力與活塞受到的其他力相平衡，而靜摩擦力也存在著一個(gè)最大值，一旦其他力超過靜摩擦力，活塞開始移動(dòng)。最大靜摩擦力的大小與離合器內(nèi)油壓的大小成正比，如式(10)所示：

=+

(10)

式中：和為常數(shù)。

當(dāng)摩擦副間隙完全消除之后，活塞不再移動(dòng)，此時(shí)的靜摩擦力相對(duì)于摩擦副的壓緊力忽略不計(jì)，因此得到此時(shí)摩擦副受到的壓緊力如式(11)所示：

=+-

(11)

離合器油缸流量連續(xù)性方程：

(12)

式中：為離合器的充油流量；為離合器油缸的體積；=+，為離合器油缸初始體積；=，為離合器油缸流量泄漏系數(shù)。

進(jìn)入離合器油缸的流量為

(13)

式中：、分別為控制閥閥口到離合器油缸的油道等效半徑和長(zhǎng)度；為控制油的動(dòng)力黏度。

2 充油流量對(duì)離合器升壓特性的影響

2.1 離合器充油模型的仿真與驗(yàn)證

基于MATLAB/Simulink軟件對(duì)離合器充油過程進(jìn)行仿真分析，并搭建試驗(yàn)臺(tái)對(duì)充油模型進(jìn)行驗(yàn)證。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 離合器充油模型仿真參數(shù)

離合器充油試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。離合器控制油路和潤(rùn)滑油路由兩個(gè)泵分別供油，離合器的充、放油由比例減壓閥進(jìn)行控制，通過改變減壓閥輸入信號(hào)從而改變離合器的充油流量。同時(shí)，在壓力控制閥的出口至離合器活塞之間安裝流量和壓力傳感器測(cè)量離合器油缸的充油流量和壓力。

圖2 離合器充油試驗(yàn)臺(tái)架簡(jiǎn)圖

試驗(yàn)測(cè)得的離合器輸入流量和壓力變化如圖3所示。為驗(yàn)證創(chuàng)建模型的準(zhǔn)確性，將試驗(yàn)測(cè)得的離合器輸入流量作為模型的輸入，仿真得到的離合器油壓與試驗(yàn)測(cè)得油壓進(jìn)行比較。由圖4可知：仿真得到的離合器油壓在離合器油壓快速上升至額定壓力時(shí)存在較大波動(dòng)，這是由于仿真模型中認(rèn)為在離合器摩擦副間隙完全消除后，離合器的充油流量完全用于離合器油腔內(nèi)的油液體積壓縮，此時(shí)流量的波動(dòng)導(dǎo)致離合器油壓的波動(dòng)。但是總體上仿真的離合器油壓曲線與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了模型的正確性。

圖3 試驗(yàn)測(cè)得離合器充油流量和壓力 圖4 離合器充油過程仿真油壓與真實(shí)油壓對(duì)比

2.2 充油流量對(duì)離合器升壓過程的影響分析

對(duì)于離合器的充油過程，總體上可以分為預(yù)充油階段、緩沖升壓和階躍升壓階段。在階躍升壓階段，油壓迅速上升至理想最大油壓，只需控制液壓閥的輸入信號(hào)在緩沖升壓結(jié)束時(shí)迅速增大至預(yù)設(shè)工況，離合器迅速充油并達(dá)到設(shè)定油壓。然而，預(yù)充油階段和緩沖升壓階段的離合器升壓特性會(huì)顯著影響離合器的接合品質(zhì)。

2.2.1 預(yù)充油階段

在預(yù)充油階段，充油流量不僅用于油液壓縮升壓,還需填充活塞移動(dòng)帶來的油缸體積增量，因此充油流量需求遠(yuǎn)大于緩沖升壓階段。在泄漏流量為0的情況下，離合器預(yù)充油結(jié)束所需的總的充油體積是一樣的。

為研究預(yù)充油階段充油流量大小對(duì)離合器升壓特性的影響，在離合器預(yù)充油過程中改變離合器充油流量的大小，保證在該階段離合器充油體積不變而摩擦副間隙完全消除。表2所示為離合器各充油工況下的充油流量和充油時(shí)間。充油工況A、B和C的充油流量曲線如圖5所示，改變了預(yù)充油階段的充油流量和充油時(shí)間，得到了離合器油壓曲線如圖6所示。

表2 各工況下充油流量和充油時(shí)間

圖5 考慮預(yù)充油階段的離合器充油流量圖

圖6 考慮預(yù)充油階段的離合器油壓變化圖

由圖6可以看出:隨著預(yù)充油階段充油流量的增大，從充油開始到克服回位彈簧與預(yù)壓緊力的時(shí)間逐漸縮短，離合器預(yù)充油階段油壓上升速度也逐漸增大，在預(yù)充油結(jié)束時(shí)刻離合器油壓均升至同一壓力。而在緩沖升壓階段，由于充油流量大小一致，離合器的升壓速度一致，最終達(dá)到同一油壓。因此預(yù)充油階段充油流量大小影響著該階段所需的時(shí)間，充油流量大，所需時(shí)間減小，同時(shí)總的離合器接合時(shí)間縮短。

2.2.2 緩沖升壓階段

改變緩沖階段充油流量大小，保證該階段總的充油體積不變，確保緩沖結(jié)束時(shí)離合器的油壓相等，從而研究該階段充油流量對(duì)離合器充油壓力的影響。充油工況B、D和E的充油流量曲線如圖7所示，改變了緩沖升壓階段的充油流量和充油時(shí)間，得到了離合器油壓曲線如圖8所示。

圖7 考慮緩沖升壓階段的離合器充油流量圖

圖8 考慮緩沖升壓階段的離合器油壓變化圖

如圖8所示：隨著緩沖升壓階段充油流量的增大，離合器油壓上升速度明顯加快，緩沖升壓階段時(shí)間明顯縮短。該階段充油流量很小的情況下，離合器的升壓速度依然很快，較小的充油流量差別就會(huì)導(dǎo)致離合器升壓速度的明顯差異。因此該階段的充油流量需要精確控制，充油流量太大，將會(huì)導(dǎo)致離合器壓力急劇上升。

2.3 離合器充油控制方法

對(duì)于理想的離合器充油升壓過程，希望預(yù)充油階段充油流量大，盡可能縮短該階段所需時(shí)間，而在緩沖升壓階段離合器的充油流量較小以滿足離合器油壓緩慢上升的要求。從離合器充油流量角度可知：在預(yù)充油階段離合器控制閥保持閥口開度較大或者出口油壓較大，以保證較大的充油流量，縮短預(yù)充油時(shí)間；在緩沖升壓階段，控制閥出口油壓迅速減小，隨后逐漸增大，以保證離合器充油流量較小，離合器油壓緩慢上升。此外，還需準(zhǔn)確控制預(yù)充油階段離合器保持大流量充油的時(shí)間即控制閥出口油壓迅速減小的時(shí)間，以避免離合器預(yù)充油不足和預(yù)充油過度的情況發(fā)生。

對(duì)于理想離合器的預(yù)充油階段，由于沒有摩擦轉(zhuǎn)矩傳遞，對(duì)換擋品質(zhì)幾乎沒有影響，所以該階段時(shí)間Δ應(yīng)盡量短，從而縮短整個(gè)換擋過程的時(shí)間。為此，設(shè)計(jì)離合器充油階段電磁閥輸入的控制信號(hào)如圖9所示。

圖9 充油階段電磁閥控制信號(hào)

在～階段，電磁閥輸入較大的控制信號(hào)，離合器以較大的充油流量進(jìn)行充油，直到摩擦副間隙幾乎完全消除。在時(shí)刻，電磁閥控制信號(hào)迅速減小,離合器的充油流量也逐漸減小;在～階段，離合器摩擦副完全消除，電磁閥的控制輸入信號(hào)調(diào)整為，使得減壓閥輸出壓力剛好等于預(yù)充油結(jié)束時(shí)期望的壓力，從而隨后的緩沖升壓階段離合器油壓可以平穩(wěn)上升。預(yù)充油階段主要的控制參數(shù)就是充油時(shí)間Δ以及預(yù)充油結(jié)束時(shí)刻電磁閥的輸入信號(hào)大小。

3 濕式離合器充油控制研究

基于MATLAB/Simulink進(jìn)行濕式離合器充油過程的仿真分析，比例電磁閥輸入信號(hào)如圖10所示。接下來將研究不同影響因素對(duì)離合器整個(gè)充油過程中油壓上升的影響規(guī)律，從而得出各影響因素對(duì)離合器預(yù)充油的影響，為離合器預(yù)充油控制方法提供理論基礎(chǔ)。

圖10 比例電磁閥控制信號(hào)輸入

3.1 潤(rùn)滑油溫度對(duì)充油過程的影響

隨著溫度的升高，油液的黏度逐漸降低。由式(13)可知在離合器的充油過程中，隨著溫度升高，油液黏度降低，增大，離合器充油速度增大。如圖11所示：當(dāng)油溫為70 ℃時(shí)，離合器預(yù)充油控制未出現(xiàn)較大的油壓波動(dòng)；當(dāng)油溫為100 ℃時(shí)，控制油黏度降低，離合器充油流量增大。在電磁閥輸入電流減小之前，離合器摩擦副間隙已經(jīng)消除，而此時(shí)充油流量較大，因此導(dǎo)致油壓急劇上升，出現(xiàn)了離合器預(yù)充油過度的情況。隨后電流較小，離合器又回到正常的充油規(guī)律；而當(dāng)油溫降至40 ℃時(shí)，控制油黏度增大，離合器的充油流量降低，在預(yù)期的預(yù)充油時(shí)間內(nèi)，離合器摩擦副間隙并沒有完全消除，預(yù)充油不足的情況發(fā)生。在電磁閥輸入電流減小之后離合器充油流量迅速降低，即使隨后電磁閥電流增大，離合器的充油流量增長(zhǎng)緩慢，直到=0.392 s離合器摩擦副間隙才完全消除，而此時(shí)比例電磁閥電流較大，離合器油壓迅速上升并出現(xiàn)震蕩，隨后離合器油壓按照正常的油壓曲線上升。

圖11 溫度對(duì)離合器充油過程的影響

3.2 回位彈簧剛度和預(yù)壓縮量對(duì)充油過程的影響

在制造和裝配過程中，并不能保證同一批次離合器的回位彈簧剛度和預(yù)壓縮量完全一致。回位彈簧剛度的大小和預(yù)壓縮量的大小則會(huì)影響到離合器活塞開始運(yùn)動(dòng)的離合器油壓大小，以及對(duì)應(yīng)的預(yù)充油結(jié)束的油壓大小。

從圖12和圖13可知，隨著回位彈簧剛度和預(yù)壓縮量的增大，在=0.225 8 s活塞開始移動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的離合器油壓增大，在期望的預(yù)充油過程結(jié)束時(shí)，真實(shí)離合器預(yù)充油過程并未完成，預(yù)充油不足的情況出現(xiàn)。在緊接著的緩沖升壓階段，離合器實(shí)際壓力小于預(yù)期離合器油壓，此時(shí)離合器繼續(xù)預(yù)充油過程，但是充油流量較小，直到=0.384 3 s(回位彈簧剛度增大)和=0.393 9 s(預(yù)壓縮量增大)才完成真實(shí)離合器預(yù)充油過程。

圖12 回位彈簧剛度對(duì)離合器預(yù)充油的影響

圖13 回位彈簧預(yù)壓縮量對(duì)離合器預(yù)充油的影響

而在回位彈簧剛度和預(yù)壓縮量減小時(shí)，在期望的預(yù)充油結(jié)束之前離合器預(yù)充油過程就已經(jīng)完成，回位彈簧剛度減小情況下用時(shí)0.331 9 s，回位彈簧預(yù)壓縮量減小情況下用時(shí)0.330 4 s，導(dǎo)致預(yù)充油過度的情況出現(xiàn)。離合器回位彈簧剛度和預(yù)壓縮量的改變對(duì)離合器預(yù)充油過程有著顯著影響，因此，對(duì)于離合器預(yù)充油過程的控制需要考慮回位彈簧剛度和預(yù)壓縮量的影響。

3.3 摩擦副間隙變化對(duì)充油過程的影響

隨著離合器的使用，也不可避免地伴隨著離合器的磨損，使得摩擦副間隙逐漸增大。隨著摩擦副間隙的增大，理論上離合器預(yù)充油階段所需的充油體積以及結(jié)束時(shí)刻離合器油壓都增大。

如圖14所示，摩擦副間隙較小時(shí)，離合器預(yù)充油階段所需的充油體積較小，在預(yù)充油控制參數(shù)相同的條件下，率先完成離合器預(yù)充油，離合器油壓在=0.326 5 s時(shí)迅速增大，出現(xiàn)預(yù)充油過度的情況。隨后在比例電磁閥電流減小后，離合器油壓又隨之減小到期望的預(yù)充油結(jié)束油壓。而摩擦副間隙較大時(shí)，預(yù)充油階段所需的充油體積較大，在預(yù)期預(yù)充油結(jié)束時(shí)刻，離合器摩擦副間隙未完全消除，在緩沖升壓階段離合器繼續(xù)進(jìn)行預(yù)充油階段的充油過程，導(dǎo)致離合器真實(shí)油壓不能響應(yīng)目標(biāo)離合器油壓，出現(xiàn)離合器預(yù)充油不足的現(xiàn)象。直到=0.403 5 s離合器真實(shí)預(yù)充油過程結(jié)束，離合器充油流量較大，導(dǎo)致離合器油壓出現(xiàn)較大波動(dòng)，隨后離合器真實(shí)油壓響應(yīng)目標(biāo)油壓逐漸增大。

圖14 摩擦副間隙對(duì)離合器預(yù)充油的影響

4 結(jié)論

建立了濕式離合器充油過程的數(shù)值模型，并通過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性，研究了離合器充油流量與離合器升壓特性之間的關(guān)系，明確了離合器接合過程中不同階段的充油流量需求。離合器預(yù)充油階段需要較大的充油流量，以縮短充油時(shí)間；而在緩沖升壓階段離合器的充油流量較小以滿足離合器油壓緩慢上升的要求。同時(shí)給出了液壓閥控離合器的預(yù)充油控制方法。另外，研究了油液溫度、回位彈簧剛度和預(yù)壓縮量以及摩擦副間隙對(duì)離合器預(yù)充油影響規(guī)律，為離合器充油過程的參數(shù)匹配與優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。