楊 昭，李天闖

某插電式混合動力公交客車離合器接合控制策略分析

楊 昭，李天闖

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

在混合動力公交客車中，整車控制系統(tǒng)根據(jù)工況頻繁切換車輛的驅(qū)動方式，而離合器就是驅(qū)動方式切換的一個重要部件，其工作品質(zhì)決定著驅(qū)動系統(tǒng)的整體性能。文章通過對離合器的接合過程分析、結(jié)構(gòu)建模，并對離合器接合品質(zhì)的評價指標(biāo)研究，建立模糊控制模型對離合器的接合過程進行控制。為實現(xiàn)降油耗目標(biāo)，提出了在滿足汽車行駛所需轉(zhuǎn)矩的前提下，采用純電動驅(qū)動，當(dāng)電機輸出轉(zhuǎn)矩不能滿足車輛行駛所需時，由電機輸出額外轉(zhuǎn)矩，帶動發(fā)動機達到一定轉(zhuǎn)速后噴油點火的模糊控制策略。在發(fā)動機點火后，使離合器主、從動盤處于滑磨狀態(tài)，待到主、從動盤轉(zhuǎn)速差較小的時候，快速接合，以達到減小沖擊、提高乘坐舒適性。

混合動力公交客車；自動離合器；舒適性；模糊控制

隨著汽車工業(yè)快速發(fā)展，汽車產(chǎn)銷及保有量逐年增加，化石燃料短缺、大氣污染加劇、排放法規(guī)升級，這些問題直接威脅內(nèi)燃機汽車的可持續(xù)發(fā)展。因此，汽車要以清潔、環(huán)保、低油耗為發(fā)展方向?；旌蟿恿ζ囀莻鹘y(tǒng)內(nèi)燃機與純電相結(jié)合的一種型式，可使汽車達到低能耗、低排放的目標(biāo)。

混合動力公交客車使用工況具有行駛速度低、頻繁起步、停車、加速、減速等特點，為達到節(jié)油目的，需要在電機單獨驅(qū)動、發(fā)動機單獨驅(qū)動及發(fā)動機和電動機共同驅(qū)動三種模式中不斷切換，每次切換都需要離合器的分離和接合才能完成。接合過程的控制最為關(guān)鍵，既要平穩(wěn)，沖擊小，保證乘坐的舒適性，又要保證離合器的使用壽命（即起步的滑磨功要?。?，這就需要對自動離合器接合的最佳時機及規(guī)律進行研究[1]。

1 離合器結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型建立

離合器是汽車傳動系統(tǒng)中與動力源直接相連的部件，主要作用是保證汽車平穩(wěn)起步、換擋平順、減輕齒輪嚙合沖擊、防止傳動系統(tǒng)過載。膜片彈簧離合器由于轉(zhuǎn)矩容量大、穩(wěn)定、操縱輕便、結(jié)構(gòu)簡單且緊湊，目前被廣泛使用[2]。

膜片彈簧離合器構(gòu)造簡圖如圖1所示，主要由膜片彈簧、主動盤、從動盤、離合器蓋、分離軸承總成和分離叉臂構(gòu)成[2]。

圖1 膜片彈簧離合器構(gòu)造簡圖

1.1 離合器接合過程分析

離合器的接合過程可分為四個階段[3]，如圖2所示，c為離合器傳遞的摩擦力矩；e為主動盤轉(zhuǎn)速；c為從動盤轉(zhuǎn)速。

圖2 離合器接合過程示意圖

1）第一階段（段）：此階段為消除空行程，無轉(zhuǎn)矩傳遞，接合速度應(yīng)盡可能快，以縮短接合時間；

2）第二階段（段）：離合器主、從動片產(chǎn)生滑磨，此階段離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩不足以克服阻力矩，從減少滑磨功角度考慮，此階段也要快速接合；

3）第三階段（段）：這一階段離合器向從動盤傳遞的轉(zhuǎn)矩超過了最大阻力矩。為實現(xiàn)平穩(wěn)接合，此階段應(yīng)緩慢接合，但考慮到減少滑磨功，保護離合器，此階段的接合速度又不能太慢，應(yīng)合理選取接合速度[4]；

4）第四階段（段）：離合器的主、從動盤轉(zhuǎn)速基本實現(xiàn)同步，此階段的接合速度對沖擊度和滑磨功的影響較小，應(yīng)快速接合[5]。

由上述分析可知，為達到減少沖擊度的同時減少滑磨功，離合器接合過程應(yīng)遵循“快-慢-快”原則進行接合控制。

1.2 離合器接合評價標(biāo)準(zhǔn)

離合器接合的質(zhì)量是以平穩(wěn)性和使用壽命來評價的，即通過沖擊度和比滑磨功來度量[6-7]。

1.2.1沖擊度

沖擊度即車輛縱向加速度對時間的變化量，用表示。

式中，g為變速器傳動比；0為傳動系主減速比；為車輪滾動半徑；v為與變速器輸出軸剛性連接的整車質(zhì)量轉(zhuǎn)換至輸出軸的當(dāng)量慣量；c為離合器傳遞的摩擦力矩，c=(2)，其中2為離合器位移。

1.2.2比滑磨功

比滑磨功描述的是離合器單位面積摩擦盤之間滑動摩擦力做功的大小，數(shù)學(xué)表達式為

式中，1為從離合器主、從動盤開始接觸（c=0）起直到c逐漸增大到能夠克服阻力矩這一過程所經(jīng)歷的時間；2為從c大于阻力矩時離合器從動盤角速度由零開始轉(zhuǎn)動起，直到c逐漸增大到離合器主動盤轉(zhuǎn)速e相等所經(jīng)歷的時間；e為離合器壓盤轉(zhuǎn)速；c為離合器從動盤轉(zhuǎn)速?；ス€與道路阻力矩有關(guān)，道路阻力矩越大產(chǎn)生的比滑磨功越大。

1.3 離合器接合過程的動力學(xué)描述

離合器接合的動力學(xué)模型整車結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中離合器1連接發(fā)動機與電機，切斷與傳輸發(fā)動機的動力；離合器2連接電機與變速箱，控制電機輸出的動力傳輸。

圖3 整車結(jié)構(gòu)簡圖

汽車的行駛需求轉(zhuǎn)矩小于電機的輸出轉(zhuǎn)矩且電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）大于最低限值（即無需充電）時，汽車處于純電動驅(qū)動工況；當(dāng)汽車的需求轉(zhuǎn)矩大于電機的輸出轉(zhuǎn)矩時，驅(qū)動模式由純電動驅(qū)動向發(fā)動機驅(qū)動切換，自動離合器1開始接合，此時電機輸出額外轉(zhuǎn)矩c，通過自動離合器1帶動發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動，該過程動力學(xué)方程[8]為

式中，c為離合器1傳遞的摩擦力矩；e1為發(fā)動機阻力矩；e為發(fā)動機飛輪轉(zhuǎn)動慣量；1為電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；2為離合器從動盤轉(zhuǎn)動慣量；e為離合器從動盤轉(zhuǎn)速。

在自動離合器接合過程，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器檢測到曲軸轉(zhuǎn)速大于900 r/min時，電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）發(fā)出發(fā)動機點火信號，發(fā)動機點火，此時發(fā)動機有轉(zhuǎn)矩輸出，但此時離合器主、從動盤的轉(zhuǎn)速尚未達到同步，離合器仍然傳遞轉(zhuǎn)矩，此時發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)矩和離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩共同帶動離合器從動盤轉(zhuǎn)動，該過程的動力學(xué)方程為

式中，e2為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩。

在自動離合器接合過程中，對離合器主動盤進行受力分析如下：

式中，t為驅(qū)動輪角速度，rad/s；r為汽車行駛阻力矩，N·m；d為汽車風(fēng)阻系數(shù)；為迎風(fēng)面積，m2；為汽車行駛速度，km/h；為汽車質(zhì)量，kg；為車輪滾動半徑，m；為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；為滾動阻力系數(shù)；v為與離合器輸出軸相連的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2。

此時，電動機轉(zhuǎn)動角速度m與車輪轉(zhuǎn)動角速度t的關(guān)系為

m=g0t（7）

2 自動離合器控制策略研究

模糊控制是一種面向未來的新型智能控制技術(shù)，能夠模仿人工活動在人腦中的模糊概念和成功的控制策略，運用模糊數(shù)學(xué)，可將人工控制策略用計算機去實現(xiàn)[9]。

2.1 模糊控制的概念與特點

模糊控制是建立在人工經(jīng)驗基礎(chǔ)上的一種控制算法，是把熟練操作人員的實踐經(jīng)驗加以總結(jié)和描述，并以通用語言表達出來，形成一種定性的、不精確的控制規(guī)則，用模糊集理論將其量化轉(zhuǎn)化為模糊控制算法，從而形成模糊控制理論[9]。

模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他控制系統(tǒng)的主要標(biāo)志[9]。模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，從功能上劃分，它主要由模糊化、模糊推理、模糊精確化、知識庫[10]四個部分組成。

圖4 模糊控制器

2.2 模糊系統(tǒng)的建立

本文將離合器接合過程中主、從動盤轉(zhuǎn)速差Δ和駕駛員油門踏板開度作為模糊控制器的輸入量，離合器的位移作為輸出量。模糊控制模型表示依據(jù)駕駛員的意圖來實現(xiàn)離合器的自動接合。油門踏板開度大，說明汽車需要的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩大，離合器應(yīng)盡快接合，反之應(yīng)較慢接合。主、從動盤轉(zhuǎn)速差大，快速接合則沖擊度大，所以在主、從動盤轉(zhuǎn)速較大時，應(yīng)緩慢接合，隨著主、從動盤轉(zhuǎn)速差的縮小，離合器的接合位移應(yīng)加大，當(dāng)二者接近同步時，離合器快速接合。由于離合器分離階段對沖擊度影響很小，可以快速分離，由離合器ECU發(fā)出控制信號斷開。

將離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速差Δ和油門踏板開度的模糊語言變量劃分為{很?。╒S），?。⊿），較?。↙S），中等（M），較大（LB），大（B），非常大（VB）}；模糊論域為｛0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5, 0.6,0.7,0.8,0.9,1｝。離合器位移的模糊語言變量為{很小（VS），小（S），中等（M），大（B），很大（VB）}；模糊論域為{0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7, 0.8,0.9,1}。離合器接合過程中油門踏板開度主從動盤轉(zhuǎn)速差Δ和離合器位移的隸屬度函數(shù)如圖5所示。

根據(jù)輸入輸出的語言變量的數(shù)目，共建立了49條控制規(guī)則，離合器的模糊控制規(guī)則如表1所示；主、從動盤轉(zhuǎn)速差Δ、油門踏板開度和離合器位移的模糊控制規(guī)則插值表如圖6所示。

表1 離合器位移模糊控制規(guī)則表

模糊語言變量VSSLSMLBBVB VSBBBBBBB SMMMBSBBB LSMMBMBBBS MMMMMBSBSBS LBMMSMMBSM BLSLSLSLSMMLS VBSSLSLSLSLSLS

圖6 模糊控制規(guī)則插值表

2.3 離合器狀態(tài)判斷

在離合器的工作過程中，離合器的狀態(tài)有斷開狀態(tài)、滑磨狀態(tài)和接合狀態(tài)三種。接合以前，離合器處于分離狀態(tài)；開始接合到離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速達到同步之前，離合器都處于滑磨狀態(tài)；同步之后接合成為接合狀態(tài)。離合器狀態(tài)的判斷在控制策略的制定上尤為重要。在本控制策略中，離合器狀態(tài)的判斷條件見式（8）－式（10）；接合狀態(tài)離合器狀態(tài)邏輯判斷框圖如圖7所示。

斷開狀態(tài)：

e-m<0且e=0 （8）

滑磨狀態(tài)：

e-m<0.01×60/2π且e>0 （9）

接合狀態(tài)：

e-m≥0.01×60/2π （10）

式中，e為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；m為電機轉(zhuǎn)速，r/min。

圖7 離合器狀態(tài)邏輯框圖

2.4 驅(qū)動模式切換

混合動力公交客車的驅(qū)動方式有純電動驅(qū)動，發(fā)動機驅(qū)動和發(fā)動機、電機混合驅(qū)動，整車控制系統(tǒng)根據(jù)不同的工況要求選擇不同的驅(qū)動模式。為了達到節(jié)省燃油、降低排放的目的，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于900 r/min和整車需求轉(zhuǎn)矩不大的情況下由電機驅(qū)動，當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩大于由整車控制策略制定的電機轉(zhuǎn)矩輸出界限時，由電機輸出額外轉(zhuǎn)矩，離合器帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)動；當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于900 r/min時，發(fā)動機噴油點火，此時在保證需求轉(zhuǎn)矩的前提下，電機輸出轉(zhuǎn)矩逐漸減小，當(dāng)離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速達到同步時，電機關(guān)閉，完成從純電動驅(qū)動到發(fā)動機驅(qū)動的切換。當(dāng)發(fā)動機輸出的最大轉(zhuǎn)矩也無法滿足整車需求轉(zhuǎn)矩時，電機再次啟動，完成發(fā)動機驅(qū)動模式到混合驅(qū)動模式的切換。

3 結(jié)論

本文分析了膜片彈簧離合器結(jié)構(gòu)、工作原理以及膜片彈簧特性，建立了離合器的數(shù)學(xué)模型和膜片彈簧的力學(xué)模型，提出了在電機轉(zhuǎn)矩不足時，通過電機帶動發(fā)動機達到一定轉(zhuǎn)速后發(fā)動機點火切換動力驅(qū)動模式，并采用模糊控制理論設(shè)計了控制策略，對自動離合器的切換及切換過程進行控制，以達到降低油耗及提高換擋舒適性的目的。

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Analysis of Clutch Engagement Control Strategy of a Plug-in Hybrid Electric Bus

YANG Zhao, LI Tianchuang

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

In the hybrid electric bus, the vehicle control system frequently switches the driving mode of the vehicle according to the working conditions, and the clutch is an important component of the drive mode switching, and its working quality determines the overall performance of the drive system. In this paper, a fuzzy control model is established to control the engagement process of clutch by analyzing and modeling the structure of the clutch and studying the evaluation index of the clutch bonding quality.In order to achieve the goal of reducing fuel consumption of hybrid electric vehicles, it is proposed to use pure electric drive on the premise of meeting the torque required for driving the vehicle. When the output torque of the motor cannot meet the driving requirements of the vehicle, the motor outputs additional torque to drive the engine. The control strategy of fuel injection ignition after reaching a certain speed. After the engine is ignited, the main and driven discs of the clutch are in a sliding state, and when the speed difference between the main and driven discs is small, they are quickly engaged to reduce impact and improve ride comfort.

Hybrid electric bus;Automatic clutch;Comfortability;Fuzzy control

U469.7

A

1671-7988(2023)17-119-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.021

楊昭（1989－），男，工程師，研究方向為新能源汽車，E-mail:yangzhao@sxqc.com。