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1、气压驱动式自动离合器控制技术研究席军强1, 刘富庆1, 余建华2, 王 ? 阳1(1 . 北京理工大学 机械与车辆工程学院, 北京 100081 , xjq 263 . ne; t 2. 东风汽车有限公司 东风商用车技术中心, 武汉 430056)摘? 要: 为了以较低成本实现 AMT系统中离合器执行机构的气压驱动, 在对离合器控制过程深入分析的基础上结合气动控制特点, 提出了通过高速开关电磁阀以 P WM 方式驱动纯气动离合器执行机构的方法, 及离合器参考模型自适应控制方法. 通过多位驾驶员在不同道路条件和环境条件下的实车道路考核, 验证了这种控制方法的可行性, 研究结果同时表明: 采用该方
2、法的离合器执行机构价格低廉, 为进一步实现产业化奠定了基础.关键词: AMT; 气动; 自动离合器; 离合器控制A method for the control of pneumatic auto -clutchXI Jun-qiang1, LIU Fu -qing1, YU Jian-hua2, WANG Yang1( 1. School ofM echanical andV ehicular Engineering, Beijing Institute ofTechnology , Beijing 100081 , China , xjq 263. net ;2. LTD CV Devel
3、opmentCenter , DongfengM otor Co . , Wuhan 430056, China)Abstract :In order to achieve a certain pneu m atic clutch actuator inAMT system w ith lower cos, t on the basisof advanced analysis of clutch control process and the characteristics of pneumatic contro,l a method is pro -posed ,inwhich the pn
4、eumatic clutch actuator is driven by high -speed respond sw itch electromagnetic valvecontrolled by PWM. And the corresponding mode- l reference adaptive control strategy is established aswel.lReal vehicle road tests conducted by several drivers in different road conditions and environments prove th
5、efeasibility of the control strategy . And such experi ment results also show the low cost and si mple constructioncharacteristics of such a pneum atic clutch actuator , which is the foundation of further industrialization .Key words : AMT;pneumatic ;auto -clutch ;clutch control? 离合器控制是实现自动机械变速器 ( A
6、MT )的关键技术, 也是决定自动机械变速器车辆起步、换档过程品质的重要因素. 根据 AMT 自动离合器操纵机构的不同, 可分为电机驱动式、 液压驱动式和气压驱动式. 气压驱动方式清洁环保, 对于重型商用车辆也无需增加独立气源, 成本低廉, 是国外民用重型商用车 AMT 中采用较多的一种驱动方式 1. 由于气体存在可压缩性, 气压驱动 AMT 技术中的离合器控制较电动驱动和液压驱动更为复杂, 是气压驱动 AMT技术中的难点, 本文讨论的是气压驱动式自动离合器技术.1? 气压驱动式离合器操纵机构按照分离离合器所需的操纵能源类型, 离合器操纵机构有人力式和气压助力式两类, 在重型商用车辆中由于离合
7、器操纵力大, 多采用气压助力操纵方式. 气压助力式以发动机驱动的空气压缩机作为主要操纵能源, 与传统气压助力式离合器操纵机构不同, 本文讨论的气压驱动式离合器操纵机构取消了离合器主泵, 直接通过对气压驱动离合器分泵的控制操纵离合器分离拨叉, 实现离合器的自动分离与接合, 具有结构简单、 质量小、 可靠性高、 无污染、 成本低等优点 2.气压驱动式自动离合器操纵机构主要由气源, 离合器分泵、 管路、 电磁阀、 传感器等组成, 方案如图 1所示.? 离合器可以是单片或多片干式摩擦离合器结构, 以一个单作用气缸推动分离杠杆做分离、 接合操作, 气缸由 3个电磁阀控制, C1为常开, C2常闭, C3
8、是一个二位三通阀, 以保证在断电时离合器能自动回位. C3通电可使离合器分离, C1和 C2同时通电时离合器接合, 如果在分离接合过程中C1通电 C2断电, 则离合器行程将保持不变.1? 发动机; 2? 飞轮;3? 从动片;4? 摩擦片;5? 压盘;6? 膜片弹簧; 7? 分离轴承; 8? 回位弹簧;9? 分离缸;10? 电磁阀C1; 11? 电磁阀 C2; 12? 电磁阀 C3; 13? 稳压阀图 1? 气压驱动式自动离合器操纵机构? 为了离合器控制的需要, 设置了 3个传感器:发动机转速传感器, 离合器从动轴转速传感器, 离合器行程位移传感器.2? AMT离合器的自动控制离合器控制由顶层控
9、制策略和底层控制方法两部分组成, 前者根据车辆行驶工况给出控制目标, 如接合位置和接合速度的应控量; 后者应用有效的算法发出控制指令, 通过控制元件控制执行机构来实现这一目标.AMT离合器自动控制的要求: 要充分体现驾驶员的起步意图, 以满足车辆可驾驶性的要求; 起步过程应平稳、 冲击小, 以减少传动系的冲击和保证乘坐的舒适性; 起步要迅速、 时间短, 以减少离合器的滑磨时间, 提高离合器的使用寿命; 具有适应离合器、 发动机参数变化以及外部行驶环境变化的能力. 故离合器控制的难点在于接合过程要平稳而且快捷, 上述的闭环控制系统具有以下两个特点: ? 由于存在机构间隙、 磨损、 机械惯性延迟、
10、 电磁阀响应滞后、 气阀的非线性的流量等特性, 所以该系统具有典型的非线性、 时变特性. ?与接合过程有关的工作条件易发生变化, 如离合器的结构参数, 离合器摩擦片的温度, 行驶路面的条件等.3? 气压驱动式离合器自动控制方法3?1? 控制目标起步性能的两个评价指标冲击度 j和滑磨功W 可分别通过离合器输出轴转速 nc以及发动机转速 ne与 nc的速差 ?ec来反映, 即j =dadt=d2vdt2=0?105rioigd2ncdt2.( 1)式中:ig为变速器传动比, io为主减速器传动比,r为 车轮半径.W =?t2t1Mc(t)?e(t)dt +?t3t2Mc(t)?e(t) - ?c(
11、t) dt =? ? 0?105?t2t1Mc(t)ne(t) dt+?t3t2Mc(t)necdt .( 2)式中: Mc为摩擦力矩, ?e为发动机角速度, ?c为离合器输出轴角速度, t1、 t2、 t3的含义如图 2所示.图 2? 离合器起步接合过程示意图?由 (1) 和 (2)可知, nc变化率变化越快, 起步冲击就越大; nec越大, 滑磨功也越大, 通常情况下这也表明驾驶员希望以较快速度起步.nc和 nec的变化同时也能反映车辆、 外部行驶环境以及负载的变化, nc开始上升点即为离合器的半接合点 (图 2中的 B点 ), 此点为慢接合控制的起始点, 通过检测 nc来确定离合器的半接
12、合点, 可以克服离合器自身参数变化及外部负载变化对接合过程的影响. 当 nec= 0时, 表明主从动摩擦片已经同步, 从而结束离合器的滑磨控制.这样, 通过检测 nc和 nec的值, 可以把离合器的接合过程按快、 慢、 快进行阶段性控制. 先快接合直至及 nc变化率突变, 再根据 nc变化率的变化情况控制离合器以较慢的速度接合至 nec接近为0 , 之后快接合至完全接合.选取 ne、 nc及 nec作为离合器控制参数的优点是: 具有自适应性而且控制过程不依赖数学模型.不论驾驶员的起步意图、 离合器和发动机参数以及外界行驶环境如何变化, 最终表现为 ne、 nc及nec的变化, 因此这 3个参数
13、的变化是对离合器接合过程以及上述影响因素的综合反映 3, 4.3?2? 控制策略及方法如上所述, 在离合器自动控制中, 离合器接合速度控制分成快、 慢、 快 3个阶段. 第一阶段为离合器传递的摩擦力矩小于地面阻力矩阶段, 需快速完成以减少动力中断时间; 第二阶段为半接合阶段, 此时离合器主从动摩擦片处于滑磨状态, 需根据工况控制接合速度以平稳传递发动机动力,同时尽量减少由于滑磨对离合器使用寿命造成的影响, 保证起步、 换挡质量; 第三阶段为同步阶段,离合器主从动摩擦片转速一致, 将发动机动力完全输出到传动系统, 接下的行程为后备扭矩传递和分离轴承的空行程阶段, 即使快速接合也不至于引起驱动力的
14、变化而影响平顺性. 第二阶段的接合速度控制是气动 AMT 控制系统的核心, 如何通过有效的方法实现目标接合速度是气动离合器控制的关键技术 5 7.? 根据以上的分析, 得出离合器控制的软件框图, 如图 3 .图 3? 离合器接合过程控制策略框图? 在以上控制策略中, 通过 PWM 控制驱动高速响应电磁阀, 控制充放气的时间, 进而实现对离合器速度的控制. 为控制离合器接合速度满足工况要求, 采用脉宽调制的控制思想, 即接合过程中在保证进气阀关闭的同时, 通过控制单位脉冲宽度内放气阀开启的时间来控制离合器接合速度,具体控制参数可由占空比表示, 占空比越大, 进入气缸的平均流量越大, 活塞运动速度
15、越快, 离合器接合速度也就越快. 离合器的第一个快速接合阶段以离合器行程位移为控制目标, 是一个位置闭环. 在慢接合控制阶段, 采用了参考, 模型自适应控制方法, 其控制原理如图 4.?自适应参考模型采用 n1(变速器输入轴转速, 即离合器从动盘转速 nc)与 ne- n1(即 nec) 为参考, 计算 P WM 控制的占空比, 通过驱动气阀及时调整接合速度.图 4? 离合器自适应控制框图4? 试验研究为了验证气压驱动式自动离合器控制策略和控制方法的正确性, 在加装自动变速操纵系统的EQ4195牵引车上进行了验证试验, EQ4195牵引车所配备的 DC12J150T变速器采用三段式结构,即由一
16、个主变速器和两个副箱 ? SPLIT副箱和RANGE副箱组成, 通过主变速器和副变速箱之间的组合可实现 12个档位 ( 1L- 6H) 8.图 5和图 6分别是空载时以 1H 和 2H 档位起步时的离合器起步过程曲线, 图中 Lc为离合器行程, 当 Lc 70 % 时离合器完全接合, 40 % 时离合器完全分离. 1H 档起步时的起步时间为1?2 s , 2 H 档起步时间为 1?4 s. 从曲线 n1和 n2可以看出以不同档位起步, 都能达到很好的起步效果, 档位高时起步过程更平稳.图 5? 空载 1H 档起步过程曲线?由 于 试 验 车 辆 满 载 时 总 质 量 很 大( 44 000
17、kg), 满载起步时都以 1L档起步, 图 7和图 8分别是满载小油门和大油门起步时的离合器接合过程曲线, 两个图中发动机转速 ne相差较大, 起步时驾驶员操纵油门的方式反应了其对起步过程快慢的要求, 在大油门时离合器接合速度相对加快, 缩短了发动机转速和变速箱输入轴转速同步的时间, 减小离合器的滑磨.图 6? 空载 2H 档起步过程曲线图 7? 满载小油门起步过程曲线图 8? 满载大油门起步过程曲线? 坡道起步是 AMT 车辆离合器控制的一个重点和难点, 在坡道起步时, 要求车辆不能发生倒溜的现象, 这就要求起步时离合器的接合速度要比较快, 同时, 还要保证不能由于离合器接合速度过快, 导致
18、发动机熄火的情况. 图 9是车辆坡道起步过程曲线, 当释放制动踏板以后, 离合器快速接合, 到达半接合点的时间 0?2 s, 之后驾驶员以较大的油门开度要求车辆起步, 起步的时间小于2?0 s , 很好地完成了起步过程.? 由以上试验数据看出, 气压驱动式 AMT 自动离合器在车辆不同工况起步时, 均能按照控制策略的要求进行离合器的接合控制, 能够体现驾驶员的驾驶意图, 达到了较好的控制效果, 得到了东风有限商用车研究中心的多位试车驾驶员的致好评 9.图 9? 车辆坡道起步过程曲线5? 结 ? 语本文结合气动 AMT开发实践, 提出了气压驱动式离合器的实现方法与控制策略, 并在东风EQ4195
19、牵引车上得到了成功应用, 为进一步实现气控 AMT技术的产品化打下了基础.参考文献: 1 席军强, 丁华荣, 陈慧岩. ASCS系统的历史、 现状及其在中国的发展趋势 J. 汽车工程, 2002, 24(2): 89- 93 . 2 刘富庆. 气压驱动式离合器控制技术研究 D. 北京: 北京理工大学, 2006. 3 席军强, 丁华荣, 陈慧岩. 自动机械传动系统起步过程中离合器的自适应控制策略研究 J. 兵工学报,2004, 25( 6): 657- 661. 4 GLIELMO L ,LANNELLI L, VACCA V, et al. SpeedControl for Automate
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