气动AMT的离合器硬件在环系统的开发

2013-04-16蒋立伟叶新伟

汽车科技 2013年3期

关键词：气孔电磁阀离合器

蒋立伟，朱江，周垚，叶新伟，普刚

（东风汽车有限公司东风商用车技术中心，武汉430056）

硬件在环即是硬件在回路（HiL，Hardware-inthe-Loop），硬件在环仿真测试系统是以实时处理器运行仿真模型来模拟受控对象的运行状态，通过I/O接口与被测的ECU连接，对被测ECU进行全方面的、系统的测试。

气动AMT系统的性能主要取决于对离合器的控制精准度，这需要做大量的研究和实验，传统的研究和实验方法主要有离线仿真和实车调试两种。离线仿真方便高效，但是实时性和准确度较差；实车调试虽然实时性好，但是效率低、成本高，且具有一定的危险性。

为了解决这种矛盾，开发了离合器硬件在环系统，来代替离合器台架和实车，进而对离合器进行大量的研究和实验。

1 离合器硬件在环系统的组成

离合器硬件在环系统（见图1），主要由dSPACE实时仿真系统、离合器被控对象模型和控制器三部分组成。

dSPACE实时仿真系统主要由dSPACE所提供的模块化硬件组成。该组件系统主要包括处理器板卡和外围I/O，拥有高效的计算和扩展能力。实验时，模型下载到板卡实时运行。上位机与板卡通过网线进行通讯，完成模型下载、试验管理、参数修改等操作。

离合器被控对象模型利用Matlab/Simulink搭建，编译后下载到实时仿真系统中。物理模型的准确性对结果影响很大，必须能准确的模拟出实际状况，提供正确的信号。

控制器用于运行控制策略，采用NI-USB6366控制器。该控制器除了可以完成控制任务外，也能通过USB接口同上位机通讯，利用上位机监控控制器运行状态。

2 被控对象建模

气动AMT系统离合器机构有两部分组成，包括离合器执行机构和离合器本体。同时，还加上了简化的发动机和整车模型。离合器执行机构是一个由电磁阀控制的气缸，通过控制高压气体产生的推力。离合器本体以国产395膜片离合器为样本进行建模。

2.1 离合器执行机构建模

离合器执行机构主要包括助力气缸和与之相连的电磁阀组。电磁阀组由两个进气阀和两个排气阀组成，分别为快进、慢进、快排、慢排。执行机构工作原理如图2所示。

对离合器执行机构建模时，输入信号有5个，其中4个输入为4个电磁阀的开通信号，另外一个输入为离合器的分离特性；两个输出信号，即气缸位移和分离轴承位移。离合器执行机构建模思路如图3所示。

2.1.1 气孔模型

电磁阀开通时，气缸与储气罐或者外界空气通过小孔相通，小孔的直径即电磁阀孔的直径，因此，电磁阀模型可以简化为一个气孔模型。当气孔打开时，通过气孔两侧的大气压强和气孔的横截面积，即可计算出该气孔的质量流量。假设流经气孔的气体为理想气体，气孔两端温度相同，且气体流动的时候没有热传递，则气体质量流量计算公式如下。

式中：p0、p1分别为进气口和出气口的压力；A为孔的横截面积；T为环境温度；R为气体常数；对于空气取 R=287 N·m（kg·K），x为等熵指数，对于空气取x=1.4。

根据气体质量流量公式建立四个电磁阀的气孔模型，将四个气孔的流量相加，得到气体质量流量，单位kg/s，为正时表明进空气流入气缸，为负时表明空气流出气缸。

2.1.2 压力模型

选取气缸为对象进行分析，根据理想气体状态平衡方程，将气体压强P看做质量与体积的函数，即：

式中：m为气体质量；V为气体体积；T为气体温度；r为比例系数。将上式对时间t求导得：

2.1.3 活塞动力学模型

对活塞进行受力分析，忽略活塞运动过程中摩擦力的影响，则活塞主要受三个力的作用：气缸内高压气体的推力F1、离合器膜片弹簧的反作用力Fn、外界大气产生的压力F2。受力图如图4所示。

根据牛顿第二定律，求出活塞加速度：

式中：l0为活塞的初始位移。

离合器分离轴承位移与活塞位移成正比，比率即分离摇臂的杠杆比。

2.2离合器本体建模

离合器是一个较为复杂总成，建立其准确的物理模型难度较大，且需要较多的参数。为在保证模型准确性满足要求的前提下，对一些小细节做了简化处理。根据离合器动力传递路径（见图5）和离合器物理结构，离合器建模主要分为三部分：压盘模型、减震弹簧模型、从动盘模型。

2.2.1 压盘模型

膜片弹簧是压盘中的重要部件，膜片弹簧提供压紧力，使摩擦片紧紧结合，从而传递扭矩。压盘的受力特性如图6所示。

可以看到，膜片弹簧是非线性的，且加载与卸载的受力特性有细微差别，在保证准确性的前提下，对模型进行简化，将加载和卸载的曲线简化成一条曲线，进行查表，得到离合器的分离力。

摩擦片与压盘间的正压力决定了摩擦力所能传递的最大扭矩，在离合器完全分离前，正压力与分离轴承位移近似为反比关系，因此，离合器能传递的最大扭矩可以近似看作分离轴承位移的一次函数。利用分离轴承的位移查表，得到离合器能传递的最大扭矩。

2.2.2 减震弹簧模型

减震弹簧可以等效为一个弹簧阻尼系统。其输出扭矩可以表示为：

式中：k为弹簧刚度系数；D为阻尼系数；△α为摩擦片与从动盘的角度差；△ω为摩擦片与从动盘的转速差。

2.2.3 从动盘模型

从动盘与变速箱输入轴相连，将动力输出，驱动汽车行驶。根据转动定律可知：

式中：Tin为减震弹簧传递来的驱动扭矩；T′为变速箱传递来的阻力扭矩；J为从动盘的转动惯量。根据式（10）建立从动盘的动力学模型，计算出离合器的输出转速。

离合器本体的simulink模型结构如图7所示。压盘模型通过查表获得膜片弹簧的力学特性；从动盘利用发动机输入的转速转矩和减震弹簧反作用的扭矩，计算出传递给减震弹簧转速，以及摩擦力、摩擦功等数据；减震弹簧模型则根据从动盘输入的转速计算出输出扭矩。

3 仿真

用Matlab/simulink建立离合器本体极其执行机构的物理模型，编译后下载到dSPACE实时仿真系统之中，实时运行。

首先考虑分离轴承位移情况，分别使用快阀和慢阀，在不同占空比下控制离合器的分离结合，结果如图8所示。

可以看到，位移曲线与实际情况基本一致。离合器最快分离时间为0.48 s，满足最快分离时间小于0.5 s的要求。选择不同的电磁阀，在不同的占空比下工作，可以获得很宽的调节范围。

下面通过车辆起步工况，分析离合器工作情况。汽车初始速度为0，发动机运转，离合器分离，排气阀开始工作，离合器开始结合。让快排阀和慢排阀分别在100%、50%、15%三种占空比下工作，采集整车速度和离合器输出的扭矩，结果如图9所示。

图中点划线为汽车的速度，实线为离合器输出的扭矩，转矩的拐点表明离合器已经锁死，没有相对摩擦，即图垂直虚线之间的部分为离合器磨合阶段。可以看到，磨合阶段最大加速度为1.58，最小为0.83，加速度越大冲击也越大。对于卡车，最大加速度不宜超过1.2，因此，离合器结合过程应当稍慢。然而，为了使离合器尽快的结合，在非磨合阶段分离轴承运动应当尽量快，即先快后慢再快的结合过程。

针对上述结合要求，对电磁阀的控制方式为：离合器磨合前，快排阀在100%占空比下工作，离合器磨合阶段，仅慢排阀在15%占空比下工作；离合器磨合后，快排阀在100%占空比下工作，离合器完全结合。按照这种控制方式，对起步工况进行验证，结果如图10所示。

根据分离轴承位移可以很清楚看到先快后慢再快的结合过程，即图中t1、t2、t3三个阶段，分别为0.22 s、2.14 s、0.65 s，其中 t2为磨合时间。离合器结合总时间为3.01 s，符合要求。在结合过程中，车速始终很平稳，没有大的波动，这表明这种控制是可行的。