一种新型的商用车离合器执行机构系统设计

刘 欣，周厚金，赵甜甜，尚玄清

（大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连116024）

电控机械式自动变速器（AMT）作为自动变速器主要方式之一，以其传动效率高、成本低和易于制造等优点，非常适合我国汽车工业的发展需要。离合器控制是实现自动机械变速器(A M T)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。然而，对离合器操作系统在离合器自动分离与接合过程中，系统的稳定性、响应的快速性、位置控制精度性都有严格的要求。因而，对离合器自动离合操纵系统的控制方法研究及机构设计就显得尤为重要，即对离合器执行机构的系统设计非常重要。目前，根据动力源的不同，离合器自动离合操纵系统可分为电控液动式、电控气动式、电控电动式[1-3]等类型。在对离合器控制规律深入分析的基础上结合气动控制特点，以及结合重型商用车自身带有气源，设计开发出一种新型的商用车离合器执行机构系统。

1 系统总体方案设计

离合器执行机构系统总体方案设计包含两部分，分别为离合器执行机构机械主体部分设计和控制系统部分设计。如图1所示。

1.1 机械结构

图1 离合器执行机构构造简图Fig.1 The clutch actuator structure diagram

离合器执行机构机械主体部分的基本结构如图1所示。主要包括步进电机1、丝杠螺母3、车身气源4、阀组（进气阀5、出气阀 6）、气缸 7、助理弹簧 8、推杆 10、压力传感器 12、套筒13、滑块14、位移传感器15、滚珠丝杠16、联轴器17等组成。在重型商用车离合器整个分离与接合过程中，控制离合器分离杠杆的力比较大，如果采用电机驱动，则需加装力矩放大装置，如齿轮减速等，增加系统复杂程度。因而，在本系统中，运用气缸与助力弹簧的组合，承担整个系统的主要的载荷，减轻电机工作负荷。同时利用步进电机与滚珠丝杆组成电机传动系统，压力传感器与位移传感器组成的反馈系统，电磁阀组与气缸组成的气压系统，形成并联闭环系统。位移传感器、滑块、套筒、活塞彼此之间机械联接，且无相对滑动，位移传感器实时检测活塞的具体位置。滚珠丝杠与套筒之间无联接，彼此之间的运动互不影响，但是在离合器进行半联动的控制过程中，套筒的位置受丝杠螺母位置限制。气缸气压大小由电磁阀组控制，且压力传感器实时检测气缸压强。

1.2 控制系统

离合器执行机构控制系统部分，主要如图1所示的离合器控制器。离合器控制器为整个离合器执行机构系统的控制中心。主要包含电源处理模块，步进电机驱动模块，CAN总线控制模块，传感检测处理模块，电磁阀组驱动模块，以及其他辅助模块。通过对模块的控制，实现相应机械部分控制，其中通过CAN总线模块，实现离合器执行器系统与车载系统的ECU控制中心进行信息交流。

2 系统工作原理

车载系统的ECU控制中心通过CAN总线[4]将系统所需其他信息如车速、发动机转速等，发送给离合器控制器，最终实现离合器自动离合，整个系统工作原理如图2所示。

图2 系统工作原理图Fig.2 Working principle of the system

整个系统工作原理如下：1)离合器分离阶段：离合器控制器发送指令，电磁阀组工作，气缸压力增大，且远大于助力弹簧弹力，推杆推动分离杠杆快速运动，实现离合器快速彻底的分离。2)离合器接合阶段：主要分3个过程，总体要求为“快-慢-快”。其过程为，首先，离合器控制器收集各种信息，预先判断出系统半联动接合点的位置，然后发送指令，使步进电机快速正转，带动丝杠螺母运动到半联动接合点位置。同时电磁阀组工作，使得气缸压力小于助力弹簧弹力与离合器回复力的合力，但气缸要保持一定的压力。活塞往回运动，带动套筒顶上螺母，推杆往回运动，离合器快速接合。此后，将位移控制交给螺母，电机反转实现离合器慢接合。最后，当系统判断出，离合器主动盘与从动盘速度一致时，电机快速反转，使得套筒随螺母快速移动，实现离合器快速接合，同时放掉剩余气缸气压。

3 硬件设计

离合器执行机构控制系统的硬件电路主要包含有控制电路，电源模块电路，步进电机驱动电路，CAN总线控制电路，传感检测处理电路，电磁阀组驱动电路，以及其他辅助电路，如图3所示。其中控制电路以PIC单片机为核心，根据压力传感器、位移传感器、CAN总线接受的信息，控制步进电机、电磁阀组以及其他辅助电路。

图3 硬件框图Fig.3 Hardware block diagram

1)系统采用的MCU是微芯公司的8位高档单片机PIC18F26K80[5]，该型号单片机属于汽车级芯片，能够满足行车复杂工况的应用要求。具有64K的flash存储器、3K的RAM存储器、1K的EEPREOM、28个I/O端口、多个可配置的定时计数器、多路A/D转换通道，多路PWM输出通道，集成CAN控制器等片上资源，可以满足系统的所需功能要求。

2)电源模块采用的是凌力尔特公司的LT1076-HV5开关降压稳压器，该型号芯片具有8 V到60 V电压输入，5 V电压输出，最大输出电流2 A，100 HZ的转化频率。本系统工作环境电源电压为24 V，而数字电路需要5 V电压，能够很好满足工作需要。

3）步进电机驱动电路采用TI公司的DRV8711[6]作为控制芯片，如图4所示，通过外加8个N通道 MOSFET放大管来组成双H全桥驱动电路，并且采用PWM方式控制步进电机。该芯片内置 1/256步长微步进分度器，8～52 V运行电源电压范围，可扩展输出电流，并且具有过流保护、过热关断、欠压闭锁等功能，能够为步进电机精确控制提供良好保障。

4）CAN总线电路采用微芯公司的MCP2561作为CAN收发器，如图5所示，它与单片机的CAN控制器配合工作，将自动离合所需的其他信息以CAN总线的方式与车载系统ECU通讯。

5）采用意法半导体TIP132达林顿管作为电磁阀组驱动芯片，位移传感器与压力传感器所采集到信号通过信号处理电路后输送到PIC单片机A/D转换接口，进行数据处理。辅助电路有蜂鸣器电路，时钟电路等。蜂鸣器电路实行报警功能，且随频率的不同，表示警示类型与级别不同。

4 软件设计

软件设计是离合器执行机构系统设计的核心。由于要实现离合器自动离合所需处理信息比较多，同时为提高系统的可靠性及实时性，还需要相应的控制算法，所以本系统中软件设计采用模块化设计，即由一个主程序及多个子程序模块组成。每个模块的程序先单独编写编译，且单独调试，最后将所有模块放在一起调试，最终实现离合器执行机构控制离合器实现自动离合。

图4 步进电机驱动电路Fig.4 Stepper motor drive circuit

图5 CAN收发器原理图Fig.5 The CAN transceiver principle diagram

图6 主程序流程图Fig.6 The main program flow chart

如图6所示主程序流程图，系统上电后，对各模块初始化，先进行信息采集，信息处理，进行离合器动作逻辑判断，即将通过CAN总线采集的来的发动机转速、车速、挡位信息等其他信息与离合器执行器自身所得到的位移、压力信号进行综合判断，判别离合器动作。然后分别通过控制电机传动系统与气压系统等模块，进入离合器分离与接合程序循环。同时，为了处理在离合器控制过程出现异常情况，如人为操作失误等，设计了异常处理模块，通过定时器定时延迟等待，让系统判断处理，提高系统的稳定性。

5 结论

本新型商用车离合器执行机构创新之处在于：一方面气压系统承担了离合器控制过程的主要负载以及位移行程，电机传动系统只负责了从离合器半联动到完全接合过程的部分位移行程控制，从而减轻了电机传动系统工作负担，提高系统的精确性、快速响应性、换挡品质；另一方面，气压系统部分加入助力弹簧与电机传动系统并联控制，中和了气压传动存在易暴躁性，使得离合器工作过程中更具有柔顺性，保护摩擦片，提高离合器的使用寿命，提升了乘坐的舒适性，提高了系统的稳定性。目前该系统已实现了部分功能，软硬件处于继续完善中。相信随着系统继续完善，将逐渐满足工业实际应用需要，为商品化打下良好的基础。

[1]陈荣桐.机械式自动变速器的全电动离合器的开发[D].吉林：吉林大学，2005.

[2]席军强，刘富庆，余建华，等.气压驱动式自动离合器控制技术研究[J].哈尔滨工业大学学报，2009(1)：122-125.XI Jun-qiang,LIU Fu-qing,YU Jian-hua,et al.The control technology research of pneumatic drive type automatic clutch[J].Journal of Harbin institute of technology,2009(1):122-125.

[3]雷雨龙，葛安林，李凯.液压电控离合器接合速度控制[J].汽车技术，2005(12)：24-26.LEI Yu-long,GE An-lin,LI Kai.The hydraulic electric control clutch engaging speed control[J].Journal of automotive technology,2005(12):24-26.

[4]杨春杰，王曙光，亢红波.CAN总线技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[5]美国微芯科技公司，PIC18F66K80单片机数据手册[EB/OL].[2012-02-23].http://www.microchip.com/

[6]TI公司，DRV8711数据手册 [EB/OL].[2013-06-01].http://www.ti.com.cn/.