AMT膜片弹簧离合器接合参数分析

詹长书，狄佳福

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)



AMT膜片弹簧离合器接合参数分析

詹长书，狄佳福

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

摘要：本文首先介绍AMT(Automated Mechanical Transmission)离合器特性，确定影响冲击度和滑磨功的几个主要因素，选取离合器接合控制的最佳控制参数，并对这些参数进行分析。采用模糊控制方法，建立AMT离合器动力学模型、冲击度和滑磨功计算模型以及整车模型，利用simulink/MATLAB进行仿真，对仿真结果进行分析，为离合器接合规律的优化控制提供了理论基础。

关键词：AMT；离合器；接合参数；仿真

引文格式：詹长书，狄佳福.AMT膜片弹簧离合器接合参数分析[J].森林工程，2016，32(1)：54-48.

0引言

轿车和微型车普遍采用膜片弹簧离合器，膜片弹簧离合器的自动操纵可提高起步、换档的平顺性，延长离合器的使用寿命，大大减轻驾驶员的劳动强度，所以其具有重要的实用价值。其中，离合器的接合控制是实现AMT操纵自动化[1]的重点和难点。在起步接合过程中，离合器的控制目标是按照驾驶员的操作意图运行。既要平稳冲击度小，又要降低滑磨功，且保证发动机不熄火，这是最基本的条件。然而，这些目标之间是相互矛盾的。为了使车辆起步快且滑磨功小，要减少离合器接合时间，这样就会造成冲击度增加，甚至发动机熄火。如果起步慢，则离合器接合速度慢，起步平稳性好，但是滑磨时间过长，影响离合器的使用寿命。

1膜片弹簧离合器特性分析

1.1膜片弹簧离合器的负荷特性

膜片弹簧是离合器中的压紧元件，其负荷特性决定了离合器的基本性能，负荷特性是指离合器压盘压紧力随着压盘位移变化的关系。绘制的膜片弹簧剖视图如图1所示。在碟簧的小端沿轴线方向加上负载，碟簧沿载荷方向变形量为λ。

图1　膜片弹簧剖视图Fig.1 The section view of diaphragm spring

离合器膜片弹簧变形量与负荷之间的关系式可表示为：

式中：E为弹性模量；R为大端半径；r为小端半径；μ为泊松比；h为厚度；H为弹簧高度。

1.2膜片弹簧离合器扭矩特性

离合器所传递的扭矩跟离合器的工作状态有关，离合器工作过程分为3种工作状态，不同工作状态下的离合器传递的扭矩不同。

(1)全分离状态，此状态离合器摩擦片不接触，系统传动力处于中断状态，故不传递扭矩，即：

Tc=0。

(2)

(2)滑膜状态，若离合器的各项参数一定，则其摩擦片的压紧力和传递的扭矩成函数关系，其关系式为：

Tc=ZμRcf(ζ)。

(3)

式中：Tc=f(ζ)为轴向位移ζ与压盘的压紧力Fc的函数。

(3)充分接合状态，膜片弹簧离合器滑磨结束以后，摩擦片继续接合，直至压紧状态后停止。此时，离合器传递的扭矩为：

Tc=ZμRcRb1。

(4)

由以上分析知离合器扭矩传递公式为：

(5)

2离合器控制的目标及参数

2.1离合器的控制目标

离合器总体的控制目标就是在充分体现驾驶意图的情况下，根据不同的车辆状况和道路环境条件，尽量减小离合器接合时的冲击度，并在此前提下尽快接合，以减少离合器接合时的滑摩功。离合器的控制原理[2]如图2所示。

起步冲击度[4]指的就是车辆起步时的纵向冲击。冲击度在汽车动力学中指的是其纵向加速度变化率，其计算公式为：

(6)

式中：v为车辆速度；r为驱动轮滚动半径；为从动摩擦片角速度；a为纵向车辆加速度；ig为变速器齿轮传动比；i0为主减速器齿轮传动比；Ic为发动机传动系作用到离合器从动轴上的转动惯量；Tc为离合器所传输的转矩。

根据以上公式在simulink/MATLAB中建立离合器接合冲击度模型。

图2　离合器控制原理图Fig.2 The principle diagram of clutch control

发动机的动力是靠离合器的接合来传递的。在主、从动盘接合的过程中，会产生大量的热。滑磨功[5]就是表征离合器摩擦片摩擦过程中由机械能转化的热能。因此，滑磨功是评价起步性能的另一个重要指标。滑磨功的计算公式为：

(7)

式中：Tc表示摩擦片传递的扭矩；ωe表示发动机运行角速度；ωc表示离合器从动盘的角速度，前一项表示车辆起步时离合器消耗的滑摩功，第二项表示离合器开始接合到同步消耗的滑磨功。

由滑磨功计算公式，在simulink/MATLAB中建立滑磨功计算模型。

2.2控制参数分析

车辆起步时，驾驶员的操纵意图是通过油门踏板来体现的，除此之外，传动系的运行状态也会直接影响离合器的控制，因此还需研究与离合器接合过程紧密相关的其他控制参数[6]。其中包括：油门踏板开度β；油门开度α；发动机转速n；中间轴转速nc；车速v；离合器主从动盘转速差nec。发动机转速为最主要的影响参数，其他的起到参考作用。

2.2.1踏板开度β与接合速度的关系

离合器结合控制过程，主要由踏板开度来控制，其大小直接体现驾驶意图。车辆踏板开度与结合速度关系如图3所示。

当踏板开度β<10%时，称为小油门，车辆为慢起步(爬行)工况；中油门，即10%<β<75%时，为正常起步；大油门，即β>75%时，为快起步工况。

图3　车辆踏板开度与结合速度关系示意图Fig.3 Relationship between pedal opening and joint speed

2.2.2油门开度α对接合量、接合速度影响

发动机输出转矩(功率)的大小由油门开度来体现，如果发动机输出扭矩变化过快，则有可能导致发动机熄火，因此离合器接合速度的控制要和油门开度的控制相结合。油门开度与离合器接合量和结合速度关系如图4所示。

图4　油门开度与离合器接合量和结合速度示意图Fig.4 Relationship between throttle opening and thejoint quantity and speed of clutch engagement

图4中，Vcmax表示在冲击度允许的范围之内，离合器接合速度的最大值，α0表示油门开度在离合器接合时的最小值，即怠速。

2.2.3发动机转速n对离合器接合的影响

根据发动机特性[7]可知，当油门开度一定时，发动机扭矩输出量及其燃油消耗率和发动机的转速之间的关系可用函数表示。即：

(8)

式中：ne为实际发动机转速；nes为目标转速。

其控制关系如图5所示。

随着发动机转速的提高，滑摩功会相应增大，此时应增加接合量以防止发动机转速过高。

2.2.4中间轴速度对接合的影响

中间轴是变速箱里的一根轴，轴本身与齿轮为一体，作用是将一轴和二轴连接，通过换挡杆的变换来选择与不同的齿轮啮合，使二轴能输出不同转速、扭矩。中间轴转速的大小体现车辆的运行状态。离合器结合时，中间轴转速对离合器接合量及接合速度控制关系如图6所示。

图5　离合器结合量、接合速度与发动机转速关系示意图Fig.5 Relationship between joint quantity andspeed of clutch engagement with engine rotational speed

图6　离合器接合量及接合速度与中间轴转速控制关系示意图Fig.6 The control diagram between clutch engagementand joint velocity with intermediate shaft speed

若中间轴转速较高，应适当改变发动机转速，降低发动机和中间轴转速差。同时，在规定的冲击度范围内，需相应的增加离合器接合速度，防止发动机因转速太低而抖动。

2.2.5主、从动盘转速差对离合器接合速度的影响

主、从动盘转速差较大时，离合器接合产生的冲击度和滑摩功都较大，应适当减小接合速度；转速差小时，较快的使离合器接合也不会产生大的冲击；当转速差为零时，离合器的接合速度对冲击度没有影响。其示意图如图7所示。

图7　离合器接合速度与主从动盘转速差控制关系示意图Fig.7 The control diagram of master-slave clutch engagingspeed and the speed difference of driving disc and driven disc

总体来说，油门开度控制离合器接合速度，中间轴无转速时，离合器开始第一次快速接合，随着中间轴转速逐渐增大，离合器缓慢接合。最后的快速接合阶段通过主从动盘转速差控制，其差值越小，离合器结合的越快，从而实现离合器接合的优化控制。

3整车动力学模型及仿真分析

3.1整车动力学模型的建立

在simulink/MATLAB中选择合适的传输模块[8-9]，并为每个模块设置合适的参数。按照车辆动力传递方向，建立整车动力学模型。利用simulink/MATLAB建立的整车模型可视性强，操作也方便，且传动系数据可以修改，可以更好地完成仿真分析。

3.2仿真模型的建立

将整车动力学模型与Simulink/MATLAB系统中建立的模糊控制器[10]进行整合，并且加入冲击度以及滑磨功作为输出量，建立AMT离合器整车控制模型，如图8所示。

图8　AMT离合器起步过程整车动力学控制模型Fig.8 The vehicle dynamics control model in AMT clutch starting process

3.3仿真实验与结果分析

为了研究以上参数对冲击度和滑磨功的影响，将油门开度作为输入量，冲击度和滑磨功作为输出量，在不同的油门开度下，对离合器接合控制过程进行仿真分析。

(1)40%油门开度下的冲击度和滑磨功如图9所示。

(2)50%油门开度下的冲击度和滑磨功如图10所示。

通过对离合器冲击度仿真结果分析可以看出，冲击度伴随整个滑磨阶段。并且，在离合器接合时的接合点与半接合点处的冲击度最大。这是因为离合器在半接合点处，需克服车辆由于起步产生的冲击。同时，由于车辆的行驶阻力的变化，也会使离合器传递的转矩不稳定。

(a)40%冲击度下冲击度和时间的关系

(b)40%冲击度下滑磨功和时间的关系

通过离合器滑磨功仿真结果可以看出，从离合器接合滑磨开始，一直到离合器主、从动盘速度同步结束，都会产生滑磨功。同时可以看出，在大油门起步时，发动机的转速会更高，离合器主、从动盘转速差也会更大，从而会产生更多的滑磨功。

(a)50%冲击度下冲击度和时间的关系

(b)50%冲击度下滑磨功和时间的关系

4结论

本文研究了离合器的负荷特性以及扭矩特性，分析了离合器接合时的三个不同阶段；最后由离合器接合性能的评价指标[11-12]：冲击度、滑磨功，确定了离合器接合目标。分析并确定了造成冲击度、滑磨功的主要因素为发动机转速、油门开度、踏板开度、车速、中间轴转速和离合器主从动盘转

速差，并以油门开度作为输入量，冲击度和滑磨功为输出量，利用simulink/MATLAB进行仿真分析，为后续对离合器接合控制优化设计打下基础。

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Bonding Parameter Analysis of AMT Diaphragm Spring Clutch

Zhan Changshu，Di Jiafu

(Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：This paper introduces the characteristics of AMT(Automated Mechanical Transmission)clutch，determines the major factors influencing the degree of impact and friction work.The optimal control parameters of clutch engagement control are selected and analyzed.Fuzzy control method is used to establish a dynamic model of AMT clutch，the degree of impact and friction work calculation models and the whole vehicle mode.Simulink/MATLAB is used to conduct simulation and the simulation results are analyzed，which has provided a theoretical basis for the optimization of clutch engagement control.

Keywords：AMT；clutch；engaging parameters；simulation

作者简介：第一詹长书，博士，副教授。研究方向: 载运工具运用工程。E-mail：zhchsh3@sohu.com

基金项目：国家博士后科学基金面上项目(2013M541329)

收稿日期：2015-09-11

中图分类号：U 463.211；s 776.032

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2016)01-0054-05