AMT离合器恒转矩起步控制策略研究

汤一飞 刘丽新 吴亚军 姜冠伊 周宇

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）

AMT离合器恒转矩起步控制策略研究

汤一飞 刘丽新 吴亚军 姜冠伊 周宇

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）

以商用车AMT起步控制策略为研究对象，基于离合器转矩传递过程，提出一种新策略以控制冲击度和平稳起步，并进行对比分析。利用试验拟合出从动盘总成轴向刚度特性曲线方程，在此基础上建立以离合器分离行程精确控制输出转矩的计算模型，并研究离合器耐久性试验后转矩控制的修正方法，形成了全寿命周期的离合器恒转矩起步控制策略。台架模拟试验结果表明，该策略能够满足整车自动起步要求。

1 前言

目前，国内自主品牌商用车AMT研究与应用还处于起步阶段，并没有形成产业化，且自动起步是AMT推广应用所面临的最大困难，在此过程中往往伴有不同程度的耸车、顿挫甚至熄火等现象。由于离合器传递的转矩变化规律直接影响到起步质量，因此离合器控制策略在AMT研究中显得尤为重要。本文通过研究论证，提出一种新的离合器控制策略并进行对比分析。

2 起步过程分析及新控制策略的提出

2.1 起步过程分析

评价起步过程质量有两个指标：离合器冲击度j和滑磨功Lc。j是汽车纵向的加速度突变，当其超出一定范围，整车表现为耸车、顿挫现象。对车辆传动系统动力学模型进行合理简化处理，可将j表示为[1]：

式中，a为车辆纵向加速度；v为车速；r为车轮滚动半径；ig为起步挡速比；i0为主减速器速比；ωc为离合器从动盘角速度；Ic为汽车的传动部件等简化到离合器从动轴上的转动惯量；Tc为离合器传递转矩。

可见，在汽车各相关参数一定的情况下，j和Tc的变化率大小成正比，如果Tc变化率为零，即Tc为恒定值，则j就为零。因此，如能开发一种新起步策略，精确控制Tc并使其维持在任一预期值附近，则AMT自动起步冲击度大的问题就会解决。该策略称之为恒转矩起步控制策略。

2.2 几种控制策略对比

AMT执行机构的输出参数分为力、速度和位移，其控制方法有力控制、转矩控制、速度控制和位移控制[2]。力控制和转矩控制属于精确控制，效果较好，但成本高昂，并不适合商用车。速度控制和位移控制属于模糊逻辑控制，采用广泛[3～6]，但国内自主开发的控制程序由于起步晚而不尽完善，导致实际效果并不理想。

对比分析模糊逻辑控制策略和恒转矩控制策略下的起步接合过程，如图1所示，其中前者参数前缀F，后者参数前缀为C，ne为飞轮转速，nc为从动盘转速，Tf为阻力矩。

图1 两种控制策略接合过程对比示意

由图1可知：

a.恒转矩起步并非指整个起步过程转矩恒定不变，而是指转矩递增至超过汽车行驶阻力矩（图1半接合点）一定值后在主、从动盘同步滑磨过程（t2～t3）中维持不变，从而将此阶段的冲击度降至最低或零。

b.同等条件下恒转矩控制策略相比模糊逻辑控制策略起步时间长，滑磨功高。原因在于滑磨阶段，前者控制Tc不变，从动盘连同整车的加速度近似恒定；而后者控制Tc逐渐增大，从动盘连同整车的加速度随之增大，主、从动盘同步所需时间短，滑磨功也较低。根据滑磨功的定义[3]可知，应尽量降低发动机起步转速，通过减小同步转速差以降低滑磨功，延长离合器使用寿命。

c.恒转矩控制策略的本质在于通过牺牲可接受的起步时间和滑磨功，来换取整车起步的平稳性。

两种策略各有优缺点，但由于现阶段模糊逻辑控制策略还不成熟，且从动盘的耐磨性相对廉价可靠，故恒转矩控制策略的开发应用具有现实意义，而其关键在于实现对Tc的精确控制。

3 离合器起步过程转矩传递精确控制策略

3.1 摩擦转矩传递的影响因素

由式（1）可知，j取决于Tc变化率的大小，而在离合器起步过程中，仅在同步滑磨阶段产生j，此时离合器主从动盘接合程度已经越过半接合点，典型单片式Tc为：

式中，μc为摩擦系数；FN为从动盘总成所受压紧力；Rc为当量摩擦半径，对于任一定型产品是一定值。

3.1.1μc的变化规律

从动盘总成摩擦衬片和离合器压盘及飞轮之间的μc随温度和转速差变化。AMT车辆起步时间一般应控制在2～5 s以内[7]，因此在离合器正常接合过程中，滑磨阶段时长一般不超过3 s。由文献[8]可知，采用维持发动机恒转速的办法，能有效提高车辆起步品质。

对某知名品牌430型膜片弹簧离合器进行定转速（600 r/min）、定接合量、定温度的滑磨试验，结果见表1。

表1 滑磨试验结果

可见，在离合器不少于4 s的强制滑磨过程中，摩擦衬片表面温度迅速升高，摩擦系数也随之降低。由于摩擦系数最大降幅只有5.4%，故在此阶段可将其视为一个常数，用起止平均值0.294来近似表示。

3.1.2FN的变化规律

在AMT离合器接合过程中，高速电磁开关阀按既定程序控制分离拨叉和分离轴承行程，使压盘升程减小至压紧从动盘总成，从而产生摩擦转矩。离合器接合过程中受力分析如图2所示。

图2 离合器接合过程受力分析

离合器接合过程中，A点以前，FN为零；C点以后，FN等于从动盘弹力；从动盘变形阶段即AC区间，膜簧变形弹力Fs被从动盘轴向变形弹力Ft和分离力Fe所平衡，根据牛顿第三定律知：

可见，离合器接合过程中的压紧力随压盘升程的变化规律可用从动盘总成轴向刚度特性等效描述。

3.1.3 分离行程与压缩量及压紧力之间的关系

从动盘总成轴向压缩量z实际上由离合器压盘所在位置决定，故分离行程x通过控制压盘升程y间接决定FN的大小[9]。离合器的分离特性曲线如图3所示。

图3 离合器盖总成分离特性曲线

由膜片弹簧离合器相关特性可知，分离行程与从动盘总成压缩量存在关系：

式中，h为从动盘总成安装状态下的压缩量；k为压盘升程曲线的斜率；b为曲线在纵轴上的截距。

分析从动盘总成轴向压缩量与压紧力之间的关系，即从动盘总成轴向刚度特性曲线。由理论可知，该曲线类似一条非线性递增函数曲线，故只需拟合出该曲线的方程式，则对一定范围内任意给定的FN，即可求解出z。

因此，通过控制分离行程来控制z和FN，即可精确控制Tc的大小及变化规律。

3.2 基于全寿命周期的刚度特性描述

从动盘总成轴向刚度特性在初始状态和耐久后状态并不相同，由于控制策略是面向产品全寿命周期的，故对刚度特性的研究也需以全寿命模型为对象。

3.2.1 初始状态刚度特性

目前，国内离合器厂家一般通过反复试验、调整波形弹簧片的过渡倒角和拱高落差的方法来修正从动盘总成轴向刚度特性，使该曲线落在预定范围内，但只有范围限定而无精确描述。为此，通过试验得出一系列压紧力与轴向压缩量数据组，再利用多项式对这些散点进行拟合，就可得出一个解析方程式。并对3件样品进行试验。

对3条试验曲线各典型散点进行分析，找出最大值Fmax、最小值Fmin、平均值Fa、平均值与实际散点之间最大误差值Fd及误差率δ，结果见表2。

在离合器起步滑磨阶段，经计算可知整车空载和满载所对应从动盘总成压缩量处于0.3～0.6 mm，误差范围最大为5.5%。该误差根据实际应用情况可以酌情接受；否则，需对产品一致性做出更严格要求，以期误差在可接受范围内。

表2 刚度特性数值分析

对试验测取各个离散点的平均值用多项式进行回归分析，可知五次多项式能精准拟合，并将置信度控制在95%以上。回归模型方程式为：

式中，p1=9.355×105；p2=-1.506×106；p3=9.34×105；p4=-2.515×105；p5=3.937×104；p6=-1619。

对式（5）取典型点Fi与Fa进行对比检验，结果见表3。在从动盘总成压缩量为0.3～0.6 mm，各典型点的回归方程式计算值与实际值误差不大于3.64%，如对精度有更高要求，可提高拟合多项式阶次，直至满足实际需求为止。

表3 回归预测模型误差分析

根据整车控制精度需求，对式（5）按合适步长取一系列散点参数组（Fa，z），并存储在ROM中，TCU通过判定整车起步工况，读取预定参数组按给定算法计算输出即可获得所需起步转矩。

3.2.2 使用过程中的刚度误差修正

离合器从动盘总成在使用中，摩擦衬片因磨损厚度逐渐减小，波形弹簧片刚度也因疲劳而有所强化。因此，随着离合器分离接合次数增加，其起步控制程序也应适时调整，以修正因从动盘总成变薄和轴向刚度强化而导致的系统误差。从动盘总成的轴向刚度及疲劳特性主要由波形弹簧片自身特性决定[10]。对样品进行50万次疲劳试验，分别根据试验前后刚度特性测取一系列典型点，结果见表4。

表4 耐久试验前后刚度变化对比 %

由表4可知，从动盘总成刚度变化幅度在压缩量维度上的分布并不规律，因此刚度修正难以采用公式表达的方法，而只能以试验法修正各参数组。以5万次疲劳耐久后的刚度修正为例，疲劳耐久前后刚度曲线如图4所示。

图4 疲劳耐久前后刚度特性曲线对比

对初始状态的任一参数组，以压紧力为基准找出疲劳耐久后曲线上对应的压缩量值，即可得到修正参数组（Fa，z′），依此组成一个5万次疲劳耐久后的修正数据包。对于未能在试验中直接测得的数据点，可通过在相邻两点间插值近似替代。

据此，对TCU进行设置：每分离接合1 000次，以上次完全接合时分离轴承所处位置为零点；参数库包含n个数据包，依次对应初始状态和各个设定次数的耐久状态，当计数传感器监测到离合器分离接合至某设定次数时，TCU自动转入下一个修正数据包求解，即可得到相应的控制输出指令。

4 试验验证

假设某AMT商用车在坡道自动起步，系统监测到整车RFM量为50 t，坡道角度为α（tanα=8%），加速度a0=0.3 m/s2。由于在起步过程中，车速一般较低，车辆起步瞬间完成所用时间短，故理论研究中认为在车辆起步过程中道路阻力矩M变化率为零[11]，可得离合器需提供的转矩为：

式中，β为轮胎角加速度；W为整车质量；RT为轮胎滚动半径；ψ=sinα+f·cosα。

目前国内冲击度推荐值[12]为j≤17.64 m·s-3，故在起步3 s滑磨过程中加速度变化量应满足：

为方便计算，假设滑磨过程中加速度恒定，则-52.62≤at≤53.22，将相关参数代入式（6）得。实际上不可能小于零，从而其数值范围应为。

若Tc稳定为595 N·m，则整车可按a0=0.3 m/s2的加速度均匀起步；而在滑磨阶段，只要在上述范围内，即可保证j不超标。联立式（2）～式（5）得：

为防止因误差使实际转矩偏小导致整车不能起步，对所需转矩取1.1的后备系数得Tc(a0)=655 N·m；μc取 0.294；Rc=0.172 mm。可得x=3.95 mm。

据此随机抽取3套样品进行磨合，按表5条件进行台架模拟试验，结果如图5所示。

表5 离合器强制滑磨试验条件

图5 离合器滑磨曲线

试验结果与理论计算值对比见表6，分析可知：

a.离合器预定滑磨起点传递转矩非常接近理论值，证明该策略是完全可行的；实际值普遍略小，因此后备系数很有必要。

b.引入后备系数后滑磨起点加速度均大于理论值，但j与a的大小无关，只与其变化率有关，因此该情况对实车起步无实质影响。

c.离合器越过半接合点到达稳定点区间，j最有可能超标，实车控制程序应保证此段接合过程适度平稳。

d.随着温度升高，从动盘的μc减小导致Tc减小，而轴向热膨胀使其所受压紧力增大导致Tc增大，在两种相反趋势作用下，最终输出转矩变大变小都有可能，但基本呈均匀态势且变幅较小，故对j影响也较小。

表6 理论值与试验结果对比

为确保整车不会出现因转矩降低导致整车减速不能起步甚至离合器烧蚀事件，可在TCU和ECU程序中采取预防措施：当在起步中监测到从动盘转速不变或降低时，适当加大油门开度和离合器接合量，即可保证源动力和传递转矩均满足起步需求。

5 结束语

分析了AMT车辆起步过程中的离合器动力学特性，以从动盘总成轴向刚度为切入口，利用五次多项式对其进行了精确拟合，通过试验给出了疲劳耐久后的参数组修正方法，并提出了通过精确控制离合器分离行程以间接控制其传递转矩大小的新策略，以此保障冲击度维持在低水平，并在台架试验中证明了其可行性。

1 杨晶晶.某商用车AMT离合器起步过程控制研究：[学位论文].重庆：重庆理工大学，2013.

2 葛安林.车辆自动变速理论与设计.北京：机械工业出版社，1993.

3 李笛.AMT车辆离合器起步控制策略研究及应用：[学位论文].长沙：湖南大学，2013.

4 胡建军，胡宏奎，伍国强,等.重型商用车AMT自动控制策略及试验分析.重庆大学学报，2010，33（6）：31～41.

5 赵璐.商用车AMT控制策略及试验研究：[学位论文].长春.吉林大学，2012.

6 卢新田.侯国政.AMT控制系统结构及国外主要AMT产品介绍.汽车技术，2004（5）：19～22.

7 苗成生,刘海鸥,等.基于离合器接合速度的重型越野车辆起步控制研究.兵工学报，2015，36（5）：769～776.

8 雷雨龙，葛安林.离合器起步过程的控制策略.汽车工程，2000，4（1）：266～281.

9 胡建军,李光辉,伍国强,等.汽车起步过程离合器传递转矩精确计算分析.汽车工程，2008（12）：1083～1086.

10 姜彦,鲁统利.从动盘波形弹簧片对干式离合器扭矩传递的影响分析.传动技术，2013（2）：7～11.

11 李冬冬.汽车起步阶段AMT离合器模糊控制方法研究：[学位论文].秦皇岛：燕山大学，2013.

12 雷晓东.电控机械自动变速系统换档控制策略研究.重庆：重庆大学，2005.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为2016年10月1日。

Research on the Constant Torque Starting Control Strategy of AMT Clutch

Tang Yifei,Liu Lixin,Wu Yajun,Jiang Guanyi,Zhou Yu
（China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011）

With starting control strategy of commercial vehicle AMT as research object,a new strategy based on the torque transfer process of clutch was proposed in order to control the degree of impact and start smoothly,comparative analysis was also carried out.With the fitting equation of stiffness characteristics of the driven clutch plate was obtained by test,a model for precisely calculating output torque by controlling clutch release stroke was established,and the correction method of output torque controlling after the durability test of the clutch was studied,then a constant torque starting control strategy of the full clutch life cycle was formed.Bench test results indicated that the strategy can meet the requirements of vehicle automatic start.

AMT,Clutch,Constant torque,Start,Control strategy

AMT 离合器 恒转矩 起步 控制策略

U463.2

A

1000-3703（2017）07-0020-05