某轻卡智能离合系统开发

杨允辉，幸振帆，佟 维

某轻卡智能离合系统开发

杨允辉，幸振帆，佟 维

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先从智能离合系统技术开发背景出发，介绍了智能离合系统技术优势。根据早期技术路线和应用情况阐明了轻卡车型应用开发智能离合系统的难点。针对轻卡车型的使用工况和环境阐述了轻卡智能离合系统开发的技术原理和方案，并设计开发智能离合系统实现的主要功能，从卡车开发的难点方面提出具体的技术解决方案。方案开发实施后经过标定验证和主观评价，达成了既定开发功能及性能目标，实现了智能离合系统在轻卡上开发应用。完全解放驾驶员左脚，解决了手动挡车型频繁脚踩离合带来的疲劳，让驾驶员畅享手动换挡的乐趣。根据智能离合器系统的未来应用发展趋势，可以预测智能离合系统将成为智能驾驶和辅助驾驶的重要组成部分。

轻卡车型；智能离合系统；技术方案；开发应用；系统开发

随着制造业以及消费的升级，智能化产品逐渐成为市场的新宠。从智能机器人到人工智能贩卖机，智能化产品开始渗透到生活的方方面面。同样商用车客户已经逐步去接受智能驾驶、智能操控、车联网等新技术出现在商用车上，车已经不再只是一辆车，而是智能化产品的载体。随着人们对自动化、舒适性要求的进一步增加，促使商用车变速器自动化市场需求不断增长，自动挡可以大幅降低驾驶者的劳动强度、提高驾驶舒适性。

但商用车主要用途是运送人员和货物，客户将其作为生产工具会重点考虑投入产出比，因此，对购买及使用成本更为关注。目前自动挡比手动挡车辆平均售价高约10 000元，由于结构复杂，自动挡车辆维护费用也远高于手动挡车辆。使用智能离合是一种实现低成本换挡的解决方案，对比机械式自动变速器（Automatic Manual Trans- mission, AMT）产品，智能离合可实现70%的功能，成本只有AMT产品的40%。智能离合系统不仅可以提高驾驶舒适性和安全性，而且从降低油耗、延长离合器寿命、减少维修次数、降低驾驶难度等多个方面节约车辆运营成本，从而提高客户整体收益[1]。

1 智能离合系统早期技术路线及轻卡车型应用开发难点

1.1 早期技术路线及表现

上世纪90年代中期，奔驰公司开始由4S店在C230车型加装电控自动离合器，经过几年的市场磨合，得到市场认可。而作为电控自动离合器真正成熟的标志是1999年的奔驰A160投放市场。2003年奔驰又将A190电控自动离合器车型投放市场，这进一步说明电控自动离合器有一定的市场前景。

2000年后国内厂商也开始尝试开发自动离合器产品，主要应用在乘用车后装市场，目前已累计安装10余万套产品。自动离合器后装产品系统独立，适应车型较多，但是安装调试较复杂，产品外形尺寸较大，不利于整车布置，软件不够成熟。

1.2 基于轻卡用途现状开发技术难度及技术路线

轻卡运用智能离合系统需要面对以下问题：（1）路况和负载条件复杂；（2）各车型配置差异大；（3）环境恶劣对产品的稳定性要求高；（4）成本控制严格。为了提升智能离合系统的适应性、拓展性、安全性和经济性，在智能离合系统研发初期确定技术路线：通过开发智能化自学习控制程序以适应复杂路况和复杂条件；通过开发紧凑型、多规格的执行机构和灵活变形的选换挡传感器应对车型差异；通过提高产品的防水防尘等级和借用成熟组件保障产品稳定性；通过系列化、标准化的材料、结构选用和设计降低产品成本。基于以上技术路线智能离合系统可匹配商用车领域几乎所有车型，系统硬件具备高的稳定性，可以不用担心轻卡车型空间布置限定。

2 智能离合系统开发方案

2.1 技术方案整体思路

通过对轻卡使用环境、用户市场调研，在普通轻卡上保留离合器踏板操纵形式，增加智能化控制系统和机电液压执行机构，根据驾驶员的换挡意图适时分离、结合离合器[2]。确保车辆起步平稳、换挡顺畅、踩制动不熄火、运行状态可视（仪表集成挡位显示和升降挡提醒），既保留手动挡车型各种工况下的驾驶乐趣，同时解放左脚。在车辆智能离合系统出现故障或特殊路况下，可以通过切换阀将车辆切换为原有的脚踩离合踏板模式，使用离合器踏板控制离合器，不影响车辆正常驾驶。

2.2 技术原理

发动机电子控制单元（Electronic Control Unit, ECU）将车辆部分信号发送至控制器局域网络（Controller Area Network, CAN）总线，智能离合系统控制器通过CAN总线读取车辆实时状态信号（例：发动机转速、车速、扭矩、油门踏板位置、刹车踏板位置、手刹位置开关），控制器通过整车CAN总线与各类传感器信号进行实时交互[3]，并结合驾驶员的意图，综合选/换挡传感器信号来控制离合器结合速度及结合位置，如图1所示。

图1 智能离合系统技术原理图

2.3 技术方案开发

智能离合器系统是在未改变传统手动挡车型变速箱、离合器等部件前提下（部分车型取消离合器、踏板及离合器开关）；通过集成执行机构、选/换挡传感器、控制器（ICU）、离合器油路等构件；经过信号采集/判断来模拟优秀驾驶员的驾驶技术和习惯，用最佳的时间和速度控制智能离合器执行机构，驱动离合器实现快速分离与平稳结合，达到起步平顺、换挡舒适、在挡踩刹车不熄火的目的[4]，系统部件方案图如图2所示。

图2 智能离合系统部件方案图

智能离合系统主要有以下功能：

（1）自动离合：在换挡、制动、高挡低速时自动识别适时执行离合器分离与结合；

（2）自动调整：操纵装置能够自动补偿摩擦片和机械部件的磨损；

（3）高挡位起步保护：高挡起步，离合器不结合车辆无法行驶；

（4）自适应学习：电控单元自动学习并优化调整运行参数；

（5）故障检测：电控单元自动判别故障，并储存故障码备查；

（6）仪表显示：能够在仪表显示所在挡位及提示换挡功能；

（7）坡道起步辅助：能够识别坡道并与发动机联动提供坡道起步辅助；

（8）智能脚动双模式：保留原离合踏板，通过切换阀实现脚踩模式与智能自动模式之间自由切换。

3 针对卡车智能离合系统开发难点的技术解决方案

3.1 建立动力学模型

通过接收车辆驾驶过程中转速、扭矩、车速、刹车、油门等信号，可计算车辆负载情况，通过接收加速度传感器信号，可以计算车辆当前姿态，动力学模型如图3所示。

图3 智能离合系统动力学模型

3.2 开发自学习功能

车辆随着使用离合器会磨损、系统机械间隙会发生变化，系统需具备补偿学习功能消除离合器的磨损及系统间隙，否则行驶顿挫不平顺，甚至车辆无法正常行驶。自学习功能在驾驶过程中不断调整软件参数适应车辆的差异性和驾驶员的驾驶习惯。

开发自学习功能，根据不同车型设定不同离合器传扭值。未同步蠕行及起步过程中，计算该位置的离合器从动盘扭矩；若扭矩偏差大于阈值，则逐步调节该位置。通过实际使用情况不断学习和调整，离合器各位置点如图4所示。

3.3 建立离合器温度保护模型

在获知发动机转速、发动机水温、智能离合执行机构位置、挡位、发动机飞轮端输出扭矩、环境温度等数据的基础上，通过将以上数据代入离合器零维温度模型计算得出离合器滑摩功以及摩擦片温升（如图5所示），在离合器温度过高时及时提醒驾驶员停车休息。

图4 离合器位置点

图5 离合器压盘和摩擦片热仿真

3.4 挡位智能提示

系统可通过仪表显示屏提醒驾驶员升挡或降挡，使车辆保持较好动力性及以经济性状态；若驾驶员高挡位起步时仪表会显示：“请勿高挡起步”，同时3挡以上时离合器也不执行结合，车辆无法起步，更好保护离合器。

系统根据当前车速、挡位和发动机转速等信息，经过软件运算对比标定时动力性与经济性数据判断当前挡位是否合适，如果需要升挡或降挡，控制器会向仪表发出报文显示升降挡提示。挡位提醒原理如图6所示。

图6 换挡提醒原理图

3.5 制动踏板增加行程传感器

此行程传感器可采集制动力大小，信号传递至控制器，与设定的起步时离合器结合时对应制动力值，形成闭环式控制系统；当制动踏板力值刚达至离合器结合时，车辆有动力传递，可避免普通制动信号开关只能采集制动踏板释放与否，引起的释放踏板至车辆起步时中间动力中断时间。两种制动信号传感器图7所示。

图7 两种制动信号采集控制系统试验测试响应时间

闭环式制动信号采集控制系统将车辆起步响应时间由采用普通制动信号开关的控制系统的0.5 s提至0.2 s，减少动力中断时间，大幅度提升驾驶舒适性。

3.6 系统具备坡道辅助功能

在系统控制器内采用三轴加速度传感器，通过传感器识别到当前车辆所处坡道坡度，传递信号至发动机ECU，发动机响应起步所需求转速及扭矩，通过控制离合器接合速度和位置，为车辆提供足够的坡道起步动力，避免溜坡。

基于以上技术路线智能离合系统可匹配商用车领域几乎所有车型，软硬件系统有足够高的稳定性。

4 各工况的标定及验证

搭载智能离合系统的整车在多重工况（铺装路面、大坡道、泥泞路面等）下、不同负载（空载、满载、超载）情况下历经数月标定，达到整车最佳的动力性能和驾驶舒适性。

对智能离合系统进行严谨严苛的耐久测试，此系统经过了300万次台架耐久测试；搭载了智能离合系统的某轻卡车车辆，在国内进行了高原、高温、高寒的适应性测试和整车道路强化耐久测试，确保智能离合系统的可靠性。

驾评工程师驾评车辆按照下表进行主观评价，经过各工况评价智能离合车辆动力性与手动挡车辆一致，换挡过程平顺无顿挫，车辆没有出现熄火现象，在重载大坡道起步时可以一次坡起成功。

驾评标准及评分如表1所示。

表1 主观驾评表

序号驾评内容评分说明评分 1蠕行功能性：5分4 2稳定性：10分7 31/2/R挡起步（含1/2/R挡停车）起步顿挫严重：0～3分起步平顺性一般：4～6分起步平顺性良好：7～10分7 4低速行驶功能性：5分3 5常规升挡平顺性较差：0～3分平顺性一般：4～6分平顺性良好：7～10分7 6降挡踩油门超车平顺/动力性较差：0～3分平顺/动力性一般：4～6分平顺/动力性良好：7～10分8 71/R挡坡道起步满载坡道起步不溜坡：0～10分8 8坡道升挡转速平稳，无飞转速：0～10分7 9辅助制动不踩刹车辅助制动：0～5分4 10踩刹车后辅助制动：0～5分3 11滑行进挡转速平稳，无飞转速：0～5分4 12超前踩油门换挡转速平稳，无飞转速：0～5分4 13车辆摘挡力正常摘挡力/辅助制动摘挡力：0～5分4 14执行机构工作噪音关车窗后驾驶室内噪音：0～5分4 总计：74

5 总结

基于轻卡市场需求分析，客户对于轻卡车型舒适性要求进一步提升，但价格也相对敏感，智能离合系统的成功开发，提升了轻卡车型的驾驶操纵舒适性，具有较高的性价比，完全解放驾驶员左脚，解决了手动挡车型频繁脚踩离合带来的疲劳，让驾驶员畅享手动换挡的乐趣[5]。同时对于轻卡使用环境及工况复杂问题，制订针对性的解决方案，能够兼容商用车大部分系列车型，提高整车匹配开发通用性。

未来智能离合在产品上的应用趋势有两方面：（1）与整车系统集成度更高，通过硬件上与变速器集成，软件上加深与发动机、ABS等系统交互，发挥出智能离合更全面的功能；（2）控制上更智能，软件上整车动力学模型和人工智能自学习模型逐渐成熟，智能离合系统将成为智能驾驶和辅助驾驶的重要组成部分。

智能离合器系统从技术层面可向两个方向扩展：（1）能够与变速器自动换挡系统合二为一，发展为机械式自动变速器；（2）技术应用与线控底盘产品类似，可发展为线控制动系统应用在混动领域。

[1] 莫舒玥,韦皓.自动离合器起步控制研究[J].轻型汽车技术,2015(7):21-25.

[2] 刘存香,刘学军,林土淦.双模式离合控制系统仿真分析及试验研究[J].现代制造工程,2017(5):6.

[3] 柯何俊,王永红.商用车智能离合系统研究[J].汽车实用技术,2020,45(15):115-117.

[4] 周启荣,刘海峰.一种新型离合器智能控制系统:CN 201910272722.5 [P]. 2019-04-04.

[5] 袁志刚,丁兆顺,刘振伟,等.基于OBD的车辆自动离合器系统研究[J].新技术新工艺,2022(3):44-50.

Development of Intelligent Clutch System for a Light Truck

YANG Yunhui, XING Zhenfan, TONG Wei

( Anhui Jianghuai Automobile Company Limited, Hefei 230601, China )

Starting from the technical development background of intelligent clutch system,this paper introduces the technical advantages of intelligent clutch system.According to the early technical route and application situation, this paper expounds the difficulties of developing intelligent clutch system for light truck application.According to the working conditions and environment of light truck, the technical principle and scheme of the development of light truck intelligent clutch system are expounded.And design the main functions of intelligent clutch system.Propose specific technical solutions from the difficulties of truck development.After calibration verification and subjective evaluation,the established development function and performance objectives are achieved.The development and application of intelligent clutch system on a light truck is realized.Completely liberate the driver’s left foot,solve the fatigue caused by frequent stepping on the clutch pedal,and let the driver enjoy the fun of manual shifting.According to the future application and development trend of intelligent clutch system, it can be predicted that intelligent clutch system will become an important part of intelligent driving and assisted driving.

Light truck;Intelligent clutch system; Technical solution; Developing applications; System development

U463.211

A

1671-7988(2022)21-47-06

U463.211

A

1671-7988(2022)21-47-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.009

杨允辉（1983—），男，高级工程师，研究方向为汽车底盘传动系统设计开发，E-mail:281921534@qq.com。