-
汽车起步过程的离合器控制
摘要
：
机械式自动变速器是对使用手动齿轮变速箱和干式摩擦离合器的传统动力传
动系统进行改造，实现
操作自动化而形成的一种机电一体化装置。从实际应用角度出发，
深入分析了汽车起步过程中离合器接合
控制的主要影响因素。以降低起步冲击度和减少离
合器滑磨功为原则，提出了一种离合器控制策略。
关键词
：
自动变速器
;
离
合器控制
;
控制策略
The
clutch
control for automotive
start
-
up process
Abstract:
The
conventional
driveline
with
manual
gearbox
and
dry
clutch
can
be
retro-fitted
to
maniplate
automatically, so
that the electric-mechanical components or the
Automated Mechanical Transmission has been
obtained.
The
mostly
influent
factors
of
the
clutch
engagement
during
start-up
process
have
been
analysed
thoroughly from the
practical point of view. The strategy of clutch
control has been proposed on the principle of
lessening the start-up jerk and the
friction work.
Key
words:
automatic transmission; clutch
control; control strategy
引
言
：
汽车的传统动力传动系统使用手动齿轮变速箱和干式摩擦离
合器
,
其缺点是起步和
换挡控制比较复
杂
,
要求驾驶员具有较丰富的经验。
在
汽车工业特别发达的今天
,
城市交通极
其繁忙
,
不熟练的非职业驾驶员越来越多
,
汽车保有量不断增加
,
燃油费用时
有上涨。人们自
然地提出了车辆操纵简单、容易、节省燃料、提高传动系寿命等的要求。
机械式自动变速器
(Automated
Mechanical
Transmission
—
AMT)
是对传统动力传动系统
进行改造
,
利用电子控制装置和液压、气动或电动执行
机构实现齿轮变速箱和干式摩擦离合
器的操作自动化。这样的自动变速器不仅具有液力自
动变速器自动换挡的优点
,
而且保留了
手动齿轮变速箱的传动效率高、结构简单、成本低以及容易维护等优点
[1]
。
但是
AMT
因其在换挡时存在动力中断等缺点
,
影响汽车行
驶舒适性
[2-3]
。双离合器自动变
速器
(Dual-Clutch Transmission, DCT)
是在电控机械式自动变速器的基础上发展起来的
,
其
动力通过两个离合器分别联结的两根空套同心输入轴传递
,
相邻
各挡的被动齿轮交错与两
输入轴上的对应齿轮啮合
,
配合两离合器的控制
,
能够实现在不切断动力的情
况下换挡
,
从而
大大缩短了换挡时间<
/p>
,
有效提高了换挡品质
[4-5]
。
在车辆起步过程中
,
离合器控制问题具有非线性、
时变、
强耦合与难于建模的特征
,
给传
统的
控制理论和控制方法的应用带来了一定的局限性。由于车辆起步时存在驾驶员的意图、
车
况、路况的多变性以及对乘员舒适性、离合器磨损、发动机不能熄火等要求
,
因此如何控
制离合器的接合过程是自动变速器的核心和难点。
1
课题研究的意义
1.1
自动变速器的主要型式
汽车自动变速
器常见的有四种型式：分别是液力自动变速器（
AT)
、机械无
级自动变速
器（
CVT)
、电控机械自
动变速器（
AMT)
、双离合器自动变速器（
< br>DCT
）。
目前轿车普遍使用
的是
AT
，
AT
几乎成为自动变速器的代名词，
但本课题研究的主要是
AMT
以及
DCT
这两种新型变速器以及它们
的优缺点对比，引言已作简介，在此不再赘述。
1.2
自动变速器的意义
汽车起步性能的好
坏是决定汽车动力性能品质的一个主要方面，
主要有两个方面的性能
要求：
起步过程中成员的舒适性和起步过程的快速性，
这是
两个相互冲突的性能指标。
这就
需要对起步过程中传动系的动态
进行适当的控制，
尤其是离合器结合过程的控制，
使起步冲
击和滑磨得到综合控制，
以提高乘员的舒适性和动力传动系部件的使
用寿命。
现在的汽车多
装备自动变速器，它操作简单、驾驶舒适
、安全性高，已成为车用变速器的发展主流，适合
于越来越多的女性和老年用户的需求，
驾驶者可以全神贯注地注视路面交通而不会被换挡搞
得手忙脚乱
。
为此人们发展了多种形式的自动变速系统，
但是到目前为止还
没有一种尽善尽
美的自动变速系统产生。
正是由于汽车变速系统
本身的复杂性和使用环境的变化多端，
造成
了自动变速系统研究
的困难。
需解决两个方面的难题，
汽车起步性能和换挡性能。<
/p>
因此也引
发了对自动变速器车辆起步控制问题研究的热潮。
2
起步性能评价指标
对车辆起步过程进
行定量评价时
,
所提出的客观评价指标主要有离合器起步接合时
间、
冲击度和滑磨功
[ 1, 6 ]
。
2.1
离合器起步接合时间
从控制器发出起
步指令到离合器完全接合为止所耗费的时长即为离合器起步接合时间。
整个起步过程耗费
的时间由
5
部分构成
(
式
(
1)
)
,
良好的起步品质要求在起步平顺的基础
上起步时间尽量的短。
S
tart
=t
1
+t
2
+t
3
+t
4
+t
5
(1)
式中
, t
1
为机械响应时间；
t
2
为消除
离合器间隙时间；
t
3
为克服道路阻力
时间；
t
4
为离合器
< br>滑磨时间；
t
5
为离合器完全接
合时间。
2.2
冲击度
冲击度
j
是车辆纵向加速度对时间的导数
,
其数学表达式为
:
j
?
da
dt
?
r
i
o
I
w
d
(
T
out
?
T
w
)
dt
?
r
i
o
I
w
dT<
/p>
out
dt
(2)
式中
, Tout
为变速器输
出转矩；
T
w
为车轮上的牵引转矩；
I
w
为输出轴以及汽车平移质量换
算到输出轴上的惯量；
< br>r
为驱动轮滚动半径；
i
0
为主减速器传动比。
式
< br>(2)
表明
,j
与输出转矩变化
率成正比
,
输出转矩变动越快
,
传动系统冲击越大
,
同时也
< br>说明
j
较好地反映了起步换挡过程的动力学本质。
冲击度不仅可真实地反映人对舒适程度的
真实感觉
,
而且可以把道路条件引起的弹跳与颠簸加速度以及非换挡操作的影响排除在外
,
真实地反映起步换挡过程汽车传动系载荷变化以及车辆的运动状
态。
不同国家的标准给出了
不同的冲击度限定
< br>:
德国标准为
:
j
?
10
m
/
s
，而我国规定为：
j
?
17
.
64
m
/
s
3
。
2.3
离合器滑磨功
离合器滑摩功
L
c
该指标用来衡量离合器接合过程中主、从动
盘摩擦做功的大小
,
其定义
如下
:
t
c
1
t
c
2
c
3
L
c
?
< br>?
T
0
(
t
)
w
e
(
t
)
dt
?<
/p>
?
T
t
c
1
c
(
t
)[
w
e
(
t
)
?
w
< br>c
(
t
)]
dt
(3)
式中
,
T
c
(t)
为离合器接合时摩擦力矩；
c(t)
为
变速器一轴
(
即离合器从动轴
)
的角速度；
e
(t)
为发动机曲轴的角速度；
t
c1
为从
离合器滑摩开始至发动机转矩
T
e
等于
行驶阻力转矩
T
f
的时间；
t
c2
为从离合器滑摩开始至从动轴角速度
c
与发动机角速度
e
相等时的时间。
采用滑摩功
L
c
能比较准确的评价离合器的寿命
,
滑磨功
L
c
越小
,
温升越低
,
寿命越
长
,
但过
低的
L
c
会引起冲击度的升高
,
二者是相互矛盾的，需要在控制中协调解决。
3
离合器接合过程的主要影响因素
在汽
车静止起步过程中
,
影响离合器接合过程的因素相当多
,
关系非常复杂。
通过对熟练
< br>驾驶员操作离合器的动作分析以及通过实验和理论研究所做的影响因素定性分析
,
对离合器
接合过程的影响因素总结如下。
3.1
离合器扭矩传递特性
从离合器完全分离到完全接合为止
,
接合过程经历了无扭矩区、
部分扭矩区和最大扭矩
区
3
个阶段
,
离合器的传递
扭矩
T
c
与接合位置
< br>x
c
的特性曲线如图
1
所示
,
其中
x
C0
为离合器开
始传递扭矩的位置。
离合器扭矩传递特性
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