基于流量阀的自动操纵机构的AMT离合器改装研究.pdf

2 0 1 1 年 第 3 3卷 第 1 期 汽车工程 Au t o mo t i v e Eng i n e e r i ng 2 01 1 01 1 基于流量阀的 自动操纵机构的 A MT离合器改装研究 王洪亮 ， 刘海鸥 ， 赵熙俊 ， 张明 1 ．南京理工大学机械工程学院 ， 南京2 1 0 0 9 4； 2 ．北京．2Y - 大学机械 与车辆 学院， 北京1 0 0 0 8 1 3 ．联合 汽车电子有 限公 司， 上海2 0 1 2 0 6 [ 摘要】 分析了离合器操纵部件之间的运动关系， 设计了基于流量电磁阀的离合器 自动操纵机构和车辆起步 过程的离合器自动控制策略， 接着进行了离合器 自动操纵机构基本性能的台架试验 ， 最后， 在原装用气助力式离合 器操 纵机构的北方奔驰重型商用 车上改装 ， 并进行 了实际道路试验 ， 验证了其实用性 。 关键词 机械 自动变速器 离合器 ； 自动操纵机构 ； 流量阀； 起步 A S t u d y o n AMT Cl u t c h Re fit t e d wi t h Au t o ma t i c Op e r a t i o n Me c h a n i s m Ba s e d o n P r o p o r t i o n a l Va l v e W a n g Ho n g l i a n g 一． L i u Ha i o u ， Z h a o Xij u n Z h a n g Mi n g ’ 1 ． S c h o o l o fMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， C a n j i n g U n i v e r s i t y ofS c i e n c e T e c h n o l o g y ，N a n j in g 2 1 0 0 9 4； 2 ． S c h o o l ofMe c h a n i c a l a n d V e h i c u l a r E n g i n e e r i n g， B e ij i n g I n s t i t u t e of T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 ； 3 ．U n i t e d Au t o mo t i v e E l e c t r o n i c S y s t e ms Co ．，L t d ．，S h a n g h a i 2 0 1 2 0 6 [ Ab s t r a c t ] T h e m o t i o n r e l a t i o n s b e t w e e n o p e r a t i o n c o mp o n e n t s o f c l u t c h a r e a n a l y z e d ．T h e p r o p o r t i o n a l S O l e n o i d v a l v e - b a s e d a u t o m a t i c o p e r a t i o n me c h a n i s m h a r d w a r e a n d i t s a u t o ma t i c c o n t r o l s t r a t e g y s o f t w a r e f o r c l u t c h i n v e h i c l e s t a r t i n g pr o c e s s a r e d e s i g n e d ． Th e n a b e n c h t e s t o n t h e ba s i c p e r f o r ma n c e o f a u t o ma t i c o p e r a t i o n me c h a n i s m for c l u t c h i s c o n du c t e d ． Fi n a l l y t h e a u t o ma t i c o p e r a t i o n me c h a n i s m i s i n s t a l l e d o n a No r t h Be n z h e a v y d ut y c o mme r c i a l v e h i c l e t o r e p l a c e o r i g i n a l p n e u ma t i c a s s i s t e d h y d r a u l i c c l u t c h c o nt r o l s y s t e m a n d a r o a d t e s t i s c a r r i e d o u t wh i c h v e r i fie s i t s pr a c t i c a l i t y． Ke y wo r dsAM T ；c l ut c h；a ut o m a t i c op e r a t i on m e c h an i s m ；p r o po r t i o n a l v a l v e；s t ar t i ng 日 lj舌 装用机械 自动变 速器 A MT 的车辆实现 了离 合器及选换挡操纵 的 自动控制 ， 减轻 了驾驶员 的劳 动强度 。在燃油价格不断增加 的情况下 ， A MT已成 为重型车 自动变速器发展的一个重要方 向 。由 于 A MT变速器的箱体部分仍然沿用传统定轴式机 械变速器的结构 ， 受其限制， A MT存在动力 中断、 平 顺性欠佳等缺点 ， 这也是 A M T变速器在小型车辆上 应用受限的主要原 因。离合器 的 自动控制 是 A MT 系统的一个技术难点 J ， 离合器控 制不理想 容易 造成车辆乘坐舒适性差 ， 甚至造成 离合器的过度磨 损 ， 或车辆坡道起步溜车等情况 。 本文 中主要介绍了重型商用车辆上普遍应用的 气助力式离合器操纵机构的 自动化改装设计 ， 通过 理论分析和台架试验研究了基于流量电磁阀的气助 力离合器 自动操纵结构 的工作特性 ， 制定 了车辆起 步过程的离合器 自动控制策 略， 并 在试 验车辆上验 证 了其实用性。 1 离合器操纵机构设计 原北方奔驰 1 9 2 7型重型商用车的离合器采用 气助力式操纵机构 ， 如 图 1所示 。驾驶员通过 踩踏离合器踏板操纵离合器液压主缸 ， 输 出的高压 原稿收到 日期为2 0 0 9年 1 1月6日， 修改稿收到 E t 期为 2 0 1 0年 3月 2 0日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 8 汽车工程 2 0 1 1年 第 3 3卷 第 1期 液体作用到气助力液压工作缸上 ， 通过 随动 阀打开 工作缸的气阀门， 连通储气罐 ， 实现气压助力。根据 随动阀的随动效果 ， 气助力液压工作缸 的输 出力及 所需的踏板力都与踏板行程呈递增关系 ， 给驾驶员 以作用力回馈 ， 保证系统 良好的操纵感。 图 3 离合器 自动操纵系统及操纵缸油路简 图 图 气助力离合器人工操纵机构示意 图 2 离合器操纵机构运动分析 操纵机构的自动化改装在计及系统功能和可靠 性等基础之上兼顾应急功能 ， 同时本着尽量保 留原 操纵机构部件、 降低成本 的原则 ， 采用了对离合器踏 板部分进行改装 的方案 ， 它保留了离合器人工操纵 机构中的液压主缸 、 气助力液压工作缸等部件 ， 仅对 离合器踏板部分进行了改装。离合器踏板部分通过 加装液压操纵缸 ， 借助 A MT的供油系统 ， 实现了液 压主缸的 自动控制， 进而实现 了离合器的 自动分离 和结合。离合器踏板部分 的改装如图 2所示 ， 为能 更明显地表示系统结构， 图 2 b 中的离合器主缸部 分被隐去 支撑轴 复位弹簧 a 改装前 缸 出油 15 b 改装后 图 2 离合器踏板改装示意图 踏板 液压操纵缸的高压工作油液 由 A M T系统的油 源提供 ， 流量电磁阀控制其油腔内油液的进 出， 进而 控制离合器的分离／ 结合速度 。改装后的离合器 自 动操纵系统及液压操纵缸部分的油路结构原理如图 3所示 。 改装后离合器操 纵系统 的运 动关 系如 图 4所 示 ， 通过操纵油缸 的充／ 放油， 问接地控制液压主缸 的运动 ， 进而实现气助力液压工作缸 的工作位置的 调整， 带动离合器分离或结合。 图 4 离合器操纵部件运动关系 簧 设通过电磁 阀进／ 出液压操纵缸的油液流量为 q ， 进／ 出液压操纵缸的油液体积为 ， 液压操纵缸活 塞面积为 S ， 液压 主缸活塞面积为 S ， 气助力液压 工作缸液压腔部分的活塞面积为 S ， 液压操纵缸与 液压主缸之间的连接杆的杠杆比为 k 。 气助力液压工作缸活塞运动速度决定 了离合器 的结合速度 ， 忽略气助力液压工作缸 的随动 阀部分 对操纵液的影响 ， 则气助力液压工作缸活塞 的运动 速度 为 S ， k g 而气助力液压工作缸活塞行程 ， 即离合器分离／ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 结合行程 Z 为 王洪亮， 等 基于流量阀的自 动操纵机构的A M T离合器改装研塞 兰 翥 2 离合器分离／ 结合 速度与通过 电磁 阀的流量 q 成正比， 离合器分 离／ 结合行 程 z与通过 电磁 阀进／ 出液压操纵缸的油 液体积 成正 比。因此 ， 通过控 制经 由电磁阀进／ 出液压操纵缸的流量和体积 ， 就可 间接控制离合器分离轴承的运动速度和行程 。 3 流量 阀特性研究 试验所采用 的某 型流量 电磁 阀有 3个 油路通 道 ， 通过控制电磁线 圈的工作电流 ， 实现阀体不同通 道的连通和通道连接孔径大小的调整 ， 间接控制流 经电磁阀体的油液流量。在同一压差下 ， 流经 电磁 阀的油液流量与电磁 阀控制 电流 的对应关 系如 图 5 所示 。 0 0_2 5 0 ． 5 0．7 5 1 ．0 I ． 2 5 I ．5 1 ． 7 5 2 0 作 电流／ A 图 5流量电磁阀基本工作特性 电磁阀丁作期间 ， 可认为其电阻值不变 ， 故可通 过调 节其工作 电压来实现对其工作 电流的调节 ， 并 且采用 P WM方式调节 电磁阀的工作 电压是现代控 制理论 中较为成熟的控制方法 ， 本文 中也采用这种 控制方式。不同占空比下离合器的分离和结合速度 变化曲线如图6所示 。 在 5 V的最高电压下， 以占空比调节的方式对电 磁阀的1 二 作 电压进行调整 ， 从 图 6 a 中可 以看 出， 随着电磁阀控制 占空比的增加离合器分离时间逐渐 缩短 ， 由4 8 ％ 占空 比下 的 1 ． 7 5 s 缩减到 6 8 ％ 占空 比 下的0 ． 5 s 。在图 6 b 中， 离合器结合 时间由 2 ％ 占 空比下 的 0 ． 5 s增 加 到 1 8 ％ 占空 比下 的 2 ． 7 5 s ， 在 2 0 ％占空比下 ， 离合器 的结合时 间会更 长。2 0 ％ ～ 4 8 ％之问的占空 比范 围是 电磁 阀流量较小 的区域 ， 2 4 2 0 l 1 6 s 4 O 0 0 ． 5 1 ．0 1 ．5 2 ． 0 时间／ s a 离合器分离蛆线 _星 驰 0 ．0 O ． 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ． 0 2 ． 5 3 ． 0 时间／ s b 离合器结合 曲线 图 6 离 合器行程控制实验 曲线 离合器结合或分离缓慢 ， 可用于离合器行程的微调 控制 。 4 控制规律设计 在 A M T车辆的离合器控制中， 起步过程的控制 是其成功与否的一个重要考核部分。根据干式离合 器工作过程 如图 7所示 ， 可将车辆起步过程的离 合器控制分为 4个部分 ①消除离合器主 、 被动部分之问的间隙； ②离合器进入半结合点 ， 离合器主 、 被动片开始 滑摩 ， 离合器半结合点位置根据车辆负载等因素的 差异而变化 ； ③车辆开始起步 ， 车速逐步增加 ； ④离合器主、 被动部分转速差降为零， 离合器继 续结合 ， 建立储备转矩。 E E 1 枯 也 僵 匣 ① ② ③ ④ ＼ 图 7离合 器结合过程示意 图 由于第① 、 ④部分离合器 的结合不影 响车辆 的 性能 ， 基于提高车辆动力性 的原则 ， 离合器结合时间 应尽量减少 ， 故电磁阀的控制采用最小 占空比， 实现 离合器的快速结合 。 加 8 4 O 蜘 4 2 0 8 6 4 2 0 u l ； 堪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 汽车工程 2 0 1 1 年 第 3 3卷 第 1期 第②部分离合器的工况受车辆负载等因素影响 存在一定的差异， 当车辆空载或车辆处于下坡起步 时 ， 离合器半结合点较浅 ； 而当车辆满载或车辆处于 上坡起步时， 离合器半结合点较深 j 。故要求 系统 对离合器半结合点进行预判 ， 然后根据驾驶员 的意 愿 ， 例如油门踏板信号 、 驻车制动信号等对离合器在 第②部分的结合速度进行合理的控制， 既要 防止 由 于快速结合导致 的车辆 冲击 ， 又要防止离合器结合 较慢降低车辆 的动力性。 第③部分是车辆起步过程的关键部分 ， 是车速 从无到有 ， 从4 , N大逐渐变化的过程 ， 此过程既要保 证车辆短时间内迅速起步 、 防止溜车和离合器长时 间磨损等不 良现象 的发生 ， 又要兼顾车辆乘员 的乘 坐舒适性 ， 避免车辆起步过程中出现冲击过大等现 象 ， 降低车辆的操控性能。第③部分引入离合器主 、 从动盘之间转速差 、 车速及其变化率 、 发动机转速及 其变化率、 油门开度等信号对离合器结合位置及结 合速度进行控制 ， 以达到良好的控制效果。 根据以上离合器工作过程的分析 ， 编写了起步过 程离合器 自动控制程序， 其基本流程图如图 8 所示。 图 8 程序 流程 图 离合器结合过程 的第③部分 中， 离合器的结合 速度和结合位置直接影响车辆 的起步性能及发动机 转速的变化， 为提高车辆的起步品质 ， 要求离合器控 制系统能够做出快速准确的反应 ， 相对于开关阀控 制 ， 流量阀通过控制油道孔径 的大小可以实现液 体流量平稳而连续 的变化， 故基于流量 阀的离合器 操纵机构会使离合器的结合过程十分平稳 。 5 试验分析 在离合器操 纵机构 自动化改装 后 的北方奔驰 1 9 2 7型重型商用车上 ， 对离合器操纵机构的性能和 离合器控制策略进行 了试验， 如图 9所示。 句 霹 餐 曾 图9车辆起 步控制试验 由图 9可见， 当车辆起步时 ， 流量阀工作在较小 的控制占空比下， 离合器结合速度较快； 离合器结合 到预设半结合点时 ， 流量阀控制 占空 比增加 ， 离合器 结合速度减小 ， 防止造成冲击 ； 当车辆开始起步时， 流量阀工作在特定的控制 占空 比下 ， 保证离合器能 够缓慢结合， 同时根据车辆实际工作情况 ， 实时调整 流量阀的控制 占空比， 在限定起步冲击度的前提下 ， 减小离合器的滑磨时问 ， 当离合器主 、 被动部分同步 后 ， 流量阀关闭， 保证离合器快速结合。 图 1 0为车辆在不同路况下 的起步试验。由图 1 0可见 ， 车辆在不 同载荷和路况下起步时， 离合器 结合过程平稳 ， 发动机转速和变速器输入轴转速变 化平稳 ， 起步效果 良好。图 1 0 a 车辆 空载起步时 问为 1 ． O s ， 图 1 0 b 车辆满载起 步时间为 1 ． 3 s ， 图 1 0 C 车辆满载坡道起步时间为 1 ． 5 s ， 符合车辆使 用的实际情况 。车辆起步过程中没有发动机熄火等 意外情况发生， 坡道起步过程车辆没有溜车 ， 并且起 步过程 中车辆 冲击度小 ， 离合器结合速度及位置控 制准确 ， 证明离合器 的自动控制策略能够满足车辆 起步要 求 。 6 结论 文中讨论 了传统气助力式离合器操纵机构的基 于流量电磁阀的电控液动 自动化改装 ， 分析 了改装 后 机构主要部件的运动学关系， 并结合流量 阀的基 ∞ u v 缎 雒如谴 s Ⅲ， 醛 稚姐避 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 V o 1 ． 3 3 N o ． 1 王洪亮， 等 基于流 量阀的自 动操纵机构 垒 童盒墨 茎 窒 2 0 0 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 O 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 2 4 2 0 i 1 6 1 2 s 鐾 4 褪 0 2 ． 2 2 4 2 ． 6 2 8 3 0 3 2 3 ． 4 3 ．6 3 ． 8 4．0 H Ih ] ／ s a 空载起步 4 0 5 41 0 41 ． 5 4 2 ． 0 4 2 ． 5 4 3 0 4 3 5 时间／ s b 满载起步 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 O 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 时问／ s C 满载坡道起步 24 2 0 嘉 1 2 s 襞 韫 2 4 2 o l 1 6 I 2 s 舞 4 褪 O 本特性， 对改装后离合器操纵系统的离合器结合、 分 离速度与流量阀控制 占空 比的对应关系进行了试验 分析 。在此基础上 ， 结合起步过程 中离合器不 同阶 段的工作特点 ， 制定了车辆起步过程 的离合器 自动 控制策略 ， 并在试验车辆上进行 了验证， 证 明了离合 器 自动操纵机构及控制策略的实用性。 图 l 0 不 同路况下 的车辆起步试验 [ 1 0 ] 参考文献 席军强 ， 丁华荣 ， 陈慧 岩． A S C S与 AM T的历史 、 现状 及其在 中 国的发展趋势 [ J ] ． 汽车工程 ， 2 0 0 2 ， 2 4 2 8 99 3 ． 何忠波 ， 白鸿柏 ． A MT技术 的发展与展 望 [ J ] ． 农业 机械学报 ， 2 0 0 7， 3 8 5 1 8 11 8 6 ． 张炳 力 ， 赵 韩 ， 金 朝勇 ， 等． 汽车 自动 变速 器研 究 现状及 展 望 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 6， 1 7 增刊 s 2 4 1 74 2 0 ． 张泰， 葛安林 ， 郭立 书 ， 等． 改善车辆起 步换 挡 品质 提高乘坐舒 适性 的研究 [ J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 0 3， 3 4 1 1 82 4 ． 江 发潮 ， 陈全 世， 曹 正清 ． 机械式 自动变速器 的离合器优化控制 [ J ] ． 清华大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 4 5 2 2 4 2 2 4 5 ． 黄建 明， 曹长修 ， 苏玉刚． 汽车起 步过程 的离合 器控 制 [ J ] ． 重 庆大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 2 8 3 9 l 一9 4 ． 陈家瑞 ． 汽车构造 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 0 ． 刘海 鸥， 陈慧 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Dri v i n g Cy c l e De v e l o p me n t [ D] ．C a l i f o rni a U n i v e r s i t y ， 2 0 0 2 ． E v a E ri c s s o n ．V a ri a b i l i t y i n U r b a n D r i v i n g C y c l e P a t t e rns [ J ] ． T r a n s - p o r t a t i o n Re s e a r c h， 2 0 0 0， D5 3 3 73 5 4． 杜 洪． 汽车排放 测试循 环及道路排放 特性 的研究 [ D] ． 天津 天 津 大学， 2 0 0 1 ． 周金 刚， 金少先 ， 陈红兵 ， 等 ． 小 波多分辨 分析用 于化学发光 光 谱 的噪声滤 除 [ J ] ． 光 谱学 与 光谱 分 析 ， 2 0 0 0 ， 2 0 2 2 1 6 21 R l寸_ c 【 Ⅷ． J ， 辩 l _ c I Ⅲ． J ＼ 辩 l _c {． J ～ 薄 j ] ] 一l l寸 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m