离合器动态过程建模与仿真

公 路 交 通 科 技

JOURNALOFHIGHWAYANDTRANSPORTATIONRESEARCHANDDEVELOPMENT

2004年10月

文章编号:1002O0268(2004)10O0121O05

离合器动态过程建模与仿真

王玉海,宋 健,李兴坤

(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084)

摘要:在分析膜片离合器接合、分离过程动力学的基础上,根据摩擦学原理提出离合器过度动态过程的数学模型,此过程比静态模型更加准确地描述了离合器接合、分离的动态过渡过程,并给出仿真结果,为离合器自动控制提供理论基础。

关键词:离合器;动态过程;动力传动系统;仿真中图分类号:U4631211 文献标识码:A

ModelingandSimulationofClutchDynamicProcess

WANGYuOhai,SONGJian,LIXingOkun

(TsinghuaUniversityStateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing 100084,China)

Abstract:Thispaperanalyzesthedynamicprocessofclutchengagementanddisengagement,thenbringsupanewdynamicmathematicmodelofthistransientprocess1Thismodeldescribesthetransientofclutchengagementanddisengagementprocessmoreexactlythanthestaticmodel1Thesimulationresultisprovidedanditwillbeappliedtothecontrolofautomatedclutch1Keywords:Clutch;Dynamictransientprocess;Powertrain;Simulation

离合器是汽车动力传动系统的重要部件,它依靠主从动片之间的摩擦力矩来传递动力,并通过分离与接合来控制车辆动力传动系统的工作状态。离合器分离、接合过程的质量对车辆换档品质尤其是换档冲击度有较大的影响。油离配合在安装手动变速器的汽车上是体现驾驶员驾驶水平的重要依据。对机械式自动变速系统来说,使自动离合器的动态过程达到并超过熟练驾驶员油离配合的水平也是追求的目标之一。要实现这个目标,就必须分析离合器动态过程的特性。本文所述离合器操纵过程及其动力学分析都是基于熟练驾驶员操作手动变速器车辆进行的。

目前针对离合器进行的研究着重于离合器接合、分离过程中接合速度以及行程的控制、操纵机构的数学模型及控制方法。文献[1]提出了离合器最佳接合规律,着重探讨了离合器不同工作阶段离合器接合速度及行程的控制原则。文献[2]建立了膜片弹簧液压操纵机构的数学模型,并在模型的基础上提出了预测控制的方法。文献[3]提出了表征离合器主从

收稿日期:2003O08O11

动片间正压力FN与从动盘轴向变形量N之间非线性关系的从动盘压紧负荷特性FN=f1(N),再根据正压力与摩擦力矩Tf之间的关系得到了离合器分离轴承处位移与离合器传递转矩的关系Tf=f2(FN)=f(N),从而给控制系统提供了控制模型。文献[4]建立了由刚体、弹簧和阻尼组成的模型,定义了粘着系数、摩擦系数和驾驶参数的概念,分析了整个动力

传动机构的相互配合对离合器性能的影响,并在此基础上建立基于模糊理论的观测器。

上述研究没有对正压力与摩擦力矩之间动态过程进行分析,而是应用了简单的静态模型,即Tf=L#FN#Rc,其中L是摩擦片间的摩擦系数,Rc是摩擦片等效半径。模型的简化使得针对离合器操纵机构的先进的控制方法受到局限,不能很好的反映离合器工作过程中的动态特性。

本文将分析膜片离合器工作过程中的动力学特性,在此基础上定义狭义动态摩擦系数,提出离合器动态特性模型,并对模型进行仿真检验。

作者简介:王玉海(1977-),男,山东青岛人,博士研究生,研究方向为车辆自动变速理论与控制策略1(wyhai00@mails1tsinghua1edu1cn)

公路交通科技 2004年 第10期

1 离合器动态过程动力学分析

图1是离合器在车辆动力传动系统中的位置及力学示意图。

从其传递的摩擦力矩来看,就是离合器传递的摩擦力矩从0按照一定规律变化到Te或者由Te变化到0的状态,而摩擦片本身也存在静态摩擦力矩与动态摩擦力矩之间的过渡。

11211 由分离向接合的过渡

该过程包括起步接合过程和换档结束后转入正常行驶状态的接合过程。

(1)起步接合过程

图2是起步过程中,离合器转速、转矩变化示意

图1 车辆动力传动系统示意图

图。其中Tcs是离合器静态摩擦力矩,$X($X=Xe-Xc)是离合器主从动片转速差。0~t1阶段,TcTe,Tc继续增大到极

(2)

大值,由式(1)可知Xe开始减小,Xc继续增大,转速差$X开始变小。t3~t4阶段,Tc持续减小,直到Tc=Te,转速差$X一直减小到0。t4~t5阶段是离合器快速接合的阶段,此时离合器已经停止滑磨,开始正常传递发动机转矩。

以离合器主从动片为界分别进行动力学分析,动力学方程为

JeJv

dXe

=Te-Tcdt

dXc

=Tc-Tmdt

(1)

上式及图1中,Te是发动机的输出转矩;Tc是离合器传递的摩擦力矩;Tm是等效到变速器输入轴的车辆运行阻力矩,由Tw、Tr和Tb等效而来,即空气阻力矩、道路阻力矩和制动力矩;Xe是发动机曲轴角速度(也是离合器主动片角速度);Xc是离合器从动片角速度;Je是发动机转动部分惯量(主要来自飞轮);Jv是等效到变速器输入轴上的车辆平动、转动惯量;rw是车轮半径;ign和i0分别是变速器第n档传动比和主减速比。

离合器工作过程可以分为完全接合、完全分离和滑磨3个状态。

111 完全接合、完全分离状态

这两个状态是稳定的,离合器传递的转矩也是确定的,即完全接合时完全分离时

Tc=TeTc=0

图2 起步过程中离合器转速转矩示意图

离合器静态摩擦力矩Tcs在0~t5的时间内一直随离合器行程而增大,直到其最大值。

(2)换档接合过程

除起步过程外,由分离向接合过渡的过程还包括换档结束后离合器由分离向接合过渡的过程。除与起步过程类似的情况外,这个过程可能出现Xe0,而由于$X=Xe-Xc<0,Tc<0。由式(1)(2)可知,离合器传递的力矩对车辆是阻力矩,而对发动机是动力矩(即发动机被倒拖),故转速差|$X|是一直减小的。随着转速差|$X|的逐步缩小,Tc应该由负值过渡到Tc=Te,即离合器传递力矩对车辆由阻力矩变为122112 滑磨状态

滑磨状态是两个相对运动的固体表面(主从动片)的摩擦,它只与接触表面的作用有关,而与固体内部状态无关。其实质是一侧摩擦片将自身的运动传递给与它相接触的另一侧摩擦片,并试图使两者的运动速度趋于一致,而且在摩擦过程中发生能量转换。这种摩擦过程在滑动面上发生速度突变,摩擦力与滑动速度的关系随工况条件变化,当滑动速度消失后存在静摩擦力。

滑磨状态是前两个状态间的过渡状态,既可以是由接合到分离的过渡,也可以是分离到接合的过渡。

[5]

离合器动态过程建模与仿真 王玉海等

动力矩。这个过程是随着转速差|$X|的减小逐渐实现的,Tc的变化是一个由负到正的过渡过程。11212 由接合向分离的过渡

该过程是换档开始前分离离合器的过程,目的是断开变速器传递的动力,方便换入新的档位。踩下离合器踏板之后,随着膜片弹簧正压力的减小,离合器静态摩擦力矩Tcs也在减小,在Tcx\\Te时,Tc=Te。当Tcs0。为了使车辆行驶的动力不至于中断时间太长,应该控制发动机转速使得Xe\\Xc,以保证Tc>0,即对车辆是动力矩。Tc由Tc=Te过渡到TcXTe甚至Tc<0是一个明显的动态过程。

综上所述,离合器滑摩状态的摩擦力矩在转速差接0时发生状态过渡,传递转矩变化较快,对车辆的行驶稳定性及换挡品质会产生较大的影响。2 离合器静态模型分析

离合器静态模型认为离合器传递的力矩为静态摩

[1,3]

擦力矩Tcs,其表达式为

Tc=sign(Xe-Xc)#Tcs=sign(Xe-Xc)z#LsFNRc(3)其中,z是离合器摩擦面个数;Ls是离合器静态摩擦系数;FN是膜片弹簧对压盘的正压力,取决于离合器分离轴承位置;Rc是离合器等效半径(推导见文献[6,7])。静态摩擦力矩计算公式对设计离合器参数、保证离合器的后备功率、估算离合器滑磨功等方

[6,7]

面很有实用价值。

但是,该模型不考虑动态摩擦系数,不考虑离合器传递力矩的过渡过程,用静态摩擦力矩代替动态摩擦力矩,与实际情况差异较大,且在$X=0时造成Tc的不连续。而应用于机械式自动变速器的自动离合器要求对离合器的传递力矩实现较精确的控制,故在机械式自动变速器控制过程中应用静态模型会影响自动离合器的控制精度。3 离合器动态过程建模与仿真

为了更好的反映离合器接合的过渡过程,我们提出了基于摩擦学原理的离合器动态过程模型,不仅考虑动态摩擦系数的影响,还考虑离合器的输入力矩(即发动机的输出转矩)对离合器传递的动态力矩的影响。

311 动态摩擦系数及狭义动态摩擦系数

123文献[5]指出,由于摩擦过程中主从动盘间的相对滑动速度引起摩擦片表面层发热、变形、化学变化和磨损等等,会显著地影响动态摩擦系数。对于一般弹塑性接触状态的摩擦副,摩擦系数随滑动速度增加而越过一极大值,然后有所下降,并且随着表面刚度或者载荷增加,极大值的位置向坐标原点移动。当载荷极小时,摩擦系数随滑动速度的变化曲线只有上升部分;而在极大的载荷条件下,曲线却只有下降部分。根据试验数据归纳,文献[5]提出了滑动状态下摩擦副之间的动态摩擦系数经验公式

-cu

Ld=(a+bu)e+d

(4)

其中,u为相对滑动速度,mPs;a、b、c、d为由材料和载荷决定的常数。典型金属材料的动态摩擦系数与相对滑动速度的关系如图3(载荷为119NPmm)。

2

图3 动态摩擦系数与相对滑动速度的关系

离合器摩擦面上的载荷是膜片弹簧加在压盘上的正压力FN,在离合器接合分离动态过程中,FN是不断变化的,因此式(4)中的系数是时变的,直接应用于离合器控制有困难。为此,定义只与摩擦面材料相关的狭义动态摩擦系数Lds

Lds=a-bu-ae

-cu

(5)

其中,a、b、c为由材料决定的常数,反映了离合器

本身固有的传递特性,与载荷无关。载荷的变化与输入力矩的变化趋势一致,由输入力矩的影响项来体现,详见下节分析。312 动态摩擦力矩模型

离合器由滑磨到完全接合过渡的动态过程中,动态摩擦力矩是渐变的过程,前期主要取决于膜片弹簧正压力,随着转速差|$X|的减小,逐渐过渡到主要取决于离合器的输入转矩(即发动机的输出转矩)。因此,在过渡过程中,离合器传递的力矩是膜片弹簧正压力与离合器的输入转矩共同作用的。定义输入力矩影响参数K=e来表征输入力矩对动态摩擦力矩的影响。在前述基础上,我们提出了下列离合器转矩传递特性

-du

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0 Tcs=0#Te $XX0Tc=sign(Xe-Xc)#Lds#FN#Rc+K

Te Tcs>Te

由于将载荷的影响分离出来,故仅与转速差相关的狭义动态摩擦系数在转速差为0时亦为0。狭义动

态摩擦系数到达极值后随相对滑动速度增加而下降,下降趋势主要由系数b决定。

将公式(5)对u求导数,可以知道最大动摩擦系数Ldmax以及此时的相对滑动速度um分别为

Ldmax=a-bacln+1cb

图5 起步接合时离合器过渡特性

(6)

acum=lnbPc

滑磨阶段的第二项是离合器输入力矩(即发动机的输出转矩)的影响项。在过渡的开始阶段,Te的作用很明显;随着转速差的增大,其影响迅速下降。K表

征了输入力矩的影响下降的速度。图4是狭义动态摩擦系数和输入力矩影响系数与相对滑动速度的关系。

图6 静态模型起步接合时离合器过渡特性

上019~0195s之间的阶段,离合器传递的转矩平稳过渡;而在图6上,t3~t4阶段的时间几乎为0,也就是离合器传递的转矩发生了跳变,跳变幅度几乎达到了50%,这是不符合实际情况的。

图7是100%油门开度加速时,Ó档升Ô档离合

图4 狭义动态摩擦系数和输入力矩影响

系数与相对滑动速度的关系

器过渡过程中传递力矩及转速的变化情况,曲线含义同图5。

313 动态模型的仿真检验

将该动态模型应用到车辆自动变速仿真系统中,与静态模型在起步过程、升档过程和降档过程等离合器接合动态过渡中相比较。在仿真模型中,离合器正压力随分离轴承的位移成线形变化,发动机模型采用静态模型,即由转速和节气门开度惟一确定发动机输出力矩。

图5是应用了离合器动态模型的40%油门开度起步过程转矩、转速变化。上图实线为离合器传递的转矩,虚线为发动机输出转矩,下图实线为离合器从动片(即变速器输入轴)转速,虚线为发动机转速。

图6是应用离合器静态模型的40%油门开度转速转矩变化过程。曲线含义同图5。

对比两图,可以看出转矩随转速差过渡的趋势比较明显。与图2对比可以看出,t3~t4阶段对应图4

124图7 升档接合时离合器的过渡特性

图8是相同情况下采用静态模型离合器过渡情况仿真图。

对比图7和图8可以看出,在应用动态模型的仿

离合器动态过程建模与仿真 王玉海等

图8 静态模型升档接合时离合器的过渡特性

图10 静态模型降档接合时离合器的过渡特性

真结果中,离合器传递力矩随着转速差的减小而平稳过渡,从1512s附近开始离合器的输入力矩开始起主要作用;而应用静态模型的仿真结果,在14175s前后,离合器传递力矩发生跳变,跳变幅度几乎达到了75%。

图9是在60%油门开度60kmPh车速Ô档时踩油门到100%开度降档时离合器过渡过程中传递力矩及转速的变化情况,曲线含义同图5。

合器传递的动态力矩作出准确的估计,这会在一定程度上影响控制精度。动态模型能够较好的体现出离合

器传递力矩的过渡性质,对于更加精确的控制离合器具有很好的理论指导意义。4 结论

本文在摩擦学原理的指导下,分析了离合器接合、分离的动态过渡过程中动态摩擦系数的变化,借鉴动态摩擦系数的经验公式,定义了狭义动态摩擦系数及输入力矩影响系数,在分析动态过渡过程动力学方程的基础上提出了一种新的离合器动态过程数学模型。经过在我们建立的车辆自动变速仿真系统中的仿真计算,该模型能够比较准确的模拟离合器动态过程的特性,具有较好的实用价值,可以有力地支持车辆自动变速换档规律与控制策略的研究。

参考文献:

[1] 葛安林1离合器最佳结合规律的研讨[J]1汽车工程,1988

(2)1

图9 降档接合时离合器的过渡特性[2] 张俊智,王丽芳,葛安林1自动膜片弹簧离合器的接合控制

[J]1清华大学学报(自然科学版),1999,39(8):56-591

[3] 雷雨龙1提高电控机械式自动变速器性能的研究[D]1长春:

吉林工业大学博士论文,19981

[4] GErcole,GMattiazzo,SMauro,etal1CoOOperatingClutchandEn-gineControlforServoactuatedShiftingThroughFuzzySupervisor[C]1SAEpaper1999O01:07461

[5] 温诗铸1摩擦学原理[M]1北京:清华大学出版社,19901[6] 张洪欣1汽车设计[M]1北京:机械工业出版社,19951[7] 徐石安,肖德炳,刘惟信1离合器[M]1北京:人民交通出版

社,19811

图10是相同情况下采用静态模型离合器过渡情况仿真图。

对比图9和图10可以看出,在应用动态模型的

仿真结果中,离合器传递力矩在2916~2917s之间,用不到011s的时间从负值过渡到正值,与输入力矩(即发动机输出转矩)平稳结合;而应用静态模型的仿真结果,在29125s附近瞬间由-100Nm跳变到+100Nm。

通过3种情况的接合过程对比,我们可以发现静态模型在过渡过程中不能平稳过渡,从而也不能对离

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