基于转速信号的履带车辆主离合器控制策略

2005年6月
农业机械学报
第36卷第6期
基于转速信号的履带车辆主离合器控制策略3
刘海鸥　陈慧岩　金亚英　翟　涌
【摘要】　在详细分析主离合器接合过程控制目标及自适应要求的基础上,提出了一种基于转速信号的AM T 车辆主离合器控制策略。

将该控制策略应用于某履带车辆的主离合器控制,并进行了实车试验。

以冲击度和滑摩功为评价指标,对试验结果进行了分析。

结果表明,基于转速信号的主离合器控制策略具有广泛的适应性,在多种条件下均能保证车辆平稳、快捷地起步。

关键词:车辆　机械式自动变速器　主离合器　控制策略中图分类号:U 4631211102
文献标识码:A
M a i n Clutch Con trol Stra tegy Ba sed on Speed Signa l for Ca terp illar Veh icles
L iu H ai ou Chen H u iyan J in Yaying Zhai Yong
(B eij ing Institu te of T echnology )
Abstract
A cco rding to the detailed analysis of m ain clu tch engaging p rocess con tro l target and adap tive dem ands and based on sp eed signal ,a con tro l strategy of m ain clu tch fo r au tom ated m echan ical tran s m issi on (AM T )w as p u t fo rw ard .It w as app lied to the m ain clu tch con tro l of a tracked veh icle ,and p roving ground test w as carried ou t .U sing jerk and sli pp ing w o rk as evaluati on indexes ,the test data w as analyzed .T he resu lts show ed that the con tro l strategy based on sp eed signal has ex ten sive adap tab ility and can en su re s m oo th and fast start of veh icle under vari ou s conditi on s
.Key words V eh icles ,A u tom ated m echan ical tran s m issi on ,M ain clu tch ,Con tro l strategy
收稿日期:20030612
3国防重点实验室基金资助项目(项目编号:51457040204BQ 0102)刘海鸥　北京理工大学机械与车辆工程学院　讲师,100081　北京市陈慧岩　北京理工大学机械与车辆工程学院　教授
金亚英　北京理工大学机械与车辆工程学院　高级工程师翟　涌　北京理工大学机械与车辆工程学院　副教授
引言
主离合器控制是实现机械传动自动变速操纵的
关键技术,也是决定机械式自动变速器(AM T )车辆起步、换挡过程品质的最主要因素。

由于大多数AM T 车辆均使用摩擦式离合器,所以,其接合过程的控制方法一直是车辆传动研究中备受关注的专题[1,2]。

在起步时主离合器接合过程的控制相对于换挡时要困难得多。

基于对主离合器接合过程的系统分析,开发出一种基于转速信号的主离合器起步过程控制策略,并结合某履带车辆AM T 自动离合器操纵机构,介绍了其接合过程的控制方法。

1　控制目标与自适应要求
111　自动离合器操纵机构
针对图1所示的自动离合器操纵机构研究控制策略。

离合器可以是单片或多片干式摩擦离合器结构。

它由一个单作用油缸推动分离杠杆作分离、接合操作。

油缸由常闭式电磁阀C 1和常开式电磁阀C 2控制,这两个电磁阀都是高速响应开关阀,其响应时间为2～5m s 。

C 1、C 2两个电磁阀皆通电时可使离合器分离,两个电磁阀皆断电时则离合器接合。

如果在分离或接合过程中C 1断电而只有C 2通电,则该时刻的离合器行程保持不变。

为了离合器控制的需要,共设置了3个传感器:
图1　自动离合器操纵机构
F ig.1　A u tom atic m ain clu tch con tro l m echan is m
1.发动机　2、4.转速传感器　3.离合器　5.变速箱　6.离合器油缸　7、8.离合器控制电磁阀C2、C1　9.位移传感器
发动机转速(n e)传感器、离合器从动轴转速(n1)传感器、离合器行程(l c)位移传感器。

以下相关图中的l c是位移传感器采集结果经A D转换后的数字量。

离合器的接合控制主要集中在车辆的起步及换挡过程,其技术难点在于接合过程要平稳而又快捷。

如上所述的闭环控制系统具有两个特点:①由于存在机构间隙、摩擦、机械惯性延迟,电磁阀的电液响应滞后、液压阀非线性的流量特性等,所以该控制系统具有典型的非线性、时变特性。

②与接合过程有关的工作条件易发生变化,如离合器结构参数、离合器内部的温度、行驶路面条件的变化等。

112　控制目标
评价起步和换挡品质的常用指标有冲击度和滑摩功。

冲击度是指车辆纵向加速度的变化率。

作为客观评价起步、换挡过程平稳性的评价指标,其数学表达式为[3]
j=d a
d t
=
d2v
d t2
(1)
式中　v、a——车辆行驶的速度、纵向加速度冲击度的起因在于主离合器输出扭矩的扰动,起步过程中的冲击度数值正比于离合器传递扭矩的变化率[4]。

在离合器接合过程的不同阶段,由于动、静摩擦因数的转换,造成离合器传递扭矩的不连续性,尤其是在转入滑摩阶段与滑摩终止时,将出现传递扭矩的突变。

滑摩阶段首、末时的突变,有可能远远大于滑摩阶段中摩擦力矩的变化。

尤其是在滑摩终止时,如果此前的接合过快,由于离合器的储备力矩,此时传递的力矩可能超过道路阻力甚多。

在同步后的瞬间,两阶段之间的转换不可避免地出现传递力矩的急剧下降,若控制不当,就会造成起步冲击。

离合器接合过程中的滑摩功主要产生于滑摩阶段。

滑摩功计算式为
W=∫t2t1T c(Ξe-Ξ1)d t(2)式中　t1、t2——滑摩阶段开始及终止的时间
Ξe、Ξ1——发动机及离合器输出轴的角速度起步和换挡阶段,整车的控制目标是冲击度幅值不超过设定的允许值,而对于主离合器,则要求滑摩功尽量小。

113　自适应要求
车辆行驶过程中,要求主离合器的接合控制必须适应主离合器状态、地面条件等参数的变化。

同时,在不同的驾驶风格下以不同的挡位起步时均应做到平稳、快捷。

2　基于转速信号的控制策略
由动力学可知,冲击度、滑摩功的控制目标都涉及传递力矩及其变化率,只要控制好摩擦力矩的增长,就可保证起步平稳并减少冲击。

因为控制系统中无法安装扭矩传感器,不能直接获得瞬变的扭矩信号。

有研究通过离合器的接合量来控制输出扭矩,但由于接合量(离合器行程)只能间接地反映扭矩的变化,其对应关系受到许多因素的影响,一旦位移传感器位置发生变动或信号漂移,就很难准确控制离合器的输出扭矩,因而难以实现冲击度的自适应控制。

式(1)已经清楚地表明,冲击度与转速信号直接相关,只须对转速信号进行适当处理。

基于转速信号的自适应控制,就是根据转速信号来判断起步过程中的冲击及滑摩情况,从而进行传递力矩的调节。

211　控制系统模型
冲击度及滑摩功的数值均受众多的车辆动力学参数的影响。

因此,要求离合器的接合过程应能适应工作条件的变化,如离合器状态、地面条件、驾驶风格以及负载的变化等等。

这些变化因素对离合器控制系统提出了很高的要求,很难通过建立数学模型的方法来进行设计。

本文设计了一个模型参考自适应控制系统(M RA C),该系统对系统控制性能的要求是用一个理想的参考模型来体现,其输出就是理
想的响应(如图2所示)。

模型参考自适应控制系统由两个环路组成。

内环是
9
　第6期刘海鸥等:基于转速信号的履带车辆主离合器控制策略
由控制器和被控对象组成的可调系统,外环则由理想参考模型和自适应机构组成。

系统在运行中不断比较参考模型和被控对象的输出或状态。

设两者的误差信号为e ,自适应控制器根据e 调整控制器的某些参数或产生一个辅助输入,使e 尽快地趋近于零。

这样,控制对象的输出就是参考模型的输出。

当被控对象的参数发生变动时,M RA C
系统仍然确保被控对象的输出为参考模型的输出,这样就实现了自适应控制。

基于转速信号的自适应控制系统,就是要以离合器转速信号为基础建立参考模型。

这个参考模型应能体现上述控制策略,确保离合器起步过程平稳、快捷。

基于转速信号的参考模型,可以表示为图3所示的转速历程曲线。

图3　基于转速信号的参考模型
F ig .3　R eference model based on speed signal
(1)t <t 1区段为快速接合阶段。

用来消除离合
器间隙。

此区段内应以执行机构所许可的最快速度接合,尽量缩短时间。

(2)t 1～t 2区段为滑摩起始阶段。

离合器开始传递摩擦力矩,转速n 1逐渐增大。

为了初始起步平稳,要求该区段内转速增长平滑,应避免出现折线式过渡或阶跃式的转速突变。

(3)t 2～t 3区段为主滑摩阶段。

是起步过程中离合器主从动部分通过滑摩达到同步的主体阶段。

为了实现平稳、快捷起步,该区段内n 1应以较大的斜率上升,以便尽快与n e 接近同步,缩短滑摩时间。

(4)t 3～t 4区段为滑摩终结区段。

要求离合器转速差(Ξe -Ξ1)平缓减小,平滑地趋于同步。

由动力学可知,离合器传递的摩擦力矩超过地面阻力矩越多,Ξ1增长越快,Ξe 下降也越快,转速差急剧减小。

为了避免出现离合器同步后传递力矩的突然跌落,应适当控制转速差的变化率,并按此转速差的变化率调节离合器的接合量。

(5)t >t 4区段为离合器同步区段。

当检测到离合器转速差(Ξe -Ξ1)已经很小,接近于转速同步时,就进入离合器的同步区段,此时也应以最快的速度完成接合过程。

212　控制策略
根据以上的分析,可以画出离合器起步阶段接
合控制的软件框图,见图4所示。

3　试验结果分析
在一个以柴油机为动力的重型车辆上,采用以上基于转速信号的控制策略进行了实车试验,并得到转速信号n 1、n e 以及油门开度Α和离合器行程l c 的变化曲线。

311　实车试验系统
控制系统采用M o to ro la 公司的M C 68376单片机,完成输入信号的采集、控制算法的实现以及对高速响应电磁阀的驱动任务。

图5所示为用于起步过程控制的实车试验系统硬件组成。

312　对负载变化的适应性
图6显示了两种不同负载下的起步过程,其中图6b 较6a 负载增加了30kN 。

可以看出,小负载与大负载比较,滑摩时间由1102s 增加到1155s ,延
01农　业　机　械　学　报2005年　
长了0153s ;相对滑摩由913圈增加为1211圈(增加30%)。

两种情况下起步都比较平稳,可见自适应控制策略有着良好的适应性。

图6　不同负载下的水泥路面3挡起步过程
F ig .6　Starting p rocesses under differen t loads
(a )小负载　(b )大负载
313　对不同驾驶风格的适应性
图7显示了两种不同驾驶风格下的起步过程。

其中图7a 为急性的驾驶风格,起步后油门踏板被迅速踩到底;而图7b 驾驶风格较为平缓。

对比图形可以看出:对于急性驾驶风格,由于起步时的油门开度很大,n e 增大明显,滑摩时间也相对较长(1155s ),相对滑摩达到2017圈,
但起步过程仍很平稳;平缓驾驶风格下,油门开度较小,滑摩时间相对较短,为1102s ,相对滑摩为715圈,起步过
图7　不同驾驶风格下的水泥路面4挡起步过程
F ig .7　Starting p rocesses under differen t driving styles
(a )大油门　(b )小油门
程更为平稳快捷。

上述两种驾驶风格下起步都比较平稳,系统控制策略的自适应性良好。

4　结束语
基于转速信号的参考模型可以描述为一条转速历程曲线。

根据接合过程平稳快捷的要求,合理设定参考模型各区段的参数,就可以达到平稳、快捷起步的控制要求。

与基于传感器位移信号的控制方法相比,基于转速信号的离合器控制技术能够更真实地反映接合过程中的车辆动力学特性,从而能够较好地符合对接合过程的评价要求。

参
考
文献
1　Joach i m Ho rn ,Joach i m Bam berger ,Peter M ichau ,et al
.F latness 2based clu tch con tro l fo r au tom ated m anual
tran s m issi on s
.Con tro l Engineering P ractice ,2003(11):1353～13592　A ndrew Szadkow sk i .Sh iftab ility and sh ift quality issues in clu tch tran s m issi on system s .SA E Paper 912697,1991.3　丁华荣.车辆自动换档.北京:北京理工大学出版社,1992.
4　刘海鸥.履带车辆起步换档过程冲击特性预估与试验研究:[博士学位论文].北京:北京理工大学,2003.
1
1　第6期刘海鸥等:基于转速信号的履带车辆主离合器控制策略。