基于MATLAB汽車離合器接合性能仿真.doc

基于MATLAB汽車離合器接合性能仿真目 錄摘 要 Abstract1 緒論1 1.1 AMT自動離合器的發(fā)展2 1.2 AMT自動離合器發(fā)展現(xiàn)狀3 1.3 自動變速器的研究方向4 1.4 自動離合研究的難點與重點5 1.5 論文研究的主要內(nèi)容62 AMT離合器工作原理和接合性能研究7 2.1 AMT原理和結(jié)構(gòu)82.1.1 概述92.1.2 電控單元ECU102.1.3 離合控制系統(tǒng)112.1.4 傳感器、電控軟件12 2.2 離合器接合特性分析132.2.1 力學模型分析142.2.2 離合器的三種狀態(tài)分析152.2.3 AMT離合器起步過程分析16 2.2.4 離合器接合指標173 離合器的建模與仿真18 3.1 MATLAB/SIMULINK簡介19 3.2 AMT離合器力學模型的建立20 3.2.1假設(shè)條件21 3.2.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩輸出模型22 3.2.3 離合器動力學模型建立234 離合器接合過程分析24 4.1 離合器角速度25 4.2 滑磨功和溫度26 4.3 沖擊度27 4.4 發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩285 AMT離合器試驗臺搭建簡介296 展望307 致謝31參考文獻32附錄33摘 要 電控機械式自動變速器就是人們平常稱的AMT，AMT為Automated Mechanical Transmission三個英文單詞的縮寫，能根據(jù)汽車的運行速度快慢，油門節(jié)氣門的開度大小，駕駛?cè)藛T的主觀直接指令等一系列確定和模糊的參數(shù)，來選取合適的換擋時機，保證汽車行駛的最佳檔位。AMT沒有增添新的機械操縱部分，保存了原本老式的變速箱機構(gòu)，省略了駕駛員的踩離合，換擋等。也就是在原有的變速箱基礎(chǔ)上增加一個智能的控制器和執(zhí)行機構(gòu)，通過某種控制策略對發(fā)動機，離合器，整車傳動機構(gòu)進行協(xié)調(diào)控制，自動完成選擋和換擋操作。AMT的核心技術(shù)是微機控制，電子技術(shù)質(zhì)量，生產(chǎn)工藝的品質(zhì)。 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，在環(huán)保和節(jié)約成為當今的主題，當前在中國對排放標準和燃料要求越來越符合環(huán)保節(jié)能的形勢下。AMT是一個很好的選擇。主要表現(xiàn)在與三種變速器相比： （1）與AT（液力變矩器自動變速器）相比：動力性能好：傳動效率比一般的變速器高，動力傳遞沒有損耗。省油：比起一般的變速器來說運用微機智能控制策略。生產(chǎn)成本低：相比于一般的機械變速器，AMT的生產(chǎn)成本低。維護成本低：低成本的優(yōu)勢也就造就低的成本的維護。 （2）與MT（手動變速器）相比：操作更加便捷：智能換擋，駕駛無需離合。動力更加強大：傳動效率高，動力傳輸無損耗。更省油：微電腦控制系統(tǒng)，換擋時機掌握更準確。安全性更加優(yōu)異：模仿最優(yōu)秀的駕駛員行駛，避免錯誤操作。 （3）對比與CVT（機械式無級變速器）：便于生產(chǎn)：成本低。維護方便：成本低，維護方便。產(chǎn)品可匹配性好。 但與以上的變速器相比，AMT的頓挫感雖然比較強烈。然則由于具備傳動效率高，機械結(jié)構(gòu)緊湊，制造成本低，方便大批量制造，工作性能可靠穩(wěn)定，以及操縱簡捷等優(yōu)點，尤其是對于燃油經(jīng)濟性的考慮。使得AMT越來越受到各國的青睞。是以對離合器接合特性的研究具有十分重大的意義。本文的重點包括四方面的內(nèi)容： (1)對AMT變速器的演變歷史和發(fā)展做簡要概述以及AMT變速器相比于當下流行的變速器的優(yōu)缺點對比。 (2)理論的對總的汽車動力和AMT離合器接合過程以及評定指標進行動力學分析。 (3)建立動力源（發(fā)動機）模型，汽車阻力模型，離合器角速度輸出模型。 (4)對假設(shè)條件下汽車運行離合器離合仿真并分析仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞 變速器 AMT 動力學分析 仿真Abstract AMT (automated mechanical transmission (AMT), according to the vehicle speed, throttle throttle opening size, drivers subjective direct instruction and so on a series of determine and fuzzy parameters, to select the appropriate timing of the shift to ensure vehicle optimum gear. AMT did not increase the new mechanical control part, retained the original old gearbox, omitted the human step on the clutch, shift and so on. Is in the original gearbox based on increased an intelligent controller and actuator, strategy of engine, clutch, vehicle driving mechanism were coordinated control through a control, automatic gear selection and shift operations. AMT core technology is computer control, electronic technology, production quality. Chinas current emission standards and fuel requirements are increasingly stringent under the situation. AMT is a good choice. Compared with the three kinds of transmission: (1) Compared with AT (torque converter automatic transmission), the dynamic performance is good: the transmission efficiency is higher than the general transmission, power transmission is no loss. The fuel-efficient than transmission generally using microcomputer intelligent control strategy. The production cost is low: compared with the general mechanical transmission, the production cost of AMT is low. The maintenance cost is low: low cost also makes maintenance and low cost. (2) Compared with MT (manual transmission), the operation is more convenient: intelligent shift, driving without clutch. The power is more powerful: the transmission efficiency is high, the power transmission has no loss. The more fuel-efficient: microcomputer control system, shift timing is more accurate. The more excellent safety: imitation the best driver, avoid the wrong operation. (3)Compared with CVT (mechanical type continuously variable transmission), it is easy to produce: low cost. Easy maintenance: low cost, easy maintenance. The product can be well matched.But compared with the transmission over AMT, the strong sense of frustration. Due to the high transmission efficiency, compact structure, low cost, easy manufacture, reliable work, and convenient manipulation and other advantages, especially suitable for the characteristics of fuel-efficient. Makes AMT more and more favored by all countries. So the research on the characteristics of the combination is of great significance. The focus of this paper includes three aspects:(1)A brief overview of the evolution history and development of the AMT transmission and the comparison of the advantages and disadvantages of the AMT transmission compared to the current popular transmission.(2) Kinetic analysis of the overall vehicle dynamics and the AMT clutch engagement process as well as the evaluation analysis.(3) To establish the power source (engine) model, the vehicle resistance model, the clutch angle speed output model.(4) Simulation and analysis of clutch clutch under the condition of hypothesis.Keyword transmission AMT dynamic analysis simulation1緒論 現(xiàn)代汽車上廣泛采用活塞式內(nèi)燃機作為汽車的動力源，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化范圍比較小，但復雜的外部條件對汽車的通過性（足夠高的平均車速通過各種壞路和無路地帶，以及各種障礙的能力）是一大挑戰(zhàn)，因此要求汽車的驅(qū)動力和車速在相當大的范圍內(nèi)變化。為了解決這一難題，在傳動系統(tǒng)中設(shè)置了變速器。變速器主要改變傳動比，這樣就能讓驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速在很大的范圍變動，便于適應經(jīng)常變化的行駛環(huán)境（如起步時段，加速時段，上坡時段），同時讓發(fā)動機能夠在有利（輸出功率高同時省油）的條件下運行。在上述的優(yōu)點下并且還能使發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)方向不變的條件下，使汽車能倒退行駛，也就是我們所說的倒擋。并且利用離合器摩擦片的分離阻斷動力傳輸，讓發(fā)動機能夠起動，怠速，使變速器能夠快速換擋或者進行動力輸出1。 離合器類似于于一個“動力開關(guān)”，是控制汽車心臟（發(fā)動機）傳輸動力的開關(guān)。它位置處于發(fā)動機與變速器之間的飛輪殼中，螺栓將離合器總成緊緊固定在飛輪的后平面上，離合器的輸出軸便是變速器的輸入軸。在車輛行進時，駕駛?cè)藛T可按照自身的需要，進行一系列動作，比如踩下或者松開離合踏板，使發(fā)動機和離合器暫時條件分離和逐漸結(jié)合趨勢，進而切斷或者傳遞發(fā)動機向變速器輸入的力矩。依靠接觸面的摩擦作用，離合器的主動部分和從動部分可以暫時分離，又可以逐漸接合。在傳動過程中又可以允許兩部分相互轉(zhuǎn)動。 隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車行業(yè)又帶動其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對維持經(jīng)濟增長和社會發(fā)展有舉足輕重的作用。伴隨著國際社會排放標準和汽車燃油經(jīng)濟性的要求越來越高，節(jié)約燃料和保護環(huán)境已經(jīng)成為全球關(guān)注的重大事件。因此汽車自身對裝備自動變速器的需求也迫在眉睫。如何改善汽車的燃油經(jīng)濟性，如何提高汽車的乘坐舒適性，如何提高汽車的安全行駛等等都迫切的需要汽車能夠變速自動化。1.1 AMT自動離合器的發(fā)展歷史 由于AMT自動變速器的汽車具備很多優(yōu)點，因而受到很多國家的青睞。根據(jù)統(tǒng)計，在美國90年代的新車型上，AMT自動離合器作為標準件安裝在車上覆蓋了美國90%的汽車。日本在同時代為73%，歐洲相對低一點也在25%。車用自動變速器作為一種具備大量優(yōu)點性能的新型的傳動裝置。很早就吸引人們研究和關(guān)注，20實際40年代年通用公司的澳茲默畢兒分部就是自動變速的先驅(qū)。當時這種自動的變速裝置是使用液力偶合器和4速行星齒輪傳動機構(gòu)組成的一種動力分配的傳動機構(gòu)。此后自動離合的技術(shù)主在1969年開發(fā)的電子控制變速點的自動變速，1974年大眾梯亞柯塞3擋自動變速器，1977和1979年豐田公司開發(fā)的裝有超速擋的電子控制4速自動變速器和平行軸3速自動變速器，到了90年代初AMT自動離合器主要是豐田和日產(chǎn)為代表的模糊邏輯電子控制綜合傳動系統(tǒng)控制。 伴隨著科學技術(shù)的日新月異，人們對汽車的操縱穩(wěn)定性，舒適性，安全性有著更為嚴格的考究。AMT自動離合正朝著兩個方面改進：機械部件的改進。電子控制功能的改進。隨著微電子技術(shù)不斷的發(fā)展，變速器的性能也會隨著不斷提高。1.2 AMT自動離合器發(fā)展現(xiàn)狀 對目前主流的其他兩種離合器相比較，AMT離合器首先制造成本低，其次制造工藝簡單，維護成本低，最后AMT離合器傳動效率保存了機械式變速器傳動效率高的優(yōu)點，同時也有AT（液力自動變速器）的操做簡單，換擋平順等許多的優(yōu)點。這就使AMT自動離合能降低駕駛員駕駛的疲勞感，保證駕駛的安全成為必然。同時還能保證重型車輛對動力傳遞的要求。所以AMT的發(fā)展具有更大的潛力。如下圖表1.1和表1.2分別顯示國外和國內(nèi)自動離合器的發(fā)展情況。表1.1國外自動離合器的發(fā)展情況表1.2：國外自動離合器和AMT的發(fā)展情況表1.1和1.2：國內(nèi)自動離合器研發(fā)情況2。 從國內(nèi)外自動變速技術(shù)的發(fā)展歷史來看，要提高汽車的檔次和市場競爭，開發(fā)和高科技含量的產(chǎn)品，推廣使用AMT是最佳選擇。并且產(chǎn)品經(jīng)過很長周期已經(jīng)趨向于成熟。市場前景很受人們青睞，利潤空間有很大的可能。1.3 自動變速器研究的方向 伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)領(lǐng)先的變速器制造公司通過引進海外先進的模具加工設(shè)備、精密鑄造和鍛造設(shè)備、高精機加工設(shè)備和檢測設(shè)備以及與海外領(lǐng)先企業(yè)公司等展開技術(shù)交流和合作。提高了變速器齒輪、軸、同步器等關(guān)鍵零件的設(shè)計水平。同時產(chǎn)品的冷熱加工制造技術(shù)與裝備工藝水平也得到大幅度的提高?？傮w觀望市場上的變速機構(gòu)，目前變速器主流的三個方向是：AT（液力自動變速器）。CVT（機械式無級變速器）。AMT（電子控制機械式自動變速器）。（1）液力自動變速器（AT，Automatic Transmission)技術(shù)最成熟的變速箱 AT自動變速器的基本結(jié)構(gòu)主要是由液力變矩器與動力換檔的輔助變速裝置構(gòu)成。處于發(fā)動機和變速器之間的是液力變矩器，液力變矩器以液壓油為工作介質(zhì)，利用液壓，在汽車傳動中傳遞轉(zhuǎn)矩，變矩，變速及離合。當然液力變矩器能夠在一定范圍內(nèi)自動無級地改變轉(zhuǎn)矩比和傳動比，能夠很好的適應行駛阻力的變化，滿足汽車在不同工況下的行駛要求。但是它還是有局限性，傳動的范圍有局限，由于液力變矩器變矩系數(shù)小，不能完全滿足汽車使用的要求，所以它必須與齒輪變速器組合使用，擴大傳動比的變化范圍。 中國在上世紀的60年代，就已經(jīng)開始使用AT，我們熟悉的“紅旗”770轎車上就使用了具有2個前進檔的液力自動變速器，20世紀80年代又研制出具備有3個前進檔的CA774液力自動變速器。目前隨著經(jīng)濟的進一步發(fā)展，大量海外轎車進入我國市場，尤其是很多中高檔次的轎車，在這些車中很多帶有自動變速器的，并且種類幾乎全部是液力自動變速器。AT自動變速器所使用的使用的液力變矩器很耗油，根據(jù)實驗測的的數(shù)據(jù)會提高車輛10%左右的油耗。和當今節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢背道而馳，但AT作為自動變速箱中技術(shù)最成熟的一款變速箱，AT在未來一定時間內(nèi)仍有廣闊的發(fā)展趨勢，對比于市場占有率也會有一定提高。但AT結(jié)構(gòu)復雜，成本高，效率低依然是它的短板。如圖1.1為AT。圖1.1 AT（液力自動變速器）(2) 機械式無級變速器(CVT是英文單詞Continuously Variable Transmission的縮寫)連續(xù)變速的變速箱 在CVT變速器中剛皮帶和滑輪代替了原來的齒輪，把CVT傳動分為活動的兩部分，彼此可以靠近和分開。通過連續(xù)改變主動輪和被動輪的直徑，實現(xiàn)真正的無級連續(xù)變速。CVT技術(shù)的成長，到目前為止有一百多年的歷史，最早起源于德國。奔馳公司是應用CVT技術(shù)實現(xiàn)連續(xù)變速的先驅(qū)，早在19世紀90年代年德國的奔馳公司就將V型橡膠帶式CVT安裝在公司生產(chǎn)的汽油機車輛傳動系統(tǒng)上面，使汽車能夠連續(xù)的變速，改善汽車的性能。到20實際末期，CVT連續(xù)無極變速的性能讓汽車工程師對CVT技術(shù)的研究開發(fā)日益重視，尤其在中小型車中，CVT被認為是核心的技術(shù)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)領(lǐng)域的的發(fā)展，新的電子技術(shù)與自動控制技術(shù)的結(jié)合被被應用到CVT中。20世紀末期，日本日產(chǎn)公司首先開發(fā)在排量2.0L汽車上使用CVT。這都是基于20實際80年代，日本Subaru把裝備了CVT變速器的汽車投放市場，并且獲得巨大成功。與此同時在20實際的末期歐洲的Ford和Fiat也將CVT裝備于排量為1.1L到1.6L的商用轎車和重型車上，也取得了巨大的成功。隨著能源危機爆發(fā)以及國際社會對排放的標準的嚴格。人們開始對環(huán)保引起重視，節(jié)能環(huán)保成為時代的主題，于是在總結(jié)第一代的CVT的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，開發(fā)出了性能更佳，轉(zhuǎn)矩容量更大的CVT。當前，全世界各大汽車廠商為了提高產(chǎn)品的經(jīng)濟效益，花費大量精力在CVT的研發(fā)工作，由此可見CVT的影響力和魅力。比如TOYOTA，NISSAN等馳名世界的汽車品牌中，都有配備CVT變速器的各種車型銷售，目前全世界CVT汽車(包括各種類型的車輛）的年平均產(chǎn)量達到了近50萬輛的數(shù)量。 CVT變速箱可以根據(jù)發(fā)動機工況和運行的環(huán)境合理選擇最適當?shù)膫鲃颖?，讓汽車在各個車速時都能擁有比較滿意的燃油經(jīng)濟性。目前許多CVT變速箱的傳動效率可以達到85%到96%之間。相應的，由于發(fā)動機可以在最佳工況下工作，其排放的有害氣體大大減少。同時CVT變速箱沒有固定檔位，這使得汽車在加速時動力輸出連續(xù)并且線性，沒有AT變速箱換擋時候有較大沖擊震動和噪音。使得汽車在復雜路況中，舒適性也會很高。并且CVT變速箱由于沒有AT變速箱較復雜的行星齒輪等結(jié)構(gòu)，使得其整體構(gòu)造簡單、體積更小，便于大規(guī)模批量生產(chǎn)。生產(chǎn)成本也能進一步降低，生產(chǎn)繼承性進一步提高。但CVT變速箱傳動效率并不高。很多重要的技術(shù)都被國外壟斷，尤其是日系的車。CVT的穩(wěn)定性也略差。圖1.2機械無級式變速器。圖1.2 CVT（機械無級式變速器）(3) 電子控制機械式自動變速器（AMT，Automated Mechanical Transmission）最具開發(fā)熱點 AMT變速器是在原來老式的機械變速器基礎(chǔ)上加裝微機智能控制的自動變速器。自動變速器（AMT）能根據(jù)車輛行駛速度大小，油門開度的百分比和轉(zhuǎn)速大小，駕駛員主觀的命令等確定和模糊的參數(shù)，匹配最佳擋位，完成汽車自動變速。控制取代了原來由手動檔汽車來完成的離合器分離與接合，換擋手柄的摘擋，換擋手柄的掛擋以及發(fā)動機的油門開度百分比的同步協(xié)調(diào)等過程，實現(xiàn)換擋過程平順和操作的智能化。AMT保存了原有老式機械變速器的基本結(jié)構(gòu)，因而傳動效率比較高，比較常用的海外進口AT（液力變矩器自動變速器）汽車，尤其是日系的汽車，AMT具有傳動效率高，機械結(jié)構(gòu)緊湊，制造成本低，生產(chǎn)繼承性強，便于大批量生產(chǎn)，工作可靠性好，操縱方便等優(yōu)點。是目前最具開發(fā)的熱點。如圖1.3為電子控制式機械變速器 圖1.3 AMT（電子控制式機械變速器）1.4自動離合研究的難點與重點 自動離合的控制策略是如何實現(xiàn)自動化的，這是比較復雜的問題，其中車輛行駛時候路面捉摸不定的復雜路況，駕駛員操作時候的主觀因素等。如何提高離合器的結(jié)合性能實現(xiàn)最佳的匹配規(guī)律，仍然困難重重。國內(nèi)對AMT技術(shù)的研究時間比較晚，起點相應的比較低，在1996到2000年是我國執(zhí)行第九個五年計劃時期間，其中在這期間AMT的研究被列為“95”科技攻關(guān)項目。目前，展開這方面研究的大學有吉林工業(yè)大學、北京理工大學、上海交通大學，展開這方面研究的公司有哈爾濱艾幕忒汽車電子有限公司、重慶東方歐翔汽車電子有限公司等。目前國內(nèi)對AMT的的研究水平還是有很長足的進步，基本上處于AMT離合器的起步控制、換檔操縱規(guī)律等。在實際上與同時期國外相比還存在著很大的差距，在理論上的研究和國際水平相當。主要針對以下方面：（1） 識別駕駛員的操縱意圖。 通過加速和制動踏板來識別駕駛員的意圖，具有特別有限的局限性，不能完整的反映駕駛員的操縱意圖。因此通過輸入的信息識別駕駛員的意圖是離合器自動控制的重點。（2） 路況的識別。 汽車行駛時候受天氣、路面、駕駛員本身、車身的載重等方面影響很大。因此如何對多變的環(huán)境識別，是離合器自動控制的難題。（3） 換擋過程對離合器的控制。 在換擋過程時候，保證發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的情況下，不僅要求在換擋過程平順，還要減少離合器的滑摩時間，不損耗離合器的壽命，是離合器自動控制的核心。 綜上所述由于車輛載重、路面狀況多變、駕駛員駕駛習慣等環(huán)境的不確定，起步過程中發(fā)動機與離合器必須緊密接合才行，否則就會出現(xiàn)很多不確定的狀況，嚴重的可能危及安全。尤其對干式離合器，這種空氣冷卻的離合器起動行時候，既要保證離合器能平順自如地與發(fā)動機飛輪動力接合和切斷，又要在較短時間的半離合狀態(tài)下工作，保證離合器也不應由于滑磨現(xiàn)象而出現(xiàn)過高的溫升。干式離合器沒有機油系統(tǒng)的阻力，一般來說咬合的反應較快，咬合力較大。而且因為沒有機油流動的降低溫度，一般干式離合器都會采用外面裸露的方式散熱。所以在起步過程中，如果離合器接合速度太過快會產(chǎn)生劇烈沖擊現(xiàn)象，而且會產(chǎn)生強烈的震動，進而影響乘坐舒適性和變速系統(tǒng)的使用壽命，嚴重的極有可能造成發(fā)動機熄火。如果離合器接合過慢，就會使離合器滑摩時間過久，滑摩時間過長會導致摩擦片溫度上升，加速離合器主從動輪的磨損，浪費發(fā)動機的油量，對車輛的動力性產(chǎn)生很大影響。因此不同的車輛、不同的環(huán)境、不同的駕駛員習慣還要要求采取不同的控制策略。因此離合器的控制、換擋控制是自動離合研究的重點。1.5 論文研究的主要內(nèi)容（1） 總結(jié)AMT離合變速器的發(fā)展歷史：通過對國外國內(nèi)AMT離合變速器的發(fā)展歷史總結(jié)，展望AMT離合變速器的研究特點。（2） 分析AMT離合變速器的優(yōu)缺點：通過對AT（液力自動變速器）、CVT（機械式無級變速器）兩種自動變速的比較來對比出AMT離合變速器的優(yōu)點，以及順應時代潮流、復合我國的國情特點。（3） 理解AMT自動變速器的工作原理：理解AMT變速器的工作原理，熟悉組成結(jié)構(gòu)，為論文的結(jié)合性分析打下堅實的理論基礎(chǔ)。（4） 搭建符合離合器結(jié)合規(guī)律的動力學模型：通過所學的力學和汽車理論基礎(chǔ)，搭建發(fā)動機轉(zhuǎn)矩模型，汽車阻力矩模型，離合器動力學模型，并進行仿真分析。（5） 分析仿真結(jié)果：通過仿真的圖像分析仿真結(jié)果，必要時候搭建實驗臺進行驗證。2 AMT離合器工作原理和結(jié)合性能研究2.1 AMT離合器原理和結(jié)構(gòu)2.1.1 概述 汽車AMT工作過程好比是一個人一樣，傳感器相當于人的感知器官，操縱控制機構(gòu)相當于人的手和腳，ECU相當于人的大腦，控制策略相當于人的思維，通過模擬技術(shù)高超熟練駕駛?cè)藛T操縱車輛的過程，自動完成車輛的整個換擋過程。AMT的控制對象有發(fā)動機，離合器，變速器，它們都是原來的動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。不同的是AMT所增加的是電控單元和控制執(zhí)行機構(gòu)。ECU是AMT的控制核心部分，多采用大規(guī)模集成電路構(gòu)成。控執(zhí)行機構(gòu)用于將ECU的電信號指令轉(zhuǎn)變成相應的機械動作，從而實現(xiàn)自動操縱。油門執(zhí)行機構(gòu)目前基本采用步進電機驅(qū)動。離合器變速器執(zhí)行機構(gòu)則常采用伺服電機3。如圖2.1所示AMT的基本原理駕駛員操縱桿和加速踏板外部環(huán)境車輛ECU發(fā)動機變速器執(zhí)行機構(gòu)離合器執(zhí)行機構(gòu)供油控制車輛變速器離合器發(fā)動機油泵感覺感覺聲音機械動作電信號圖2.1 AMT的基本原理 起步與換擋是控制功能的動作，從AMT基本原理圖可知，駕駛?cè)藛T通過踩踏加速踏板（油門）和操縱操縱桿（摘擋）向ECU傳遞基本的控制信號，大量的傳感器傳遞著著車輛的行駛狀態(tài)，時刻提供車輛的運行情況。計算機按存儲于其中的最佳控制策略：動態(tài)三參數(shù)最佳換擋規(guī)律、離合器模糊控制規(guī)律、發(fā)動機供油自適應調(diào)節(jié)規(guī)律等，對發(fā)動機供油、離合器的分離與接合、以及變速器換擋三者的動作與時序?qū)崿F(xiàn)最佳匹配，從而獲得優(yōu)良的燃料經(jīng)濟性與動力性能以及平穩(wěn)起步與迅速換擋的能力。AMT的主要目的是實現(xiàn)對變速器的自動操縱，進而實現(xiàn)對發(fā)動機、變速器、離合器、驅(qū)動軸、驅(qū)動橋等傳動系統(tǒng)的控制。如果說發(fā)動機是心臟，是力量之源，那么傳動就是一輛車的靈魂。發(fā)動機轉(zhuǎn)動后，傳輸?shù)膭恿χ械囊恍〔糠钟脕韼痈皆诎l(fā)動機旁邊的發(fā)電機發(fā)電，供電給車上的車燈，音響等使用，其他大部分則經(jīng)由飛輪傳到離合器。飛輪是起動機的被動件，同時是離合器的主動件。飛輪的摩擦面在車輛行進時候，經(jīng)過靜摩擦力將動力傳遞至變速器，變速器又將動力傳遞到其他汽車傳動系統(tǒng)。當駕駛?cè)瞬认缕囯x合器踏板時候，離合器摩擦片便離開飛輪，使動力傳遞中斷，可進行換擋。與此相對應的是，松開離合器踏板時候，離合器摩擦片又與飛輪相接觸，動力又便恢復傳送。2.1.2 電控單元ECU 電控單元ECU的基本組成為微處理器(CPU)、存儲器(ROM、RAM)、輸入/輸出接口(I/O)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)以及整形、驅(qū)動等大規(guī)模集成電路組成。電路如圖2.2 ECU的組成ECUA/D輸入處理電 源 電 路微處理器輸出處 理模擬信號數(shù)字信號電 源電 磁 閥電 機指 示 燈輸入輸出 圖2.2 ECU的組成2.1.3 離合控制系統(tǒng) 圖2.2 ECU的組成 離合控制系統(tǒng)主要由ECU，蓄電池，直流伺服電機，執(zhí)行機構(gòu)，離合器組成。其中AMT汽車使用的執(zhí)行機構(gòu)主要有三種：氣動式、液壓式、電動式。離合器和變速器使用的三種執(zhí)行機構(gòu)都比較普遍。如圖2.3為離合控制系統(tǒng)的組成。 E C UM執(zhí)行機構(gòu) 蓄 電 池離合器車速以及發(fā)動機的輸入信號 直流伺服電機圖2.3離合控制系統(tǒng)組成該系統(tǒng)沒有汽車與駕駛員“人機”交互部分的離合器踏板，換擋時，由 ECU 感知傳感器傳遞而來的電信號的變化，主要是車速以及發(fā)動機的輸入信號，ECU感知信號后發(fā)出指令電信號將驅(qū)動電機與離合器相分開，再根據(jù)控制策略中自動換擋規(guī)律，由 ECU 控制電信號發(fā)出電信號擋指令選換擋，完成換擋操作，實現(xiàn)自動換擋。ECU 是這個系統(tǒng)的核心，因為它不僅可以控制信號讓電機正轉(zhuǎn)，還可發(fā)出電信號指令控制電機反轉(zhuǎn)，使離合器反過來也能輕松接合上，將發(fā)動機的動力通過變速器變速機構(gòu)傳遞出去，完成自動變速。2.1.4 傳感器、電控軟件 ECU要能迅速捕捉汽車運行狀態(tài)，并及時的做出反映。這對傳感器和電控軟件的要求也很高。傳感器、電控軟件是離合過程中必不可少。電控軟件是自動變速的核心，傳感器捕捉汽車的各種信息。如圖2.4為AMT車用傳感器類型表2.3 AMT車用傳感器類型和數(shù)量42.2 離合器結(jié)合特性分析2.2.1 力學模型分析如圖2.4所示離合器結(jié)合的力學模型從動部分主動部分 圖2.4離合器結(jié)合力學模型如圖所示個字母代表的含義為：發(fā)動機轉(zhuǎn)矩。：發(fā)動機角速度。：離合器摩擦轉(zhuǎn)矩。：發(fā)動機的轉(zhuǎn)動慣量。：從動軸上的轉(zhuǎn)動慣量。：離合器從動部分阻力轉(zhuǎn)矩。：離合器從動軸角速度。 離合器處于半接觸半聯(lián)動狀態(tài)：主動磨擦片與被動磨擦片接觸，相互之間沒有達到同步，處于滑磨狀態(tài)。離合器的傳動系統(tǒng)的動力學方程： 離合器處于全結(jié)合狀態(tài)：此時主動磨擦片與被動磨擦片在彈簧和壓板的作用力下緊緊結(jié)合在一起，發(fā)動機產(chǎn)生的力矩被傳送到變速箱。離合器進入同步階段，此時，汽車傳動系統(tǒng)的運動學方程為： 離合器全分離狀態(tài)：顧名思義就是離合器的主動摩擦片和被動摩擦片分離，此時主動摩擦片隨發(fā)動機飛輪轉(zhuǎn)動，被動摩擦片隨變速器的動力輸入軸轉(zhuǎn)動，動力傳輸被中斷。此時。2.2.2離合器三種狀態(tài)分析 完全接合和完全分離狀態(tài)時，傳遞的扭矩是確定的。完全接合傳遞的扭矩：。完全分離時候：。離合器處于半聯(lián)動狀態(tài)就是既不結(jié)合也不分離的滑磨狀態(tài)，此狀態(tài)離合器主動摩擦片與從動摩擦片相接觸，并使轉(zhuǎn)速趨向于同步，而且在滑磨過程中由于摩擦作用產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)化導致溫度變化?；ミ^程時候隨時都發(fā)生速度的變化，摩擦力矩與滑動速度隨著汽車運行變動，相對滑動速度消失后，主動摩擦片與被動摩擦片之間存在靜摩檫力緊緊接合，保證動力的傳輸。2.2.3 AMT離合器起步過程分析 以AMT汽車起步過程分析為例，汽車起步時，按離合器接合速度快慢控制可以分為快快慢快4個階段，如下圖2.5所示：快離A合 快器 B 結(jié) 慢合 C位快D移量 O 時間圖2.5AMT離合器接合位移量與時間關(guān)系如下圖2.6所示離合器結(jié)合過程中, 發(fā)動機角速度，離合器從動軸角速度，離合器傳遞扭矩，汽車行駛阻力矩。TDCtBAO圖2.6 AMT離合器接合過程示意圖如上圖2.6所示離合器的接合過程又可以劃分為四個階段：(OA):空行程階段，剛起步時，由于變速器和分離軸承之間存在一定的間隙，OA階段就是克服間隙。OA階段為0轉(zhuǎn)矩傳遞階段，因此為了縮短起步時間，OA階段應該快速進行接合。(AB):克服起步阻力階段，AB階段離合器主動盤傳遞的而來的發(fā)動機扭矩小于汽車行駛阻力矩，不能讓汽車啟動。離合器從動軸角仍然沒有轉(zhuǎn)動，汽車處于靜止狀態(tài)。（BC):半接合半聯(lián)動階段,此階段處于滑磨狀態(tài)，會傳遞扭矩，不僅會產(chǎn)生沖擊度也會產(chǎn)生大量的滑磨功。離合器主從動摩擦片半聯(lián)動半接觸,相對處于滑磨狀態(tài),此時的壓盤發(fā)生彈性變形,傳遞發(fā)動機輸入的扭矩,汽車開始起動。需要根據(jù)汽車運行工況控制接合速度，保證平順傳遞發(fā)動機動力而不發(fā)生相當?shù)臎_擊,當然還應縮短離合器主從動摩擦片相對滑磨時間，保證離合器使用壽命。（CD）：同步接合階段,此階段離合器傳遞扭矩處于相對飽滿時候,離合器主動摩擦片和從動摩擦片轉(zhuǎn)速同步,將發(fā)動機輸入到離合器的動力輸出到變速器主動軸，在輸入到其他傳動系統(tǒng)，使汽車運行。而離合器裝置中回位彈簧的作用下，離合器主從動摩擦片會快速接合，不會引起由于驅(qū)動力的變化而影響平順性發(fā)生較大的沖擊。 綜上所述：汽車起動時,離合器主從動摩擦片在達到半聯(lián)動半接合點以前,應該快速接合,減少汽車起步時間；離合器主從動摩擦片轉(zhuǎn)速達到同步后,也應快速接合,保證離合器快速傳遞發(fā)動機的扭矩；在上面兩種狀態(tài)的中間位置,即離合器主從動摩擦片處于半聯(lián)動半接合的相對滑磨時,為了使汽車平順起步,減少沖擊作用，離合器應緩慢接合6。2.2.4 AMT離合器接合的指標 AMT 離合器系統(tǒng)控制最重要的是離合器起步控制策略。離合器起步控制策略既要滿足汽車起步時車輛的平順性，減少沖擊的要求,又要保證發(fā)動機能夠穩(wěn)定輸出扭矩、傳遞動力，還要縮短離合器主從動摩擦片的滑磨時間,不引起過高溫升，從而可延長離合器使用壽命。這是個相對難，也是相對矛盾的條件。因為保證平順就要要求緩慢接合，減少滑磨就要要求縮短接合時間。所以如何使這兩個指標在車輛的各種行駛環(huán)境條件下都能達到令人滿意的效果是車輛起步過程中離合器控制的關(guān)鍵。下面為汽車離合器接合的三個指標： 沖擊度：為了描述汽車的沖擊，我們引入了汽車運行時，在運動方向上加速度的變化率,用加速度的變化率來評價汽車起步或換擋時離合器接合過程平穩(wěn)性。就像我們開車時候汽車起步時候松開離合踏板不可避免的有抖動。這都是過快的瞬時加速度或者瞬時減速度帶給我們不舒適的沖擊和抖動,這就是離合器接合不平順外在的表現(xiàn)。所以將用沖擊度的大小，硬性的來衡量離合器的接合過程的平順性。：沖擊度：汽車運行方向上加速度：時間：車速由汽車動力學分析所得沖擊度的公式為：離合器摩擦系數(shù)：離合器摩擦力作用半徑：常系數(shù)：第n擋傳動比：主減速比：汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)：機械傳動效率：汽車總的質(zhì)量：車輪的半徑：離合器接合速度 綜上所述：汽車行駛方向上加速度的變化率為沖擊度的客觀評價,但是一般對乘坐舒適性主要是保持汽車在行駛過程中產(chǎn)生的振動和沖擊對乘員舒適性的影響在一定的界限之類，主要是根據(jù)乘員的主觀感覺的舒適性來評價。低頻：3Hz當：，用公式修正后，不滿意的平順性指標為： 滑磨功：滑磨功也是作為評價離合器接合的一個很重要的指標,離合器在接合過程中半聯(lián)動半接合時候，主從動摩擦片之間由于相對滑動而產(chǎn)生摩擦做功，滑磨功就指的是這些摩擦所做的功。滑磨功大小表示離合器在接合過程中機械能換成熱能的程度,滑磨功越大,轉(zhuǎn)換的熱能越多，磨損就越嚴重。因此為了保證離合器的使用壽命，減小磨損情況，滑磨功應該盡量減小。通過前面2.2.3圖2.6介紹我們知道產(chǎn)生滑磨功主要有兩個階段： 產(chǎn)生滑磨的第一階段（AB）:克服汽車行駛阻力距階段，從時間A到時間B階段，離合器摩擦副在這段時間傳遞扭矩不足以克服汽車行駛阻力矩,離合器從動部分轉(zhuǎn)速為0,傳遞的扭矩為0,汽車處于靜止狀態(tài)。這段時間A到B離合器摩擦副所產(chǎn)生的摩擦力矩所作的功可表示為。 產(chǎn)生滑磨的第二階段（BC）：此階段為同步以前到第一階段為止的階段。屬于半接合狀態(tài)，離合器的主從動摩擦片發(fā)生接觸，壓盤發(fā)生變形，汽車開始運動。這時離合器摩擦副所產(chǎn)生的摩擦力矩所作的功可表示為：上述中：離合器滑磨狀態(tài)1階段時傳遞的摩擦力矩。:離合器滑磨狀態(tài)2階段時候傳遞的摩擦力矩。：離合器開始滑磨時間：離合器滑磨結(jié)束時間：離合器摩擦副完全結(jié)合同步時間：發(fā)動機轉(zhuǎn)速：離合器輸入軸轉(zhuǎn)速：離合器輸出軸轉(zhuǎn)速：符號函數(shù)值，為目標傳動比，為原擋傳動比，升檔時候=-1，降擋時候=+1 綜上所述：由滑磨功的公式可知滑磨功的大小與發(fā)動機轉(zhuǎn)速、滑磨時間關(guān),離合器輸入、輸出軸轉(zhuǎn)速等有關(guān)。整理第一階段和第二階段公式：，從公式中還可以可以看出發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩越大、相對滑磨時間越長及離合器摩擦副之間角速度差距（轉(zhuǎn)速差）越大,離合器摩擦副所產(chǎn)生的滑磨功就越大，損耗的功率也越嚴重。為減小滑磨功保證離合器壽命,應盡量降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速及縮短滑磨時間。 換擋時間：換擋時間主要是分離離合時間、摘擋時間、選擋時間、同步掛擋時間、再次接合離合器時間。：為換擋總時間：分離離合時間：摘擋時間：選擋時間：掛擋時間：再次接合離合器時間換擋時間是ECU發(fā)出指令至執(zhí)行機構(gòu)完成換擋過程，較長的換擋時間會引起發(fā)動機動力傳遞中斷較長時間，汽車行駛速度降低，這些直接影響汽車的行駛動力性，嚴重影響汽車操縱的品質(zhì)。更為嚴重的是在上坡或超車時引發(fā)汽車安全事故，所以在滿足平順性及離合器摩擦片使用壽命的基礎(chǔ)上應盡量減小換擋時間。 小結(jié) 本章首先介紹AMT離合器的工作原理和結(jié)構(gòu)，以及各配件的相互聯(lián)系和功能。其次建立離合器模型分析動力性，最后分析離合器結(jié)合性能指標。最終得到以下結(jié)論，AMT 離合器接合過程中，既要考慮車內(nèi)成員的乘坐舒適性，增加車輛的平順性。又要保證滑磨過程中產(chǎn)生盡量小的滑磨功，延長離合器的使用壽命。3 汽車行駛離合器動力學模型建立與仿真3.1 MATLAB/SIMULINK簡介 MATLAB原來是矩陣實驗室（Matrix Laboratory)在70年代用來提供LINPACK（特征值求解程序庫）和EISPACK（解線性方程的程序庫）軟件包的接口程序,采用C語言編寫。MATLAB除了具有強大的數(shù)學計算能力外，它還提供專業(yè)的水平符號計算，文字處理，可視化建模，實時控制等功能。1990年SIMULINK 作為MATLAB的軟件包推出，SIMULINK是MATLAB軟件的擴展。主要用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。最大的優(yōu)點在于為用戶省去了許多重復的代碼編寫工作。3.2 AMT離合器動力學模型的建立3.2.1 假設(shè)條件 仿真的目的是用簡單的模型直觀的了解AMT離合器在汽車等速行駛時候離合器指標等的動態(tài)特性。因此在仿真中將復雜的汽車模型要進行簡單化處理，但又要求保持汽車所具有的一般動態(tài)特性，所以做以下的假設(shè)：忽略發(fā)動機功率大小對AMT離合器主動從動軸轉(zhuǎn)速的影響。傳動部分滿足剛性的連接要求，不考慮扭振、擺振等振動。只考慮汽車等速在直線行駛狀態(tài)下的車輛動態(tài)特性。3.2.2 發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩輸出模型 汽車的動力來源于發(fā)動機，發(fā)動機是汽車的心臟。發(fā)動機的動力特性決定于汽車動力性能,包括汽車的最高車速，加速時間，最大爬坡度。因此應首先了解并建立汽車發(fā)動機特性的數(shù)學模型。發(fā)動機通過節(jié)氣門開度百分比和轉(zhuǎn)速來決定輸出扭矩的大小。由于汽車發(fā)動機工作狀況非常復雜，很難用準確的理論模型描述，一般采用測功機試驗分析得到一系列離散的數(shù)據(jù)。在汽車起步過程中，由汽車的動力性出發(fā)，即發(fā)動機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。 ，代表發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩，單位。節(jié)氣門開度的百分比。發(fā)動機轉(zhuǎn)速，單位。我們研究發(fā)動機一般都是在試驗臺上測得的發(fā)動機節(jié)氣門開度、轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩這些離散而相對應的點，然后制成一張表格。為了在SIMULINK上建立更準確的發(fā)動機模型，仿真采用SIMULINK軟件包所提供的查表模塊（ Look-up Table ），在輸入發(fā)動機穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù)的情況下模塊應用插值原理得出發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩。如下圖的表格3.1對應發(fā)動機在不同的開度和轉(zhuǎn)速情況下的輸出轉(zhuǎn)矩。表格3.1發(fā)動機對應不同開度和轉(zhuǎn)速下的輸出情況7。發(fā)動機的實際工作狀態(tài)往往是非穩(wěn)態(tài)的，與實際試驗臺架上測得的穩(wěn)態(tài)特性有所差別。根據(jù)資料顯示8，發(fā)動機的動態(tài)工作轉(zhuǎn)矩與穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)矩存在以下關(guān)系： 其中為輸出轉(zhuǎn)矩，為穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩，為發(fā)動機下降系數(shù)本次數(shù)取0.08，發(fā)動機的模型如圖3.2所示：圖3.2 發(fā)動機的仿真模型模型輸入為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速（In1）與油門開度（In2),輸出量為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩。對本次仿真主要是對用輸入和，通過查表格Lookup Table