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1、文献综述论文5000字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 clu
2、tch 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
3、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
4、。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 TransmissionAMT)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
5、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,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
6、器。 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
7、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。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
8、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。 Start =t1+t2+t3+t4+t5 (1) 式中, t1为机械响应时间；t2为消除离合器间隙时间；t3为克服道路阻力时间；t4为离合器滑磨时间；t5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=dadt=rioIwd(Tout-Tw)dt=rioIwdToutdt (2) 式中, Tout为变速器输出转矩；Tw 为车轮上的牵引转矩；Iw 为输出轴以及汽车平移质量换算到输出轴上的惯量；r为驱动轮滚动半径；i0为主减速器传动比。 式(
9、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: 德国标准为: j10m/s，而我国规定为：j17.64m/s3。 2.3 离合器滑磨功 离合器滑摩功Lc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: tc1tc2c3Lc=T0(t)we(t)dt+Ttc1c(t)we(t)-wc(t)
10、dt (3) 式中, Tc (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；tc1为从离合器滑摩开始至发动机转矩Te等于行驶阻力转矩Tf的时间；tc2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Lc能比较准确的评价离合器的寿命,滑磨功Lc越小,温升越低,寿命越长,但过低的Lc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
11、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Tc与接合位置xc的特性曲线如图1所示,其中xC0为离合器开始传递扭矩的位置。 离合器扭矩传递特性 根据离合器的扭矩传递特性以及车辆起步时的离合器控制要求,将离合器接合过程分为快-慢-快3个阶段。第1阶段是从离合器完全分离到传递扭矩起始点的空行程阶段。在这一阶段,离合器不传递扭矩,接合速度应尽可能快。第2阶段是从离合器传递扭矩起始点到主从动盘转速达到同步的滑磨阶段。这是汽车起步时离合器接合控制的实质性阶段,
12、接合位置与接合速度直接影响性能指标冲击度和滑磨功, 应根据驾驶员的起步意图及车辆的运行状态参数来控制离合器的接合过程。第3阶段是离合器的主从动盘转速相等的同步接合阶段。离合器传递的扭矩等于发动机的输出扭矩,以最快的速度接合离合器使它能可靠地传递发动机的最大扭矩。 3.2 加速踏板位移 加速踏板位移(节气门开度的给定信号)反映驾驶员的起步意图,并体现驾驶员对发动机输出扭矩的要求。而路面环境条件的不同同样可以通过驾驶员踏加速踏板的情况反映出来。加速踏板位移量大且位移变化速度高,则表示驾驶员要求车辆起步过程快或路面阻力大。此时需要离合器接合速度快,使车辆快速完成起步过程或使离合器摩擦力矩尽快达到能克
13、服在坡道上起步的阻力矩。加速踏板位移是离合器接合位置和接合速度的主要控制参数。 3.3 发动机转速 发动机的输出扭矩Te和转速ne受节气门开度和离合器传递扭矩的影响。发动机转速变化率ne越大,则说明发动机的输出扭矩与离合器的传递扭矩之差增加越快,发动机承载能力强,相应增加离合器的接合速度。反之,降低离合器的接合速度。如果发动机转速高,将造成离合器在接合过程中的滑磨功增加,应提高离合器的接合速度。为了防止发动机的输出扭矩小于阻力矩时,发动机转速过低或下降过快而导致熄火,需要控制离合器停止接合。 3.4 车速或一轴转速 一轴转速即离合器从动盘转速,由于起步过程中变速器的挡位一定,故一轴转速与车速之
14、间只相差一个比例常数,可以将车速等效为一轴转速nv。一轴转动加速度的变化率反映了离合器传递扭矩的变化, 从而反映车辆的冲击度指标。在离合器接合过程控制中,通过限制其接合速度来满足冲击度指标。 3.5 道路坡度与车辆载荷 道路坡度与车辆载荷的大小反映车辆起步时阻力矩的大小。道路坡度或车辆载荷越大, 车辆起步时需要的离合器摩擦力矩越大。为了减少滑磨功, 应快速完成离合器接合过程。同时,为了降低动载荷与提高起步平稳性,应放慢离合器接合速度。道路坡度与车辆载荷产生的阻力矩大小是由外界环境决定的，为不可控因素。在制定离合器控制策略时, 需根据发动机的承载能力控制接合位置。 4 由AMT到DCT的发展 4
15、.1 AMT国内外发展历史与研究现状 在AMT技术研究初期，由于受到电子技术和控制技术水平的限制，不能实现真正意义上的自动变速，通常是将离合器控制和换档控制分别考虑，单独实现各自的自动控制功能，如瑞典Scania的CAG系统和德国Damler Benz的EPS系统均采用半自动操纵方式。美国Eaton的SAMT系统、德国ZF的Semishift都是代表性的半自动变速系统。 直到八十年代初AMT技术才获得突破性的进展并逐步产品化。XX年，日本五十铃公司在世界上最先研制成功电子控制机械自动变速器NAVI-5，装备于ASKA轿车投放市场，标志着AMT进入了全自动发展阶段。 同期日野的蓝带大客车也装备了
16、这种类型的EE(Easy and Economy Drive)传动系统，美国Eaton公司在XX年宣布成功地将重型货车的手动变速器实现了自动化，德国ZF公司对“Ecosplit”变速器也实现了自动换挡，称为“Autoshift”装置，XX年装于Geneva货车上。 经过多年的研究与开发，AMT技术有了很大的提高。现代AMT不仅起步、换档操作更加符合驾驶员的意愿，而且还利用现代控制方法，解决特殊环境下的控制问题，使控制性能及可靠性大幅度提高。 国内在AMT研究方面已走过了近二十年的历程，已开展或正在开展这方面研究的有吉林大学、北京理工大学、上海交通大学、重庆大学、哈尔滨埃姆特汽车电子有限公司、烟
17、台欣源晟有限公司、东风汽车公司、上海变速器有限公司等。 尽管国内在AMT研究方取得了不少成果，但目前还没有真正实现产品化，存在一些关键问题需要解决。 4.2 AMT存在的问题 AMT的工作原理决定了它在换挡过程中首先要分离离合器，然后将变速器摘空挡，再选档换挡，最后再接合离合器，完成车辆换挡变速过程。这样，从离合器分离到再次接合之间的时间里，发动机的动力将不能被传递到驱动车轮去驱动汽车行驶，即AMT在车辆换挡过程中存在动力中断现象，这显然不是我们想看到的。换挡过程动力中断对车辆的动力性，燃油经济性都带来了一定的影响；此外，动力中断还会造成传动系统的冲击，不仅影响车辆传动系统的使用寿命，而且对车
18、辆的行驶平顺性和乘坐舒适性也有一定的影响。 4.3 DCT应运而生 随着人们对汽车性能要求的不断提高，AMT已很难适应人们对车辆性能的要求，因此，寻求一种既结构简单实用、易于制造、传动效率高，又能克服换挡过程中动力中断的缺陷以提高车辆的动力性、燃油经济性和行驶平顺性的自动变速器成为人们关注的问题。在这种趋势下，一种采用双离合器结构的自动变速器双离合器式自动变速器(Dual Clutch Transmission，DCT)应运而生。 4.4 DCT的优势 DCT主要特点是采用两个离合器，并将变速器各档位主动齿轮按奇、偶数档位分别置于两个输入轴上，两个输入轴为一个空心轴套在另一个实心轴外，分别于两
19、个离合器相连接，两个离合器交替切换实现动力传递、变换档位。DCT工作时，车辆先以某一档位运行，DCT电控单元根据相关传感器的信号获取车辆行驶状态，并据此判断车辆即将进入工作的下一个档位，若确定需换挡，则该档位与另一个离合器相连且该离合器处于分离状态，该档位换挡前不传递动力，故可以非常迅速的控制换挡执行机构预先换入该档位，当车辆运行状态达到换挡点时，只需要将结合状态的离合器分离，同时将另一个离合器接合，即可完成车辆的换挡动作。 整个换挡过程，发动机的动力始终不断的被传递到传动系统及驱动车轮，故称DCT的这种换挡过程为动力换挡。DCT的这种动力换挡不仅提高了车辆的动力性(换挡时间缩短)、燃油经济性
20、、改善了车辆的排放，而且极大的提高了车辆换挡时的行驶平顺性和乘坐舒适性。如同AMT一样，DCT也采用的是传统固定轴式齿轮变速箱，具有传动效率高、结构简单、生产成本低等优点。也正是基于以上诸多优点，DCT技术成为许多汽车制造商关注和研发的热点。 4.5 DCT研究开发的意义 DCT是基于传统的固定轴式手动变速器发展而来的，它继承了手动变速器传动效率高、生产成本低等优点，同时又克服了AMT换挡的动力中断问题。总结来说，DCT的优点主要体现在车辆性能的提高和生产成本的降低两个方面。 另外，同AMT一样，DCT是在原有的手动变速器基础上经过自动化改进而成的，因此，DCT的生产可以充分利用现有手动变速器
21、的生产设备，只需再加变速器换挡执行机构及相应的液压系统即可，生产工艺的继承性好。 我国汽车工业起步较晚，现有的变速器生产线也多以手动变速器为主，DCT则正好可以充分利用我国现有丰富的手动变速器生产设备，并在此基础上增加投资以完成对变速器的自动化控制即可形成批量化生产，非常适合我国汽车工业发展的国情。因此，对DCT进行研究开发对我国汽车工业的发展意义重大，其应用前景也非常乐观。 结论：根据起步性能评价指标要求,详细分析了离合器接合过程的主要影响因素。通过各种指标对AMT与DCT进行对比，分析了世界科学前沿对这些自动变速器的研究现状，更加清楚知道这些研究成果对汽车控制带来的巨变，并且从中选择更加适
22、合的离合器降低人们对汽车的操控难度。 总结：通过上机检索课，我学到了不少电脑知识，也从中获益良多，主要有以下几点： 1、课前的电脑小技巧让我对电脑的操作有了更深的理解。 2、通过手工检索，我认识到学校图书馆还有那么多有用的工具书。 3、通过上机检索，我学会了怎么搜索一些著名的文献、论文等资料。 4、通过这门课，我了解到一些网络引擎的发展以及它们的各种用法。 参考文献 1 葛安林. 车辆自动变速理论与设计M. 北京:机械工业出版社, 1993. 2 叶明,秦大同,刘振军. 轻度混合动力 AMT汽车自动起步控制研究J. 中国机械工程, 2005, 16(5) : 442445. 3 李永军,陈树星
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