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      汽车离合器接合过程中的稳定性分析研究

      2007年 第 26卷

      5月 第 5期

      机械科学与技术 M echanical Science and T echno logy for A erospace Eng ineer ing

      M ay 2007 V o. 26 N o 5 l .

      汽车离合器接合过程中的稳定性分析研究
      颜克志, 方宗德, 张国胜
      (西北工业大学 机电学院, 西安 710072 )

      颜克志

      摘 要: 建立了 AMT 离合器接合过程的五自由度动力学模型, 建立了离合器状态转化逻辑真值表, 对离合器的接合过程进行了稳定性分析, 并在 MATLAB / SI UL I K 中进行了仿真。稳态分析和动 M N 态仿真结果说明, 在离合器接合过程中, 当离合器摩擦系数变化率趋于负值时, 系统接合过程不稳 定, 出现自激振动, 同时离合器接合压力的波动也会增加自激振动的可能性, 最后为离合器的优化 和控制提出了合理建议。 关 键 词: 电控机械式自动变速器 ( AMT ) ; 离合器; 稳定性; 仿真 文献标识码: A 文章编号: 1003 8728( 2007) 05 0615 04 中图分类号: U461 4

      Stability Analysis and Study of Autom otive C lutch Engagem ent
      Y an K ezh,i Fang Zongde Zhang Guosheng ,
      ( Schoo l o fM echatronics N o rthw estern Po lytechnica lU niversity X i an 710072) , ,

      Abstract W e establish the 5 DOF dyna icsm ode l during autom at ic m echan ica l transm issio n s ( AMT ) clutch en : m gage en, deve lo p th e truth tab le for the sh ift of clu tch status ana ly ze the stability during c lu tch engage ent and m t , m si ulate the engagem ent using MATLAB /S I UL INK. T he stab ility ana ly sis and si u lation results indicate that the m M m negat iv e gradient o f c lu tch friction coefficients induces in stab ility and self exc ited v ib ra tio n and the engagem ent , pressure fluctu ation in creases the possib ility of se lf exc ited v ib ration . K ey w ord s AMT; clu tch stab ility si u lation : ; ; m 电控机械式自动变速器 ( AMT ) 因具有传动效 率高、 成本低的优点而成为了近年来研究的热点之 一, 其难点之一为离合器的接合控制, 大量的研究都 [ 1 2] , 将重点放在接合规律的设计上 , 而对离合器接 [ 3, 4 ] 合过程中的稳定性分 析较少。实验 研究表明 , 离合器接合过程中有时会出现不稳定现象, 伴随强 烈的振动和噪声, 影响离合器的接合品质, 严重时可 能导致接合失败, 并且降低了传动系的寿命, 因此对 离合器接合的稳定性分析是十分必要的。 离合器接合过程中产生的强烈振动是一种自激 振动, 其不同与传动系的扭振, 扭振在整个汽车行使 过程中都存在, 而自激振动只会出现在离合器接合 过程中。目前对离合器接合稳定性分析大都是通过 实验来完成, 需要投入大量的时间和精力。本文针 对 AMT 车离合器的接合过程, 首先建立传动系五自 由度模型, 在此基础上分析了离合器接合过程的稳 定性, 通 过 MATLAB / SI UL I K 建模 和仿真, 分析 M N
      收稿日期: 2006 09 04

      了影响离合器接合稳定性的因素, 为离合器的优化 和控制提出了合理建议。 1 传动系动力模型建立 汽车动力传动系是一个多自由度的扭转振动系 统, 它由一系列具有刚度和转动惯量的传动轴、 齿轮 [ 5, 6] 和离合器等组成 。本文将其简化为一个具有有 限自由度的离散系统, 并作如下假设: ( 1) 将扭转弹性小、 动惯量大的构件 ( 如齿 转 轮等 ) , 简化为刚体惯量块。 ( 2) 将扭转弹性大、 动惯量小的构件 ( 如连 转 接轴等 ), 简化为无惯量的扭转弹簧。 ( 3) 对于扭转弹性较大、 转动惯量大的构件, 其 刚度的影响分配到其附近的扭转弹簧上。 ( 4) 对于扭转弹性大、 转动惯量较大的构件, 其 转动惯量的影响分配到附近的惯量块上。 ( 5) 车辆平动部分的影响以等效的方式转化到

      作者简介: 颜克志 ( 1981- ) , 男 ( 汉 ), 四川, 硕士研究生, yank ezh@ 126. com i

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      机械科学与技术

      第 26卷

      传动系统的驱动轴上。 ( 6) 考虑了系统中存在的粘性阻力。

      后主从动盘的角位移; n为传动系传动比, n = ig i0, ig、0 分别为变速器转动比和差速器传动比; T e 为发 i 动机输出转矩, 且 T e = T e ( ! N e ), !为油门开度, N e , 为发动机转速; T c 为离合器传递扭矩, 且 T c = T c ( ? , F ), ?为离合器摩擦系数, F 为离合器压紧力。 2 状态逻辑判断

      图 1 传动系五自由度模型

      2 1 离合器接合状态正值表 离合器在接合前和接合后是一种混合模型, 在 进行仿真分析 时需要对模型的 状态进行判断。在 SI UL I K 中建立的状态判断模型如图 2所示。模 M N 型中状态判断的逻辑真值表如表 1所示。

      传动系动力 学模型

      [ 7]

      如图 1 所示, 图 1 中: J 1

      ~ J 5分别代表发动机等效转动惯量, 离合器主、 从动 盘转动惯量, 传动轴等效转动惯量和车身平动质量 等效转动惯量; c1 ~ c5分别代表各部分的粘性阻尼 系数; k ec 为发动机曲轴等效刚度; k 、 分别为离合 c 器从动盘减振弹簧刚度和摩擦阻尼系数; k tw 为半轴 刚度; 发动机产生的周期性扭矩 T e 经离合器主、 从 动盘传递到主轴, 再经半轴传递到车轮驱动车辆运 动; Tr 为汽车滚动阻力矩, T r = M g (f + sin ) r, M 为 车身平动质量, g 为重力加速度, f 为滚动摩擦系数, r 为轮胎滚动半径, 为道路坡度。根据牛顿力学建

      图 2 状态选择逻辑图 表 1 状态判断真值表 lock 0 0 0 0 1 1 1 1 unlock 0 0 1 1 0 0 1 1 h istory 0 1 0 1 0 1 0 1 locked 0 1 0 0 1 1 1 0

      立系统微分方程如下。 ( 1) 接合前滑动状态 J1 J2 J3
      1 2 3

      = T e - ke c ( = k ec (
      1

      1 2

      -

      2

      ) - c1

      1 2 3

      ( 1) ( 2) 4

      -

      ) - T c - c2
      3

      = Tc - [ k (

      -

      4

      )+ c (

      ) ] - c3

      3

      ( 3) J4
      4

      = [k ( c4
      4

      3

      -

      4

      )+ c (
      5

      3

      -

      4

      )] 4

      +

      4 1 [ k tw ( n n 4

      ) + ctw (
      4

      n
      5

      -

      5

      )]

      ( 4)

      L ock代表条件: | un lock代表条件 |
      2

      2 3

      -

      3

      | ! #且 T share ! T cm ax,

      J5

      5

      = [ ktw (

      n

      -

      5

      ) + ctw (

      n

      -

      ) ] - T r - c5

      -

      | > # T sh are > T cm ax, h isto 或

      5

      ry 代表前一时刻离合器的接合状态, lo cked代表接 : 合状态, 表中 1代表接合, 0代表分离。 2 2 离合器传递扭矩 为了判断离合器的接合状态, 需要准确计算离 合器的传递扭矩, 离合器在两种状态下的传递力矩 是不相同的, 表示为 Tc = T slip T share | |
      2 [ 7]

      ( 5) ( 2) 接合后同步状态 J1
      1

      = T e - ke c (
      23

      1

      1

      2

      ) - c1
      23 23

      1 23

      ( 6) ( 7)
      4

      (J 2 + J 3 ) [k ( J4
      4

      = ke c (

      -

      ) - ( c2 + c3 ) 23 4 4) ]

      23 23

      4) + c (

      = [k (

      5

      4

      ) + c ( ) + ctw ( ) + ctw (

      5

      ) ] - c4

      4

      + ( 8)

      -

      3

      | > #或 T share > T cm ax | ! #且 T share ! T cm ax

      ( 10)

      1 4 [ ktw ( n n J5
      5

      2

      3

      n
      4

      )] ) ] - T r - c5

      = [ ktw (

      4

      式中: T s lip, T sh are 分别表示滑动状态和同步状态下离 合器所传递的扭矩; T cm ax 为离合器所能传递的最大 静摩擦扭矩; #为仿真时的允许误差。 ( 1) 离合器滑动状态下的传递扭矩 滑动状态下离合器的传递扭矩为

      n
      5

      -

      5

      n

      -

      5

      5

      ( 9) 式中:
      1

      ~

      为各部分的角位移;

      23

      为离合器接合

      第 5期

      颜克 志等: 汽车离合器接合过程中的稳定性分析研究

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      T slip = sgn(

      2

      -

      3

      )F rm ?

      ( 11) ( 12)
      3 3

      离合器静态最大摩擦扭矩 T cm ax = F rm ? 0 式中: x?0 2 r 1 - r0 , rm = 3 r 2 - r2 1 0 - 1 x < 0 式中: r1、 0 为摩擦盘的外 r sgn( x ) = 1 径和内径; ? 为摩擦系数 0 初值, 实际中 离合器的 摩 擦系数与压力, 温度、 滑动 速率等 因素有关, 本文 近 似为滑动转速的一次函数 ? = ? + k s ? , k s 为摩擦系 图 3 离合器摩擦系数 曲线 0 数的变化率, 如图 3所示。 ( 2) 离合器同步状态的传递扭矩 在接合点处, 离合器的传递扭矩 T sh are 不能采用 公式 ( 11) 计算, 因为当
      1

      的减小, 系统特征值实部从负实轴向正实轴移动, 系 统趋于不稳定, 并且 k s 越小, 特征值实部偏离虚轴 越远, 系统越不稳定。 从表 2中可知 k s = - 0 000015 为系统的临界值 k s lim it, 即当 ks > k slim it 时特征值有负 实部, k s = k s lim it 时特征值包含两对纯虚根, k s < k slim it 时, 特征根有正实部。
      表 2 特征值表 ks 0 0005 特征值 - 2 7, - 5 69, - 1 2 ? 17 0,i - 32 9 ? 2032 3, - 137 2 ? 541 9 i i - 0 1, - 1 ? 2033 7 , i - 0 1? 17 2,i - 105 1 ? 549 1 i - 0 1, ? 2033 7,i ? 17 2, i - 104 2 ? 549 2 i 2 4, - 1 47, 1 1 ? 17 0,i 31 2 ? 2032 3 , - 73 3 ? 554 2i i

      0

      - 0 000015

      - 0 0005

      =

      2

      时, 方程 ( 2)、 方程 3 2 动态仿真 在 MATLAB /SI UL I K 下建 立系统 的仿 真模 M N 型, 设置系统部分参数如下: ig = 3 94 i0 = 4 = 0 k ec = 20000 N m / rad , , , k = 1500 N m / rad, k tw = 4800 N m / rad c = 0 1 Nm s/ rad, J 1 = 0 15, J 2 = 0 05 J 3 = 0 05 J 4 = 0 12 J 5 = 0 92 c1 = 0 01 , , , c2 = 0 01 c3 = 0 01 c4 = 0 01, c5 = 0 01 , , ? = 0 25 r1 = 245 mm, r 0 = 196 mm , 0 发动机输出扭矩 T e 如图 4 。

      ( 3) 中 T c 被削掉, 为此, T c 的计算可以根据接合前一 时刻的状态来确定, 即由方程 ( 2) 及方程 ( 3) 可得 T share _ left ( t) = J 2
      2( t- 1)

      + kec (

      1( t- 1)

      -

      2( t- 1)

      ) - c2

      2( t- 1)

      T share_righ t ( t) = J 3 c ( 矩为 T share =

      3( t- 1) 3( t- 1)

      + [k ( -

      3( t- 1)

      -

      4( t- 1 ) ) + 3 ( t- 1)

      4 ( t- 1)

      ) ] + c3

      从上面两式可得到离合器同步 状态的传递扭 1 (T sh are_r igh t + T sh are_ left ) 2

      3 稳态分析与动态仿真 3 1 系统稳态分析 将 T c 及 ?代入式 ( 1) ~ 式 ( 5)中并整理可得 J + C +K
      T

      = T

      式中: = [ 1, 2, 3, 4, 5 ] ; J、 K 分别为系统转 C、 动惯量矩阵、 阻尼矩阵和刚度矩阵; T 为输入矩阵。 设状态变量 X = [ 1,
      T 5 2

      ,

      3

      ,

      4

      ,

      5

      ,

      1

      ,

      2

      ,

      3

      ,

      4

      ,

      ] ; 则可得系统的状态方程

      [ 8]

      X = AX + BU 式中: A = - J C I5# 5 J
      -1 -1

      图 4 发动机特性曲线

      - J K 05 # 5

      -1

      , T 05 # 5

      由于离合器接合时的强烈振动将阻碍其平稳接 合, 降低传动系的使用寿命, 增加接合噪声。为探讨 k s 值对接合性能的影响, 本文分别对 k s = 0 0005 0 、、 - 0 0001 - 0 0005时的接合过程进行了仿真, 结果 、 如图 5 ~ 图 6 从图中可以看出, 当 ks > k s lim it 时, 系 。 统接合平稳, 没有出现自激振动现象, 当 k s < k slim it

      B =

      05 # 5 05 # 5

      05 # 5

      ,U=

      根据状态矩阵 A 可求得系统的特征值, 如表 2 所示。 可看出 k s 值对特征值有明显的影响, 随着 k s

      618

      机械科学与技术

      第 26卷

      时, 系统接合前出现自激振动, 当 k s = - 0 0005时, 转速波动过大, 从而使发动机熄火, 接合失败。由此 可以看出离合器摩擦特性是离合器产生自激振动的 主要因素, 当摩擦系数变化率大于临界值时, 系统接 合过程是稳定的, 当摩擦系数变化率小于临界值时, 接合过程出现了自激振动, 摩擦系数变化率越小, 接 合前振动强度越大, 接合品质越差。

      的转速曲线, 从图 7可以看出, 系统在稳定状态下, 离合器压力的波动对接合 的稳定性具有一 定的影 响, 但是离合器仍能实现顺利的接合; 但是从图 8看 出, 系统在不稳定条件下, 压力的波动加剧了其不稳 定性, 离合器不能实现顺利的接合。

      图 8 压力波动时离合器转速曲线 ( ks = - 0 0001)

      图 5 不 同 ks 时的离合器转速曲线

      4 结论 本文建立了传动系五自由度模型, 并对其进行了 稳定性分析, 仿真结果表明离合器的摩擦特性对接合 稳定性有重要影响: 当离合器摩擦系数变化率 k s 大于 临界值 k slim it 时, 接合过程中无自激振动, 当离合器摩 擦系数变化率 k s 小于临界值 k s lim it 时, 出现自激振动, 而且接合压力的波动也会增加自激振动的可能性, 阻 碍离合器的顺利接合。因此离合器摩擦系数应随离 合器主从动盘转速差的增加而增加, 在离合器的接合 控制过程中也应避免接合压力的波动。

      图 6

      ks = - 0 0005时的离合器转速曲线
      [ 1]

      [参考文献 ]
      葛安林, 吴锦秋, 郭万富. 离合器 最佳接合 规律的 研讨 [ J ]. 汽车工程, 1988 10 ( 2) : 54 ~ 64 , [ 2] [ 3] 雷雨龙, 葛安林, 永军. 离合器起 步过程的 控制策略 [ J] . 汽车 工程, 2000 22 ( 4) : 266 ~ 269 , Bostw ick C C, Szadkow sk i A. Self E xcited V ibra tions During E ngagem ents o fD ry Friction C lutches[ R ] . SAE T echn ical Pa p er 982846: 689~ 701 , [ 4] C row th er A, Zhang N, L iu D K, et a l A na lysis and si u lation of . m clu tch engagem en t judder and st ick slip in autom otive pow ertrain syste s[ A ]. P roceedings o f the Institution ofM echanica l E n m g ineers[ C] , 2004 1427 ~ 1445 : [ 5] 魏来生. 某车 传动系 统扭 振特性 分析 [ J] . 车辆 与动 力技术, 2003, 44 ( 4 ): 37~ 40 贾建章, 罗锡文, 邵明 亮. 轮式车 辆传动 系自激 振动强 度及其 影响因素分析 [ J] . 农业工程学报, 1998 14 ( 3) : 43 ~ 47 , G arofalo F, et a l Sm ooth engagem en t for autom otive dry clutch . [ A ]. P roceedings of t IEEE C onference on D ecision and he Contro l[ C ] , 2001 529~ 534 :

      图 7 压力波动时离合器转速曲线 ( ks = 0 0001)

      [ 6] [ 7]

      除了上面的影响因素外, 离合器的压力波动对 接合稳定性也有较大的影响, 图 7~ 图 8分别为 k s 为 0 0001和 - 0 0001时, 离合器压力带有波动时