CN105782270A - 干式离合器摩擦转矩实时监测和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种干式离合器摩擦转矩实时监测和控制方法以及系统，本发明基于膜片弹簧在大小端同时受载时的力学特性，利用汽车上的传感器实时测量膜片弹簧的小端位移和小端作用力，可以实现实时监测离合器的摩擦转矩的目的，还可以依据监测所得的摩擦转矩实现对摩擦转矩更为精确的控制。在摩擦转矩控制过程中可以对当前摩擦转矩和控制后的摩擦转矩进行精确测量，确保了摩擦转矩的控制效果，避免了控制黑箱系统或者灰箱系统时的各种问题。

Description

干式离合器摩擦转矩实时监测和控制方法

技术领域

本发明涉及汽车自动控制技术领域，具体涉及一种干式离合器摩擦转矩实时监测和控制方法。

背景技术

在汽车自动控制技术领域，离合器传递的摩擦转矩是一个关键参数，离合器传递的摩擦转矩对汽车的纵向冲击度、离合器摩擦片的滑磨功和离合器摩擦片的温度有直接关系。对离合器摩擦转矩的测量和控制一直以来都是难点。目前对离合器摩擦转矩的测量和控制主要通过两种方法：第一种是通过电控发动机输出的发动机名义转矩以及发动机转速进行的；第二种是直接利用实验获取的离合器分离轴承位移与离合器摩擦转矩关系曲线进行的；第三种是利用膜片弹簧弹性特性、波形弹簧弹性特性以及离合器摩擦转矩公式得到离合器的分离轴承位移与摩擦转矩的关系，进而进行测量和控制。

通过电控发动机输出的发动机名义转矩以及发动机转速进行对离合器摩擦转矩的测量和控制，有两个缺点：①只能在电控发动机上使用，使用范围有局限。②摩擦转矩的计算精度依赖于发动机的名义转矩的精度，而发动机名义转矩精度较低。发动机名义转矩一般有两种获取方式：一种是通过发动机转矩计算模型，在车上根据实时采集的各种参数计算出实时的发动机转矩，缺点是计算精度低，存在很大的时间延迟；另一种是通过查表的方式，经过大量的发动机稳态实验得到实时的发动机转矩，缺点是发动机处于动态工作过程时误差较大，采集数据表时要进行大量的测量工作。

直接利用台架实验获取的离合器分离轴承位移——摩擦转矩关系曲线监测摩擦转矩。有两个缺点：①监测的摩擦转矩会受到摩擦片磨损的影响：当摩擦片磨损后，波形弹簧工作的初始位移会发生变化，进而导致离合器分离轴承位移——摩擦转矩曲线发生变化，所以方案二只在经过标定的新车中较为精确，而当摩擦片磨损后，监测效果会减弱。②监测的摩擦转矩会受到摩擦片温度的影响：在摩擦片滑磨过程中，波形弹簧的温度会发生变化，导致其弹性特性发生变化，进而使得离合器分离轴承位移——摩擦转矩曲线发生变化，所以监测的摩擦转矩的精度低。

利用膜片弹簧弹性特性、波形弹簧弹性特性以及离合器摩擦转矩公式得到离合器的分离轴承位移与摩擦转矩的关系，进而进行测量和控制，有三个缺点：①该方案仅仅考虑了波形弹簧的轴向弹性，忽略了离合器盖、以及可能存在的传动片的轴向弹性，由于离合器盖与传动片的刚度与波形弹簧处在同一数量级上，所以会导致摩擦转矩的计算误差。②监测的摩擦转矩会受到摩擦片磨损的影响：当摩擦片磨损后，波形弹簧工作的初始位移会发生变化，进而导致离合器分离轴承位移——摩擦转矩曲线发生变化，所以方案二只在经过标定的新车中较为精确，而当摩擦片磨损后，监测效果会减弱。③监测的摩擦转矩会受到摩擦片温度的影响：在摩擦片滑磨过程中，波形弹簧的温度会发生变化，导致其弹性特性发生变化，进而使得离合器分离轴承位移——摩擦转矩曲线发生变化，所以监测的摩擦转矩的精度低。

发明内容

为了实现对干式AMT和干式DCT中摩擦转矩的有效控制，克服摩擦转矩的监测和控制过程中由于离合器摩擦片磨损和摩擦片温度升高带来的误差，本发明基于膜片弹簧在大小端同时受载时的力学特性，利用汽车上的传感器(或离合器执行机构)实时测量膜片弹簧的小端位移和小端作用力，可以实现实时监测离合器的摩擦转矩的目的，还可以依据监测所得的摩擦转矩实现对摩擦转矩更为精确的控制。

本发明的目的是提供一种干式离合器摩擦转矩实时监测和控制方法。

一种干式离合器摩擦转矩实时监测方法，包括以下步骤：

(1)获取膜片弹簧小端位移信号λ2和小端作用力信号F；

(2)根据膜片弹簧大小位移端关系式λ₂＝h(F)+Kλ₁得到膜片弹簧大端位移λ1；

(3)根据膜片弹簧的弹性特性P+KF＝f(λ₁)获得实时的离合器压紧力数据；

(4)通过摩擦转矩计算公式T_c＝μPR_cZ获得离合器实时的摩擦转矩；

式中，μ——摩擦片与压盘、飞轮的摩擦系数P——膜片弹簧提供的压紧力

R_c——摩擦片等效摩擦半径Z——摩擦面数量。

进一步地，步骤(1)中，通过汽车的位移传感器和力传感器或离合器执行机构，在汽车上实时测得膜片弹簧小端的位移信号λ₂和作用力信号F。

进一步地，步骤(2)中，λ₂＝h(F)+Kλ₁，λ₂为膜片弹簧小端位移，h(F)为膜片弹簧分离指的挠度随膜片弹簧小端作用力变化的函数关系式，K为膜片弹簧杠杆比，其中h(F)＝λ′₂＝aF，h(F)表示膜片弹簧分离指的挠度λ′₂随膜片弹簧小端作用力F变化的函数关系式，因该挠度较小，故可近似认为F与λ′₂成正比关系，a为比例系数，a可以通过三种方法获得：①直接通过力学公式计算：其中 上述式子中，E为膜片弹簧材料的弹性模量；t为膜片弹簧钢板厚度(mm)；r_f为膜片弹簧小端与分离轴承的接触半径(mm)；δ₁、δ₂分别为膜片弹簧分离指前部、根部的切槽宽度(mm)；n为膜片弹簧分离指数目；r_e为膜片弹簧窗孔内半径(mm)；r为膜片弹簧的碟簧内半径；②建立膜片弹簧有限元模型，通过仿真获得比例系数a；③通过实验获得比例系数a。

进一步地，步骤(3)中，膜片弹簧大小端同时加载时的工作特性方程：P+KF＝f(λ₁)为式中，P为膜片弹簧大端作用力；λ₁为膜片弹簧大端位移；f(λ₁)为膜片弹簧负载特性；K为膜片弹簧杠杆比；E为膜片弹簧材料的弹性模量(MPa)；μ为材料泊松比；H为膜片弹簧自由状态下碟簧部分的內截锥高度(mm)；h为膜片弹簧钢板厚度(mm)；R、r分别为自由状态下碟簧部分大、小端半径(mm)；L、l分别为压盘加载点和支撑环加载点半径(mm)。

进一步地，提供一种利用摩擦转矩实时监测对摩擦转矩进行控制的方法，包括以下步骤：

(1)摩擦转矩决策系统提供目标摩擦转矩Tc,target；

(2)根据上述的干式离合器摩擦转矩实时监测方法获得监测摩擦转矩Tc,monitor；

(3)比较：e＝Tc,target-Tc,monitor,如果e＝0，则结束控制，如果e不等于0，将信号发送到摩擦转矩控制系统，摩擦转矩控制系统调整分离轴承小端位移或小端作用力，直到e＝0，结束控制。

进一步地，提供一种执行上述方法的控制系统，包括：

摩擦转矩监测系统，用于根据获取的膜片弹簧小端位移信号λ₂和小端作用力信号F计算离合器实时的摩擦转矩Tc,monitor；

摩擦转矩决策系统，用于确定目标摩擦转矩Tc,target；

摩擦转矩控制系统，调整膜片弹簧小端位移信号λ2和小端作用力信号F，直到使得实时监测的摩擦转矩与目标摩擦转矩相同。

根据上述技术方案，本发明的有益效果包括：通过实时采集离合器分离轴承位移和分离轴承作用力并结合膜片弹簧弹性特性的方法，实现了离合器全寿命周期内摩擦转矩的实时监测，消除了摩擦片磨损和摩擦片温度变化带来的误差，消除了波形弹簧、离合器盖和传动片轴向弹性特性不精确带来的计算误差，摩擦转矩实时监测模型简单。在摩擦转矩控制过程中可以对当前摩擦转矩和控制后的摩擦转矩进行精确测量，确保了摩擦转矩的控制效果，避免了控制黑箱系统或者灰箱系统时的各种问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1:摩擦转矩实时监测所用的硬件示意图；

其中：1——摩擦片，2——飞轮，3——离合器盖，4——压盘，5——膜片弹簧，6——钢丝支承圈，7——支承铆钉，8——分离轴承，9——波形弹簧

图2:摩擦转矩实时监测系统流程图；

图3:基于离合器摩擦转矩实时监测系统的摩擦转矩控制流程；

具体实施方式

工况描述:以汽车行驶过程中，路面坡度增加的情况为例。

应用对象:以安装了电控液动自动变速器的车辆为例。

转矩实时监测系统运行过程如下：

1.离合器分离轴承处的位移传感器和力传感器通过CAN总线实时地将膜片弹簧小端的位移信号和力信号发送给变速器的TCU(或者电控液动离合器执行机构电磁阀将电流信号通过CAN总线实时发送给变速器的TCU，TCU根据内部的算法计算出膜片弹簧小端的位移信号和力信号)。

2.将膜片弹簧大小端位移关系式λ₂＝h(F)+Kλ₁，膜片弹簧的弹性特性P+KF＝f(λ₁)，摩擦转矩计算公式T_c＝μPR_cZ写成程序的形式并在程序里设定汽车只要启动，该段程序就一直处于运行状态，将程序下载进变速器TCU中。

其中：膜片弹簧大小端轴向位移关系式：

λ₂＝h(F)+Kλ₁

式中，λ₂为膜片弹簧小端位移，h(F)为膜片弹簧分离指的挠度随膜片弹簧小端作用力变化的函数关系式，K为膜片弹簧杠杆比，其中h(F)＝λ′₂＝aF，h(F)表示膜片弹簧分离指的挠度λ′₂随膜片弹簧小端作用力F变化的函数关系式，因该挠度较小，故可近似认为F与λ′₂成正比关系，a为比例系数，a可以通过三种方法获得：①直接通过力学公式计算：其中 其中，E为膜片弹簧材料的弹性模量；t为膜片弹簧钢板厚度(mm)；r_f为膜片弹簧小端与分离轴承的接触半径(mm)；δ₁、δ₂分别为膜片弹簧分离指前部、根部的切槽宽度(mm)；n为膜片弹簧分离指数目；r_e为膜片弹簧窗孔内半径(mm)；r为膜片弹簧的碟簧内半径；②建立膜片弹簧有限元模型，通过仿真获得比例系数a；③通过实验获得比例系数a。

膜片弹簧大小端同时加载时的工作特性方程：P+KF＝f(λ₁)为式中，P为膜片弹簧大端作用力；λ₁为膜片弹簧大端位移；f(λ₁)为膜片弹簧负载特性；K为膜片弹簧杠杆比；E为膜片弹簧材料的弹性模量(MPa)；μ为材料泊松比；H为膜片弹簧自由状态下碟簧部分的內截锥高度(mm)；h为膜片弹簧钢板厚度(mm)；R、r分别为自由状态下碟簧部分大、小端半径(mm)；L、l分别为压盘加载点和支撑环加载点半径(mm)。

转矩控制系统运行过程如下：

1、汽车车轮轮速传感器和GPS等将信号发送给自动变速器的TCU。

2、TCU根据内部的算法计算出汽车当前的阻力矩。

3、TCU做出变速器降档的决策，并通过CAN总线发出离合器分离、变速器选档和换挡的指令，离合器执行机构动作控制电磁阀的电流实现对离合器的分离，变速器选换挡执行机构也完成选档和换挡动作。

4、变速器选档和换挡动作完成后，TCU根据汽车当前的阻力矩和离合器摩擦转矩实时监测系统计算出的当前摩擦转矩初步计算出离合器的接合速率和接合行程，并发出离合器接合指令，离合器开始逐渐接合。在此过程中TCU实时比较汽车当前的阻力矩和离合器摩擦转矩实时监测系统计算出的当前摩擦转矩，并以内部的算法实时计算出当前的车身冲击度和离合器滑磨功等指标，若车身冲击度或滑磨功过大，则给离合器发出指令，对离合器的接合速率和接合行程进行调整。

利用汽车上的传感器(或离合器执行机构)实时测量膜片弹簧的小端位移和小端作用力，可以实现实时监测离合器的摩擦转矩的目的，还可以依据监测所得的摩擦转矩实现对摩擦转矩更为精确的控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种干式离合器摩擦转矩实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取膜片弹簧小端位移信号λ₂和小端作用力信号F；

(2)根据膜片弹簧大小位移端关系式λ₂＝h(F)+Kλ₁得到膜片弹簧大端位移λ₁；

(3)根据膜片弹簧的弹性特性P+KF＝f(λ₁)获得实时的离合器压紧力数据；

(4)通过摩擦转矩计算公式T_c＝μPR_cZ获得离合器实时的摩擦转矩；

式中，μ：摩擦片与压盘、飞轮的摩擦系数，P：膜片弹簧提供的压紧力，R_c：摩擦片等效摩擦半径，Z:摩擦面数量。

2.根据权利要求1所述的干式离合器摩擦转矩实时监测方法，其特征在于，步骤(1)中，通过汽车的位移传感器和力传感器或离合器执行机构，在汽车上实时测得膜片弹簧小端的位移信号λ₂和作用力信号F。

3.根据权利要求1或2所述的干式离合器摩擦转矩实时监测方法，其特征在于，步骤(2)中，λ₂＝h(F)+Kλ₁，λ₂为膜片弹簧小端位移，h(F)为膜片弹簧分离指的挠度随膜片弹簧小端作用力变化的函数关系式，K为膜片弹簧杠杆比，其中

h(F)＝λ′₂＝aF，h(F)表示膜片弹簧分离指的挠度λ′₂随膜片弹簧小端作用力F变化的函数关系式，因该挠度较小，故可近似认为F与λ′₂成正比关系，a为比例系数，a可以通过三种方法获得：①直接通过力学公式计算：其中 其中，E为膜片弹簧材料的弹性模量；t为膜片弹簧钢板厚度(mm)；r_f为膜片弹簧小端与分离轴承的接触半径(mm)；δ₁、δ₂分别为膜片弹簧分离指前部、根部的切槽宽度(mm)；n为膜片弹簧分离指数目；r_e为膜片弹簧窗孔内半径(mm)；r为膜片弹簧的碟簧内半径；②建立膜片弹簧有限元模型，通过仿真获得比例系数a；③通过实验获得比例系数a。

4.根据权利要求1-3之一所述的干式离合器摩擦转矩实时监测方法，其特征在于，步骤(3)中，膜片弹簧大小端同时加载时的工作特性方程：P+KF＝f(λ₁)为式中，P为膜片弹簧大端作用力；λ₁为膜片弹簧大端位移；f(λ₁)为膜片弹簧负载特性；K为膜片弹簧杠杆比；E为膜片弹簧材料的弹性模量(MPa)；μ为材料泊松比；H为膜片弹簧自由状态下碟簧部分的內截锥高度(mm)；h为膜片弹簧钢板厚度(mm)；R、r分别为自由状态下碟簧部分大、小端半径(mm)；L、l分别为压盘加载点和支撑环加载点半径(mm)。

5.一种利用摩擦转矩实时监测对摩擦转矩进行控制的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)摩擦转矩决策系统提供目标摩擦转矩Tc,target；

(2)根据权利要求1-4所述的干式离合器摩擦转矩实时监测方法获得监测摩擦转矩Tc,monitor；

(3)比较：e＝Tc,target-Tc,monitor,如果e＝0，则结束控制，如果e不等于0，将信号发送到摩擦转矩控制系统，摩擦转矩控制系统调整分离轴承小端位移或小端作用力，直到e＝0，结束控制。

6.一种执行权利要求5所述的方法的控制系统，其特征在于，包括：

摩擦转矩监测系统，用于根据获取的膜片弹簧小端位移信号λ₂和小端作用力信号F计算离合器实时的摩擦转矩Tc,monitor；

摩擦转矩决策系统，用于确定目标摩擦转矩Tc,target；

摩擦转矩控制系统，调整膜片弹簧小端位移信号λ₂和小端作用力信号F，直到使得实时监测的摩擦转矩与目标摩擦转矩相同。