CN116358862A - 一种中央式气动离合器执行机构模拟装置及模拟方法 - Google Patents

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严鉴铂
刘义
聂幸福
何发尧
刘丹
王东兴
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Abstract

一种中央式气动离合器执行机构模拟装置及模拟方法，电磁阀组件和供压装置，供压装置的输出端连接电磁阀组件；电磁阀组件为四个两位两通电磁阀，分别为快开阀、慢开阀、快关阀和慢关阀，供压装置连接快开阀和慢开阀的进气口，快开阀和慢开阀的出气口分别连接快关阀和慢关阀，快关阀和慢关阀的排气口连接排气管道。本发明对离合器执行机构进气和排气过程中的气压和位移进行计算，可以更准确反应其工作过程，有利于软件对离合器相关功能进行测试；本发明空气质量流量作为输入条件可以更好的模拟实际气缸工作情况，让软件测试更接近实际情况。

Description

一种中央式气动离合器执行机构模拟装置及模拟方法
技术领域
离合器执行机构技术领域，特别涉及一种中央式气动离合器执行机构模拟装置及模拟方法。
背景技术
目前在商用车领域，国内外各大主机厂和独立供应商对电控机械式自动变速器AMT(Automatic Mechanical Transmission)都进行了详细的研究。各主流产品已经发展到了第二代甚至第三代。主要表现为高度集成式，控制器、电磁阀、传感器、控制线束和气管等高度集成，离合器执行机构多采用中央式布局结构。对于AMT控制策略和电控软件开发等核心技术的研究最为重要。目前行业已经形成了一套完整的汽车电控软件开发流程。常见的汽车电控软件开发方法是快速应用开发模型，其中模型在环MIL(Model in the loop)是非常重要的一步。
目前AMT的模型在环测试关注点一般是整体软件功能是否完善，逻辑是否正确。很少有对离合器部分进行详细模拟的，导致离合器相关部分的逻辑很难被充分验证，问题很难提前发现。也有对离合器部分进行模拟的，但大多数是结合试验数据，给软件一个输入值进行模拟。没有对离合器执行机构工作过程进行模拟的。其实离合器执行机构的工作过程对AMT的性能有很大影响，有必要在模型在环测试阶段就对其进行详细模拟。
模型在环是较为节省成本的一种嵌入式系统测试方法。可以对整个控制系统进行建模，也可以对自己关心的部件进行详细建模，通过合理的数学模型来描述真实物理模型。这种方法在电控软件开发初期发挥了重要作用，可以通过模拟来验证软件的功能和逻辑。因此，搭建一种专门的模型来用于AMT电控软件开发十分重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中央式气动离合器执行机构模拟装置及模拟方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种中央式气动离合器执行机构模拟装置，电磁阀组件和供压装置，供压装置的输出端连接电磁阀组件；电磁阀组件为四个两位两通电磁阀，分别为快开阀、慢开阀、快关阀和慢关阀，供压装置连接快开阀和慢开阀的进气口，快开阀和慢开阀的出气口分别连接快关阀和慢关阀，快关阀和慢关阀的排气口连接排气管道。
进一步的，供压装置包括气缸和活塞，活塞设置在气缸内，气缸通过管路连接电磁阀组件。
进一步的，活塞上设置有位移传感器。
进一步的，活塞外部连接有回位弹簧。
进一步的，一种中央式气动离合器执行机构模拟方法，包括以下步骤：
将活塞的位移x和气缸内的压力p作为变量，对活塞进行受力分析，得到气压产生的压力Fp，回位弹簧产生的弹簧力Fsp，摩擦力Ff；
将弹簧力Fsp简化为和位移成线性关系的力：摩擦力简化为和速度成正比的力；
在Simulink仿真平台里搭建的模型，求出变量x和p。
进一步的，压力p的变化由两部分组成，一个是气缸内体积的变化引起的压力变化，一个是流入或流出气缸的空气质量流量变化引起的压力变化。
进一步的，质量流量qm根据流体力学相关公式得到，分为空气流入气缸和流出气缸两种情况，如公式所示：
uvkv>0，空气流入气缸：
Figure BDA0004153723860000031
uvkv<0，空气流出气缸：
Figure BDA0004153723860000032
式中：uv＝[u1 u2 u3 u4]，u1 u2 u3 u4分别表示快开阀、慢开阀、快关阀和慢关阀的PWM信号，kv＝[kv1 kv2 kv3 kv4]T，kv1 kv2 kv3 kv4分别表示快开阀、慢开阀、快关阀和慢关阀的开口面积系数，Av表示阀的最大开口面积[m2]，
Figure BDA0004153723860000033
表示最大空气流量系数，ps表示供气压力[Pa]。
进一步的，位移和压力计算
Figure BDA0004153723860000034
Figure BDA0004153723860000035
Figure BDA0004153723860000036
式中：x表示活塞位移[m]，v表示活塞速度[m/s]，p表示气缸压力[Pa]，Fp表示压力[N]，Fsp表示弹簧力[N]，Ff表示摩擦力[N]，m表示活塞质量[kg]，A表示活塞面积[m2]，V0表示气缸死区的体积[m3],k表示空气的比热比，R表示气体常数[J/(kg·K)]，T表示热力学温度[K]，qm表示质量流量[kg/s]。
进一步的，压力和摩擦力计算
Fp＝A(p-p0) (4)
Ff＝kfv (5)
式中：p0表示环境压力[Pa]，kf表示动摩擦系数[N·s/m]。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
此模拟装置与真实结构工作原理一致，可以真实反应其工作过程。离合器执行机构的实际工作过程中供气压力在一定范围内变化，气缸内的压力和活塞的速度、位移都会随时变化。可以根据不同气压下位移值的变化规律来调节电磁阀的开度，以保证每次离合器的打开和关闭都精准，保持较高的一致性。虽然台架试验也可以测出不同气压下活塞位移值的变化规律，但此规律并不是简单的线性关系，需要更复杂的数学模型来模拟这些规律。本模拟装置和方法就是根据流体力学相关公式建立的，可以实时计算气缸内的压力和速度，从而帮助软件实现对离合器的精准控制。
本发明对离合器执行机构进气和排气过程中的气压和位移进行计算，可以更准确反应其工作过程，有利于软件对离合器相关功能进行测试；
本发明空气质量流量作为输入条件可以更好的模拟实际气缸工作情况，让软件测试更接近实际情况；
附图说明
图1电磁阀示意图。
图2气缸模型示意图。
图3Simulink模型示意图。
其中：
气缸2、活塞3、位移传感器4、回位弹簧5、快开阀11、慢开阀12、快关阀13、慢关阀14。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
中央式气动离合器执行机构的示意图如图1所示，四个电磁阀示意图如图2所示，分别是快开阀、慢开阀、快关阀和慢关阀，图中上方的管线表示进气，下方的管线表示排气。本发明研究对象为一种中央式气动离合器执行机构。该机构主要包括离合器分离轴承，活塞3，气缸2，回位弹簧5，位移传感器4及电磁阀组件。其中电磁阀共有四个，两个负责进气，两个负责排气。通过模型计算离合器执行机构的气缸压力和活塞位移，从而用于后续AMT软件计算。
具体技术方案如下：
(1)、模型将离合器执行机构看作一个压力空间和四个两位两通电磁阀；
(2)、模型输入条件为进入或流出气缸的空气质量流量；
(3)、模型结合离合器膜片弹簧静态试验，将弹簧力看作和执行机构位移成线性关系，将库伦摩擦力看作和速度成线性关系；
(4)、模型为离散系统，即通过位置控制器可以将执行机构的气缸停在每一个离散位置；
将中央式离合器执行机构简化成图3所示的一个气缸和四个电磁阀。气缸的活塞简化为一个方块，质量为m，面积为A。气缸可以进气和排气。电磁阀有开关两种状态，从而控制进气和排气。
将活塞的位移x和气缸内的压力p作为变量。对活塞进行受力分析，主要包括气压产生的压力Fp，回位弹簧产生的弹簧力Fsp，摩擦力Ff。
根据牛顿运动定律可以列出两个方程，如公式(1)(2)所示。其中压力Fp由公式(4)求得。弹簧力Fsp简化为和位移成线性关系的力，由试验得到。摩擦力简化为和速度成正比的力，动摩擦系数kf由试验得到，如公式(5)所示。
压力p的变化由两部分组成，一个是气缸内体积的变化引起的压力变化，一个是流入或流出气缸的空气质量流量变化引起的压力变化，如公式(3)所示。
质量流量qm根据流体力学相关公式可以求出，分为空气流入气缸和流出气缸两种情况，如公式(6)(7)所示。
根据公式(1)(2)(3)，在Simulink里搭建如图3所示的模型，即可求出变了x和p。
(1)位移和压力计算
Figure BDA0004153723860000051
Figure BDA0004153723860000061
Figure BDA0004153723860000062
式中：x表示活塞位移[m]，v表示活塞速度[m/s]，p表示气缸压力[Pa]，Fp表示压力[N]，Fsp表示弹簧力[N]，Ff表示摩擦力[N]，m表示活塞质量[kg]，A表示活塞面积[m2]，V0表示气缸死区的体积[m3],k表示空气的比热比，R表示气体常数[J/(kg·K)]，T表示热力学温度[K]，qm表示质量流量[kg/s]。
(2)压力和摩擦力计算
Fp＝A(p-p0) (4)
Ff＝kfv (5)
式中：p0表示环境压力[Pa]，kf表示动摩擦系数[N·s/m]。
(3)质量流量计算
uvkv>0，空气流入气缸：
Figure BDA0004153723860000063
uvkv<0，空气流出气缸：
Figure BDA0004153723860000064
式中：uv＝[u1u2u3u4]，u1u2u3u4分别表示快开阀、慢开阀、快关阀和慢关阀的PWM信号，kv＝[kv1kv2kv3kv4]T，kv1kv2kv3kv4分别表示快开阀、慢开阀、快关阀和慢关阀的开口面积系数，Av表示阀的最大开口面积[m2]，
Figure BDA0004153723860000071
表示最大空气流量系数，ps表示供气压力[Pa]。

Claims (9)

1.一种中央式气动离合器执行机构模拟装置，其特征在于，电磁阀组件和供压装置，供压装置的输出端连接电磁阀组件；电磁阀组件为四个两位两通电磁阀，分别为快开阀(11)、慢开阀(12)、快关阀(13)和慢关阀(14)，供压装置连接快开阀(11)和慢开阀(12)的进气口，快开阀(11)和慢开阀(12)的出气口分别连接快关阀(13)和慢关阀(14)，快关阀(13)和慢关阀(14)的排气口连接排气管道。
2.根据权利要求1所述的一种中央式气动离合器执行机构模拟装置，其特征在于，供压装置包括气缸(2)和活塞(3)，活塞(3)设置在气缸(2)内，气缸(2)通过管路连接电磁阀组件。
3.根据权利要求2所述的一种中央式气动离合器执行机构模拟装置，其特征在于，活塞(3)上设置有位移传感器(4)。
4.根据权利要求2所述的一种中央式气动离合器执行机构模拟装置，其特征在于，活塞外部连接有回位弹簧(5)。
5.一种中央式气动离合器执行机构模拟方法，其特征在于，基于权利要求1至4任意一项所述的中央式气动离合器执行机构模拟装置，包括以下步骤：
将活塞的位移x和气缸内的压力p作为变量，对活塞进行受力分析，得到气压产生的压力Fp，回位弹簧产生的弹簧力Fsp，摩擦力Ff；
将弹簧力Fsp简化为和位移成线性关系的力：摩擦力简化为和速度成正比的力；
在Simulink仿真平台里搭建的模型，求出变量x和p。
6.根据权利要求5所述的一种中央式气动离合器执行机构模拟方法，其特征在于，压力p的变化由两部分组成，一个是气缸内体积的变化引起的压力变化，一个是流入或流出气缸的空气质量流量变化引起的压力变化。
7.根据权利要求5所述的一种中央式气动离合器执行机构模拟方法，其特征在于，质量流量qm根据流体力学相关公式得到，分为空气流入气缸和流出气缸两种情况，如公式所示：
uvkv>0，空气流入气缸：
Figure FDA0004153723850000021
uvkv<0，空气流出气缸：
Figure FDA0004153723850000022
式中：uv＝[u1u2u3u4]，u1u2u3u4分别表示快开阀、慢开阀、快关阀和慢关阀的PWM信号，kv＝[kv1kv2kv3kv4]T，kv1kv2kv3kv4分别表示快开阀、慢开阀、快关阀和慢关阀的开口面积系数，Av表示阀的最大开口面积，
Figure FDA0004153723850000023
表示最大空气流量系数，ps表示供气压力。
8.根据权利要求5所述的一种中央式气动离合器执行机构模拟方法，其特征在于，位移和压力计算
Figure FDA0004153723850000024
Figure FDA0004153723850000025
Figure FDA0004153723850000026
式中：x表示活塞位移，v表示活塞速度，p表示气缸压力，Fp表示压力，Fsp表示弹簧力，Ff表示摩擦力，m表示活塞质量，A表示活塞面积，V0表示气缸死区的体积,k表示空气的比热比，R表示气体常数，T表示热力学温度，qm表示质量流量。
9.根据权利要求5所述的一种中央式气动离合器执行机构模拟方法，其特征在于，压力和摩擦力计算
Fp＝A(p-p0) (4)
Ff＝kfv (5)
式中：p0表示环境压力，kf表示动摩擦系数。
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