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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
隨著汽車電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的逐步成熟和汽車網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，汽車線控技術(shù)也逐步得到青睞和深入研究是汽車未來的發(fā)展趨勢。汽車線控技術(shù)就是將駕駛員的操縱動(dòng)作經(jīng)過傳感器變成電信號，通過電纜直接傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)的一種系統(tǒng)。
汽車離合器操縱形式有液壓和拉線式兩種，轎車多用液壓操縱式，由總泵、分泵、軟管、踏板等組成。本設(shè)計(jì)通過研究汽車液壓操縱式離合器的組成、結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)；分析離合器接合過程和計(jì)算離合器的操縱力變化規(guī)律建立離合器的力學(xué)模型，選擇驅(qū)動(dòng)裝置，設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，布置形式和控制系統(tǒng)。
本文研究了以單片機(jī)為核心的液壓操縱式離合器線控系統(tǒng)的開發(fā)思路和設(shè)計(jì)方法。其中選擇了線控系統(tǒng)的硬件并設(shè)計(jì)了線控部分壓力控制單元的軟件系統(tǒng)。軟件核心是單片機(jī)，用脈寬調(diào)制（PWM）方法控制占空比對高速開關(guān)閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)離合器工作缸位置精確控制，軟件采用PID控制算法。所設(shè)計(jì)的液壓操縱式離合器線控操縱系統(tǒng)可與原系統(tǒng)的功能進(jìn)行切換工作。
關(guān)鍵詞：液壓操縱式離合器；線控技術(shù)；脈寬調(diào)制；高速開關(guān)閥；PID算法
ABSTRACT
Along with the gradual maturity of automobile electronics and automatic control technicals and the automobile network correspondence technicals extensively applied, automobile control by-wire has also gradually received favor and it will set a trend in research of the automobile in the future.The automobile control by-wire technique is the system that the driver's operate working converted electrical signals by sensors and then directly transmitting the executing mrvhsnidm.
The operate form of the automobile cluth contains hydraulic type and mechanicaltype and the passenger cars mostly use the hydraulic operate type .It includes master cylinder,slave cylinder, hose, footpedal etc. This design selects the drive device and designs gear, arrangement and control system through studying the composition of the automobile hydraulic cluth, structure and design; building the model of the cluth by analysing the starting process and calculating variation law of the operate force .
This is the core of Microcontrollers hydraulic cluth development train of thought and design method,and the choice of hardware and the design of control by-wire was controller software.The core of the software is Microcontroller which high-speed on-off valves are used and controlled with pulse width modulation (PWM) in this system to control the position of the slave cylinder accurately, and the PID control algorithm designs the control program.It can be switched between the hydraulic cluth control by-wire system and the original system.
Key words：Hydraulic Cluth;Control By-wire;PWM; High-speed On-off Valves;PID Control Algorithm
II
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1．1 選題的目的、意義
隨著汽車電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的逐步成熟和汽車網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，汽車線控技術(shù)也逐步得到青睞和深入研究是汽車未來的發(fā)展趨勢。
汽車線控技術(shù)就是將駕駛員的操縱動(dòng)作經(jīng)過傳感器變成電信號，通過電纜直接傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)的一種系統(tǒng)。目前包括線控?fù)Q檔系統(tǒng)、線控制動(dòng)系統(tǒng)、線控懸架系統(tǒng)、線控增壓系統(tǒng)、線控油門系統(tǒng)及線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其中線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在高級轎車、跑車及概念車上有廣泛的應(yīng)用，它為自動(dòng)駕駛提供了良好的平臺(tái)。
汽車離合器操縱形式有液壓和拉線式兩種，轎車多用液壓操縱式，由總泵、分泵、軟管、踏板等組成。它具有噪聲小、省力、平穩(wěn)、布置方便的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)：漏油；需要維護(hù)。特點(diǎn)：摩擦阻力小、重量輕、布置方便、不受車身變形影響。當(dāng)駕車者踩下離合器踏板時(shí)，推桿推動(dòng)總泵活塞使油壓增高，通過軟管進(jìn)入分泵，迫使分泵拉桿推動(dòng)分離叉，將分離軸承推向前；當(dāng)駕車者松開離合器踏板時(shí)，液壓解除，分離叉在回位彈簧作用下逐漸退回原位，離合器又處在接合狀態(tài)。
本設(shè)計(jì)針對液壓操縱式離合器設(shè)計(jì)線控操縱系統(tǒng)，可與原系統(tǒng)的功能進(jìn)行切換工作。
1．2 線控技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
線控技術(shù)（X-by-Wire）源于飛機(jī)控制系統(tǒng)，飛機(jī)的新型飛行控制系統(tǒng)是一種線控系統(tǒng)（Fly-by-Wire），它將飛機(jī)駕駛員的操縱命令轉(zhuǎn)換成電信號，利用計(jì)算機(jī)控制飛機(jī)飛行。隨著汽車電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的逐步成熟和汽車網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，汽車線控技術(shù)也逐步得到青睞和深入研究是汽車未來的發(fā)展趨勢。
汽車線控技術(shù)就是將駕駛員的操縱動(dòng)作經(jīng)過傳感器變成電信號，通過電纜直接傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)的一種系統(tǒng)。如圖1.1所示。
人 機(jī)
接 口
電信號
模擬或數(shù)字信號
有線或無線的信號
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
傳感裝置
功 能
裝 置
圖1.1 線控過程
目前包括線控?fù)Q檔系統(tǒng)、線控制動(dòng)系統(tǒng)、線控懸架系統(tǒng)、線控增壓系統(tǒng)、線控油門系統(tǒng)及線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其中線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在高級轎車、跑車及概念車上有廣泛的應(yīng)用，它為自動(dòng)駕駛提供了良好的平臺(tái)。
（1）線控技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
a.省力，人們可以不用直接操作機(jī)械力。
b.由于操縱控制通過駕駛員的手完成，不需要轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱和腳踏板，這樣就減少了正面碰撞時(shí)的潛在危險(xiǎn)性，改善了汽車的安全性和舒適性，并為汽車設(shè)計(jì)提供了更大的設(shè)計(jì)空間。
c.便于實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)，由于駕駛特性如制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、加速等過程都是程序設(shè)定的，設(shè)計(jì)師可設(shè)計(jì)不同的程序供用戶選擇。
d.質(zhì)量輕，性能高（響應(yīng)快）。線控系統(tǒng)取消了許多機(jī)械連接裝置、液壓裝置和氣壓裝置，簡化了結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，便于實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。
e.維護(hù)用品可大大減小，減少維護(hù)費(fèi)用。取消機(jī)械和液壓連接可減少車身質(zhì)量并簡化維護(hù)工作，可能磨損的部件更少了，如使用線控制動(dòng)無需制動(dòng)液，使汽車更為環(huán)保，減少維護(hù)。
f.可以將汽車的車內(nèi)娛樂裝置也集成到網(wǎng)絡(luò)之中，使得汽車導(dǎo)航和自動(dòng)駕駛成為可能，整個(gè)汽車就是一個(gè)完整的電路整體。
g.安裝測試簡單快捷，更穩(wěn)固的電子接口（模塊結(jié)構(gòu)），隔板間無機(jī)械連接，簡單布置就能增加電子控制功能。
（2）線控技術(shù)的缺點(diǎn)
電子設(shè)備還相當(dāng)?shù)牟豢煽俊姶鸥蓴_、器件失效、軟件程序的設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)攻擊等等。一旦電路失效而沒有機(jī)械冗余就會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果——轉(zhuǎn)向失靈、油門難以控制和不能制動(dòng)。所以線控技術(shù)研究的重點(diǎn)應(yīng)該是系統(tǒng)的可靠性和安全性。
目前所有大型汽車制造商都在開發(fā)線控系統(tǒng)雛形及其產(chǎn)品。美國TRW公司開發(fā)的線控駕駛系統(tǒng)使得燃油經(jīng)濟(jì)性上升5％；DELPHI汽車在電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中也作了類似改進(jìn)；BOSCH、VALEO公司和其他一些設(shè)備制造商已開發(fā)或正在開發(fā)線控技術(shù)和產(chǎn)品；HONDA在新一代雅閣V6轎車上采用線控油門技術(shù)。德國大眾也有線控的概念車。美國通用公司在2003年研制的HY-WIRE概念車和2005年研制的Sequel概念車上都采用了線控轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)技術(shù)。
線控技術(shù)得以逐漸在汽車上普遍應(yīng)用的技術(shù)背景是：微電子器件的成本降低、可靠性提高，如單片機(jī)，DSP等；電力電子裝置的功能增強(qiáng)、成本降低，可靠性提高，如執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)，傳感器等等。
隨著汽車電子化的不斷深入，線控技術(shù)將在汽車上得到普遍應(yīng)用，笨重、精確度低的機(jī)械系統(tǒng)將被精確、敏感的電子傳感器和執(zhí)行元件所代替，汽車傳統(tǒng)的操縱機(jī)構(gòu)、操縱方式、執(zhí)行機(jī)構(gòu)也將會(huì)發(fā)生根本性的變革。當(dāng)線控這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)時(shí)，汽車將是一種完全的高新技術(shù)產(chǎn)品，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向機(jī)全都不見了，汽車可以說是一臺(tái)裝在輪子上的計(jì)算機(jī)。
1．3離合器線控技術(shù)的發(fā)展
在采用離合器的傳動(dòng)系統(tǒng)中，早期離合器的結(jié)果形式是錐形摩擦離合器。錐形摩擦離合器傳遞扭矩的能力，比相同直徑的其他結(jié)構(gòu)形式的摩擦離合器要大。但是，其最大的缺點(diǎn)是從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大，引起變速器換擋困難。而且這種離合器在接合時(shí)也不夠柔和，容易卡住。
此后，在油中工作的所謂濕式的多片離合器逐漸取代了錐形摩擦離合器。但是多片濕式摩擦離合器的片與片之間容易被油粘?。ㄓ绕涫窃诶涮煊鸵鹤儩鈺r(shí)更容易發(fā)生），導(dǎo)致分離不徹底，造成換擋困難。所以它又被干式所取代。多片干式摩擦離合器的主要優(yōu)點(diǎn)是由于接觸面數(shù)多，故接合平順柔和，保證了汽車的平穩(wěn)起步。但因片數(shù)較多，從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，還是感到換擋不夠容易。另外，中間壓盤的通風(fēng)散熱不良，易引起過熱，加快了摩擦片的磨損甚至燒傷和破裂。如果調(diào)整不當(dāng)還可能引起離合器分離不徹底。
多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)使人們逐漸趨向于采用單片干式摩擦離合器。它具有從動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，散熱性好，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，尺寸緊湊，分離徹底等優(yōu)點(diǎn)。而且只要在結(jié)構(gòu)上采取一定措施，也能使其接合平順。因此，它得到了極為廣泛的應(yīng)用。
如今，單片干式摩擦離合器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面也相當(dāng)完善：采用具有軸向彈性的從動(dòng)盤，提高了離合器的接合平順性；離合器中裝有扭轉(zhuǎn)減振器，防止了傳動(dòng)系統(tǒng)的共振，減少了噪音；以及采用了摩擦較小的分離桿機(jī)構(gòu)等。另外，采用了膜片彈簧作為壓簧，可同時(shí)兼起到分離杠桿的作用，使離合器結(jié)構(gòu)大為簡化，并顯著地縮短了離合器的軸向尺寸。膜片彈簧和壓盤的環(huán)行接觸，可保證壓盤上的壓力均勻。由于膜片彈簧本身的特性，當(dāng)摩擦片磨損時(shí)，彈簧的壓力幾乎沒有改變，且可減輕分離離合器時(shí)所需要的踏板力。為了提高離合器的傳扭能力，在重型汽車上多采用多片干式離合器。次外，近年來由于多片濕式離合器在技術(shù)上的不段改善，在國外的某些重型牽引汽車和自卸車上又開始采用多片濕式離合器，并有不斷增加的傾向。與干式離合器相比，由于用油泵進(jìn)行強(qiáng)制制冷的結(jié)果，摩擦表面的溫度較低（不超過 93℃）。因此，允許起步時(shí)長時(shí)間地打滑或用高檔起步而不致燒損摩擦片，具有良好的起步能力。據(jù)說這種離合器的使用壽命可達(dá)干式離合器的五、六倍。
為了實(shí)現(xiàn)離合器的自動(dòng)操縱，有自動(dòng)離合器。采用自動(dòng)離合器時(shí)可以省去離合器踏板，實(shí)現(xiàn)汽車的“雙踏板”操縱。與其他自動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)（如液力傳動(dòng)）相比，它具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉及傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)。因此，在歐洲小排量汽車上曾得到廣泛的應(yīng)用。但是在現(xiàn)有自動(dòng)離合器的各種結(jié)構(gòu)中，離合器的摩擦力矩的力矩調(diào)節(jié)特性還不夠理想，使用性能不盡完善。例如，汽車以高檔低速上坡時(shí)，離合器往往容易打滑。因此必須提前換如低檔以防止摩擦片的早期磨損以至燒壞。這些都需要進(jìn)一步改善。
隨著汽車運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，離合器還要在原有的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)和提高，以適應(yīng)新的使用條件。從國外的發(fā)展動(dòng)向來看，近年來汽車的性能在向高速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速不斷提高，載重汽車趨向大型化，國內(nèi)也有類似的情況。此外，對離合器的使用要求也越來越高。所以，增加離合器的傳扭能力，提高其使用壽命，簡化操作，已經(jīng)成為目前離合器的發(fā)展趨勢。
第2章 液壓操縱式離合器線控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2．1 離合器特性分析
2．1．1 膜片彈簧離合器結(jié)構(gòu)與工作原理
離合器是汽車傳動(dòng)系中的一個(gè)重要組成部件。它是一種既能傳遞動(dòng)力，又能切斷動(dòng)力的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其基本功用有三：動(dòng)力傳遞、動(dòng)力切斷以及過載保護(hù)。
目前中小型車輛上應(yīng)用的離合器均為單片干式膜片離合器，它具有從動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，散熱性好，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，尺寸緊湊，分離徹底等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1所示，其中膜片彈簧是一個(gè)用薄彈簧鋼板制成的帶有錐度的彈簧，由碟簧部分和分離指部分組成，其工作情況分為三種狀態(tài)：自由狀態(tài)、接合狀態(tài)和分離狀態(tài)，分別如圖2.2所示。
圖2.1 膜片彈簧離合器結(jié)構(gòu)示意圖
1)自由狀態(tài)：當(dāng)離合器蓋總成尚未與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪裝合以前，膜片彈簧近似處于自由狀態(tài)，不承載，無變形。
2)接合狀態(tài)：當(dāng)離合器蓋總成與飛輪裝合時(shí)，離合器蓋通過后支承環(huán)對膜片彈簧中部施加壓緊力F，則膜片彈簧大端與壓盤接觸處作用著支承反力F，此時(shí)膜片彈簧被壓緊到趨近于壓平狀態(tài)的預(yù)加壓縮狀態(tài)，從而將從動(dòng)盤摩擦片壓緊在飛輪與壓盤之間，離合器處于接合位置。此時(shí)只有碟簧部分受載，分離指部分不受載。
3)分離狀態(tài)：作用于膜片彈簧小端加載半徑r處的分離力F使膜片彈簧以中部支承環(huán)為支點(diǎn)，繼續(xù)受到壓縮。此時(shí)大端壓緊力F逐漸減少直到消失，膜片彈簧呈反錐形的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。此時(shí)只有分離指部分受載，碟簧部分不受載。
圖2.2 離合器工作狀態(tài)
離合器接合過程中通過摩擦力矩實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，裝有多級減振的離合器傳動(dòng)系統(tǒng)模型如圖2.3所示。
圖2.3 多級減震離合器簡化模型
其動(dòng)力學(xué)方程為：
（2-1）
式中：
T：離合器傳遞的摩擦扭矩(N·m)
T：離合器減振器傳遞扭矩(N·m)
T：作用在離合器上的阻力矩(N·m)
T：發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩(N·m)
：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rad/s)
：離合器從動(dòng)片角速度(rad/s)
：變速箱輸入軸角速度(rad/s)
J： 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸飛輪及離合器主動(dòng)片的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg/m)
J： 離合器從動(dòng)片等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg/m)
J： 減振器、變速箱、差動(dòng)器、輪胎、整車在變速箱輸入軸軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg/m)
發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩是周期變化的，這就使得傳動(dòng)系產(chǎn)生扭矩振動(dòng)。為了改善膜片彈簧離合器的扭矩減振特性，在離合器從動(dòng)片與其輸出軸之間有一組彈簧，構(gòu)成了扭轉(zhuǎn)減振器，該減振器在結(jié)構(gòu)上保證離合器具有一定的減振性能。減振器扭矩傳遞公式為
=C+Kdt (2-2)
其中：K為減振器剛度，C為減振器阻尼，為離合器從動(dòng)片與輸出軸轉(zhuǎn)速差。
離合器實(shí)際傳遞扭矩T由以下的公式計(jì)算
(2-3)
式中Z為摩擦副數(shù)，一般干式摩擦離合器為Z=2，為接觸系數(shù)，取為0．6；q為
摩擦副單位面積壓力，R、r為摩擦片內(nèi)外半徑，u為摩擦系數(shù)，它隨離合器主從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速差而變，其關(guān)系式為
u=E+E+E+E (2-4)
其中E，E，E，E為常系數(shù)。
膜片彈簧離合器的q值與膜片彈簧的特性有密切關(guān)系，下面討論膜片彈簧的特性。
2．1．2膜片彈簧非線性特性
1)負(fù)荷特性 圖2.4是膜片彈簧負(fù)荷特性，橫坐標(biāo)是彈簧大端變形X。，縱坐標(biāo)是負(fù)荷F，即。曲線上B點(diǎn)為摩擦片磨損前離合器處于完全接合狀態(tài)時(shí)的工作點(diǎn)，離合器完全分離點(diǎn)為C點(diǎn)。在長時(shí)間使用后，摩擦片會(huì)發(fā)生磨損，離合器完全接合時(shí)膜片彈簧的工作點(diǎn)向左移到D點(diǎn)，離合器完全分離點(diǎn)左移缸到E點(diǎn)，整個(gè)膜片彈簧工作范圍將發(fā)生變化。當(dāng)磨損量增大時(shí)工作點(diǎn)移動(dòng)到A點(diǎn)，膜片彈簧將失效。
圖2.4 膜片彈簧負(fù)荷特性
2)靜壓特性 是指離合器主從動(dòng)片間的靜態(tài)壓力與分離叉行程之間的關(guān)系，它可用下式表示：
(2-5)
式中：為多項(xiàng)式函數(shù)，為膜片彈簧工作位置壓緊力。
3)扭矩傳遞特性 是指離合器傳遞的扭矩與分離叉行程之間的關(guān)系，有：
=2u (2-6)
式中：u—摩擦面的摩擦系數(shù)，—摩擦片的平均作用半徑。
將的表達(dá)式代入中得到：
(2-7)
離合器扭矩傳遞特性如圖2.5所示。從圖中可以看出，離合器有效作用行程較短，且具有非線性特性。
4)離合器磨損后扭矩傳遞特性 離合器摩擦片磨損后扭矩傳遞特性會(huì)發(fā)生改變，摩擦片磨損主要反映在彈簧壓縮量的改變，同時(shí)膜片彈簧工作位置壓緊力也隨之改變。離合器磨損后扭矩傳遞特性如圖2.6所示，從圖中可以看出：
①從動(dòng)片在不同的磨損程度下離合器最大扭矩傳遞能力不同，離合器分離叉行程不同，離合器開始接合點(diǎn)位置不同。
②從動(dòng)片在不同磨損程度下離合器扭矩傳遞對于開始接合點(diǎn)具有相同規(guī)律，這是離合器磨損自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。
③在使用過程中離合器磨損到一定程度，必須調(diào)整離合器分離軸承與分離指間的間隙。圖中C-c曲線表示即使離合器踏板完全釋放，離合器也不能完全結(jié)合。
圖2.5 離合器扭矩傳遞特性 圖2.6 離合器磨損后扭矩傳遞特性
2．2 離合器液壓操縱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析
液壓操縱機(jī)構(gòu)主要由踏板1、主缸2、工作缸7、管路系統(tǒng)和回位彈簧等組成，如圖2.7所示。液壓操縱機(jī)構(gòu)具有摩擦阻力小、傳動(dòng)效率高、質(zhì)量小、布置方便、接合柔和、其工作不受車身或車架變形以及發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的影響、便于遠(yuǎn)距離操縱等優(yōu)點(diǎn)，因此在各種汽車上的應(yīng)用日益廣泛。
圖2.7離合器液壓式操縱機(jī)構(gòu)工作原理示意圖
1—踏板 2—主缸 3—儲(chǔ)液室 4—分離杠桿
5—分離軸承 6—分離叉 7—工作缸
2．2．1離合器主缸
離合器主缸的構(gòu)造如圖2.8所示。圖2.8a為北京BJ2023型汽車離合器主缸。主缸體借助補(bǔ)償孔A、進(jìn)油孔B與儲(chǔ)液室連通。主缸體裝有活塞3，活塞中部較細(xì)，使活塞右側(cè)的主缸內(nèi)腔形成環(huán)形的油室。活塞兩端裝有密封圈2與皮碗5.活塞頂有沿圓周分布的6個(gè)小孔，活塞復(fù)位彈簧6將皮碗、活塞墊片4壓向活塞，蓋住小孔，形成單向閥，并把活塞推向最右的位置，試驗(yàn)皮碗位于補(bǔ)償孔A與進(jìn)油孔B之間，兩孔都開放。
圖2.8 汽車離合器主缸
a)北京BJ2023型汽車離合器主缸 b)紅旗CA7220型轎車離合器主缸
1—推桿 2—密封圈 3—活塞 4—活塞墊片 5—皮碗 6—活塞復(fù)位彈簧 7—主缸體
A—補(bǔ)償孔 B—進(jìn)油孔 C—出油孔
2．2．2離合器工作缸
離合器工作缸的構(gòu)造如圖2.9所示。工作缸內(nèi)裝有活塞4、皮碗3和活塞限位塊2.為防止活塞自工作缸內(nèi)脫出，在缸體右端有擋環(huán)5，缸體左端裝有進(jìn)油管接頭9與放氣螺釘8.當(dāng)管路內(nèi)有空氣存在而影響離合器操縱時(shí)，可擰出放氣螺釘進(jìn)行放氣。
圖2.9汽車離合器工作缸
a)北京BJ2023型汽車離合器工作缸 b)奧迪100型轎車離合器工作缸
1—工作缸體 2—活塞限位塊 3—皮碗 4—活塞 5—擋環(huán)
6—護(hù)罩 7—分離叉推桿總成 8—放氣螺栓 9—進(jìn)油管接頭
當(dāng)踩下離合器踏板時(shí)，通過主缸推桿1（圖2.8）使主缸活塞3向左移動(dòng)，活塞復(fù)位彈簧6被壓縮。當(dāng)皮碗5將補(bǔ)償孔A關(guān)閉后，管路中油液受壓，壓力升高。在油壓作用下，工作缸活塞（圖2.9）右移，并推動(dòng)分離叉推桿，使分離叉轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)分離杠桿、分離套筒等使離合器分離。
當(dāng)迅速放松離合器踏板時(shí)，活塞復(fù)位彈簧6（圖2.8）使主缸活塞較快地右移，而由于油液在管路中流動(dòng)有一定阻力，流動(dòng)較慢，使活塞左側(cè)形成一定的真空度。在左、右側(cè)壓力差的作用下，少量油液經(jīng)進(jìn)油孔B推開活塞墊片4和皮碗5形成的單向閥，由皮碗間隙中流到左側(cè)彌補(bǔ)真空。當(dāng)原來由主缸壓到工作缸的油液又重新回到主缸時(shí)，由于已有少量的補(bǔ)償油液經(jīng)單向閥流入，故總油量過多。這多余的油即從補(bǔ)償孔A流回儲(chǔ)液室。當(dāng)液壓系統(tǒng)中因漏油或因溫度變化引起油液的容積變化時(shí)，則借助補(bǔ)償孔A適時(shí)地使整個(gè)油路中的油量得到適當(dāng)?shù)脑鰷p，以保證正常的油壓和液壓系統(tǒng)工作的可靠性。
2．2．3離合器液壓式操縱機(jī)構(gòu)的計(jì)算
圖2.10 離合器操縱機(jī)構(gòu)主要參數(shù)計(jì)算
1.分離軸承行程的計(jì)算
(1)如圖2.10所示，設(shè)離合器踏板的行程為，踏板臂長為，連桿臂長為,踏板的自由行程為，主泵的工作缸半徑為，活塞的行程為，主缸頂桿與主缸活塞之間的間隙為，于是有
(2-8)
(2)設(shè)分泵的工作缸半徑為，活塞的行程為。在踏板的作用力下，從主缸中壓出的油量與達(dá)到工作缸的油量相等。在不考慮管路壓力損失的情況下，因油的不可壓縮性，有
(2-9)
(3)設(shè)分離叉連接工作缸推桿的連桿長為，與分離軸承接觸的連桿長為，桿端的位移量為(≈)，桿端的位移量為，分離軸承的有效行程為E，分離軸承與分離指的間隙為,有
(2-10)
在其它構(gòu)件確定的情況下，通過公式(2-8)-(2-10)式，可以根據(jù)離合器踏板的行程算出離合器分離軸承E的行程，有
(2-11)
2.離合器踏板自由行程的計(jì)算
分離軸承與分離指的間隙及主缸頂桿與主缸活塞的間隙決定踏板的自由行程，即當(dāng)駕駛員踏下踏板使得離合器分離軸承與離合器分離指接觸時(shí)，踏板的行程就是自由行程，即，，其數(shù)值可根據(jù)(2-8)-(2-10)式算出，有
(2-12)
3.計(jì)算過程
根據(jù)原車離合器操縱機(jī)構(gòu)具體數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析過程（單位：mm）。
離合器踏板杠桿比：∕=278∕50＝5.56；
分離撥叉杠桿比：∕ =112∕70.3＝1.59；
主缸、工作缸工作面積比：∕＝15.872∕20.642＝0.59；
主缸自由間隙：=1.2；分離軸承與分離指的間隙：=1；
踏板行程： =140-150；
膜片彈簧分離指設(shè)計(jì)最大分離行程： =7.5；
從動(dòng)盤飛輪面到分離指距離： =29.5±1；
從動(dòng)盤飛輪面到花鍵轂距離：＝21.5±0.5；
從動(dòng)盤花鍵轂與分離指距離：＝8.5±1；
從而算出分離軸承最大有效行程：
：(150/5.56-1.2)/1.59×0.59-1=8.57
：(140/5.56-1.2)/1.59×0.59-1=7.90
離合器踏板自由行程：
=[1×112×20.642/15.872/70.3+1.2]×5.56=21.66
2．3 離合器操縱機(jī)構(gòu)線控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．3．1離合器線控系統(tǒng)工作過程
離合器線控系統(tǒng)工作過程如圖2.11所示
圖2.11汽車離合器液壓—線控操縱系統(tǒng)工作原理示意圖
1—儲(chǔ)液室 2—踏板 3—離合器主缸 4—電磁開關(guān)閥5—進(jìn)油閥 6—液壓泵和電動(dòng)機(jī)總成
7—油箱 8—回油閥 9—離合器工作缸 10—分離叉 11、12—傳感器
汽車離合器線控操縱系統(tǒng)在原液壓操縱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改裝，首先在離合器主缸和工作缸之間安裝了電磁開關(guān)閥4，即一個(gè)常開式兩位兩通電磁閥，相當(dāng)于開關(guān)作用；其次線控部分由油箱7、液壓泵和電動(dòng)機(jī)總成6、進(jìn)油閥5、回油閥8構(gòu)成，其中進(jìn)油閥5和回油閥8均為常閉式電磁閥。傳感器11和12將位置信號輸入給電子控制單元（ECU），ECU通過控制液壓泵和電動(dòng)機(jī)總成6、進(jìn)油閥5、回油閥8以及電磁開關(guān)閥4的開啟、關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)離合器的結(jié)合、分離以及液壓、線控系統(tǒng)工作的轉(zhuǎn)換。
液壓部分工作時(shí)，電磁開關(guān)閥4斷電，保持開啟，工作原理與原系統(tǒng)相同。
線控部分工作時(shí)，電磁開關(guān)閥4通電，在彈簧作用下，閥芯關(guān)閉；液壓泵和電動(dòng)機(jī)通電，此時(shí)線控系統(tǒng)對離合器控制過程如下：
（1）離合器接合：在離合器的滑磨接合過程中，按一定的開啟和關(guān)閉時(shí)間比例控制進(jìn)油閥5，將回油閥8斷電，就可以控制離合器以期望的速度接合；
（2）離合器分離：按一定比例控制回油閥8的開啟和關(guān)閉時(shí)間比例，將進(jìn)油閥5斷電，實(shí)現(xiàn)離合器分離；
（3）離合器保持接合狀態(tài)：離合器完全接合后，使5、8兩個(gè)閥皆斷電，則離合器在壓緊彈簧的作用下保持接合狀態(tài)
2．3．2離合器線控系統(tǒng)工作原理
高速開關(guān)閥是一種新型的數(shù)字式電液轉(zhuǎn)換元件, 具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、閥口對油污染不敏感等優(yōu)點(diǎn)。它只有開和關(guān)兩種極限工作狀況, 能將ON/OFF數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換成流體脈沖信號, 極易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和液壓技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。鑒于上述優(yōu)點(diǎn), 高速開關(guān)閥的潛在的工程應(yīng)用價(jià)值已受到人們的普遍關(guān)注, 在國外的建筑機(jī)械、汽車的自動(dòng)變速機(jī)構(gòu)中已有成功應(yīng)用的實(shí)例。
本設(shè)計(jì)以PWM 高速開關(guān)閥控液壓缸位置控制系統(tǒng)為研究對象，高速開關(guān)閥采用脈寬調(diào)制（PWM）原理來控制其平均流量。所謂脈寬調(diào)制就是在一定的脈沖周期內(nèi)調(diào)節(jié)開啟時(shí)間的寬度 與 的比值即占空比的大小來滿足控制的要求。圖2.12 是占空比曲線示意圖, 其中：
=+ （2－13）
=/ （2－14）
通過PWM高速開關(guān)閥的平均流量與占空比成比例：
=Cd·Av· （2－15）
其中為通過高速開關(guān)閥的平均流量,Cd為流量系數(shù),Av為閥口通流面積,為油源壓力, 為負(fù)載壓力,為油的密度。占空比越大, 通過高速開關(guān)閥進(jìn)入油缸的平均流量越大, 油缸的運(yùn)動(dòng)速度越快,當(dāng)液壓缸的位置趨近于目標(biāo)位置時(shí), 占空比變小, 油缸減速, 從而正確地對油缸進(jìn)行位置控制。
圖2.12占空比示意圖 圖2.13脈寬調(diào)制規(guī)律
液壓缸位置系統(tǒng)的控制是通過單片機(jī)控制進(jìn)行的。單片機(jī)內(nèi)裝有A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器, 系統(tǒng)的指令信號與位移傳感器11、12（見圖2.11）的反饋信號由A/D0 和A/D1 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號, 控制程序由C語言編制而成的。它利用指令信號與反饋信號, 經(jīng)過運(yùn)算得到一個(gè)控制信號u ,D/A把u轉(zhuǎn)換為模擬信號, 將其進(jìn)行脈寬調(diào)制后傳到PWM功率放大器, 來對兩個(gè)高速開關(guān)閥實(shí)施控制,PWM功率放大器由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元組成，驅(qū)動(dòng)單元D0與閥5相連，驅(qū)動(dòng)單元D1與閥8相連。D0、D1接通，高速開關(guān)閥5、8通電狀態(tài)，反之亦然。所以，當(dāng)u＞0時(shí)，D0驅(qū)動(dòng)閥5和閥8來控制油缸向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)u＜0時(shí)，D1驅(qū)動(dòng)閥5和閥8，油缸向左運(yùn)動(dòng)；當(dāng)u=0時(shí)，油缸運(yùn)動(dòng)停止。占空比與控制信號u成比例關(guān)系, 如圖2.13所示, 如果考慮死區(qū)和飽和的影響, 當(dāng)時(shí), 高速開關(guān)閥出現(xiàn)死區(qū), 當(dāng)時(shí), 高速開關(guān)閥出現(xiàn)飽和, 高速開關(guān)閥的脈寬調(diào)制規(guī)律可用下式描述：
（2—16）
2．4 本章小結(jié)
本章分析了膜片離合器特性，結(jié)合離合器液壓操縱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理，闡述了液壓/線控系統(tǒng)原理及工作過程。說明了線控系統(tǒng)工作及液壓/線控系統(tǒng)切換的核心是電子控制單元（ECU）。液壓/線控系統(tǒng)主要由油箱、液壓泵和電動(dòng)機(jī)總成、進(jìn)油閥、回油閥等組成，系統(tǒng)切換則是在原有液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上，在離合器主缸和工作缸之間安裝一個(gè)電磁開關(guān)閥。通過將踏板位置信號和分離叉位置信號輸入給ECU進(jìn)行PWM調(diào)制，使通過電磁閥流量的隨PWM信號占空比的變化而變化，從而控制離合器油缸的進(jìn)油和回油速度，實(shí)現(xiàn)離合器不同速度下的結(jié)合和分離，滿足汽車在起步過程中的需求，同時(shí)也可達(dá)到液壓和線控系統(tǒng)的切換工作的目的。
第3章 液壓操縱式離合器線控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
NSRB型
角位移變送器
傳感器
線控系統(tǒng)
硬件組成
ECU
執(zhí)行器
單片機(jī)
STC12C5410AD
進(jìn)油閥
回油閥
開關(guān)閥
液壓泵
圖3.1 線控系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)圖
3.1 控制器的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)選用的中央控制器是STC12C5410AD單片機(jī)，下面對該單片機(jī)進(jìn)行簡單的介紹：
STC12C5410AD單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，4路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。
1. 增強(qiáng)型 8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051
2. 工作電壓：
STC12C5410AD 系列工作電壓：5.5V-3.5V （5V單片機(jī)）
STC12LE5410AD 系列工作電壓：3.6V-2.2V （3V單片機(jī)）
3. 工作頻率范圍：0～35MHz，相當(dāng)于普通8051的0～420MHz
4. 用戶應(yīng)用程序空間12K/10K/8K/6K/2K/1K字節(jié)……
5. 片上集成512字節(jié)RAM
6. 通用I/O口（27/23/15個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，強(qiáng)推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過55mA
7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片
8. 有EEPROM功能
9. 看門狗
10. 內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位（外部晶體12M以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路）
11. 時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器
用戶在下載用戶數(shù)據(jù)時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時(shí)鐘
常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.2MHz～6.8MHz
精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測試為準(zhǔn)
12. 共6個(gè)16位定時(shí)器
兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，
PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)4個(gè)16位定時(shí)器
13.2個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P1.0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在P1.1輸出時(shí)鐘
14.外部中斷9路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，PCA模式可分別或同時(shí)支持上升沿中斷/下降沿中斷，Power Down模式可由外部中斷喚醒，/P3.2，/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,PCA0/P3.7,PCA1/P3.5,PCA3/P2.4
15.PWM（4路）/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列，4路）
—— 也可用來當(dāng)做4路D/A使用
—— 也可用來再實(shí)現(xiàn)4個(gè)定時(shí)器
—— 也可用來再實(shí)現(xiàn)4個(gè)外部中斷（上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持）
16.A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路
17.通用全雙工異步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，也可再用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多串口
18.SPI同步通信口，主模式/從模式
19.工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃（商業(yè)級）
圖3.2 單片機(jī)STC12C5410AD引腳結(jié)構(gòu)圖
表3.1 STC12C5410AD系列引腳說明
3．2傳感器的選擇
在現(xiàn)代自動(dòng)化測試系統(tǒng)中，傳感器與微型計(jì)算機(jī)是必不可少的兩方面。微型計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的處理能力，但它對非電量或模擬信號是無能為力的。傳感器把非電量轉(zhuǎn)變成電量，經(jīng)過放大處理后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對信號進(jìn)行分析處理，進(jìn)而由計(jì)算機(jī)發(fā)出各種命令。
傳感器處于測量裝置的輸入端，其性能將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作質(zhì)量。因此，對傳感器的基本要求：
n 合適的靈敏度
n 較好的線性度
n 動(dòng)態(tài)特性優(yōu)良，反映速度快
n 穩(wěn)定性好，工作可靠性高
n 與測試系統(tǒng)匹配良好
位置傳感器用來測量機(jī)器人自身位置的傳感器。位置傳感器可分為兩種，直線位移傳感器和角位移傳感器。其中直線位移傳感器常用的有直線位移定位器等，具有工作原理簡單、測量精度高、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)；角位移傳感器則可選旋轉(zhuǎn)式電位器，具有可靠性高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。角位移器還可使用光電編碼器，有增量式與絕對式兩種形式。其中增量式碼盤在機(jī)器人控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
本設(shè)計(jì)選用的傳感器是NSRB型角位移變送器（如圖3.3）：
圖3.3 NSRB型角位移變送器
NSRB型角位移變送器具有線控好、長期穩(wěn)定可靠；測量角度范圍廣；外形小巧、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于礦井、礦山、數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)控制領(lǐng)域。具體技術(shù)指標(biāo)如表3.2，結(jié)構(gòu)尺寸如圖3.4。
表3.2 NSRB型角位移變送器技術(shù)指標(biāo)
量程范圍
0～30°…120°…350°或0～±15°…±175°
綜合精度
0.2%，0.5%，1%F.S
分辨率
無極限（理論）
輸出信號
4～20mA、0～5V或0～±5V、0～±10V
電源電壓
9V、12V、15V、24V
工作溫度
-10～80～100℃
溫度系數(shù)
0.05%F·S/℃
啟動(dòng)力矩
小于30mN·m（300gf·cm）
振動(dòng)
3kHz（1～10kHz）
圖3.4 NSRB型角位移變送器外形尺寸
3．3 執(zhí)行器的選擇
本設(shè)計(jì)的執(zhí)行器主要包括離合器液壓部分的電磁開關(guān)閥，線控部分的油箱、液壓泵和壓力調(diào)節(jié)器等，其中壓力調(diào)節(jié)器由進(jìn)油閥和回油閥構(gòu)成。
3．3．1 液壓泵和電動(dòng)機(jī)總成
液壓泵的類型很多。按結(jié)構(gòu)形式分：常用的齒輪泵、葉片泵、柱塞泵等。按泵的排量是否可以改變分：定量泵和變量泵。汽車上常用的液壓泵有外嚙合齒輪輪泵、內(nèi)嚙合齒輪泵、擺線轉(zhuǎn)子泵等定量泵，也有少數(shù)車型采用變量葉片泵。典型液壓泵的工作原理及主要結(jié)構(gòu)特定見表3.3。
本設(shè)計(jì)選用軸向柱塞泵。
表3.3 典型液壓泵的工作原理及主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
類型
結(jié)構(gòu)、原理示意圖
工作原理
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
外嚙合齒輪泵
當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，在A腔，由于輪齒脫開使容積逐漸增大，形成真空從油箱吸油，隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)充滿在齒槽內(nèi)的油被帶到B腔，在B腔，由于輪齒嚙合，容積逐漸減小，把液壓油排出
利用齒和泵殼形成的封閉容積的變化，完成泵的功能，不需要配流裝置，不能變量
? 結(jié)構(gòu)最簡單、價(jià)格低、徑向載荷大
內(nèi)嚙合齒輪泵
當(dāng)傳動(dòng)軸帶動(dòng)外齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，與此相嚙合的內(nèi)齒輪也隨著旋轉(zhuǎn)。吸油腔由于輪齒脫開而吸油，經(jīng)隔板后，油液進(jìn)入壓油腔，壓油腔由于輪齒嚙合而排油
典型的內(nèi)嚙合齒輪泵主要有內(nèi)齒輪、外齒輪及隔板等組成
? 利用齒和齒圈形成的容積變化，完成泵的功能。在軸對稱位置上布置有吸、排油口。不能變量
? 尺寸比外嚙合式略小，價(jià)格比外嚙合式略高，徑向載荷大
葉片泵
轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片在離心力和壓力油的作用下，尖部緊貼在定子內(nèi)表面上。這樣兩個(gè)葉片與轉(zhuǎn)子和定子內(nèi)表面所構(gòu)成的工作容積，先由小到大吸油后再由大到小排油，葉片旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，完成兩次吸油和兩次排油
利用插入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的葉片間容積變化，完成泵的作用。在軸對稱位置上布置有兩組吸油口和排油口
? 徑向載荷小，噪聲較低流量脈動(dòng)小
柱塞泵
柱塞泵由缸體與柱塞構(gòu)成，柱塞在缸體內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在工作容積增大時(shí)吸油，工作容積減小時(shí)排油。采用端面配油
徑向載荷由缸體外周的大軸承所平衡，以限制缸體的傾斜
? 利用配流盤配流
? 傳動(dòng)軸只傳遞轉(zhuǎn)矩、軸徑較小。由于存在缸體的傾斜力矩，制造精度要求較高，否則易損壞配流盤
電動(dòng)機(jī)選用微電機(jī)，如圖3.5。電動(dòng)機(jī)由ECU控制，當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，液壓泵把儲(chǔ)存在油箱中的油液輸送到進(jìn)油閥中。
圖3.5微電機(jī)實(shí)物圖
微電機(jī)性能參數(shù)如下表3.4所示。
表3.4微電機(jī)性能參數(shù)
品牌型號
BIG 130
額定電壓（V）
12
額定功率（kW）
1
額定電流（A）
0.15
額定轉(zhuǎn)速（rpm）
3000
額定轉(zhuǎn)矩（Nm）
1
3．3．2開關(guān)閥
開關(guān)閥是利用閥芯相對于閥體的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到特定的工作位置，使不同的油路接通、關(guān)閉，從而變換液壓油流動(dòng)的方向，改變執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向。對開關(guān)閥的主要性能要求有：油路導(dǎo)通時(shí)，壓力損失要??；油路切斷時(shí)，泄漏要少；閥體換位時(shí)，操縱力要小等。
本設(shè)計(jì)選用的為常開式兩位兩通電磁開關(guān)閥。斷電時(shí)，離合器的操縱模式為液壓控制；通電時(shí)，離合器的操縱模式為線控方式。
3．3．3 進(jìn)油閥和回油閥
進(jìn)油閥和回油閥共有三個(gè)工作狀態(tài)，增壓、減壓和保壓，對應(yīng)電磁閥狀態(tài)如表3.4。增壓狀態(tài)下，進(jìn)油閥通電，回油閥斷電，進(jìn)油閥被打開，回油閥常閉，液壓油直連離合器工作缸，工作缸壓力上升；減壓狀態(tài)下，進(jìn)油閥斷電，回油閥通電，進(jìn)油閥被關(guān)閉，回油閥被打開，工作缸壓力降低；保壓狀態(tài)下，進(jìn)油閥和回油閥皆斷電，兩電磁閥均常閉，與外界油路不相通，離合器工作缸壓力保持不變．通過這三個(gè)狀態(tài)的切換，即可控制離合器工作缸壓力，從而實(shí)現(xiàn)離合器的結(jié)合和分離。
表3.4 電磁閥各工作狀態(tài)對應(yīng)離合器工作缸狀態(tài)
工作狀態(tài)
電磁閥
增壓狀態(tài)
減壓狀態(tài)
保壓狀態(tài)
進(jìn)油閥線圈狀態(tài)/閥口狀態(tài)
通電/開啟
斷電/常閉
斷電/常閉
回油閥線圈狀態(tài)/閥口狀態(tài)
斷電/常閉
通電/開啟
斷電/常閉
本設(shè)計(jì)中電磁閥選用高速電磁閥。高速電磁閥的驅(qū)動(dòng)模塊可分為如下三種：調(diào)壓式、增壓式和電容式驅(qū)動(dòng)模塊。其中調(diào)壓式驅(qū)動(dòng)模塊按工作方式不同又可分為線性調(diào)壓驅(qū)動(dòng)和PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)壓式驅(qū)動(dòng)兩種。線性調(diào)壓式驅(qū)動(dòng)采用12V車用電瓶電壓，對其進(jìn)行線性調(diào)節(jié)以得到合理的電磁線圈驅(qū)動(dòng)電流。PWM調(diào)壓式驅(qū)動(dòng)具有節(jié)約能耗、電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點(diǎn)。在相同工作條件下，PWM驅(qū)動(dòng)模塊消耗的能量比線性驅(qū)動(dòng)模塊少近1/3，因?yàn)楫?dāng)控制閥關(guān)閉后，PWM驅(qū)動(dòng)模塊可以調(diào)節(jié)電磁線圈中的維持電流，而線性調(diào)壓驅(qū)動(dòng)模塊卻只能提供定常的維持電流。
所選用的高速電磁閥是由電磁鐵和兩位兩通開關(guān)閥組成，如圖3.6。該閥采用銜鐵下置的圓盤式電磁鐵，而閥本體結(jié)構(gòu)為兩位兩通式。當(dāng)電磁鐵線圈上電流為零（未激勵(lì)），電磁吸力為零，此時(shí)，由于作用在閥芯上的彈簧預(yù)壓縮力大于由進(jìn)口油壓力形成的作用于閥芯上的油壓作用力，所以閥口關(guān)閉，進(jìn)油口和出油口不通。當(dāng)電磁鐵線圈上電流加大（激勵(lì)）后，作用于銜鐵（閥芯）上的電磁鐵吸力亦增大，若此時(shí)電磁吸力與油壓作用力的合力大于彈簧預(yù)壓縮力，閥芯即迅速向上運(yùn)動(dòng)而閥口開啟，使得進(jìn)油口和出油口相通，控制腔油壓力亦由進(jìn)油口壓力開始下降。當(dāng)保持電磁鐵線圈上電流為合適值時(shí)，電磁鐵吸力為最大值，銜鐵（閥芯）則處于最大的吸合位置，此時(shí)閥口為最大開度，而彈簧作用力也為最大。若這時(shí)迅速切斷電磁鐵線圈上電流，則電磁鐵吸力為零，在彈簧作用下，銜鐵（閥芯）即迅速向下運(yùn)動(dòng)而使閥口關(guān)閉，此時(shí)，進(jìn)油口與出油口不通，控制腔油壓力又等于進(jìn)油口壓力，閥又恢復(fù)到初始狀態(tài)，當(dāng)電磁鐵線圈上的電流按上述規(guī)律變化時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了電磁閥的高速通斷功能。
圖3.6 進(jìn)油（回油）電磁閥
3．4 執(zhí)行器測試
離合器執(zhí)行器是能否實(shí)現(xiàn)離合器分離接合動(dòng)作的關(guān)鍵，同時(shí)又是離合器控制的直接控制目標(biāo)，執(zhí)行器的好壞直接影響著離合器結(jié)合和分離的效果。離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的測試目的就是驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)離合器的分離接合動(dòng)作，并且了解該機(jī)構(gòu)的基本特性，為控制算法的編寫和控制策略的制定提供依據(jù)和參考。
測試內(nèi)容包括：
離合器執(zhí)行器的功能測試，能否實(shí)現(xiàn)離合器簡單的分離和接合。
離合器執(zhí)行器的性能測試，包括液壓泵性能的測試，執(zhí)行器響應(yīng)特性，執(zhí)行器工作時(shí)的各部件運(yùn)行參數(shù)的變化等。
3．5 驅(qū)動(dòng)電路
圖3.7 控制模式選擇信號電路圖
圖3.8 踏板位置傳感器電路圖 圖3.9 分離叉位置傳感器電路圖
圖3.10 輸出驅(qū)動(dòng)電路圖
3．6本章小結(jié)
本章根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了硬件系統(tǒng)的選擇，同時(shí)對選擇的硬件從經(jīng)濟(jì)、硬件來源等方面分析其結(jié)構(gòu)功能、選擇理由。首先對STC單片機(jī)功能進(jìn)行研究，掌握了基本控制功能，為后續(xù)軟件程序的編制做好準(zhǔn)備；其次是對傳感器的選擇，考慮到踏板位移和分離叉位移數(shù)據(jù)采集的特殊性，選用了角位移形式的傳感器，便于控制算法的運(yùn)用，從而有利于控制程序的編寫；還有就是對執(zhí)行器的選擇和設(shè)計(jì)，從空間尺寸、結(jié)構(gòu)功能等多方面進(jìn)行考慮，最終完成了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，對軟件控制程序的編寫提供了方向。
第4章 液壓操縱式離合器線控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
本章在液壓操縱式離合器線控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)研制基礎(chǔ)上，對線控系統(tǒng)軟件進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)與開發(fā)。期間，本課題主要采用了Keil uVision3軟件，編制線控系統(tǒng)的控制程序。
4．1主程序流程
主程序首先要通過上電初始化為單片機(jī)建立一個(gè)運(yùn)行環(huán)境，這包括時(shí)鐘、內(nèi)存、輸入輸出端口、中斷向量、液壓執(zhí)行元件等方面的初始化。之后進(jìn)行是否選擇線控模式控制的判斷，若進(jìn)行線控模式控制，則啟動(dòng)液壓泵，電磁開關(guān)閥通電。這時(shí)通過對踏板位移與分離叉位移大小的比較，采用PID控制算法，利用PWM對進(jìn)油閥和回油閥占空比的控制，實(shí)現(xiàn)離合器工作缸活塞位置的精確控制。實(shí)現(xiàn)最后再次進(jìn)行模式控制的選擇，進(jìn)入控制循環(huán)。主程序的流程圖如4.1所示。
上電
單片機(jī)復(fù)位
初始化單片機(jī)
回油閥通電，開關(guān)閥、進(jìn)油閥、液壓泵斷電
線控模式？
否
是
啟動(dòng)液壓泵
開關(guān)閥通電
踏板位移與
分離叉位移差
回油閥PWM增加，
進(jìn)油閥斷電，快接合；
回油閥PWM減小，進(jìn)油閥斷電，慢接合
進(jìn)油閥PWM增加，
回油閥斷電，快分離；
進(jìn)油閥PWM減小，
回油閥斷電，慢分離
小于0 等于0
進(jìn)油閥和回油閥均斷電
離合器工作缸處于
保壓狀態(tài)
線控模式嗎？
是
否
圖4.1主程序流程圖
4．2初始化流程
在上電后，系統(tǒng)為了保證正常運(yùn)行，需要在離合器工作前進(jìn)行初始化操作。該操作括兩部分：
(1) 系統(tǒng)初始化：包括時(shí)鐘初始化、內(nèi)存初始化、中斷初始化、I/O口設(shè)置、全局變量初始化、通信波特率設(shè)置、信號采集設(shè)置等；
(2)液壓執(zhí)行元件初始化：接通回油閥和開關(guān)閥，切斷進(jìn)油閥和液壓泵電源。兩部分之間依照以上次序依次進(jìn)行，當(dāng)進(jìn)入控制循環(huán)后，初始化程序即不再被執(zhí)行，除非關(guān)閉電源。
4．3控制算法
本設(shè)計(jì)采用模擬PID控制原理。
常規(guī)的模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4.2所示，該系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。圖中，是給定值，是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成的控制偏差
=－ （4—1）
作為PID控制器的輸入，作為PID控制器的輸出和被控對象的輸入。所以模擬PID控制器的控制規(guī)律為
（4—2）
式中—比例系數(shù)；
—積分常數(shù)；
—微分常數(shù)；
—控制常量。
比例
積分
微分
被控對象
+ + +
- +
圖4.2 模擬PID控制系統(tǒng)原理圖
本設(shè)計(jì)中踏板位置信號相當(dāng)于，分離叉位置信號相當(dāng)于，則-即為。由式（4—2）可見，只有當(dāng)偏差存在時(shí)，第一項(xiàng)才有控制量輸出。
1）在PID控制系統(tǒng)中，被控對象的狀態(tài)與設(shè)定值的誤差很小，甚至可以忽略不計(jì)。
2）在PID控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一直工作的，且工作強(qiáng)度是可以調(diào)節(jié)的，即可以從停止工作狀態(tài)調(diào)整到滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到的控制信號是一個(gè)準(zhǔn)模型信號。
3）在PID控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用力總是極力平衡外界對被控對象的作用力，從而使得被控對象的狀態(tài)能夠穩(wěn)定在設(shè)定值上。
PID控制系統(tǒng)輸出的控制信號必須根據(jù)控制對象的狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以便維持控制對象狀態(tài)的穩(wěn)定，為此，必須及時(shí)掌握控制對象的狀態(tài)信息。
在PID控制系統(tǒng)的每個(gè)采樣周期中，通過傳感器采集到的當(dāng)前狀態(tài)信息組成了一個(gè)數(shù)據(jù)系列：
從這些采集數(shù)據(jù)系列中至少可以挖掘出3中信息：
（1）當(dāng)前的控制效果：當(dāng)前的采樣數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，比較的結(jié)果就是當(dāng)前的控制誤差，當(dāng)前的控制誤差的大小和極性反映了當(dāng)前的控制效果：
式中，Set是設(shè)定值；是第k次采樣得到的采樣值；是第k磁材央視的控制誤差。第k次采樣時(shí)的控制效果可以控制誤差來表示；當(dāng)小于Set時(shí)，控制誤差為正，說明控制對象的狀態(tài)還沒有達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)大于Set時(shí)，控制誤差為負(fù)，說明控制對象的狀態(tài)已經(jīng)超過了設(shè)定值。
（2）投入運(yùn)行以來控制效果的總體評估：在每次采樣后，都進(jìn)行誤差計(jì)算，就可以得到一個(gè)誤差數(shù)據(jù)系列：
誤差數(shù)據(jù)系列反應(yīng)了控制系統(tǒng)控制效果的歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)投入運(yùn)行以來控制效果的總體評估可以用個(gè)誤差數(shù)據(jù)系列的總和來表示，即：
從累計(jì)誤差的計(jì)算方法可以看出，這里實(shí)際上采用了數(shù)值積分算法，故累計(jì)誤差也就是誤差的積分值。由于控制誤差有正有負(fù)，誤差積分的結(jié)果使用也可能為正，也可能為負(fù)。當(dāng)為正時(shí)，說明到目前為止控制對象的狀態(tài)總體上低于設(shè)定值，或者說大多數(shù)情況下低于設(shè)定值。當(dāng)為負(fù)時(shí)，說明到目前為止控制對象的狀態(tài)總體上超過設(shè)定值，或者說大多數(shù)情況下超過設(shè)定值。
（3） 下一時(shí)刻的變化趨勢，由于控制對象和外部作用均有一定的慣性，狀態(tài)變化也有一定的慣性，即控制對象的狀態(tài)不能突變，某個(gè)時(shí)刻的變化趨勢將在很大程度上被延續(xù)到下一個(gè)時(shí)刻。故下一時(shí)刻的變化趨勢可以從誤差的變化趨勢中看出來：
從式中可以看出，變化趨勢就