AMT变速箱离合器仿真台及离合器分离与接合的仿真方法

摘要

本发明公开了一种AMT变速箱离合器仿真台，其蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构（3）通过第一弹性联轴器（2）和第一刚性直线联轴器（4）分别与直流驱动电机（1）和力和位移传感器（5）连接，力和位移传感器通过第二刚性直线联轴器（6）与运动方式转换机构（7）连接，运动方式转换机构和转速扭矩传感器（9）、三级齿轮增速减扭机构（11）及负载直流电机（13）之间通过第二、三、四弹性联轴器（8、10、12）顺序连接；直流驱动电机、力和位移传感器、转速扭矩传感器、负载直流电机和变速箱控制单元（14）均与dSPACE硬件系统（16）电连接并互传信号；直流电源（15）与变速箱控制单元连接并提供工作电源；优点是通过性好。

说明书

技术领域

 本发明涉及汽车部件的仿真台及方法，具体涉及AMT变速箱离合器仿真台及离合器分离与接合的仿真方法，，用于仿真AMT变速箱的离合器在车辆各种工况下的运行情况。

背景技术

国内外离合器的试验台多种多样，但是基本上都是以变速箱实物为基础进行的验证离合器与变速箱匹配的性能和功能，这只是变速箱设计验证阶段的工作，而设计阶段是否能进行离合器匹配分析，国内变速箱工作者一直在进行研究。

AMT变速箱离合器的仿真在国际上一般采用dSPACE硬件系统（其能与MATLAB/simulink进行无缝连接，可作为控制原型和硬件进行在环仿真）、AMT变速箱仿真模型（其包含在dSPACE硬件系统中）和虚拟负载来实现，其具有操作性好、可靠性高等优点。但是它也具有一定的局限性，对于不同型号的AMT变速箱，其离合器的仿真通用性不高，特别是在AMT变速箱前期开发阶段，离合器与变速箱匹配性能分析的仿真精度还不够高。因此，国内很多变速箱企业和整车厂设计了各种样式的真实负载来代替虚拟负载，但是很多采用真实负载的仿真平台都有加载滞后、加载量无法保留、无法实现离合器自学习和自适应等问题；也有一些厂家在仿真平台上设计了预判加载系统，但是其无法提前采集执行机构的精确位置，从而导致加载精度不高，且存在一定的安全隐患。

发明内容

    本发明解决的技术问题是提供一种通用性好、精度高、能够保留载量、自学习和自适应的AMT变速箱离合器仿真台及离合器分离与接合的仿真方法，以使离合器分离和接合与加载真实负载同步进行，且保留加载量，能仿真AMT变速箱实际工况时的离合器分离和接合过程，为AMT变速箱前期开发打下基础。

为了解决上述技术问题，本发明的一种AMT变速箱离合器仿真台，包括运动方式转换机构、转速扭矩传感器、变速箱控制单元、直流电源和dSPACE硬件系统：还包括直流驱动电机、蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构、力和位移传感器、三级齿轮增速减扭机构和负载直流电机；

所述蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构一端通过第一弹性联轴器与直流驱动电机连接，另一端通过第一刚性直线联轴器与力和位移传感器的一端连接，力和位移传感器的另一端通过第二刚性直线联轴器与运动方式转换机构一端连接，所述运动方式转换机构另一端和转速扭矩传感器、三级齿轮增速减扭机构及负载直流电机之间通过第二、第三及第四弹性联轴器顺序连接；

所述直流驱动电机、力和位移传感器、转速扭矩传感器、负载直流电机和变速箱控制单元均通过dSPACE硬件系统之间电连接并进行信号的传递；所述直流电源与变速箱控制单元电连接，提供工作电源；

所述直流驱动电机带动蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构转动；并根据蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构采集的离合器是否已经完全分离或者是否已经完全接合的位置信号，确定是否负载加载；

所述蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构将直流驱动电机输出的旋转运动转化成直线运动，将直流驱动电机输出的较小的扭矩转化为较大的拉力；实时采集、并向dSPACE硬件系统提供离合器是否已经完全分离或者是否已经完全接合的位置信号，仿真输出离合器的无扭矩传递、扭矩增加和扭矩稳定三个阶段的状态的信号；

所述力和位移传感器实时仿真模拟和向dSPACE硬件系统提供离合器的实际磨损情况；并接受经dSPACE硬件系统仿真模型中计算出的离合器磨损系数信号，自动修正离合器的半接合点，使离合器不因磨损而影响其性能；

所述转速扭矩传感器实时测量和向dSPACE硬件系统提供真实负载加载的量；

所述三级齿轮增速减扭机构对负载直流电机输出的较小扭矩和较快转速进行第二次的增速减扭；

所述负载直流电机根据蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构采集的离合器是否已经完全分离或者是否已经完全接合的位置信号，确定是否负载加载；

所述变速箱控制单元根据离合器所处的位置，控制负载直流电机的旋转速度，并接受dSPACE硬件系统根据转速扭矩传感器实时测量所提供的真实负载加载的量进行仿真模型计算、匹配后所提供的是否满足负载的信号，并根据该信号控制负载直流电机继续加载或者停止加载；所述变速箱控制单元还向dSPACE硬件系统传递离合器的下一步运动状态信号；并接受dSPACE硬件系统反馈的经仿真计算离合器所处的位置信号；

所述dSPACE硬件系统根据蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构提供的离合器的位置信号和变速箱控制单元传递的离合器下一步运动状态信号，仿真模型计算出离合器所处的位置以及需要加载的量，同时把位置信号反馈给变速箱控制单元；

进一步，所述蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构包括具有自锁功能的单头蜗杆、蜗轮、齿轮、齿条以及角度传感器；所述单头的蜗杆与蜗轮配合实现自锁；所述单头蜗杆通过第二弹性联轴器与直流驱动电机连接，使直流驱动电机实现解锁；蜗轮具有内齿轮，齿轮与蜗轮的内齿轮啮合，齿条与齿轮配合，将直流驱动电机输出的旋转运动转化成直线运动，并将直流驱动电机输出的较小的扭矩转化为较大的拉力；角度传感器与齿条配合，根据齿条转过的角度仿真AMT变速箱中离合器执行机构所处的位置；所述角度传感器实时采集离合器是否已经完全分离或者是否已经完全接合的位置信号，反馈给dSPACE硬件系统判断；

进一步，所述驱动直流电机、蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构、力和位移传感器、变速箱控制单元及dSPACE硬件系统组成自适应驱动系统，仿真时，所述蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构实时采集离合器所处的位置，仿真出离合器的无扭矩传递、扭矩增加和扭矩稳定三个阶段的状态信号，所述力和位移传感器实时仿真模拟离合器的实际磨损情况。

进一步，所述运动方式转换机构、三级齿轮增速减扭机构、负载直流电机、变速箱控制单元、转速扭矩传感器及dSPACE硬件系统组成负载实时加载系统；蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构输出较大的拉力并通过合适的传动比进行降扭增速。转速扭矩传感器把直线运动转化为旋转运动；负载直流电机输出的扭矩较小且转速较快，所述三级齿轮增速减扭机构对负载直流电机输出的较小扭矩和较快转速进行第二次的增速减扭；所述dSPACE硬件系统根据蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构提供的离合器的信号位置和变速箱控制单元传递的离合器下一步运动状态信号，仿真模型计算出离合器所处的位置以及需要加载的量，同时把位置信号反馈给变速箱控制单元，其根据离合器所处的位置，控制负载直流电机的旋转速度并进行相应的加载。转速扭矩传感器（9）测量出真实负载加载的量，反馈给dSPACE硬件系统，与仿真模型计算的进行匹配；不满足，负载继续加载；加载满足，负载电机停止加载，同时自锁机构起作用，保留其加载量。

采取上述AMT变速箱离合器仿真平台进行离合器分离与接合的仿真方法，包括如下步骤：

1）离合器自学习：首先，变速箱控制单元控制直流驱动电机对离合器物理点的最大点和最小点进行学习；其次，在dSPACE硬件系统的操作面板输入相应离合器传递的扭矩，学习离合器的半接合点；

2）离合器自适应：在dSPACE硬件系统的操作面板输入相应离合器使用时间，仿真模型中计算出离合器磨损系数，力和位移传感采集的位移信号结合离合器磨损系数自动修正离合器的半接合点，使离合器不因磨损而影响其性能；

3）仿真离合器的分离与接合：仿真开始时，变速箱控制单元控制仿真台进行离合器的自学习和自适应，完成后并且无故障时把完成信号传递给dSPACE硬件系统；

dSPACE硬件系统根据操作面板中输入的相应工况进行模拟仿真；

变速箱控制单元接受到dSPACE硬件系统发出的换档信号时，发出离合器分离命令，直流驱动电机接受该离合器分离命令，即带动蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构转动；

蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构的角度传感器实时采集离合器是否已经完全分离或者是否已经完全接合的位置信号，反馈给dSPACE硬件系统判断；

经判断；若没有完全分离，dSPACE硬件系统不发出任何信号，直流驱动电机继续运转直至完全分离；若完全分离，发出离合器分离完成信号，直流驱动电机停止动作；同时，仿真模型进行选换档，换档完成后，dSPACE硬件系统发出离合器接合的命令，变速箱控制单元向直流驱动电机发出接合指令；变速箱控制单元根据实际工况采用快、慢、快接合策略；经判断；若没有完全接合，dSPACE硬件系统不发出任何信号，直流驱动电机继续运转直至完全接合，若完全分离，发出离合器接合完成信号，直流驱动电机停止动作；

变速箱控制单元发出接合命令的同时向直流负载电机发出加载命令，加载量由dSPACE硬件系统计算而得；

转速扭矩传感器）实时采集负载加载量，反馈给dSPACE硬件系统，仿真模型进行仿真计算，判断加载量是否满足要求，不满足时不发出任何信号，直流负载电机继续加载，过载时发出方向信号进行卸载；满足时，发出完成命令，直流负载电机停止加载；加载完成后，直流负载电机并没有完成其工作，根据离合器所处的位置，随时进行加载，直至离合器完全接合，变速箱控制单元向直流负载电机发出离合器接合完成的命令,仿真结束。

本发明的AMT变速箱离合器仿真台及离合器分离与接合仿真的方法，包含如下有益效果；

1、采用蜗轮蜗杆自锁机构以及运动方式转换机构，能够克服加载滞后和加载量无法保留的问题，并能够解决安全隐患，具有离合器自学习功能；

2、采用力和位移传感器，能够真实的反应离合器在实际使用过程中因磨损对整车性能的影响，使仿真台具备离合器自适应功能；

3、采用蜗轮蜗杆自锁机构中的角度传感器，运动方式转换机构，转速扭矩传感器，增速减扭机构配合直流驱动电机，直流负载电机以及变速箱控制单元，能仿真AMT变速箱实际工况时的离合器分离和接合过程；

4、采用真实负载加载，直流驱动电机和直流电机加载都是蜗轮蜗杆自锁机构中的角度传感器的信号判断后同时进行，使本发明可以在AMT变速箱实体设计前就对AMT变速箱与离合器匹配进行仿真分析，不仅能够仿真AMT变速箱的各种工况的离合器的各种性能，也能测试AMT控制软件，为AMT变速箱的实体设计和控制软件的编写都打下坚实的基础；并且使本发明的仿真平台操作简单、功能齐全、仿真精度高及安全性好。

附图说明

图1为本发明AMT变速箱离合器仿真台的结构框图。

图2为本发明的蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1所示，本发明的一种AMT变速箱离合器仿真台，包括运动方式转换机构7、转速扭矩传感器9、变速箱控制单元14、直流电源15和dSPACE硬件系统16：还包括直流驱动电机1、蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构3、力和位移传感器5、三级齿轮增速减扭机构11和负载直流电机13；

所述蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构3一端通过第一弹性联轴器2与直流驱动电机1连接，另一端通过第一刚性直线联轴器4与力和位移传感器5的一端连接，力和位移传感器5的另一端通过第二刚性直线联轴器6与运动方式转换机构7一端连接，所述运动方式转换机构7另一端和转速扭矩传感器9、三级齿轮增速减扭机构11及负载直流电机13之间通过第二弹性联轴器8、第三弹性联轴器10及第四弹性联轴器12顺序连接；

所述直流驱动电机1、力和位移传感器5、转速扭矩传感器9、负载直流电机13和变速箱控制单元14均通过dSPACE硬件系统16之间电连接并进行信号的传递；所述直流电源15与变速箱控制单元14电连接，提供12V工作电源；

所述直流驱动电机1带动蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构3转动；并根据蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构3采集的离合器是否已经完全分离或者是否已经完全接合的位置信号，确定是否负载加载；

所述蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构3将直流驱动电机1输出的旋转运动转化成直线运动，将直流驱动电机1输出的较小的扭矩转化为较大的拉力；实时采集、并向dSPACE硬件系统16提供离合器是否已经完全分离或者是否已经完全接合的位置信号，仿真输出离合器的无扭矩传递、扭矩增加和扭矩稳定三个阶段的状态的信号；

所述力和位移传感器5实时仿真模拟和向dSPACE硬件系统16提供离合器的实际磨损情况；并接受经dSPACE硬件系统16仿真模型中计算出的离合器磨损系数信号，自动修正离合器的半接合点，使离合器不因磨损而影响其性能；

所述转速扭矩传感器9实时测量和向dSPACE硬件系统16提供真实负载加载的量；

所述三级齿轮增速减扭机构11对负载直流电机13输出的较小扭矩和较快转速进行第二次的增速减扭；

所述负载直流电机13根据蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构3采集的离合器是否已经完全分离或者是否已经完全接合的位置信号，确定是否负载加载；

所述变速箱控制单元14根据离合器所处的位置，控制负载直流电机13的旋转速度，并接受dSPACE硬件系统16根据转速扭矩传感器9实时测量所提供的真实负载加载的量进行仿真模型计算、匹配后所提供的是否满足负载的信号，并根据该信号控制负载直流电机13继续加载或者停止加载；所述变速箱控制单元14还向dSPACE硬件系统16传递离合器的下一步运动状态信号；并接受dSPACE硬件系统16反馈的经仿真计算离合器所处的位置信号；

所述dSPACE硬件系统16根据蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构3提供的离合器的位置信号和变速箱控制单元14传递的离合器下一步运动状态信号，仿真模型计算出离合器所处的位置以及需要加载的量，同时把位置信号反馈给变速箱控制单元14。

参见图2所示 ，所述蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构3包括具有自锁功能的单头蜗杆17、蜗轮18、齿轮19、齿条21以及角度传感器20；所述单头的蜗杆17与蜗轮18配合实现自锁；所述单头蜗杆17通过第二弹性联轴器2与直流驱动电机1连接，使直流驱动电机1实现解锁；蜗轮18具有内齿轮19，齿轮19与蜗轮18的内齿轮啮合，齿条21与齿轮19配合，将直流驱动电机1输出的旋转运动转化成直线运动，并将直流驱动电机1输出的较小的扭矩转化为较大的拉力；角度传感器20与齿条21配合，根据齿条21转过的角度仿真AMT变速箱中离合器执行机构所处的位置；所述角度传感器20实时采集离合器是否已经完全分离或者是否已经完全接合的位置信号，反馈给dSPACE硬件系统16判断；离合器中有复位弹簧，因此离合器处于分离状态时，复位弹簧作用使离合器有往接合方向运动的趋势，而自锁结构阻止离合器的复位运动，比较真实的模拟仿真离合器的实际接合和分离状态。

在本发明中，所述驱动直流电机1、蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构3、力和位移传感器5、变速箱控制单元14及dSPACE硬件系统16组成自适应驱动系统，仿真时，所述蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构3实时采集离合器所处的位置，仿真出离合器的无扭矩传递、扭矩增加和扭矩稳定三个阶段的状态信号，所述力和位移传感器5实时仿真模拟离合器的实际磨损情况。

在本发明中，所述运动方式转换机构7、三级齿轮增速减扭机构11、负载直流电机13、变速箱控制单元14、转速扭矩传感器9及dSPACE硬件系统16组成负载实时加载系统；蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构3输出较大的拉力并通过合适的传动比进行降扭增速。转速扭矩传感器9把直线运动转化为旋转运动；负载直流电机13输出的扭矩较小且转速较快，所述三级齿轮增速减扭机构11对负载直流电机13输出的较小扭矩和较快转速进行第二次的增速减扭；所述dSPACE硬件系统16根据蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构3提供的离合器的信号位置和变速箱控制单元14传递的离合器下一步运动状态信号，仿真模型计算出离合器所处的位置以及需要加载的量，同时把位置信号反馈给变速箱控制单元14，其根据离合器所处的位置，控制负载直流电机13的旋转速度并进行相应的加载。转速扭矩传感器9测量出真实负载加载的量，反馈给dSPACE硬件系统16，与仿真模型计算的进行匹配；不满足，负载继续加载；加载满足，负载电机停止加载，同时自锁机构起作用，保留其加载量。

采取上述AMT变速箱离合器仿真平台进行离合器分离与接合的仿真方法，包括如下步骤：

1）离合器自学习：首先，变速箱控制单元14控制直流驱动电机1对离合器物理点的最大点和最小点进行学习；其次，在dSPACE硬件系统16的操作面板输入相应离合器传递的扭矩，学习离合器的半接合点；

2）离合器自适应：在dSPACE硬件系统16的操作面板输入相应离合器使用时间，仿真模型中计算出离合器磨损系数，力和位移传感5采集的位移信号结合离合器磨损系数自动修正离合器的半接合点，使离合器不因磨损而影响其性能；

3）仿真离合器的分离与接合：仿真开始时，变速箱控制单元14控制仿真台进行离合器的自学习和自适应，完成后并且无故障时把完成信号传递给dSPACE硬件系统16；

dSPACE硬件系统16根据操作面板中输入的相应工况进行模拟仿真；

变速箱控制单元14接受到dSPACE硬件系统16发出的换档信号时，发出离合器分离命令，直流驱动电机1接受该离合器分离命令，即带动蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构3转动；

蜗轮蜗杆齿轮齿条自锁减速机构3的角度传感器20实时采集离合器是否已经完全分离或者是否已经完全接合的位置信号，反馈给dSPACE硬件系统16判断；

经判断；若没有完全分离，dSPACE硬件系统16不发出任何信号，直流驱动电机1继续运转直至完全分离；若完全分离，发出离合器分离完成信号，直流驱动电机1停止动作；同时，仿真模型进行选换档，换档完成后，dSPACE硬件系统16发出离合器接合的命令，变速箱控制单元14向直流驱动电机1发出接合指令；变速箱控制单元14根据实际工况采用快、慢、快接合策略；经判断；若没有完全接合，dSPACE硬件系统16不发出任何信号，直流驱动电机1继续运转直至完全接合，若完全分离，发出离合器接合完成信号，直流驱动电机1停止动作；

变速箱控制单元14发出接合命令的同时向直流负载电机13发出加载命令，加载量由dSPACE硬件系统16计算而得；

转速扭矩传感器9实时采集负载加载量，反馈给dSPACE硬件系统16，仿真模型进行仿真计算，判断加载量是否满足要求，不满足时不发出任何信号，直流负载电机13继续加载，过载时发出方向信号进行卸载；满足时，发出完成命令，直流负载电机13停止加载；加载完成后，直流负载电机13并没有完成其工作，根据离合器所处的位置，随时进行加载，直至离合器完全接合，变速箱控制单元14向直流负载电机13发出离合器接合完成的命令,仿真结束。