0 引言
离合器是车辆自动变速器重要的换挡执行元件，换挡品质的好坏取决于对离合器油压缓冲控制的品质[1-4]。多片湿式离合器油压缓冲控制过程可分为快充油、油压调节及完全接合三个阶段，其中离合器快充油控制是离合器油压缓冲控制过程的关键阶段。理想的快充油时间是使摩擦片与钢片处于轻微的滑摩状态，此时离合器调压过程控制会更容易且离合器油压缓冲过程较短[5-8]。但理想的快充油时间并不是固定值，受油温、转速等因素的影响，因此本文通过理论分析及仿真,研究了各种因素对离合器快充油时间的影响，为了获得理想的离合器快充油时间，制定了离合器快充油控制策略，并进行了试验验证。
1 离合器快充油时间的影响因素理论分析
图1为自动变速器常见的离合器油压缓冲控制原理图，该系统是以电磁阀为先导阀，以双边节流滑阀为后置流量和压力放大装置，构成的二级阀系统[9]。
图1 离合器充放油控制原理图
Fig.1 Clutch charge and discharge control schematic
在快充油阶段电磁阀的进油口完全打开，其控制的双边节流滑阀进油口迅速开启至最大，回油口则迅速关闭，若忽略间隙泄漏的影响，则认为进入离合器油缸的流量等于进入油缸内油液体积的变化率，即有
(1)
V=VCB-ΔV
VCB=V0+Apxp
式中，qVCB为进入离合器油缸的流量，m3/s；V为进入油缸内油液的体积(油液压缩前的体积)，m3；ΔV为油液体积的压缩量(当液体压缩时，ΔV为负)，m3；VCB为油缸的容积，m3；V0为油缸的初始容积，m3；Ap为活塞压力作用面积，m2；xp为活塞的行程，m。
则进入离合器油缸内的油液体积为
(2)
若将进入离合器油缸的流量取平均值，则快充油时间可表示为
(3)
式中，
为进入离合器油缸流量的平均值。
液体的压缩性大小用压缩系数表示，即
(4)
Δp=pCB-pCB,0
式中，Δp为液体压力变化量(Δp与ΔV符号相反)，Pa；pCB为离合器油缸内的压力，Pa；pCB，0为离合器油缸内的初始油压力，Pa。
在常温条件下，纯净液压油(不含水和杂质)的体积压缩系数很小，故一般认为液压油是不可压缩的(即认为ΔV=0)。
理想情况下，快充油阶段结束时离合器处于轻微的滑摩状态，此时已消除摩擦片的自由间隙，活塞行程接近达到最大，则有
VCB=VCB，0+Apxp，max
(5)
式中，VCB，0为离合器活塞位于油缸最底部时的油缸容积，m3；xp，max为离合器活塞在油缸中的最大行程，m。
依据式(3)、式(5)和ΔV=0，可得出离合器快充油时间为
(6)
根据快充油阶段的流量平衡方程式可得
qVo=qVi-qVf
(7)
式中，qVo、qVi分别为双边节流阀输出流量和输入流量，m3/s；qVf为双边节流阀反馈油道输入流量，m3/s。
由流量平衡关系可知，双边节流滑阀输出流量等于进入离合器油缸的流量(即qVo=qVCB)，离合器进油道可以看作细长孔，由流体理论可知，流量计算表达式为[10]
(8)
式中，d为离合器油道较细段的直径平均值，m；l为离合器油道长度，m；μ为油液动力黏度；po为滑阀出油口油压，Pa。
节流阀打开时，由缝隙的节流表达式可知，双边节流阀的输入流量为
(9)
式中，Cd为节流口流量系数；D为滑阀阀芯直径，m；xv为阀口开度，m；ρ为液压油密度，kg/m3；pz为主油路油压(以下简称“主油压”)，Pa。
双边节流阀反馈油道输入流量为
(10)
式中，Sf为双边节流阀反馈油压作用的截面积，m2。
在快充油阶段，离合器油缸的平均油压取决于回位弹簧初始压缩量、活塞面积和活塞行程，即
(11)
式中，xc0为弹簧初始压缩量，m；Kc为回位弹簧刚度，N/mm。
由式(8)～式(11)可求得该阶段滑阀输出油压的平均值
将其代回式(8)可求出
将
代入式(6)即可求出快充油时间。
当温度升高时，液体的分子间距加大，液体内摩擦力减小，液体动力黏度减小；当温度降低时，液体动力黏度增大。由式(6)和式(8)可知，离合器的快充油时间随油温的升高而缩短。
离合器接合所需的流量qVCB若在主油压保持不变的条件下供给，则要求油泵具有很大的油流量值，通常在液压操纵系统中，为使油泵不致设计过大，其流量qVB常选小于接合离合器的流量，油泵的流量与所需流量之比的平方称为主油压下降系数，即
(12)
其中，一般可取δ=0.40～0.75[11]，正因为油泵的流量小于接合离合器的流量，从而造成换挡过程中出现主油压下降的现象。
快充油阶段的主油压
与正常阶段的主油压pz之间的关系表达式为
(13)
自动变速器液压系统通过油泵来供油，由发动机驱动，油泵的流量计算表达式为
(14)
式中，np为油泵的转速(数值等于发动机转速)；Vp为油泵的排量。
由式(13)和式(14)可知,当发动机转速提高时，油泵的流量qVB增加，使主油压下降系数δ增大，进而快充油阶段的主油压增大，因此双边节流阀的输出流量会增加。所以，快充油时间会随着发动机转速的提高而缩短。
离合器是旋转件，旋转油缸内的液压油由于受到离心力的作用而产生离心油压，转速越高则离心力产生的附加油压越大。图2为离心油压简图。
图2 离心油压计算简图
Fig.2 Calculation diagram of centrifugal oil pressure
由图2可以看出，旋转油缸活塞上的作用力Fp由静压力Fj和液压油离心力Fl两部分组成，即
Fp=Fj+Fl
(15)
油缸半径R处的离心油压可表示为[11]
(16)
ωd=αω
式中，pl为离心油压，Pa；ωd为油液随油缸旋转的角速度，rad/s；ω为油缸旋转的角速度，rad/s；α为滞后系数，一般可取α=0.80～0.95；r0为主油压进入油缸入口处的半径，m。
则整个活塞上作用的液压油离心力表示为
(17)
式中，R1、r1分别为活塞的外圆半径和内圆半径，m。
综上可知，作用在活塞上的液压油离心压力与离合器转速的平方成正比，离合器转速越高，液压油离心力越大。
2 离合器快充油时间的影响因素仿真分析
为了验证各种因素对快充油时间的影响，通过AMESim软件进行了建模与仿真，仿真模型见图3，主要仿真参数见表1。
图3 离合器快充油仿真模型图
Fig.3 Simulation model diagram of clutch fastfilling oil
图4所示为离合器快充油过程的仿真结果，活塞的受力包括由于离合器油缸旋转引起的液压油离心力、液压油静压力及活塞密封圈的摩擦力。其中OA段为离合器油缸的充油过程，此时活塞只受到液压油离心力的作用，接近A点时，液压油离心力稍大于活塞回位弹簧的弹力，因此活塞发生了少许位移。过了A点后，液压油充满离合器空腔，油压开始增大，并克服回位弹簧弹力及活塞密封圈摩擦力，活塞开始快速移动。一直到B点时离合器摩擦片开始贴合，活塞位移接近最大，离合器油压开始迅速增大，随后快充油阶段结束。
表1 仿真模型主要参数
Tab.1 The main parameters of the simulation model
参数数值离合器活塞外径(mm)140离合器活塞内径(mm)80离合器进油口的径向位置(mm)35离合器摩擦副数10活塞质量(kg)0.5回位弹簧初始压力(N)1 000回位弹簧刚度(N/mm)300离合器主动部分转动惯量(kg·m2)2离合器从动部分转动惯量(kg·m2)100离合器主动部分转动转速(r/min)3 000离合器从动部分转动转速(r/min)2 000节流口有效直径(mm)3.5油泵排量(mL/r)28调压阀设定压力(MPa)1.8阶跃信号阶跃时间(s)1
(a)仿真结果1
(b)仿真结果2
图4 离合器快充油过程仿真结果
Fig.4 Simulation results of clutch in fast oil filling processes
图5为考虑不同温度对快充油时间影响的仿真曲线，可以看出，当温度较低时，温度对快充油时间的影响较大；达到一定温度后，温度对快充油时间的影响较小。通过进一步仿真可知，当油道节流口的有效直径较大时，达到一定温度后快充油时间几乎不受温度的影响。
图5 温度对快充油时间的影响
Fig.5 The effect of temperature on fast oil filling time
图6所示为不同发动机转速对快充油时间影响的仿真结果，可以看出，随着发动机转速的提高，快充油时间缩短，且随着发动机转速的提高这种影响逐渐变小，达到一定转速后，这种影响可以忽略不计，此时称该转速为临界转速。
图6 不同发动机转速对快充油时间的影响对比
Fig.6 Comparison of effects of different engine rotation speeds on fast oil filling time
图7为不同离合器转速对快充油时间的影响仿真曲线，可以看出，离合器转速的高低对快充油时间几乎没有影响。
图7 不同离合器转速对快充油时间的影响对比
Fig.7 Comparison of the influence of different clutch rotation speeds on fast oil filling time
3 离合器快充油控制策略试验
图8和图9分别为快充油时间为300 ms和400 ms的试验曲线，试验在大功率液力机械自动变速器一挡起步挂挡条件下进行，充油元件为离合器，为了清晰起见，在图中对占空比进行了放大处理。由图8可知，在快充油阶段结束后离合器仍处于分离状态，之后进入下一阶段的控制，随着占空比的增大，离合器进入滑摩状态，涡轮转速开始下降，这表明快充油时间过短，需由下一阶段的控制进行补偿，从而造成换挡时间变长。此外，由于液压系统本身的滞后性，易造成油压的超调而引起冲击，因此图8中的试验情况需要延长快充油时间。由图9可知，在快充油阶段结束时，涡轮转速即开始有轻微的下降，此时为理想的目标。对比图8 可知，当快充油时间延长至420 ms后，整个换挡过程的控制油压波动更小，涡轮转速下降更平缓，换挡过程更加平顺，这表明给定理想的快充油时间十分重要。
(a)涡轮转速和离合器油压
(b)占空比
图8 初始快充油时间为300 ms的一挡起步挂挡试验曲线
Fig.8 Starting shift test curve with 300 ms initial fast oil filling time
综上可知，理想的快充油时间随油温等因素变化而变化，固定的快充油时间不能适应不同条件下的要求，需采用一定的控制策略来自动修正快充油时间以获得理想值。若快充油时间过短，将影响后面的缓冲控制，使换挡时间变长且油压易超调；反之，若快充油时间长于理想值，则会直接引起冲击，使后面的缓冲控制难以实现。
(a)涡轮转速和离合器油压
(b)占空比
图9 初始快充油时间为420 ms的一挡起步挂挡试验曲线
Fig.9 Starting shift test curve with 420 ms initial fast oil filling time
试验和仿真均证明了当油温较低时，对快充油时间的影响显著，因此在变速器工作过程中，可以实时依据电控单元检测到的油温确定初始的快充油时间，再根据发动机转速对其进行修正。具体策略如下：通过仿真和试验确定出所给定的一组固定油温下的理想初始快充油时间，并存储到电控单元，电控单元可根据检测的温度，通过插值法实时求出所需的初始快充油时间，再根据发动机转速进行修正，控制策略的表达式如下：
(18)
式中，ti为理想的快充油时间，s；tt为电控单元根据温度确定的初始快充油时间(对应的发动机转速为临界转速),s；ne为发动机转速，r/min；net为临界转速，r/min；ke为修正系数。
当ne>net时，油泵流量足够大，发动机转速对快充油时间的影响很小，故ke需通过试验确定。
图10 低挡起步时离合器充油过程的试验曲线
Fig.10 Test curve of clutch oil filling process in low gear starting shift process
对上述控制策略进行了实车试验，图10为大功率液力机械自动变速器低挡起步时离合器充油过程的试验曲线，其中t1～t2为离合器快充油阶段。由于油压传感器安装在进油道上，不能直接测得离合器油腔中的油压，故图10中的离合器油压值并非是离合器油腔内部的压力值，而是进油道上的压力值，因此在快充油阶段的测量值要大于离合器内部的真实值(由于流量变化较快)。快充油阶段结束后，由于流量变化较小，油压测量值接近离合器油腔内部的真实值。由图10可以看出，快充油阶段结束后，涡轮转速即开始轻微下降，表明试验获得了理想的控制效果，且验证了控制策略的可行性。
4 结论
(1)随着油温的升高，液压油动力黏度减小，离合器的快充油时间缩短。
(2)随着发动机转速的升高，油泵的流量增加，离合器的快充油时间缩短。
(3)作用在活塞的液压油离心压力与离合器转速的平方成正比，但由于离合器回位弹簧的作用，离合器快充油时间几乎不受离合器转速的影响。
(4)通过试验验证了获得理想快充油时间的重要性，若快充油时间过短，会使换挡时间变长，且后续控制易出现油压超调；反之，若快充油时间过长，则会直接引起冲击，使后续缓冲控制难以实现。
(5)制定了离合器快充油的控制策略：依据油温实时确定初始的快充油时间，再根据发动机转速对初始快充油时间进行修正，试验验证了控制策略的可行性。
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