王丹丹，王满江，普刚，陈大伟

（东风商用车有限公司商用车技术中心 先行技术开发部，武汉 430056）

1 前言

随着我国AMT技术水平的不断发展，舒适性较高的AMT变速器开始逐步安装在卡车和客车上。离合器执行机构直接控制离合器的分离接合，其性能的好坏直接影响到换挡平顺性和驾驶员的舒适性。因此，需要不断对离合器执行机构进行优化，提升其性能。

目前，研究人员研究离合器执行机构特性的方式主要有两种：1、台架测试方法，该方法建立在已有待测实物的基础上，一旦希望对被测对象进行优化，必然需要完成设计及试制，费时费力，开发成本高；2、通过Matlab/Simulink建立数学模型对其进行仿真研究，该方法需要对被控对象进行大量的数学建模，建立的模型往往不能直观表达出各系统间的关系，并且建模过程繁琐、工作量大。

AMESim(Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems)，是法国IMAGINE公司于1995年推出的多学科领域复杂系统建模仿真平台。它是基于直观的图形界面的建模仿真平台，具有丰富的元件设计库（32个模型库，4 000多个元件），能为流体动力、机械、热流体和控制系统提供一个完善、优越的仿真环境和灵活的解决方案。面向工程应用的定位使得AMESim在航空航天工业、汽车制造等领域得到了广泛的应用。

本文以某中卡气动式AMT的离合器执行机构为研究对象，在现有样件的参数基础上，使用AMESim建立AMT离合器执行机构仿真模型，通过分析离合器系统的工作过程，调校关键设计参数，获得气缸设计参数对其离合器执行机构特性的影响，提出优化建议。并对离合器执行机构实物进行优化设计和新一轮样件试制，在测试台架上对新一轮试制样件进行测试，验证运用AMESim软件仿真指导结构优化的可行性。

2 离合器执行机构结构分析

如图1，离合器执行机构由一个单作用气缸、四个常闭式两位两通电磁阀和位移传感器组成。活塞将气缸分为前后气室，前气室与大气相通，后气室接电磁阀。位移传感器可检测离合器的接合分离位置，实现闭环控制。电磁阀采用PWM控制，进排气阀各由一个快阀和一个慢阀组成，快慢阀区别在于通径大小不同。

离合器分离时，进气阀通电将阀打开，储气筒内的高压气体经过减压阀后到达气缸，快速分离离合器，离合器完全分离后关闭进气阀；离合器接合时，打开排气阀，气缸内高压气体排出，离合器快慢快接合，离合器接合后关闭排气阀。

3 离合器执行机构建模

AMT离合器执行机构仿真模型主要由机械部分、气动部分和控制程序组成，采用AMESim软件的 Mechanical库 、 Pneumatic库 、 single control库 和Electrical Static Conversion库中相应的模块构建离合器系统的模型。

如图2，模型中包括：离合器，离合器分离机构、位移传感器、气缸、气压传感器、进气电磁阀、排气电磁阀、气源等。其中离合器的分离力通过实验数据查表获取。

4 仿真分析

主要的仿真参数设置见表1：

表1 仿真模型参数设置

4.1 仿真结果与测试数据对比

本文仿真及测试均以快阀为例。设置电磁阀控制信号占空比为最常用的30%，进行仿真与实际台架测试结果的对比。下文中缸内气压均指后气室内气压。

由图3、图4可以看出，仿真曲线与实测曲线基本吻合。

电磁阀控制信号占空比范围为20%～70%，分别设置占空比为20%、50%、70%进行仿真，进一步验证仿真模型的准确度。

对比图5和图6，可以看出，仿真与实测的离合器接合分离时间略有差异，这是由于系统摩擦等因素导致的，但不同占空比下仿真与实测曲线趋势一致，因此仿真模型可以指导优化离合器执行机构。

4.2 气缸结构优化仿真

设置控制信号占空比30%；仿真步长为0.001；仿真时间为10 S，第0 S开启进气阀、第3 S关闭进气阀，第5 S开启排气阀、第8 S关闭排气阀。分别更改模型中气缸本体各参数，进行优化仿真。

4.2.1 不同气缸直径的仿真对比

位移正方向为离合器分离方向，由图7知：①缸径越大，离合器分离接合越快，当缸径大于等于100 mm时，缸径大小对离合器分离时间的影响很小；②缸径越大，离合器接合动作响应越慢。③缸径为80 mm时，离合器不能彻底分离。综上三点，缸径保持90 mm不变。

4.2.2 不同缸内容积的仿真对比

由图8可知，容积越小，离合器分离接合越快、离合器接合动作响应越快。结合气缸本身结构要求，气缸长度在满足活塞行程及缸内预紧弹簧工作行程的前提下，气缸长度可缩短10 mm。

4.2.3 加泄压阀与未加泄压阀的仿真对比

由于膜片弹簧离合器完全分离后的弹簧力小于开始分离时的弹簧力，因此增加泄压装置，在离合器接合前，排出部分高压气，可以缩短离合器接合动作前的气缸排气时间。

为了保证泄压后，气缸力足以保持离合器位移不变，缸内气压要大于等于离合器接合阶段气压曲线上气压跳动时的尖峰值，实测数据约为4 bar。设置泄压阀在仿真时第3 S开启，将缸内气压降至4 bar时停止泄压。

由图9、图10可知，提前泄压加速了离合器接合动作响应，但离合器接合过程总时长基本保持一致。因此，可加泄压阀将缸内气压提前泄压至4 bar。

4.2.4 前后气室共用排气阀与前后气室分开排气的仿真对比

由于缺乏手段测量排气阀处排气阻力，仿真时在排气口处加限流面积不同的限流元件模拟不同排气阻力。

由图11、12，前后气室共用1个排气阀，限流面积为5 mm2时，排气过程中有一部分高压气体进入前气室，对缸内气压平衡产生影响。由图13，前后气室共用1个排气阀且排气阻力较大时，离合器接合时动作响应加快，但合器接合过程总时长变化很小。限流面积大于等于15 mm2时，对离合器接合影响很小。

综上仿真结果，离合器执行机构可从以下三方面优化：①气缸缩短10 mm，减小气缸容积；②加泄压阀或用一个排气阀作为泄压阀，离合器接合时提前泄压至4 bar；③前后缸共用同一排气阀。

5 台架测试

根据优化仿真提出的三个优化方向，对离合器执行机构实物进行优化设计和新一轮样件试制，在测试台架上对其进行测试和性能对比。

5.1 减小气缸容积前后的测试对比

在气缸内加装一个10 mm厚的垫块模拟气缸缩短10 mm，垫块避开进排气道及预紧弹簧安装位置。实物如图14、15所示。

实际测试对比情况如表2所示。对比数据可以发现，增加垫块，缩小气缸容积缩短了离合器分离接合时间。

表2 有无垫块情况下离合器分离接合时间的对比

5.2 加泄压阀与未加泄压阀的测试对比

电磁阀控制占空比30%，离合器分离后，控制泄压阀排气，使缸内气压降至4 bar，然后正常控制离合器接合。

由图16、图17，增加泄压阀后，缩短了离合器开始接合动作前的气缸排气时间0.2 S，提升了离合器执行机构的性能。

5.3 前后气室共用排气阀与前后气室分开排气的测试对比

在前气室排气管上加密封，将前气室气体引至排气阀，前后气室共用同一排气阀。由于排气越快，前后缸共用排气阀对离合器接合影响越大，因此以快阀、占空比为70%为例，对比离合器接合情况。

由图18，前后气室共用同一排气阀时离合器接合动作响应比前后气室分开排气时缩短0.03 S。

综上，根据仿真结果对离合器执行机构实物进行的三个方面改进，均在不同程度上提升了离合器执行机构的性能。

6 结论

(1)本文运用仿真软件AMESim建立了AMT离合器执行机构仿真模型，并对离合器系统的工作过程进行仿真分析，避免了繁琐的Matlab/Simulink计算建模和大量的测试实验，显示出AMESim是一个直观、方便、高效的动态系统建模和仿真分析工具。

(2)本文通过在仿真模型中调校离合器执行机构的关键设计参数，获得气缸设计参数对其离合器执行机构特性的影响，提出气缸缩短10 mm，减小气缸容积；加泄压阀，离合器接合时提前泄压至4 bar；前后缸共用同一排气阀三个方面的优化建议。进而对离合器执行机构实物进行优化设计和试制，在测试台架上对其进行检测。检测结果显示对离合器执行机构实物进行的三方面改进，均不同程度上提升了离合器执行机构的性能。因此，运用AMESim对实物进行仿真分析，还可以对结构设计、关键设计参数的选择提供依据，有效提高设计效率，降低项目风险。

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