电磁滑差离合器在小型汽车无级变速中的应用研究

白日欣，董军刚，陈淑春，马冬来

（河北软件职业技术学院，河北 保定 071000）

变速器作为汽车动力传动系统的关键部件，是承担放大发动机扭矩，配合引擎功扭特性，实现车速与扭矩变化的主要装置。因此，长期以来人们一直努力研究，追求高性能、高品质的自动变速技术，不断改进和完善汽车传动系统。传统汽车的传动系统利用的是有级机械式手动变速器来实现汽车行驶速度的调节，机械式手动变速器则采用不同的齿轮搭配实现上述目的。

1 自动变速器技术现状分析[1-2]

随着电子技术和微处理器技术日新月异的发展，自动变速技术也发展迅速，并推动着汽车业迅猛发展。目前，国内外汽车自动变速器种类很多，主要有自动变速器AT、机械自动变速器AMT和连续变化的变速器CVT三种。

自动变速器AT是指液力变矩器加行星齿轮变速器，或固定轴式变速器增加自动变速操纵系统组成的自动变速系统。其优点是不用离合器换档，档位少、变速大，操作简单，起步平稳，加速迅速均匀。但是它也存在对速度变化反应较慢，燃油消耗量大、不经济，传动效率低，变矩范围有限，机构复杂，制造和修理困难及成本高等缺点。

机械自动变速器AMT是在原手动变速器基础上应用自动变速理论和电子控制技术，通过电控单元（ECU）控制液压装置，来操纵有级机械式变速器的离合器和换挡杆，使离合器自动进行分离和结合。但AMT中的许多技术也存在一些问题有待完善，如换挡平稳性不高，舒适性较差；控制参量太多，实现自动控制困难；对路况、车况和驾驶意图的适应性较差。

连续变化的变速器CVT采用传动带和可变槽宽的棘轮进行动力传递，即当棘轮变化槽宽时，相应改变驱动轮与从动轮上传动带的接触半径从而进行变速。传动带一般是橡胶带、钢带或金属链。它的优点是重量轻，体积小，结构简单，零部件少，与AT比较具有较高的运行效率，油耗较低，实现了真正的无级变速，乘坐舒适性好。但CVT的缺点是传递扭矩有限，不能承受较大的载荷。

2 利用电磁滑差离合器对小型汽车无级调速的技术原理[3-5]

利用电磁滑差离合器替代手动档汽车脚踏离合器，取消有级变速的齿轮箱，实现无级变速和传递扭矩，是一种新的小型汽车调速技术。其实验原理如图1所示。电磁滑差离合器由电枢和磁极组成，电枢是用铸钢（铸钢有很好的机械性能）制成的圆筒形结构，与发动机动力输出轴连接，发动机动力转矩直接传递给电磁离合器，并带动电枢转动。磁极由铁心和励磁绕组组成，绕组通过滑环和碳刷接直流电源，获取励磁电流。磁极与汽车万向节主动轴连接。动力转矩通过万向节传给汽车后桥驱动车轮转动。

发动机带动电枢旋转时，当线圈中通以直流电流时，沿气隙圆周将产生磁场，电枢切割磁极的磁感应线，在电枢内感应出涡流，涡流再与磁极相互作用产生转矩，推动磁极跟随电枢旋转，磁极轴与汽车万向节主动轴连接从而带动车轮转动。电磁滑差离合器磁极轴的转速必须低于电枢转速，这样电枢才能与磁极由相对运动而产生涡流和电磁转矩，并承担汽车驱动负载。磁极输出轴转速愈低，与电枢的转速差愈大，感生的涡流和电磁转矩也愈大。在某一负载下，电磁滑差离合器与汽车发动机转速有一对应的输出轴转速。此时，电磁转矩与汽车驱动负载转矩平衡。调节励磁线圈中的直流电流大小而改变气隙磁通，则电枢中的感生涡流和产生的电磁转矩也将改变，于是破坏了两种转矩的平衡，电磁离合器输出轴就将自动改变转速，使得在新的转速下电磁转矩与汽车负载转矩再次平衡，从而实现在同一负载下改变输出轴转速进而改变汽车行驶速度的无级调速的目的。

显然，离合器的磁极励磁电流等于零时，磁极没有磁通，电枢不产生涡流，车轮不会转动；当对磁极加上励磁电流时，磁极即刻转动起来，车轮主动轴也会转动起来。当从动部分的车轮主动轴带有一定的负载转矩时，励磁电流的大小便决定了磁极轴转速的高低。励磁电流愈大，转速愈高，车速愈快；反之，车速愈慢。励磁电流的大小在一定范围内可平滑调整，这样就实现了汽车无级变速。另外，汽车发动机转速为零时，电枢不会旋转，电磁离合器也不会带动汽车传动轴转动，汽车就不会行驶。而在磁极励磁电流一定时，汽车发动机转速的变化也会影响电磁滑差离合器磁极输出轴的转速，结果也会使汽车行驶速度发生无级连续的变化。动力转矩传动示意图见图2。

图2 动力转矩传递示意图

3 电磁滑差离合器机械特性分析[4-5]

通过测试，电磁滑差离合器的机械特性较软，见图3。

图3 离合器的机械特性

图中特性曲线表示的是在不同的励磁电流下电磁滑差离合器磁级轴的转速n与转矩T的关系。电磁离合器的理想空载转速n1就是汽车发动机的转速。改变励磁电流的大小，就改变了磁通的强弱，这一原理与异步电动机改变定子电压相似。当电磁离合器的磁极轴带有一定的负载转矩时，励磁电流的大小便决定了转速的高低。励磁电流越大，转速越高，汽车行驶速度越快；反之，励磁电流越小，转速越低，汽车行驶速度越慢。如果励磁电流太小，磁通太弱，产生的转矩太小，离合器的磁极轴转动不起来，就会失控。

在一定的磁场下，如果负载过大，磁极轴转速太低，也会造成因为从动部分跟不上主动部分转动而失控。由此可见，电磁滑差离合器的机械特性较软。为避免使其工作在失控区，需对该滑差离合器加装控制器，从而有效地改变电机的机械特性，使之变“硬”。电控单元设计采用神经网络、模糊控制等智能方法控制带转速负反馈的闭环调速系统，实现励磁电流、转速和负载转矩的最佳匹配，使离合器的起步控制和换挡操纵规律与人的驾驶意图、外界道路环境情况及汽车当前的运行情况相适应，实现电磁无级调速系统的智能化。电磁离合器的基本控制原理如图4所示。

图4 电磁离合器基本控制原理图

目前，小型汽车多采用交流发电机，与直流发电机相比功率较大，如JF系列发电机及别克轿车采用的CS系列发电机，其功率均可达1 000W以上。汽车发动机正常运转时，向汽车用电设备供电，同时，也向蓄电池充电。目前，小型汽车蓄电池容量一般在60Ah以上，正常工作时，可为电磁离合器提供所需电流。当蓄电池容量不足时，可由汽车发电机与蓄电池共同向电磁离合器提供励磁电流，建立磁场，将汽车发动机的机械能转换为磁场能，并将磁场能转换为机械能带动传动轴转动。

4 需要考虑的关键技术问题

该项目针对发动机排量为1.0L～2.0L的车型，该类车型的发动机最大功率（kW/rpm）应不大于95/5250；最大扭矩（N.m/rpm）应不大于195/2500～3000。实验设计时，主要参照这两个参数指标设计制造来满足扭矩和功率传递所需要的电磁滑差离合器，再根据离合器最大输出扭矩和从动部分的最大转速、转矩选择合适负载，通过改变离合器励磁电流实验，采集转速n、转矩T及励磁电流i等数据，制作T-n机械特性曲线，确定离合器机械特性的工作区和失控区。通过改变发动机转速，并采用频闪rpm转速测量法来测量发动机输出轴及离合器磁极轴转速，并确定转速、转矩及电流之间的关系，建立电控系统数学模型，利用C语言设计电控系统软件；基于32位微控制器对电控系统进行优化，设计电控系统硬件单元。在进行电控单位设计时，尽可能采用现有自动档汽车的成熟技术和硬件。

5 结语

利用电磁滑差离合器对小型汽车进行无级调速技术的原理是科学的，技术是可行的。它既保留了机械能与电磁能的转换具有较高传动效率的优点，又保证了发动机在最佳工况条件下稳定地工作，从而使汽车燃油的经济性显著提高。电磁滑差离合器调速技术的科学性、平顺性优于熟练驾驶员的手工操作，不仅满足了人们对汽车多功能的需求，而且实现了人们对汽车驾驶便捷、乘坐舒适的愿望。

目前，国内现有的汽车自动变速器来源不是靠直接进口，就是靠引进技术和生产线制造，前者无自主知识产权，增加了汽车制造成本；后者周期长、费用高，专一性强、通用性差。而利用电磁滑差离合器调速的技术，通过加装微机控制的自动操纵系统来实现变矩变速的自动化，完成操作离合器和选档两个动作，适合于小型汽车的无级变速，因而生产继承性好，特别适合中国国情，有极大的研究和技术推广价值。

［1］黄康，曾亿山.汽车自动变速技术的发展现状［J］.合肥工业大学学报，2005（12）：1503-1507.

［2］黄安华，岳强，杨世轶.现代汽车的自动变速器技术及应用［J］.汽车工程师，2009（9）：54-56.

［3］郁建平.机电控制技术［M］.北京：科学出版社，2006.

［4］刘建功，李凤锦.电磁调速电牵引采煤机的研究与应用［J］.煤炭科学技术，2001（5）：22-25.

［5］韩瑞东，宋庆伟，王静.电磁转差离合器在电机调速中的应用［J］.煤，2003（6）：34-35.