基于伺服电机- 传感器联动的自调拉式膜片离合器设计与分析

1、引言

汽车用拉式膜片离合器长期使用摩擦片磨损逐渐失去效能，现有的棘轮 - 楔块自调机构由于它仅利用机械触发进行被动式的调整，具有下述缺点：

（1）调节阈值固定，无法适应不同磨损速率；（2）机械传动间隙导致补偿精度偏低（±0.1mm 级）（3）在大负荷工况时，存在较大的调节滞后。

国内外学者开展了离合器电液伺服控制的相关工作，文献[1] 提出了基于液压伺服的离合器接合压力控制方法，但是由于液压系统的渗 稳定性和抗干扰能力造成不利影响。文献 [2] 研究了电动离合器执行机构的动态特性和 精度控制的优点。本文设计基于伺服电机—传感器联动的主动补偿系统，利用闭环控制来达到对于磨损量进行精准回馈、动态调整的目的。

2、系统设计方案

2.1 总体结构设计

自调拉式膜片离合器的传统结构主要由膜片弹簧、压盘、从动盘及棘轮补偿机构组成[3]。改进后的系统如图1 所示，具体方式如下：（1）拆除原棘轮 - 蜗轮传动组件，在离合器盖内侧安装伺服电机驱动的丝杠螺母机构，通过螺母轴向移动调节膜片弹簧支撑位置；

2.2 关键部件选型

2.2.1 磨损传感器

选用 LVDT（线性可变差动变压器）电感式传感器，其量程为 0 ～ 5mm、分辨率为 0 ∴01mm, 可以监测摩擦片最大磨损量（2mm）。传感器安装在离合器盖上的径向通孔中，并且传感器测头与摩擦片背面向正对，以保证摩擦片旋转变速运动对测头产生径向力的干扰[4]。

2.2.2 伺服电机与传动机构

伺服电机选型：200W 无刷直流伺服电机（额定转速 3000rpm 、峰值扭矩0.8N・m）配合10 ∶1 行星减速器，输出轴连接梯形丝杠（导程5mm）。传动效率 n=85% 。电机转角和丝杠轴向位移的关系式是：

其中，θ 为电机转角（rad），P 为丝杠导程（m），i 为减速比。该配置可实现0.0025mm 的最小调节量，满足补偿精度要求。

2.2.3 控制器设计

控制器使用 STM32F407 的芯片，并且内嵌有 A/D 转换模块 (12 位精度 ) 及 PID 控制算法。当传感器信号经过滤波后的值大于设定好的磨损值 ( 即差值大于 0.05mm), 则输出至补偿模块，使之产生补偿量，控制器控制流程如图2 所示。

3、工作原理与控制策略

3.1 磨损监测与信号处理

摩擦片磨损量Δh 和传感器输出电压V 的关系为：

其中，k 为传感器灵敏度（0. 1mm/V) ，V0 为新摩擦片状态下基准电压。控制器实时采样获得 V 值，并利用滑动平均滤波消除离合器接合时的振荡干扰。[5]。

3.2 伺服调节机制

当测得磨损量 Δh⩾0. .05mm 时，控制器通过程序计算得到补偿位移 ，并根据丝杠传动比转换为电机目标转角θ ：

采用位置式PID 控制算法来驱动电机：

其中转角误差 e_θ(t)=θ (target) － θ(real)，Kp=0.6、Ki=0.1、Kd=0.05 为优化后的控制参数。电机通过丝杠推动补偿环轴向移动，恢复膜片弹簧的压紧力。

3.3 自适应阈值调整

为了应对不同的工况下有不同的磨损率，设置了自适应阈值模块：

将第n 次调节的阈值T(n) 设为初始阈值T0=0.05mm 和调节权重系数α=0.2 与当前档位转速差值组成函数。这样可以使换挡工况频繁时自动减小调节阈值，提高响应速度。[6]

4 仿真与实验验证

4.1 有限元仿真分析

使用 ANSYS Workbench 对伺服调节过程进行动态仿真：

（1）建立膜片弹簧- 伺服传动接合模型，定义丝杠与补偿环的接触关系（摩擦系数0.15）；

（2）施加磨损量Δh=0.5mm 的阶跃输入，设置电机转角θ=180°（对应补偿位移0.5mm）；

（3）对于调节过程而言，获得了膜片弹簧的应力分布和位移响应。

仿真结果表明：伺服调节后的膜片弹簧压紧力恢复到初始值的 98.7%，最大应力集中区域 ( 分离指根部 )应力幅值变化量少于 5%，满足疲劳强度的要求 ;[7] 伺服调节的时间是 48ms, 较传统的棘轮机构 (150ms) 的时间短了很多。

4.2 台架实验

在离合器综合性能试验台上进行对比实验，测试条件：

发动机最大扭矩：170N・m换挡频率：15 次 /min持续测试时间：2000 次接合

由表 1 可知，伺服—传感器系统在补偿精度、响应速度和可靠性等方面要优于传统的机构，两种系统更换挡位1000 次后的压紧力对比曲线，伺服系统压紧力波动在 ±5% 以内，而传统机构波动达到了 ±12% 。

5 结论与展望

本文提出的伺服电机- 传感器联动自调系统，通过以下创新提升了拉式膜片离合器的性能：

（1）采用电感式传感器实现磨损量的实时 破了机械机构的阈值限制；

（2）伺服电机- 丝杠传动提供了亚毫米级的调节精度，配合PID 控制算法实现动态补偿；

（3）自适应阈值算法使系统能适应不同工况下的磨损特性。

未来研究方向：

（1）引入温度补偿算法，修正高温工况下传感器的测量误差；

（2）开发能量回收技术，利用离合器分离时的动能为伺服电机供

（3）集成故障诊断功能，通过传感器数据预判摩擦片剩余寿命。该设计为离合器的智能化升级提供了新思路，具有良好的工程应用前景。

参考文献：

[1] 陈华，赵刚. 汽车离合器液压伺服系统优化设计与仿真 [J]. 机械设计与研究，2024，40（2）：120-125.

[2] Liu Y, Wang X. Dynamic modeling and control strategy of clutch actuator for electric

vehicles [J]. Journal of Mechanical Engineering Science, 2023, 237 (8): 2403-2415.

[3] 孙明，李丽. 推式膜片离合器自调机构创新设计与性能分析 [J]. 汽车技术，2022，（5）：18-22.

[4] 吴波. 磁致伸缩位移传感器在汽车离合器中的应用研究 [J]. 传感器世界，2021，27（3）：15-19.

[5] Zhang M, Chen N. Adaptive fuzzy - PID control for clutch engagement in hybrid vehicles

[C]//SAE International Congress & Exposition. 2022, 2022-01-1056.

[6] 郑凯. 汽车离合器伺服控制系统动力学特性研究 [D]. 上海：上海交通大学，2023.

[7] Wang M, Liu S. Fatigue life prediction of clutch pressure plate based on fatigue damage

accumulation theory [J]. Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2022, 39 (4): 465-470.