手动挡汽车离合器半联动自动控制机构、行程计算方法及执行步骤
本发明手动挡汽车离合器半联动自动控制机构、行程计算方法及操作步骤，涉及汽车控制技术领域，尤其涉及手动挡汽车离合器半联动非自动控制机构及其运算方法。
背景技术：
手动挡汽车离合器控制是驾驶员操作难点，部分驾驶员对离合器的分离与结合时机掌握不好，轻者会导致车辆换挡顿挫、熄火，严重时会造成车辆损坏和交通事故发生。另外，快速有效的换挡能够减少离合器摩擦片的磨损、减低车辆的排放。
手动挡车辆离合器工作过程分为三个过程：1、完全踩下离合器踏板，离合器分离(压盘与摩擦片分离，这时可以换挡)；2、离合器踏板抬起一半位置，离合器半联动状态(压盘与摩擦片开始结合，发动机动力开始传给变速器)；3、完全抬起离合器踏板，离合器处于结合状态(压盘与摩擦片完全结合，发动机动力完全传给变速器)。
离合器控制难点在于第二个过程，驾驶员对离合器的半联动状态控制不好，离合器踏板抬的过快，压盘与摩擦片的速度差太大，会导致车辆冲击、熄火；离合器踏板抬得过慢，会导致动力不足、打滑、溜车、离合器片磨损、排放增加等。目前市面上的手动挡汽车自动离合器控制装置结构复杂、在离合器执行机构上改动较大、成本较高、故障率高、一旦装置出现故障，后果严重，而且完全取消驾驶员脚踩离合器的这一操作，失去手动挡汽车操控乐趣。
针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的手动挡汽车离合器半联动自动控制机构、行程计算方法及执行步骤，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。
技术实现要素：
根据上述现有技术提出的手动挡汽车离合器控制不好会导致动力不足、打滑、溜车、离合器片磨损、排放增加等问题；以及现有手动挡改自动控制装置结构复杂、成本高、故障率高等技术问题，而提供一种手动挡汽车离合器半联动自动控制机构、形成计算方法及执行步骤。本发明主要利用科学的计算出离合器在半联动控制过程中踏板角度变化，并通过电机对离合器踏板半联动角度进行控制，自动控制离合器半联动过程，从而达到换挡更平顺的效果。
本发明采用的技术手段如下：
一种手动挡汽车离合器半联动自动控制机构包括：离合器控制机构和半联动行程自动控制机构；
进一步地，半联动行程自动控制机构包括：曲轴位置传感器、车速传感器、节气门位置传感器、档位信号、离合器位置传感器、系统开关、系统电脑和离合器半联动控制电机；
进一步地，曲轴位置传感器采用原车元件，装于曲轴上，用以检测曲轴实时位置，并通过数据线传送给系统电脑；
进一步地，车速传感器采用原车元件，装于变速器上，用于检测车速，并通过数据线传送给系统电脑；
进一步地，节气门位置传感器采用原车元件，装于节气门上，用于检测节气门状态，并通过数据线传送给系统电脑；
进一步地，档位信号通过数据线将所需升、降档位信号传送给系统电脑；
进一步地，离合器位置传感器装于离合器踏板杆上，用于检测离合器踏板杆所处位置，并通过数据线传动给系统电脑；
进一步地，系统开关装于中控台上；
进一步地，系统电脑装于仪表台内，通过导线与离合器控制机构相连接；
进一步地，离合器控制机构包括：离合器半联动控制电机、推杆和凸轮；
进一步地，离合器半联动控制电机为步进电机，装于离合器踏板杆侧部的车辆主体结构上，并通过导线与系统电脑相连接；
进一步地，推杆一端与离合器半联动控制电机的输出轴相连接，另一端装有凸轮；离合器半联动控制电机和推杆可带动凸轮旋转及前进和后退，插入或退出离合器踏板杆的前端。
手动挡汽车离合器半联动自动控制机构的行程计算方法包括：摩擦片与压盘的转速比计算方法和离合器踏板角度自动控制算法；
摩擦片与压盘的转速比计算方法为：
s21、设压盘转速即发动机转速为ve，所处变速器档位的速比为n1,在行车过程中，离合器处于结合状态，设离合器摩擦片转速为vc，变速器输出轴速度为vt，则有：
ve＝vc＝n1×vt
s22、若此时车辆加速升档，踩下离合器踏板，离合器分离，断开动力输出，升档，变速器速比改变为n2，此时离合器摩擦片的转速应该为：
v′c＝vt×n2
s23、在升档过程中，随着档位增加，速比减小，所以有
s24、减速降档的过程中，随着档位增加，速比减小，所以有
s25、半联动自动控制时，以发动机瞬时转速，离合器摩擦片瞬时转速，档位信号作为基本参考，通过二者的瞬时转速比和不同档位的速比，来自动控制离合器踏板的位置变化，当转速比为1时，实现离合器的完全结合，实现半联动的自动控制；
离合器踏板角度自动控制算法，具体算法如下：
s31、设半联动开始离合器半联动起点(b)与离合器最低点(a)之间角度为θ1，离合器半联动终点(c)与离合器最低点(a)之间角度为θ2，控制过程即将离合器踏板角度由θ1变化到θ2；
s32、控制输入量即给定初始值θ1，控制输出目标值θ2，设偏差为e(t)，控制规律u(t)为：
式中，kp为比例系数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数；ki＝kp/ti，为积分系数；kd＝kp×td，为微分系数。
对上式进行拉普拉斯变换，得到pid控制器的传递函数为：
s33、通过调整参数kp、ti、td，在发动机与离合器摩擦片速度变化过程中可实现离合器的半联动位置角度的控制；
s34、kp为比例系数，起到比例作用，使得控制器的输入输出成比例关系，为了尽量减小偏差，同时也为了加快响应速度，缩短调节时间，就需要增大kp，当车辆起步时，压盘与摩擦片的转速差大，需要缓慢接合来控制半联动的稳定性，这时相对于车辆行驶中的各个工况kp的选取就稍小一些，来控制接合完成的时间；
s35、ti为积分时间常数，起到积分作用，它的引入有利于消除稳态误差，但使系统的稳定性下降；尤其在大偏差阶段的积分往往会使系统产生过大的超调，调节时间变长，在离合器踏板控制中，我们要将调节输出控制在目标值以下，不允许出现超调的现象，所以ti的选取应从小开始，不宜过大；
s36、td为微分时间常数，起到微分作用，它的引入使系统能够根据偏差变化的趋势做出反应，适当的微分作用可加快系统响应，有效地减小超调，与积分作用互补，改善系统的动态特性，增加系统的稳定性。
手动挡汽车离合器半联动自动控制机构的执行步骤为：
s41、开启系统开关：
需要自动控制离合器半联动时，先开启系统开关，检测各传感器工作正常，如果关闭系统开关，离合器踏板恢复到手动控制模式；
s42、踩下离合器踏板：
离合器踏板踩到底，即离合器最低点位置；
s43、数据传送：
曲轴位置传感器、车速传感器、节气门位置传感器、档位信号和离合器位置传感器将各自信号通过数据线传送给系统电脑；
s44、数据运算分析：
将s43步骤中得到的各数据通过计算得出：摩擦片与压盘的转速比和半联动过程离合器踏板角度；
s45、发出指令：
系统电脑向离合器控制机构发出开启指令；开启离合器半联动控制电机，向离合器半联动控制电机发出推进距离、转动速度；
s46、离合器半联动自动控制；
松开离合器踏板，离合器踏板由离合器最低点速移到离合器半联动起点，离合器半联动起点与凸轮相抵触，凸轮转动离合器踏板由离合器半联动起点上移到离合器半联动终点，完成离合器半联动，凸轮由离合器半联动终点处退回，离合器踏板由离合器半联动终点自由升至离合器踏板最高位置。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的手动挡汽车离合器半联动自动控制机构、形成计算方法及执行步骤，增加了手动挡汽车操控乐趣，在一定程度上能够降低交通拥堵与交通事故的发生；
2、本发明提供的手动挡汽车离合器半联动自动控制机构、形成计算方法及执行步骤，消除车辆换挡顿挫、换挡熄火现象；
3、本发明提供的手动挡汽车离合器半联动自动控制机构、形成计算方法及执行步骤，实现快速有效的换挡，能够减少离合器摩擦片的磨损、减低车辆的排放，实现节能减排的目的。
综上，应用本发明的技术方案决了现有技术中的手动挡汽车离合器控制不好会导致动力不足、打滑、溜车、离合器片磨损、排放增加；现有手动挡改自动控制装置结构复杂、成本高、故障率高等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统原理图；
图2为本发明半联动行程自动控制机构(离合器踏板位置)示意图；
图3为本发明离合器踏板半联动过程中角度自动控制算法框图；
图4为本发明kp调节模拟仿真曲线图；
图5为本发明td调节模拟仿真曲线图；
图6为本发明执行机构结构(初始位置)示意图；
图7为本发明执行机构结构(踩下离合器踏板时位置)示意图；
图8为本发明半联动行程自动控制机构(初始位置)示意图；
图9为本发明半联动行程自动控制机构(凸轮顶点控制离合器半联动b点)示意图；
图10为本发明半联动行程自动控制机构(凸轮顶点控制离合器半联动c点)示意图。
图中：1、曲轴位置传感器2、车速传感器3、节气门位置传感器4、档位信号5、离合器位置传感器6、系统开关7、系统电脑8、离合器半联动控制电机9、推杆10、凸轮11、离合器踏板杆a、离合器最低点b、离合器半联动起点c、离合器半联动终点d、离合器踏板最高位置。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提供了一种手动挡汽车离合器半联动自动控制机构的行程计算方法包括：摩擦片与压盘的转速比计算方法和离合器踏板角度自动控制算法；
摩擦片与压盘的转速比计算方法为：
s21、设压盘转速即发动机转速为ve，所处变速器档位的速比为n1,在行车过程中，离合器处于结合状态，设离合器摩擦片转速为vc，变速器输出轴速度为vt，则有：
ve＝vc＝n1×vt
s22、若此时车辆加速升档，踩下离合器踏板，离合器分离，断开动力输出，升档，变速器速比改变为n2，此时离合器摩擦片的转速应该为：
v′c＝vt×n2
s23、在升档过程中，随着档位增加，速比减小，所以有
s24、减速降档的过程中，随着档位增加，速比减小，所以有
s25、半联动自动控制时，以发动机瞬时转速，离合器摩擦片瞬时转速，档位信号作为基本参考，通过二者的瞬时转速比和不同档位的速比，来自动控制离合器踏板的位置变化，当转速比为1时，实现离合器的完全结合，实现半联动的自动控制；
离合器踏板角度自动控制算法，具体算法如下：
s31、设半联动开始离合器半联动起点b与离合器最低点a之间角度为θ1，离合器半联动终点c与离合器最低点a之间角度为θ2，控制过程即将离合器踏板角度由θ1变化到θ2；
s32、控制输入量即给定初始值θ1，控制输出目标值θ2，设偏差为e(t)，控制规律u(t)为：
式中，kp为比例系数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数；ki＝kp/ti，为积分系数；kd＝kp×td，为微分系数。
对上式进行拉普拉斯变换，得到pid控制器的传递函数为：
s33、通过调整参数kp、ti、td，在发动机与离合器摩擦片速度变化过程中可实现离合器的半联动位置角度的控制；
s34、kp为比例系数，起到比例作用，使得控制器的输入输出成比例关系，为了尽量减小偏差，同时也为了加快响应速度，缩短调节时间，就需要增大kp，当车辆起步时，压盘与摩擦片的转速差大，需要缓慢接合来控制半联动的稳定性，这时相对于车辆行驶中的各个工况kp的选取就稍小一些，来控制接合完成的时间；
s35、ti为积分时间常数，起到积分作用，它的引入有利于消除稳态误差，但使系统的稳定性下降；尤其在大偏差阶段的积分往往会使系统产生过大的超调，调节时间变长，在离合器踏板控制中，我们要将调节输出控制在目标值以下，不允许出现超调的现象，所以ti的选取应从小开始，不宜过大；
s36、td为微分时间常数，起到微分作用，它的引入使系统能够根据偏差变化的趋势做出反应，适当的微分作用可加快系统响应，有效地减小超调，与积分作用互补，改善系统的动态特性，增加系统的稳定性。
整个过程利用凑试法，从而来确定在哪种参数的组合下系统能较快的，波动更小的趋于稳定，达到最终的控制目的。
如图4所示，在ti、td固定不变情况下，增大kp，系统能够更快的达到控制点，趋向稳定。
如图5所示，在kp、ti固定不变情况下，增加td，系统的变化始终在目标值以下。将调节器参数逐个进行反复凑试，直到获得满意的控制质量。
如图1-2所示，手动挡汽车离合器半联动自动控制机构包括：离合器控制机构和半联动行程自动控制机构；
如图1所示，半联动行程自动控制机构包括：曲轴位置传感器1、车速传感器2、节气门位置传感器3、档位信号4、离合器位置传感器5、系统开关6、系统电脑7和离合器半联动控制电机8；
曲轴位置传感器1采用原车元件，装于曲轴上，用以检测曲轴实时位置，并通过数据线传送给系统电脑7；
车速传感器2采用原车元件，装于变速器上，用于检测车速，并通过数据线传送给系统电脑7；
节气门位置传感器3采用原车元件，装于节气门上，用于检测节气门状态，并通过数据线传送给系统电脑7；
档位信号4通过数据线将所需升、降档位信号传送给系统电脑7；
离合器位置传感器5装于离合器踏板杆11上，用于检测离合器踏板杆11所处位置，并通过数据线传动给系统电脑7；
系统开关6装于中控台上；系统电脑7装于仪表台内，通过导线与离合器控制机构相连接；
如图2所示，离合器控制机构包括：离合器半联动控制电机8、推杆9和凸轮10；离合器半联动控制电机8为步进电机，装于离合器踏板杆11侧部的车辆主体结构上，并通过导线与系统电脑7相连接；推杆9一端与离合器半联动控制电机8的输出轴相连接，另一端装有凸轮10；离合器半联动控制电机8和推杆9可带动凸轮10旋转及前进和后退，插入或退出离合器踏板杆11的前端。
如图2所示，在离合器结合过程中，a点为离合器踏板最低点，处于分离状态；b点为半联动状态的起始点，刚刚结合的位置；c点为离合器完全结合的状态；d点为离合器踏板的最高位置。在离合器控制过程中，a→b和c→d两个过程离合器踏板可快速抬起，b→c的过程是离合器半联动控制的关键，在半联动的自动控制中的关键是控制离合器踏板位置由半联动点b点位置开始，到结合点c点结束。该系统采集传感器信号，计算出半联动位置，即b→c的具体位置，通过控制电机5，带动推杆6对离合器踏板位置进行实时控制。
离合器半联动控制电机由系统电脑进行控制，离合器半联动控制电机通电后带动推杆旋出，推杆旋出同时，凸轮旋转，利用旋转的凸轮控制离合器半联动角度。
如图6所示，不踩离合器时，推杆不旋出，凸轮顶点朝上；
如图7所示，当踩下离合器踏板(a-b之间)时；推杆旋出，凸轮顶点朝下。
执行机构工作原理：
如图8所示，初始状态，推杆不旋出，凸轮顶点朝上，凸轮与离合器踏板不接触。
如图9所示，踩下离合器踏板，系统电脑控制离合器半联动控制电机通电，推杆旋出，凸轮顶点朝下，驾驶员换档后，直接抬起离合器踏板，凸轮顶点与离合器踏板接触，使离合器踏板限位在b点位置。之后系统电脑根据算法计算出离合器半联动角度，并控制离合器半联动控制电机，电机带动推杆与凸轮旋转，通过凸轮旋转控制离合器半联动位置，及b到c之间位置。
如图10所示，当离合器完全结合，即凸轮基圆位置与离合器踏板接触，离合器踏板踏板到c点位置，系统电脑控制离合器半联动控制电机反向通电，使推杆与凸轮旋回初始位置，完成半联动控制。
另外，本系统设有学习功能，考虑到离合器片磨损、系统凸轮磨损等情况，系统电脑会对推杆和凸轮角度进行修正。
手动挡汽车离合器半联动自动控制机构的执行步骤为：
s41、开启系统开关：
需要自动控制离合器半联动时，先开启系统开关，检测各传感器工作正常，如果关闭系统开关，离合器踏板恢复到手动控制模式；
s42、踩下离合器踏板：
离合器踏板踩到底，即离合器最低点a位置；
s43、数据传送：
曲轴位置传感器1、车速传感器2、节气门位置传感器3、档位信号4和离合器位置传感器5将各自信号通过数据线传送给系统电脑7；
s44、数据运算分析：
将s43步骤中得到的各数据通过计算得出：摩擦片与压盘的转速比和半联动过程离合器踏板角度；
s45、发出指令：
系统电脑向离合器控制机构发出开启指令；开启离合器半联动控制电机8，向离合器半联动控制电机8发出推进距离、转动速度；
s46、离合器半联动自动控制；
松开离合器踏板，离合器踏板由离合器最低点a速移到离合器半联动起点b，离合器半联动起点b与凸轮10相抵触，凸轮10转动离合器踏板由离合器半联动起点b上移到离合器半联动终点c，完成离合器半联动，凸轮10由离合器半联动终点c处退回，离合器踏板由离合器半联动终点c自由升至离合器踏板最高位置d。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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