机电液一体化在汽车上的应用-职业学院毕业论文

山 东 华 宇 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 用 纸 1 摘要 近年来 ,由于电子技术的飞速发展及计算机的普遍使用 ,机械工程开始广泛采用机电 液一体化技术 ,简单地说 ,机电液一体化技术就是电子技术、传感器技术与液压技术相结 合 ,从而实现机械的自动控制、自动监测和处理。机电液一体化技术的应用 ,使液压能传递 较大功率的优越性和电子控制的灵活性在机械上得以集中体现 ,可以大大提高机械的工作 质量和精度、节约能量、提高效率、改善机械的操纵性能以及提高安全性和可靠性。 面对我国汽车业发展的形势，机电液一体化已在汽车上得到很多的应用，由有条件有 限，本论文主要讨论机电液一体化在汽车上的应用之一自动变速器，并从其结构、原理、 功能等方面做相应分析。 由于作者水平有限文中难免有疏漏和错误，诚请读者批评指正。 关键词关键词 ： 机电液一体化技术机电液一体化技术 ；自动变速器；自动变速器 ；分析；分析 ；检修；检修 山 东 华 宇 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 用 纸 2 机电液一体化在汽车上的应用 作者：孙崇伟 一、引言 随着科学技术的高速发展，机电液控制技术在各个行业得到广泛的应用。在机械制造 行业中，机电液控制技术用于电液自动控制的机器人，以代替人完成海底作业和有毒现场 的施工；用于电液控制的机械手，以代替人完成自动生产线上的焊接、喷漆、装配等；用 于自动生产线的位置、速度与时间的控制；用于加工机械零件的加工中心（数控机床）， 以实现六面体的高精度自动加工。在汽车及工程车辆中，机电液控制技术用于机液伺服转 向系统；用于汽车的无人驾驶、自动换挡。在军事工业中，机电液控制技术用于飞机的操 纵系统；雷达跟踪和舰船的舵机装置；导弹的位置控制和发射架自动控制等。近年来，我 国机械自动化技术发展十分迅速，自动控制理论、液压传动技术、微电子及计算机控制技 术的相互融合，推动了我国机械工业的飞速发展。 二、机电液一体化概述 机电液一体化技术是机械技术、液压技术和微电子技术的有机结合，它是在融合了机 械、液压、计算机、传感器、自动控制等多门科学技术的基础上发展起来的一门新兴科学。 用电子技术实现关键参数的实时监控在关键部位设置传感器对汽上的发动机燃油、冷却、 润滑、充电系统及行走、振动，转向系统等的温度、压力、流量诸参数进行实时监控；借 助看门狗电路和电脑监控分析进行异常报警，利用微电脑控制器对整机上的开关、继电器、 电磁阀进行检测、诊断并分析出故障代码，维修人员利用监控器读取故障码，便于快速排 除故障。 三、机电液一体化在汽车上的应用 随着科技的发展，以机电液一体化技术为界面的新功能开发国外广泛利用该技术建立 了自动驾驶作业系统；德国宝马公司推出自动滑转控制系统，汽车可爬 68的陡坡；通过 操作显示灯、提示灯和电器开关互锁来防止误操作；通过操作座椅上的开关在汽车上行驶 过程中进行牵引与行驶液压回路的转换。 由于国民经济的迅猛发展，汽车产量逐年增加，尤其是高科技的飞速发展，机电液技 术在汽车上的广泛应用后,使液压能传递较大功率的优越性和电子控制的灵活性在机械上得 以集中体现 ,可以大大提高汽车的行驶质量和精度、节约能量、提高效率、改善汽车的操纵 性能以及提高安全性和可靠性。 山 东 华 宇 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 用 纸 3 四、案例分析 面对我国汽车业发展的形势，机电液一体化已在汽车上得到很多的应用，具体有自动 变速器，ABS 系统，转向系统等。由有条件有限，本篇论文重点讨论机电液一体化在汽车上 的应用之一自动变速器。变速器是汽车传动系中最主要的部件之一，它的好坏关系着 汽车能否顺利改变汽车行驶速度，以及能否顺利倒车和实现空挡。本文主要研究自动变速 器的构造原理与常见故障，对其进行分析和解决。对使用和维护汽车有着很现实的意义。 随着现在汽车迅速进入家庭，汽车私有化程度提高，所以汽车故障将会影响到我们每一个 人。分析研究自动变速器故障现象、原因、探索自动变速器故障的排除方法和检修，具有 重大而现实的意义。 1、自动变速器的概述 众所周知，由于车用发动机的扭矩和转速变化范围较小，而复杂的使用条件又要求汽 车的车轮驱动力和车速能在相当大的范围内变化，所以，需要在汽车的动力传动系统中设 置变速器。 汽车变速器一般有两种形式，一种是普通的手动变速器，一种是自动变速器。借助于 普通的手动变速器，汽车驾驶员虽然也可以根据需要进行换挡操作，即选择最合适的齿轮 组合，以适应具体的行驶条件，但每次换挡，都不可避免地要伴之以操纵离合器。统计资 料表明，在城市行驶工况下，载货汽车每行驶 100km，需起步和停车 80100 次，而公共汽 车则需 400500 次。考虑到换挡时的离合器操纵，那么，在城市工况下每行驶 100km，公 共汽车的离合器工作次数可达 8001000 次。在城市交通日益繁忙，道路阻塞日趋加剧的 情况下，频繁的换挡对汽车驾驶员来说，无论在精神上，还是体力上，都是一个很大的负 担；同时，对道路交通安全也是一个不利的因素。 由于自动变速器能根据车辆的行驶速度和驾驶员踩下加速踏板的程度，自动地实现换 挡操纵，从而把汽车驾驶员从选择变速器挡位、操纵离合器，以及实施换挡等一系列繁重 的驾驶操作中解放出来，并因此而保证了汽车的动力性，提高了行车的安全性，增加了驾 驶和乘车的舒适性。 2、自动变速器的功能 自动变速器根据汽车速度、发动机转速、动力负荷等因素自动进行升降档位，不需由 驾驶者操作离合器换档，使用很方便。特别在交通比较拥挤的城区马路行驶，自动变速器 体现出很好的便利性。 山 东 华 宇 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 用 纸 4 自动变速器是由机器自动控制档位，变换档位是由液压控制装置进行的以一个典型的 自动变速器为例，液压控制装置根据节气门（油门）开度和变速器输出轴上输送来的信号 控制升降档。根据节气门开度变化，液压控制装置中的调节阀产生与加速踏板踏下量成正 比的液压，该液压作为节气门开度“信号”加到液压控制装置；另外有装配在输出轴上的 速控液压阀可产生与转速（车速）成正比的液压，作为车速“信号”加到液压控制装置。 因此，就有节气门开度“信号”和车速“信号”，液压控制装置根据这两个“信号”自动 调节变速器油量，从而控制换档时机。 电子控制自动变速器增加了节气门位置传感器、车速传感器、水温传感器、液压温度 传感器、发动机转速传感器、档位开关、刹车灯开关等数字信号汇入 ECU，从而使得 ECU 精确控制电磁阀，使换档和锁止时间准确，令汽车运行更加平稳和节省燃油。 3、自动变速器的组成与原理、自动变速器的组成与原理 自动变速器的厂牌型号很多，外部形状和内部结构也有所不同，但它们的组成基本相 同，都是由液力变矩器和齿轮式自动变速器组合起来的。常见的组成部分有液力变矩器、 行星齿轮机构、离合器、制动器、油泵、滤清器、管道、控制阀体、速度调压器等，按照 这些部件的功能，可将它们分成液力变矩器、变速齿轮机构、供油系统、自动换挡控制系 统和换挡操纵机构等五大部分。 A 涡轮B 泵轮C 导轮 图 1 液力变矩器工作原理 山 东 华 宇 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 用 纸 5 （1）液力变矩器 液力变矩器位于自动变速器的最前端，安装在发动机的飞轮上，其作用与采用手动变 速器的汽车中的离合器相似。它利用油液循环流动过程中动能的变化将发动机的动力传递 自动变速器的输入轴，并能根据汽车行驶阻力的变化，在一定范围内自动地、无级地改变 传动比和扭矩比，具有一定的减速增扭功能。 （2）变速齿轮机构 自动变速器中的变速齿轮机构所采用的型式有普通齿轮式和行星齿轮式两种。 采用普通齿轮式的变速器，由于尺寸较大，最大传动比较小，只有少数车型采用。目 前绝大多数轿车自动变速器中的齿轮变速器采用的是行星齿轮式。 变速齿轮机构主要包括行星齿轮机构和换档执行机构两部分。 行星齿轮机构，是自动变速 器的重要组成部分之一，主要由于太阳轮（也称中心轮）、内齿圈、行星架和行星齿轮等 元件组成。行星齿轮机构是实现变速的机构，速比的改变是通过以不同的元件作主动件和 限制不同元件的运动而实现的。在速比改变的过程中，整个行星齿轮组还存在运动，动力传递没有 中断，因而实现了动力换挡。 图 2 单排行星齿系机构 换挡执行机构主要是用来改变行星齿轮中的主动元件或限制某个元件的运动，改变动 力传递的方向和速比，主要由多片式离合器、制动器和单向超越离合器等组成。离合器的 作用是把动力传给行星齿轮机构的某个元件使之成为主动件。制动器的作用是将行星齿轮 机构中的某个元件抱住，使之不动。单向超越离合器也是行星齿轮变速器的换挡元件之一， 其作用和多片式离合器及制动器基本相同，也是用于固定或连接几个行星排中的某些太阳 轮、行星架、齿圈等基本元件，让行星齿轮变速器组成不同传动比的挡位。 （3）供油系统 自动变速器的供油系统主要由油泵、油箱、滤清器、调压阀及管道所组成。油泵是自 动变速器最重要的总成之一，它通常安装在变矩器的后方，由变矩器壳后端的轴套驱动。 山 东 华 宇 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 用 纸 6 在发动机运转时，不论汽车是否行驶，油泵都在运转，为自动变速器中的变矩器、换挡执 行机构、自动换挡控制系统部分提供一定油压的液压油。油压的调节由调压阀来实现。 （4）自动换挡控制系统 自动换挡控制系统能根据发动机的负荷（节气门开度）和汽车的行驶速度，按照设定 的换挡规律，自动地接通或切断某些换挡离合器和制动器的供油油路，使离合器结合或分 开、制动器制动或释放，以改变齿轮变速器的传动化，从而实现自动换挡。 自动变速器的自动换挡控制系统有液压控制和电液压（电子）控制两种。 液压控制系统是由阀体和各种控制阀及油路所组成的，阀门和油路设置在一个板块内， 称为阀体总成。不同型号的自动变速器阀体总成的安装位置有所不同，有的装置于上部， 有的装置于侧面，纵置的自动变速器一般装置于下部。 在液压控制系统中，增设控制某些液压油路的电磁阀，就成了电器控制的换挡控制系 统，若这些电磁阀是由电子计算机控制的，则成为电子控制的换挡系统。 （5）换挡操纵机构 自动变速器的换挡操纵机构包括手动选择阀的操纵机构和节气门阀的操纵机构等。 驾驶员通过自动变速器的操纵手柄改变阀板内的手动阀位置，控制系统根据手动阀的位置 及节气门开度、车速、控制开关的状态等因素，利用液压自动控制原理或电子自动控制原 理，按照一定的规律控制齿轮变速器中的换挡执行机构的工作，实现自动换挡。 图 3 电子系统工作原理 （6）自动变速器的工作过程 自动变速器之所以能够实现自动换挡是因为工作中驾驶员踏下油门的位置或发动机进 气歧管的真空度和汽车的行驶速度能指挥自动换挡系统工作，自动换挡系统中各控制阀不 山 东 华 宇 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 用 纸 7 同的工作状态将控制变速齿轮机构中离合器的分离与结合和制动器的制动与释放，并改变 变速齿轮机构的动力传递路线，实现变速器挡位的变换。 传统的液力自动变速器根据汽车的行驶速度和节气门开度的变化，自动变速挡位。其 换挡控制方式是通过机械方式将车速和节气门开度信号转换成控制油压，并将该油压加到 换挡阀的两端，以控制换挡阀的位置，从而改变换挡执行元件（离合器和制动器）的油路。 这样，工作液压油进入相应的执行元件，使离合器结合或分离，制动器制动或松开，控制 行星齿轮变速器的升挡或降挡，从而实现自动变速。 电控液力自动变速器是在液力自动变速器基础上增设电子控制系统而形成的。它通过 传感器和开关监测汽车和发动机的运行状态，接受驾驶员的指令，并将所获得的信息转换 成电信号输入到电子液压控制装置的换挡阀，使其打开或关闭通往换挡离合器和制动器的 油路，从而控制换挡时刻和挡位的变换，以实现自动变速。 4、汽车自动变速的优缺点 （1）优点： a) 能根据行驶速度和加速踏板位置，自动地选择最合适的挡位； b) 消除了离合器操作和频繁的换挡，使驾驶操作变得简单而省力，同时，也提高了行 车的安全性； c) 大大降低了汽车传动系统的动载荷，使发动机和传动系相关零部件以及轮胎等的使 用寿命大为提高； d) 在外载荷突然增大的情况下，可防止发动机过载或熄火，从而保护发动机，并减少 排气污染； e) 有效地、平稳地、持续地传递发动机所产生的扭矩，起步平稳，振动和噪声减少， 提高乘坐舒适性。 （2）缺点： a) 对速度变化反应较慢，没有手动档灵敏； b) 比较费油，传动效率较低，变矩范围有限，近年引入电子控制技术改善了这方面的 问题； c) 结构复杂，修理困难。在液力变矩器内高速循环流动的液压油会产生高温，所以要 用指定的耐高温液压油。 d) 如果汽车因蓄电池缺电不能启动，不能用推车或拖车的方法启动。拖运故障车时还 必须使驱动轮脱离地面，否则会损坏。 山 东 华 宇 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 用 纸 8 与普通的手动变速器相比，自动变速器存在着结构较为复杂，工艺要求及制造成本较 高，以及传动效率略低等缺点，从而使整车的制造成本和车辆在某些下况及场合下的运行 油耗略有增高，维修难度加大。但由于其优点远远超过了缺点，所以自动变速器在汽车上 得到了越来越广泛的应用。 5、自动变速器常见故障及故障原因 机电液一体化在汽车上的中应用主要是在自动变速器上的应用，但其中存在着诸多问题，现就对自 动变速器上的一些故障予以分析。 （1） 汽车不能行驶 故障现象：无论换档操纵手柄位于倒档、前进档或前进低，汽车都不能行驶；汽车启 动后能行驶一小段路程，但稍一热车就不能行驶。 故障原因： a) 自动变速器油底壳被撞坏，自动变速器油全部漏光； b) 换档操纵手柄及手动阀摇臂之间的连杆或拉锁松脱，手动阀保持在空档或停车挡位 置； c) 油泵进油滤网堵塞； d) 主油路严重泄露； e) 油泵损坏。 （2） 自动变速器打滑故障排除 故障现象：汽车起步时踩下加速踏板，发动机转速很快增高，但车速升高缓慢。汽车 行驶中踩下加速踏板加速时，发动机转速升高但车速没有很快升提高；汽车平路行驶基本 正常，但上坡无力，且发动机转速异常高。 故障原因： a) 自动变速器油面太低； b) 自动变速器油面太高，运转中被行星齿轮机构剧烈搅动后产生大量气泡； c) 离合器或制动器摩擦片、制动带磨损过甚或烧焦； d) 油泵磨损过甚或主油路泄露，造成油路油压过低； e) 单向超越离合器打滑； f) 离合器或制动器活塞密封圈损坏，导致漏油。 （3） 自动变速器换档冲击大故障排除 故障现象：汽车起步时，由停车档（P 位）或空档（N 位）挂入倒档（R 位）或前进档 山 东 华 宇 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 用 纸 9 （D 位）时汽车振动较严重；在行驶过程中，在自动变速器升档或瞬间汽车有明显的闯动。 故障原因： a) 发动机怠速过高； b) 节气门拉锁或节气门位置传感器调整不当，使主油路油压过高； c) 升挡过迟； d) 主油路调压有故障，使主油路又压过高； e) 单向阀钢球漏装，换挡执行元件（离合器或制动器）结合过快； f) 换挡执行元件打滑； g) 油压电磁阀不工作； h) 电脑有故障。 （4） 自动变速器升挡过迟故障排除 故障现象：汽车行驶时，升挡车速明显高于标准值，升挡前发动机转速翩高，必须采 用加速踏板提前升挡的操作方法（即松开加速踏板几秒后再踩下）才能使自动变速器升入 高或超速挡。 故障原因： a) 节气门拉索或节气门位置传感器调整不当； b) 节气门位置传感器损坏； c) 主油路油压或节气门阀调节油压太高； d) 强制降挡开关短路； e) 电脑或传感器有故障。 （5） 自动变速器不能升档的故障排除 故障现象：汽车行驶中自动变速器始终保持在 1 挡，不能升入 2 挡或高速挡；行驶中 自动变速器可以升入 2 挡，但不能升入 3 挡或超速挡。 故障原因： a) 节气门拉索或节气门位置传感器调整不当； b) 车速传感器有故障； c) 相应的制动器或离合器有故障； d) 换挡阀卡滞； e) 挡位开关有故障。 山 东 华 宇 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 用 纸 10 （6） 频繁跳挡故障的排除 故障现象：汽车以前进挡行驶时，即使加速踏板保持不动，自动变速器仍然会经常出 现突然降挡现象，降挡后发动机转速异常升高，并产生换挡冲击。 故障原因： a) 节气门位置传感器有故障； b) 车速传感器有故障； c) 控制系统电路接地不良； d) 换档电磁阀接触不良； e) 电脑有故障。 （7） 自动变速器不能强制降挡故障排除 故障现象：当车以 3 挡或超速挡行驶时，突然将加速踏板踩到底，自动变速器不能立 即降低一个挡位，致使汽车加速无力。 故障原因： a) 节气门拉索或节气门位置传感器调整不当； b) 强制降挡开关损坏或安装不当； c) 强制降挡电磁阀损坏或线路短路、断路； d) 阀板中的强制降挡控制阀卡滞。 （8） 挂挡后发动机怠速易熄火故障排除 故障现象：发动机怠速运转时将换挡操纵手柄由 P 位或 N 位换入 R 位、D 位、3 位、2 位、1 位时发动机熄火；在前进挡或倒挡行驶中，踩下制动踏板停车时发动机熄火。 故障原因： a) 发动机怠速过低； b) 阀板中的锁止控制阀卡滞； c) 挡位开关有故障； d) 输入轴转速传感器有故障。 （9） 自动变速器无锁止故障排除 故障现象：汽车行驶中车速、挡位已满足锁止离合器起作用的条件，但锁止离合器仍 没有产生锁止作用，并且汽车油耗较大。 故障原因： a) 自动变速器油温度传感器有故障； 山 东 华 宇 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 用 纸 11 b) 节气门位置传感器有故障； c) 锁止电磁阀有故障或线路短路、断路； d) 锁止控制阀有故障； e) 液力变矩器中的锁止离合器损坏。 （10） 自动变速器汽车无发动机制动故障排除 故障现象：汽车行驶时，当换挡操纵手柄位于前进低（3 或 2、1）位置时，松开加速 踏板，发动机转速降至怠速，但汽车没有明显减速；汽车下坡时，换档操纵手柄位于前进 挡，但不能产生发动机制动作用。 故障原因： a) 挡位开关调整不当； b) 换挡操纵手柄调整不当； c) 2 挡强制制动器打滑或低及倒挡制动器打滑； d) 控制发动机制动的电磁阀有故障； e) 阀板有故障； f) 自动变速器打滑； g) 电脑有故障。 （11） 自动变速器异响故障排除 故障现象：在汽车运转过程中，自动变速器内始终有异响声；汽车行驶中自动变速器 有异响，停车挂空挡后异响消失。 故障原因： a) 油泵因磨损过甚或自动变速器油面高度过低、过高而产生异响； b) 液离变矩器因锁止离合器、导轮单向离合器等损坏而产生异响； c) 行星齿轮机构异响； d) 换档执行元件异响。 （12） 自动变速器油易变质故障排除 故障现象：更换后的新自动变速器油使用不久变变质；自动变速器温度太高，从加油 口处向外冒烟。 故障原因： a) 汽车使用不当，经常超负荷行驶，如经常用于拖车或经常急加速、超速挡行驶等； b) 自动变速器油散热器管路堵塞； 山 东 华 宇 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 用 纸 12 c) 通往自动变速器油散热器的限压阀卡滞； d) 离合器或制动器自由间隙太大； e) 主油路油压太低，离合器或制动器工作中打滑。 6、 变速器检修注意事项 我们在检修任何一台自动变速器时，都应从初步检查开始，这样往往能解决很多潜在 的问题。只有初步检查结果表明自动变速器正常工作应具备的所有前提条件都合格了，才 能进行手动换挡测试。对于自动变速器而言，进行这一步可以确定故障是在电控系统还是 机械机构。只有外部的所有条件都符合了，才能对自动变速器的故障作出正确的判断。这 其中发动机的性能对自动变速器的运转有很大影响，所以我们在进行自动变速器的检修之 前，应确保发动机的性能良好。最好能用专业诊断仪检测发动机，如发现故障码，应按故 障码提示进行诊断，并彻底排除发动机的故障。 在对变速器具体的故障进行诊断前应先对变速器进行外观检查，如车辆有无损坏，变 速器油底壳是否损坏及有无漏油现象，变速器油冷却器或冷却器油管是否损坏等。若发现 上述情况，应先排除。之后，还要对自动变速器油位和油质进行检查。正确的检查步骤是： 首先起动发动机并运转 15min 或变速器油到 8293工作温度。然后将车辆停放于水平地 面并拉紧驻车制动，在发动机怠速运转状态下踩住制动踏板，将变速器换挡杆在每个挡位 挂一遍并停于 P 挡。之后检查变速器的油面和颜色状况，要注意油液颜色是否为不透明的 粉红色。变速器不正常使用时油液会变黑，这种现象通常不是氧化就是污染所造成的。在 确认油质时，应放干油液以确定油液是否被污染。发现油底壳中存在很多小的颗粒材料是 正常的，若有大片的金属或其他材料在里面就需要解体变速器进行检查了，必要时还应更 换变速器油和滤清器。 在完成了油位和油质的检查之后，就可以测量变速器的油压了。在测量油压时，应将 油压表正确安装到相应的变速器油压测试孔上，并按照正确的测量步骤进行操作，测量的 具体数据应参照维修手册。 山 东 华 宇 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 用 纸 13 五、结论 本文介绍了机电液一体化自动变速器的功能、作用、结构、常见故障，并通过以 典型自动变速器为例，分析了自动变速器的原理与故障原因，以及如何正确使用、维护自 动变速器，尽量避免变速器的故障发生，延长使用寿命。 对于未来，机电液一体化技术的广泛应用已经成为汽车行业的一种趋势。虽