毕业设计开题报告-某赛车变速器自动换挡操纵机构设计及换挡策略研究.doc

哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告 本科毕业论文（设计）开 题 报 告论文题目 某赛车变速器自动换挡 操纵机构设计及换挡策略研究 班 级 姓 名 院（系） 汽车工程学院 导 师 开题时间 2013年12月23日 - 16 -1课题研究的目的和意义变速器是汽车的重要总成，它的好坏对赛车的性能有着决定性的影响。电控机械式自动变速器是在传统的手动齿轮式变速器基础上改进而来的，它融合了自动变速器和手动变速器两者的优点：电控机械式自动变速器既具有自动变速器换挡迅速、操作方便的优点，又保留了原手动变速器齿轮传动的高效率、低成本等长处1。本课题所研究对象是以摩托车变速器基础，所以先介绍一下。摩托车变速器主要有两种形式：一是有级齿轮传动变速器，由于其具有良好的传动效率，通过合理的档位配置可以较理想的发挥发动机的动力特性，因此被广泛应用于跨骑式摩托车上；二是皮带传动无级变速器，尽管其传动效率较低，但自动变速的特性使其在注重操纵方便性的踏板车上得到了广泛使用2。摩托车变速方式是指如何操作变速机构来实现变速。当前的摩托车有多种变速方式，一、国际挡变速方式是当用脚踏下踏板时，应为降挡操作，当用脚把变速踏板钩起时，应为升档操作。在连续踏下变速踏板时，变速器连续降挡，并到1挡为止。在连续用脚背勾起变速踏板时，变速器连续升挡，直到最高挡为止。二、循环挡变速方式一般出现在中、小排量的摩托车上，当连续升档达到最高挡之后，再继续踏动变速踏板，变速器进入空挡，此后又进入1挡，如此反复循环。三、赛车变速方式是道路赛车采用的特殊变速方式，它采取踏下变速踏板的方式升档,除升降挡与国际挡3。该课题为参加中国大学生方程式汽车大赛的赛车设计自动换挡机构，由比赛规则限制，赛车所采用发动机多为摩托车发动机或者以摩托车发动机为基础的改装发动机，其所匹配的变速箱也多为与摩托车原装发动机一体式的两轴序列式变速器，赛车给驾驶员提供的驾驶操作空间是很小的，所以如果使用传统的手动拉杆式换挡操作系统不但会因操作便而影响驾驶，同样也可能因为换挡的时间较长而影响比赛成绩，所以为该赛车匹配“换挡拨片+气动换挡”方案，最终实现类似于F1赛车的换挡操作。2国内外研究现状八十年代以后，随着电子技术和计算机技术的实用和普及，先进电子技术在汽车上的使用极大地提高了汽车的动力性、经济性、舒适性和方便性，因而在汽车上得到了日益广泛的应用，现在的汽车正在逐步电子化、自动化。汽车变速传动系统的任务是传递动力，并在动力的传递过程中改变传动比，以调节或变换发动机的特性，同时通过变速来适应不同的驾驶要求4。汽车变速系统整体上是由手动换档向自动换档发展，尤其是高速发展的计算机技术应用于换档变速系统，使汽车自动变速技术得到了快速的发展，其理论与设计水平也达到了相对的完善。采用自动变速器，实现自动换档，不但可以使汽车的驾驶变得更简单、省力，而且可以有效地提高汽车的舒适性、动力性、安全性并降低排放，因而长期以来，这一直是人们努力的目标。随着电子控制技术的发展，自动变速器的性能不断完善，价格不断降低，在汽车上的应用日益广泛4。现在，城市客车和公共汽车上自动变速器的装车率，美国是l00，欧洲发达国家在90以上：在轿车上，日本中高级轿车上装用自动变速器的车辆比例超过了80，美国则一直在90以上。目前汽车自动变速器主要有三种型式5：液力机械自动变速器(Automatic Transmission，简称AT)；机械式无级变速器(Continuously Variable Transmission，简称CVT)；电控机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission，简称AMT)；在电控机械式自动变速器领域，近年来又出现了一种新型变速传动方式，即双离合器式自动变速器(Dual Clutch Transmission，简称DCT)，并成为世界汽车变速器领域研究开发的热点。2.1自动变速器的出现美国Sturtvant兄弟在1904年发明了自动变速器，它根据发动机转速变化并利用离心力的作用使齿轮啮合或脱开来实现两档之间的转换。在1904年出现了离合器和制动器等摩擦元件操纵变速换档的行星齿轮机构，该机构首先用于英国Wilson Picher汽车上。l907年福特车上大量使用行星齿轮变速器它的出现实现了不切断动力进行的“动力换档”，并避免了固定轴式变速器中的“同步问题”。液力偶合器的出现为自动操纵的实现提供了可能，1934年雷奥研制了自换档器(Self-Shifter)，由两个变速器串联而成，用车速作为控制信号。1937年Buick和Oldsmobile汽车的自动安全变速器采用离合器来改变车辆行驶方向，前进挡由两个液压控制的行星机构自动变速，它是1938年出现的GM液力自动变速器的前身。1938年至1941年美国通用(GM)和克莱斯勒(Chrysler)公司采用液力偶合器代替离合器，省去了驾驶时的离合器踏板操作，从而使变速器挂上档位而发动机处于怠速运转成为可能，这就为成功地采用自动换档齿轮变速器铺平了道路。随后出现了Chevrolet和Ford以及Chrysler等车的液力变速器，开始液力自动变速时代。2.2液力自动变速阶段1939年通用汽车公司奥斯摩比尔分部开发了由液力偶合器、四档行星齿轮变速器和液压控制的自动换档装置组成的“Hydramatic Drive，并最早用于乘用车Oldsmobile上6-7。1950年，美国福特汽车公司首先采用了由液力变矩器组成的自动变速器，自动变速器进入了液力自动变速器普遍应用和迅速推广时期。这个阶段的液力自动变速器由液力变矩器和行星齿轮变速器组成，控制系统是通过液压系统来实现的。通过反映油门开度大小的节气门阀和反映车速高低的速控阀产生控制信号，其控制系统是由若干个复杂的液压阀和油路构成的逻辑控制系统，按照设定的换档规律控制换档执行机构的动作，从而实现自动换档。但当时自动变速器的效率明显低于机械变速器，使得装有自动变速器的汽车的燃油经济性较差，另外再加上其结构复杂、成本高，这些都限制了它的发展。为了提高自动变速器的效率，人们采用多元件工作轮的液力变矩器及功率分流技术。在1953年有了液力变矩器闭锁的专利技术，可以提高在高速时的效率，但由于当时油价便宜并没有引起重视。液压控制系统的缺点是：控制精度低，难以适应车辆行驶状况的变化；无法按使用者愿望实现多种换档规律；无法实现精确的换档品质控制。2.3电控自动变速阶段1969年法国的雷诺R16TA轿车首先使用了电子控制自动变速器，与全液压的自动变速器区别在于自动换档的控制系统是由微机来实现的，但当时电子技术不成熟，应用范围较窄。20世纪70年代末以来，以微机为控制核心的电子控制自动变速器得到了迅速的发展，传统的液压控制液力自动变速器现在已基本不再生产，以后我们所说的电子控制自动变速器指的就是这种以微机为核心的自动变速器。到20世纪80年代末，电子控制逐步实用化，越来越多的自动变速器采用了电子控制。自动变速器的控制系统包括电控和液控两部分，电控系统由微机、各种传感器、电磁阀及控制电路等组成，它将控制换档的参数(如车速和油门开度等)通过传感器转换为电信号输送给微机，微机通过处理将换档的信号作用于换档电磁阀，从而利用液压换档执行机构实现自动换档，故统称为电控液力自动变速器。由于微机能存贮和处理多种换档规律，在改善换档品质方面，有明显的优越性，并且与整车的其他控制系统兼容性好，最终可以实现车辆电子控制系统一体化。1988年，德国的宝马、日本的马自达和三菱以及其它一些世界著名汽车生产厂家纷纷采用了电子控制换档技术，但电子控制自动变速器真正迅猛的发展，还是20世纪80年代中期到90年代的事情。日本的丰田汽车公司，在其佳美、皇冠、凌志等11种车型上，就装用了14种电子控制自动变速器。随着机电一体化技术的发展，机械式变速器也逐步实现了自动化。首先出现半自动SAMT系统，如1983年美国Eaton公司的SAMT系统；1986年瑞典SCANIA的CAG系统实现了换档动作的自动化。随后出现了全自动的电控机械式自动变速器，如1983年日本五十铃公司的NAVI-5电控机械式自动变速系统。2.4智能自动变速阶段随着车辆技术和自动变速技术的发展，人们已经不再满足于简单的功能实现，人们开始追求车辆更高的智能性，要求开发具有智能化特征的车辆自动变速系统。随着自动变速器使用中出现的问题和人们对车辆性能要求的不断提高，人们采用各种新的检测、控制技术以改善自动变速车辆的性能，使换档控制对路面环境、使用者特点及使用者意图更具适应性8。德国的宝马公司从1 992年起，陆续推出用于四档和五档自动变速器的自适应控制系统，能够自动识别驾驶员的类型、环境条件和行驶状况，并对换档规律作出适当调整。尼桑的E4N71 B自动变速器，采用模糊推理对高速公路坡道进行识别，采取禁止升档的措施消除循环换档。三菱新型四档自动变速器，将各种输入信息和驾驶员的换档通过神经网络建立联系，利用神经网络的学习功能，使得车辆能够按照驾驶员意图自动换档。2.5电控机械式自动变速器的产生与发展电控机械式自动变速器(AMT)的发展大概分为三个阶段：AMT起步阶段：这一阶段属于半自动变速器发展与成熟阶段。上世纪60年代起，出现了对传统的离合器和手动机械变速器的半自动操纵，例如美国伊顿(Eaton)的半自动机械变速器(SAMT)系统(1 983年)，德国奔驰公司(Daimler Benz)的电推动(EPS)系统(1990年)，瑞典斯堪尼亚(Scania)的CAG系统(1986年)。CAG系统和EPS系统只是使换档动作实现了自动化，并不能实现控制过程中最困难的起步过程自动化。Eaton的SAMT系统在自动换档时可以进行适当的对离合器和发动机的控制，白俄罗斯工学院开发的SAMT系统实现了二参数的换档规律自动判断档位并能够自动完成换档功能，但是在起步时仍然是手动操纵离合器。AMT发展阶段：其标志是1984年日本五十铃公司投放到市场的NAVI-5电控机械式自动变速器。在此阶段，研究的重点是自动离合器、换档控制与换档策略。日本的Nissan、瑞典的Scania及Volvo、美国的Ford、Eaton、意大利的FIAT、德国的ZF、法国的Ranault均开展此方面的研究。在日本采用扭矩反馈控制后，换档同步控制已日臻完善，但是离合器起步控制和换档操纵规律仍是困扰AMT发展的难点，易造成自动离合器磨损和坡道、弯道意外换档等不良现象。AMT智能控制形成和发展阶段：随着各种自动变速器在使用中各种问题的出现和人们对车辆性能要求的不断提高，人们引入了各种最新的检测控制技术来改善自动变速器性能，使档位决策及换档控制对于路面环境、驾驶员特点、驾驶员意图更具有适应性。目前，AMT在离合器控制和档位决策方面采用模糊逻辑，模仿熟练司机驾车中的相应操纵以改善起步，换档离合器结合控制特性和档位选择的适应性。神经网络方法也被引入AMT的档位决策和控制中。通过GPS获取更多路面特征信息以提高AMT对路面的适应性，AMT电控系统与发动机电控系统一体化以增加信息共享，协调控制能力，以及实现整车控制系统网络化等思想也受到重视。使用这些电子智能控制技术，使得汽车的操控系统能够通过电子方式而不是传统的机械方式进行控制。AMT在手动变速箱和干式离合器的基础上实现起步、换档的自动操纵。微机控制换档，使得汽车按照最佳换档规律进行换档，比手动变速器更加经济、方便、安全和舒适。而且具有制造工艺简单、成本低和传动效率高的优点，目前在国内外非常受重视，引起整车厂和零部件厂的广泛关注。其最典型的例证多在欧洲，由于手动变速器在欧洲汽车市场仍然占有70-80的市场比例，因此欧洲对这种电控机械式自动变速器的研究也就倾注了更多的热情。国外由于受燃料经济性和排放法规的限制，特别是欧洲各主要汽车制造商近两年来也相继加大对AMT的研究开发力度，并陆续推出自己的产品。目前世界上正在进行电控机械式自动变速器开发研究的主要有美国EATON公司、德国的LUK、ZF、GETRAG等公司以及英国的RICARDO公司、意大利的FIAT公司等许多厂家，已经生产面世的车型也有德国BMW公司的M3型车、大众公司的LUPO车，以及意大利菲亚特公司的阿尔法一罗密欧等诸多车型9-12。3. 本课题的研究内容及技术方案中国大学生方程式汽车大赛（简称“FSC”）是中国汽车程学会主办的全国性赛事，由比赛规则限制，赛车所采用发动机多为摩托车发动机或者以摩托车发动机为基础的改装发动机，其所匹配的变速箱也多为与摩托车原装发动机一体式的两轴序列式变速器，赛车给驾驶员提供的驾驶操作空间是很小的，所以如果使用传统的手动拉杆式换挡操作系统不但会因操作便而影响驾驶，同样也可能因为换挡的时间较长而影响比赛成绩。受到F1赛车的换挡操作系统启发，提出为该赛事赛车匹配“换挡拨片+气动换挡”这一方案，为原有的手动两轴式序列变速器匹配气动执行机构和控制电路，使其成为电控机械式自动变速器，原有变速器需要改动的主要分控制机构和执行机构这两部分。控制机构主要由ECU、各种传感器、控制电路板、电磁阀等组成；执行机构主要由气缸、自主设计换挡杆等组成。用换挡拨片触发升降档信号，通过电磁阀控制气缸动作来执行升降档，进而控制赛车换挡，最终实现类似于F1赛车的换挡操作13-14。4. 本设计的特色1）本课题建立在现有赛事和具体需求的基础上，将普通民用摩托车变速器改造成适合该赛事的赛车变速系统，据了解国内尚无相关深入研究，此课题随时基础性实验研究，但对该赛事赛车的设计具有重要参考价值；2）本课题使用的是LD196MR发动机变速器，该发动机的档位是国际档，即1-N-2-3-4-5。两轴式滑动齿轮变速器，无同步器，民用车已经基本不再使用该类型变速器，本科教材也已经基本不再提到，但在赛摩领域却依旧沿用，在轻量化，制造成本，传动效率等方面还是用相当大的优势，借此表达在变速器已经复杂到八速双离合自动变速器的今天能记得最简单的序列式两轴滑动齿轮变速器；3）本课题全套气动系统由有国际顶尖气动厂商费斯托提供产品支持，利用该公司产品、分析软件，技术参数和数据库可简化前期分析计算过程，提高效率；4）本课题利用哈工大（威海）赛车队的资源，可用实物进行前期设计、后期测试等开发全过程，成果真实可见。5. 进度安排第1-3 周：搜集资料，撰写开题报告；第4-6 周：原车两轴变速器初期建模；第7-8 周：确定气动系统总体方案，画气路原理图；第9-11周：测量变速器各参数，气动元件计算选型；第12-13周：完善系统三维建模，包涵气动系统；第14-15周：研究适合的换挡策略；第16-17周：撰写毕业设计论文；第 1 8 周：准备答辩。6. 参考文献1 柏军玲.电控机械式自动变速器的开发研究J.中国制造业信息化, 200