（光学工程专业论文）基于labview的emt变速器试验台架的研究.pdf

摘要 随着油价上涨以及汽车保有量的增加，汽车自动变速器在国际上的占有率逐 年增加。相比手动变速器，自动变速器在节油、操纵性及舒适性等方面有着显著 优势。在发达的西方国家，自动变速器的市场占有率非常高，其中美国的汽车市 场占有率最高，达到了9 0 ，日本的汽车市场占有率也非常高超过8 0 ，然而 我国的汽车市场占有率却仅有1 0 左右。所以自动变速器在我国有着广阔的前 景，其中e m t 自动变速器有着其他自动变速器无法比拟的优势，必将是未来变 速器市场中的主力军。e m t 自动变速器的推广不光对其检测及开发提出要求， 还会使得其维修和保养成为焦点，因此e m t 自动变速器试验台的研究显得尤为 重要。 本文在研究了自动变速器的发展现状及未来的发展趋势、分析了e m t 自动 变速器的构造与工作原理后，参照中华人民共和国汽车行业标准微型汽车机械 式变速器总成技术条件第一部分：轻微型( q c 厂r 2 9 0 6 3 1 2 0 1 0 ) 等国内外相关 变速器试验台架的的要求及标准，制定了变速器台架方案及试验台架的控制策 略。介绍e m t 试验台架的总体构成，其包括驱动控制设各、各类传感器及其他 设备。着重介绍了介绍了动力驱动系统的数学理论，并用s i n a m i c s m i c r o m a s t e r 选型配置软件s l z e r 对驱动系统及控制系统进行选型，选用 西门子s i n a m i c s $ 1 2 0 驱动系统，并得出电机的各项参数及特性曲线及其他设 备包括变频器、编码器等。在软件方面，对l a b v i e w 8 6 进行了详尽的介绍， 基于自动控制测试的编程方法对部分程序进行了简单介绍，包括数据采集程序、 旋转编码器转角测量及转速测量程序、电机控制程序，并分别写出流程图和程序 图。实现本文对e m t 自动变速器在换挡过程中对传动效率进行研究。 通过对该试验台架的研究，对e m t 自动变速器进了大量换挡过程的试验， 得到了相关的试验结果及数据，通过对被测试验数据的分析，对被测e m t 自动 变速器性能进行初步评价，并得到比较满意的结果。 关键词：e m t 自动变速器，l a b v i e w ，传动效率，试验台架，性能评价 a b s t r a c t w i t hr i s i n go i lp r i c e sa n dt h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fa u t o m o b i l e ，a u t o m o b i l e a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni nt h ew o r l ds h a r eh a si n c r e a s e dy e a rb yy e a r c o m p a r e d 晰t h t h em a n u a lt r a n s m i s s i o n ，a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni ns a v i n g ，m a n e u v e r a b i l i t ya n d c o m f o r th a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s i na u t oi n d u s t r yd e v e l o p e dc o u n t r y , t h ea u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n sm a r k e ts h a r ei sv e r yh i 曲，i nw h i c ht h ea m e r i c a nc a rm a r k e ts h a r eo f n e a r l y 9 0 ，j a p a n e s e c a l m a r k e ts h a r eo fm o r et h a n8 0 h o w e v e r , c h i n a s a u t o m o b i l em a r k e th a so n l ya r o u n d10 t h e r e f o r et h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nh a s v a s tp r o s p e c ti nc h i n a , w h e r ee m ta u t o m a t i ct r a n s m i s s i o na u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n w i t ho t h e ri n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e s ，w i l lb et h en e x tt r a n s m i s s i o ni st h em a i nf o r c ei n t h em a r k e t e m ta u t o m a t i ct r a n s m i s s i o np r o m o t i o nn o to n l yo ni t sd e t e c t i o na n dt h e d e v e l o p m e n tr e q u e s t ，w i l lm a k ei t sr e p a i ra n dm a i n t e n a n c eb e c o m et h ef o c u s ，s oe m t a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nt e s tb e n c hs t u d ya p p e a r st ob ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h i sp a p e rs t u d i e dt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ed e v e l o p m e n ts t a t u s a n dt r e n d so ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o no fe m ta u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，w i t h r e f e r e n c et ot h ep e o p l e sr e p u b l i co fc h i n aa u t o m o t i v ei n d u s t r ys t a n d a r d s ，t h ef l r s t p a r to ft h et e c h n i c a lc o n d i t i o n so f t h em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o na s s e m b l yo fm i n i - c a r s ： m i l dt y p e ) ) ( q c t 2 9 0 6 3 1 - 2 0 1 0 ) a n do t h e rr e l a t e dt r a n s m i s s i o nt e s tb e n c ho ft h e r e q u i r e m e n t sa n ds t a n d a r d s ，a n df o r m u l a t e dap r o g r a mt r a n s m i s s i o nb e n c ha n dt e s t b e n c hc o n t r o ls t r a t e g y i n t r o d u c et h ee m tt e s tb e n c ho ft h eo v e r a l lc o m p o s i t i o n ， w h i c hc o m p r i s e sad r i v ec o n t r o le q u i p m e n t ，v a r i o u st y p e so fs e n s o r sa n do t h e r e q u i p m e n t h i g h l i g h t st h em a t h e m a t i c a lt h e o r yo fd r i v es y s t e m s ，d r i v es y s t e m sa n d c o n t r o ls y s t e m sa n dt h es e l e c t i o no fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ef o rt h es i n a m i c sf o r m i c r o m a s t e rs i z e rs e l e c t i o n ，s e l e c t i o no fs i e m e n ss i n a m i c ss 12 0d r i v e s y s t e m ，a n dd r a wt h ep a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r i s t i c c h iv e so ft h em o t o ra n do t h e r e q u i p m e n ti n c l u d i n gt h ei n v e r t e r ，e n c o d e r , e t c o nt h es o f t w a r es i d e ，t h el a b v i e w 8 6 ad e t a i l e di n t r o d u c t i o n ，ab r i e fi n t r o d u c t i o nt op r o g r a m m i n gm e t h o d sb a s e do nt e s t i n g o ft h ea u t o m a t i cc o n t r o lo nt h ep a r to ft h ep r o g r a m ，i n c l u d i n gd a t ac o l l e c t i o n p r o c e d u r e s ，r o t a r ye n c o d e r s ，a n g l em e a s u r e m e n ta n ds p e e dm e a s u r e m e n tp r o c e d u r e s ， m o t o rc o n t r o lp r o g r a m ，r e s p e c t i v e l y w r i t eaf l o wc h a r ta n dp r o c e s sc h a r t o ft h i s a r t i c l e ，t h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yi nt h ee m tp r o c e s si nt h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n s h i r t h eu s eo ft h et e s tb e n c h ，e m ta u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni n t oal a r g en u m b e ro f t e s t s ，t h ep a r a m e t e r so fp e r f o r m a n c ed a t a , a n a l y s i so ft h em e a s u r e dd a t a , ap r e l i m i n a r y e v a l u a t i o no ft h em e a s u r e de m ta u t o m a t i ct r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e ，a n d s a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e yw o r d s ：e m ta u t o m a t i et r a n s m i s s i o n , l a b v i e w , t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , t e s tb e n c h ，p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n n i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 根据工信部发布的最新报告，2 0 1 1 年中国汽车总销量超过了1 8 5 0 万辆，再 次刷新全球的历史记录，汽车销量同比增长4 3 ，汽车销量增速明显减缓。汽 车产业结构进一步优化，汽车出口高速增长，新能源汽车进入推广阶段。2 0 11 年我国汽车保有量大概是1 0 5 亿量，即每千人乘用车保有量只有5 0 辆左右，远 远低于世界平均水平的每千人1 4 5 辆的水平。预计未来未来三年中国乘用车增速 将依然达到1 0 左右。未来我国的二、三线城市及内陆地区是汽车市场销量增长 的主要市场。 以下是近几年中国汽车销量统计图 2 01 年汽车马蠹销售变动趋势 v v 一 一 口2 0 0 9 - 2 0 10 2 0 11 一 _ 15 0 一 蠢 l：；- 0 0 。f _ 5 f ) ， u 4 三5 三6 三7 8 量 9 习 10 童11 三 。2 j 1= 2 三3 耋 - ：， 1 09 1 531 1 1 1 14 。21 0 8511 3813 311 2 2g1 3 37 1 毒1 3 02 0 0 97 35 98 27 ； 17 35 5 551 4 381 41212 4 莲13 221 ：5 5615 381 6 9716 66 2 0 1 0 1 6 6 互1 2 11 8 28 5 52 3 821 4 3s12 7513 8116 4615 2 - 11 6 5616 89 麓2 0 1 11 8 94 2 67 武汉理工大学硕士学位论文 性。因此变速器不仅影响着车辆的操纵稳定性、燃油经济性以及乘员的舒适性， 还对车辆的动力性及可靠性等有着非常重要的影响。 4 0 粼 o ； _ 昌 昌昌 昌暑昌 i 昌昌昌昌暑昌 l x 昌i 簟ii _ 0 t 0 2 0 0 5 一自动变遵器- 手动粤宅连器 图1 2 手动和自动变速器在中国乘用车市场的份额对比 目前我国市面上的变速器主要分为手动变速器和自动变速器，自动变速器里 又分为自动机械式变速器( a m t ) ，无级变速器( c v t ) ，双离合器变速器( d c t ) 和液力自动变速器( a t ) 。 我国乘用车用变速器的市场份额依旧很大，占6 0 左右，但其份额在逐年 下降。h i sg l o b a li n s i g h t 的数据显示，从2 0 0 5 年到2 0 0 9 年，手动变速器在中国 乘用车市场的份额己从6 5 下降到6 3 ，而自动变速器的份额则从3 5 提升到 至3 7 。( 参见图1 2 ) 虽然相比自动变速器，手动变速器有成本低、传动效率、 驾驶乐趣等优势，但自动变速器已成为中国市场不可或缺的重要部分。跟据h i s g l o b a li n s i g h t 预测，到2 0 1 5 年自动变速器在我国乘用车市场的份额将超过4 7 。 e m t 自动变速器是在a m t 手动机械变速器的基础上加装的一套变速控制 系统，相当于e m t 是一种功能升级的a m t 变速器。e m t 以全新的设计理念和 高科技内涵，另辟汽车自动变速新途径。e m t 拥有手动机械变速器及自动变速 器优点，且克服其各自的缺点：e m t 是唯一一款可以与手动变速器在省油方 面相媲美的自动变速器。 e m t 成本低廉，结构简单。目前，液力自动变速器 的市场价格为一万元人民币，据测算e m t 在大规模实施情况下，价格为3 0 0 0 至3 5 0 0 元，仅为其三分之一。e m t 系统坚固耐用，维护费用很低，另据测算， 由于e m t 节约燃油，消费者2 到3 年内节油的钱就可全部回收用于加装e m t 2 武汉理工大学硕十学位论文 的费用。 e m t 便于推广。可以毫不夸张的说，只要是内燃机车辆都能安装e m t ， 只要安装了e m t 就能节油。因此，研究e m t 试验台架非常有意义。 、 1 2 研究意义 a m t 机械式自动变速器由于效率高、成本低、易于制造等优点，有效解决 了手动变速器不能自动换挡的问题以及自动变速器传动效率低的问题等优点得 到了越来越广泛的应用。然而在换挡过程中动力中断的固有缺陷并没用得到根本 的解决，严重制约了a m t 的发展及产业化空间。另外，a m t 带来了换挡过程 中换挡冲击以及起步不平顺的问题，所以在一些关键问题上仍需改进。诸如换挡 过程避免同步打齿的控制，该问题是由于对a m t 换挡过程控制不当，在当前挡 位与目标挡位的换挡齿轮未达到转速一致的情况下即换人目标挡，造成了“非同 步冲击 现象。 e m t 自动变速器运用了电子控制技术及机械传动技术等技术，在机械式变 速器上实现了电驱动主动同步原理，是自动变速器技术发展上的一大创新，是一 项达到国际先进水平的技术。e m t 电驱动机械式变速器由于取消了同步器，啮 合套和啮合齿圈在转速同步前提下结合，换挡冲击比a m t 小，且换挡时间也大 大减少，有效的提高了换挡品质。因此研究e m t 的同步换挡控制非常有意义。 1 3 国内外概况 e m t 的发展可分为三个阶段，即a m t 单独控制阶段和整体控制阶段及e m t 阶段。单独控制是指控制对象只是换挡机构等，其目的是能够起步；整体控制是 对整个传动系统的控制，提高整个系统的性能。第l 阶段，在六七十年代，欧洲 的一些变速器厂开始研制离合器自动化。到了7 0 年代中期，a m t 开始研究半自 动换挡系统，瑞典s c a n i a 的c a g 系统和德国d a m l e rb e n z 的e p s 系统均采用了 半自动操纵方式( s a m t ) ，当驾驶员开始换挡踩离合器的时候，显示器会显示最 佳换挡时刻，并且由电子控制的进行换挡。美国e a t o n 的s a m t 系统则离合器与 发动机的控制并为一个系统，驾驶员要换挡的时候只需向微机发出换挡信号，系 统便可自动完成换挡动作，该系统还能确定在最佳换挡时机才能换挡。而白俄罗 斯工学院同样也开展了这方面的研究工作，驾驶员操纵离合器，微机根据2 参数 换挡规律选择挡位时机并完成换挡。第2 阶段为全自动阶段。1 9 8 1 年，富士公 司和五十铃公司合作开发a m t 自动变速器，并在1 9 8 4 年在世界上第一个研究 3 武汉理工大学硕士学位论文 出电子控制机械式变速器，并于同年投放市场，该变速器能够实现车辆的起步的 控制及自动换挡。同期，日本的n i s s a n 、瑞典的s a a b 和美国f o r d 及德国的z f 都开始了对全自动变速系统的研究，且进入了实用阶段。第3 阶段，是玛涅蒂 马瑞利的动力系统分公司于2 0 0 6 年推出的新一代a m t ，即在传统的手动变速器 上，增加了一套电子液压控制系统来实现离合器的选换挡机器控制。该变速器最 早用于f l 的法拉利赛车上，现在包括c 4 、宝马等车上均有运用。 我国的e m t 研制工作起步较晚，直到“九五”期问，我国才将a m t 研 究列为科技攻关项目。开展这方面研究的主要有上海交通大学、吉林工业大学、 北京理工大学等。而我国目前对e m t 研究还处于a m t 单独控制的阶段，离国 外相比还有很大的差距。吉林工业大学研究的2 参数最佳换挡规律、动态3 参数 换挡规律，并在轿车及重型车上进行了装车试验。而北京理工大学在某重型车上 安装了自行研制的a m t 变速器，并进行了3 0 0 0 k m 的试验。深圳欣源晟有限公 司实现了轿车的自动换挡，执行机构为电机。而采用电驱动主动同步的自动变速 技术目前都还在研制过程。 1 4 本文主要研究内容 本论文的是对e m t 机械式变速器试验台架在换挡过程中的研究。根据国内 外变速器试验的经验，依据中华人民共和国汽车行业标准( q c t 5 6 8 1 2 0 1 0 汽车机械式变速器总成台架试验方法第l 部分：轻微型和( ( q c t 5 6 8 1 9 9 9 汽车机械式变速器台架试验方法对试验台进行设计并研究。本文主要叙述内容 主要有以下几个方面： ( 1 ) 系统总体方案设计 介绍机械式变速器的换挡工作原理及换挡过程力学模型，并对其换挡过程进 行数学建模分析；介绍e m t 性能测试试验台的总体结构，根据转速来调节电机 的转速，实现电机主动换挡；编写e m t 试验台架的换挡控制策略，并用l a b v i e w 编写程序，以实现对e m t 变速器性能的测试，并评估其性能。 ( 2 ) 硬件结构设计 ， 介绍试验台的整体结构，并对各硬件结构以及部分设备选型及设计选取进行 了阐述，包括驱动设备、各传感器、硬件防干扰措施及扭矩传感器校准装置等。 ( 3 ) 软件系统介绍 本试验台的软件系统采用n i 公司开发的l a b v i e w 8 6 ，并介绍了部分软件功 能。根据各控制策略具体介绍了数据采集程序、旋转编码器转交及转速的测量程 4 武汉理工大学硕上学位论文 序、交流电机的控制程序等。 ( 4 ) 试验结果及e m t 性能评价 根据所编写的控制策略及l a b v i e w 程序对e m t 变速器传动效率的试验，并 对结果进行分析、评价。 ( 5 ) 研究展望 总结了本试验台的优缺点，并列举了所取得的成果，并指出需要改进的地方， 并对e m t 性能测试试验台的未来发展给出自己的意见。 1 5 本章小结 本章主要从以下几个方面进行介绍：本文的研究背景；研究目的及意义； 国内外的研究现状；本文研究的主要内容。通过对这几个方面的介绍，在了 解了研究背景和现状的基础上，提出了本文研究的主要内容：对e m t 试验台系 统总体方案进行设计，包括硬件结构及软件系统，根据试验结果对e m t 试验台 的性能评价，并对e m t 变速器性能测试试验台的未来发展进行展望。 5 武汉理工人学硕士学位论文 第二章测试系统总体方案设计 2 1 传统a m t 换挡分析 在传统a m t 机械式自动变速器中，装有同步器，来保证换挡过程中齿轮啮 合不受到冲击，需要保证啮合齿与啮合齿套之间的转速差要越小越好，最好趋近 于零，即( q 一吐) 缈，可将换挡过程中的受力简化为如下图1 。啮合套连接两 端，一部分是变速器的输入轴，另一部分是输出轴。 图2 - 1换挡过程力学模型 在换挡过程中，设定输入轴的转动惯量为j m ，输出轴的转动惯量为j v 。同 步过程的平衡方程为： u 等2 旱 协， 鲁毫 协2 ) 其中1 m 为电机的转矩，l v 为汽车行驶阻力矩，1 e 为啮合套传递的力矩， 为输出轴的角速度，q 为输出轴的角速度，i 为传动比。 当变速器换挡时，换挡示意图如图2 2 ，由低挡换入高挡时，啮合套4 先与 齿轮1 脱离，再与齿轮7 啮合，由于在换挡的时候存在转速差凸m ，啮合套与新 的齿轮结合的时候，首先要经过同步环，同步环与齿圈两个锥面通过挤压会产生 摩擦力。随着摩擦力的增大，转速差凸脚便会减小，直到符合换挡规律，开始换 挡。 武汉理工人学硕士学位论文 当主从动齿轮啮合时，齿圈和啮合齿轮的转速差产生啮合套的传递力矩t c ， 在t 作用下产生齿轮的横向力e 与纵向力s 。 其中会阻碍啮合套的轴向运动。若推动拨叉的的力f 小于b ，啮合套则 不能顺利进入主动齿轮的中间，即会造成打齿的“现象 。由于同步环与齿圈的 摩擦作用，同步器存在易磨损及跳挡等问题。 图2 - 2 换档示意图 l 一高挡主动齿轮；卜高挡从动齿轮；3 一高挡固定齿圈；4 _ 啮合套；5 低挡 固定齿圈；挡从动齿轮；硪挡主动齿轮；8 一从动轴图 2 2 e m t 系统结构及工作原理 e m t 系统主要由4 挡机械式变速箱、交流感应异步电机( 亦可用开关磁阻、 永磁电机等) 、换挡机构、电机控制器和系统控制器组成。e m t 变速器可用在各 类汽车上，包括纯电动汽车、混合动力汽车等。图2 3 给出了e m t 系统变速器 结构示意图。在e m t 系统中，由于换挡调速时应尽量减小轴系惯量，以三轴式 手动机械式变速器为基础，进行e m t 的换挡分析。其中，由于e m t 变速器的 大部分零部件都与传统的m t 变速器有良好的继承性，对e m t 的研发和优化有 很大的帮助。由动力性计算得出，4 挡设计即可满足系统动力性的要求，最高挡 位为直接挡。e m t 系统中电机能够实现倒车功能，所以省去了倒档齿轮，使得 结构更加紧凑。 7 武汉理工大学硕士学位论文 水 搠 ， i ! 体 小 襁 转 t 变宴抟鬟捎 律羁! 鸱i 辑变 衢+ i 掩一拨撩拨执援执 输网趸二叉蒴廷 i 叉i i 人抟二拌一瓷一棚二概 辘换援俸翰协彭f 协 洚 鳊 弘5 瓣 图2 3e m t 系统示意图 端鹦器 箱二辘 辎 图2 4 e m t 自动变速器c a d 图 电机与机械式变速器之间无其他连接装置，电机轴与变速器的第一轴为同一 轴。电机输出端的电机壳体直接和变速器的壳体连接，将电机与变速器集成为一 个整体，另外还有效地减少了e m t 自动变速器的长度。电机轴的右端盖有滚子 轴承，第二轴左端部有轴承槽，变速器第二轴通过该轴承槽套在电机轴的滚子轴 承上。电机轴和变速器第二轴上分别装有转速编码器，当变速器工作时，系统控 制器分别从这两个转速编码器得到当前的电机转速和变速器输出轴的转速。 8 武汉理工人学硕士学位论文 在纯电动车辆换挡时，加速踏板信号传递给系统控制器，再由系统控制器控 制换挡。当系统控制器判断到达换档点时，电机转变为临界空转的状态，来减小 拨叉退档时的摩擦阻力，啮合套由原始档退至空挡位置。在空挡位置信号响应后， 电机又转变为转矩控制模式，并对电机进行调速，结合电机轴及变速箱输出轴上 转速编码器上的数据进行计算。当啮合齿圈和啮合套转速相同时，电机再次进入 临界空转的模式，系统控制器操纵换挡机构推动啮合套，挂入目标档位。待目标 档位信号响应后，电机进入转矩控制模式，电机转矩的输出由加速踏板来控制。 倒档则由一档电机反转实现。 2 3 自动变速器换挡过程分析 自动变速器的换挡过程与换挡品质有着密切的关系。在换挡过程中，由于动 力中断以及动力的再次恢复将会引起噪声和振动等影响，甚至还会影响车辆的驾 驶性能。从实用和有效等方面来考虑，这里主要讨论换挡时间和冲击度。 2 3 1 换挡时间t 换挡时间指的是指微机开始发出换挡指令到换入新挡后离合器的两个盘的 转速相同且且再次恢复动力这两段过程的总时间。在换挡过程中，如果车辆由于 换挡导致车速减慢甚至熄火，将会对乘员的安全产生严重影响。 而e m t 变速器的换挡时间主要由三部分时间构成：齿轮脱丌啮合的时间1 ， 电机主动调速的时间：，啮合套啮合的时间s ，即阿- 十i ：叶1 ，。在换挡时间中电 机主动调速的时间2 最长。所以在不影响电机性能的前提下，提高调速转矩即可 减少换挡时间。 2 3 2 冲击度j 评价换挡品质的最重要的指标就是冲击度i ，而冲击度则可用车辆的纵向加 速度的变化率来表示。 本文采用等效集中质量法将车辆的动力传递系统简化为多线性多自由度的 弹性集中质量系统，其相关部件以集中质量形式存在。车辆在换挡时的动力传动 系统可表示为由电机轴即变速箱的输入轴经变速箱传递到输出轴，最后经过主减 速器传递到车轮，如图2 5 。 9 武汉理工大学硕：l = 学位论文 图2 5e m t 换挡过程动力传递模型 车辆在换挡同步阶段的动力学模型为： 厶了d 0 2 ( t ) 圳：( f ) _ 竿 ( 2 - 3 ) 其中厶为e m t 变速器输出轴的转动惯量，哆为e m t 变速器输出轴的角速 度，鸩为输出轴转矩，以为地面对车轮的阻力矩，毛为后桥的主减速比。 车辆行驶时加速度与车速的关系式为： 口(f)=；l掣0 d t 冲击度的大小用车辆纵向加速度的变化率表示： = 警= 丽1 争 由式( 2 3 ) 到式( 2 5 ) 可得到换挡冲击度的公式为： ?，d ( 鸩0 ) 一心o ) 毛) 户西i 一 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 。6 ) 式中v ( f ) 为车辆行驶速度，口( f ) 为车辆的加速度，为车轮半径。 从式( 2 6 ) 可以看出：因为，、厶、毛都是常量，所以影响换挡冲击度的因 素与e m t 变速器输出轴的转矩鸩的变化率和地面阻力转矩心的变化率有关， 由于换挡时间非常短，而整车的惯性质量非常大，故通常认为鸠的变化率很小。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 即换挡冲击度的大小主要与m z 的变化率有关，即： ，= 二d m 2 ( t ) 。 i o j 2 斑 ( 2 7 ) 而本文所介绍的e m t 电驱动机械式系统换挡时首先要退到空档，然后由电 机主动调速代替传统的机械式变速器的同步器摩擦同步，换挡过程中变速器输出 转矩鸠变化很小，换挡完成后，由系统控制器将变速箱输出转矩鸩是由电机 的输出转矩控制衔接至换挡后所需驱动转矩，比传统机械式变速箱冲击度小很 多。 2 4 本章小结 本章对传统a m t 换挡进行介绍，建立换挡的数学模型和力学模型，并分析 其“打齿”现象的原因。给出e m t 自动变速器的示意图，并介绍其结构，以纯 电动汽车为例研究其工作原理，最后研究了换挡过程与换挡品质的关系，即减少 换挡时间和减小换挡冲击可改进换挡品质，并研究了e m t 自动变速器的换挡过 程，其主要差别是由主动调速代替同步器摩擦同步，冲击度大幅减小。 武汉理工大学硕上学位论文 第三章硬件设计 3 1项目目标及参照标准 试验台架包括控制台及试验台两个部分。其中及控制台需要对数据进行采 集、电机的控制及数据的记录和分析，试验台则要对被测变速器进行转速、转矩 的测量、电机控制等。根据l a b v i e w 来设定电机的转速，测得输入输出的转速转 矩，最后求得输出功率及输入功率，根据公式7 7 = 害尘挚，求得e m t 变速器的 传动效率。 “ 该试验台架需要以下功能： 自动控制电机的转速 自动测得编码器的转速及变速器的转矩 自动控制换挡 自动进行各工况下阻力调整 在测得数据后对变速器进行性能分析 本文选择轻卡的江铃j e 4 9 3 z l q 3 发动机，发动机最大扭矩转速为 2 8 5 2 1 0 0 ( n m r p m ) ，变速器选用武汉理工与通宇新能源公司共同研发的e m t 自 动变速器。根据中华人民共和国汽车行业标准微型汽车机械式变速器总成技术 条件第一部分：轻微型( q c t 2 9 0 6 3 1 2 0 1 0 ) ，全国汽车标准化技术委员会变速 器分技术委员会组织起草的汽车行业标准汽车机械式变速器总成台架试验方法 第1 部分：轻微型( q c t 5 6 8 1 2 0 1 0 ) 及由中华人民共和国机械工业部标准汽 车机械式变速器台架试验评价指标( j b 3 9 8 7 8 5 ) 及日本汽车标准变速器台 架性能试验规范( j a s oc 2 0 3 1 9 8 5 ) 对变速器试验台架性能的测试项目和方法 进行了规定。本文的试验台架以此为标准进行设计。 3 2 试验台硬件总体布置 整个试验台硬件结构，其包括动力驱动驱动系统、各传感器以及硬件防干扰 设备等其他辅助设备构成。其中动力驱动系统选择西门子s i n a m i c ss 1 2 0 驱动 系统，计算机测控包括数据传输线和工控机等组成；辅助设备包括设备工控台、 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 变频柜、静校装置、平台支架和联轴器等组成，用来减少机械振动干扰、减少电 磁干扰、便于用户操作等作用。 其e m t 自动变速器试验台的实物图如图3 1 ，试验台的c a d 图如图3 2 。 图3 1e m t 变速器试验台实物图 b 墓一瓤酬 矿一i ： ；。l零黪| | | ；li 孥毒 ； 图3 - 2e m t 变速器试验台c a d 示意图 3 3 变速器台架控制策略 根据国内外试验台架的要求及标准以及本文的要求，所设计的试验台架的换 挡控制策略图如图3 - 3 。 勇园 武汉理工大学硕士学位论文 图3 3e m t 试验台架换挡控制流程图 试验台的控制策略如上图，在读取参数后，起动电机电机转速达到预定转速 后加载，负载电机模拟汽车行车负载；经过p i d 控制后，达到与实际工况类似的 速度和负载，转速、转矩传感器开始采集数据，最后在实测数据的基础上对e m t 的性能进行分析。另外在试验整个过程中需要对转速、转矩进行保护措施，防止 因为过载而使得试验台架损坏。 3 4 试验台架的组成 变速器试验台在能量的传递方式上分为两种，即开放式试验台和封闭式试验 1 4 武汉理f t 大学硕士学位论文 台。 ( 1 ) 开放式试验台 开放式试验台上的被测对象常常通过电消耗或者以热消耗，其主要由电动机 带动传动装置，最后传递到加载设备。试验台主要分为动力区、试验区和模拟负 载区。其动力区由电机、调速器等组成，负责提供动力；试验区由被测变速器、 转速编码器、转矩传感器及其它设备组成：模拟负载区主要由测功机来模拟道路 状况。开放式试验台的优点在于其工作原理简单，成本较低，而缺点也是显而易 见，即台架需要大功率动力，以及无法回收能量。 ( 2 ) 封闭式试验台 ， 封闭式试验台则是指在试验过程中可利用部分能量进行循环在试验系统中 使用。所以封闭式试验台与开放式试验台的区别就是能够回收能量，而开放式试 验台能量都被浪费了，封闭式试验台则可节约大量能量。其中封闭式试验台可分 为机械封闭式和电封闭式试验台两大类。机械式封闭试验台主要用于工厂对变速 器做疲劳耐久性试验，而且装置结构复杂，需要定期维护，转速要求不能太高， 不做换挡方面的试验，所以本文不考虑机械式封闭试验台。电封闭式变速器在台 架结构上与开放式试验台类似，不同之处在于加载端不是简单的电涡流型测功 机，还能够提供发电功能通过回馈方式再度利用。 变速器是传动效率非常高，变速器的输出功率几乎没有损失相当于等于输入 功率，仅仅只是改变了扭矩与转速。由于变速器的这个特点，电封闭式变速器试 验台最为合适。变速器输出的机械功率通过电动机转换为电功率，调节之后，再 将电功率以合适的电压、电流方式传到变速器的驱动电机，再次由电机将电能转 换成机械能来驱动变速器的输入轴，其中大部分的能量循环利用。 本文采用直流母线电封闭系统，先将交流电转化为直流供给母线，然后用变 频器驱动交流电动机来模拟发动机推动变速器，负载端的测功机以直流电能的形 式返回到直流母线，节省了大量能量。 3 5 驱动控制设备 3 5 1 变频器技术介绍 变频器是通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的设备，所以非 常适合电机调速。异步电机的转速公式为： n = 6 0 f p ( 1 一s ) ( 3 - 1 ) 武汉理工大学硕上学位论文 其中胛：电机转速 ：给电机供电的交流电频率 p ：电机极对数 s ：转差率 x ：建瞧 n r 。： ： ： ： 岁 i t ：i 毡钒乃铃 图3 4 交流异步电机机械特性 根据以上三相异步电机的公式可知，调节三相异步电机的转速有转速率调 速、改变电动机的极对数及变频调速三种方案。1 转速率调速。通常通过改变异 步电机的定子电压进行调速，采用电磁转差来对转子回路串电阻调速及串级调 速。其缺点是在整个过程中存在转差，系统效率降低。2 改变电机的极对数。通 过改变定定子绕组的连红方式来改变笼型电机定子极对数的调节。缺点是实现起 来很复杂。3 变频调速。通过改变定子绕组的电压供电频率，便可得到一组不同 的积极性额特性曲线，即可满足调速。当转差率一定时，电机的转速与频率成正 比，所以，可通过调节输出频率便可控制变频电源从而便可无级调节异步电机的 转速。所以根据以上分析，本文采用变频技术来调节电机。 表3 1变频调速与其他调速方式比较表 序号优点 l平滑扁动，降低了冲击电流，从而确保电机的安全 2 在机械允许的情况下可通过提高变频器的频率提高工作速度 3整个过程为尤极调速，精度大大提高 4电机正反向更加方便 5更加容易接入通讯网络控制，实现生产自动化 3 5 2 动力驱动系统的设计 根据汽车理论所述，汽车行驶所需要克服的行驶阻力主要有四个方面即地面 与车轮的作用而产生的滚动阻力，空气作用在汽车上的空气阻力，汽车上坡时所 j 6 武汉理工大学硕士学位论文 受到的坡度阻力以及汽车在加速时所产生的加速阻力。所以汽车的行驶方程为： e 2 e + f w + e + e ( 3 - 2 ) 式中f t ：汽车行驶阻力眯汽车滚动阻力 f j ：汽车坡道阻力f w ：空气阻力 f j ：汽车加速阻力 ( 1 ) 滚动阻力 由于车轮与轮面接触，轮胎由于承重产生变形车轮滚动阻力f f 可表示为： e = w f = g f c o s l 9 ( 3 3 ) 其中式中w 为车轮的垂直载荷，厂为滚动阻力系数。而滚动阻力系数用以 下方程式进行估算： f = f o ( 1 + u ：1 9 4 0 0 ) 其中良好路面状况时五可取0 0 1 4 。 ( 2 ) 坡度阻力 当汽车上坡时，汽车重力沿坡道上的分力为坡度阻力。即： f = f o ( 1 + - ：1 9 4 0 0 ) f = m g s i n o ( 3 _ 4 ) ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) 其中式中，m 为汽车质量，g 为重力加速度。根据我国公路标准，高速公路 平原及微丘区最大纵度不超过3 ，一级汽车专用公路及平原微丘区最大纵度不 超过4 。所以，一般道路的坡度均很小，可忽略不计。 ( 3 ) 空气阻力 当汽车正常行驶时受到的空气阻碍汽车行驶方向上的力为空气阻力。一般情 况下，空气阻力的数值通常都与气流相对速度的动压力三p 甜；成比例，即： e = 三c d 伽； ( 3 - 7 ) 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 其中式中c d 为空气阻力系数，彳为迎风面积，m r 为行驶相对车速，即在无 风时汽车的行驶速度，p 为空气密度，大多数汽车的空气阻力因数c d a 在0 6 到 0 9 之间。 ( 4 ) 加速阻力 当汽车加速时，需要克服其质量加速运动时所产生的惯性力，即为汽车的加 速阻力e 。汽车质量包括平移及旋转两部分的质量。旋转质量一般仅考虑发动机 飞轮和车轮的转动惯量之和i 。一般情况下可将旋转质量转化为平移质量，其 计算过程如下式： f j _ ( 1 埘嚷i i ) m 罢 ( 3 - 8 ) 式中4 ：一1 至，嘎：三生墼。其中i 。为主减速器传动比，吼为传动系统的 mr mr 二 。 机械效率，r 为车轮半径。 口毛c d a p un 口+ 锄害( 3 - 9 ) f t = f m g c o s a p u r 2 + m g s i 甜吉眦+ 锄警 z“f 在加载时采用如下工况：汽车匀速行驶，坡度在1 0 以内，并且无风，道路 状况良好的沥青路面或者水泥路面。故式中s i n a t a n 口= i ( i 为坡度) ，c o s o f 1 。p = 1 2 2 5 8 n s 2 m - 4 ，f f 0 ，则公式可以简化为： 未m g f + 黑+ m 西 ( 3 - 1 0 ) 汽车发动机的输出扭矩公式可简化为： 汽车阻力矩的公式为： 1 = 年h ki oi g q 、) t 1 = f t r ( 3 - 1 1 ) ( 3 1 2 ) 其中f t 为汽车总阻力，i o 动为主减速器传动比，名为变速器的传动比，刁为 整个传动系的机械效率。 本文以轻卡举例，可以选择江铃j e 4 9 3 z l q 3 发动机，其参数如下表： 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 2 江铃j e 4 9 3 z l q 3 发动机参数表 最大输出功率8 5 k w 额定功率转速 3 6 0 0 r p m 最大马力1 1 6 马力 最大扭矩2 8 5 n m 最大扭矩转速 2 1o o r m i n 表3 - 3 变速器传动比参数 档位l 档 2 档3 档4 档5 档 传动比3 7 6 92 0 4 51 3 3 9l0 8 0 8 对应换档速度 01 72 55 07 0 ( k m h ) 本文用西门子s 烈j 蝴i c sm i c r o m a s t e r 的选型配置软件s i z e r 对驱动 控制系统进行选型和设计。s i z e r 软件易于操作而且非常方便，能够对供电系统、 电机、电源到电缆、编码器等驱动组件逐步完成设计工作，并且能自动生成设备 清单、参数文件及配置图表等优点，对本文的驱动电机、变频器等装置的选型很 有帮助。s i z e r 的特点为： 可对整体的驱动控制系统进行设计，包括附件等； 易于操作和使用； 集成了硬件和工艺背景信息； 可自动生成设备清单、特性曲线等其他功能。 本文驱动供应系统选择s i n a m i c ss12 0 a c a c 。s i n a m i c s 是西门子公司 新一代的驱动产品，其系列中的s 1 2 0 是集v f 控制、伺服控制为一体的驱动系 统，可独立控制两台电机的转速和扭矩，采用s i e m e n s 技术成熟、应用广泛 的共直流母线能量回馈电封闭驱动系统，使负载电机的发电能量经过直流母线回 馈，效率高，节约能源，且对电网没有污染。 在