（光学工程专业论文）汽车机械自动变速系统换档策略的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文详细阐述了汽车动力传动系统操纵自动化的控制策略研究。汽车的动力传动系 统由内燃机、干式摩擦片离合器及有级机械式变速器组成。通过增加电控执行单元及电 子控制系统对其实现操纵自动化。驾驶员通过加速踏板和选档手柄( 包括选档范围、选 档规律、巡航控制等) 的操纵，选定节气门状态和变速器功能，传感器监测汽车的各工 作参数并传给微电脑，微电脑根据存储器中储存的程序( 最佳换档控制规律等) 对整车 进行换档控制，以实现对汽车动力性、经济性的最佳控制。从而获得良好的行驶性能、 平稳的起步性能和迅速的换档能力。为了掌握作为其中关键技术的整车控制策略，本文 在以下几个方面展开研究： 、 1 介绍自动变速的优点，现有的各种自动变速技术。并详细介绍了机械自动变速 系统的发展及国内外现状，它的结构、工作原理及控制难点。 2 整车道路换档规律试验。通过采集e q l1 4 1 g 7 d 车型在各种典型工况下换档过程 中车辆数据，处理出试验曲线，研究车辆行驶过程中最佳档位及换档的最佳时机，总结 出整车道路换档规律，为今后制定最佳换档规律做好基础工作。同时根据试验分析，总 结出不同工况下的道路特征及司机操作习惯作为换档规律的判决条件。 3 发动机台架万有特性试验，在刀：发机械自动变速系统时，需要通过仿真计算对 道路试验中总结出的换档规律进行验证及优化，以达到最佳的汽车动力性、经济性及排 放性能。而这些工作的基础是发动机台架的万有特性试验。 4 通过仿真计算，在发动机万有特性的基础上，对道路换档规律进行优化，达到 最佳的汽车动力性、经济性及排放性能。由于发动机万有特性是发动机在台架稳态条件 下进行的试验，为满足整车仿真计算的要求，在建立发动机模型的基础上，利用二元三 点插值法获得发动机在仿真计算中目标工况下扭矩、油耗等性能参数。在建立汽车传动 系统的动力学模型及微分方程的基础上，求出汽车在不同工况下整车动力性及经济性参 数。 5 以发动机万有特性曲线为基础，采用a v lc r u i s e 整车仿真软件进行整车及发动 机的动力性、经济性及排放性能的计算，对道路试验中总结出的换档控制规律进行验证 及优化。同时为换档策略的优化建立起一套既经济又省时的新方法。y ll 、，、 。 关键词- 汽车机械自动变速器换档规律控制策略性能仿真 华中科技大学硕士学位论文 目= = 日e 日l j e = = 目= = = = = ；! = = 自= = 一一! a b s t r a c t t h i s p a p e r i st or e s e a r c ht h es h i f t s t r a t e g y f o r a u t o m a t i c a l l yc o n t r o l l i n gv e h i c l e s p o w e r t r a i n ，w h i c hi sc o n s i s to fe n g i n e ，d r yf r i c t i o nc l u t c h ，a n dm a n u a lm e c h a n i ct r a n s m i s s i o n b ya d o p t i n ge l e c t r o n i cc o n t r o lo fp o w e r t r a i n ，i e a d d i n ge c u a n de l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ， t r a n s m i s s i o nr a t i oc a nb ed e t e r m i n e da u t o m a t i c a l l y a f t e rg i v i n gt h es h i f ts t y l e ，t h ed r i v e rc f l n c o n t r o lt h ev e h i c l eb ya c c e l e r a t i o n p e d a l ，m e a n w h i l e s e n s o r sm o n i t o rt h e p a r a m e t e r so f v e h i c l ea n ds e n dt h es i g n a l st o m i c r o p r o c e s s o r a c c o r d i n gt o t h eo p t i m u ms h i f t s t r a t e g y s t o r i e di nm e m o r y ，e c uc o n t r o l sa c t u a t o r st og e tt h eo p t i m u mv e h i c l ep o w e r f u la n d e c o n o m y p e r f o r m a n c e f o ro b t a i n i n gb e t t e r d r i v a b i l i t y , s t a b l es t a r t u pa b i l i t y , a n dr a p i ds h i f ta b i l i t y , s h i f t s t r a t e g yi st h ek e yt e c h n o l o g y , t h i sp a p e r w i l lr e s e a r c ht h e s ep r o b l e m so n f o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 a d v a n t a g e so fa u t o m a t i cs h i f t ，c u r r e n ta l lt y p e so f a u t o m a t i cs h i f tt e c h n o l o g i e s ，t h e s t r u c t u r e ，p r i n c i p l e s ，t h ek e y i s s u e so f a m ta n dc u r r e n ts i t u a t i o no f a m r ri nt h ew o r l d 2 t h es h i f ts t r a t e g yt e s to f v e h i c l eo n p r o v i n gg r o u n d ： o nt h eb a s i so fc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gd r i v i n gd a t ao fv e h i c l ec o n t r o l l e db ys k i l l e d d r i v e r s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eo p t i m u m s h i f ts t r a t e g yt h a tc o m m e r c i a lv e h i c l e e q u i p p e d w i t h m a n u a lt r a n s m i s s i o nd r i v e so nf l a tr o a da n ds l o p er o a dw i t hp o w e r f u la n de c o n o m i cs t y l e t h i sw i l lb e h e l p f u lf o rd e t e r m i n i n go p t i m u m s h i f tc o n t r o ls t r a t e g yo f a m t s y s t e m 3 e n g i n e b e n c ht e s t ： i ti sn e c e s s a r yt ou s ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt ov e r i f yt h es h i f ts t r a t e g yo b t a i n e di np r o v i n g g r o u n dt og e tt h eo p t i m u m v e h i c l ep o w e r f u l ，e c o n o m ya n de m i s s i o n p e r f o r m a n c e ，t h e r e f o r e ， e n g i n el o a d i n g c h a r a c t e r i s t i cm a p sm e a s u r e do n e n g i n eb e n c h t e s ta r et h eb a s i c 4 s i n c et h ee n g i n e l o a d i n g c h a r a c t e r i s t i cm a p sa r eo b t a i n e do ns p e c i f i cc o n d i t i o n ，s oi ti s l i m i t e d ，b u ti nt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n ，w en e e ds o m ed a t u m w h i c hc a nn o tb eo b t a i n e do n e n g i n e b e n c ht e s t ，t h e r e f o r e ，w eh a v et ou s et w o e l e m e n t s t h r e e p o i n t s d a t ac a l c u l a t i o n m e t h o dt o g e t s o m e e n g i n et o r q u e a n df u e l c o n s u m p t i o n d a t u mn e e d e di n c o m p u t e r s i m u l a t i o n ，t h e nt h ev e h i c l ep o w e r f u l 、e c o n o m i ca n de m i s s i o np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sc a n b ec a l c u l a t e db yb u i l d i n gv e h i c l e p o w e r t r a i nd y n a m i c s m o d e la n dd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s 5 a c c o r d i n gt ot h es h i f ts t r a t e g yo b t a i n e di np r o v i n gg r o u n d t h i sr e s e a r c hu s e sa v l c r u i s es i m u l a t i o ns o f t w a r et oc a l c u l a t ev e h i c l ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s c o m p a r i n gt o t h ed a t u mo f e n g i n e b e n c ht e s t ，t h eo p t i m u ms h i f ts t r a t e g yc a nb eo b t a i n e d t h i sr e s e a r c ha l s o i n t r o d u c e san e wa n ds u i t a b l em e t h o df o rd e v e l o p i n gs h i f ts t r a t e g yo f a m t _ k e y w o r d ta u t o m o b i l e ， a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ( a m t ) ， s h i f tr u l e ，c o n t r o ls t r a t e g y , p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n i i 华中科技大学硕士学位论文 2 = = = = = 2 = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = = = = = ：一 1 i 课题背景和意义 1 i 1 课题背景 1 概论 传统的固定轴式齿轮变速器具有效率高、成本低、结构简单等优点，从而获得广泛 应用。但这种变速器存在着换档困难、换档时动力中断、驾驶员水平对汽车行驶性能有 较大影响等缺点。随着汽车技术的发展，车辆驾驶自动化成为汽车发展的主要趋势。微 型计算机的发展和应用，提供了对机械变速器通过优化换档过程和自动控制，完成汽车 起步、换档等功能的可能性。目前的电子式机械自动变速器是在手动机械变速器和干式 离合器基础上实现自动控制而产生的，即a m t 系统 1 2 , 3 1 。它不仅能保留原齿轮变速器 效率高、成本低等长处，而且还具有液力自动变速器因自动换档带来的优点。这种变速 器被一些专家认为是第三代变速器。国外不少汽车公司都在致力开发，我国的吉林工业 大学在这方面也做了较多研究工作。据市场调研及东风公司销售部的信息反馈，目前国 内商用车对于自动变速车辆有一定的需求，如港口倒运车、城市公交车、混合动力车， 半挂牵引车等。且市场潜力较大。东风载重车公司也将装备机械自动变速的车辆列为开 发计划。本着开发一代、改进一代、预研一代的思想，东风汽车工程研究院决定进行此 项研究。 1 i 2 研究目的和意义 相对手动变速器，自动变速技术至少有以下几个优势1 4 , 5 1 ： 消除了驾驶者换档技术的差异性：我们知道，车辆的性能不但与其自身结构有关， 而且与驾驶员的操作技能有关。自动变速技术可以通过系统设计，选择合理的油 门开度、正确的档位、适当的换档时机，可以得到更好的燃油经济性和动力性， 与驾驶者的熟练程度无关。 降低了驾驶员的劳动强度：驾驶员需要根据不断变化的路况和交通状况，控制车 辆的速度和行驶方向。尤其是城市大客的驾驶员需要频繁换档，完成大量的手脚 协调动作。这种乏味的重复劳动容易使驾驶员产生精神和体力的疲劳，分散了驾 华中科技大学硕士学位论文 驶员的注意力，增加了发生交通事故的可能；同时，驾驶员会因疲劳而懒于换档， 简单以油门开度代替换档，降低了燃油经济性。而自动变速技术取消了离合器踏 板和变速箱操纵杆，驾驶员只需控制油门踏板即可完成换档，简化了操纵，改善 了驾驶员的劳动条件【6 j 。 减小了换档冲击：无级变速可以降低甚至消除传动系的动载，而有级变速能实现 自动换档与离合器控制的最佳配合，降低因换档粗暴而产生的冲击。福特公司称， 工程车、越野车在最坏路面行使时，自动换档车辆传动轴晟大力矩峰值相当于手 动换档的2 0 4 0 ，原地起步的力矩值相当5 0 6 0 ；提高发动机寿命1 5 倍，变速箱寿命2 3 倍。 减低了排放污染：汽车的排放与发动机的使用条件有关。当发动机稳定工作时， 排放少，非稳定工作时，排放的有害物质多；汽油机接近怠速时c o 浓度高，而 h c 与转速成正比，因此在极低速或极高速时容易产生浓烟。手动换档过程中供 油量急剧变动，非稳定工况强烈；转速也大起大落，导致污染严重。而自动换档 技术能使发动机稳定工作，并在污染较少的转速范围内换档，降低了污染。 事实上，a m t 只是在原有传统的手动变速箱上增加一套e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o l u n i t ) 、选换档执行机构及离合器操纵机构、若干传感器m 1 ，成本增加很少。各变速 器生产商无需添置新设备，即可将现有的手动机械变速器改装成a m t 。因此。a m t 亦 是各大汽车生产商的主要研究方向。可以说，a m t 是非常适合商用车及中国国情的自 动变速技术。 在a m t 系统中，离合器和变速箱的自动操纵是开发过程中的技术关键【9 】。实现自 动操纵要求制定合理的控制策略( 主要包括控制离合器分离接合、变速器的选，换档及 协调它们动作的方法) 并执行之。控制策略的优劣直接影响车辆起步、换档的平顺性、 离合器和变速器的寿命、整车的动力性、经济性及排放等性能【m 】。因此本课题将a m t 系统的换档控制规律作为研究的重点，以便为下一步开发装备a m t 系统的整车做好前 期工作。 1 2a m t 研究综述 1 2 1 现有的较成熟技术 现有的汽车自动变速器主要有三类 2 华中科技大学硕士学位论文 a t ( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ) 液力无级自动变速器 c v t ( c o n t i n u o u s l y v a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ) 机械无级自动变速器 a m t ( a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 机械自动变速器 a t 能将发动机的机械能平稳地传递给变速箱，具有良好的舒适性、方便的操纵性、 优越的动力性【1 1 】，但存在液力传动效率不高，变矩范围有限，增大了发动机油耗等缺点。 加之本身结构复杂、造价高，一度失去了竞争优势。近年来，通过改进设计，使它与机 械传动组合成液力机械传动后，提高了传动效率，扩大了变矩范围，较大程度上克服了 原有的不足。目前，a t 的燃油经济性已能大体与手动变速箱相当，成为自动变速器的 主流。c v t 速比平滑变化，理论上可使发动机始终在经济区工作，可大幅提高燃油经 济性；加速时无需切断动力，舒适性能好。但制造困难，价格高，目前其可传递的扭矩 有一定限制，难以在重型车上使用。采用现代电子技术改造传统手动变速器而得到的 a m t ，不但有a t 的优点，而且有手动变速箱传动效率高、结构简单、价格低等优点【l ”。 目前的应用虽然还不普及，但具有较大的潜在市场。 1 2 2 国外a m t 研究历史和现状1 1 3 j 根据a m t 技术的复杂程度，一般将a m t 分为四代 最高两档自动换档 自动选档、可按顺序自动换档 全自动换档，换档时同时附带发动机转速与扭矩控制 自动起步 美国伊顿( e a t o n ) 公司推出的“s u p e r 1 0t o p2 ”、柴尔夫( z f ) “s e m i s h i r ”、 斯堪尼亚( s c a n i a ) 的“c a g ”分属l 3 代的产品1 1 4 l 。它们都未能达到全自动换档的 关键一步，即特别困难的起步换档自动化。而自动起步的关键技术是对离合器的最佳控 制。1 9 8 3 年，日本五十铃公司作出了突破，最先研制成功可自动起步的自动机械变速 器n a v i 5 ，装于a s k a 轿车投放市场1 1 5 i 。以6 0 k m h 行驶时，比a t 节油1 0 2 0 。 伊顿1 9 8 3 年也宣布成功地将重型货车的手动变速器自动化，称为“a u t o s h i r ”。z f 的 “z f a s t r o n i c ”1 6 档、1 2 档箱也实现了自动化，用于i v e c o 重型商用车。此外， 美国的福特( f o r d ) 、德国大众( v w ) 、意大利菲亚特( f i a t ) 、法国雷诺( r e n a u l t ) 及日本的丰田、日产柴都在a m t 的研发方面取得了进展。日产柴6 5 的牵引车装备了 a m t 系统。 、 3 华中科技大学硕士学位论文 1 2 3 国内a m t 研究历史和现状 国内吉林工大在a m t 的研究方面处于领先地位，他们研制的a m t 在桑塔纳试验 样车上取得了燃油经济性增加5 ，动力性增加7 、换档时间小于手动变速器的良好 效果。并与重庆长安合作，在微型客车上配置该系统。清华大学、北京理工大学也对 a m t 有所研究。一汽长春汽研所也展开了对a m t 的研究。 1 , 2 4a m t 控制策略研究方法概述 l 、换档规律的概念【l 州 换档规律是指自动换档的时刻随控制参数变化的规律。通常可以表示为换档规律图 线【1 7 】。一般情况下，升档与降档的时刻不同，升、降档的换档规律也不相同。一般相同 油门开度下的升档点车速总要大于降档点的车速，这就是所谓的降档速差。增大降档速 差，有利于减少换档次数，这是自动换档控制所固有的特点。按照换档控制参数不同， 可以分为单参数换档( 通常为车速v ) ，双参数( 通常为v 及油门开度a ) 、三参数( v 、 a 及加速度d r d r ) 等多种，但目前在国内外一般均使用双参数的换档规律。国内曾有 人研究过三参数的换档规律1 1 8 1 9 】，由于实际应用困难而很少得到应用。 由于换档规律实际上限定了各档在发动机特性场的工作区域，因而对整车性能有着 重要的影响 2 0 2 1 】。为此，a m t 的开发者们都对它的研究给予了极大地注意。出现了类 型众多的换档规律：收敛型、发散型及混合型的换档规律，等等。 2 、设计换档规律的方法： 设计换档规律的方法主要有：理论计算法、经验法、试验法等。 ( 1 )理论计算法。 此法主要用来计算升档规律。按照换档控制理论，把升档点设计在相邻两档牵引力 曲线的交点，可以得到最好的动力性及换档平稳性。通过对选定动力传动系统的车辆 进行牵引力计算，就可得到这种交点。这种计算工作相当烦杂。首先，它需要得知发动 机的万有特性，然后多次计算不同的油门开度下的牵引特性交点。理论计算的准确性， 取决于这些数据的准确性。然而，一般所取得的发动机万有特性，通常是在稳态下试验 得到的，与换档过程中非稳态的情况有相当的差异。这种方法的优点是，当车辆实际运 行环境和车辆工况与求解最优换档规律过程的实验条件相近时，它给出的档位是使某一 指标最优的档位，即最佳值，如使燃油经济性、汽车动力性等最优。另一优点是理论比 华中科技大学硕士学位论文 较完善，有一套完整的求解步骤。其缺点是，当车辆实际运行条件与规律的求解过程设 定的条件有较大差别时，显然其给出的档位不是最优的或在某些区域不是最佳的。另外， 当车辆运行中某一时间追求的目标与优化的目标不一致时，其给出的档位或确定的换档 点就很可能是不佳的或无法接受的。还有一显著特点是换档频繁。对换档参数过于敏感。 所以，实际上并不是完全按照理论计算来确定升档规律，而是经过试验予以修正。 ( 2 )经验法。 所谓经验法，就是按照熟练有经验驾驶员的经验确定换档规律，即基于专家系统的 换档规律。无须进行烦杂的计算工作，而且可使换档规律与人的操作过程极为相似，使 换档的决策考虑更多的因数和指标。可以有两种方法总结驾驶员的经验：经验总结方法 及神经网络法。这两种方法既可用来确定升档规律，又能确定降档规律。前者由设计人 员对大量驾驶员的经验进行总结，由此归纳出经验的换档规律，并经实际试用后予以修 正。显然，这样设计的换档规律只能反映有限经验，可能因所采集的驾驶员不同而有差 异。另一方面，无论是动力性还是经济性都不是最佳的。神经网络法是一种现代智能控 制的新方法，它通过神经网络的自学习功能，将大量采集到的各种驾驶员的实际换档操 作作为学习样本，所得到的换档规律具有识别环境变化的自学习和自适应能力。 ( 3 )试验法 试验法实际上是介乎理论计算与经验法之问的一利t 方法。借助于简单粗略的计算 和实际经验，初步确定升降档的换档规律，再进行实车试验。借助于数据采集系统对 实车试验的数据进行分析，从中总结出实用的换档规律。通常设计所确定的换档规律， 总会与装车后的实际换档规律有些出入，其原因在于控制系统的响应滞后。所以，无 论计算如何准确，都不可能不经修正就直接使用。因此，完全可以不进行烦杂的精确 计算，借助于简单的计算就直接装车试验，再通过对试验采集数据的分析完善换档规 律。显然，这种方法需要一定的条件：有设计实用换档规律的丰富经验，还要有功能 完备的数据采集分析系统。这种方法对于研究某些智能换档控制规律特别有效。例如 研究动力型、经济型换档规律，研究钝化换档策略对减少频繁循环换档的影响，等等。 1 3 本研究的工作内容 1 3 1 研究内容及技术路线 1 、介绍汽车自动变速的优点和现有的各种自动变速技术。并详细阐述机械自动变 华中科技大学硕士学位论文 速系统的发展及国内外现状、原理结构和控制难点。 2 、进行整车道路换档规律试验。我们知道，有经验的驾驶员能够根据路况合理选 择离合器分离接合、变速器的选换档时机。如果通过试验把这些有经验的驾驶员的动 作记录下来，进行试验分析，可以总结出汽车道路行驶条件下换档的判定条件和控制规 律。研究中将通过采集e q l l 4 1 g 7 d 车型在各种典型工况下换档过程中车辆数据，处理 出试验曲线，研究车辆行驶过程中最佳档位及换档的最佳时机，总结出整车道路换档规 律，为今后制定换档规律做好基础工作。 3 、完成发动机台架万有特性试验，即通过发动机的速度特性及负荷特性试验得出 发动机在不同工况下的动力性、经济性及排放参数为仿真计算提供基础数据。 4 、由于发动机万有特性是稳态条件下在一部分工况点进行的台架测试，为满足整 车仿真计算的要求，需通过列表建立发动机经验模型，再利用二元三点插值法获得发动 机在仿真计算中目标工况下的扭矩、油耗等性能参数。 5 、建立汽车传动系统的动力学模型和整车模型，通过仿真计算，计算不同工况下， 按不同控制规律操纵时的整车动力性、经济性和排放性能，从而比较各种换档控制规律 的优劣，以便优化控制策略，实现汽车的最佳性能目标，同时也为换档策略的制定建立 起一套既经济又省时的新方法。 1 3 2 拟解决的关键问题和创新 l 、目前国内商用车在a m t 的开发匹配方面还基本处于空白，而换档的控制策略 是a m t 技术中的核心，通过研究找出一种能够利用企业自身优势，适合企业商用车用 a m t 控制策略的开发方法。为下一步开发装备a m t 系统的商用车打好基础。 2 、研究整车道路换档规律的试验工况和试验方法，并开发出一套整车道路换档规 律的采集及处理系统。 3 、掌握如何利用整车行驶换档的实时数据采集处理总结出道路实际行驶中有经验 司机的换档规律。为今后制定最佳换档规律做好基础工作。 4 、掌握换档规律的计算理论及计算方法。 5 、开发发动机台架万有特性试验的数据处理软件，将发动机台架万有特性的试验 数据处理成三维图象，直观地反映发动机各性能参数在不同工况点的变化，便于进行试 验分析。 6 、建立传动系统的动力学模型，为仿真计算提供理论依据。 6 华中科技大学硕士学位论文 7 、在发动机万有特性及道路换档规律的的基础上，通过c r u i s e 软件对仿真模型 进行验证并确定最终的整车换档规律，达到最佳的汽车动力性、经济性及排放性能。 8 、由于发动机万有特性是发动机在台架稳态条件、局部工况下进行的试验，为满 足整车仿真计算的要求，利用二元三点插值法获得发动机在仿真计算中目标工况下扭 矩、油耗等性能参数。在建立汽车传动系统的动力学模型及微分方程的基础上，求出汽 车在不同工况下整车动力性及经济性参数。 本课题利用企业自身优势，为a m t 换档策略的研究建立起一套有效、准确、可操 作性强又省时的新方法。在国内率先进行商用车采用a m t 系统的核心技术研究。 华中科技大学硕士学位论文 2 车辆对a m t 的配置要求与任务定义 2 1 机械自动变速系统的难点 与液力自动变速器相比，机械自动变速器在控制上难度较大2 2 1 ，主要体现在以下几 个方面： 1 、需切断动力换档，但又没有液力变矩器在起步、换档过程中起缓冲和减振的作 用。 2 、单、双片干式离合器与湿式多片离合器相比，不允许长时间打滑，否则会烧坏 摩擦片，因此对起步、换档过程控制的要求更高。 3 、机械式自动变速器需在换档时变化节气门，而液力自动变速器是在定节气门下 换档。 4 、液力变矩器具有自动适应性，坡道起步很容易。而机械变速器要靠驾驶员使制 动器、离合器和发动机节气f t - - 者协调工作，才能实现起步。因此进行自动化 时需增加坡道辅助控制结构对制动器的松开进行协调。 2 2 车辆对a m t 的配置要求 2 2 1a m t 的系统构成和控制原理 电子控制机械式自动变速器主要由千式离合器、带同步器的齿轮式变速器、微电脑 及其电子控制系统组成，它的基本原理如图2 - 1 所示【2 3 】。 华中科技大学硕士学位论文 图2 - i a m t 系统构成图 驾驶员通过加速踏板和选档手柄( 包括选档、选档规律、巡航控制等) 的操纵，选 定油门踏板位置和变速器功能，微f 乜脑根掘传感器j l f 测到的汽车行工作参数和存储器中 储存的程序( 最佳换挡规律、离合器最佳结合规律、发动机万有特性等) 对油门开度、 离合器接合及换档进行控制，以实现最佳匹配，从而获得良好的行驶性能、平稳的起步 性能和迅速的换档能力“1 。与液力自动变速器类似，机械自动变速器除自动变速功能 外，还具有自动巡航控制、故障自我诊断及失效保护等功能。一般来说，a m t 电控系 统的组成如下： 1 、执行机构 在电控系统的控制下完成发动机、离合器、变速器，以及对制动器进行控制。目前， 这些机构可以是由电控的液压、电机、或是压缩空气等多种形式的驱动机构。 2 、电子控制器e c u 负责对整个系统的各种传感器的信号进行信号检测、处理，运行控制软件，并根据 计算结果控制各个执行机构的动作，完成各项自动变速操纵。 3 、各种信号传感器 包括反映驾驶员操作意图的信号传感器( 档位选择器、油门踏板信号传感器、特殊 功能要求的专用开关等) ，反映各个执行机构工作状态的反馈信号传感器，等等。 4 、显示器 9 华中科技大学硕士学位论文 用来向驾驶员指示变速器的工作排档、系统的工作状态，以及故障报警等。 5 、系统能源 一般除了使用车用电源外，有时还配备系统专用的油源。 6 、控制软件 自动变速操纵系统的各项功能，主要是由软件来完成的。因此，控制软件的技术水 平也就决定了整个系统的性能水平。随着软件技术的不断进步完善，控制软件也可不断 发展演变成不同的版本。 7 、配套工具 包括数据采集及故障诊断设备等。 2 2 2 车辆对a m t 的配置要求 一般来说，希望开发的a m t 产品具有与a t 相类似的性能，并按此要求进行a m t 的配置。为此，一般的自动变速操纵系统要对下列部件进行控制： 1 、发动机油门的辅助操纵机构 一般由步进电机实现，包括三个方面内容：发动机起动、加速控制和换档时刻的控 制，重点是换档时刻的控制。它主要是用于换档期间为加快同步而实施的加减油操作， 目的是使其适应新的输入轴转速，从而减小换档后离合器接合时的冲击。如升档时，发 动机需降速，降档时发动机需升速，以达到快速、无冲击的换档目的。操纵机构应适应 不同的发动机类型，包括屯控和非屯控的汽油机、不同调速类型和屯控的柴油机。国内 也有的自动变速操纵系统不对发动机供油进行辅助控制，但是，这很有可能要牺牲离合 器及同步器的寿命。或以降低换档品质为代价。 2 、离合器的自动操纵( 分离、接合) 机构 离合器控制主要是汽车起步与换档时离合器的接合控制。其关键是接合速度，即根 据离合器最佳接合规律确定的接合行程和时间，它是由节气门开度、发动机转速、输入 轴转速及离合器传递的转矩等参数控制。但是，在使用电控的发动机时，有时也可能实 现无离合器操作的自动换档，这时就可以省去离合器的自动操纵机构。 3 、自动换档机构 包括摘档、挂档和选位操作的自动机构。对于由主副变速器组成的多档变速器，还 需要有副变速器的摘、挂档机构。各工况下的最佳换档规律被储存在传动系微电脑中， 在汽车行驶时根据发动机负荷及车速两参数即可控制换档【2 5 l 。驾驶员如果需进行人为干 0 华中科技大学硕士学位论文 预换档，主要是依靠踩加速踏板的操作，必要时也可通过选档手柄。 4 、坡道起步辅助控制机构 主要用于在坡道上起步时，配合离合器的平稳起步，适时的松开制动器( 通常是使 用有液压或气动操纵的制动系统) ，防止车辆在坡道上倒溜或将发动机憋熄火，确保顺 利、平稳起步。 2 3a m t 开发过程中的任务定义 2 3 1a m t 执行机构开发的任务定义 开发自动变速操纵系统产品时，各执行机构的设计要求随车辆系统不同而异。下列 各机构的设计要求可供一般设计时参考。 1 、油门操纵机构的设计要求 具体设计要求及技术指标须视车辆的发动机结构而定，大致包括如下的内容。 ( 1 ) 机构行程：行程应足够保证获得发动机的最大功率转速及熄火等要求，行程 范围应有定的富余，以便于机构的安装和维修调试。 ( 2 ) 操纵力：操纵力不仅要足以克服操纵机构的稳态载荷，而且要有足够的富余， 以便保证动作的快速性，能够在o 1 5 o 3 秒内完成全行程操作。 ( 3 ) 高速响应性能：要求机构能及时响应电控系统的操作指令动作，响应滞后最 好不超过0 0 5 秒。 ( 4 ) 操纵运用的精度及位移分辨率：要求机构动作行程可控，动作位移的最小增 量足够小，有较高的分辨率，满足控制发动机转速的精度要求。 ( 5 ) 可靠性要求：要求机构有足够高的使用寿命，确保在寿命周期内可靠工作， 还要求考虑出现故障时的应急措施，保证应急情况下发动机仍然能继续工 作，以便送往维修。 ( 6 ) 结构布置方面的要求：结构简单、尺寸紧凑、易于加工、便于安装维修，等 等。 2 、离合器操纵机构的设计要求【2 6 】 ( 7 ) 机构行程：行程应足够保证离合器能够彻底分离和完全接合，行程范围应有 一定的富余量，以便于机构的安装和维修调试。 ( 8 ) 操纵力：操纵力不仅要足以克服操纵机构的稳态载荷，而且要有足够的富余， 华中科技大学硕士学位论文 以便保证动作的快速性，能够在0 2 o 4 秒内完成彻底分离的行程操作。 ( 9 ) 高速响应性能：要求机构能够及时响应电控系统的操作指令动作，响应滞后 最好不超过0 0 5 秒。 ( 1 0 ) 操纵动作的精度及位移分辨率：要求机构在作离合器按合动作时行程可控， 接合操作时的动作位移的最小增量要足够小，有较高的分辨率，满足离合器 平稳接合的控制精度要求。 ( 1 1 ) 可靠性要求：要求有足够的使用寿命，确保在寿命周期内可靠工作，要求考 虑应急措施，保证出故障时仍然能进行人工操纵继续行驶，驶回维修站。 ( 1 2 ) 结构布置方面的要求：结构简单、尺寸紧凑、易于；b n - r 、便于安装维修，等 等。 3 、变速器操纵机构的设计要求 ( 1 ) 机构动作要求和行程：应按照档位图设计机构的动作要求和行程，确保摘档、 挂档、选位等操作正确可靠，行程范围应有一定的富余量，以便于机构的安 装和维修调试； ( 2 ) 操纵力：操纵力不仅要足以克服操纵机构的稳态载荷，而且要有足够的富余， 以便保证动作的快捷性，一般要求选位操作能够在0 1 0 2 秒内完成，摘档 及挂档动作在0 2 0 4 秒内完成； ( 3 )高速响应性能：要求机构能够及时响应电控系统的操作指令快速动作，响应 滞后最好不超过0 0 5 秒； ( 4 ) 操纵动作的位置精度及位移分辨率：要求摘档、挂档及选位操作行程准确可 控，最好能够控制挂档动作位移的最小增量，具有较高的分辨率，满足挂档 柔性操作的控制要求： ( 5 ) 可靠性要求：要求有足够的使用寿命，确保在寿命周期内可靠使用，要求考 虑应急措施，保证出现故障时仍然能进行人工操纵使用应急档继续行驶，驶 回维修站。 ( 6 ) 结构布置方面的要求：结构简单、尺寸紧凑、易于加工、便于安装维修，等 等。 4 、坡道起步辅助控制机构 ( 1 ) 辅助控制机构的功能，应当不影响正常情况下驾驶员对制动器的操作，确保 制动器的正常制动的功能不受干扰； 1 2 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 高速响应性能：要求机构能够及时响应电控系统的操作指令快速动作，响应 滞后最好不超过0 1 0 秒； ( 3 ) 结构布簧方面的要求：结构简单、尺寸紧凑、易于加工、便于安装维修等。 2 3 2a m t 控制系统开发的任务定义 电子控制系统是自动变速操纵系统的核心，对整个系统性能有着极其重要的作用。 然而，由于其系统结构组成差异很大，设计的要求也应随具体结构而异。一般包括下述 几个方面： l 、控制功能方面的要求 控制功能随车型、系统不同而异，一般a m t 的控制功能要求有： ( 1 ) 多模式控制功能。要具有自动、手动选档和巡航等模式供驾驶员任选，还要 有能适应各种路面及交通情况的多种自动换档范围； ( 2 ) 可以根据路面及交通情况选择多种起步档起步； ( 3 ) 离合器应能保证起步快捷平稳，接合控制要有良好的自适应性，能够适应各 种路面( 包括在坡道上起步) 及离合器的状态： ( 4 ) 换档过程平稳、快捷，无明显的换档冲击，并减少机件的磨损； ( 5 ) 换档规律合理，具有良好的动力经济性能，并且在路面与交通情况复杂多变 的条件下能够避免频繁循环换档； ( 6 ) 有良好的可驾驶性，即使是复杂多变的情况下也能自如操作，能快速响应制 动、摘空档等操作，发动机不被憋熄火、确保行驶安全； ( 7 ) 具有故障自诊断功能，在发现故障时及时报警，并具有容错或“跛行”功能。 2 、控制硬件及c p u 选型的性能要求 单片机可以从市场上的i n t e r 及m o t o r o l a 等公司的8 位、1 6 位或3 2 位产品中选 择，一般要求如下 ( 1 )高速运算能力，包括具有丰富的指令系统，合理的时钟频率( 1 2 m h z 以上) ， 以便能满足系统控制的实时性要求。 ( 2 ) 具有多种足够的输入，输出接1 3 通道数，保证电控系统各种外接器件之需要， 并且最好要有一定的冗余，以便于系统的扩展。 ( 3 ) 指令系统与开发装置的环境相适应，便于提高开发工作的快速性。 ( 4 ) 单片机的外部存储容量不小6 4 k ，内存容量要能满足控制功能及参数存储的 华中科技大学硕士学位论文 要求。 ( 5 ) 要有串行通讯的能力，以便于与其它系统进行通讯、诊断或数据采集的需要。 3 、传感器的选型要求 ( 1 ) 反映驾驶意图的传感器信号：应当信号丰富，分辨率高，准确、及时，能表 达驾驶意图。 ( 2 ) 位移传感器信号准确稳定重复性好，分辨率足够。 ( 3 ) 转速传感器信号准确、可靠、稳定、信号盲区小。 ( 4 ) 开关信号尽量少用接触式开关，避免因振动原因造成信号错误。 ( 5 ) 所有传感器都要有足够的寿命，安装、维修调整容易，尺寸紧凑，使用可靠。 4 、可靠性与环境适应性要求 ( 1 ) 寿命要求，要求系统的寿命周期与a m t 及整车的寿命相匹配。 ( 2 ) 可靠性指标，可根据产品的成熟性规定m t b f 指标。 ( 3 ) 可维修性要求。 ( 4 ) 环境适应性指标，可根据车辆的具体情况，结合汽车法规和标准，规定电控 系统应适应的环境指标：包括高、低温度( 工作温度与存储温度) 、湿度、振 动、冲击、防盐雾、电磁兼容性等多种环境指标。 ( 5 ) 成本要求，根据材料加工外购件开发费等，并考虑到市场价格的竞争状况， 确定成本要求，并分解到主要总成。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 a m t 换档控制规律的整车试验研究 3 1 试验目的和要求 3 1 1 试验目的 通过采集e q l l 4 1 g 7 d 车型在换档过程中车辆数据，研究车辆行驶过程中最佳档位 及换档的最佳时机，为东风汽车工程研究院开发a m t ( 自动机械变速箱) 控制策略、东 风商用车采用a m t 提供依据。 3 1 2 试验要求 同一工况要求三位有经验的司机重复三次进行。 3 2 试验车辆和测试系统组成 3 2 1 试验车辆： 本次试验车型为东风e q l l 4 1 g 7 d 试验车一辆。发动机号：8 3 2 2 6 6 ，底盘号： 3 0 1 6 0 0 7 。试验样车载质量5 0 0 0 k g ，载荷为沙袋，并按g b t1 2 5 3 4 规定分布在货厢内。 试验样车在试验前应按规定进行保养。 3 2 2 试验测试系统： 我们选用型号为：i b m 2 6 2 8 e d c 的便携机，型号为：b 0 0 k 5 1 2 p o r t1 m 高速便携数 据采集器，型号为：w b k 2 0 a 的e p p 通信卡。测试软件是测试系统的核心部分，软件 设计思路必须安全可靠、灵活，面向试验人员。为此采用功能完善的工控组态软件平台 l a b v i e w 为软件的开发系统，在此基础上开发专用测试软件。传感器输入信号经 过处理后输入高速采集器，通过通信卡输入到便携机。整个系统框图如图3 1 所示。输 入信号的处理按照输出传感器种类和型号的不同采用不同的设定方式： 华中科技大学硕士学位论文 图3 i 测试系统连接框图 1 、数据采集 本系统使用的是高速模拟采集器，进行0 5 v 的模拟量变化实时采集、记录1 2 7 2 8 l 。 对扩散型压力传感器、直线式位移传感器调整的匹配值就可以直接输入进行处理，即制 动压力、档位位置、油门位置、离合器位置测量数据可以直接输入到高速采集器，通过 通信卡传输到便携机；对磁电式转速传感器和利用霍尔传感器进行转速脉冲测量的传感 器必须进行选配与采集量相适应的f 转换模块进行变换。即前后轮转速、变速箱转速、 发动机转速测量数据必须经f v 转换模块转换后输入高速采集器。 2 、发动机转速 选用磁屯式发动机转速传感器，安装在飞轮壳上，见图3 。2 。这种传感器的工作原 理是当传感器中的线圈磁场产生变化时，就会在线圈中产生感应电动势、根据楞次定律， 此感应电动势与线圈对磁场的相对速度成正比。优点是：输出功率大，不需要放大。发 动机转速脉冲为1 7 3 齿，转，最高转速限度为2 6 0 0 r m i n ，必须使用满量程输出时频率为 1 0