（机械电子工程专业论文）基于can总线的手动变速箱轻便换档控制系统及操纵机构开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目前客车换档系统多采用发动机后置，换档手柄与执行机构间机械式传递或以并行 信号线进行通信。客车需要频繁的起步、换档，停车，因此机械式传动完成换档动作容 易导致司机疲劳；并且并行信号线的多线束会带来高故障发生率。鉴于此，研制并开发 了基于c a n 总线的手动变速箱轻便换档控制系统及操纵机构。它采用c a n 总线完成换 档手柄与执行机构之问的通信。这不但解决了机械式传动容易造成司机疲劳的问题，而 且降低了并行信号线的多线束带来的高故障发生率，同时线束的减少也降低了成本。系 统是在原有的手动变速器基础上改造而成，开发成本低，易于被商家接受。就我国目前 客车市场的实际情况而言，此系统具有广阔的市场空间。 本文首先介绍了换档系统在国内外的现状及发展趋势。然后介绍了操纵机构的三个 组成部分：操作部分的组成、动作原理、动作方式。接下来对操纵机构的硬件电路进行 详细说明，包括各个芯片的选择、芯片的介绍( 如p h i l i p s 公司的p 8 7 c 5 9 1 、p c a 8 2 c 2 5 1 等) 和电路的电气连接。除此之外对电路实现的功能进行了说明，如车速及发动机转数 信号的采集、档位和换档手柄错误操作的代码显示及手柄位置与执行器位置不一致、换 档手柄错误操作，离合器信号常有、不给离合信号进行换档的报警等。本文对c a n 相 关的知识也进行了介绍，包括发展历程及特点、通信协议、通信原理、在本系统中工作 模式的选择、报文形式的构成、滤波方式的选择及校验等。软件部分的介绍主要包括系 统上电后m c u 的初始化、报文的发送和报文的接收。最后针对周围复杂环境对客车行 驶时产生的影响进行了抗干扰及可靠性设计。 关键词：轻便换档；强n 总线；智能节点 基于c a n 总线的手动变速箱轻便换档控制系统及操纵机构开发 t h ed e v e l o p m e n to fm a n u a lt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i cp n e u m a t i cs h i f t c o n t r o ls y s t e ma n dm a n i p u l a t i o nm a c h i n eb a s e do nt h ec a n b u s a b s tr a c t n o w a d a y s , m o s to ft h eb u s e sa d o p tp o s t p o s i t i o ne n g i n ea n dm a n u a lm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o no rp a r a l l e lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns h i f t i n gh a n d l ea n de x e c u t i o nm a c h i n e d r i v e r sh a v et om a n i p u l a t et h es t a r t , g e a r s h i f ta n ds t o pr e p e a t e d l y m a n u a lm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o nm a k e st h ed r i v e r sb e c o m et i r e de a s i l ya n dp a r a l l e lc o m m u n i c a t i o nc a u s e sm o r e a c c i d e n t i nv i e wo ft h i s ，t h em n n u a lt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i cp n e u m a t i cs h i f ic o n t r o l s y s t e ma n dm a n i p u l a t i o nm a c h i n ei sd e v e l o p e d t r a n s m i s s i o nb e t w e e ns h i f t i n gh a n d l ea n d e x e c u t i o nm a c h i n ea d o p t st h ec a n - b u sw h i c hr e d u c e sd r i v e r s t i r e d n e s sc a u s e db ym a n u a l m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n i ta l s or e d u c e sm a l f u n c t i o na n dc o s ts i n c ef e w e rs i g n a lw i r e sa r e u s e d t h et e c h n o l o g yr e f i n e df r o mo r i g i n a lm a n u a lm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ni sp r o n et ob e a c c e p t e db ym a n u f a c t u r e r ss i n c ei tn e e d sf e w e ra l t e r a t i o nc o s tf o rt h ee q u i p m e n t t h e r e f o r e , t h i st e c h n o l o g yh a sa b i gm a r k e ti nc u r r e n td o m e s t i cb u ss y s t e m t h i st h e s i sd e p i c t st 1 1 eh i s t o r y , p r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to r i e n t a t i o no ft h e t r a n s m i s s i o ns y r s t e mf i r s t l y t h e ni ti n t r o d u c e st h et h r e ep a r t so fm a n i p u l a t i o nm a c h i n e ： c o m p o n e n t s , a c t i o nt h e o r ya n da c t i o np r o c e s s 胁ef o l l o w i n gc h a p t e re x p l i c a t e st h eh a r d w a r e c i r c u i tw h i c hi n c l u d e sc h i pc h o o s i n g , c h i pe x p l a i n i n ga n de l e c t r i cc o n n e c t i n g i na d d i t i o nt o t h e s ec o n t e n t s , i ti n t r o d u c e $ t h ef u n c t i o no fc i r c u i ts u c ha sc o l l e c t i n gs i g n a lo fs p e e da n d e n g i n er o t a t i o n , d i s p l a y i n gc o d eo fs h i f tp o s i t i o n0 1 w r o n go p e r a t i o n t h eb u z z e ra l a r m si f p o s i t i o no fs h i f t i n gh a n d l ea n de x e c u t i o nm a c h i n ea r en o tc o i n c i d e n t ，o p e r a t e sw r o n g l y ， c l u t c hs i g n a li sa l w a y sh i g ho rs h i f t sw i t h o u tc l u t c hs i g n a l t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e st h e k n o w l e d g e r e l a t i v et oc a n - b u ss u c ha st h e d e v e l o p m e n tc o b r g e , c h a r a c t e r i s t i c ， c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l , c o m m u n i c a t i o nt h e o r y , w o r k - m o d ec h o o s i n g , m e s s a g ec o m p o s i n g , f i l t e rc h o o s i n g c h e c k o u te c t t h es o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e sm c u i n i t i a l i z i n ga f t e rp o w e rs t a r t , m e s s a g et r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n g t h el a s tp a r ti sa b o u ta n t i - j a m m i n ga n dr e l i a b i l i t yd e s i g n f o rt h ec o m p l i c a t e de n v i r o n m e n tw h e nb u sd r i v e s k e yw o r d s se l e c t r o n i cp n e u m a t i cs h i f t ；c a n - b u s ；i n t e l l i g e n t - n o d e 一一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名。盔盥丝日期。塑! ： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：垒! 监遂 导师躲互丝复 立年_ l 月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 换档系统的发展历程 1 8 8 9 年法国人标志研制成功的齿轮变速箱是雏形，最早也叫有级式变速箱，后来叫 手动式变速箱( m r ：m a n u a lt r a n s m i s s i o n ) 。1 8 9 4 年，一个法国工程师给一辆汽车装上 世界上第一个变速器至今，汽车变速器已经经过了一百多年的发展。变速器，英文 t r a n s m i s s i o n ，作为汽车重要的组成部分，是承担放大发动机扭矩，配合引擎功扭特性， 实现理想动力传递，从而适应各种路况实现汽车行驶的主要装置。 在汽车变速箱1 0 0 多年的历史中，主要经历了从手动到自动的发展过程。目前世界 上使用最多的汽车变速甜1 l 为m t 手动式变速箱、a t 液力自动变速器，a m r 电子控制 机械式自动变速器、c v t 金属带式无级自动变速器四种型式。 ( 1 ) m t ：手动式变速箱 1 8 8 9 年法国人标志研制成功的齿轮变速箱是它的雏形，最早也叫有级式变速箱，后 来叫手动式变速箱( h f r ：m a n u a lt r a n s m i s s i o n ) ，此后经历了近一个多世纪的发展，仍 受到许多喜欢动感操控的人们所喜爱。m t 变速箱被广泛运用于各档次的车上，具体事 例不胜枚举，但由于其换档的顿挫感比较明显，在高档商务用车上己逐渐被相对舒适的 自动变速箱所取代和淘汰。 ( 2 ) a t ：液力自动变速箱 1 9 0 8 年福特t 型汽车最早应用了一种只有两个速率比的自动变速箱。a t 在结构和 使用上与手动变速箱( m r ) 有着很大的不同。m r 主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿 轮组合产生变速变矩；而a t 由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力 传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。虽然a t 有不用操作离合器、档位少变化大、 操作容易等特点，但由于a t 通常有自身带来的动力损耗，不仅对速度变化反应较慢， 而且费油不经济，传动效率低变矩范围有限。所以主要适用于2 0 l 以上的中高档轿车。 如东方之子、瑞虎、帕萨特等。此外，由于其机构复杂，修理十分困难、售后成本也很 高。 ( 3 ) c v t ：金属带式无级自动变速器 由于a t 仍然是有挡的变速器，不能完全消除换挡时带来的顿挫感，于是，金属带 式无级自动变速器出现了。1 9 9 7 年，发明了上百年的c v t 3 开始迈向成熟，进入商业应 用阶段。c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ( 简称c v t ) 由两组变速轮盘和一条传动带 组成，采用传动带和可变槽宽的棘轮进行动力传递。即当棘轮变化槽宽时，相应改变驱 基于c a n 总线的手动变速箱轻便换档控制系统及操纵机构开发 动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速，传动带一般用橡胶带、金属带和金属链等。 c v t 是真正无级化了，它的优点是重量轻，体积小，零件少，与a t 比较具有较高的运 行效率，油耗较低。但c v r 的缺点也很明显：价格昂贵、传动带很容易损坏，不能承 受较大的载荷。目前，国内采用c v t 技术的主要有旗云c v t 、奥迪等。 ( 4 ) a m t ：电子控制机械式自动变速箱 由于具有m r 之高效率性及a t 之自动换档的方便性，成本又远低于a t ，a u t o m a t e d m a n u a lt r a n s m i s s i o n ( 简称a m t ) 近年来已经快速欧洲市场崛起。a m t 4 1 在1 9 9 7 年用 于f 1 赛车。并越来越受到世界各国的重视，它在m t 总体传动结构上加装微机控制的自 动操纵系统，实现换挡的自动化。a m t 不仅能自动离合，亦能自动换挡。传动效率与 m t 相近，比a t 高7 以上，生产成本比a t 低3 0 以上，维修成本低6 0 以上。a m t 最早于1 9 8 9 年首次被法拉利车队使用，宝马、奔驰、雷诺、蓝博基尼、奥斯顿马丁、 阿尔法罗密欧、蓝旗亚、马萨拉蒂、欧宝等公司也都使用a i v i t 产品。 1 2 换档操作过程介绍 客车换档操纵机构的功用是使驾驶员根据道路情况能准确可靠的将变速器挂上或 摘下所需的某个档位，以保证汽车安全行驶。变速器操纵机构【2 l 按距离驾驶员座位的远 近分为直接操纵机构和远距离操纵机构。大多数汽车的变速器布置在驾驶员座位附近， 变速杆由驾驶室底板伸出，驾驶员可直接操纵，这种操纵机构称为直接操纵式变速器操 纵机构。它一般由变速杆，拨块、拨叉、拨叉轴以及安全装置等组成，多数装于变速器 的上盖或侧盖内，结构简单、操纵方便。这种操纵机构手感好，可靠性也比较高。在有 些汽车上，由于变速器离驾驶员座位较远，因而需要在变速杆与拨叉之间安装一些辅助 杠杆或传动机构，构成远距离操纵，这种操纵机构称为远距离操纵机构，该机构应具有 足够的刚性，且各连接间隙不能过大，否则换档时手感不明显。由于布置上的原因，这 种方式多用于客车上。 离合器【5 1 位于发动机和变速箱之间的飞轮壳内，用螺钉将离合器固定在飞轮的后平 面上，离合器的输出轴是变速箱的输入轴。在汽车行使过程中，驾驶员可根据需要踩下 或抬起离合器踏板，使发动机与变速箱暂时分离和逐渐结合，以切断或传递发动机向变 速箱输入的动力。 离合器的主要作用有； ( 1 ) 保证汽车平稳起步 起步前汽车处于静止状态，如果发动机与变速箱是刚性连接的，一旦挂上档，汽车 将由于突然接上动力而前冲，不但会造成机件的损伤，而且驱动力也不足以克服汽车前 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 冲产生的巨大惯性力，使发动机转速急剧下降而熄火。如果在起步时利用离合器暂时将 发动机和变速箱分离，然后离合器逐渐接合，由于离合器的主动部分与从动部分之间存 在着滑磨的现象，可以使离合器传出的扭矩由零逐渐增大，而汽车的驱动力也逐渐增大， 从而汽车平稳起步。 ( 2 ) 便于换档 汽车行使过程中，经常用不同的变速箱档位，以适应不断变化的行使条件。如果没 有离合器将发动机与变速箱暂时分离，那么变速箱中啮合的传力齿轮会因载荷没有卸 除，其啮合齿面间的压力很大而难于分开。另一对待啮合齿轮会因二者圆周速度不等而 难于啮合。即使强行进入啮合也会产生很大的齿端冲击，容易损坏机件。利用离合器使 发动机和变速箱暂时分离后进行换档，则原来啮合的一对齿轮因载荷卸除，啮合面间的 压力大大减小，采用合适的换档动作就能使待啮合的齿轮圆周速度相等或接近相等。从 而避免或减轻齿轮间的冲击。 ( 3 ) 防止传动系过载 汽车紧急制动时，车轮突然急剧降速，而与发动机相连的传动系由于旋转的惯性， 仍然保持原有的速度，这往往会在传动系统中产生远大于发动机转矩的惯性矩，使传动 系的零件容易损坏。由于离合器是靠摩擦力来传递转矩的，所以当传动系内载荷超过摩 擦力所能传递的转矩时，离合器的主、从动部分就会自动打滑，因而起到了防止传动系 过载的作用。 实践研究结果表明，换档时摩擦元件的滑磨时间在o 5 - i 5 秒左右较为适宜。换档 过程进行的急促，就不可避免要产生较大的冲击和动载，破坏换档平顺性；反之，为了 改善换档品质延长换档时间，滑磨时间增长，累计滑磨功增加，将导致温度升高、磨损 增加。因此，需要合理的进行控制，是换档过程平稳没有冲击的进行，保证系统具有良 好的换档品质。换档离合器缓冲控制是通过在换档过程中对离合器的结合过程进行控 制，使结合油压缓慢上升，减少变速箱输出轴的转矩扰动，能够提高换档的品质。 1 3 客车电控气动换档系统需完善的问题与展望 1 3 1 需完善的问题 ( 1 ) 可靠性 可靠性问题是车辆电控装置【刀最重要的问题。包括执行机构的可靠性和电控系统软 硬件可靠性两方面的问题。可靠性问题的解决是本系统走向商品化的重要前提条件。 基于c a n 总线的手动变速箱轻便换档控制系统及操纵机构开发 ( 2 ) 换档品质问题 电控气动换档装置 6 1 在切断动力换档时，不像液力变矩器在起步、换档过程中能缓 和振动与冲击。目前在实际工作中出现的换档品质问题主要表现在传动比变化大、同步 前变速器主，从动轴转速差大，同步时间长或产生同步冲击；同步后相应的离合器主、 从动盘转速差也较大，从而增加了滑摩时间或造成换档冲击。这对解决好换档时序问题 提出了要求。 ( 3 ) 执行机构优化设计问题 电控换档装置的操纵是由液压、气动或电动执行机构完成的。系统动态特性的好坏 直接影响换档控制品质和系统工作的可靠性。影响系统动态特性的因素很多，其中系统 的结构参数经设计选定将是固定不变的，所以根据系统的工作特点和使用要求对执行 机构的结构参数进行动态优化是电控换档装置产品化过程的一个关键环节。 ( 4 ) 前后控制装置间线束问题 电控气动换档系统的前后控制装置之间是由电线传输信号，控制器与执行器之间的 信号传输要用到五根电线，且距离9 到l l 米左右，为保持信号有效可靠，信号需要放 大处理，既增加了硬件电路信号处理的复杂程度，又为系统装车走线增加了难度，这就 对前后控制装置的通讯方式的改进和取消线束提出了要求。 1 3 2 展望 随着技术的发展，能源危机引发全球性的节约能源和环境保护意识提高，由于c v t 的油耗较低，所以成为各大生产厂商竞相追逐的对象，然而第一代的c v t 在技术上存 在着的弱点，如传动带容易损坏，无法承受较大的载荷等等，使得该变速器一直以来多 应用在小排量，低功率的汽车上。在总结第一代c v t 经验的基础上，人们开发出了性 能更佳，转矩容量更大的c v t 。例如，今年4 月份东风日产乘用车公司所升级上市的高 级车新天籁所配置的新一代c v t 变速器由于采用最新的x t r o n i c 技术，成功地克服 了c v t 在中、大排量汽车发动机方面的技术难题，为c v t 的更为广泛的应用( 尤其在 中高级轿车上) 铺平了道路，也填补了国内高级车市场的一大空白。 当前，全世界各大汽车厂商为了提高产品的竞争力，都大力进行c v t 的研发工作。 现在n i s s a n 、t o y o t a 、f o r d 、g m 、a u d i 等著名汽车品牌中，都有配备c v t 变 速器的轿车销售，全世界c v t 轿车的年产量已达到近5 0 万辆。有一点值得注意的是， 装备有c v t 的汽车市场，由最初的日本，欧洲，已经渗透到北美市场。无级变速汽车 已经成为当今汽车发展的主要趋势。 大连理工大学硕士学位论文 随着电子技术的不断进步和人们对车辆性能要求的不断提高，将可能在以下几个方 面对电控换档技术产生较大的影响。 ( 1 ) 整车协调智能控制 由于车辆行驶工况与控制的复杂性，将电子技术引入汽车，用电脑代替人脑来精确 判断车辆及路面状况，用电控系统取代繁杂的机械控制元件已成为现代汽车研究发展的 目标之一。机械式同步变速器的换档过程及其复杂。控制对象除了变速器本身，还涉及 发动机和离合器，仅采用气动技术不可能实现操纵自动化【“】。在加装电控系统后，电子 控制系统成为电控换档装置的硬件基础。汽车工作环境恶劣而且多变，要确保电子控制 系统能在气候、机械、电气性能等各种条件下可靠工作，就对其设计提出了更高的要求。 作为整个电控系统核心的微机控制技术的研究和实践也不断深入。现代高级轿车中使用 4 0 多个微处理器进行各种控制，使电控系统向大规模发展【8 9 】。 图1 1 未来汽车电子控制系统结构 f i g 1 1c o m p o s i t i o no f t h ea u t o m o b i l ee l c c h o n i cc o n t r o ls y s t e mi nf u t u r e 同时人们也正在开发主计算机以优化系统集成。以一台车载计算机确保所用e c u 的通讯。这在减少线束体积，改进e c u t l 2 】功能方面有很大优势，缺点是增加了界面间 协调的成本。图1 1 为各系统的基本控制由各执行部分独立实行，通过中央信息处理e c u 进行外部信息和各系统的协调，实现基于高级判断的控制。从而实现高级扩展性系统。 ( 2 ) 多路通信技术 在车载各e c u 间使用的多路通信称为c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 总线。它是 德国b o s c h 公司在8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换 而开发的一种串行数据通信协议。c a n 总线以其卓越的特性、低廉的价格、极高的可 靠性和灵活的结构，被认为是最有前途的现场总线。通过在每个e c u 上设置c a n 控制 一5 一 基于c a n 总线的手动变速箱轻便换档控制系统及操纵机构开发 器，使用串行通路母线发送和接收数据，实现各控制系统中使用的传感信号和车辆状态 信息共享以及综合诊断，预计在推进各控制系统的高性能化、协调化方面将不断发挥巨 大作用。目前，国内外已开始研究使用c a n 总线使电控换档系统与发动机电控系统进 行通信，增加信息共享、协调控制，取得了很好效果。把电控换档系统与防抱死系统 ( a b s ，a n t i - l o c kb r a k es y s t e m ) ，全功能座椅系统( a s s ，a d a p t i v es e a ts y s t e m ) 等 通信并进行综合控制，实现整车控制系统的网络化对全面提高整车性能有重要意义，是 车辆多路通信研究发展的方向。 ( 3 ) 传感器技术 第一阶段 至至三二 j 翼薹二 _ 主翌薹二l _ 圃 第二阶段匝丑墨翌 圃 第三阶段 至至三二 至薹薹二 主霎薹囤 图1 _ 2 传感器集成化发展方向 f 螗1 2d e v e l o p m e n t p r o c e s so f $ e q q o t i n t e g r a t i o n 传感器是汽车电子化、智能化的基础和关键。车辆电子控制系统为了得到控制需要 的物理量和化学量信息，需要各种各样的传感器。1 9 7 0 年以前汽车尚未装配传感器，到 了1 9 8 8 年汽车传感器已经成为第二大传感器市场，现在高级豪华轿车和智能化汽车使 用的传感器己接近甚至超过2 0 0 种。国际知名品牌汽车使用的传感器也有几十个，例如 美国通用汽车公司的轿车一般装有3 0 个以上，日本丰田轿车也有2 0 至5 0 个，由于大 量使用传感器，因此能否在实用性、可靠性、性价比等方面都获得最佳，对控制系统的 性能和潜力有很大影响。预计应用集成化技术和微机械加工技术的传感器的灵巧化将如 图1 2 所示阶段性的发展。通过组合能够测量的传感器信号，运算处理不能直接测量的 物理量和化学量，这种软传感器技术在电控换档系统中的应用是一个重要的研究课题 【1 3 岍。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 1 4 系统研究的意义、价值及方案 1 4 1 系统研究的意义与价值 前面介绍了换档系统的发展历程和发展趋势，但它是就换档的整个国际环境而阐述 的，而且不仅是针对客车，还包括各种档次的轿车。然而就国内客车的换档系统而言， 并没有达到国际先进水平，绝大多数客车应用的仍然是手动式变速箱，操纵单元与执行 单元或者是机械连接或者是并行的多线束电缆连接。而此系统是在原来变速箱的基础 上，将机械式连接或多线束电缆替换成串行的只有五条信号线的c a n 总线，而且在变 速箱上安装了电磁阀，通过电控气动达到选、换档的目的。c a n 总线的应用消除了机 械式连接在换档过程中带来的颠簸，也减少了多线束带来的故障发生，同时降低了成本。 由于是在原有的变速箱基础上改装而成，投入成本小，易于厂商接受，就国内的客车换 档环境而言，在相当的一段时间内具有广阔的市场空间和良好的发展前景。因此，此课 题的研究具有实际意义和应用价值。 1 4 2 系统的方案 本课题研究的目的是针对国内客车换档系统人性化设计不合理、故障发生率较高。 针对此问题本课题的解决方案是：减小换档的手柄，使司机有搬动手柄有轿车的舒适感： 操纵手柄与执行器之间通过c a n 总线通信，相对于多线束减低了成本的同时降低了故 障发生率，相对于机械式连接消除了换档过程中带来的颠簸，同时推动了客车换档向电 气化方向发展。系统的方案1 3 9 框图如图1 3 所示： 基于c a n 总线的手动变速箱轻便换档控制系统及操纵机构开发 图1 3 系统方案框图 1 3s c h e m ef l a m eo f t h es y s t e m 系统设计时考虑的几个主要方面： 系统工作的稳定性( 硬件，软件的抗干扰设计) 各开关量的读取 数据采集、交换的实时性 c a n 通信的稳定性与安全性 此换档系统的功能： 模拟手动换档机构选、换档位 离合器位置判断 手动电磁铁控制换档手感 读取发动机转数 计算车速 蜂鸣器报警 档位及错误代码显示 操纵部分与执行部分的相互通信 故障的分析、报警及故障状态下的行使 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 换档系统机构介绍 整个换档系统包括三部分：操纵手柄部分和执行机构部分及连接这两部分使其相互 通信的传输信号线。 2 1 换档系统的组成 换档系统的整体图如下图所示： 图2 1 换档系统组成图 f i g 2 1s f f u c t u n ：o f t h es h i f t s y s t e m 1 ) 操作手柄2 ) 反馈电磁锁3 ) 手柄信号采集单元4 ) 操纵部分控制系统5 ) 离合传感器6 ) 档位显 示单元7 ) 报警器8 ) 电缆线束9 ) 车速传感器1 0 ) 执行部分控制器1 1 ) 电磁阀组件1 2 ) 减压阀1 3 ) 气路组件1 4 ) 换档气缸组件1 5 ) 选档气缸组件1 6 ) 换档信息反馈单元 操纵机构单元：模拟轿车手动换档手感舒适性，通过非接触性传感器为换档 执行单元提供选、换档命令信号； 离合器位置检测单元：检测车辆离合器状态，为微处理器提供逻辑运算依据； 换档执行单元：根据接受c a n 总线传输的手柄部分的微处理器发送的报文， 控制相应的电磁阀通、断电，以气动方式拨动换档轴，改变变速箱档位； 反馈单元：把换档执行单元的执行结果反馈给微处理器。 基于c a n 总线的手动变速箱轻便换档控制系统及操纵机构开发 2 2 操纵机构的设计 操纵机构主要是完成换档命令的发送，为了真实的模拟手动机构换档的人性化效 果，机构在设计上采用了巧妙的发令滑块、限位杆及止动电磁铁等。如图2 2 所示： 图2 2 操纵机构组成图 f i 9 2 2m a n i p u l a t a t i o nu n i t 大连理工大学硕士学位论文 发令滑块在操作手柄的带动下前后左右滑动，当上面的磁钢与对应位置的霍尔传感 器感应，其霍尔导通，把信号发送到主控单元，主控单元的微处理器根据不同的信号， 生成相应的命令代码，并以报文的形式发送给执行单元，执行单元的微处理器接收到报 文后，根据不同的命令码，控制执行单元的气缸动作，完成换档动作。 2 2 1 操纵机构组成 操纵机构【加】的组成如图2 2 所示 ( 1 ) 变速杆部分：包括手柄球、手柄杆、关节轴承、定位板、扭弹簧及相应附件。 手柄球连接手柄杆可以在关节轴承内做3 6 0 。范围的自由运动，扭弹簧限制手柄杆在空 档位置无阻力情况下自动归位到自然层( k b 层) 。 ( 2 ) 滑块发令部分：包括换档杆、上下滑块、导向轴、限位板、档位板和控制盒 及相应附件。换档杆上端用螺纹连接在手柄杆底部，下端插入上滑块，带动上下滑块运 动。导向轴穿过上下滑块固定在定位板和基座上，限位板上压簧压紧钢球顶入下滑块两 侧的凹槽来确定档位，销轴穿过上滑块下部，上档的时候插入档位板凹槽内，保证上档 选层位置准确，霍尔反馈有效。控制盒内装有霍尔反馈板，感应到上滑块底端的磁钢位 置发出变速杆位置信号，供m c u 发出控制执行器动作命令作参考。 ( 3 ) 止动电磁铁部分：包括电磁铁、压簧，钢球、限位杆、支座、定位块、销轴 及相应附件。 ( 4 ) 基座部分：包括底板、壳体等相应的附件。 2 2 2 动作说明 变速杆可以在直立状态下左右拨动和压下，在左、中、右位置可前后推拉，前后顶 点位置分别代表驾驶员拟挂档位1 - 6 ，在此6 个位置放手后，由于止动电磁阀的作用， 手柄会停留在相应的位置上。压下变速杆( 板弹簧向下弯曲) 后，向左拨动再向前推表 示驾驶员要挂倒档，此时倒档挂杆刚好停留在倒档挂板的后下方，并保持这一状态直到 下一操作。倒档挂板前方的凸出限制了驾驶员在压下状态下拉动变速杆。板弹簧的行程 由限位销钉限制。 ( 1 ) 挂挡过程说明 自然状态下，变速杆直立，止动汽缸电磁阀动作止动气缸两个活塞运动到两端，此 时手柄可前后推拉整个行程的l 3 ，由于止位碰珠的作用，手柄在停止推拉动作后仍可 恢复到直立状态。当驾驶员踩下离合器后( 控制系统有效，发出有效上档命令) ，左右 拨动变速杆，下部带动层位滑块左右运动，后端的磁钢分别可与层位传感器板上的霍尔 传感器( 初始位置) 感应，向控制系统发出k a 、k b 、k c 的层位控制命令，压下( 板 基于c a n 总线的手动变速箱轻便换档控制系统及操纵机构开发 弹簧向下弯曲) ，向右拨动表示驾驶员要挂倒档，此时变速杆下端进入倒档滑块的深度 带动倒档滑块向左运动，其后面的磁钢与层位传感器板上的霍尔传感器感应，向控制系 统发出k d 的层位控制命令，当操作者推拉变速杆时( 只能推拉全部行程的1 3 ) ，其 下部带动上档控制滑块前后运动到达k 1 0 、k 2 0 位置，向控制系统发出挂档命令，当执 行机构完成上档动作后，控制系统断掉止动电磁阀的电源，允许手柄推拉后2 3 行程后 到位。 ( 2 ) 摘挡过程说明 当驾驶员任何时候使变速杆从任何位置回到中间位置( 或自然复位) 时，其下部都 会带动上档控制滑块使其磁钢与上档传感器板的k 0 相感应，向控制系统发出摘档命令， 执行机构完成摘档动作后，弹簧使变速杆停在自然层中间位置层位控制命令为k b 。 2 3 执行机构设计 2 3 1 变速箱的动作原理 变速箱换档轴挂档的动作原理如图2 3 所示： 图2 3 变速箱换档轴挂档原理图 f i g 2 3f i g u r eo f t h es h i f is h a f t 如图2 3 所示，换档轴轴向有四个位置，分别为a ( k a 层) 、b ( k b 层) 、c ( k c 层) 、d ( k d 层) ，在a 、b 、c 位置左右转动1 7 度可挂上变速箱的5 、6 ，3 、4 ，i 、 大连理工大学硕士学位论文 2 档，在d 位置向右转动1 7 度可挂上变速箱的倒档，根据变速箱换档轴的结构和挂档 原理，形成了换档系统的总体设计原理；l i p 幂, i 用两个直联气缸的动作，确定换档轴上下 的四个位置，用串联气缸通过拨叉在相应的位置转动换档轴，控制变速箱挂上对应的档 位。 操纵机构模拟手动换档的操纵方法和感觉，在操纵动作限制机构内设置毛字板使操 纵的方式符合车辆的驾驶习惯，与逻辑运算单元相对应在相应的位置布置发令传感器。 同时为了模仿手动的感觉在操纵机构内布置了止动电磁铁，手柄出现上档动作电磁铁通 电，限制进一步的手柄动作，在执行机构反馈上档完成信号的时候，电磁铁断电，手柄 推至档位底部，若手柄一直不能推至档位底部，可以提醒司机执行器未完成上档动作， 防止假上档现象的发生。 2 3 2 执行机构的设计 执行机构总体的设计构想是：不对原手动变速箱做任何改动，只是在原手动变速箱 的基础上增加气动执行机构，这样可以最大限度的扩大系统的应用范围。 一般的手动变速箱都有一个为手动操纵设置的操纵轴，我们称之为换档轴。换档轴 的轴向运动加上其自身的左右转动，可使变速箱变速，执行机构的功能就是带动换档轴 轴向运动并在相应的位置附以自身的转动，如图2 4 。换档轴轴向位置由两个背靠背的 单出杆通用气缸( 控层气缸) 的动作确定，外连固定的方式便于行程位置的调整，其工 作原理如图2 5 所示： 基于c a n 总线的手动变速箱轻便换档控制系统及操纵机构开发 d c b 图2 4 气缸结构图 士 1 士 i 南 llu 工 囤 il l =e = j 图2 5 换层气缸示意图 f i g 2 5t h ef i g u r e0 f t h cs h i f il a y e rc y l i n d 盯 一1 4 大连理工大学硕士学位论文 换档执行机构如图2 6 所示：换档拨叉用锁紧螺钉固接在变速箱的换档轴( 花键轴) 上，随提升杆上下运动。拨叉的前端与上下档气缸的活塞杆头相连。上下档气缸为双活 塞双杆串联气缸，可使换档拨叉定位在左、中、右位置。为了避免气缸受径向力，上下 档气缸的活塞杆头部滑块设有矩形导向导轨。 4 变速箱换档轴 图2 6 换档执行机构图 f i g 2 6g e a r s h i f te x e c u t i v eu n i t 机械系统的设计有效的保证了系统功能的实现。 2 4 换档品质与换档过程的分析 2 4 1 换档过程与换档品质 换档过程f 1 6 】是指汽车传动比的变化过程。在换档过程中，汽车动力传动系统处于动 态过程，其中包含一系列变化，如离合器的分离与结合、发动机有载工况与空载工况的 交替、变速器档位变换( 含同步器的工作过程) 等。一般来说，整个换档过程包括以下 六个阶段( 以升档操作为例) ： ( 1 ) 换档前原档位行驶阶段； ( 2 ) 分离离合器阶段； ( 3 ) 摘档至空档阶段； ( 4 ) 换层和上档阶段； ( 5 ) 离合器结合阶段； 基于c a n 总线的手动变速箱轻便换档控制系统及操纵机构开发 ( 6 ) 新档位行驶阶段。 换档品质是指换档过程的平顺性，即希望换档过程平稳而无冲击的进行。但因动力 传动系统是多转动惯量系统，换档过程远非瞬时可以完成，所以对于有级变速器，其传 动比变化过程都会有不同程度的冲击。当冲击严重时，不仅人不能忍受，还将大大增加 传动系统的动载荷。对平顺性的具体要求是：换档过程中车速变化平顺，不出现过高的 瞬时加速度或减速度，使乘客无不舒适感并降低动力传动系统零部件中的动载荷。 针对这些要求，换档品质有两种评价指标，一是依靠人的主观评价，即舒适不舒适： 二是客观评价。本文主要研究客观评价。 从换档过程所产生的冲击对人体的作用来看，主要表现在对头和颈部的动力学作用 和影响。因而选择纵向加速度的变化率为宣。它不仅可易于与人的舒适性好坏一致，而 且也把道路条件，驾驶员的非换档因素的操作影响排除在外。 2 因此，将纵向加速度对时间的倒数，称之为冲击度，= ! 并，作为客观评价指标。 捃一 德国推荐值为：，= l o m s 3 。因 罢= 詈警；耻昂+ 岛警； ( 2 1 ) 式中国。，一变速器输出轴角速度； 瓦，一变速器输出轴转矩； 一车轮上的牵引转矩； 名一与变速器输出轴相联的惯量。 所以冲击度_ ，为： - ，= 雾= 赤掣= 赤誓 c z z ， j 毋 i o i f d l t o i r d t 一 由上式表明，与竺誓成正比，输出转矩变动越快，换档冲击越大，做_ ，较好的反 映了换档过程的动力学本质。 从牵引平衡知，变速器上的输出转矩瓦，与换算到变速器的滚动阻转矩乃、坡道阻 转矩l 、空气阻转矩与加速阻转矩t 相平衡： = 0 + 瓦+ 砀+ 乃 ( 2 3 ) 在水平道路行驶，换档前、后车速相差不大，故可视为常数，则： 大连理工大学硕士学位论文 = 。+ + 乃啸乃吼万警生d t = a + b d 砬v ( 2 4 ) 乃：滚动阻转矩 疋：坡道阻转矩 ：空气阻转矩 r ：加速阻转矩 ；主减速比 ，r ：车轮半径 g ：车辆总重力 万：回转质量系数 综上所述，平顺性的客观评价指标为； 乘坐舒适性评价指标：冲击度，= 旦d r 2 v 24 号手。 传动系统动载荷评价指标：最大纵向加速度害l 或五，一。 2 4 2 影响换档品质的因素 从换档品质【1 8 1 的控制方式来看，可分为开环控制和闭环控制两种控制方式。其中开 环控制方式包括全液压式控制和电子控制等方式，常见的闭环控制方式包括扭矩估计法 和输出轴转速微分法等控制方式。目前变速箱上主要使用的是电子控制方式。 换档时离合器的分离与结合都需要经过一段打滑过程，不可避免的伴有转矩扰动， 产生相应的换档冲击，这些因素包括： ( 1 ) 换档时序 换档时序是指发动机，离合器、变速器三者协调动作的时序。它们的配合情况对换 档时间和换档品质有很大的影响。其中离合器的分合动作与发动机供油之间的配合是影 响换档时序的关键因素，通过换档时序的调整可有效的减少换档时间，提高换档品质。 ( 2 ) 离合器结合控制 离合器接合控制主要指其接合速度的控制，大体上分快，慢，快三个阶段。其中直 接影响换档品质的是第二个阶段，如果接合过快将造成换档冲击，甚至熄火；若过慢将 使离合器的滑摩时间过长，影响使用寿命。 ( 3 ) 惯性能量 如果由低档到高档时，传动比瞬时变小很多，则由于车辆较大的惯性使换档过程中 车速基本不变，则将使发动机转速急剧下降，使与发动机刚性相联的部件的惯性能在升 基于c a n 总线的手动变速箱轻便换档控制系统及操纵机构开发 档时转变成巨大的反作用转矩传递给汽车，形成换档冲击。降档过程则使车辆受负冲击。 发动的惯量越大，档位间的公比q 越大，冲击越严重。 “) 执行机构 本系统的执行机构是指换档执行机构，它是否存在故障对换档品质有直接的影响， 好的换档品质要求执行机构必须保证具备良好的工作状态。 2 4 3 改善换档品质的控制 一下 由于冲击度，是正比t o ，的扰动，而限制! 兰 的途径应从产生的起因中找，有三个 途径。 ( 1 ) 从执行机构外部进行品质控制 保证执行机构平稳结合的缓冲控制 摩擦元件交替过程的定时控制 对执行机构气压的控制。 ( 2 ) 从执行机构本身的设计改进品质控制 ( 3 ) 从动力源控制 本系统主要通过缓冲控制来改善换档品质。由于采用气动执行机构执行换档操作， 当气缸驱动换档拨叉进行换档时，会产生很大的冲击和震动，这种冲击和震动会加剧汽 车变速箱齿轮和同步器的磨损，同时会使汽车在换档的时候产生震动，影响乘坐舒适度。 因此必须进行缓冲控制。换档气缸的工作原理图如图2 7 所示。以磁钢向左运动为例说 明缓冲控制过程。当收到上档命令后，节流阀通电，电磁阀a d t 通电，气缸刚开始以 低压慢速运动，拨叉带动换档轴转动，延时1 5 0 m s 后关闭节流阀，气缸在高压下快速运 动，变速箱齿轮啮合，当磁钢离开传感器x z l 或者传感器x l 检测到位置信号时，表明 挂档结束，所有电磁阀断电。低压下气缸动作平缓，高压下气缸受力大可以完成齿轮啮 合动作。用高低压转换的方法控制