（控制理论与控制工程专业论文）电控机械式变速器amt换档控制技术的研究.pdf

电控机械式变速器a m t 换档控制技术的研究 摘要 电控机械式自动变速器( a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o na m t ) 是一种 新型的自动变速系统，其通过对手动固定轴式变速器和干式摩擦离合器的自动 化改造从而实现了选档、换档以及离合器和油门的自动操纵。a m t 技术适合我 国国情，有着广泛的市场和发展前途。 电控机械式自动变速器换档控制技术的核心是换档规律，它是判断换档时 机的依据。在应用中，将采集的车辆行驶状态参数与换档规律的换档点对比判 断是否换档，做出换档决策后自动执行换档操作，这样大大减轻了驾驶员的疲 劳，提高行驶安全，同时使整车具有较好的动力性及燃油经济性。本论文选择 电控机械式自动变速器换档规律这一关键性问题作为研究对象，再对汽车行驶 动力学分析的基础上，推导了最佳动力性换档规律的制定方法并用m a t l a b 绘制 了最佳动力性换档规律的曲线图，为a m t 制定了最佳动力性换档规律。 再制定完最佳动力性换档规律后，本文对换档规律的具体实现过程进行了 说明。同时考虑到换档规律与特殊路况的匹配问题，引入换档因子，通过其对 换档规律的修正提高了换档规律针对不同路况的适用性。 本文针对a m t 系统控制的实际需求，选用m o t o r o l a 公司的十六位单 片机m c 9 s 1 2 c 3 2 作为控制单元主控芯片。介绍了构建系统所需的各输入输出 模块，对m c 9 s 1 2 c 3 2 内含的模糊推理机及其逻辑推理实现进行了说明。本文 对a m t 变速控制技术的理论分析和硬件设计，为a m t 产品化实现打下了良 好的基础。 关键词：换档控制技术最佳换档规律换档因子 模糊推理 r e s e a r c ho ns h i f tc o n t r o l t e c h n o l o g yf o ra u t o m a t e d m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n a b s t r a c t a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，a ss oc a l l e da m t , i san e w s t y l e t r a n s m i s s i o ns y s t e m a p p l i n ga u t o m a t i ct e c h n o l o g yi nt h em 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 na n dc l u t c h ，a m tc a ns h i f ta u t o m a t i c a l l y a m ti ss u i t a b l ef o rt h e s i t u a t i o no fo u rc o u n t r y ，a n dh a sa ne x p a n s i v em a r k e ta n dd e v e l o p m e n tf o r e g r o u n d s h i f ts c h e d u l ei st h ek e yt e c h n o l o g ya m t s y s t e m c o m p a r i n gt h es t a t e so ft h e v e h i c l ew i t ht h eo p t i m a ls h i f ts c h e d u l e s ，t h ea m td e c i d e st h eo p t i m a ls h i f tm o m e n t a n da c h i e v e st h ee x p e c t a t i v es h i f t p o s i t i o na u t o m a t i c a l l y t h i sw i l ll e s s e nt h e t i r e d n e s so ft h ed r i v e ra n di m p r o v et h es a f e t y a tt h es a m et i m e ，t h ep o w e ra n d f u e l 。e c o n o m yo ft h ev e h i c l ec a na l s ob ei m p r o v e d a n a l y z i n gd y n a m i c so fr u n n i n g v e h i c l e ，t h es h i f ts c h e d u l ew a sr e s e a r c h e d ，t h eo p t i m a lp o w e rs h i f ts c h e d u l e sw e r e o b t a i n e d ，a n di t sg r a p hw a sp l o t t e du s i n gm a t l a bi nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h eo p t i m a lp o w e rs h i f ts c h e d u l e s ，t h ep r o c e d u r a lf l o ww a s i m p l e m e n t e d t om a k et h es h i f ts c h e d u l e sm a t c hu pw i t hs p e c i a lr o a dc o n d i t i o n s ， t h i st h e s i si n t r o d u c e ss h i f tg e n et oa m e n ds h i f ts c h e d u l e sa n di m p r o v e si t s a p p l i c a b i l i t y t os a t i s f yt h en e e do fa m tc o n t r o ls y s t e m ，t h ea u t h o rs e l e c t st h em c 9 s 12 c 3 2 w h i c hi sm o t o r o l a16 - b i t s s i n g l ec h i pa sm a i nc o n t r o lu n i t i n p u t o u t p u t m o d u l e sc o n s t r u c t e ds y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，t h ef u z z yd e d u c t i o nm a c h i n ea n d l o g i c d e d u c t i o no fm c 9 s12 c 3 2a r ei n t r o d u c e d t h et h e o r ya n a l y s i sa n dh a r d w a r ed e s i g n o ft h ea m ts h i f tc o n t r o lt e c h n o l o g yw i l lb eag o o df o u n d a t i o nf o rd e s i g n i n ga m t k e y w o r d s ：s h i f tc o n t r o lt e c h n o l o g y o p t i m a ls h i f ts c h e d u l e s s h i f t g c n e f u z z y d e d u c t i o n 插图清单 图1 1a m t 系统的基本组成结构图4 图2 1 单参数换档规律示意图9 图2 2 驱动轮力学分析1 1 图2 3 最佳动力性升档规律图1 3 图2 4 最佳动力性换档规律曲线图。1 4 图2 5 不同油门开度下档位切换示意图。1 5 图3 1 换档逻辑判断图1 9 图3 2 换档控制系统硬件组成图2 0 图3 3 变速箱执行机构示意图2 l 图3 4 电动离合器执行机构示意图。2 2 图3 5 换档控制示意图2 2 图3 6 变速箱换档控制流程图2 3 图3 7 离合器接合控制流程图2 4 图3 8 换档期间油门控制流程图2 6 图4 1 上坡行驶时换档循环的产生示意图2 9 图4 2 换档因子对换档规律的修正示意图3 0 图4 3 车速y 的隶属度曲线。3 3 图4 4 油门开度口的隶属度曲线3 3 图4 5 阻力瓦的隶属度曲线。3 3 图4 6 行驶阻力模糊推理三维立体图3 4 图4 7 弯道识别前后换档规律的对比3 5 图5 1a m t 系统硬件结构图3 7 图5 2m c 9 s 1 2 c 3 2 的接口示意图3 8 图5 3 模拟量信号输入电路3 9 图5 4 脉冲量信号输入电路4 0 图5 5 开关量信号输入电路4 1 图5 6 电机驱动电路4 2 表格清单 表4 1 颠簸路况下换档因子的取值表3 l 表4 2 行驶阻力模糊推理规则表3 2 表4 3 上坡换档因子的取值表3 4 表4 4 下坡换档因子的取值表。3 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得 盒g 巴工些盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 弓磊 签字日期：淞年月多e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金a 曼王些厶堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权佥月里：些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：垒形弧 一d 签字日期：2 o o 孑年月膨日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 3 导师签名： 签字日期： 秒翟年?月i 日 、 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师孔慧芳老师的悉心指导下完成的，孔老师严谨的治学态度， 勤勉的工作作风，敏锐的学术洞察力和高度的责任心，都将对我今后的学习和 工作产生深远的影响，并激励我在今后的生活和工作中不断进取，受益终生。 在本人研究生阶段的学习过程中，孔慧芳老师为我提供了良好的学习和工作条 件，本人所取得的每项研究成果都和孔老师的谆谆教导息息相关，在此谨向恩 师表示崇高的敬意和最衷心的感谢! 实验室师兄弟们对论文研究工作也给予了很大的支持，在此向他们表示诚 挚的感谢! 同时，我要感谢我的家人及朋友在我读书期间给予我最无私的鼓励 和支持，并为我解决了后顾之忧，让我全身心投入地投入到研究生期间的学习 当中。 最后再次真挚感谢每一位给予我关心、支持、鼓励和帮助的老师、同学、 亲人和朋友! 作者：马磊 2 0 0 7 年1 2 月 第一章绪论 当今社会汽车已成为人类生活中不可缺少的部分，从某种意义上讲，它的 普及程度已经成为衡量一个国家工业化程度的标志。自上世纪七十年代以来， 面对能源短缺、环境污染的挑战，以及人们对于安全、舒适等问题的考虑，大 量最新科技成果的引入使得汽车技术突飞猛进。汽车电子化的程度越来越高， 应用装备的种类越来越多，目前主要有电控自动变速器、防抱死系统、安全气 囊、柴油机电控喷射系统等。 车辆动力传动系统的自动化一直是汽车电子技术的核心内容之一。汽车传动系统 是汽车构造的关键部分，其作用是解决汽车发动机输出的转速和转矩与汽车驱动轮所 需的转速和转矩之间的矛盾，即通过传动系统改变传动比，调节发动机性能，将动力 传至车轮，以适应外界负载和道路条件的需要。因此它对车辆行驶性能的好坏有很大 的影响。传动系统的性能，突出表现在经济性和方便性。经济性是指传动系统本身的 功率损失要小，即传动效率要高。方便性是指档位的变化容易实现。在汽车一百多年 的历史中，传动系统的发展始终围绕这两个目标，经历了一个由采用从最初档位固定 的减速器到有多个档位可变换的手动机械式变速器直至今天自动实现换档的自动变 速器的过程。 1 1 自动变速器简介 尽管手动变速器一直伴随着汽车工业的发展，但随着汽车技术的发展，人们对车 辆操纵方便性和舒适性提出了越来越高的要求，对于车辆而言，提高传动效率，实现 换档智能化、自动化成为传动系统控制的目标。因此，自动变速器成为现代汽车变速 技术的重点。 1 1 1 自动变速器发展的背景 自动变速器实现了车辆传动系统的自动化，它与传统手动变速器相比，具 备以下优点： 1 减轻驾驶员的劳动强度。将驾驶员从频繁的换档操作中解放出来，这样可以 使驾驶员的劳动强度大为降低。 2 提高劳动生产率。通过传动系的自动操纵可以充分发挥车辆的动力性，使车 辆具有良好的牵引性能，良好的动力性，加速性能和爬坡能力，进而提高劳动 生产率。 3 合理利用能源。车辆的油耗是与驾驶员的操纵水平密切相关的。有关资料表 明：熟练驾驶员与非熟练驾驶员的油耗水平可相差近lo 以上，随着自动变速 技术的发展，对于合理利用能源，实现动力性与经济性的统一，在能源日益紧 张的今天具有非常重要的作用。 4 改善车辆排放性能。通过对传动系统的合理控制，可以改变发动机的负荷状 况，使发动机处于良好的工作状态，从而改善的车辆排放性能。 由于自动变速技术有如此多的优点，再加上社会环境的要求，实现车辆动 力传动系统的自动控制，是车辆技术发展的必然趋势。 1 1 2 自动变速器的分类 车辆自动变速器大致分为三类：液力机械式自动变速器( a u t o m a t e d m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，简称a t ) ，机械式无极变速器( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ，简称c v t ) 和电控机械式自动变速器( a u t o m a t e dm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n ，简称a m t ) 。 1 液力自动变速器a t 与手动变速器相比，液力自动变速器在结构和使用上有很大的不同。手动 机械式变速器通过不同的齿轮组合产生变速变矩。而a t 是由液力变扭器、行 星齿轮、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。 其中液力变扭器是a t 最具特点的部件，它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成。 泵轮和涡轮是一对工作组合，用液体作为传递动能的媒介，泵轮通过液体带动 涡轮旋转，再在泵轮和涡轮之间加上导轮，通过反作用力使泵轮和涡轮之间实 现转速差就可以实现变速变矩。由于液力变矩器自动变速变矩范围不够大，因 此在涡轮后面再串联几排行星齿轮提高效率，液压操纵系统会随发动机工作变 化白行操纵行星齿轮，从而实现自动变速变矩，连接平稳，免除了手动变速器 繁杂的换档和脚踩离合器踏板的频繁操作，使开车变得简单、省力、舒适。由 于a t 将其变速区域分成若干个变速比区段，只有在规定的变速区段内才是无 级的，因此a t 实际上是一种介于有级和无级之间的自动变速器。液力自动变 速器已有6 0 多年的历史，技术成熟、性能可靠，目前国外轿车上普遍使用的是 a t ，a t 几乎成为自动变速器的代名词。但a t 缺点也多：一是对速度变化反 应较慢，没有手动变速器灵敏，因此许多玩车人士喜欢开手动变速车；二是费 油不经济，传动效率低变矩范围有限：三是结构和制造工艺复杂，且增加了重 量，修理困难；另外在液力变扭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，如果汽车因蓄电池缺电不能启动，也不能用推车或 拖车的方法启动。 2 金属带无级自动变速器c v t 金属带无级自动变速器属摩擦式无级变速器，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，相应改变驱动轮与从动轮上传动带的 接触半径来进行变速，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 t 的缺点也是明显的，就是传动带很容易损坏，不能承 受较大的载荷，一般只能用于一升排量左右的低功率和低扭矩汽车。安装有 2 c v t 的汽车在平坦的公路上行驶时，若驾驶员需要超车时，加大油门，电液控 制系统就会根据信号变化迅速转换速比，使车速提高，而且运行平稳，使驾驶 员的操作大大简化。不过金属带无级自动变速器商品化的时间还不长，目前在 汽车变速器中的占有率尚不高，在自动变速器占有率约4 以下。但从目前的 产品性能看，其发展前景可能不错。 3 电控机械式自动变速器a m t 电控机械式自动变速器是在原有齿轮式机械变速器的基础上加装微机控制 系统，对油门、离合器、变速杆的控制均采用了电动机驱动或液压驱动的执行 机构，从而实现选档、换档的自动化控制，使汽车成为自动变速的汽车。它保 持了原有的机械传动结构基本不变，所以齿转传动固有的传动效率高、机构紧 凑、工作可靠等优点被很好的继承下来。 目前的自动变速器市场上，最具有竞争实力的是a t 和a m t 。a t 的最大 优势是换档十分柔和，并且种类齐全、功能完善、适用于各种功率和扭矩级别 的车辆。但是它的生产投资成本也相当高，上海通用仅加工a t 外壳及阀体总 成和进行总装，投资就达6 0 0 0 万美元。另外a t 结构复杂、工艺麻烦，维修困 难，传动效率较低，因此仅仅从节省能源这个角度来看，目前的a t 可能不具 备长久的技术生命力，人们需要寻找其他途径来改善和替代a t 。a m t 保留原 有的机械变速器离合器结构不变，只是加装c p u 控制的自动操纵机构，因此原 来的手动变速器生产线仍然可以使用，容易被生产厂接受。它既具有a t 自动 变速的优点，又手动变速器齿轮传动效率高、生产和投资成本低、结构简单可 靠、容易制造的长处，正好弥补a t 的弱点，更加顺应追求功能完善与价格低 廉的产品发展趋势。我国也十分重视a m t 的研发工作，“八五”期间“电控机 械式变速器”被列为国家火炬预备计划，“九五又被国家列为重点攻关项目。 我国今后的汽车自动变速器发展的重点是a m t 。 ， 1 2 电控机械式自动变速器a m t 的组成 汽车a m t 系统是运用汽车理论、自动控制理论、微电子技术、计算机技 术、传感技术及信息处理技术等改造传统手动变速器的典型机电一体化产品。 其主要措施是对原手动变速器中的离合器操纵机构和变速器换档机构的操纵完 全实现自动化，而发动机的油门开度控制实行柔性控制，根据控制需要，油门 开度跟踪油门踏板而不受油门踏板的直接控制。为实现这样的功能，只需在原 传动系统上安装对离合器、变速器以及油门进行操纵的执行机构，而不需要对 原离合器、变速器和油门机构的主要结构作任何改动。a m t 系统是在干式摩擦 离合器和手动固定轴式齿轮变速器的基础上改造的。保留了干式离合器与手动 变速器的绝大部分总成部件，改变其中手动操纵系统的换档杆部分，去掉离合 器踏板，去掉加速踏板和油门之间的拉丝，改为电子控制装置自动操纵。a m t 系统的基本组成结构如图1 1 所示。在原有汽车结构基本机构不变的基础上， 加装微处理器为控制核心的电控单元e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) ，三大电控执 行机构和若干信号传感器，干预自动换档系统的选择开关等。通过电子控制单 元控制电动执行机构，完成车辆起步、换档的自动操纵。 人体感觉 电信号 机械信号 图1 - 1a m t 系统的基本组成结构 1 2 1 电控机械式自动变速器a m t 的工作原理 本文介绍的电控机械式自动变速器是用当代先进的电子计算机技术改造传 统的手动变速器使其自动化，它是在不改变固定轴式齿轮变速箱内部结构的基 础上，把选档、换档、离合器动作和发动机供油的操作由微处理器为控制核心 的电控单元完成，它不仅保留了原有齿轮变速器传动效率高、成本低的长处， 而且具有操作简单、燃油经济性好等特点，完全符合我国国情。目前成为我国 变速器领域开发的热点。 a m t 的控制原理为：驾驶员根据当前汽车运行状态、路面情况通过加速踏 板和选择开关向电控单元表达操纵意图，大量的传感器时刻掌握着车辆的运行 状况并向电控单元传送状态信号。电控单元根据这些信号按存储在其中的控制 程序( 最佳换档规律、离合器最佳接合规律、发动机油门的调节规律等) 对油门、 离合器、变速器三者的执行机构进行控制，以实现起步和换档的最佳配合，从 而获得优良的行驶性能、平稳而迅速的起步和换档能力。 1 2 2a m t 的关键技术问题 a m t 是一个比较复杂的实时控制系统，在开发过程中要面对的主要技术问题包 括控制器的设计、控制策略的研究和控制方法的制定等，根据本系统的构成，下面分 别给予介绍： 4 1 电子控制单元( e c u ) 的设计 电子控制系统是整个电控机械式自动变速器的硬件基础，由于汽车工作环 境恶劣而多变，为了使自动变速系统能可靠工作，首先应确保电子控制系统能 在其后、机械、电性能等各条件下可靠工作，需对电子控制系统的设计提出较 高要求，本文将在第五章专门论述电子控制单元及其可靠性设计。微处理器是 整个电控系统的核心，目前，国外在汽车上普遍采用16 位功能较强的汽车专用 单片机，它的抗干扰性好，耐振性强，温度范围宽，f o 口较多，具有a d 转 换功能等特点，有利于减少外围硬件电路，使得电控系统得以小型化，提高系 统可靠性，降低成本。 2 换档规律制定 a m t 的换档控制过程复杂，要通过协调发动机、离合器及变速器等一系列 动作来实现平稳换档，同时还要考虑离合器的滑摩和发动机运行的波动情况， 所以换档控制是a m t 的核心内容也是难点 换档规律是a m t 系统中最高级控制规律，也是a m t 技术的核心之一。换 档规律必须保证汽车在最佳性能( 动力性和经济性) 换档点执行换档动作，使 汽车运行在最佳档位，充分发挥其最佳性能，确定出各种最佳换档参数，然后 根据两参数( 油门开度和车速) 或三参数( 油门开度、加速度和速度) 控制换 档。 3 a m t 的控制实现 1 ) 离合器控制 离合器的工作模式有：分离、保持分离、接合以及保持接合共4 种。离合 器接合过程的控制是a m t 的关键技术之一。离合器接合速度根据离合器主从 动盘未接触、滑动摩擦传递扭矩和已同步三个阶段按快一慢一快的控制策略进 行控制。离合器控制是通过直流电机驱动液压缸来实现离合器的分离与接合的。 在离合器接合过程中，不仅要控制离合器的行程，还要控制离合器的接合速度。 在刹车、起步及换档工况开始阶段需要以一定速度分离离合器达到及时切断动 力传递的目的，在上述工况结束阶段要平稳地接合离合器，均匀增加离合器传 递动力的摩擦力矩，使传动系和车辆不至于产生过大冲击和振荡。 2 ) 变速箱控制 能够根据发动机负荷和车速等情况自动变换传动比，使汽车获得良好的动 力性和燃料经济性。变速箱传动比的转换是通过控制两个相互正交布置的选、 换档拨叉来完成的。选档电机和换档电机控制有严格的时序要求，即只有选档 到位后才可进行换档操作。换档引起动力中断的时间与换档冲击往往是矛盾的。 要快速平稳地实现换档，变速箱的选换档控制需要与发动机控制和离合器控制 进行协调配合。 3 ) 发动机油门控制 5 正常行时通过油门执行机构控制油门开度跟踪驾驶员踩下的油门踏板位 移，实现油门跟踪控制。换档过程中通过油门控制发动机的输出转速，上换档 时降低发动机转速而下换档时调高发动机转速使其与离合器从动盘转速一致， 防止离合器控制和油门控制的不协调和时序错误使动力中断过程中发动机转速 过高造成的燃料浪费和噪音，同时保证很小的离合器主从动片转速差，减少离 合器接合磨损和造成换档冲击。起步过程中通过油门控制发动机的输出扭矩和 转速，保证车辆按驾驶员的要求平稳起步。 1 3 本文研究的意义和主要内容 车辆自动变速技术的发展己经进入了智能化时代，设计和开发智能化程度 较高的自动变速系统是当前车辆自动变速技术的发展趋势。本论文主要就a m t 的最佳换档规律进行研究，换档规律是指两相邻排档间自动换档时刻随控制参 数变化的规律。普通手动变速器的“换档规律 就是凭驾驶员的主观经验，根 据实际情况进行判断是否换档，所以不同的驾驶员所选择的“换档规律是不 同的。而a m t 是通过分布在各处的传感器( 包括速度传感器、油门开度传感器 等) 采集汽车的运行状态信息，通过处理后输入电子控制单元e c u 中，在e c u 中存有各种换档规律，通过将采集的信息与换档规律相比较，由e c u 发出换档 指令来控制变速器换档。本课题将要对以下内容进行研究： 1 综述了自动变速技术的发展历史和国内外自动变速技术的发展现状，深入研 究了自动变速技术的发展的难点和技术要求，并提出了实现方法，为a m t 的 产品化打下坚实的基础。 2 自动变速器的类型有液力自动变速器( a t ) 、电控机械式自动变速器( a m t ) 。 不论哪种自动变速器都要依据一定的规则进行换档，这一规则即为自动变速器 的换档规律。换档规律的好坏直接影响车辆的动力性、燃油经济性、排放特性、 安全性和舒适性等的优劣，是自动变速器的关键技术。本文对电控机械式自动 变速器的结构及原理进行研究，对换档规律的种类及其功能实现进行探讨，在 综合分析了汽车动力学的基础上制定了最佳动力性换档规律。 3 针对不同的路况如颠簸、坡道等路况，单一换档的换档规律显然不能达到最 佳的控制效果，但如果分别制定不同路况的换档规律又会增加控制器存储负担， 增大控制难度。因此我们引入换档因子，在一个通用的换档规律基础上，通过 路况识别技术，可以根据不同的路况信息对通用换档规律输入控制参数加以修 正，得到针对不同路况的最佳换档规律。换档因子的应用显著提高了a m t 系 统的换档性能，使换档规律实时的逼近最佳换档规律。 4 电子控制单元是整个电控机械式自动变速器的硬件基础，微处理器是整个电 控系统的核心，本课题选用m o t o r o l a 的m c 9 s 1 2 c 3 2 单片机为主控芯片， 它的抗干扰性好，抗振性强，温度范围宽，i o 口较多，具有a d 转换功能等 6 特点，有利于减少外围硬件电路。本文简要介绍了电控单元e c u 的组成及其可 靠性设计。同时m c 9 s 1 2 c 3 2 内部有一专门用于模糊逻辑推理逻辑推理机，可 用于模糊逻辑推理。使用m o t o r o l a 的模糊控制指令实现的模糊推理机，避 免了一般控制器使用模糊控制要求的大量表格数据，节省了存储空间，提高了 模糊推理机在单片机运行速度。 7 第二章换档规律的制定 自动变速技术的主要问题是档位决策问题，即根据驾驶员意图、车辆的运 行状态和道路状况等因素，按照车辆某些性能参数最优的原则，确定车辆的最 佳档位。目前，档位决策方法可以分为两大类，一类是在选定换档控制参数之 后，按照某些性能指标最优的方法求解换档规律。另一类方法则是利用驾驶员 的驾驶经验及相关专家的知识形成模糊控制规则，即基于专家系统的换档规律。 前者为传统方法，理论完善，有一套完整的求解方法。而对于后者而言，依据 车辆运行状态和驾驶员的操纵意图，实时推理换档规律，能够更好的实时接近 于最佳换档规律。本文主要讨论的第一种方法。 在手动变速车辆中，由于驾驶员无法准确地确定最佳换档的时刻，常用换 档时机来描述。换档时机通常用各档位变换的及时性及其最佳换档车速来表示。 换档的及时性是指汽车的各个档位均适用于某种特定的行驶条件，进入该行驶 条件就要及时地换入相应的档位。例如汽车爬坡时，需由某较高档位换入较低 一级档位，不能等汽车的惯性消失才换档。换档车速是指每辆汽车的各个档位 都有其最佳换档车速，即只有在这个车速时换档，才既有利于操作，又能实现 汽车动力性和经济性的最佳匹配。正确地把握换档时机非常重要。因为无论是 升档还是降档，过早或过晚对发动机的动力利用，机件磨损及油耗都不利。例 如，加档过早或减档过晚，将使汽车不适宜地在较高一级档位工作，导致动力 不足而超负荷运行。相反，升档过晚或降档过早，则使汽车不适宜地在较低一 级档位工作，造成动力浪费，多耗燃料等。准确的换档时机需要通过试验或长 期摸索才能掌握。驾驶员在驾驶实中、一般按下述经验来判断换档时机：当车 速升高、感到动力充足时，应及时换入高一级档位，加档后没有动力不足和传 动系抖动的现象，即为加档时机适宜；当车速降低，感到发动机动力不足时， 应及时换入较低一级档位，减档后汽车行驶正常，即为降档时机适宜。而在a m t 系统中，换档过程非人为操作，这种情况下换档时机的确定是依据人为制定的 换档规律来实现。 在a m t 中，换档规律是指某两个排档之间自动换档时刻随控制参数变化的 规律。换档时机需要电子控制系统根据车辆的各种运行参数进行判断、决策。 从理论上说，总存在一个最佳换档的时刻，这一时刻的换档控制参数就称为换 档点。什么时候换档以及换到什么档位属于a m t 车辆中换档规律的研究范畴。 换档规律一方面要受到发动机最高转速和最低转速的限制，另一方面受到换档 平稳性和噪声排放的限制，是a m t 开发的重要内容。 2 1 换档规律的分类 a m t 是一个以换档规律和离合器结合规律为核心的自动控制系统，通过 对选档、换档、离合器和油门执行机构的协调控制，高质量地实现起步和换档 的自动化，实现方便驾驶的机电一体化高新技术产品。a m t 控制的基本思想 是：根据驾驶员的意图( 油门踏板、制动踏板、选择器开关等) 和车辆的状态 ( 发动机转速、输入轴转速、车速、档位) ，依据适当的换档规律，借助于相 应的执行机构( 油门执行机构、离合器执行机构、变速箱执行机构) ，对车辆 的动力传动系( 发动机、离合器、变速器) 进行联合操纵。其中换档规律是指 汽车自动换档过程随控制参数变化的规律，它是自动变速器开发的核心技术， 其好坏直接影响汽车的动力性、经济性和乘坐舒适性。换档规律的发展经历了 一个由简单到复杂的过程，按照换档控制参数的不同，主要分为单参数换档规 律、两参数换档规律、三参数换档规律等。 2 i 1 单参数换档规律 单参数换档规律一般选用能综合反映车辆状况的车速，作为控制参数( 如图 2 i 所示，实线为升档曲线，虚线为降档曲线) 。其特点是，车辆只有达到规定 的车速时才能进行换档操作，每个档的车速范围固定不变，这种控制优点是： 换入新档，不会因为油门踏板的抖动而回到原档，保证了换档的稳定性，有利 于减少换档循环。 单参数换档控制系统结构简单，但由于换档点与油门开度的变化无关，所 以不能实现驾驶员的干预换档。为了保证动力性，一般把升档点设计在发动机 的较高转速处，而不考虑对车辆的功率需求情况，这将造成车辆在小油门开度 行驶时，也需要达到最高转速时才能换档，故换档过程中不仅噪声较大，机件 的磨损也较大，因此这种换档规律是不合理的。此外，这种单参数的系统也难 以兼顾车辆动力性和经济性的要求。因此，这种换档规律只有在某些情况下使 用，如用于城市公共汽车上，驾驶员虽然经常改变油门开度，也不会引起干预 换档，可以减少换档次数，改善舒适性。 图2 1 单参数换档规律示意图 2 1 2 两参数换档规律 两参数换档规律通常以油门开度、车速( 口、v ) 为控制参数，两参数换档 9 比单参数换档得到更好的动力性和经济性。为了使汽车能够具有最佳的行驶性 能，制定两参数换档规律时需要根据发动机的状态来选择最佳的变速器档位。 换档规律根据优化计算时所选用的目标函数的不同可以分为最佳动力性换档规 律和最佳燃油经济性换档规律。 最佳动力性换档规律是指充分利用汽车的牵引能力，使车辆的动力性与加 速性能最优。此时不考虑发动机的燃油经济性，而只考虑汽车的加速度性能。 因此在这种工况下，汽车尽量在较高的车速下换档，充分利用发动机的牵引特 性。本课题研究对象为轻卡，故其动力性要求更为突出，所以我们制定了动力 性换档规律。 最佳经济性换档规律是指尽量使汽车的燃油降低，使汽车的燃油经济性最 优。当选择经济性换档规律时，车辆在保证牵引力要求的前提下，充分考虑发 动机的燃油经济性，使汽车尽量在高档下运行。当车辆行驶在高速公路或较好 路况情况下，使用此换档规律。此时汽车比较省油，但动力性相对较弱。 2 1 3 三参数换档规律 三参数换档规律是以油门开度、车速、加速度为控制参数。由于在两参数 换档规律的基础上考虑了车辆的加速度，三参数换档规律进一步反映了车辆的 实际操纵规律，与两参数换档规律相比，提高了车辆的动力性和经济性。但是 三参数换档规律中的加速度实际上是速度变化率的反应，所以本质上我们仍然 把它理解为两参数，而且严格的动态三参数换档规律的获取必须在大量的发动 机实验基础上获取，因此在实验条件和实际应用要求限制的情况下，本文主要 研究两参数的最佳动力性换档规律，对于三参数换档规律的制定也将是我们下 一步开发的重点。 2 2 最佳动力性换档规律的制定 最佳动力性换档规律是指充分利用汽车的牵引能力，使车辆的动力性与加 速性能最优。此时不考虑发动机的燃油经济性，而只考虑汽车的加速度性能。 因此在这种工况下，汽车尽量在较高的车速下换档，充分利用发动机的牵引特 性。最佳动力性换档规律按档位升降的情况可分为升档规律和降档规律，升档 规律是降档规律获取的前提，两者相结合形成完整的动力性换档规律。下面分 别介绍动力性升档和降档规律的制定。 2 2 1 汽车行驶力学分析 在制定动力性升档规律之前，我们对汽车行驶动力学进行分析，确定汽车 的动力需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力，即驱动力与行驶阻力。 根据这些力的平衡关系建立汽车行驶方程式，就可以估算汽车的最高车速、加 速度和最大爬坡度。 1 汽车驱动力 l o 汽车发动机产生的转矩，经传动系传至驱动轮上，此时作用于驱动轮上的 转矩互产生一对地面的圆周力f o ，地面对驱动轮的反作用力只( 方向与f o 相反) 即是驱动汽车的外力( 图2 2 ) ，此外力称为汽车的驱动力。 t ，互 ，f2 二 ， ( 2 - 1 ) 上式中，z 为作用于驱动轮上的转矩，为车轮半径。 作用于驱动轮上的转矩z 是由发动机产生的转矩经传动系统传至车轮上 的。若令瓦表示发动机转矩，f 加表示变速器的传动比，i 。表示主减速器的传动 比，刀表示传动系的机械效率，则有下面的公式： z = t e i j 。i o 刀 ( 2 - 2 ) 因此驱动力为： f ：t , i j n i o j 7 ( 2 - 3 ) 图2 - 2 驱动轮力学分析 2 行驶阻力 汽车行驶时，发动机所发出的驱动力矩主要克服汽车行驶所受到的各种阻 力。这包括：滚动阻力、空气阻力、坡度阻力及加速阻力。 1 ) 滚动阻力 根据理论知识可知，滚动阻力等于滚动阻力系数与车重乘积：f r = g x f 厂滚动阻力系数，可以用经验公式f = o 0 0 7 6 + 0 0 0 0 0 5 6v ； 2 ) 空气阻力 汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力，其 分为压力阻力与摩擦阻力两部分。压力阻力指作用在汽车外形表面上的法向压 力和合力在行驶方向的分力；摩擦阻力是指由于空气的粘性在车身表面产生的 切向力的合力在行驶方向的分力。根据经验公式得： e = 篆y 2 ( 2 4 ) 彳迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积，根据汽车的外形尺寸我们推算 彳= 2 5m 2 ；c o 空气阻力系数，在此我们取c d = o 5 。 3 ) 坡度阻力 当汽车行驶时汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力c ，其大小与坡 道角度有关，只= g s i n 。 4 ) 加速阻力 汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，就是加速阻力，。 汽车的质量分为平移质量和旋转质量两部分。加速时，不仅平移质量产生惯性 力，旋转质量也要产生惯性力偶矩。为了便于计算，一般把旋转质量的惯性力 偶矩转化为平移质量的惯性力，对于固定传动比的汽车，常以系数皖作为计入 旋转质量惯性力偶矩后的汽车旋转质量换算系数，因而汽车加速时的阻力可写 作：乃= 瓦g 警( 2 - 5 ) g 为车重；皖为回转质量系数按下列经验公式估算：皖= 1 + o 0 4 + 0 0 4 i 加； 2 2 2 动力性升档规律的制定 汽车的动力性是指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决 定的、所能达到的平均行驶速度。动力性在很大程度上决定了汽车运输效率的 高低，所以动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。最佳动力性换档 规律就是使自动变速器能够以使汽车具有最佳动力的换档点进行换档操作，以 达到提高汽车动力性的目的。根据经验，欲保证汽车最佳的动力性能，我们取 稳定工况下相邻两档加速度的交点，即d r d r = d v d t + l 作为最佳动力换档点。 将不同油门开度下相邻两档加速度的交点连成曲线，即为最佳动力性换档特性， 再将其对应转到o t y 图上就可得到最佳动力性换档规律。下面用解析法建立最 佳动力性换档规律的数学模型。 有汽车理论知，汽车的行驶驱动力方程式为： p 0 i o 刀 互。= 竺 ， 其中发动机转矩疋，通过二次多项式拟合得到与发动机转速，2 。的数学关系式： t = ( n 。) 代入( 2 - 3 ) 式得： e 。= c ：+ b 。矿+ 彳。y 2 ( 2 6 ) 式中：e 。第n 档的驱动力； 变速器各档位的传动比； ，7 传动效率； 由于坡道工况属特殊情况，坡度阻力与坡度大小有关。我们在制定换档规 律时，坡道阻力暂不予考虑，至于其对换档规律的影响将在后续章节讨论。所 以我们得到水平路面的行驶阻力： 瓦= g 厂+ 丢秀矿2 = q + 毋y + 么，y 2 ( 2 - 7 ) 由公式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 代入瓯g d v + 瓦：c 得： d t 警= 币1 k q + b v + a v 2 ) 一( g + 哆矿+ 彳，y 2 ) j ( 2 8 ) 将( 2 8 ) 代入d v d t 以= d v d t 。+ 1 得： a n l ，2 + 饥，+ c 。= 0( 2 9 ) 求解此方程，则得到n 和n + l 档之间最佳动力性换档点的车速： - 一 弘 对求出的两根与该档下对应的最大速度v 。一与下一档的最小速度+ 1 ) 血比 较，。为正值且1 ，”曲 v 。 ，。一时即为所求。 由上文可知：对两参数换档规律换档点的求取计算量还是比较繁琐的，而 油门开度值是连续量，考虑到单片机的实际存储空间，为加快运算时间，在不 影响其精度的前提下，本文选取了一组有代表性的油门开度值，在此条件下求 取了各档位下换档阈值，。，并用m a t l a b 绘制出最佳动力升档规律图2 3 。 图2 3 最佳动力性升档规律图 2 2 3 动力性降档规律制定 动力性降档规律的获取是以动力性升档规律为基础的。由于换档规律决定 了控制参数和换档延迟，所以又可分为等延迟型、发散型、收敛型和组合型四 种。本文采用收敛型换档规律，收敛型的特点是换档延迟随油门开度增大而减 小，呈收敛状分布。这种换档规律在大油门时降档速差最小，升降档都有较好 的功效，动力性好；减小油门时，延迟增大，避免过多的换档，且发动机可以 在较低的转速下工作，燃料经济性好，噪声低，行驶平稳舒适。 换档规律的收敛程度用k 来评价： k = ( v 。个一1 ，。上) ，。个 式中v 。个一全油门开度时，从拧档升入刀+ 1 档时的车速； ，。“、l 一全油门开度时，从力+ 1 档降入以档时的车速； 通常k 的取值小于o 4 ，由上式得 1 ，。“k ( 1 一k ) v 。个。 本文在小油门开度( 油门开度小于2 0 ) 时取k = 0 4 ，在2 0 - - 6 0 油门开 度时取k = 0 3 ，在大油门开度( 油门开度大于8 0 ) 油门开度时取k = 0 2 。所求 得的降档线如图2 3 所示。图中的实线为所求的升档曲线，虚线为所求得的对应 各升档曲线的降档曲线。其中，在小油门开度下的降档曲线都应大于各档的最 小速度，避免发动机熄火。 图2 - 4 最佳动力性换档规律曲线图 从图2 4 中我们可以看出最佳动力性换档规律包含升档曲线和降档曲线，它 们是由无数连续的点组成，但考虑到实际存储空间有限，通常从中截取有限个 离散点存储在微控制器内，这些点我们称之为关键点，将在下节介绍。从图中 可以总结最佳换档规律有如下特点： 1 ) 油门开度小时，换档车速低，油门开度大时，升档车速高。这是符合汽车的 1 4 实际使用要求的。以升档为例，当汽车在良好路面上缓慢加速行驶时，阻力较 小，油门开度也小，升档车速低