（光学工程专业论文）自动变速器ecu硬件在环仿真试验台研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着我国汽车工业的发展以及人民生活水平的不断提高，越来越多的家庭开 始有了轿车，非职业驾驶员也越来越多，这种现状对驾驶操作的简化提出了更 多的要求。由于自动变速汽车操作简单，容易掌握，越来越多的优秀自动变速 器出现在汽车上，对自动变速器的研究也越来越受到人们的重视。作为电控式 液力自动变速器的核心部件，电子控制单元e c u 更是人们研究的重点。本文以 同济大学汽车动力仿真研究所与上海齿轮总厂0 1 n 型自动变速器合作项目为背 景，在大量的实车试验的基础上，分析研究了0 1 n 型自动变速器e c u ，并在此基 础上用硬件在环仿真技术设计实现了自动变速器e c u 测试半实物仿真试验台。 论文第一章首先介绍了自动变速器优缺点及其分类，并阐述本文背景及全文 主要内容的安排。第二章对0 1 n 型自动变速器结构及其控制原理的介绍，并在 实验基础上分析确认0 1 n 型自动变速器e c u 引脚信号，各档相应的电磁阀工作 状态，以及相应各档位时的动力传递路线。第三章分析发动机与液力变距器共 同工作特性，建立相应模型，为计算最佳换档规律做准备。第四章根据自动变 速车辆行驶过程的动力传递，计算得到对应试验车的最佳动力性换档规律和最 佳经济性换档规律。第五章以电控式液力自动变速器动力传递及换档控制原理 为依据，利用m a t l a b s i m u l i n k 设计了自动变速器e c u 纯软件测试系统。第六 章，介绍以硬件在环仿真技术为基础的半实物仿真试验台的组成及软硬件的设 计，并分析仿真结果，验证试验台的正确性。第七章总结与展望。 模型仿真结果与实际输入以及实车试验体现了良好的一致性，说明硬件在环 半实物仿真试验台的正确性和准确性，可以用于自动变速器e c u 的测试及实验。 关键词：自动变速器，电控单元，换档规律，硬件在环 a b s t r a c t ab s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e s s t a n d a r do fl i v i n g ，m o r ea n dm o r ef a m i l i e sh a v ec a r s ，a n ds ot h e r ea r em o r ea n dm o r e n o n p r o f e s s i o n a ld r i v e r s t h i sa c t u a l i t yp u t sf o r w a r dm o r ea n dm o r er e q u i r e m e n t sf o r t h es i m p l i f i c a t i o no fd r i v i n go p e r a t i o n b e c a u s eo ft h ee a s yo p e r a t i n ga n dh a n d l i n go f t h ec a r se q u i p p e dt h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，m o r ea n dm o r ee x c e l l e n ta u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n sa r ea p p l i e do nc a r s ，a n dt h er e s e a r c ho fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni sm o r e a n dm o r ei m p o r t a n t a st h ec o r ep a r to ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e dt o r q u ec o n v e r t e r , t h e e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) i st h em a i np o i n to ft h er e s e a r c h b a s e do nt h e c o o p e r a t i o ni t e mo fo1 na u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nb yt h et o n g j is i m u l a t i o ng r a d u a t e s c h o o la n dt h es h a n g h a ig e a rc o m p a n y , a n dl o t so fv e h i c l et e s t s ，t h ee c uo f01n a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni sa n a l y z e d ，t h e nt h eh a r d w a r ei nt h el o o pt e s t b e do ft h ee c u o fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o na r eb u i l tu pb yu s i n gt h eh a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o n t e c h n i q u e i nt h ef i r s tp a r to ft h et h e s i s ，t h er e l a t i v em e r i t sa n dc l a s s i f i c a t i o no fa u t o m a t i c t r a n s m i s s i o na r ei n t r o d u c e d ，a n dt h eb a c k g r o u n da n do u t l i n eo ft h et h e s i sa r ec l a r i f i e d i nt h es e c o n dp a r t ，t h es t r u c t u r ea n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o lt h e o r yo f01na u t o m a t i c t r a n s m i s s i o na r ei n t r o d u c e d ，t h ep i ns i g n a l so f01 na u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，t h e c o r r e s p o n d i n go p e r m i n gs t a t e so fs o l e n o i dv a l v e s ，a n dt h ep o w e rt r a n s f e rr o u t e so f g e a r sa r ev a l i d a t e do nt h eb a s i so ft e s t i n t h et h i r dp a r to ft h et h e s i s ，t h et o g e t h e r e m p l o y m e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee n g i n ea n dt h et o r q u ec o n v e r i e ri sa n a l y z e d ，a n d t h ec o r r e s p o n d i n gm o d a li sb u i l t a l lo ft h e s ea r ep r e p a r e df o rc a l c u l a t i n go fo p t i m u m g e a rs h i f t i n gr u l e s i nt h ef o u r t hp a r to ft h et h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h ep o w e r t r a n s f e r d u r i n gt h er u n n i n go ft h ec a r , t h eo p t i m u md y n a m i ca n de c o n o m i cg e a rs h i f t i n gr u l e s o fc o r r e s p o n d i n gt e s t i n gc a r sa r ec a l c u l a t e d i nt h ef i f t hp a r to ft h et h e s i s ，a c c o r d i n gt o t h ep o w e rt r a n s f e ra n dt h eg e a rs h i f t i n gc o n t r o lt h e o r yo ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e d t o r q u ec o n v e r t e r , t h et e s ts y s t e ms o f t w a r eo ft h ee c u o fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni s d e s i g n e db yu s i n gt h em a t l a n s i m u l i m k m o d u l a t e i nt h es i x t hp a r to ft h et h e s i s ， a b s 仃a c t t h ec o m p o s i t i o no ft h eh a r dw a r ei nt h el o o pt e s t b e da n dc o r r e s p o n d i n gd e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ei n t r o d u c e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e dt o v a l i d a t et h et e s t - b e d i nt h es e v e n t hp a r to ft h et h e s i s ，t h es u m m a r ya n de x p e c t a t i o n a r eg i v e n t h ec o n s i s t e n c yo ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h et r u ei n p u t s ，a n dt h ec a rt e s t ss h o w s t h a tt h eh a r d w a r ei nt h el o o pt e s t - b e di sc o r r e c ta n dp r e c i s e ，a n dc a nb eu s e di n t ot h e t e s ta n de x p e r i m e n to ft h ee c uo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，g e a rs h i f t i n gr u l e ， h a r d w a r ei nt h el o o p 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名：老良叫 p 歹年6 月 e t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：剥讼学位论文作者签名：瘫蚕。弋 沙刊q 手月b 、日 川年6 月砂) - e t 第1 章绪论 第一章绪论 现代汽车上比较广泛地采用活塞式内燃发动机，由于其扭矩和转速的变化范 围较小，所以不能适应汽车在各种条件下阻力变化的要求，而且在复杂的实际 使用中要求汽车的牵引力、车速及扭矩能有大的变化范围，同时汽车也需要可 以前后行驶，因此在汽车上设置了变速器。变速器在汽车中的主要作用是对发 动机的输出扭矩和转速进行调整，以符合实际需要。 变速器作为汽车中最重要的部件之一，其本身性能及其与发动机或液力变矩 器的匹配情况将直接影响汽车的整体性能。发展至今，变速器已经有了很成熟 的技术，可以分为手动变速自动变速两种，我国目前使用的汽车很大一部分仍 为手动变速器，而在国外一些发达国家，自动变速器已经很普及了。传统的手 动变速器虽然可以根据需要进行换档操作，但每次换档时都需要操纵离合器、 加速踏板及操纵杆，在交通复杂的情况下更需要频繁的换档操作，劳动强度太 大，很容易引起驾驶员疲劳，增加行车不安全因素。而且手动换档需要切断发 动机动力传递，会产生较大动载荷，影响发动机和传动系的使用寿命，且会降 低乘坐舒适性，因此只有具有丰富经验的驾驶员才能掌握手动变速器的最佳换 档时机。而随着我国汽车工业的发展以及人民生活水平的不断提高，越来越多 的家庭开始有了轿车，非职业驾驶员也越来越多。对于这一群体的人们来说， 最佳换档时机的掌握是很困难，这种现状对驾驶操作的简化提出了更多的要求。 自动变速器由于其操作的简单，已经有越来越多的出现在了国内各类汽车上， 对自动变速器性能的研究也越来越受到重视，各种各样优秀的自动变速器出现 在了轿车、城市客车、高级旅游车等各种类型的汽车上。 1 1 自动变速器的优缺点 自动变速器之所以越来越多的应用到各式类型的汽车上面，得到了迅速的发 展，与它的一系列的优越性是分不开的，同时它原来所有的一些缺点正不断的 被改善，对自动变速器性能的影响也越来越小。下面介绍的就是自动变速器存 在的主要优缺点。 第1 章绪论 1 ) 能自动适应行驶阻力的变化，改善汽车的乘坐舒适性 自动变速器能把发动机的转速控制在一定范围内，避免发动机转速的急剧变 化，有利于减弱发动机的振动和噪音。采用液力变矩器传递发动机动力时，其 输出轴的扭矩能自动随阻力变化而相应改变，汽车行驶中当阻力增大时，速比 能自动减小，反之亦然。因此，液力自动变速器能自动、平稳地适应车辆的负 荷变化，吸收和减弱换档过程中的冲击。同时，由于液力变矩器与自动换档相 结合，其速比变化近似于连续无级变化，较好地实现平稳换档，使车辆加速均 匀、连续、迅速，传动器械噪音小，车辆起步、换档时乘客基本上没有了前伏 后仰及摇晃的情况，提高了乘车舒适性。 2 ) 能使车辆具有良好的加速性能 自动变速器液力由于液力变矩器有增大扭矩的作用，使汽车具有较大的起步 扭矩。而且因为采用动力换档，换档时基本没有动力间断，没有手动换档减小 供油的操作。再加上动动换档在控制上能保证发动机功率得到充分的利用，这 些确保汽车起步快，加速平稳连续，表现出良好的加速性能，提高行驶的平均 速度。试验表明：装有自动变速箱的公共汽车从起步加速到2 0 k m h 的车速时， 所需时间比手动变速箱短2 0 ，加速到4 0 k m h 车速时所需时间短1 0 ，因此可 使平均车速提高1 0 。 3 ) 能充分利用发动机功率 自动变速器明显地减少了人工换档次数，便于实现换档自动化和半自动化。 现代汽车扭矩随转速变化很小，只有1 0 9 6 - - , 2 0 9 6 ，而功率随发动机转速变化很大。 低速时功率很小，随着转速增大，功率近乎直线上升。为了保证发动机在汽车 行驶阻力变化时( 反映在车速变化) 总能在一定转速范围内工作，以充分利用发 动机功率，变速器的理想速比应能连续不断地随车速变化，但一般机械传动变 速器是很难做到的。自动变速器的速比变化近似于连续无级的自动调节，无论 外界负荷如何变化，发动机总是在一定转速范围内工作，充分利用发动机功率， 实现最佳时刻换档，使动力性和经济性处于最佳水平。同时由于变矩器增大车 辆起步扭矩的作用，同样吨级的车辆可相对减少所需的发动机功率，而且换档 没有动力中断，减少燃料无益消耗，一定程度上弥补了液力传动效率稍低( 变矩 器效率8 2 - - - , 9 7 ，离合器效率9 5 - - 9 7 ) 所增加的燃油消耗，使车辆能耗回落。 一2一 第l 苹绪论 4 ) 能提高发动机和传动系统使用寿命，降低故障率，简化维修工作 自动变速器动力传递的介质是液体( 采用液力变矩器时) ，动作迅速且平 稳，利用变矩器传递动力和微电脑控制换档，换档过程中无动力中断，发动机 和传动系承受的冲击和动载荷大为减轻。液力变矩器可以吸收动力传动过程中 的冲击和动载荷，因而大大提高了发动机和传动系统有关零部件使用寿命，降 低车辆故障率。在维修方面，自动变速器车免除了频繁的离合器调整和检修， 只需定期更换或视情添加变速器机油、更换机油滤清器及一些适当的外部检修。 5 ) 能简化驾驶操作，提高汽车的驾驶性能和行车安全性 在汽车起步和运行时，自动变速车能够根据行驶速度和加速踏板位置等信息 自动选择最佳档位，无需离合器操作和频繁的手动换档操作。这消除了驾驶员 换档技术的差异性，从根本上简化了驾驶操作，减轻驾驶疲劳，可使司机集中 精力注意路面交通情况，减少行车事故的发生，行车的安全性得到很大提高。 6 ) 能减少排气污染 手动换档过程常常伴有供油量急剧变化、发动机转速变化较大的情况，容易 导致燃烧不完全，使得发动机废气中有害物质增加。自动变速器由于有液力传 动和自动换档，在换档过程中发动机可以保持在相对稳定的转速范围内，发动 机的燃烧条件不会恶化，因此可以减少发动机排出的废气对空气的污染。 7 ) 结构较复杂，工艺要求及制造成本较高，维修技术要求高 这是自动变速器的主要缺点之一，但是随着其产量的增加，以及电子与计算 机控制技术的发屑其成本会逐步降低到可被大多数人接受的程度。同时，由 于自动变速器的控制器具有自诊断能力，可以大大方便维修工作。 8 ) 传动效率略低 由于液力变矩器的效率较低，这就决定了相比于机械式手动变速器来说，自 动变速器的效率要低一些。但是，由于自动变速器可以在最合适的时刻进行换 档，使得发动机可以始终处于比较理想的转速范围内，因此在需要频繁换档的 地区行驶时，其整体效率并不低，有时还要略高于机械式变速器，再加上目前 自动变速器上已普遍采用了液力变矩器闭锁机构及其控制系统，使得自动变速 器的油耗有了明显下降。 第1 章绪论 1 2 自动变速器的分类 目前世界上使用最多的汽车自动变速器主要有3 种类型，一种是液力自动变 速器( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n 简称“a t ”) ，一种是屯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 n 简称“a m t ) ，另一种是金属带式无级自 动变速器( 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 ”) 。 1 2 1a t 传动系统 液力自动变速器a t 传动系统是指液力变矩器加行星齿轮变速器或固定轴式 变速器，增加自动变速操纵系统组成的自动变速系统，它仍然分多档，分几速， 实际上是能实现局部无级变速的有级变速器。液力变矩器是通过流体动量矩的 变化来改变转矩的传动元件，它具有无级连续变速和改变转矩的能力，具有很 多的优点，但单个变矩器存在效率不高、变矩范围有限的问题，需串联或并联 一个定轴式或者旋转铀式机械变速器，以扩大变速和变矩范围。目前液力自动 变速器a t 传动系统是国外用得最多的自动变速器，在美国和日本有着很高的市 场占有率，而国产汽车装备的自动变速器采用的绝大部分都是a t 变速系统，因 此a t 占据着自动变速系统的主导地位。 液力自动变速器分液压控制和电子控制两种方式。前种自动变速器是通过节 气门阀将发动机的节气门开度信号转变为节气门阀压力，同时通过调速器阀将 车速信号转变为调速器阀压力，并用这些压力来控制执行机构中离合器和制动 器的动作，实现自动换档。很显然这种自动变速器完成的换档规律不可能很复 杂，考虑的因素不会很多，否则，其液压控制阀将非常复杂，制造成本将上升， 使用可靠性也会降低。电子控制自动变速器就其基本组成而言，与传统的液压 控制自动变速器相同，不同的是它利用传感器与各种电子开关及控制单元( e e u ) 向电磁阀发出指令，接通或切断流向换档阀等的油压，使执行机构各离合器和 制动器得到控制，从而精确控制换档时机和闭锁离合器的工作时机，并使自动 变速器的换档更趋平稳。因此，电子控制与液压控制自动变速器的差异只是控 制手段有所不同，并无本质区别，以至于从整体控制到外观，两者都相差无几。 液力自动变速器的发展历经采用多元件工作轮液力变矩器、闭锁离合器、增 加行星齿轮变速器档位、电子控制等多种方法，采用换档点控制、变矩器闭缩 离合器控制、换档质量控制等，使之综合经济性能进一步提高。 第l 章绪论 1 2 2a m t 传动系统 电控机械式自动变速器a i d t 传动系统是在原有有级固定轴式机械变速传动 系统的基础上，通过增加微机控制的自动变速操纵系统而形成的。应用微电子 驾驶和控制理论，以电子控制器( e c u ) 为核心，利用多种传感器传递信号，通 过电动、液压或气动执行机构对选换档机构、离合器、油门进行操纵，取代原 来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合、摘档与挂档以及发动机的转速同步 调节等操作，最终实现换档过程的操纵自动化。它的主要功能需要软件来实现， 它的控制过程是：e c u 根据驾驶员的操纵( 油门踏板、制动踏板、转向盘、选档 器的操纵) 、车辆的运行状态( 车速、发动机转速、变速器输入轴转速) 综合判断、 确定驾驶员的意图以及路面情况，采用相应的控制规律，发出控制指令，借助 于相应的执行机构，对车辆的动力传动系统进行联合操纵。a m t 由于原有的机械 传动结构基本不变，所以具有传统齿轮变速器传动效率高、成本低、易于制造 等优点，同时也具有操纵方便的自动变速功能，但控制参量太多，控制部分的 实现难度大，实现自动控制相当困难。 1 2 3c v t 无级传动系统 金属带式无级自动变速器c v t ( 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 ) 系统，采 用传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合传递动力。由于c v t 可以实现传 动比的连续改变，从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配，提高整车的燃油 经济性和动力性，改善驾驶员的操纵方便性和乘员的乘坐舒适性，所以它是理 想的汽车传动装置。c v t 系统主要包括主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵 等基本部件。金属带由两束金属环和几百个金属片构成，主动轮组和从动轮组 都由可动盘和固定盘组成，与油缸靠近的一侧带轮可以在轴上滑动，另一侧则 是固定的。可动盘与固定盘都是锥面结构，它们的锥面形成v 型槽来与v 型金 属传动带啮合。发动机输出轴输出的动力首先传递到c v t 的主动轮，然后通过 v 型传动带传递到从动轮，最后经减速器、差速器然后传递给车轮来驱动汽车行 驶。工作时通过主动轮与从动轮的可动盘作轴向移动来改变主动轮、从动轮锥 面与v 型传动带啮合的工作半径，从而改变它的传动比。可动盘的轴向移动量 是由驾驶者根据需要通过控制系统调节主动轮、从动轮液压泵油缸压力来实现 的。由于主动轮和从动轮的工作半径可以实现连续调节，从而实现了c v t 自动 一5一 第l 苹绪论 变速器的无级变速。 c v t 技术开始采用传统的v 型橡胶带式传动方式，现在一般将液力变矩器 集成到c v t 中，主、从动轮的夹紧力实现电子化控制，传动带用高强度宽钢带 和一个高液压控制系统来获得较大的转矩能力，传动比的改变实行全档电子控 制。带有锁止式变矩器电控式c v t ，通过小范围锁止可以使液力变矩器的滑动 保持在最小值。系统中的e c u 可以允许机械、液力和电子系统进一步组合。 1 3 自动变速器的研究现状与发展趋势 液力自动变速器已走过6 0 多年的历史，其技术成熟、性能可靠，但也由于 经过不断的完善，功能与潜力的开发已接近了极限，其长期存在的不足：启动 速度慢、工作效率低、油耗大等，很难取得突破性进展。电子机械式自动变速 器由于其油耗低、效率高等优点有着非常光明的前景，但是，虽然世界上许多 国家投入了对a m t 的研究与开发，却一直很少见批量生产的报道，足见其进展 的艰难。金属无级带式自动变速器商品化的时间虽不长，目前在汽车变速器中 的占有率也不高，但从目前的产品性能看，c v t 使发动机处于最佳的工况来满 足汽车的使用要求，其排放比a t 和a m t 少很多，综合比较的传动效率、加速 性能、节油等各方面都比a t 和a m t 有明显优势，因此其发展前景却十分看好。 国内各研究机构对自动变速器的研究工作起步较晚，且一直主要将a m t 作为研 究的重点，a t 和c v t 的研究开发能力较之a m t 更要薄弱一些，而且国内的制 造技术和工艺很难达到相应的要求，所以多是原理性的开发、功能介绍和维修 方面的研究。“九五 期间a m t 的开发研制和产品化被列人国家“九五”科技 攻关项目，目前已开展这方面研究的有上海交通大学、吉林工业大学、北京理 工大学、重庆大学等。鉴于a m t 发展的趋势，我国的研究超越了半自动变速器 的阶段，直接进行全自动a m t 的研制。1 9 9 8 年8 月吉林工业大学自主开发研制 的桑塔纳2 0 0 0 型a m t 样车通过了由原国家科委、原机械工业部、上海交通大 学、清华大学和上汽集团组成的鉴定委员会的鉴定，与会专家一致认为该研究 成果达到了国际先进水平，这标志着我国a m t 技术的发展已进入到产品化阶段 但仍有一些需要完善的方面，如可靠性、换档品质、执行机构优化和起步控制 等方面。对于a t 的研究，国内起步的比之a m t 更晚，得到的成果更少，在我 们面前的道路还有很长。 第1 章绪论 1 4 论文背景 我国汽车工业正处于发展和提高时期，随着技术进步和人民生活水平提高， 越来越多的汽车进入普通中国人的家庭，自动变速车辆的需求也越来越多。面 对巨大的市场需求，开展自动变速器领域的研究符合市场经济规律的要求。而 我国目前在自动变速器领域的研究和国外还有很大的差距，a m t ( 机械式自动 变速器) 方面虽然已经有了比较深入的研究，但在a t ( 液力自动变速器) 方面， 都还处于研究的初步阶段，目前还没有自主知识产权的自动变速器投入市场， 和国外的研究相比我们的差距很大。因此，加快a t 的研究工作的开展具有重要 的现实意义，本文就是在这样的背景下，通过对对大众0 1 n 型电子控制液力自 动变速器研究，利用硬件在环技术设计一个e c u 测试仿真试验台。 电子控制液力自动变速器在国外经过几十年的发展已日趋成熟，而其电子控 制系统更是籍电子、计算机及通讯技术的飞速发展和广泛应用而得到很大的发 展。电子控制液力自动变速器与传统的手动变速器的最大区别就是前者有一个 电子控制单元( e c u ) ，它控制自动变速器的绝大多数动作，是体现自动变速器 先进性与优越性的主要因素。电子控制单元( e c u ) 的技术发展水平往往代表 着整个变速器的技术水平，它是自动变速器的核心，可以说，制约我国自动变 速器发展的主要障碍就是电子控制单元的开发基础差、水平低。 对自动变速器电子控制单元( e c u ) 进行测试是开发过程的中的主要任务之 一。首先，通过对e c u 进行测试可以迅速了解所设计的功能及实现情况，并即 使反馈给设计人员，从而对e c u 硬件和软件进行进一步修改、补充和细化，这 个过程应该可靠、及时，它对于完善产品功能、提高开发效率具有很重要的意 义；其次，通过对e c u 的测试，可以最大限度地发现各种错误，并可以即使改 正这些错误，以免让最终客户发现错误，带来更大的损失；对e c u 进行测试的 另一个主要任务就是确定控制参数，因为这些参数最初往往是通过实际测量、 计算或预计的，只有通过测试才能确定比较符合实际情况和控制要求的数值， 为下一步的实车试验打下基础。因为技术的发展和市场竞争的加剧，电子控制 单元( e c u ) 的结构和控制规模越来越复杂，仅仅通过简单的测试技术已不可 能完成其试验任务，而在实际被控对象上进行测试存在费用高、时间长、条件 不确定、危险等因素，目前最常用的方法就是硬件在环( h a r d w a r ei nt h el o o p ) 仿真方法。 一 7 一 第1 章绪论 硬件在环是指将实物嵌入仿真系统的实时动态仿真技术，它强调了软硬件技 术以及电子技术的接合，获取的一些关键信号是由真实硬件发出，比纯软件方 式可信度高。硬件在环仿真系统h i l s s ( h a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o ns y s t e m ) 是在计算机软硬件技术发展到一定程度之后才出现的一种多集多种技术于一体 的综合系统，对硬件和软件系统的要求很高，它依赖于计算机技术的飞速发展， 需要同时完成大量运算、数据处理和执行多任务。在自动变速器电子控制单元 e c u 硬件在环仿真系统中，将实际的e c u 放在一个虚拟的环境中进行试验，这 个虚拟的环境将尽可能模仿实际车辆的运行状态，向e c u 输入必要的信号，并 将e c u 的输出信号送到虚拟环境中，通过实时仿真对e c u 进行测试并可记录 各种试验结果。这种方法可以在短时间内完成对e c u 的测试和调整，是目前最 为流行、最为有效的e c u 试验方法。 1 5 论文主要工作 本文依托上海汽车工业总公司教育基金会和上海汽车齿轮总厂科研项目“汽 车自动变速控制系统及其实验台的开发”，论文主要研究对象是大众自动变速器 0 1 n 型。在收集得到桑塔纳2 0 0 0 试验车各参数后，通过理论计算和建模分析得 到试验车最佳的动力性和经济性换档规律。在利用计算机技术和自动变速汽车 动力传递理论知识建立和分析自动变速器换档控制的纯软件系统的基础上，采 用硬件在环实时仿真技术，将发动机、液力变距器、整车等模型化后嵌入到软 件环境，利用工控机接口和数据采集卡进行数据交换，模拟出实际车辆的运行 状态，并对工作状态进行显示和记录，为自动变速器电控单元e c u 的开发和测 试提供一个虚拟环境，减少盲目性、增大可预测性，缩短开发周期，降低开发 成本。 本文的主要内容安排如下： 第一章绪论，介绍自动变速器优缺点及其分类，并阐述本文背景及全文主 要内容的安排。 第二章对0 1 n 型自动变速器结构及其控制原理的介绍，并在实验基础上分 析确认0 1 n 型自动变速器e c u 引脚信号，各档相应的电磁阀工作状态，以及相 应各档位时的动力传递路线。 第三章介绍发动机与液力变距器的特性以及建立它们仿真模型的原理，并 一 8 一 第l 苹绪论 分析发动机与液力变距器共同工作特性，为计算最佳换档规律做准备。 第四章根据车辆行驶过程的动力传递，在第三章发动机与液力变距器共同 工作特性分析的基础上，计算得到对应试验车的最佳动力性换档规律和最佳经 济性换档规律。 第五章以电控式液力自动变速器动力传递及换档控制原理为依据，实现自 动变速器e c u 纯软件测试系统，为硬件在环仿真试验台的设计做铺挚。 第六章以硬件在环仿真技术为基础，介绍试验台的组成及软硬件的设计， 并分析仿真结果，验证试验台的正确性。 第七章总结与展望。 一 9 一 第2 章0 1 n 型自动变速器介绍 第2 章0 1 n 型自动变速器介绍 本文研究的对象是大众0 1 n 型电控式液力自动变速器，通过对它的研究认识 达到对自动变速器e c u 控制原理的熟悉。由于0 1 n 型功率密度较大而成为同级 别自动变速器中最紧凑的形式，其中主减速器传动比可变，可适应和满足各种 车辆行驶要求，大众汽车公司将0 1 n 型配置到了它的很多车型上，有p a s s a tb 5 、 s a n t a n a 2 0 0 0 以及p o l o 等。本文的工作是在我们的试验车s a n t a n a 2 0 0 0 时代骄子 的基础上开展的。0 1 n 型自动变速器采用模糊逻辑控制理论，在换档时以车速及 发动机油门开度信号为主要参数，同时又考虑行驶阻力、驾驶员的驾驶习惯及 交通环境等因素，合理的对换档进行自动控制，从而使车辆具有良好的动力性、 经济性和驾驶操作性。如表2 一l 所示为它的主要技术参数。 表2 10 1 n 型自动变速器技术参数 槠置纵罾 萤骨( 充油后)6 9 k c ,7 3 k 足 长唐3 9 7 m m4 1 5 m m 蛮谏器油 约5 5 l约5 5 l 充油量 丰减涑器油0 7 5 l1 0 0 l 传递的最- ) z 扭矩2 5 0 n m2 6 0 n m 丰减谏器传动比 4 4 4 44 4 4 4 一档2 7 1 4 2 7 1 4 二档1 5 5 11 5 5 1 传动比 三档1 0 0 01 0 0 0 四档0 6 7 90 6 7 9 倒档2 1 l l2 1 1 1 2 10 1 n 型自动变速器组成 0 1 n 型自动变速器由液力变矩器、行星齿轮变速机构、液压系统和电子控制 系统等部分组成。它有4 个液压控制的前进档和1 个倒档，可供换档杆选择的 位置有7 个：p 、r 、n 、d 、3 、2 、l ，分别为驻车档、倒档、空档、直接档及3 、 2 、l 档。 一 l o 第2 章0 1 n 型自动变速器介绍 2 1 1 液力变矩器 0 1 n 型自动变速器的液力变矩器是三元件单级综合式液力变矩器，主要由泵 轮、导轮、涡轮以及带有扭转减震器的锁止离合器组成。液力变矩器的泵轮与 发动机的飞轮相连，输出部件涡轮与行星齿轮变速机构的输入轴相连。这样， 发动机的动力就可以经过液力变矩器传输给行星齿轮变速机构，实现发动机与 行星齿轮变速机构的“软”联接从而延长发动机和行星齿轮变速机构的工作寿 命。而且液力变矩器具有自动适应性和变扭性能，可以保证将发动机扭矩传递 到行星齿轮变速机构的输入轴。 变矩器有两种工作状态：其一状态为变矩状态，此时动力由发动机经过泵 轮传递到涡轮；另一种状态为闭锁状态，由锁止离合器电磁阀控制，此时发动 机的动力直接传递到行星齿轮变速机构的输入轴。锁止离合器根据车辆的负载 和速度的变化以及第l ，第2 ，第3 ，和第4 档位的状况来判断是否实现接合， 具体控制由e c u 通过锁止离合器( t c c ) 电磁阀来控制执行，即根据节气门位置 传感器、车速传感器、发动机转速传感器、变速器输出轴转速传感器、挡位、 换档时刻和制动开关等信号进行分析，给出t c c 电磁阀占空比信号，改变了t c c 电磁阀的开度，从而控制t c c 电磁阀来实现锁止离合器接合或者分离。当锁止 离合器不工作时，发动机转速应大于涡轮轴转速2 0 0 3 0 0 r m i n ；在锁止离合器 接合过程中，两者的转速差应逐渐减小；当锁止离合器完全接合后，两者的转 速差应该基本为零。 2 1 2 液压系统 0 1 n 型自动变速器液压系统主要由经铝压铸而成的液压操纵阀体、两块0 7 m m 厚的钢制垫片和铸铝端盖等组成，安装在铸铝变速器壳体的迷宫式端面上。液 压系统的油路非常复杂，缺少资料使得对它的研究也比较困难。试验时我们对 油路进行细致分析，对其油路控制有了一定的了解。液压操纵阀体尺寸很小， 体积仅l d m 2 ，重量仅2 1 k g ，结构非常紧凑，其上安装了1 5 个滑阀，5 个球阀 和7 个电磁阀。 液压系统通过与电控系统相结合，组成电液控制系统，使得对自动变速器的 操作非常的方便快捷。0 1 n 型的这个电液控制系统可适用于所有变速器的变型系 列，其特点是通用件多( 换档阀s v l 和s v 3 相同，换档阀s v 2 和s v 4 相同，三个 第2 章0 1 n 型自动变速器介绍 快通阀相同，三个互锁阀相同，五个开关型电磁阀e v i e v 5 均相同) ，并取消了 般电液操纵系统中为了改善换档平顺性而采用的蓄能器。元件采用金属直接 密封，无需橡胶密封件，结构非常简单，安装和修理也很方便。 2 1 3 行星齿轮变速机构 行星齿轮变速机构通过分离和接合离合器或制动器实现传动比的变换，进 一步增大始自发动机的转矩，扩大变速范围，提高汽车的适应能力。 o i n 型自动变速器的行星齿轮变速结构是拉维莱尔赫( r a v i g n e a u x ) 氏双行 星排结构，主要由1 个行星齿轮组、3 个片式离合器、两个片式制动器和1 个单 向自由轮组成。行星齿轮组又是由1 个小太阳轮、1 个大太阳轮、3 个短行星齿 轮和3 个长行星齿轮以及行星齿轮架和齿圈组成。 片式离合器和片式制动器是由阀体通过液压控制，用来完成液力变矩器和 行星齿轮之间的动力传递。片式离合器的作用是连接输入轴和行星齿轮机构的 旋转元件，诸如将行星齿轮变速器的输入轴和行星排的某个基本元件连接，或 将行星排的某两个基本元件连在一起，使之成为一个整体转动。片式制动器的 作用是固定行星齿轮机构中的基本元件，阻止其旋转。片式离合器和片式制动 器都有分离和结合两个状态，是通过油缸的放油和充油实现的。0 1 n 型自动变速 器的三个片式离合器k 1 、k 2 和k 3 ，两个片式制动器b 1 和b 2 都有各自的功能： k l 是第l 、第2 、第3 档离合器，用来驱动小太阳轮；k 2 是倒档离合器，用柬 驱动大太阳轮；k 3 是第3 、第4 档离合器，用来驱动行星齿轮架；b i 是倒档制 动器，用来制动行星齿轮架；b 2 是第2 、第4 档制动器，用来制动大太阳轮。 3 个片式离合器( k 1 、k 2 、k 3 ) ，两个片式制动器( b 1 、b 2 ) ，1 个单向自由 轮f 和1 个锁止离合器l c 组成了o i n 型自动变速器的换档执行元件，对应不同 的档位，各个元件的状态各不相同。 由于离合器和制动器等换档执行元件在各个档位时的工作状况不同，使得行 星齿轮变速机构在各档时的动力传递路径也各异，而动力的传递在研究换档规 律及换档质量时有很重要的作用，所以对各档的动力传递路径有必要进行一定 的分析。 1 ) l 档时的动力传递路径 自动变速器处于l 档时，离合器k 1 、k 2 通过阀体中的手动阎操作，控制单元 一 12 第2 章0 1 n 型自动变速器介绍 通过电磁阀e v 4 使离合器k 2 分离，在单向自由轮f 的控制下，l 档在发动机 不超速的情况下运转，行星齿轮架固定不动。其动力传递路径为：泵轮一涡 轮一涡轮轴一k 1 一小太阳轮一短行星齿轮一长行星齿轮一齿圈。 图2 1 液力1 档时的动力传递路径 2 ) 2 档时的动力传递路径 自动变速器处于2 档时，通过手动阀向片式离合器k 1 和k 2 提供油压，通过 电磁阀e v 4 使k 2 分离，片式制动器b 2 由电磁阀e v 2 控制并将大太阳轮制动 住。其动力传递路径为：泵轮一涡轮一涡轮轴- - - - k 1 一小太阳轮一短行星齿轮 一长行星齿轮一齿圈。长行星齿轮围绕大太阳轮滚动并驱动齿圈。 图2 2 液力2 档时的动力传递路径 一l3 一 第2 章0 l n 型自动变速器介绍 3 ) 液力3 档时的动力传递路径 自动变速器处于液力3 档时，通过阀体中的手动阀，片式离合器k 1 和k 2 闭 合，小太阳轮和大太阳轮被同时驱动，由于两个太阳轮有不同的直径，所以 行星齿轮组被锁住，因此整个行星齿轮组作为整体而一起转动。其动力传递 路径为：泵轮一涡轮一涡轮轴一k 1 、k 2 一整个行星齿轮组整体旋转。 图2 3 液力3 档时的动力传递路径 4 ) 机械3 档时的动力传递路径 自动变速器处于机械3 档时，控制单元通过操纵电磁阀e v 3 使片式离合器k 3 闭合。动力经泵轮、泵轮轴、k 3 直接驱动行星齿轮架。片式离合器k 1 和k 2 由手动阀控制，这样行星齿轮组被锁定，如同一个刚性元件那样工作，动力 直接通过k 3 进行传递。其动力传递路径为：泵轮一泵轮轴一k 3 一行星齿轮架 一行星齿轮组。 5 ) 机械4 档时的动力传递路径 自动变速器处于机械4 档时，控制单元通过操纵电磁阀e v i 和e v 4 使片式离 合器k l 、k 2 分离，同时通过电磁阀e v 3 使k 3 闭合，通过电磁阀e v 2 使制动 器b 2 闭合，这样经过k 3 的动力驱动行星齿轮架绕大太阳轮旋转，此时大太 阳轮被制动住。其动力传递路径为：泵轮一泵轮轴一k 3 一行星齿轮架一行星 齿轮组。长行星齿轮围绕大太阳轮转动并驱动齿圈。 一 l4 一 第2 章0 1 n 型自动变速器介绍 一 图2 4 机械3 档时的动力传递路径 图2 5 机械4 档时的动力传递路径 6 ) r 档时的动力传递路径 自动变速器处于r 档时，通过阀体中的手动阀门，供给片式离合器k 2 和片式制