（光学工程专业论文）汽车amt换挡规律及其评价方法的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 汽车a m t 换挡规律及其评价方法的研究 车辆工程专业 研究生陈超指导教师阴晓峰 电控机械式自动变速器( a u t o m a t e dm a n u a lt r a n s m i s s i o n ，a m t ) 由于具有 结构简单、传动效率高、成本低、生产继承性好等优点，在自动变速器家族中 占有重要位置，从“八五”到现在的“十一五”期间，一直是我国汽车工业发 展的一个重要方向。研究和开发a m t 不仅适合我国国情，还可以实现国产车 辆的自动化改造，提高国产车的市场竞争力。 a m t 是在原有齿轮式机械变速器的基础上加装电脑控制系统，实现起步、 选挡、换挡的自动化控制。在电控机械式自动变速车辆中，换挡规律关系到动 力传动系统整体最优性能的发挥，直接影响车辆的动力性和燃油经济性，是自 动变速器控制系统的核心。 换挡规律是指某两个排挡之间自动换挡时刻随控制参数变化的规律。根据 控制参数可以分为单参数换挡规律( 以车速为控制参数) 、两参数换挡规律( 以 车速和节气门开度为控制参数) 和三参数换挡规律( 以车速、节气门开度和加 速度为控制参数) 。根据优化目标可以分为最佳动力性换挡规律和最佳燃油经济 性换挡规律。本文主要研究最佳动力性、燃油经济性三参数换挡规律及其评价 方法。 汽车在实际行驶过程中一般处于加速或减速的非稳定状态，因此三参数换 挡规律的制定需要在大量的发动机非稳态工况试验基础上，通过传动系相关参 数与发动机动态转矩和油耗模型进行匹配而获得。鉴于国内发动机动态试验条 件有限，本文采用将发动机稳态试验数据加以修正、拟合建模。近似代替发动 机动态模型的方法并以桑塔纳2 0 0 0 型轿车发动机的稳态试验数据为例，建立 了发动机的动态转矩和油耗模型。 在最佳动力性和燃油经济性三参数换挡规律传统制定方法的基础上，考虑 坡度因素的影响，提出了改进的最佳动力性、燃油经济性换挡规律制定方法。 西华大学硕十学位论文 编制流程图，根据桑塔纳2 0 0 0 型轿车传动系相关参数和所建立的发动机动态模 型，利用计算机编程计算制定了该轿车a m t 的最佳动力性和燃油经济性三参 数换挡规律。 为了对换挡规律进行评价，本文利用m a t l a b s i m u l i n k 建立a m t 汽车的发 动机仿真模型、汽车传动系仿真模型以及换挡规律的仿真评价模型。根据桑塔 纳2 0 0 0 型轿车的传动系相关参数及本文所制定的改进后的最佳动力性和燃油 经济性三参数换挡规律及未改进的三参数换挡规律进行a m t 换挡过程仿真， 对本文所设计的换挡规律完成了仿真评价：改进后的最佳动力性三参数换挡规 律有效地改善了汽车在坡道行驶时的换挡循环现象，并大大降低了汽车冲击度 的变化；改进后的最佳燃油经济性三参数换挡规律减小了计算复杂度，且在汽 车加速过程中减少了燃油消耗量，提高了燃油经济性。 评价 关键词：电控机械式自动变速器三参数换挡规律发动机动态模型仿真 i i 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ns h i f ts c h e d u l ea n de v a l u a t i o nm e t h o d o f a u t o m o t i v ea u t o m a t e dm a n u a lt r a n s m i s s i o n v e h i c l ee n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n tc h e nc h a o f a c u l t ya d v i s e ry i nx i a o f e n g d u et oi t sa d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，h i g ht r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , l o wc o s t ， g o o dm a n u f a c t u r i n gs u c c e s s i o n ，e t c ，a u t o m a t e dm a n u a lt r a n s m i s s i o n ( a m t ) h o l d s a ni m p o r t a n tp l a c ei nt h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nf a m i l y , a n dh a sb e e nl i s t e da sk e y p r o j e c t ss t a r t i n gf r o mt h en a t i o n a l “e i g h t hf i v e y e a rp l a n t ot h en a t i o n a l “e l e v e n t h f i v e - y e a rp l a n ”i nc h i n a t h e r e f o r e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa m tn o to n l y f i t st h es i t u a t i o no fo u rc o u n t r y , b u ta l s oc a nr e a l i z ea u t o m a t i z a t i o n a l t e r a t i o na n d i n c r e a s em a r k e t c o m p e t i t i o nc a p a b i l i t yf o rv e h i c l e sm a d ei no u rc o u n t r y a m tr e a l i z e st h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fv e h i c l es t a r t i n g ，g e a r - p o s i t i o ns e l e c t i n g a n dg e a r s h i f t i n gv i aa d d i n gc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo nt h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n i nt h ev e h i c l ee q u i p p e dw i t ha m t , s h i f ts c h e d u l ei sac r u c i a li s s u ei n a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e mt h a ta f f e c t st h ep e r f o r m a n c em a t c h i n g b e t w e e ne n g i n ea n dt r a n s m i s s i o n ，i e ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m y o fv e h i c l e ，d i r e c t l y s h i f ts c h e d u l ed e t e r m i n e st h et i m ew h e na na u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nv e h i c l e s h o u l ds h i f tf r o mo n e g e a rp o s i t i o n t oa n a d j a c e n tg e a rp o s i t i o n t h ec o n t r o l p a r a m e t e ro f s h i f ts c h e d u l ec a nb ed i v i d e di n t os i n g l e p a r a m e t e r ( v e l o c i t y ) ， 2 - p a r a m e t e r s ( v e l o c i t ya n dt h r o t t l e ) a n d3 - p a r a m e t e r s ( v e l o c i t y , t h r o t t l ea n d a c c e l e r a t i o n ) a c c o r d i n g t ot h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v e ，s h i f ts c h e d u l ec a nb e c l a s s i f i e di n t oo p t i m a ld y n a m i ca n de c o n o m i c a ls h i f ts c h e d u l e t h er e s e a r c ho f t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ec o m p u t a t i o na n de v a l u a t i o nm e t h o d so fo p t i m a ld y n a m i c a n df u e l e c o n o m i c a ls h i f ts c h e d u l e sw i t h3 - p a r a m e t e r s 1 i i 西华大学硕士学位论文 v e h i c l eu s u a l l yr u n su n d e rt h en o n s t a b l ec o n d i t i o n so fa c c e l e r a t i o no r d e c e l e r a t i o n ，t h e r e f o r e ，t og e ts a t i s f a c t o r y3 - p a r a m e t e r ss h i f ts c h e d u l e ，am a t c h b e t w e e ne n g i n ea n dt r a n s m i s s i o nm u s t b et a k e ni n t oa c c o u n ta n da p r e c i s e d e s c r i p t i o n f o re n g i n e d y n a m i ct o r q u ea n d f u e lc o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i c si s r e q u i r e d i nt h i sp a p e ge n g i n es t a b l et e s td a t ao fs a n t a n a2 0 0 0s e d a nw e r er e v i s e d a n df i t t e dt ob u i l dd y n a m i ct o r q u ea n dr u e lc o n s u m p t i o nm o d e l s b a s e do nt h et r a d i t i o n a lo p t i m a l3 - p a r a m e t e rd y n a m i ca n df u e l - e c o n o m i c a l s h i f ts c h e d u l em a k i n gm e t h o d s ，t h ei m p r o v e do p t i m a ld y n a m i ca n df u e l - e c o n o m i c a l s h i f ts c h e d u l em a k i n gm e t h o d sw e r ep r o p o s e da n du s e dt oc a l c u l a t ec o r r e s p o n d i n g s h i f ts c h e d u l e sf o rs a n t a n a2 0 0 0s e d a ni na c c o r d a n c ew i t hd r i v e t r a i nr e l i e d p a r a m e t e r sa n db u i l te n g i n em o d e l s ，r e s p e c t i v e l y f o rt h ep u r p o s eo fs h i f ts c h e d u l ee v a l u a t i o n ，s i m u l a t i o nm o d e l so fe n g i n ea n d d r i v e t r a i n ，a sw e l la s as i m u l a t i o n - b a s e ds h i f ts c h e d u l ee v a l u a t i o nm o d e lw e r e e s t a b l i s h e du s i n gm a t l a b s i m u l i n k t h eg e a r - s h i f t i n gp r o c e s s e sw e r es i m u l a t e do n t h eb a s i so ft h ed r i v e t r a i nr e l a t e dp a r a m e t e r so fs a n t a n a2 0 0 0s e d a n ，a n dt h e i m p r o v e da n du n i m p r o v e dd y n a m i ca n df u e l - e c o n o m i c a ls h i f ts c h e d u l e sw e r eu s e d r e s p e c t i v e l yi nt h ep r o c e s s e so fs i m u l a t i o n b a s e de v a l u a t i o n t h ec o n c l u s i o n sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ：g e a r - s h i f t i n gr e p e t i t i o no ns l o p ea n dc h a n g e so fj e r ka r e g r e a t l yd e c r e a s e db yt h ei m p r o v e do p t i m a ld y n a m i c3 - p a r a m e t e rs h i f ts c h e d u l e ；a n d t h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t i e sa sw e l la sf u e lc o n s u m p t i o na r er e d u c e db yt h e i m p r o v e do p t i m a lf u e l e c o n o m i c a l3 - p a r a m e t e rs h i f ts c h e d u l e k e yw o r d s ：a u t o m a t e dm a n u a lt r a n s m i s s i o n ，3 - p a r a m e t e rs h i f ts c h e d u l e ， e n g i n ed y n a m i cm o d e l ，s i m u l a t i o n ，e v a l u a t i o n 1 v 曲华大学硕士学位论文 l 绪论 随着汽车与电子技术的不断发展，在现代汽车上，电子化的程度越来越高， 电子控制装置的种类也越来越多，如发动机管理与控制系统、电子控制自动变 速器、车辆稳定性控制系统、防抱死制动系统、牵引控制系统、电控悬架、安 全气囊、动力转向系统、车身智能网络、车辆导航及安全预警系统等。 其中，电子控制自动变速器，从“八五”到现在的“十一五”期间，一直 是我国汽车工业发展的一个重要方向。使用传统机械式手动变速箱的汽车，离 合器踏板力的范围是：轿车8 0 1 8 0 n ，货车1 5 0 2 0 0 n 。在交通负荷大的市区 内，汽车每行驶l o o k m ，驾驶员须换挡4 0 0 6 0 0 次，踏离合器6 0 0 7 0 0 次，平 均每分钟要连续完成2 0 3 0 次手脚协调动作，因此人工操纵离合器踏板的工作 强度是相当大的。如此繁重的操纵，会造成驾驶疲劳、影响驾驶员的注意力， 引发大量的城市交通事故。另外，车辆手动操纵需要较高的驾驶技术和经验， 初学驾驶者由于缺乏相应的驾驶经验与技术，使得车辆的动力性与燃油经济性 难以提高，据统计在城市运行工况行驶时，熟练驾驶员与非熟练驾驶员的油耗 可相差1 0 以上，离合器摩擦片的更换频率相差2 0 以上。因此，自动变速器对 于提高车辆的动力性与经济性、提高行车安全、降低排放污染、及延长零部件 的使用寿命具有举足轻重的意义。 1 1 汽车自动变速器概述 装配了自动变速器的汽车，行驶时可以根据发动机负荷和道路阻力的变化 情况，在一定的范围内实现自动变速【i 】。自动换挡时，驾驶员只需要操纵加速 踏板控制车速，不必考虑应该选择哪一挡位进行换挡操作。这里的“自动”是 指换挡过程中对汽车动力传动系统的操纵由嵌入式计算机和相应传感、执行元 件自动完成，从而能够消除驾驶员换挡技术的差异、减轻驾驶员的劳动强度， 提高行车安全性、舒适性以及车辆的动力性和经济性。 1 1 1 汽车自动变速器分类 目前车用自动变速器主要有三种：液力自动变速器( a t ) 、电控机械式自 动变速器( a m t ) 以及无级自动变速器( c v t ) 1 2 1 。 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 ，a t ) ，即通常所说的自动变速器。 其发展经历了近七十年的历史，是世界上发展最为成熟、应用最为广泛的一类 西华大学硕士学位论文 自动变速器，具有较好的综合性能。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。手动变速器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 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。其中液力变矩器是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 轮扩大速比。液压操纵系统会随发动机工作变化自行操纵行星齿轮，从而实现 自动变速变矩，免除了手动变速器繁杂的换挡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。a t 是最早在汽车上使用的自动换挡装置。自1 9 4 0 年美国通用 公司首次将a t 装车以来，各主要工业国家均在这方面投入大量的人力和物力， 使今日的a t 生产已经系列化和专业化。a t 能够在不切断动力的情况下实现自动 换挡，将发动机的机械能平稳的传给车轮，因此起步、换挡平稳无冲击，具有 良好的乘坐舒适性、行车安全性以及优越的动力性。但结构复杂、价格昂贵、 效率较低是a t 的主要缺点，因而在国内的推广受到一定的限制。少数装备a t 的国产轿车如红旗、捷达、富康、别克等，均依靠引进国外的a t 技术和产品， 目前国产轿车中完全具有自主知识产权的a t 占有率很低。 无级自动变速器( 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 ，c v t ) ，克服了传统 齿轮变速器只能搭配有限挡位的缺陷，能够实现一定速比范围内连续的无级变 速。无级变速可以通过多种形式实现，如通过机械原理实现的胶带式、链带式、 金属带式、滚动转盘式等，通过流体实现的液压式、液力式( 即液力变矩器) 以及通过电力实现的电动式等。比较常用的是金属带式c v t 和金属链式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，即当棘轮改变槽宽时，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。c v t 能较好的协调外界行驶条件与发动机负载，更大限度地 利用发动机特性，提高汽车的动力性和燃油经济性：并且其重量轻，体积小， 零件少，与a t 其驾驶舒适性和行驶平顺性与液力变矩器相当，而传动效率要远 远高于液力变锕器。但是，但c v t 的缺点也是明显的，就是传动带很容易损坏， 西华大学硕士学位论文 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：另 外也存在起动性差、制造困难、维修成本过高等不足：且由于传动带( 链) 制 造工艺复杂，技术垄断，所以国内出现的少量c v t 产品也全部采用国外技术。 电控机械式自动变速器( a u t o m a t e dm a n u a lt r a n s m i s s i o n ，a m t ) ，是在原 有齿轮式机械变速器的基础上加装电脑控制系统，对供油调节装置、离合器、 变速箱的控制采用了电机驱动或液压驱动的执行机构，实现起步、选挡、换挡 的自动化控制，使汽车成为自动变速的汽车。其生产继承性好，改造投资费用 低。同时亦保留了机械变速器结构简单、传动效率高、成本低的优点，在自动 变速器家族中占有重要位置。a m t 不仅在我国、日本及韩国成为研发热点，在 欧洲也得到了大力发展，并相继有产品投放市场。 1 1 2a m t 的国内外发展概况 手动固定轴式齿轮变速器是有级排挡的传统结构。因其具有效率高、成本 低、生产工艺成熟的特点而获得广泛的应用。它从滑动齿轮变速开始，经多齿 的齿套啮合，进而发展到广泛采用的同步器变速。但这种手动变速器 ( m e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n ，m t ) 存在换挡困难、动力中断以及驾驶员水平对 汽车行驶性能有较大的影响等缺陷。人们总是希望在同步变速的基础上实现自 动化，当代电予技术的发展，提供了合理控制车辆变速这样复杂过程的可能性。 a m t 在国外的发展可分为半自动阶段、全自动阶段和智能化阶段。半自动 a m t ( s m a t ) 只实现选挡、换挡操纵的部分或全部自动化，但车辆起步时仍 然需要驾驶员操纵离合器踏板。该类典型的变速器有瑞典斯堪尼亚公司 ( s c a n i a ) 的c a g 系统【3 j ( 1 9 8 6 ) ，德国戴姆勒奔驰( d a i m l e r b e n z ) 的e p s 系 统( 1 9 9 0 ) 。c a g 、e p s 系统由电子控制的启动系统实现换挡，但换挡时刻由 驾驶员踩离合器板决定。美国伊顿( e a t o n ) 公司的s m a t 系统对换挡时刻的离 合器和发动机进行适当的控制，驾驶员只需要通过开关向电子控制单元( e c u ) 发出升挡或降挡信号，系统就能自动完成所有的换挡动作。在同一时期，白俄 罗斯工学院研制的s m a t 系统更加先进，实现了按二参数换挡规律【4 1 进行换挡 决策和自动换挡的功能。 全自动a m t 阶段的标志为1 9 8 4 年五十铃和富士公司联合研制的n a v i 5 ( n e w a d v a n c e dv e h i c l ew i t hi n t e l l i g e n c e5s p e e d s ) 电控机械式自动变速器，装 于飞鸟( a s k a ) 轿车，投放市场并获得成功。以后，世界上许多著名的汽车 西华大学硕士学位论文 制造公司竞相进行了类似的研制开发工作。在日本五十铃( i s u z u ) 、美国伊顿 ( e a t o n ) 、德国z f 等公司研制电子控制机械自动变速器并装车成功后，美国福 特( f o r d ) 公司、意大利菲亚特( f i a t ) 公司、法国雷诺( r e n a u l t ) 公司和日 本日产( n i s s a n ) 公司等也相继开展a m t 的研究和开发。1 9 9 5 年本田的部分 c i v i c 轿车装用了a m t 。1 9 9 6 年宝马m 3 轿车所采用的“m 序列式变速器”就 是在原来的m 3 型6 挡手动机械变速器基础上作了大幅度的改进，以全新的电 液控制系统取代了传统的机械式变速器的操纵系统，并有自动变速和手动变速 两种可供选择的模式。z f 公司也推出了其电控机械式自动变速器新产品 a s t r o n i c 系列【5 1 。在此阶段，研究的重点是自动离合器、换挡控制和换挡决 策。各个公司都致力于发展自己的a m t ，但整体结构都采用了n a v i 5 的控制 思想，系统组成原理大致相同，全自动的a m t 逐步步入实用阶段。 由于自动换挡和起步都受到环境、驾驶员的驾驶水平和车况等因素影响， 日本的五十铃( i s u z u ) 、日产( n i s s a n ) 等公司开始采用模糊推理的智能化方法 进行此方面的研究，包括模糊换挡策略和离合器结合速度的模糊控制。智能化 技术是汽车在复杂多变的工作条件下，采用正确措施使换挡规律、换挡品质、 起步及变速性能进一步提高。装有智能a m t 的i s u z un a v i 一5 型汽车利用神经 网络实现挡位决策，其控制参数增加至四个：预测载荷、驾驶员意图、车速和 节气门开度，并把a b s 和a c c s 与a m t 进行系统集合控制，以提高系统的可 靠性和性能价格比。 我国在2 0 世纪8 0 年代中期开始a m t 的研究工作，但跨越了s a m t 阶段， 直接进行全自动a m t 的研制。目前开展此方面研究的有吉林大学南岭校区( 原 吉林工业大学) 、北京理工大学、西北工业大学、上海交通大学、重庆欧阳抗美 等单位【6 】o 吉林工业大学很早就从事了电控机械式自动变速器的研究工作，不 仅在理论研究方面有很多成果，而且开发出的桑塔纳2 0 0 0 型电控机械式自动变 速器在1 9 9 8 年也通过了国家级的样机鉴定。与此同时，吉林工业大学还承担了 开发其它车型的电控机械式自动变速器的任务。北京理工大学经过多年对电控 机械式自动变速器的研究，己研制出了三轮样机，分别装在不同车辆上进行了 试验，并分别于1 9 9 1 年、1 9 9 4 年和1 9 9 8 年通过了部级技术鉴定，其适用于大 功率柴油机为动力的重型车辆的电控机械式自动变速器技术已形成了自己的特 点。西北工业大学汽车工程中心从2 0 0 3 年开始与二汽技术中心合作进行东风 e q 6 1 1 1 r c 客车a m t 的研制【6 】，目前项目进展一切顺利，此研究将填补我国在 西华大学硕士学位论文 大型客车领域应用a m t 的空白。所有这些，都使我们对具有自己知识产权的 a m t 技术的发展充满信心。 尽管电控机械式自动变速器产业化的进程不会一帆风顺，但前景是广阔的。 在满足重型车的动力传递要求方面，电控机械式自动变速器更具有发展优势。 1 1 3a m t 的研究意义 a m t 用电子控制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t e s ，e c u ) 代替熟练司机的 大脑，多种传感器代替人的感觉神经，用液压( 或气压) 执行机构代替人的手 和脚的操作，实现车辆的起步、换挡的自动化。以最佳换挡规律控制自动变速 器，则可使汽车始终在最佳挡位行驶，发挥其最佳性能。a m t 不但具有a t 自 动变速带来的优点，还保留了手动固定轴式变速器( 齿轮变速箱) 传动效率高、 成本低、容易维护的优点；而且在结构构造、制造工艺上没有a t 复杂，因而 a m t 成为自动变速领域的一个重要研究与开发方向。由于我国大部分军用和民 用车辆都采用机械固定轴式变速箱和干式离合器，其缺点是起步和换挡控制比 较复杂，要求驾驶员具有比较丰富的经验，不同的驾驶技术对车辆的动力性、 燃油经济性有相当大的影响。因此，研究和开发a m t 不仅适合我国国情，还 可以实现国产车辆的自动化改造，提高国产车的市场竞争力。a m t 的研究、开 发和产品化在“八五”期间被列为“火炬”计划、“九五”被列为国家重点科技 攻关项目、在“十五”期间被列为总装备部预研项目：另在国家发改委产业 结构调整指导目录( 2 0 0 5 年本) 中，“十一五”期间，自动变速箱亦被列为“鼓 励类”项目。 1 2a m t 的结构、控制原理及关键技术 1 2 1a m t 的结构和控制原理简介 a m t 是在传统固定轴式齿轮变速器和干式离合器的基础上加装微机自动 控制操纵机构组成的。具体说就是在原有基本结构不变的情况下，加装微机控 制的自动操纵机构，取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合、摘挡与 挂挡及发动机的转速同步调节等操作，最终实现起步、换挡过程的自动协调控 制。目前主要有电控液动、电控电动、电控气动三种控制方式。为保证a m t 可 靠地工作，还须增加一些特殊的控制装置或系统，如坡道辅助起步装置、电控 应急系统等。 西华大学硕士学位论文 车速传感器 发动机转速传感器 输入轴转速传感器 加速踏板传感器 离合器行程传感器 油温传感器 挡位开关 选择器杆 节气门开关 加速踏板开关 制动开关 巡航开关 脉冲输 入电路 模拟输 入电路 接点输 入电路 多路 转换 器 发动机 驱动电路 电磁阀 驱动电路 指示器 驱动电路 起动器 禁止器 f i g 1 - 1a m t e c u 图卜1a m t 电控单元( e c u ) 供油 控制 离合器 变速器 h a s 指示器 起动器 继电器 a m t 的电控系统主要由e c u 、传感器、被控对象和执行机构组成。e c u 具有存储、执行程序和接收、发送信号的功能，是a m t 的神经中枢。它包括 c p u 、只读存储器( r o m ) 、随机存储器( r a m ) 、i ，0 接口和电源电路等( 如 图卜1 ) ；传感器包括发动机转速传感器、输入轴转速传感器、车速传感器、油 门开度传感器、挡位传感器等；被控对象包括发动机、离合器和变速器；执行 机构包括步迸电机、电磁阀( 普通电磁阀和高速电磁阀) 、液压缸( 离合器作动 缸和选、换挡油缸) 等盯1 ，用于将e c u 的电信号指令变成相应的机械动作，从 而实现自动换挡。节气门执行机构所需功率小，大多采用步进电机驱动。离合 器和变速器执行机构则常用液压系统或气动系统实现驱动。a m t 液压系统示意 图如图1 - 2 所。 车辆行驶过程中，驾驶员通过对加速踏板和选择手柄的操纵，设定变速器 工作模式；电脑根据传感器检测到的汽车各工作参数和存储器中存储的程序( 最 佳换挡规律、离合器最佳结合规律、发动机节气门调节规律等) 对节气门开度、 离合器结合分离及选换挡进行控制，以实现动力传动系统的最佳匹配。 根据选换挡过程中对发动机控制方式的差异，a m t 分为刚性a m t 和柔性 a m t 。刚性a m t 是指加速踏板和节气门之间有固定的机械联系，柔性a m t 是 指加速踏板和节气门之问无直接的机械联系，而是通过e c u 经步进电机或其它 执行机构控制节气门的“软”连接。目前国际上广泛研究的是柔性控制结构 ( d r i v e b y w i r e ，d b w ) 的a m t ! 驯( 如图卜3 ) 。 6 罢船淼；堕 一 ， ，厂l l l l l 西华大学硕士学位论文 f i g 1 2h y d r a u l i cs y s t e mo f a m t 图卜2a m t 液压系统示意图 f i g 1 - 3a m tc o n t r o ls c h e m a t i c 图卜3a m t 控制原理图 1 2 2a m t 的关键技术 1 换挡规律和离合器接合规律的制定 7 西华大学硕士学位论文 换挡规律和离合器结合规律是电控机械式自动变速器控制的软件基础。在 a m t 多级控制系统中，换挡规律处于核心环节。换挡规律必须保证汽车在最佳 性能( 动力性和燃油经济性) 换挡点执行换挡动作，使车辆运行在最佳挡位，充分 发挥其最佳性能唧。确定出各种最佳换挡参数，然后根据两参数( 节气门开度和 车速) 或三参数( 节气门开度、加速度和速度) 控制换挡。以上是基于理论求解的 方法确定挡位，另外还有基于智能控制推理的决策方法。其基本思路为利用神 经网络理论( n e u r a ln e t w o r kc o n t r o l ，n n c ) 和模糊控制理论( f u z z yc o n t r o l ， f c ) 建立换挡决策的智能系统【l 。由于n n c 和f c 是根据人的推理决策方法 进行工作，所以可以根据优秀驾驶员的驾驶技巧对设计的智能系统进行训练， 从而使系统具有人类的思维推理。但这种方法还在研究初期，应用在实际的控 制中还不是很稳定1 6 】。而基于理论求解的挡位决策方法由于其控制性能比较稳 定，控制效果良好，所以目前应用比较广泛。本文着重对换挡规律的制定及其 评价方法进行研究。 根据离合器结合规律控制离合器操纵机构，实现离合器的自动操纵，是实现 机械传动系自动化的另一个核心问题】。只有实现离合器的最佳结合规律，才 能保证汽车起步、换挡品质，减少对传动系统零部件的冲击，延长这些部件的 使用寿命并提高乘坐舒适性。 2 电子控制系统 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 境恶劣而且多变，为使自动变速系统可靠工作，首先应确保电子控制系统能在 各种复杂条件下可靠工作，须对电子控制系统的设计提出较高要求。微机指挥 其它设备工作，是整个电控系统的核心。目前，国外在汽车上普遍采用8 位或1 6 位单片机。高抗干扰及耐振动的汽车用专用微机也得以运用。其速度和精度比 不上计算用专用微机，但抗干扰性好，耐振性强，温度范围宽，内存几十k ，频 率一般在1 0 m h z 左右，i o 口较多，具有a f t ) 和d a 转换功能。这些特点，有利 于减少外围硬件电路，减小系统尺寸，使得系统可靠性得以较大提高。对于接 口电路，放大电路，功率器件均应采用抗干扰性好、温度范围较宽、多功能的 i c 芯片，或者汽车用专用芯片，使电控系统得以小型化、微型化，提高系统可 靠性，降低成本。 3 发动机、离合器和变速器的协调控制 依据换挡规律和离合器接合规律，对选、换挡，离合器和节气门进行协调控 西华大学硕士学1 ： ) = 论文 制，按司机的意图完成起步和换挡，这就是a m t 控制的内容。其中车辆起步、 离合器的接合控制以及离合器与发动机的协调控制是难点和关键。 起步过程中，离合器行程释放的同时，节气门要进行相应的自适应调节，以 便发动机工作状态能适应外部负载转矩的变化。在正常情况下，起步时，离合 器结合期间，节气门开度随时间变化增大；由于某种原因，驾驶员突然松开油 门打算中断起步时，节气门开度随时间变化减小，应快速分离离合器以免过分 磨损。车辆以何种方式起步，按驾驶员意图来确定，一般由缓慢起步、正常起 步、急速起步等形式。此外，道路状况对车辆起步也有较大影响。起步发生在 坡道上时，应配以坡道起步装置h a s 及相应控制规律。为确保各种情况下车辆 起步并获得较好的起步品质，对离合器接合规律和油门适应性调节规律的确定 是起步中的难点。 离合器的接合控制采用的方法都有开环控制、闭环p i d 控制【l “、模糊控制 等，所有上述方法都有比较好的效果。 在a m t 控制系统中，无论是电喷发动机还是化油器发动机，换挡过程中，离 合器接合时，都涉及到发动机的调节问题。因此，对a m t 系统换挡的控制比对 变速时进行定节气门开度调节的液力机械式自动变速器( a t ) 要困难得多【9 l 。对 控制方法及其可实现性以及可靠性等方面，都提出较高要求。 4 系统的可靠性技术，包括e c u 的抗干扰技术、诊断与容错等 在a m t 的工作过程中，由于受到干扰，a m t 电控系统中的e c u 、传感器和 执行机构难免会发生故障，适当的抗干扰措施可以在一定程度上减少故障的发 生，但故障并不能避免。为提高a m t 系统的可靠性和安全性，在a m t 控制软件 中应增强诊断和容错控制功能，也是a m t 产品中所必需的技术。 5 系统仿真及台架和道路试验 a m t 开发过程的高难度决定了试验的重要性。仿真和台架试验条件可控、 成本低、重复性好，便于测试。国外和国内引进的动态电加载试验台一般能对发 动机、变速器以及传动系统的动态性能以及整个动力系统的性能进行测试研究 1 4 - 1 7 1 ，但这些试验台价格十分昂贵。如果可以采用一般的测功器，利用适宜的方 法来模拟自动变速器在实际使用过程中的各种受力状态，研究出低成本、高效益 的自动变速器动态电加载试验台，则可为a m t 开发提供良好的前提，是a m t 开 发过程中需要解决的关键问题之一。 9 ：塑兰查堂堡主堂垡堡茎 1 3 本文研究的主要内容 本论文主要就a m t 的最佳换挡规律及其评价方法进行研究。综上所述， 前人做了大量的工作，并取得了很大的成就，本文将在前人工作的基础上进行 如下的工作： 1 综述了当前汽车上常用的三种自动变速器：a t 、c v t 和a m t ，并着重分析 了适合我国国情、具有广阔市场前景的电控机械式自动变速器( a m t ) 的结构、 控制原理以及关键技术。 2 换挡规律是a m t 技术体系的核心环节。本文对换挡规律的功能及其种类进 行了分析，介绍了制定换挡规律的常用方法并概述了评价换挡规律对汽车动力 性能和燃油经济性能影响的方法。 3 传动系与发动机的匹配直接影响到车辆的动力性和燃油经济性，本文分析了 发动机特性数学模型的种类和几种常用的建立发动机特性数学模型的方法，并 对这几种方法建立的模型进行了比较。 4 分析汽车的动力性和燃油经济性，提出了改进的最佳动力性三参数换挡规律 和最佳燃油经济性三参数换挡规律的制定方法，编写程序流程图，利用m a t l a b 编程计算。并根据桑塔纳2 0 0 0 的台架试验数据建立汽车的动态转矩模型和油耗 模型，建立汽车的最佳动力性三参数换挡规律和最佳燃油经济性三参数换挡规 律。 5 通过对a m t 汽车传动系统动力学及换挡过程的分析，建立其发动机仿真模 型、汽车传动系仿真模型以及换挡规律的仿真评价模型。利用桑塔纳2 0 0 0 的实 车参数及本文所提出的改进后的最佳动力性和燃油经济性三参数换挡规律及未 改进的三参数换挡规律进行a m t 换挡过程仿真，对本文所设计的换挡规律进 行了评价。 1 0 西华大学硕士学位论文 2 汽车a m t 换挡规律 2 1a m t 换挡规律的作用 换挡规律是指某两个排挡之间自动换挡时刻随控制参数变化的规律。在电 控机械式自动变速车辆中，换挡规律关系到动力传动系统整体最优性能的发挥， 直接影响车辆的动力性、燃油经济性、通过性及对环境的适应能力，它是自动 变速器控制系统的核心。 换挡规律如果设计合理，可以避免驾驶员对换挡时刻的不当选择，相比手 动换挡车能够明显的提高整车的动力性。有人曾对坦克做过一次对比试验，在 手动换挡时，发动机的平均利用功率为4 4 0 k w ，改用自动换挡后，发动机的平 均利用率提高到5 3 7 k w ，实用功率提高了2 2 ，因而大大改善了动力性能“踟。 设计经济性换挡规律对提高汽车的燃油经济性更具有重要的意义。近十几 年来能源问题越来越引起世界的普遍重视，在我国节约能源已成为一项经济方 针。因此，汽车研究的一个主要方面是在不降低汽车动力性的条件下改善燃油 经济性。而最佳经济性换挡规律能够保证发动机在最佳经济性工作区工作，从 而提高整车的燃油经济性。 此外，换挡规律的设计与车辆传动系的参数有着密切的关系，传动系参数 选择对车辆燃油经济性有着重要的影响，从换挡规律角度分析传动系的参数无 疑对传动系的设计提供有益参考。另外，对于手动换挡的车辆来说，假设我们 已经设计出了某车的最佳换挡规律，如果在车上建立实时显示系统，并结合当 时的车辆行驶状况根据最佳换挡规律提示驾驶员进行操作，对主要还是手动操 作的国产车辆来说，也有一定的实际意义。 2 2a m t 换挡规律的类型 2 2 1 根据选换挡控制参数的分类 换挡规律应该是单值的，即对输入变量的每一组合，仅存在唯一的输出状 态，要么升挡或降挡，要么维持现状“蜘。根据输入参数的多少，换挡规律可分 为：单参数换挡规律、两参数换挡规律和三参数换挡规律h 1 。 1 单参数换挡规律 控制参数多用车速“。( k m h ) ，如图2 - 1 所示( 实线为升挡曲线，虚线为降 挡曲线) 。当车速大于“。：时，换入2 挡；当车速小于“。时，换回1 挡。“。与“。： 之间是两挡都可能的工作区，视原来车辆的行驶状况而定。这种升、降挡之间 西华大学硕士学位论文 交错现象称为换挡延迟或换挡重叠，其作用是： 换入新挡后不会因油门踏板的振动或车速稍有降低而重新换回原来的 挡位，有利于减少换挡循环，保证了换挡过程的稳定性。 防止控制系统执行机构的加速磨损与乘坐舒适性的降低。 q l 1 2 1 2 f i g 2 1s i n g l e p a r a m e t e rs h i f ts c h e d u l e 图2 一l 单参数换挡规律