（机械设计及理论专业论文）amt车辆电控系统开发与研究.pdf

中文摘要 摘要 电控机械式自动变速器( 触江t ) ，不但具有液力自动变速器操纵方便的优点， 而且保留了原手动变速器齿轮传动效率高、成本低、结构简单、生产继承性好的 特点，成为我国变速器发展的主要方向。a m t 换档品质的研究是a m t 技术体系 研究中较关键的一环，它的好坏真接影响到a m t 在市场上的竞争能力。本文结合 “长安之星 a m t 项目的开发，主要进行了以下几个方面的研究工作： 对a m t 系统总体方案进行研究，在分析开发a m t 系统的手动变速车辆 的结构和性能参数进行分析的基础上，根据手动变速器结构，确定了a m t 液压控 制系统方案、换挡执行机构、离合器机构方案、控制系统软硬件的总体方案。 设计开发了“长安之星 a m t 车辆的电控液压选换挡执行机构和离合器执 行机构，并对执行机构结构及控制原理进行了分析研究。 a m t 研究开发技术体系中换档规律和离合器接合规律是核心，它们对a m t 换档品质的影响也最大，本文重点研究这两者对换档品质的影响，在此基础上制 定“长安之星 a m t 的换档规律和离合器控制策略。 进行了a m t 电控系统硬件开发，研究了硬件系统元器件的设计和选择对 a m t 换档品质的影响；根据硬件设计的原则，完成了系统主要芯片的选型，各功 能模块的具体电路实现；分析了c a n 总线通信特点，设计了c a n 通信的硬件电 路；进行了系统传感器的选型，并对主要的传感器进行了选型分析；对硬件系统 的电磁兼容性和抗干扰性进行分析设计，- 并有效的应用于本系统的电路设计和 p c b 板设计中。 进行了a m t 系统控制软件开发，采用模块化设计思想，完成了主控程序、 离合器控制程序、c a n 控制程序的设计。 搭建了a m t 系统实验台架，开发了可进行各执行机构的测试的上位机控 制系统和试验数据采集系统，进行了执行机构台架测试；在开发的长安之星a m t 样车上进行了起步、换档试验和道路行驶性能试验。 关键词：a m t ，动力传动系统，综合控制策略，c a n 总线 英文摘要 a bs 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 ni sat y p eo fp r o d u c tf i tf o ro u rn a t i o n a l c o n d i t i o na n dw i l lb e c o m et h em a i nd i r e c t i o nw h i c ho u rc o u n t r y st r a n s m i s s i o ng e a r b o x w i l l d e v e l o p ，w h i c hh a st h e m e r i tn o to n l yo fa u t o m a t e dt r a n s m i s s i o n se a s i e r o p e r a t i o nb u ta l s oo f t h eq u o n d a mm a n u a lt r a n s m i s s i o n sh i 曲l ye f f i c i e n tg e a rd r i v e ，t h e l o wc o s t ，t h es i m p l es t r u c t u r ea n dt h eg o o dm a n u f a c t u r eh e r i t a g e a m ts h i f tq u a l i t y r e s e a r c hw a st h ec r u c i a lk e yp o i n ti nt h ea m t t e c h n o l o g ys y s t e m ，a n di th a dt h ed i r e c t e f f e c t0 1 1t h ec o m p e t i t i v e n e s so ft h ea m t t h i sp a p e rb a s e do nt h e “c h a n g a ns t a r a m t p r o j e c ta n dc o n t a i n st h er e s e a r c hc o n t e n t ss h o w na sf o l l o w s ： a tf i r s t , r e s e a r c h e da m ts y s t e mp r o g r a ma n di d e n t i f i e dt h eh y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e m ，s h i f t i n gi m p l e m e n t i n ga g e n c y ，c l u t c he x e c u t i n ga g e n c y , h a r d w a r ea n d s o f t w a r e p r o g r a mo ft h ea m t c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s a n a l y s i so ft h eo r i g i n a lm a n u a lt r a n s m i s s i o nv e h i c l e s h i f tl a wa n dc l u t c he n g a g e m e n tl a wa r et h ec o r et e c h n o l o g yi nt h ea m t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g ys y s t e m i th a dt h eg r e a t e s ti m p a c to nt h ea m t s h i f tq u a l i t y t h e r e f o r e ，h o wt h es h i f tl a wa n dc l u t c he n g a g e m e n th a v ei m p a c to nt h e a m ts h i f tq u a l i t yw a st h ef o c u so ft h i sp a p e ra n dh o wt h es h i f tt i m i n gh a si m p a c to l l s h i f tq u a l i t yw a sa l s ob ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r a n da t t a i n e dt h eb e t t e rs h i f tl a wa n d c o n t r o ls t r a t e g yo ft h e c h a n ga ns t a r s t u d i e dh o wt h ea m tc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ec o m p o n e n td e s i g na n ds e l e c t i o n i m p a c to nt h es h i f tq u a l i t yf o rt h ef i r s tt i m e a c c o r d i n gt oal a r g en u m b e ro fc a l c u l a t i o n , a m tc o n t r o ls y s t e mc o m p o n e n th a db e e ns e l e c t e de f f e c t i v e l ya n dg e tt h eb e r e rs h i f t q u a l i t y s t u d i e dt h ei m p l e m e n t a t i o np l a nw h i c hr e a l i z e st h ej i o n tc o n t r o lo fe c ua n d t c u ，a n da n a l y s i n gt h ea c t i v ei m p a c to fa m t s h i f tq u a l i t yt h e o r e t i c a l l y k e y w o r d s ：a m t ，p o w e rt r a i n ，s h i f tl a w ，i n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g y ，c a nb u s h i 学位论文独创性声明 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。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了谢 意。 学位论文作者签名：移新习够 导师签名： 士学 程 刊( 签字日期：乒哆多j 7 签字日期：矽矽。占厂 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 童 期 硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：殛日笠 导师签名： 加7 年形月帕 备注。审核通过的涉密论文不得签署“授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是；涉密期限至年一月一日。 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的来源和意义 目前汽车自动变速器主要有液力机械自动变速器( a t ) 、机械无级自动变速 器( c v t ) 和电控机械自动变速器( a m t ) 三种形式。液力机械自动变速器是以 液力变矩器和行星齿轮变速器串联为特征，具有结构紧凑、传动平稳、换档冲击 小等特点。机械无级自动变速器( c ) 克服了a t 自动变速器固有的齿轮传动比 不连续和零件数量过多的缺点，具有传动比连续、传递动力平稳、操纵方便等特 点，真正实现了无级变速【l j 。 前两种自动变速器虽有很多优点，但结构复杂、制造困难、成本高。电控机 械式自动变速器技术是自动变速器的一个重要发展方向，是在传统固定轴式齿轮 变速箱的基础上，把选档换挡、离合器分离结合及发动机供油操纵用以微处理器 为核心的控制器进行控制，通过执行机构实现的自动变速器，其基本功能有档位 决策功能和换挡、起步的自动操纵功能。a m t 不仅保留了原手动变速器传动效率 高、成本低和易于制造等优点，而且还具备了自动换档功能，从而减轻驾驶操纵 强度，提高了行车安全性。目前国内尽管对a m t 的理论研究有很多，但是在产业 化研发上还存在很多问题，其中比较突出的问题是a m t 控制系统的研发问题。本 课结合重庆青山工业公司a m t 自主开发项目，对机械自动变速器( a m t ) 控制 系统软硬件进行开发研究，为a m t 的产业化提供重要的参考依据【z j 。 1 2 蝴t 国内外研究现状 机械式变速器的自动控制研究始于2 0 世纪7 0 年代，是在传统固定轴式变速 器和干式离合器的基础上，应用电子技术和自动变速理论来实现机电一体化协调 控制。通过控制离合器的分离与结合、变速器选档和换档操作以及发动机节气门 的调节，来实现车辆起步、换档的自动操纵。a m t 的发展可以分为三个阶段。 第一阶段是半自动的s a m t 阶段： 瑞典s c a n i a 的c a g 系统、美国e a t o n 的s a m t 系统均采用了机械变速器的半 自动操纵方式，其实质是辅助换档系统，即由电子控制系统实现换档，而换档时 刻由驾驶员踩离合器踏板来确定，电子显示器可提示驾驶员何时为最佳的换档时 刻。但它们仍然不能取消离合器踏板，实现传动系的全自动操作。同一时期，白 俄罗斯工学院研究采用了二参数换档规律自动变速系统，它由控制系统自动完成 档位与换档时机的选择，并可像驾驶员手动操纵一样，利用发动机的调速实现换 档的同步。但在起步时，它们仍没有取消离合器踏板而实现全自动操纵。 重庆大学硕士学位论文 第二阶段是全自动a m t 阶段： 1 9 8 4 年日本i s u z u 公司将名为n a v i 5 的电控机械自动变速器投放市场，这 是世界上第一种实用的全自动机械变速器。继日本之后，美国的f o r d 公司、e a t o n 公司、法国的雷诺r e n a u l t 公司、德国的z f 公司、意大利的f i a n t 公司相继实现了 机械变速器的自动化。2 0 0 0 年德国大众装用m 的l o p u 车上市，受到了用户的 欢迎。全自动a m t 已经进入了商品化和实用化。研究的重点是自动离合器、换档 控制和换档策略。 第三阶段是智能化i a m t 阶段： 随着机械自动变速器在使用中各种问题的出现和人们对车辆性能要求的不断 提高，人们引入了各种新的检测控制技术来改善自动变速器性能，使档位决策及 换档控制对于路面环境、驾驶员特点、驾驶员意图更具有适应性垆6 。目前，a m t 在离合器控制和档位决策方面采用模糊逻辑，模仿熟练司机驾车中的相应操纵以 改善起步、换档过程中离合器结合控制特性和档位控制的适应性。神经网络方法 也被引入a m t 的档位决策和控制中。通过g p s 获取更多路面特征信息以提高 a m t 对路面的适应性，a m t 电控系统与发动机电控系统一体化以增加信息共 享、协调控制能力，以及实现整车控制系统网络化等思想也受到重视。 近年来a m t 技术得到了汽车发达国家和汽车产业领先企业的高度重视，世界 上处于行业领导地位的汽车零部件商和整车制造商都投入了大量的资金和技术进 行这一领域的技术研发，并且在应用中取得了较大的突破【3 l 。 从世界范围来看，a m t 技术是自动变速的一个重要发展方向，其运用率正逐 步上升，并得到了用户的认同。从上世纪9 0 年代开始，美国、德国生产的重型车 开始使用电控机械式自动变速器( a m t ) ，从而使复杂多变条件下工作的重型车 辆的换档品质和起步性能得到提高。为进一步提高a m t 技术，国外正着手a m t 的智能化研究m j 。 国内对a m t 的研究起步较晚，始于8 0 年代中期，政府对发展汽车a m t 技术 也给予了大力的支持，从“九五 开始，在国家科技攻关计划，期间得到了国家 自然科学基金项目、国家火炬预备项目和国家科技九五重点攻关项目等资助。各 省市科委科技资金中，都投入资金，安排了a m t 技术的攻关研究和产业化推广科 研项目。通过多年的不懈努力，我国已经在a m t 的一些关键技术上取得了一定的 突破，培养了一批从事a m t 技术研究的骨干力量，为我国“十一五”期间在a m t 技术领域取得重大技术突破奠定了良好基础，北京理工大学、华崴集团、吉林大 学等多家单位在a m t 的开发中都取得了丰硕的成果。目前a m t 理论研究已经相 对成熟，关键问题是解决产业化的工程性问题，以尽快实现a m t 的产业化。国内 整车和变速器生产厂商目前就a m t 的产业化进行了大量的攻关工作，目前已经解 2 1 绪论 决了a m t 产业化的大部分问题，但是在a m t 控制系统上目前难以取得突破，所 以a m t 产业化控制系统只能依赖于国外的技术，这将提高a m t 产业化成本，丧 失a m t 生产厂家的自主性。因此，加强对a m t 控制系统的研发显得尤为重要和 迫切。经过多年的研究与开发，a m t 技术有了很大的提高。现代a m t 不仅换挡 程序更加符合驾驶员的意愿，而且还利用现代控制方法，解决特殊环境下变速程 序的复杂问题，使控制能力及可靠性大幅度提高。其主要特点是一机( 微机) 多参数、 多规律性的控制。多参数指输入电控单元的控制参数多元化，即控制参数不仅有 发动机转速、车速、节气门开度等信号，而且包含发动机、变速器工作环境和行 驶条件等信息，全面的反映发动机和变速器的实际工作情况；多规律是指控制器 中存储多种不同的换挡规律，如各种行驶条件下的最佳经济性、最佳动力性和最 佳排放量性能等，可按需要调用相应的规律实现最佳控制，使发动机和变速器在 不同节气门开度和各种行驶环境下都能处于最佳工作状态 4 1 。 但是，在a m t 产业化过程中，由于力量分散，投资不足，路况采集不充分， 实验数据不够。部分国产零部件的可靠性和耐久性差距较大，且缺乏a m t 技术行 业评价标准，缺乏整车和发动机企业的密切配合、缺乏社会资源的整合、缺乏政 策的有力支持，迄今为止，我国自主品牌的a m t 的研发仍停留在样机阶段。尚未 形成产业化，仅有奇瑞q qe z d r i v e 一款车装备了引进意大利马瑞利公司的a a 4 t 技术。 a m t 因其具有自动换档的功能，能大幅提高离合器、同步器寿命( 先进的 a m t 技术还可实现无离合器和无同步器下的自动换档) 和行车安全性，且保留了 传统有级机械变速器传动效率高、体积小、机构简单、使用可靠、易于制造、成 本低、燃油消耗少和维护与使用费用低等诸多优点，特别适合我国国情。可以预 见，在高环保要求和高油价压力的作用下，a m t 必将具有非常广阔的市场前景， 这为a m t 产业化提供了巨大的市场需求。 1 3a m t 的结构原理与组成 a m t 按照其对发动机控制方式的不同，可分为柔性控制结构a m t 和刚性控 制结构a m t 。刚性结构a m t ，其加速踏板与油门之间有固定的机械联接，不存 在油门执行机构。所以必须采用某种附加形式控制发动机( 例如控制发动机的点 火或喷射装置的喷油量) 才能实现自动变速。目前自动波车中的“巡航 功能也 不能在这种结构中实现。由于这种结构的缺陷性，所以目前国际上广泛研究的是 柔性控制结构d b w ( d r i v e b y w i r e ) 的a m t ，在柔性控制结构中加速踏板只相 当于一个控制系统传感器，它将驾驶员意图转变为电信号，输入给e c u ( 发动机 电控单元) ，由e c u 按照一定的控制规律指令油门执行机构动作来控制发动机，“电 3 重庆大学硕士学位论文 子油门 为柔性结构的典型例子。图1 1 所示为柔性控制结构a m t 系统流程原理 图。 图1 1a m t 基本控制原理图 f i g1 1a m t b a s i cp r i n c i p l eo fc o n t r o l a m t 控制的基本原理是：电子控制单元( t c u ) 根据驾驶员的意图( 油门踏 板、转向盘和选挡器的操纵) 和车辆的运行状态( 车速、发动机转速和变速器输 入轴转速) 综合判断，采用相应的控制规律( 换挡规律、离合器接合规律等) ，发 出控制指令，借助于相应的执行机构( 离合器分离与接合执行机构、变速器选换 挡执行机构和油门控制执行机构) ，对车辆的动力传动系统( 发动机、离合器和变 速器) 进行联合操纵，从而获得优良的燃油经济性与动力性能，完成车辆的平稳 起步和自动换挡。a m t 通过电动、液动或气动执行机构对选换挡机构、离合器、 油门进行操纵，取代了原来由驾驶员人工完成离合器分离与接合、换挡手柄的摘 挡与挂挡及变更发动机的油门开度的同步调节等操作，由于原有机械传动结构基 本不变，所以具有传动效率高、结构紧凑及工作可等优点p 】。 a m t 控制系统从特性上可以分成软件部分和硬件部分，硬件部分主要包括执 行机构、传感器、电控单元( t c u ) 三大部分。软件部分从功能角度可以分成底层 驱动程序、操作系统与支撑性程序以及应用层程序，其中应用层程序又可以分成 4 l 绪论 执行层程序和控制策略两大部分。 执行机构由选、换档执行机构，离合器执行机构，油门执行机构组成( 刚性 a m t 不需油门执行机构) 。油门执行机构一般采用步进电机、磁电式电机驱动油 门或采用成熟的电子油门产品。选、换档和离合器执行机构有气动式和液动式两 种，如果车辆原有气压系统，则用气动方案可共用气源，使成本降低。图1 2 所 示是a m t 液压执行机构系统图。 56789 1o 1 动力源2 压力继电器3 压力表4 蓄能器5 换档液压缸6 两位三通阀 7 换位液压缸8 两位二通常闭阀9 两位二通常开阀l o 离合器液压缸 图1 2a m t 液压执行机构系统图 f i g1 2 a m t h y d r a u l i ci m p l e m e n tm a c h i n e a m t 控制系统使用到的传感器包括速度传感器( 发动机转速传感器、输入轴 转速传感器、车速传感器) 、节气门位置传感器、档位传感器等。使用传感器的情 况如表1 1 所示。 重庆大学硕士学位论文 表1 i 主要结构性能参数 t a b l e1 1m a j o rs t r u c t u r a lp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s 电控部分t c u 板( 含c p u 、r o m 、r a m 、i o 接口等) 、线速等。t c u 板 主要由电源、中央处理器、存储器、输入电路及输出电路几部分组成。与液力机 械自动变速器相比，它要求更高，控制难度更大。因为个类传感器的增加，使得 输入电路变得复杂。t c u 板具有两个功能，一个是监测管理，完成车辆状态监测、 档位判断和运行状态决策；另一个是实现具体的控制操纵，既完成起步、换档过 程中发动机、离合器、变速器的控制及运行中油门与油门踏板的随动控制。有的 a m t 使用主从机t c u 结构有以下两个优点：一是从安全方面考虑，一旦主机发 生故障不能工作，可以自动切换到从机继续进行控制。二是从提高实用性考虑把 发动机与离合器和变速器的控制分离出来单独控制，以改善性能和使编程简化。 线束是依据电路中电路中电流的大小以及抗干扰要求的情况选择线径的粗细和种 类、并依据维修的方便和整车安装的要求选择线的颜色和长短，并在适当的位置 设定分支和插接头【6 】。可将一些保险和继电器也化为线速范畴。 1 4 本文研究的主要内容 本文结合“长安之星”a m t 产业化开发项目，进行以下几个方面的研究工作： 对a m t 系统总体方案进行研究，在分析开发a m t 系统的手动变速车辆 的结构和性能参数的基础上，根据手动变速器结构，确定a m t 液压控制系统方案、 换挡执行机构、离合器机构方案、控制系统软硬件的总体方案。 设计开发“长安之星a m t 车辆的电控液压选换挡执行机构和离合器执 行机构，对执行机构结构及控制原理进行分析研究。 6 1 绪论 a m t 研究开发技术体系中换档规律和离合器接合规律是核心，它们对a m t 换档品质的影响也最大，本文重点研究这两者对换档品质的影响，在此基础上制 定“长安之星 a m t 的换档规律和离合器控制策略。 进行a m t 电控系统硬件开发，研究硬件系统元器件的设计和选择对a m t 换档品质的影响；根据硬件设计的原则，完成系统主控芯片的选型，各功能模块 的具体电路实现；分析c a n 总线通信特点，设计c a n 通信硬件电路；进行系统 传感器的选型，并对主要的传感器进行了选型分析；对硬件系统的电磁兼容性和 抗干扰性进行分析设计，并有效的应用于本系统的电路设计和p c b 板设计中。 进行a m t 系统控制软件开发，采用模块化设计思想，完成主控程序、离 合器控制程序、c a n 控制程序的设计。 搭建a m t 系统实验台架，开发可进行各执行机构的测试的上位机控制系 统和试验数据采集系统，进行执行机构台架测试；在开发的长安之星a m t 样车上 进行起步、换档试验和道路行驶性能试验。 7 2a m t 控制系统方案设计 2a m t 控制系统方案设计 a m t 系统总体方案是决定a m t 车辆性能和控制效果的关键，a m t 系统是在 手动变速车辆平台基础上开发的，根据所要开发的车辆结构及开发要求，制定总 体方案是进行a m t 系统开发设计的基础。总体方案包括a m t 控制系统总体方案、 换档执行机构和离合器执行机构方案、液压系统方案、电控系统硬件和软件方案。 本章首先对用于开发a m t 系统的手动变速车辆的结构和性能参数进行分析，根据 手动变速器结构，确定a m t 总体方案、换档执行机构、离合器机构以及控制系统 方案，为控制系统的设计开发制定奠定基础。 2 1 总体性能目标 本项目以装备在“长安之星上的手动变速器m f 51 4 a 0 1 为基础进行蝴t 系 统设计开发。开发的平台决定了所开发的a m t 的性能指标，而设计的总体方案是 建立在所设计的性能目标基础之上的，过高的设计目标将增加设计的难度和开发 风险，过低的设计目标就无法最大限度地优化a m t 的控制系统方案。 本项目是以产业化为目标的设计研发，所以进行设计开发时，不仅仅要考虑 所设计的方案的技术可行性，还要考虑开发的成本等产业化因素。项目开发设计 要求和性能指标确定如下： 结构简单，易于安装，维修保养方便； 性能可靠，具有良好的控制性能； 变速器免维护寿命1 2 万公里； 整车设计目标寿命是2 0 万公里； 换档准确，可靠，换档时间为0 4 s t 噪音等级评定以及测试条件同本体变速器m f 5 1 4 a 0 1 ； 传动效率同本体变速器m f 5 1 4 a 0 1 ； 所设计开发的a m t 变速器换档、换位执行机构试验和离合器分离机构试 验达到试验流程中的评价要求。 2 2 整车结构及性能参数 本项目以装备m f 51 4 a 0 1 变速器的“长安之星”微车为对象进行设计开发。 整车结构与性能参数如表2 1 。 9 重庆大学硕士学位论文 表2 1 主要结构性能参数 t a b l e2 1m a j o rs t r u c t u r a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s 2 3a m t 控制系统方案 2 3 1a m t 控制系统总体方案 a m t 在传统手动变速器的基础上发展而来，并且应用电子技术和自动变速理 论，以电子控制单元( t c u ) 为核心，通过相应的执行机构控制离合器的分离和 接合、选换档操作，通过电子装置控制发动机的供油，实现起步、换档的自动控 制。a m t 控制的基本思想是：根据驾驶员意图( 油门开度信号、制动踏板信号、 操纵手柄信号等) 和车辆运行状态( 发动机转速信号、输入轴转速信号、车速信 号、档位信号) ，依据合适的控制规律( 换档控制规律等) ，借助于相应的执行机 构( 离合器执行机构、选换档执行机构) 和电子装置( 发动机节气门控制电子装 置) ，对车辆的动力传动系统( 发动机、离合器、变速器) 进行协调控制，完成车 辆的平稳起步和自动换档。控制系统的总体结构方案如图2 1 所示。 1 0 2a m t 控制系统方案设计 圈2 1a m t 控制系统示意图 f i g2 1 a m te o n h o ! s y s t e m 2 3 2 液压系统方案 换档执行机构和离合器执行机构采用电控渡动驱动方式，液压系统根据电控 单元的指令控制电磁阀，使执行机构自动地完成离合器分离、接合和变速器选换 档等动作的。电控液动的选换档系统具有能容量大、操作简便、控制精度高、响 应快、易于实现安全保护、具有一定的吸收振动与冲击的能力以及便于空间布置 等优点。 对于选换档执行机构，采用电子控制单元控制电磁阀的开关时间长短，来控 制油缸的进油量，从而控制柱塞的行程，柱塞带动选换档机构完成选换档动作， 与柱塞刚性连接的位移传感器把柱塞的实际行程反馈给电子控制单元，电子控制 单元控制系统再进一步修正柱塞行程，这样就构成了一个闭环伺服控制系统，能 确保选档和换档动作及时准确到位【7 j 。 离台器执行机构通过电子控制单元控制高速开关电磁阀的占空比，来控制油 缸的进油量或放油量，从而控制活塞杆的行程，活塞杆推动离合器分离拨叉执行 离合器的分离与结合动作，与活塞杆刚性连接的位移传感器把离舍器的实际行程 反馈给电子控制单元，电子控制单元再进一步修正活塞杆行程，保证离台器的结 合量满足控制要求。图2 2 为原车换档杆档位布置示意图。所开发设计的选换档执 行机构和离合器执行机构液压系统如图23 ，系统由液压动力源装置和执行机构两 大部分构成，液压动力源采用直流电机驱动齿轮泵供油。执行机构直接加装在机 械式变速器上，对机械变速器几乎没有改动，体积小，螺栓固定易于安装。该换 挡执行机构结构紧凑，整体性好，易制造，成本低，闭环伺服控制系统又能实现 重庆大学硕士学位论文 高精度的控制，可靠性高。 图2 2 原车档位布置示意图 f i g 2 2a m ts h i f tl a y 2 3 3 离合器执行机构方案 长安之星轿车离合器是膜片弹簧离合器，主要由飞轮1 、从动盘2 、压盘3 、 分离轴承4 、离合器盖5 、膜片弹簧6 、支承片7 等几个部分组成。其结构图2 4 所示。 5 l 动力源2 压力继电器3 压力表4 蓄能器5 换档位移传感器6 换档液压缸 7 两位三通阀8 换位液压缸9 选档位移传感器l o 两位三通电磁阀阀 1 l 离合器位移传感器1 2 离合器液压缸1 3 常开高速开关阀1 4 、1 5 常闭高速开关阀 图2 3a m t 液压系统图 f i g 2 3 i m p l e m e n tm a c h i n eh y d r a u l i cs y s t e ms u u c t u r ed i a g r a m 1 2 2a m t 控制系统方案设计 离合嚣执行机构组件包含：离合器液压缸集成块、离合器柱塞、电磁阀、传 感器。操纵机构采用液压驱动方式。电控系统控制电磁阀的开关。从而控制高压 油进入油缸，高压油推动离合器柱塞，柱塞推动离台器拨叉，实现离合器的分离： 电控系统控制电磁阔使油缸放油，柱塞液压推力消失。在离舍器膜片弹簧力作用 下实现离合器的结合。 离台器执行机构通过油管与选换档执行机构和动力源相连通，执行机构包括 将液压缸、位移传感器、活塞杆、球头推杆集成为一整体，通过螺钉固定在变速 器壳体上。 磐o 1 飞轮2 从动盘3 压盘4 分离轴承5 离合器盖6 膜片弹簧7 支承片 图24 膜片弹簧离台器结构 f i g 2 4 d i a p h r a g ms p r i n gc l u t c h 23 4 电控系统硬件方案 电控单元t c u 是a m t 的核心，是控制a m t 的决策者。它实时采集和检测 发动机转速、中间轴转速和车速，油门踏板位置、节气门开度变速箱油温等以 及各种状态信号，根据运行参数进行工况判断，对发动机油门实时调节、控制离 含器的分离与结合、以厘选、换档自动操作。根据a m t 控制系统的功能需求，电 控系统需要对采集来的各种传感器信息进行处理、存储，进行分析并发出执行信 号。从a m t 控制系统特点分析可知，本系统要具有传感器输入接口、传感器信号 处理功能、控制程序存储与执行功能以及执行器控制等功能【8 】。硬件系统结构图如 2 5 所示。电控系统的硬件是控制系统的基础，同时也是软件的载体。硬件主要由 微处理器模块、电源模块、输入模块和信号整形、输出模块和隔离驱动模块等组 成。 重庆大学硕士学位论文 车速传感器 发动机转速传感器 输入轴转速传感器 节气门位置传感器 离合器行程传感器 档位行程传感器 加速踏板传感器 油温传感器 档位选择传感器 刹车开关 手刹车开关 脉冲量 输入电路 模拟量 输入电路 单 片 机 及 外 扩 存 储 器 发萎銎篙和h 转速控制 l i 一i 节气门或 电子油门 离合器 执行机构 选换档 执行机构 2 3 5 系统控制软件方案 软件是控制系统的重要组成部分，是整个控制系统的核心，系统硬件只有在 软件的支持下才能完成其控制任务。控制系统的发展趋势是简化硬件结构、丰富 软件功能，从而提高系统可靠性和智能化，并有利于系统功能的扩展。根据总体 设计方案，按照模块化设计思想，对各个软件模块根据实现功能的不同进行正确 划分，以利于系统软件能根据控制功能和工作状态对各功能模块进行实时多任务 调度，满足系统总体协调控制需要。在硬件基础之上的软件系统方案如2 6 所示。 曰囡 l 操作系统i i 硬件驱动i i 引导程序l l 诊断管理i a m t 功能软件 量产支持软件 低层驱动 图2 6 软件系统结构图 f i g2 6s o 脚a 陀夥s t e ms 口u c t u r ed i a g r a m 1 4 2a m t 控制系统方案设计 2 4 本章小结 本章主要对汽车a m t 系统总体方案进行了研究，在分析开发a m t 系统的手 动变速车辆的结构和性能参数的基础上，根据手动变速器结构，确定了变速a m t 液压控制系统方案、换挡执行机构、离合器机构方案、控制系统软硬件的总体方 案。 3 执行机构开发与结构原理分析 3 执行机构开发与结构原理分析 执行机构是a m t 系统中执行控制指令的重要环节，其性能直接影响到整个系 统乃至整车的性能。在机构设计中需要考虑速度、力、精度、可靠性、工艺、成 本、结构、响应速度、效率等诸多设计要求”。选换挡执行机构和离合器执行机构 结构如图31 所示，由电磁阀、液压缸和位移传感器等三大部分组成。 1 换档位移传感器2 进回油口3 换档液压缸4 防尘罩5 换档拨卫 6 换档摇臂7 选档拨叉套8 防尘罩9 选档液压缸1 0 固定螺栓 1 l 选档位移传感器1 2 离台器位置传感器1 3 离台器控制电磁阀1 4 离合器液压缸 1 5 离合器推杆机构1 6 离台器分离揎叉1 7 油管1 8 选换档电磁阀 圈3 i 执行机构结构 尉邸ii m p l e m v n t m a c h i n e t h r - d i m e n s i o n a l d i a g r a m 设计开发的选换档执行机构与离合器执行机构通过螺栓安装在变速器壳体 上，与变速器构成一个整体( 图32 ) 。 重庆大学硕士学位论文 图3 2 执行机构在变速器上的布置 f i g3 , 2 i m p l e m e n t m a c h i n ea r r a n g e m e n t o i l t h e a m t 3 1 选换档执行机构 3 11 选换挡执行机构结构 选换档执行机构由集成在一体的两根垂直布置的液压缸分别驱动抉档轴的轴 向运动和转动，推动选档拨叉套移动和换档摇臂摆动，完成选挡动作和换档动作。 在选档液压缸和换档液压缸的后端盖上分别安装位移传感器，实时检测选档缸和 换档缸的位移。选换档执行机构电磁阀为插装式二位三通电磁换向阀，直接装配 在执行机构本体上。选档液压缸和换档液压缸都采用前后腔进油结构，选档缸活 塞杆小端与选档位移传感器拉杆联为一体，大端与选档拨叉套用销连接，换档活 塞杆小端与换档位移传感的拉杆联为一体，大端与换档拨叉用销连接。 31 2 选换挡执行机构控制原理 设计开发的选换档执行机构剖视图和实物照片如图3 3 和图3 4 所示。执行机 构采用四个电磁阀来控制选档缸柱塞及换档缸柱塞的动作过程，选档缸的前、后 端进油口通过系统油路分别与两个电磁阀的中部油口相连通；换档油缸的前、后 端进油口通过系统油路分别与另两个电磁阀的中部油口相连通；四个电磁阀的前 端进油口与系统的进油油路相连通，后端回油口与系统的回油油路相连通。其中 选档缸为前后腔进油结构。 3 执行机构开发与结构原理分析 图3 4 选换档执行机构实物图 f i g3 4 a u t o s h i f ti m p l e m e n tm a c h i n e 选换档执行机构采用电子控制单元控制电磁阀的开关时间长短来控制造换档 油缸的进油量，通过进油量来控制柱塞的行程，柱塞带动选换档机构完成选换档 动作；选档柱塞和换档柱塞可毗准确运动到三个确定位置，选档和换档柱睾的运 动带动设置在选档和挟档位移传感器的滑动件，选换档位移传感器即能采集到这 三个确定位置的数据，与柱塞刚性连接的位移传感器把柱塞的实际彳亍程反馈给电 控单元，电控单元控制系统再进步修正柱塞行程，这样就构成了一个闭环伺服 控制系统，即能确保选档和换档动作及时准确位。 换档过程如图35 、图3 6 、囤3 7 、图38 、图3 9 、图3 1 0 、图3 1 1 所示。在 离合器保持分离状态下，电控单元向电磁阀s 发送驱动信号，选档缸7 右端油口 与压力油道连通，右端进油，左端回油，选档缸柱塞向左运动，选档行程传感器 重庆大学硕士学位论文 将选档柱塞的实际行程反馈给电控单元，若选档柱塞未达到要求的n 1 2 位，则继 续重复上述过程，直至达到n 1 2 位，电磁阀5 断电；接着电磁阀4 通电，换档缸 1 后端进油，前端回油，换档缸柱塞向前运动，换档行程传感器将选档柱塞的实际 行程反馈给e c u ，若选档柱塞未达到要求的1 档位，则继续重复上述过程，直至 达到l 档位，电磁阀4 断电，变速器进入1 档。 类似的，选档进入n 2 4 位，换档分别进入3 档位和4 档位，变速器分别换到 3 档和4 档；选档进入n 5 r 位，换档分别进入5 档位和r 档位，变速器分别换到 5 档和r 档。传感器实时反馈柱塞行程，可实现精确控制选换档动作准确到位。 t 口 口 图3 5 换一档动作过程 f i g3 5f i r s tg e a rs h i f t i n gp r o c e s s 图3 6 换二档动作过程 f i g3 6 s e c o n dg e a rs h i f t i n gp r o c e s s 3 执行机构开发与结构原理分析 图3 7 换空档动作过程 图3 8 换三档动作过程 图3 9 换四档动作过程 2 1 重庆大学硕士学位论文 图3 1 0 换五档动作过程 f i g3 1 0f i f t hg e a rs k a m gp r o c e s s 图3 1 1 换倒档动作过程 f i g3 11r e v e r s eg e a rs h i i t i n gp r o c e s s 3 2 离合器执行机构 3 2 1 离合器执行机构结构 离合器执行机构由液压缸、高速开关电磁阀、位移传感器构成，通过油管与 选、换档执行机构、动力源相连通。位移传感器用固定螺栓固连在液压油缸的后 端；活塞杆的一端与位移传感器的滑动件刚性连接在一起成一整体件，另一端穿 在所述液压油缸内；球头推杆穿在液压油缸内，其球头端顶在同穿在液压油缸内 的活塞杆的凹槽内，另一端与球头螺帽呈螺纹连接，并用锁紧螺母锁紧；球头螺 帽的球头端顶在拨叉滑块的凹槽内并用异型卡圈固定( 图3 1 2 ) 。 工作原理如下：电控系统控制高速开关电磁阀的通断，从而控制高压油进出 油缸，高压油推动离合器柱塞，柱塞推动离合器拨叉，实现离合器的分离；电控 系统控制油缸放油，柱塞推力消失，离合器弹簧推动离合器实现离合器的结合。 3 执行机构开发与结构原理分析 】o l 执行机构壳体2 离合器油缸3 位移传感器4 活塞杆5 离合器拨叉推杆6 球头推杆 7 调节螺母8 离合器拨叉滑块9 阀体1 0 进油口1 2 进油电磁阀1 3 、1 4 放油电磁阀 图3 1 2 离合器执行机构剖视图 f i g3 1 2c u t a w a yv i e wo f t h ec l u t c hi m p l e m e n tm a c h i n e 液压油缸为后腔进油结构，其后端设置有进回油口，其进油由一个常闭两位 两通阀控制，放油由两个常开两位两通阀控制。在离合器执行机构上设置有电磁 阀控制油道，该离合器执行机构通过所述电磁阀控制油道、油管与所述的选、换 档执行机构、动力源相连通。 由于将离合器的液压油缸、位移传感器、活塞杆、球头推杆集成在所述本体 上成一整体件，与现有采用上、下阀板组成的集成流道板型式，通过空心螺钉进 行连接固定的离合器相比，具有结构紧凑、成本低、易制造的优点。由于将活塞 杆与所述位移传感器的滑动件连在一起成一整体件，与现有的离合器的位移传感 器以独立元件装配在活塞杆上相比，减小了装配误差，提高了位移传感器的精确 度。 本设计具有结构紧凑、整体性好、易制造、成本低，闭环伺服控制系统又能 实现高精度的控制，因此，可靠性高；该离合器执行机构与选、换档执行机构配 套使用并共用同一动力源，对机械变速器几乎没有改动，保留了机械变速器传动 重庆大学硕士学位论文 效率高的优点，对于机械式变速箱的不同结构，该装置均能通用 图31 3 离合器执行机构实物图 f i 9 3 1 3 c l u t c h l m p k m t l t m a c h i n e 离台器油缸为后腔进油结构，其进油由一个常闭两位两通阀控制，放油由两 个常开两位两通阀控制；在其后端设置有进回油口；所述的离合机构上还设置有 电磁阁控制油道。 离合器执行机构通过电子控制单元控制电磁阀的开关时间长短来控制离合器 油缸的进或放油量，从而控制活塞杆的行程，活塞杆推动离台器完成离台器的分 离与结合动作：与活塞杆刚性连接的位移传感器把柱塞的实际行程反馈给电子控 制单元，电子控制单元控制系统再进一步修正活塞杆的行程，以保证离合器的结 合量满足控制的要求；离舍器活塞杆的回复由离台器膜片弹簧完成。 3 2 2 离合器执行机构控制原理 按照离台器控制要求，离合器执行机构工作过程如下： 分离：电磁阀1 2 开启，电磁阀1 3 、1 4 关闭，压力油进入液压油缸2 推动 活塞杆4 ，活塞杆4 推动球头推杆5 ，球头推杆5 推动球头螺帽6 ，球头螺帽6 带 动拨叉滑块8 ，拨叉滑块8 带动分离拨叉向离合器分离方向运动，直到完成离合器 分离动作，使离合器分离： 保持分离：电磁阀1 2 、1 3 、1 4