（车辆工程专业论文）机械式自动变速器电控电作动系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 电控机械式自动变速器( 躺ta 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 ) 是在传 统固定轴式齿轮传动变速器的基础上，采用电子控制，将离合器操纵机构和手动换 档机构实现自动化，实现车辆自动变速。现代a m t 系统较以前相比有很大不同，不 是简单的完成变速器自动换档，而是对整个动力总成进行综合控制。国内研究机构 往往仅对组成a m t 系统某一子系统进行研究，很难从总体上把握a m t 的系统结构， 有局限性。本文将动力总成视作一个整体进行a m t 系统研究，以期为后续研究工作 提供基本理论，奠定基础。 文中介绍了目前最常用自动变速器及其特点，分析了发展a m t 的重要意义。以 l u k 公司的产品发展过程为例，详细介绍了a m t 技术发展的历史和趋势和国内外目 前的研究现状。 对与a m t 工作过程密切相关的其他电子控制系统的的工作原理及其对换档品质 的影响做了详细的说明。结合升档过程详细阐述了换档过程中如何控制多个电子控 制系协同工作，提出了初级a m t 系统组成原理方案。鉴于工作过程中多个电子系统 必须实时通讯，对c a n 总线进行了简要的介绍。 自动执行机构对换档品质有很大的影响，是a m t 的关键技术。在分析原有车型 传动系统的基础上，选购合适的电机及其驱动器，分柝其运行特性，完成了切实可 行的自动执行机构方案设计。 根据a m t 的工作要求选择恰当的输入和输出参数，设计出初级t c u 硬件控制 方案，已最小系统为中心，设计出满足输入和输出使用要求的外围电路，完成t c u 的硬件制作。通过对车辆常用工况进行分析，提出相应的控制方法和手段，确定 a m t 系统所应该具有的功能，编写出相应的程序，完成初级t c u 所应具有的基本输 入和输出控制。此间利用传统车辆变速理论以特定的车型和发动机为原型计算得到 了动力性换档规律，可以检验所设计的硬件电路，满足仿真试验需要。 关键词： a m t自动变速t c u 电作动执行机构 a b s t r a c t a b s t r a c t a m 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 ) d i f f e r sf r o mt r a d i t i o n a l s h a f t - f i x e d g e a rt r a n s m i s s i o ni n t h ew a yo fe l e c t r o n i cc o n t r o lw h i c ha u t o m a t e sc l u t c ha n ds h i f t o p e r a t i o n m o d e ma m ts y s t e m ( o n t r o l sn o to n l y s h i f t o p e r a t i o nb u ta l s o o v e r a l l p o w c r t r a i ns y s t e mi n t e g r a t e l y f o r m i y , a m tr e s e a r c h e sa r e l i m i t e di no n eo fo t h e r s u b s y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h ep o w e r t r a l ns y s t e mi s t a k e na saw h o l et os t u d ya m t m e c h a n i s m ，w h i c hl a y sag r o u n df o r t h ef u t u r er e s e a r c h e si nf u n d e r m e n t a lt h e o r y f i r s t ，at y p eo fm o s to f t e nu s e da m t i si n t r o d u c e d t a k el u k sp r o d u c tf o re x a m p l e ， t h ea m t sh i s t o r yo fd e v e l o p m e n t ，c u r r e n tr e s e a r c hl e v e la n df u t u r em s e a r c ht r e n da r e p r e s e n t e di nd e t a i l t h ea m td e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e ma n di t se f f e c to ns h i f tq u a l i t ya r ee x p h i n e d i n c o n j u n c t i o nw i t h ( s h mu p ) ，t h ec o n t r o lo nm u l t i p l ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e d a n dt h u st h ea m tc o n f i g n m t i o na n dm e c h a n i s ma r cf o r m e d a u t o m a t i co p e r a t i n gm e c h a n i s mi st h ek e yt e c h n i q u ei na m ts y s t e m ，h a v i n ga d o m i n a n te f f e c to ns h i f t q u a l i t y a na u t o m a t i co p e r a t i n gs c h e m ei s d e s i g n e da n d a c c o m p l i s h e db yp u r c h a s i n gr e l a t i v eo p e r a t i n g m o t o ra n da n a l y z i n gi t sc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt oa m t w o r kr e q u i r e m e n t ，s u i t a b l ei n p u ta n do u t p u tp a r a n 3 e t e r sa r e s p e c i f i e d ，a n dt h eh a r d w a r et c u ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lu n i t ) i sd e s i g n e d c e n t e r e do n m i n i m u ms y s t e m ，t h ep e r i p h e r yc i r c u i ti sd e s i g n e da n dt h u st h et c ui sa c c o m p l i s h e d t h r o u g ha n a l y s i so nv e h i c l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e a n s i sp u t f o r w a r d ，a n dt h ec o d ei sp r o g r a m m e d s ot h ei n p u ta n do u t p u tc o n t r o la r ea c c o m p l i s h e d s h i f tr e g u l a r i t yc o m p u t e df r o mt h es p e c i f i cv e h i c l ea n de n g i n et e s t i f i e dt h ed e s i g no ft h e h a r d w a r ec a nf u l f i l it h en e e do f v e h i d es i m u l a t i o n k e y w o r d s ： a m t ，a u t o s h i f t ，t c u ，e l e , c t d c , a ld r i v e r ，e x e c u t em e c h a n i s m ? 辽1 0 1 3 5 9 9 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。 学位论文作者签名：芗菠龙泛 争彬叠年罗月日 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：浙 j 州降尸月沙日 f 学位论文作者签名：豫囊j 缸 射年罗月劬日 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：放囊淡 耖竹年尹月c , z o 日 第一章绪论 第一章绪论 汽车工业作为国民经济支柱产业之一，在近十几年得到了迅猛的发展。越来 越多的汽车走入了普通人的家庭，大大拓宽了人们的活动领域，加快了人们生活 的节奏，在给人们带来方便的同时，也对汽车的性能要求提出了越来越高的要 求，保护环境、节约能源、安全性、舒适性和智能性是汽车工业所必须追求的 目标。自上世纪5 0 年代以来，由于电子技术和信息技术的发展，各类以微控制 器为核心的计算机控制系统先后在汽车上的应用，从根本上改善了汽车的综合 性能，为汽车工业提供了广阔的创新空间，正成为汽车工业发展的最活跃最具 革命性的因素。 作为汽车动力传动系统关键部件的变速器，其主要任务是传递动力，并在此 过程中改变传动比，以调节或适应发动机的特性，满足外界的负载与道路条件的 要求。汽车变速系统的整体发展趋势是由手动换档向自动换档发展，将高速发展 的计算机控制技术应用于换档变速系统，实现变速器控制与其动力系统联合控 制，使得换档系统硬件本身及控制理论同时进一步完善，车辆性能得以全面的提 高。 1 1 汽车自动变速器介绍 在自动变速技术的发展历程中，根据使用目的和实现手段的不同出现了许多类 型的变速系统，如采用液力传动，液压传动，机械传动，电传动，以及储能传动 等，在汽车方面主要使用机械传动方式。 1 1 1 常用汽车自动变速器类型介绍 目前世界上能够实现批量生产且使用最多的汽车自动变速器主要有以下要介 绍的3 种类型，另外还存在由这三种中的两种技术结合在一起而产生混合类型， 如p i v 研制的o e k o m a t 变速器即为l 、2 、r 手动，2 档以后为c v t 方式。 1 ) 液力自动变速：器( a u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n 简称“a t ”) ，液力自动变速器的 传动部分主要由液力变矩器和多组行星齿轮组成，行星齿轮实际传动比由多个离 第一章绪论 含器和制动器共同作用而决定，所以该种变速器仍旧分多个档位。由于液力变矩 器的存在，在每一档位上都可以在一定范围内实现无级变速，因此实际上是能实 现局部无级变速的有级变速器，属于旋转轴式。目前它是在轿车上应用得最多的 自动变速器，在美国采用液力自动变速器的轿车已达9 0 以上。 液力自动变速器的电控单元( e c u ) 采集车速，发动机转速，节气们开度， 油温及水温等信号，选择车速和节气门开度作为主要控制信号，同时结合其它车 辆状况信息，按照一定的换档规律，输出电信号给电磁阀，利用电磁阀控制液压 回路，通过控制油路的通断使各档的变速阀动作，从而完成变速换档控制。由 于采用电子控制的方式，驾驶员可以选择适合当前天气、路况、负载等行驶状况 的换档方式，比如爬坡及超车时的换档方式、雪地行车的换档方式、一般行车方 式。换档规律可以分为动力模式和经济模式。因而可以确定出适应多种行车状态 的变速方式，从而满足了各种状况下对变速性能的不同要求。 a t 的优越性是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， 通过脚踩油门踏板，便可巧妙地实现自动变速，使开车变得简单、省力。液力自 动变速器的电控系统使得自动切换速度柔和、平稳，换档冲击小，起步问题容易 解决，驾驶与乘坐舒适性都感觉很好。但是该种变速器结构复杂、重量大、制造 工艺要求高，采用液力变矩器作为中间传动部件降低了传动效率而导致油耗比较 高是它的缺点。 2 ) 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 ”)其 原理发明人为荷兰的h u b 与w i m v a n d o o r n e 兄弟，即d a f 公司的创始人。c v t 省去 了复杂而又笨重的齿轮组合变速传动，而只用了两组带轮进行变速传动，属于摩 擦式无级变速器。其传动与变速的关键部件是具有v 型槽的主动锥轮、从动锥轮 和金属带，金属带安装在主动锥轮和从动锥轮的v 型槽内。当主动轮旋转时，通 过金属带将主动轮的扭矩传递给从动轮。每个v 型轮由一个固定锥盘和一个能沿 轴向移动的可动锥盘组成，来自液压系统的压力分别作用到主、从锥轮的可动锥 盘上，通过改变作用在可动锥盘上液压力的大小，使得主、从动锥轮传递扭矩的 节圆半径连续发生变化，从而改变两个锥轮与钢带摩擦圆的半径，达到改变传动 比的目的，实现无级变速。作用到主、从动锥轮可动锥盘上液压力大小及速度的 2 第一章绪论 变化是由电液控制系统根据道路的行驶阻力变化和驾驶员对油门的位置控制等而 进行控制的。 长期以来制约c v t 发展的瓶颈是v 形带质量较差，传递扭矩小，使用寿命 短，其研究主攻方向一直都是：可靠性、耐久性和控制效率。1 9 7 9 年d a f 公司的工 程师改用金属带，完善并开发出实用型的c v t 系统，从此c v t 走向了实用的阶 段。现在汽车上使用的c v t 通常采用钢带或者钢链，承受能力大大加强，传递扭 矩和使用寿命都已提高很多，不再局限于小功率汽车，甚至在高档轿车上也有了 它的踪迹。1 9 9 9 年在欧洲市场推出的奥迪a 6 型2 4 升轿车，率先装配了c v t 变速 器。据厂方介绍，无级变速箱的最大输出扭矩为2 9 9 牛顿米，远远超过奥迪2 4 升v 6 发动机最大扭矩2 3 0 牛顿米，能力绰绰有余。国内生产的车型中，本田的 “飞度”和奇瑞生产的“风云”都有部分车型采用了c v t 。 c v t 不但具有零件少，体积小，重量轻的特点，而且可以通过优化传动比控制 使发动机一直工作在经济油耗区从而提高整车经济性，另由于可以实现无级变 速，不会产生换档冲击，车速运行平稳，舒适性能好，如果能很好的解决传动带 的使用性能问题并提高控制效率，必将具有很好的发展前景。 3 ) 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 n 简称 “a m t ”) 。电控机械式自动变速器是在原有固定轴式机械变速器基本原理不变的 前提下，取消离合器踏板和手动换档执行机构，采用离合器自动执行机构和自动 换档执行机构，无须驾驶员人工完成离合器分离与接合、摘档与挂档以及发动机 的转速同步调节等操作，而是利用电子控制单元根据驾驶者的初始设定参数( 手 自动选择、巡航控制选择、换档模式选择、杆位选择等) ，实时采集反映驾驶员 意图的信号( 加速踏板位置和制动踏板位置信号) ，采用一定的辨识策略，明确 驾驶员操纵意图，结合车辆和发动机当时的运动状态( 发动机转速、输入轴转 速、车速、挡位等) ，依据内部的控制模型，按照可行的控制策略，驱动和控制 执行机构完成选换挡。所依据的控制模型是从众多熟练驾驶员实际操作中最佳的 驽驶方法提炼而成，包括不同驾驶风格下的起步模式、换挡规律、离合器结合规 律等。控制策略则是根据控制规律的要求，结合执行机构的特性所形成的对发动 机、离合器、变速器的控制时序和控制方法。 随着电子控制系统成本的降低和性能的完善，越来越受到市场的欢迎，有良 好的发展趋势。国外已出现了多款采用机械式自动变速器的轿车：b m w 公司的m 3 第一章绪论 车搭载的s m g i i 变速器的换档性能甚至可以超过一般手动换档品质，所售该车型 中装备a m t 变速器的车辆超过总数一半，另外还有德国大众的l u p o ，日本本田 的c i v i c ，奔驰的s m a r t 等车型。 1 i 2 棚t 自动变速器的优点 相对于其他类型的变速器，除了自动变速器都具有的自动换档、减轻驾驶员 负担、提高舒适性和经济性外等优点外，a m t 还具有如下的优点： 1 ) 由于a m t 采用固定轴齿轮传动，效率高，车辆油耗低，经济性能好。 2 ) a m t 变速器机构简单紧凑、工作可靠，生产成本低，维修方便。 3 ) 原有的m t 变速器生产线可以稍加改造就可以使用生产a m t 变速器。 4 ) 可以方便的增加t c s ，c c s 、a s r 等系统功能，几乎不需要增加硬件设备。 5 ) a m t 执行机构若采用电动机作为动力源，可以方便的应用在电动混合汽车 上。 上述优点使得a m t 变速器在变速器的发展中必然占有重要的地位，随着近几 年出现的双离合器变速器，进一步增大了a m t 的发展空间。 1 2a m t 技术的发展 1 2 1a m t 技术发展的历史和趋势n 1 德国l u k 公司最初是一家专业离合器公司，随着技术的发展，首先开始生产自 动离合器，进而生产机械式自动变速器。参照l u k 公司产品的发展历史，可以看 出a m t 发展的技术历史过程。 第一个阶段，电子离合管理器( e l e c t r o n i cc l u t c hm a n a g e m e n te c m ) ，即离 合器的自动化。主要特征：取消了离合器踏板，有离合器但是已经实现了自动化， 换档过程中离合器可与换档过程自动配合，换档点的选择仍旧由人工完成。此阶 段离合器执行机构由电动、液动、气动驱动。特别在城市工况下，自动离合器在 舒适性和驾驶方便性方面带来了很明显的效果。自动离合器是机械式自动换档技 术的基础。 第二个阶段，自动换档机构变速器a s g ( a u t o m a t i cs h i f tg e a r b o x ) 在电子离 合器的基础上，使用两个电机作为换档动力源，采用微机为控制器，根据驾驶员 的意图充选档和换档的任务，可以实现手自一体化。通过优化设计选择合适的换 档点，可以提高经济性能和舒适性，故a m t 常用于经济型轿车。更进一步，采用 第一章绪论 图1 1 从手动变速器到自动离合器 x _ _ b y w i r e 技术，可以取消驾驶员控制变速箱所需连接杆或者钢丝拉线，驾驶室 内布置更加灵活，甚至可以将换档按钮或换档杆直接置于方向盘上，可以阻隔来 自发动机舱的机械震动和噪声，提高乘坐舒适性。其具体产品有应用于o p e lc o r s a 型轿车上的e a s y t r o n i c 变速器 图1 2 自动离合器到自动换档图1 3c o r s a 汽车及其e a s y t r o n i c 变速器 第三阶段，非中断换档变速器( u n i n t v r r u p t e ds h i f tg e a r b o x ) 。该种变速器同 时装备有两个离合器，换档时过程中主离合器分离时，利用副离合器维持一定的 扭矩，实现抉档过程中无动力中断。可以减轻换档过程中车辆的顿滞，进一步提 高舒适性。相对于a s g ( a u t o m o t i v es h i f tg e a r b o x ) ，所增加费用并不多。通过 巧妙设计，离合器执行器可以同时控制主、副两个离合器。但是这种变速箱难以 传递较大发动机扭矩。 图1 3 从自动换档变速器到非中断换档变速器图1 4u s g 与a s g 变速器换档过程比较 第一章绪论 采用此种结构可以在换档过程中保持动力不中断，相比于以前的固定轴式变 速器是革命性的进步。如图1 4 所示为同一车辆装备不同变速器而导致的换档过 程中加速度的变换情况，此过程中装备有u s g 变速器的车辆的加速度数值没有出 现负值，可以大大提高汽车的动力性和舒适性。虽然此技术应用并不是特别广 泛，但是为d c t 技术的发展打下了基础 第四阶段，平行换档p s g ( p a r a l l e ls h i f tg e a r b o x ) 平行换档变速箱属于 双离合器变速箱范畴。此名字是l u k 公司根据其独特的设计而使用的内部称号。 p s g 变速器采用干式离合器和电子控制电动执行器。另外只采用一个类似予a s g 的 执行器就可以实现变速箱两部分的换档。相比于u s g ，可以在换档过程中传递发动 机的全部扭矩，如图1 5 所示。使用平行换档变速箱能得到比a s g 和u s g 更好的 动力性和换档舒适性，而燃油消耗率几乎和a s g 一样低。 图1 5 从非中断换档到平行换档图1 6 从平行换档到变速器集成启动发电机 到此为止，l u k 公司已经应用上述技术与其合作伙伴生产出成熟产品并已经应 用到汽车上。接下所述是l u k 公司a m t 技术进一步发展的方向。 第五阶段：把启动发动机和p s g 变速器相结合，即e s g ( e l e c t r i c a ls h i f t g e a r b o x ) 。传统的发动机加变速器的传动模式，经济性提高到一定程度就很难进 一步提高，在此方面l u k 公司另辟捷径，使用混合动力的原理，在自动变速器上 加装启动发电机。启动发电机同是将发电机和启动机集成在一起，同时具有启 动机和发电机功能，通过电子控制，能够在启动机和和发电机功能之间智能切 换。e s g 对于混合动力车有很大的意义，在车辆负荷比较小时，发动机部分功率可 以用来发电，通过电源管理系统存储在蓄电池里，当负荷较大时，启动发电机工 作在起动机模式下，可以驱动车辆用来加速，或爬坡。因此使发动机一直工作在 经济油耗区，在车辆的整个使用周期内提高经济性的同时也能提高排放性能，如图 1 6 所示。 6 第一章绪论 由l u k 公司a m t 技术的发展历史可以看出其产品的共同特征为：相似的机械 制造技术、采用干式离合器、类似的执行机构、电动机作为动力源、通用的软件 决策。充分说明了技术积累在产品开发方面的重要作用，其发展过程可以由图1 7 一目了然示出。我国工业起步比较晚，在自主开发方面存在很大的困难，其中之 一就是技术积累不够多。因此，我们必须面对挑战，扎扎实实的深入研究，从基 础做起，重视技术积累，使得每一点工作都变的有意义，为中国汽车工业的发展 作出自己的贡献。 图1 7a m t 技术发展历史和趋势 1 2 2a m t 技术国内外的研究现状n 1 国外许多汽车企业已经在电控机械式自动变速器方面作了很多的研究，不少 产品早已进入了实用的阶段。a m t 已经充分显示出了其相对于其它自动变速器效率 高的特点。美国伊顿公司( e a t o n ) 在1 9 8 3 年成功将重型货车的手动机械传动系统实 现自动化，其产品a u t o s h i f t 涵盖了6 、7 、1 0 、1 8 挡变速器，与s a ej 1 9 3 9 电控发 动机相匹配，通过控制发动机和变速器自动来实现无离合器换挡过程。 欧洲厂家更青睐于电控机械式自动变速器的开发与应用。z f 公司的1 6 挡 e u r ot r o n i c 自动变速器于2 0 0 1 年装在i v e c os t r a l i s 牵引车上投放市场。其a s t r o n i c 变速器在带有电一气动的机械变速箱的基础上开发而成，换档操作实现全 自动，与电控柴油机( e d c ) 配合使用综合变速箱控常4 完成齿轮同步，通过电一气控 制无离合器踏板的干式离合器完成起步。v o l v o 公司自行研制了装于f m 和f h 系列 载货车上的“i ”型i s h i f t 自动变速器，与d 9 和d 1 2 系列发动机匹配，可以取 得良好的动力性和经济性。其它的用于载重汽车的产品还有：用于m a n 公司t g a ( 5 i o h p ) 牵引车的t i p m a t i c l 2 挡自动变速器，用于m e r c e d e sa c t r o s 牵引车和自 卸车系列的e a s1 2 挡或1 6 挡自动变速器，s c a n i ap 1 1 4 6 a 牵引车装用了该公司自 行研制的0 p t i c r u i s e1 2 挡自动变速器等；a m t 在轿车方面也有很大的发展，赛车 第一章绪论 早就采用a m t 技术来获得高的加速性能。1 9 9 6 年宝马m 3 轿车采用“m 序列式变速 器”，是在原来的m 3 型6 档手动机械变速器基础上作了大幅度的改进，以全新的 电液控制系统代替了传统的机械式变速器的操纵系统，并可选择自动变速和手动变 速两种模式，并在2 0 0 2 年推出了第二代产品。( s m g i i ) ( 3 2 5 i3 3 0 im 3 都可选 装) 。其它产品还有用于a l f ar o m e o ( ( 1 5 6 ，1 4 7 ) 上的s e l e s p e e d ，b e n z ( s p o r t s c o u p e ) 上的s e q u e n t m n i c ，o p e l 上的e a s y t m n i c ，装在s a a b9 0 0 上的s e n s o n i c 等。 日本的i s u z u ，n i s s a n ，t o y o t a 曰野公司和富士重工在a m t 方面也做了不少 的工作，也各自生产出了自己的产品。 国内早在“九五”计划时就有部分高校和企业对a m t 换档技术开始了研究， 其中吉林大学葛安林老师领导的课题组在此方面作了较深的研究，已经以s a n t a n e 2 0 0 0 轿车为基础成功做出了样车并通过国家鉴定。另外上海交通大学张建武老师 领导的课题组在自动离合器方面做了不少有效工作。国内部分企业如欣源晟电子 有限公司器也作出了自己的产品，都没有投入生产。主要的原因有，自动执行机 构不完善或者控制手段简单，难以满足换档的要求：但是发动机控制器与变速器 控制器的c a n 通讯协议难以弄清楚，使得发动机管理与变速器管理在换档过程中 难以实现实时通讯。这一点是国内a m t 发展的瓶颈，严重制约了国内a m t 技术的 开发。 1 3 本文研究的主要内容 a m t 变速器系统的开发涉及到许多多方面知识的过程，其中对发动机的控 制、离合器控制，c a n 总线通讯，自动变速箱的控制等，都需要非常专业的知识才 能进行，同时需要很长的时间经过反复的试验验证才能确定和完成，需要大量的 人力、物力。由于时间和分工的原因本论文中仅仅t c u 执行机构的控制作基础的 研究，为实现可以在仿真试验台上进行换档规律评价而设计制定自动执行机构的 控制方案。具体的工作内容包括： 1 ) 收集丑前世界范围内关于a m t 信息，了解当前a m t 的发展状况和趋势。 2 ) 对整个a m t 的系统进行分析，明确a m t 的组成结构，详细论述a m t 的 各个子系统的组成结构和工作原理及其在a i v l t 工作过程中的配合要求，阐明各个 墨二兰堕丝 系统的工作原理及其参数变化对换档品质的影响，为进一步开发a m r 奠定理论基 础。 3 ) 对原型变速器的结构进行分析，确定自动执行机构的工作要求和结构特 点。分析直流无刷电机的自身特性和控制特性，以其作为动力源初步设计执行机 构。 4 ) 设计出初级t c u 控制单元硬件电路，以便可以根据输入的参数，按照一定 的换档模型，实现换档控制，用于试验台进行半实物仿真试验，从理论上评价换 档规律的优劣，同时可以对自动执行机构的控制理论和控制方法进行试验。 5 ) 根据特定的车辆和发动机，计算出合理的换档规律，对应于所设计的硬件 电路，实现软件控制，满足试验要求。 第二章a m t 组成系统原理分析 第二章a m t 组成系统原理分析 传统动力总成系统的控制方法和理论在采用a m t 变速器的车辆上已经很难 满足需要了，在车辆的起步及换档过程中，需要发动机、离合器、变速器三者密 切、实时的配合，才能顺利完成车辆变速功能。因此，对a m t 变速器的自动变速 系统的研究必须包含有与a m r 变速器电子管理系统相配合工作的其他系统的研 究，非常有必要对这些系统的工作原理和在a j v i t 使用过程中的功能和配合要求， 以及他们之间的通讯进行深入的分析，制定出良好设计方案。 2 。1 车用电子系统及其之间的通讯 现代车辆使用越来越多的车载电子控制系统来满足日益增加的汽车性能要求， 在提高汽车性能的同时，也使得汽车的交得越来越复杂。 2 1 1 车载电子系统分类 轿车中的电子控制系统，按照用途目的可以从动力性，安全性，舒适性方面 进行如下分类： 1 动力性方面：包括传动系统、发动机系统、电子油门系统、定速巡航系统 等，关系到所有动力、安全、舒适等性能的表现，是整个汽车性能的基础。 2 安全性方面包括主动安全和被动安全性两方面。底盘方面包括悬挂系统、 刹车系统、转向系统和电子稳定程序等，用来应付路面状况提高驾驶员对车辆 操控性和加速性，使得驾驶员在突发和受限制的条件下，仍然可以对车辆进行全 面的控制，属主动安全性。另有胎压警示系统、疲劳监视系统、碰撞与预防系 统、照明系统、自动雨刷系统等。而安全气囊、智能安全带等则考虑被动安全 性。 3 舒适性、方便性和娱乐性方面的电控制系统是为了帮助驾驶员驾驶过程中 及时方便获得道路和车辆本身信息，自如地操控汽车，保持身心愉快而装备的电 子控制系统。如：组合仪表板、信息导航系统、多媒体系统、移动通讯、智能型 后视镜、电动窗、电动门、电动座椅等。另外必要的还有其他系统，如智能防盗 系统、警报器等来提高汽车的防盗性能。 1 n 第二章a m t 组成系统原理分析 2 1 2 电子系统之问通讯c a n 总线 由上节所述，汽车上装有多个e c u ，导致整车电路繁琐复杂，线束多，成本 高，同时由于a m t 的控制过程是动力传动系统的综合控制过程，所以a m t 电控系统 与车内其他相关电控系统的综合控制是关键环节。在a m t 系统中引入c a n 总线技 术，实现t c u 与e c u 之间的通信，不仅可以协调其控制，实现数据共享、降低整个系 统的成本，而且可以提高a m t 的换档品质，解决a m t 开发过程中的难点问题，具有重 要意义。c a n 总线为分布式控制或实时控制的串行通信网络，其拓扑结构为总线 式，如图2 1 所示。 图2 1c a n 总线结构 c a n 总线基本的规则是分时，在这种规则下，c a n 总线在每一时刻只能被2 个 部件占用，在2 个部件之间传送信息。c a n 总线上的每个节点( e c u ) 都有自己的 地址，c a n 连续监视总线上发出的各种数据，当所收到的数据地址值与自身地址吻 合时，那么该节点就获得“令牌”( 一种通信规约，此方法允许唯一获得 “令牌”的1 个节点有权发送数，以防止2 个或2 个以上的节点同时传输数据引起 混乱) ，开始传输数据。每一个节点都有机会得到“令牌”，从而完成数据传 输。c a n 总线常用的种物理介质是双绞，信号使用差分电压传送，两条信号线被称 为“c a n _ h ”和“c a nl ”，静态时均是2 5 v 左右，此时状态表示为逻辑“1 ”，也 可以叫做“隐性”。用c a n _ _ n 比c a n _ l 高表示逻辑“0 ”，称为“显形”，此时，通 常电压值为：c a n _ h = 3 5 v 和c a n _ l = 1 5 v 。 c a n 总线应用范围不断宽展，生命力强大的原因在于其有以下特点： 1 ) c a n 总线是基于“载波监听多点接入肿突检测”( c s m a c d ) 的通讯模式， 允许总线上的设备有同等取得总线控制权向外发送信息的机会，当节点发生严重 错误时具有自动退出功能。 2 ) 所有信息报文在传送时不是基于目的站点地址，这就允许不同信息采用“广 1 1 第二章a m t 组成系统原理分析 播”的形式发送到所有节点，并且可以在不改变信息格式的前提下对报文进行不 同配置。 3 ) c a n 总线传输速度高，抗电磁干扰强，是具备复杂错误检测和恢复能力的 高可靠性有力的实时网络，同时成本比较低。 2 2 发动机电子管理系统n 随着石油的日益短缺和人们对环保要求的提高，传统的化油器发动机越来越 难以满足需要，而电子技术的飞速发展也为电控发动机的发展铺平了道路，电控 发动机已经广泛应用于轿车中。a m t 技术的特点也要求电控发动机可以实时配合 换档和起步要求而改变发动机的输出特性。 2 2 1 电控发动机的优点 相比于传统化油器发动机电子控制发动机有如下的优势： 1 ) 无化油器的喉管损失、改善充气效率；无结冰现象，起动性好； 2 ) 能使用较低辛烷值燃料，提高压缩比而不引起爆震，提高了扭矩和功率； 3 ) 有利于控制气缸内的混合气分布以降低油耗，排放少； 4 ) 对进气的温度和压力、排气背压能作出精确的响应，暖机和过渡特性得到 改善： 5 ) 电控发动机对位置、加速阻力的变化不敏感，在整个特性场范围内对燃油 精确、优化计量，可以较好的与工况进行匹配。 6 ) 可以根据所识别的工况，进行额外的功能控制，如滑行切断油路功能； 2 2 2 电控发动机管理系统采集的输入量 1 ) 节气门开度，反映驾驶员对发动机动的要求，是发动机控制系统所要采集 的重要参数，也是两参数换档规律的参数之一，在a m t 技术中有相当重要的地 位，必须保证其可以可靠的采集。与节气门旋转轴固联的电位计将节气门开度转 换为电信号，经过处理后，输入到发动机e c u 中，其电压幅度为0 5 - 4 5 伏，与 节气门开度成线性变化。 2 ) 空气流量，即进入气缸的空气量，是计算空燃比的基础，要求尽可能的精 苎三兰业丝壁墨竺堕墨坌堑 确，通常采用专用的空气流量计来测量，如图2 3 所示。有直接测量质量和测量 体积转换为质量两种基本方法。 图2 3 空气流最计图2 4 转速和曲轴位置测量 1 永久磁铁2 壳体3 机体 4 软铁芯5 线圈6 有标识的齿形盘。 3 ) 发动机转速，采用电磁转速传感器检测启动齿圈或者专设置的转速测量 齿形盘，可以同时检测发动机转速和曲轴位置确定上止点。专用转速测量齿形盘 多为5 8 个齿，如图2 4 所示。发动机转速是离合器控制器工作的重要输入参数， 用来判断离合器的结合和分离时刻以及离合器结合速度的关键参数。 4 ) 进气温度和压力、水温、油门，用以确定发动机状态，计算空气质量以便 修正喷油量达到经济性和排放要求。 5 ) 爆震信号，改变点火提前角来消除爆震，提高发动机效率和功率。 6 ) 尾气温度和台氧量测量，使三元催化剂工作在正常范围内，满足排放要 求。 另有其他的输入信号，则因发动机而异。与a m t 变速器联合工作时，必须有 c a n 总线以便接收来自变速器控制单元在换档过程中对发动机提出的关于发动机 目标转速和目标扭矩的要求。此外还有加速踏板信号输入，具体见电子油门的有 关介绍。 2 2 3 发动机电控系统的控制原理 发动机电控系统通过多个传感器对影响发动机运行的参数进行采集、分析和 处理，按照程序规定进行计算，分别得到测量值，计算中间值、特殊的调节参数 ( 如特性图和特性曲线) 等，对照目标特性图可以输出此时的工况点所需的调节 第二章a m t 组成系统原理分析 参数，这些数据经过功率放大后，传到控制机构，对混合气的空燃比、。混合气 量、点火提前角、点火能量等进行控制和修正，实现高效能，低排放燃烧。其结 构图如2 5 所示。发动机控制系统所依据的主要基本参数是负荷( 节气门开度) 和发动机转速，每一个转速一负荷工况点对应一个喷油时间和点火提前角，其他 相关的参数也以转速一负荷为参照系，形成多个特性场，以程序化的形式固存在 发动机的e c u 中。特性场的数值是在实验台上当发动机在每个运行工况点稳定 运行时，分别调节某一影响因素，以确定的最佳值，将各运行工况点的最佳值组 合起来便求得了该影响参数的特性场。对发动机某输出参数的确定往往是多个特 性场共同作用的结果。图2 6 即为常用的多个特性场。 图2 5 发动机电子控制系统示意图 1 _ 油箱2 电动汽油泵3 滤清器4 燃油压力调节器5 活性碳过滤器6 油箱通风阀 7 进气温度传感器8 热线空气质量测量仪9 怠速调整器1 0 节气门开关1 1 喷油器1 2 爆震 传感器1 3 飞轮1 4 转速和标识传感器1 5 相位传感器1 6 点火线圈1 7 压力调节器1 8 废 气再循环阀1 9 传感器2 0 温度度传感2 1 e c u2 2 诊断2 3 c a n 总线 2 2 。4 电控发动机调节内容及与删t 配合的特殊要求 普通电子控制系统调节的主要目的是根据吸入的空气量和当时发动机工作状 况确定合适的参数进而决定燃烧过程来实现高效、充分燃烧，同时具有尽可能低 的排放。具体的调节内容有： 1 ) 供油方面，以负荷和转速为基础，根据多个特性场调节供油量，实现最佳 空燃比；具体冷起动加浓、暖机加浓、怠速转速调节、加速时加浓、全负荷加 浓、防止发动机超速、滑行状态切断供油( 节气门关闭而转速超过1 2 0 0 r r a i n 时， 1 4 第二章a m t 组成系统原理分析 图2 6 控制系统特性场 i 点火提前角2 闭合角3 空燃比4 怠速调节器开度5 废气再循环阀门位置6 加速加浓 转入滑行切断状态) 等，在满足使用要求的同时实现节油和低排放的目的。 2 ) 点火方面，以负荷和转速为参数，同时调节点火提前角和点火持续角， 实现高效、低排放燃烧，当出现暴震信号时通过调节可以消除暴震； 3 ) 换气系统，自动调节进气管长度和进、排气门相位来影响混合气的形成 和尾气排放，提高充气效率，充分发挥发动机的功率； 4 ) 排放方面，根据内燃机的不同形式，实现废气再循环或 调节。 由于a m t 属于中断动力换档，而且不像a t 变速器中有液力变矩器可以缓 冲换档过程中车辆对发动机扭矩和转速要求的突然变化，其换档过程远远难于定 节气门开度下的a t 变速器换档过程。这就要求发动机电控单元在换档过程中可 以根据离合器行程信息和变速器换档的要求，能够自动的在规定时间内调节发动 机转速和扭矩，配合变速器换档和离合器结合分离完成车辆变速。调节途径有： 改变跟进气有关的参数，有改变节气门开度，调节增压压力等，所需时间比较长 改变过程比较柔和；改变跟燃烧密切相关的参数，主要手段有：调节点火提前 角，改变喷油参数甚至停止供油等，作用时间短，反应快，换档时间要求短时， 需要采取这种方法。换档过程中根据驾驶员意图和车辆当时的运行状态，两种手 段配合使用，既可以迅速换档，又可以降低冲击度得到好的换档品质。 总之，发动机电子控制系统采集多种参数，判断驾驶员意图，明确发动机的 实时状况，对燃烧过程进行控制，满足车辆使用要求，是一个非常复杂的过程。 第二章a m t 组成系统原理分析 2 3 电子油门( e l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r 0 1 ) 由于车辆换档过程时间比较短，车辆的惯性比较大，车速变化很小，因此发 动机转速要在此过程中有较大的变化。采用自动离合器和触垤t 自动变速器，驾驶 员无从知道，离合器何时分离和结合，档位执行机构何时摘档、选档、换档，也 就不可能知道何时改变多少节气门开度，因此传统加速踏板与节气门之间的刚性 连接在此不能满足要求，必须采用电子油门自动地按一定时序和要求来配合变速 器实现自动换档。 随着单片机制造技术的迅速发展，现代发动机电控系统所采用的单片机资源 非常丰富，通常可以将电子油门模块集成在发动机控制系统中实现发动机的综 合控制( b o s c h 公司的m o t r o n i c 即为如此) 。由此也可以看出，a m t 变速器控制 系统的开发过程不仅仅是对变速器控制系统进行研究，而是同时对发动机、离合 器、变速器共同控制系统进行研究，这就要求发动机电控单元与变速器电控单元 必须联合开发。当然这需要企业或者研究机构同时具有发动机控制单元和变速器 控制单元开发能力才能进行，要求相当高，合作开发是可取之道。国内研发机构 开发发动机电控单元的能力有限，很难将笈动机电控单元与电子油门控制单元整 合，通常选择外挂的控制器来管理电子油门的方法。另外电子油门也是发展混合 力电动汽车所必须的部件。 2 3 1 电子节气门系统组成和工作原理 电子节气门系统主要组成部分包括加速踏板位置检测部分，c a n 总线通讯部 分，电控单元，驱动执行机构，节气门体组成( 包括节气门位置传感器) 。其结 构如图2 7 所示。汽车行驶过程中，驾驶员根据驾驶环境和路况条件估计所需功 率踩下加速踏板，经加速踏板传感器转变为电信号( 具体看后述) ，电控单元实 时采集加速踏板位置信号并计算出踏板位置及其变化速率，识别出驾驶员意图。 结合当时的车辆状态