（车辆工程专业论文）汽车自动变速器建模和换档规律的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 我国汽车工业正处于发展和提高时期，近年来，随着人民生活水平的提高， 汽车开始进入家庭，由于受成本制约，目前我国自主生产的汽车基本都为手动 变速，手动变速方面会增加驾驶员的劳动强度，另一方面不利于行车安全。 装载自动变速器的车辆不仅操作方便、换档平顺、安全舒适。而且能按最佳的 换档时机进行自动换档，有助子提高汽车动力性和经济性，因而特别适合非职 业驾驶。为满足非职业驾驶员对方便舒适的要求，国内各汽车厂商已把开发装 备自动变速器的汽车确定为自己的发展方向。 在自动变速器的研究开发中，需对液力变矩器与自动变速器的性能，以及 以发动机和自动变速器为主的动力传动系统的整体性能进行分析，以达到整个 动力传动系统的优化设计和综合匹配控制。 本文在分析自动变速器结构和工作原理的基础上，论述了发动机和液力变 矩器共同工作的输入特性和输出特性，探讨了发动机和液力变矩器共同工作点 的几种求取方法，分析了液力变矩器与发动机之间的匹配问题，从液力变矩器 工作元件的工作特性分析出发，得出其静态及动态数学模型，自动换档规律是 车辆自动变速的核心，自动变速是按照控制参数的变化实现换档的，本文根据 加速度特性及整车油耗特性，结合赛欧某自动变速器，设计了两参数动力性和 经济性换档规律以及综合换档规律，最后在汽车的行驶动力学方程基础上，建 立了自动变速系统的m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型，通过对汽车换档逻辑的研究， 利用仿真软件m a t l a b s t a t e f l o w 建立了最佳换档规律的换档过程仿真模型并对 其进行了仿真模拟分析，验证了方案的有效性。仿真结果表明本文建立的仿真 模型和设计的换档规律是合理的。 关键词：自动变速器，液力变矩器，换档规律，仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e r n a la u t o m o b i l ei n d u s t r yo fc h i n ai si nd e v e l o p m e n t a lp e r i o da n dd o m e s t i c c a r sl i f ei n c r e a s i n gg r a d u a l l yo fl a t ey e a r s a sar e s u l to fc o s tr e s t r i c t i o n ，a tp r e s e n tt h e a u t o m o b i l e sp r o d u c e di nc h i n aa r ea l m o s t e q u i p p e dw i t hm a n u a lt r a n s m i s s i o n ( m i ) o nt h eo n eh a n d ，t h ea u t o m o b i l ee q u i p p e dw i t hm t w i l li n c r e a s ed r i v e r s l a b o r i n t e n s i t y o nt h eo t h e rh a n d ，i td o e sn o tf a v o rt h et r a f f i cs a f e t y t h ea u t o m o b i l e e q u i p p e dw i t ha u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ( 椰h a ss m o o t hg e a r s h i f t i n ga n dc o n v e n i e n t o p e r a t i o n m o r e o v e r , i tc a na u t o m a t i c a l l yg e a r s h i f ti nt e r mo fo p t i m a lo c c a s i o n ， r e d o u n d i n gt ot h ei m p r o v e m e n to fd 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 , t h u st h e a u t o m o b i l ew i t ha u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ns p e c i a l l ys u i t sa m a t e u rd r i v e r i no r d e rt o s a t i s f yt h ea m a t e u rd r i v e r s r e q u e s tf o rs i m p l eh a n d l e ，m a n yd o m e s t i cm a n u f a c t u r e r s h a v ec o n s i d e r e da ta st h e i rd e v e l o p m e n td i r e c t i o n i nt h ec o u r s e0 fa tr e s e a r c h i n g , d e v e l o p i n ga n dm a t c h i n gw i t ht h ee n t i r ev e h i c l e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft o r q u ec o n v e r t e ra n dt r a n s m i s s i o n ，t o g e t h e rw i t ht h ei n t e g r a l p e r f o r m a n c eo ft h ep o w e rt r a i nw h i c hm a i n l yc o n s i s t so fe n 垂n ea n da u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n ，n e e dt ob ea n a l y z e d t h i sa r t i c l eh a se l a b o r a t e dt h ei n p u tc h a r a c t e r i s t i ca n dt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c w h e ne n g i n ea n dt o r q u ec o n v e r t e rw o r kt o g e t h e r , w h i c hi sb a s e do na n a l y z i n ga t s s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e f u r t h e r m o r e ，t h ea r t i c l eh a sd i s c u s s e ds e v e r a l c o m p u t a t i o n a lm e t h o do ft h ei n p u ta n do u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft o r q u ec o n v e r t e r c o o p e r a t i n gw i t he n g i n e ，a n da n a l y z e dt h em a t c hq u e s t i o nb e t w e e nt h ee n g i n ea n d t o r q u ec o n v e r t e r , o b t a i n e dt o r q u ec o n v e r t e r ss t a t i ca n dd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e l b ya n a l y z i n gw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co ft o r q u ec o n v e r t e r sv a r i o u sp a r t s t h ek e r n e lo f a u t o m a t i cg e a rs h i f t i n gi sg e a r - s h i f ts c h e d u l ea n dg e a rs h f l i n gi se x e c u t l v e da c c o r d i n g t ot h ec o n t r o lp a r a m e t e r s t h ed y n a m i cs c h e d u l ea n de c o n o m i cs c h e d u l ea r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ea c c e l e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n df u e lc o n s u m i p t i o n w i t hp r o v i s i o nf o r o p e r a t i n gr e q u i r e m e n t ，t h eg e n e r a ls c h e d u l ei sd e s i g n e d ，t o o f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h e a u t o m o b i l et r a v e ld y n a m i ce q u a t i o n ，t h i sa r t i c l eh a se s t a b l i s h e dm a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o nm o d e lo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，e s t a b l i s h e ds i m u l a t i o nm o d e lo f t h es h i f tl o g i co fo p t i m a ls h i f ts c h e d u l ew i t hm a t l a b s t a t e f l o w , a n dc a r r i e do nt h e 武汉理工大学硕士学位论文 s i m u l a t i o na n a l y s i s ，c o n f i r m e dt h ed e s i g np l a n sv a l i d i t y t h es i m u l a t i o nr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h es i m u l a t i o nm o d e la n dg e a r - s h i f ts c h e d u l ed e s i g n e di nt h ea r t i c l ei s r e a s o n a b l e 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 ，t o r q u ec o n v e r t e r , g e a r s h i f ts c h e d u l e ，s i m u l a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着我国经济发展水平的不断进步和综合国力的曰益增强，目前，我国汽 车工业正处于快速发展期，据中国汽车工业协会统计，2 0 0 5 年，全国汽车累计 产销达到5 7 0 万辆，预计今年我国汽车产销将继续保持快速增长势头，全年汽 车产销量将超过6 4 0 万辆，但是，由于受成本制约，目前我国所生产的汽车绝 大多数都是手动变速，驾驶员必须根据路面行驶条件和交通情况的变化随时交 换档位以保证汽车正常行驶，这一方面提高了驾驶员操作的复杂性，另一方面 容易使驾驶员产生疲劳，分散驾驶员的注意力，不利于行车安全。此外，不同 的驾驶技术会对车辆的燃油经济性、动力性和乘坐舒适性造成较大影响。而自 动变速器由于技术上的优势，这些困难可以迎刃而解。因此，汽车自动变速一 直是人们追求的目标，也是目前汽车技术发展到高级阶段的重要标志。可以预 见，随着技术的进步和生产成本的逐渐降低，自动变速器在汽车上的应用会日 益普及。 1 2 自动变速器概述 从第一辆汽车诞生至今，车辆传动技术取得了飞速发展，从最初档位固定 的减速器，到有多个档位可变换的齿轮变速器，直到现在应用计算机控制实现 换档的自动变速器，都有力地推动了汽车技术和汽车工业向前发展，自动变速 技术无疑是车辆传动领域一项十分重要的技术。 1 2 1 自动变速器分类 汽车自动变速器的种类很多，目前主要有液力自动变速器( a t ，a u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n ) 、电控机械式自动变速器( a m t ，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 ) 、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 ) 等 3 种类型。自动变速器在发展过程中出现了多种不同的形式，各种不同的自动变 速器在结构、形式上往往有很大差别，常见的分类方法和类型如下： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 按传动比变化方式分类 有级式自动变速器指在机械式齿轮变速器的基础上实现自动控制的变 速器，即电控机械式自动变速器( a h 仃) 。它是在现生产的机械变速器上进行改 造的，保留了绝大部分原总成部件，只改变其中手动操作系统的换档杆部分， 生产继承性好，改造的投入费用少，既具有液力自动变速器自动变速的优点， 又保留了原手动变速器齿轮传动的效率高、成本低、结构简单、易制造的长处。 无级式自动变速器一指传动比能在一定范围内连续变化的一种自动变速 器，即( c v t ) 。其传动与变速的关键是具有v 型槽的主动锥轮、从动锥轮和 金属带和液压泵等基本部件。c 的主动轮和从动轮都由可动盘和固定盘组成， 可动盘与固定盘都是锥面结构，可动盘与固定盘的锥面形成v 型槽来与v 型 传动带啮合。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。 综合式自动变速器指实现自动控制的液力机械式变速器，即液力自动 变速器( 触) 。液力自动变速器是将发动机的机械能平稳地传给车轮的一种液力 机械装置，其传动部分主要由液力交矩器和行星齿轮机构组成，是能实现局部 无级变速的有级变速器，目前它是国外用得最多的自动变速器。它具有良好的 乘坐舒适性、方便的操纵性、优越的动力性和良好的安全性，但结构复杂、重 量大、制造工艺复杂。 ( 2 ) 按齿轮变速系统的控制方式分类 液控液压自动变速器液控液压自动变速器是通过机械手段，在手控制 阀选定位置后，由反映节气门开度的节气门阀和反映车速的调速器阀将节气门 开度和车速等参数转换为液压控制信号，按照预先设定的换档规律，直接控制 换档阀进行换档。 电控液压自动变速器电控液压自动变速器是在手控制阀选定位置后， 通过节气门位置传感器和车速传感器将节气门丌度和车速等参数转变为电信 号，并输入控制单元( e c u ) 。控制单元( e c u ) 根据这些电信号，按照设定的 换档规律控制液压阀和液压执行机构进行换档。 ( 3 ) 按齿轮变速器的类型分类 自动变速器按齿轮变速器的类型，可以分为平行轴式和行星齿轮式两种， 平行轴式自动变速器结构简单，制造成本低，但体积较大，最大传动比较小， 武汉理工大学硕士学位论文 行星齿轮式自动变速器结构紧凑，能获得较大的传动比，制造成本较高，但由 于其优异的性能，在自动变速器中得到了广泛的应用。 ( 4 ) 按液力变矩器的类型分类 按变矩器的类型分类，自动动变速器可以分为有锁止离合器和无锁止离合 器两种。无锁止离合器的自动变速器在任何工况下都是以液力的方式传递发动 机动力，因此传动效率较低。现代轿车自动变速器大都采用带锁止离台器的变 矩器，当汽车达到一定车速时，控制系统使锁止离合器结合，液力变矩器输入 部分和输出部分连成一体，发动机动力以机械传递的方式直接传人齿轮变速器， 从而提高了传动效率，大大改善了汽车燃油经济性。 1 2 2 自动变速技术的国外发展状况 自汽车问世以来，动力传动系的技术进步一直处于一个举足轻重的地位。 车辆行驶性能的好坏，不仅取决于发动机，而且在很大程度上依赖于变速器及 变速器与发动机的匹配。为了有效地提高车辆的动力性和燃油经济性，便产生 了适应时代需求的自动变速技术。随着电子技术和自动控制技术的发展，自动 变速技术已经越来越成熟，自动变速器的种类和形式也日益多样化。计算机与 换档变速技术的结合，有力的推动了汽车自动变速技术的发展。 1 9 0 4 ，美国s t u r t v a n t 兄弟发明了自动变速器。其原理是根据发动机转速变 化，利用离心力的作用使齿轮啮合或脱丌来实现传动比的变化，但由于部件之 间容易产生啮合弹跳而失败。1 9 2 6 年别克小轿车开始使用液力机械传动的变速 器；1 9 3 8 年出现的g m c 液力自动变速器，开始了以车速和油门两个参数信号， 用液压逻辑油路控制的液力自动变速时代。1 9 3 9 年，美国克莱斯勒汽车公司首 先成功地研制了由液力耦合器和行星齿轮变速器组成的四档液力变速器，并装 于该公司生产的轿车o l d s m o b i l e 上，该变速器被认为是自动变速器的代表，是 当今自动变速器的原始形式。1 9 4 2 年美国又成功地研制出一种两档液力机械变 速器，该变速器的液力传动部分是一种双导轮、可闭锁的综合式变矩器。 1 9 4 8 年，别克汽车上装载的d y n a f l o w 变速器是带液力变矩器的自动 变速器( a 1 ) 的发展先驱。1 9 4 8 年到1 9 5 0 年期恻，汽车液力传动进入了一个 新阶段，出现了可根据车速和油门位置进行自动换档的自动变速器。1 9 5 0 年美 国福特公司成功地研制了装有液力变矩器的三档液力自动变速器，从此轿车用 的液力自动变速器进入了成熟期。1 9 7 7 年丰罔公司丌发研制了四档液力自动变 武汉理工大学硕士学位论文 遮器，1 9 8 9 年日产汽车公司开发出了五档液力自动变速器。这两种变速器都在 原来的三档和四档变速器的基础上，加装一组行星变速齿轮机构而形成的。随 后，日本丰田汽车公司首先成功研制了具有超速档的液力自动变速器，该自动 变速器采用三元件液力变速器和多档行星齿轮相结合的结构，液力变矩器可以 降低传动系的冲击，并可缓和发动机曲轴的扭振作用。 1 9 6 9 年，法国霄诺汽车公司首先采用了电控液力自动变速器，其控制方法 是由计算机依据检测到的车辆速度和油门开度的电信号来判断变速的时机，并 确定变速程序。进入2 0 世纪8 0 年代，随着电子技术的发展和计算机的进一 步微型化，变速器的控制功能和可靠性得到提高，而且成本也大为降低。 1 9 8 3 年日本五十铃公司在世界上率先研制成功电子控制全机械式有级自 动变速器“n a v i 5 ”，并装于a s k a 轿车上。在车速为6 0 k m h 时，可比液 力自动变速器节油1 0 3 0 左右。同年，伊顿公司也宣布成功将重型货车的 手动变速器实现了自动化。1 9 8 8 年，z f 公司一种称之为“a u t o s h i f l ”的1 6 档 变速器也实现了自动换档，并将其装备在g e n e v a 货车上。与此同时，世界上 其他各大汽车公司( 如德国大众公司、意大利菲亚特公司、法国雷诺公司和日 本丰田公司) 也相继开展了电控机械式自动变速器( a m t ) 的研究和开发。 无级变速( c v t ) 传动技术作为电控阶段的一项先进技术，在2 0 世纪末 期得到了飞速的发展。早在1 8 8 6 年，德国奔驰公司就将v 型橡胶带式c v t 安装在该公司生产的汽车上。1 9 5 8 年，荷兰的d a f 公司h v a nd o o m c 博士 研制成功了名为v a r i o m a t i c 的双v 型橡胶带式c v t ，并装备于d a f 公司制 造的d a f f o d i l 轿车上，由于橡胶带式c v t 存在一系列的缺陷而没有被汽车行 业普遍接受。而提高传动带性能和c v t 传递功率极限的研究一直在进行：将液 力变矩器集成到c v t 系统中，主、从动轮的夹紧力实现电子化控制，在c v t 中采用节能泵，传动带用金属带代替传统的橡胶带。导致了传递转矩容量更大、 性能更优良的第二代c v t 的面世。进入2 0 世纪9 0 年代，汽车界对c v t 技 术的研究开发日益重视。1 9 9 7 年上半年，日本日产公司开发了使用在2 0 l 汽 车上的c v t 。1 9 9 9 年上半年，美国的福特公司和德国z f 公司合作为福特公 司的轿车和轻型载货车生产c v t 。近年来c v t 的设计取得了长足的进步，尤其 在动力传输的即时性和| | i j 于用性 二取得了巨大的成就。现代无级变速器开发技术 水平最高的是采用金属链带机械式无级变速器，例如奥迪a 6m u l t i t r o n i c 无级变 速器就采用了金属链带这一形式。装有m u l t i t r o n i cc t v 的奥迪a 6 轿车0 1 0 0 武汉理j = 大学硕士学位论文 k m h 的加速时间，比齿轮传动自动变速器快1 3 秒，每百公里油耗少0 9 升。 现在新式的c v t 已经可以完全胜任3 0 甚至是3 5 公升引擎所发出的扭力。 1 2 3 自动变逮磊在国内的研究状况 车辆自动变速技术的研究在我国起步较晚，直到2 0 世纪6 0 年代，在一 汽生产的c a 7 7 0 轿车上使用了具有2 个前进档的液力自动变速器，但累计只 生产了1 2 8 3 台，尚不具有工业化生产的意义。1 9 9 8 年上海通用公司生产的用 于剐克轿车上的4 t 6 5 e 型电子控制自动变速器正式下线，1 9 9 9 年开始批量生 产并投放市场，率先在国内将a t 作为标准配置装于轿车。1 9 9 9 年中日合资生 产的本田雅阁轿车也正式投产，其a t 弃用行星齿轮，而选择常啮合平行轴式结 构，零件少、易制造是其长处，它采用了全电子直控式变速装置，能使变速、 燃油喷射以及巡航等控制相结合。与此同时，上海大众的帕萨特b 5 、一汽大众 的捷达都市先锋上装备了自动变速器a g 4 9 5 。神龙公司也向市场投放了袈备进 口的a u 智能型自动变速器的富康9 8 8 “领导者”及富康1 6 l 轿车。它采用 了模糊控制理论和动力传动综合控制技术实现了智能化控制，电子控制单元 中有1 0 种换档规律，按需要分剐调用几种换档规律或同时或交替工作，共同控 制变速器的状态。一汽大众的奥迪a 6 高级轿车上作为选装件的a t 为t i p t r o n i c 型，在自动变速的基础上可提供手动换档功能。在自动模式下可直接转到手动 操作模式，以此来领略驾车的多种乐趣。北京吉普公司在切诺基越野车上小批 量装备了a w 4 自动变速器，现已达到1 0 0 0 多台。至于城市客车( 即公共汽车) ， 由于其频繁起步换档，变速器、离合器和制动器的使用频率是一般车辆的l o 倍 左右，劳动强度极大，即使是职业驾驶员也因受心理与生理所限，迫切要求使 用自动变速器。1 9 9 5 年我国首次在国产公共汽车上装备了a l l i s o n 自动变速器， 现已遍及深圳、上海、广州、南京等城市，其中深圳已占有4 0 。综上所述， 国内自动变速器尚处于起步阶段，我国已经加入了w t o ，国内市场与国际市场 的界限越来越模糊，我国的汽车工业将直接面临幽际竞争。只有充分提高自身 的核心竞争力具有自主知识产权的技术和产品，才能在国际化的竞争中立 于不败之地。 近年来，我国汽车工业获得了飞速发展，为了提高我国汽车行业的核心竞 争力，目前我国有关高校和科研机构也正在进行汽车核心技术的研究，自动变 速就是其中一项关键技术。吉林大学的葛安林教授长期从事自动变速器的研究， 武汉理工大学硕士学位论文 其研究表明：在较大油门开度加速行驶时，以稳定工况决定的最佳换档规律与 实际有较大偏差，应以非稳定工况下相邻两档换档前后加速度相等的条件确定 动力性换档规律，为此，应以三参数( 车速、油门与加速度) 控制换档。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。清华大学的张俊智博士对换档规律的制定进行了研 究，提出了边界点换档规律，克服了原有换档规律在实际运用过程中出现的缺 陷，提高了车辆的动力性和经济性，提出了动力性换档规律确定的动态驱动力 法和经济性换档规律的油门法和车速法，这些方法的综合应用简化了动态三参 数换档规律的制定过程。在此基础上制定了桑塔纳2 0 0 0 机械式自动变速器 ( a m t ) 的换档规律，并在实际跑车中得到检验。目前，我国在a m t 上不仅拥 有自主知识产权，而且在“自适应控制技术”、“动态闭环换档控制、“模糊控 制技术”等自动变速理论方面处于世界领先水平。进入九十年代以来，我国的 自动变速技术有了极大的发展，自动变速器技术已经取得突破，在c v t 技术研 究领域，我国也正在加紧研究，努力赶超世界先进水平，“九五”期间轿车金 属带式无级自动变速器的开发和研制已经被列入国家的重大科技攻关计划，以 跟踪世界技术的发展和开发适合我国国情的汽车。同前，湖南容大汽车电子技 术有限公司自主开发成功r dc v t1 5 0 型无级变速器，完成了与南京菲亚特( 西 耶那型) 轿车匹配，整车通过了国家汽车质量监督检测中心( 襄樊) 的测试， 基本性能已经达到国外同类产品的技术水平，并通过湖南省科学技术厅缀织的 产品鉴定。数十名汽车行业专家、学者和行业领头人对r dc v t1 5 0 型无级自动 变速器( c v t ) 鉴定后一致认为，r dc v t1 5 0 型无级自动变速器技术基本成熟， 达到了国内领先、国际先进水平，并建议尽快结合国产轿车建立c v t 生产基地 组织生产，以提高我国国产汽车的技术水平和国际竞争力。 1 2 4 自动变速器的发展趋势 随着电子技术的不断发展和进步，特别是微机控制功能的进一步增强，各 种传感器和执行机构性能的改善，以及用户对汽车的操纵性能、舒适性、安全 性能等方面的苛刻要求，世界上许多汽车生产厂家不断投入人力和财力，大力 加强自动变速器技术的研究，促进其不断向以下几个方向发展； ( 1 ) 高效化 为了提高传动效率，改善经济性能，轿车用自动变速器普遍采用了变矩器 武汉理工大学硕士学位论文 锁止离合器，并进行电子控制以保持其换档的平顺性。带锁止离合器的液力变 矩器，克服了液力变矩器输出轴与输入轴之间存在滑动而使液力交矩器传动效 率降低的缺点，这种锁止装置实际上是全自动离合器。锁止离合器时，变矩器 将不起作用，这对改善汽车的燃油经济性大有益处。 ( 2 ) 智能化 智能型的电子控制自动变速器的电子系统可以在汽车行驶过程中，对汽车 的运行参数进行控制，合理地选择换档点，而且在换档过程中对恶化的参数进 行修正，同时具有自动诊断系统，可以将汽车运行中的故障记录下来，便于维 护。现代电子控制自动变速器的主要特点是一机多参数、多规律性的控制。多 参数指输入微机的控制参数多元化，即控制参数不仅有发动机转速、车速、节 气门开度等信号，而且又反映发动机、变速器工作环境和行驶等信号，控制参 数多元化更能全面的反映发动机和变速器的实际工况；多规律是指控制微机中 间时存储多种不同的换档规律，如最佳经济性、动力性，各种加速行驶时的最 佳经济性、最佳排放等，驾驶员可按需要调用相应的规律实现最佳控制。智能 控制系统的另一个特征是具有对司机驾驶意愿的识别能力，它能够理解和领会 人的意图，从而给自动变速器赋予了灵性。通过检测出司机的驾驶操作动作( 油 门、制动和转向操作等) ，识别司机的性格爱好和驾驶习惯以及司机此时此刻的 驾驶情绪，自动变速器能够因人、因时而异地进行换档控制。 ( 3 ) 多档化 为了提高燃料经济性，要求尽可能地由变矩器机械部分多承担变速变矩功 能。而随着汽车行驶速度的不断高速化，又要求变速器的变速范围不断提高。 由于以上原因，a t 变速器机械部分的变速范围不断提高。另一方面为了提高换 档过渡的平顺性，要求降低相邻档位速比间隔，降低相邻档位速比间隔也有利 于发动机运行在最佳状态。从而提高车辆燃料经济性和动力性。因此，a t 增加 档位数是技术上的发展趋势。最初a t 只有两档，5 0 至6 0 年代以三档为主，到 了7 0 年代发展到四档。最初四档a t 往往是在三档a t 基础上加一行星排来实 现，结构不紧凑，零件较多。8 0 年代初丌始，各主要厂家都开发了专为四档变 速箱设计的双排四档行星变速机构，结构简单紧凑。1 9 8 9 年日产公司开发了世 界上首台液力机械式五档a t 接着丰田、三菱、宝马及奔驰公司也相继推出了五 档a t 。但是，档位数越多制造成本就越大，而性能改善却越小。当档位数增加 至血档时变速箱行星排数必须增加至三排，尺寸重量和制造成本都会增加。同 武汉理工大学硕士学位论文 产公司专门分析研究了档位数对汽车动力性和经济性的影响，指出：a t 最大档 位数可以发展为六档，目前四档为主流型式，而五档多用于高级轿车。 ( 4 ) 无级化 自动变速器多档化虽能扩大自动变速的范围，但其传动比只介于有级变速 与无级变速之间，理想的无级变速器是在整个传动范围内能连续地改变传动比， 故能进行理想的变速控制，比多档位齿轮传动机构更优越，使变速器始终按最 佳换档规律自动变速。采用无级变速器可以节约燃油，提高汽车的经济性和舒 适性，无级化是对自动变速器的理想追求。 ( 5 ) 小型化 减轻重量、缩短动力传递路线，能使汽车节油，自动变速器的小型化正起 着这种作用。7 0 年代以来，微型车急剧增多，从而为自动变速器小型化提供了 前提条件。此外，自动驱动桥( 即把变速器与驱动桥合为一个整体) 的趋势十 分突出，小型化又推动了f f 化和自动驱动桥的发展。 1 2 5 车辆实现自动变速的意义 随着车辆技术的发展，人们对车辆操纵方便性和舒服性提出了越来越高的 要求。车辆实现自动变速会带来以下优点： ( 1 ) 操纵简单轻便 装备自动变速器的汽车，采用液压操纵或电子控制，使换档实现自动化。 在变换变速杆位置时，只需操纵液压控制的滑阀，这比普通机械变速器用拨叉 拨动滑动齿轮实现换档要简单轻松得多。而且，其换档齿轮组一般都采用行星 齿轮组，是常啮合齿轮组，这就降低或消除了换档时的齿轮冲击，大大减轻了 驾驶员的劳动强度，因而特别适合于非职业驾驶。 ( 2 ) 具有良好的自适应性 目前，液力传动的汽车都采用液力变矩器，它能自动适应汽车驱动轮负荷 的变化。当行驶阻力增大时，汽车自动降低速度，使驱动轮动力矩增加。当行 驶阻力减小时，减小驱动力矩，增加车速。这说明，变矩器能在一定范围内实 现无级变速，大大减少行驶过程中的换档次数，有利于提高汽车的动力性和平 均车速。 ( 3 ) 提高汽车通过性 采用液力自动变速器的汽车在起步时，驱动轮上的驱动转矩是逐渐增加的， 武汉理工大学硕士学位论文 可防止很大的振动，减少车轮的打滑，使起步容易，且更换平稳，稳定车速可 以降低。举例来说：当行驶阻力很大时( 如爬陡坡) ，发动机也不至于熄火，使 汽车仍能以极低速度行驶。在特别困难的路面行驶时，因换档时没有功率间断， 不会出现汽车停车的现象。因此。液力机械变速器对于提高汽车的通过性具有 良好的效果。 ( 4 ) 提高发动机和传动系的使用寿命 采取液力自动变速器的汽车与采用机械变速器的汽车对比试验表明：前者 发动机的寿命可提高8 5 ，传动轴和驱动半轴的寿命可提高7 5 1 0 0 。液力 传动汽车的发动机与传动系，由液体工作介质“柔性”性连接。液力传动起一 定的吸收、衰减和缓冲的作用，大大减少冲击和动载荷。例如，当负荷突然增 大时，可防止发动机过载和突然熄火。汽车在起步、换档或制动时，能减少发 动机和传动系所承受的冲击及动载荷，因而提高了有关零部件的使用寿命。 ( 5 ) 提高行车安全性 在汽车行驶过程中，驾驶员必须随时根据道路条件、交通情况的变仡，对 车辆的行驶方向和速度进行相应调节。这种连续不断的频繁操作使驾驶员的注 意力分散，容易产生驾驶疲劳，造成交通事故增加；而自动变速的车辆，由于 取消了离合器踏板和变速操纵杆，只需控制油门踏板，就能实现自动变速。因 而极大地改善了驾驶员的劳动强度，提高了行车安全性。 ( 6 ) 降低废气排放 由于装载自动变速器车辆的传动比能根据负荷和车速在一定范围内实现自 动调节，可使发动机经常处于经济转速区域内运转，即在较小污染排放的转速 范围内工作，大大降低了尾气污染。 综上所述，自动变速器和手动变速器相比，具有一些显著优点，这也是汽 车采用液力自动变速器的理由。不过，与手动变速器相比，它也存在某些缺点， 如结构复杂，制造成本较高，传动效率较低等。对液力变矩器而言。最高效率 一般只有8 2 8 6 左右，而机械传动的效率可达9 5 9 7 。由于传动效率低， 使汽车的燃油经济性有所降低；但这些缺点是相对的，出于大大延长了发动机 和传动系统的使用寿命，减少了维修费用，自动变速器提高了发动机功率的平 均利用率，提高了平均车速。虽然传动效率和燃油经济性有所降低，却提高了 汽车整体经济性。此外，目前普遍采用一种带锁止离合器的液力变矩器，使传 动效率大为提高。在一定行驶条件下，通过采用与发动机的最佳匹配，遵循最 武汉理工大学硕士学位论文 佳换档规律，采用带锁止变矩器，增加机械档数以及采用超速档等措麓，已可 使效率较低的液力机械自动变速器接近了手动变速的水平。 1 。3 液力自动变速器的组成和原理 目前，在轿车上普遍采用的 主流型式是液力机械式自动变速 器( a t ) 。它能将发动机的机械 能平稳地传给车轮，以其良好的 乘坐舒适性、方便的操作性、优 越的动力性、良好的安全性奠定 了在汽车工业的主导地位。汽车 液力自动变速器的结构相当复 杂，但无论哪一种，大致都由以 下三部分构成：液力变矩器、行 星齿轮机构，液压操纵及控制系 统，如图1 1 所示。图1 - 1 液力自动变速器结构简图 1 3 1 液力变矩器 液力变矩器是自动变速器的核心组成部分之一，它是通过工作轮叶片的相 互作用，引起机械能与液体能的相互转换来传递动力，通过液体动量矩的变化 来改变转矩的传动元件，具有无级连续改变速度与转矩的能力，提高了乘坐舒 e 从动轴导轮 发动机f i 轴 图1 2 液力变矩器结构示意图 适性、车辆平均行驶速度以及安全性和通过 性。液力变矩器由可转动的泵轮、涡轮以及 固定不动的导轮组成，如图1 2 所示。 液力变矩器以液体为工作介质，利用液 体动量矩的变化来传递能量。发动机通过发 动机曲轴驱动泵轮旋转，充满于泵轮叶片间 的工作油液在离心力的作用下以很高的速 度和压力沿泵轮叶片的外缘流出并按图中 箭头方向进入涡轮，在高速液流冲击力作用 下涡轮旋转，进入涡轮的液流速度降低并沿 1 n 武汉理工大学硕士学位论文 着涡轮叶片通道内流动( 相对运动) ，同时又与涡轮一起做旋转运动( 牵连运动) 。 这样，油流对涡轮叶片就作用有柯式惯性力，该惯性力和冲击力一样，也使涡 轮获得输出力矩。由于涡轮流出的工作液体接着又进入导轮，导轮与壳体固定 不能旋转。因此，在导轮叶片作用下改变了速度方向的液体质点又重新返回泵 轮，完成工作液体在工作轮之间的不断循环。当液体从涡轮流向导轮时，液体 给导轮一个冲击力，导轮通过液体给涡轮叶片一个反冲击力，这个反冲击力增 加涡轮上的转矩，使得输出轴上的转矩大于发动机的输出转矩。当泵轮转速不 变时，输出轴上的转矩随涡轮转速变化而变化，转速越低，液力变矩器输出轴 转矩越大，即液力变矩器就是一种能随汽车行驶阻力的变化而自动改变变矩系 数的自动变速器。 1 3 2 行星齿轮变速器 液力变矩器虽能传递和增大发动机扭矩，但变矩比不大，变速范围不宽， 远不能完全满足车辆改变速度和变化动力两方面的要求，故需与齿轮传动串联， 以扩大其传动比与高效率工作范围。由于行星齿轮传动易于实现自动化、结构 紧凑、质量轻，特别是其 具有与液力变矩器可实现 功率分流的长处，故目前 a t 中多为此型。行星齿轮 变速系统是一种常啮合传 动，其传动比变换可通过 分离与结合离合器或制动 器而方便地实现，特别有 利于动力换档或自动换 档。液力自动变速器的行 星齿轮变速系统一般由双 排行星轮或三排行星轮组 c l 一前离合器；c 2 一后离合器； b 1 、b 2 、b 3 一制动器；f 1 、f 2 一单向离合器 图1 3 三档行星齿轮变速器示意图 轴 成，如图1 - 3 所示为双排行星轮变速器的原理图，该变速器在同一轴上有前后两 个单排行星轮，两排行星轮由一个公共的空心太阳轮相连，该太阳轮与两行星 排的行星轮啮合，这种双排行星轮变速器具有前进档和一个倒档，常装在前置 发动机后驱动的( f r ) 汽车上。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 液压执行机构及接制系统 液力自动变速器采用电控液动系统，由于动力源是供油泵和主调压阀，并 由其产生液压。因此仍保留液压操纵系统。电子控制系统的作用是将车速传感 器和节气门开度传感器产生的电信号输入电子控制系统，由电子控制系统经过 计算、比较处理后，根据预先编制的换档程序，确定档位与换档点，输出换档 指令，控制电磁阀线圈的通断，改变换档阀端面的控制液压，导致换档阀的移 动，自动切换执行元件的油路，实现自动换档，电控自动变速系统控制原理如 图1 4 所示。 发动机h 液力变矩器h 罐嚣h 输出轴h 驱动轮 发动机 转速控制机构 换档执行 机构电磁润 e c u 电子控制单元 油门开度传感器 车速传感器 输出转速传感器 发动机转速传感器 档位开关i l 一水温传感器 图1 - 4 电控自动变速系统控制原理图 1 4 本文主要研究内容 本文在分析自动变速器结构与原理的基础上，主要对自动变速技术系统做 了以下几个方面进行研究： ( 1 ) 研究了发动机和液力变矩器的基本性能及其联合工作特性，如发动机 和液力变矩器共同工作点的求取及工作匹配的评价方法。 ( 2 ) 对液力变矩器各工作元件进行分析，建立了液力交矩器的静态和动态 数学模型，研究其基本性能及其工作特性。 ( 3 ) 根据各档加速度特性和整车油耗特性设计了自动变速器的动力性、经 济性换档规律及综合换档规律。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 建立了自动变速器的m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型，并用s t a t c f l o w 设 计了动力性和经济性换档规律的执行过程仿真模型。 1 5 本章小结 本章从我国汽车工业发展状况和自动变速器的生产应用情况出发，对自动 变速器进行了系统分类，介绍了自动变速技术在国内外的发展历程及现状，指 出了自动变速器的发展趋势及车辆实现自动变速的意义，同时简要介绍了自动 变速器的组成和工作原理，并在最后提出了论文的主要研究内容。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章发动机与液力变矩器的共同工作 装载液力自动变速器车辆的性能除了与所应用的发动机、变速器( 液力变 矩器、行星齿轮机构) 以及行驶装置各自的性能有关外，还与它们之间的配合 良好与否有很大关系，特别是汽车的动力性和燃油经济性，在很大程度上取决 于发动机与变矩器的匹配性能是否良好，一台性能优良的发动机和一台性能优 良的液力变矩器如果匹配不当，就不能充分发挥出各自的优良性能，从而车辆 就无法获得良好的动力性与燃油经济性。因此，对于液力自动变速器( 衄) 而 言，研究发动机与液力变矩器的共同工作特性是非常有必要的。 2 1 发动机特性 汽车在行驶时，由于行驶速度与道路阻力不断变化，要求发动机的转速和 负荷亦相应变化，以适应汽车的需要。发动机的性能指标随发动机调整情况和 运转工况而变化的关系称为发动机特性。根据发动机的各种特性曲线，可以全 面地判断发动机的动力性和经济性。本文仪对汽油机的有关特性进行探讨。 2 1 1 发动机的速度特性 当发动机的节气门丌度一定， 率t 等性能指标随转速n 变化而 变化的关系称为发动机速度特 性。若驾驶员保持加速踏板位置 不变，则随着道路阻力的不同， 汽车的行驶速度将会改变，这时 发动机即按速度特性工作。速度 特性包括外特性和部分速度特 性。外特性是指节气门全开时所 测得的速度特性，部分速度特性 指节气门部分开启时所测得的速 度特性。发动机的速度特陛曲线 如图2 1 所示。 其有效功率、有效转矩t 、有效燃油消耗 心 ” o 封 图2 - 1 发动机在不同负荷的速度特性曲线 、| ，一 0 一 。： 、 ? 一 也 武汉理工大学硕士学位论文 2 。1 2 发动机的数值模型 汽车动力性、燃油经济性模拟计算是以发动机数学模型为重要依据的。发 动机数学模型的描述，包括汽车发动机外特性( 使用外特性) 和发动机万有特 性。由于内燃机豹工作过程是一个较为复杂的过程，因此很难用一个精确的数 学表达式来表示其工作模型。对于发动机模型的表达方式一般都是在发动机稳 态试验数据的基础上采用数表或公式拟合的方法获得，由于数表法具有较高的 使用精度而在实际中被广泛采用。 对已知试验数据的发动机，其使用外特性可以看作为发动机转速的一元函 数，用最小二乘法拟合得出；而万有特性可以看作发动机转速和发动机转矩的 二元函数，用曲面拟合法获得。限于发动机测试技术，非稳态工况还不能用一 定的动态的或过渡性的特性来表示，目前还主要是利用稳态工况下发动机特性 试验数据获得的模型近似地代替非稳态工况下发动机瞬时特性。可以采用修正 系数的方法来考虑这种影响，借以减少稳态工况代替瞬态工况带来的误差。 ( 1 ) 发动机的稳