（车辆工程专业论文）液力自动变速器电子控制系统研究与开发.pdf

摘要 摘要 汽车传动系在汽车构造中占有相当重要的位置，并且对车辆行驶性能的好上1 ： 有很大的影响。近年来，我国汽车工业取得了飞速的发展，越来越多的汽车配置 了自动变速器，然而我国目前在自动变速器领域的研究与国外相比还有很大的差 距。因此，消化吸收国外先进技术，并开发具有自主知识产权的自动变速器有重 大的现实意义。本文依托同济大学汽车仿真技术研究所与上海汽车工业总公司合 作的“汽车自动变速器控制系统及其试验台的开发与研制”课题，主要对液力自 动变速器电子控制系统展开研究。 论文从液力自动变速器电子控制系统的组成入手，以桑塔纳2 0 0 0 g s i - a t 型 轿车采用的0 1 n 型4 档自动变速器为对象，阐述电子控制系统的组成，并开发了 电子控制单元车载测试系统，对电子控制单元( e c u ) 各输入输出信号进行实车测 试。通过对测试结果数据的分析，获取了原车e c u 各信号的工作特性。 紧接着，论文描述了电子控制单元硬件设计。包括电子控制单元的最小系统、 电源模块、各输入通道、各输出通道、c a n 总线通讯模块的选择与设计，并概述 了采取的硬件抗干扰设计的措施。 接下来，论文重点阐述了液力自动变速器的换档控制策略。从最佳动力性、 最佳经济性换档规律的计算切入，同时指出基本换档规律存在的主要弊端，并针 对这些弊端提出具体的驾驶员意图和上坡、下坡、低附着路面、拥挤市区等行驶 环境的识别方法及相应的换档控制策略，以克服基本换档规律的不足，最后通过 建立以驾驶员意图及行驶环境识别为基础的智能换档控制系统，实现汽车液力自 动变速器的换档控制策略。 最后，论文阐述了自动换档控制、液力变矩器闭解锁控制和主油道压力控制 等三部分核心模块的控制规律和具体实现方法，并且提出提高整个系统可靠性所 采取的软件设计措施。通过仿真试验台及实车试验结果表明，自开发e c u 实现各 项控制目标，且具有较好的经济性、动力性和换档舒适性。 关键词：自动变速器，车载测试系统，电子控制单元，换档控制策略 a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m o t i v ep o w e r t r a i np l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei na u t o m o t i v es t r u c t u r e ，a n d h a sag r e a ti m p a c to nv e h i c l ep e r f o r m a n c e i nt h el a s tf e wy e a r s ，c h i n e s ea u t o m o t i v e i n d u s t r yh a sd e v e l o p e dr a p i d l y , a n dm o r ea n dm o r ea u t o m o b i l e sh a v eb e e ne q u i p p e d w i t ha u t o m o t i v et r a n s m i s s i o n s ( a t ) h o w e v e r , c h i n e s ea tr e s e a r c hh a sal o n gw a yt o c a t c hu pw i t ht h ef o r e i g na d v a n c e dl e v e l s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pt h ea t w i t ho u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y t h i st h e s i si sb a s e do nt h ep r o j e c to f “r e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to f a u t o m o t i v et r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e ma n d s i m u l a t i o n t e s t b e n c h ”，w h i c h i s s u p p o r t e db ys h a n g h a ia u t o m o t i v ei n d u s t r yc o r p o r a t i o n ( g r o u p ) ，a n df o c u s e so na t e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m t h et h e s i sb e g i n sw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fa te l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m s c o m p o n e n t s ，a c c o r d i n gt ot y p e 0 1n ”i ns a n t o n a2 0 0 0 g s i a t am e a s u r e m e n t s y s t e mi s a l s od e v e l o p e dt ot e s tt h es i g n a l so fe l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) ，a n d t h r o u g ht h et e s t ，t h ec h a r a c t e r so fe c us i g n a l sa r eo b t a i n e d s e c o n d l y , t h et h e s i sd e s c r i b e st h eh a r d w a r ed e s i g no fe c u ，w h i c hi n c l u d e s c e n t r a lc o n t r o lu n i t ，p o w e rm o d u l e ，s i g n a li n p u tc h a n n e l s ，s i g n a lo u t p u tc h a n n e l sa n d c a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h e n ，t h et h e s i sp a y sag r e a ta t t e n t i o no nt h es h i f tc o n t r o ls t r a t e g i e so fa t t h i s c h a p t e rb e g i n sw i t ht h ec a l c u l a t i o no fb a s i c s h i f ts c h e d u l e ，a n dm e a n w h i l et h e d i s a d v a n t a g e so fb a s i cs h i f ts c h e d u l ea r ep o i n t e do u t t h e nt h em e t h o d so fd r i v e r s i n t e n t i o na n de n v i r o n m e n tr e c o g n i t i o na n ds h i f tc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ec o m eu p r e s p e c t i v e l y w i t ht h ea n a l y s i so ft h e s es h i f tc o n t r o ls t r a t e d i e s ，a ni n t e l l i g e n t s h i f t c o n t r o ls y s t e mi ss e tu p l a s tb u tn o tl e a s t ，t h et h e s i sd e s c r i b e st h ec o n t r o l r u l e sa n d s p e c i f i c i m p l e m e n t i n gs o l u t i o n so fa ts h i f t ，l o c k u po ft o r q u ec o n v e r t o ra n do i lp r e s s u r e c o n t r 0 1 t h er e s u l t so ft e s t b e n c ha n dc a r - t e s t i n ge x p e r i m e n t sh a v es h o w e dt h a tt h e e c uo fo u ro w nh a sag o o dp e r f o r m a n c ei ne c o n o m y , d y n a m i c sa n dc o m f o r t k e yw o r d s ：a u t o m o t i v et r a n s m i s s i o n ，i n c a rm e a s u r e m e n ts y s t e m ，e l e c t r o n i cc o n t r o l u n i t ，s h i f tc o n t r o ls t r a t e g i e s n 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： 年月日 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：学位论文作者签名： 年月日年月日 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： 年月 日 第l 章绪论 第1 章绪论 经过一百多年的发展，汽车已经成为现代物质文明的一种象征和人类生活中 不可缺少的部分。一个国家汽车的普及程度，己成为衡量其工业化的重要标志。 自二十世纪七十年代以来，面对能源短缺、环境污染和安全、舒适、方便等一系 列问题与需求的挑战，人类在汽车上广泛采用先进技术，使得汽车各部分构造及 其性能都发生了巨大变化。传动系在汽车构造中相当重要，其作用是解决汽车发 动机输出的转速和转矩与车辆驱动轮所需的转速和转矩之间的矛盾，即通过传动 系改变传动比，调节发动机的性能，将动力传至车轮，以适应外界负载与道路条 件的需要。因此传动系对车辆行驶性能的好坏有很大的影响。传动系的性能，突 出表现在经济性和方便性。经济性是指传动系本身的功率损失要小，即效率要高。 方便性则是指档位的变化容易实现。在汽车一百多年的历史中，传动系的发展始 终围绕这两个目标，经历了一个由采用从最初档位固定的减速器到有多个档位可 变换的手动机械式变速器商至今天自动实现换档的自动变速器的过程。 1 1 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 ”) ，另一种是无级式自动变 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 ) i l l 。 液力自动变速器由液力变矩器和机械变速器组成，广泛应用于轿车、公共汽 车、重型车辆和商用车上，是目前自动变速器的主流。 机械式自动变速器是在机械式变速器基础上加上计算机控制电液伺服操纵 换档机构使其实现自动变速，目前在部分卡车上应用。 无级式自动变速器可实现传动比的连续变化。有机械式、静压式和电力式三 种形式。目前所谓的无级式自动变速器即为机械式推动金属v 型带式电子控制自 动变速器，在轿车上已开始批量使用。静压式在工程车辆和农业机械上己应用， 但存在效率、噪声、重量和速度限制等问题，在汽车上没有应用。电力式用于电 动汽车。 l 液力自动变速器 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，实际上 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，在 第1 章绪论 美国采用液力自动变速器的轿车已达9 0 以上。其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。液力自动变速器是将车速和节气门开度作为 电控单元( e c u ) 的输入信号，经电控单元处理后，再输出给电磁阀，利用电磁阀 控制液压同路，通过控制油路的通或者断使各档对行星齿轮的施力装置动作，从 而完成变速控制。液力自动变速器的电控系统使得自动换档柔和、平稳，所以乘 坐与驾驶都感觉很舒适。 采用液力机械式自动变速器无疑提高了轿车的档次，但结构复杂、重量大、 制造工艺复杂等也是它的特点。 2 机械式自动变速器 机械式自动变速器是在原有机械变速器基本结构不变的情况下，通过加装微 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 的主要功能需靠软件来实现，在机械式自动变速器中，微机代替了熟练司机的大 脑，多种传感器代替了人的感觉神经，电液或全电控的执行机械代替了人的手与 脚的操作。机械式自动变速器由于原有的机械传动结构基本不变，所以齿轮传动 固有的传动效率高、机构紧凑、工作可靠等优点都很好地继承下来。 但是纵观世界汽车工业，机械式自动变速器应用不广，重型车辆上有所应用， 而在轿车上几乎很少应用，主要原因有以下几点： ( 1 ) 从历史继承性来看，a m t 是在m t 基础上的改良，投资少，开发难度低。 但由于先天性的性能和结构限制，使其性能无法进一步提高。 ( 2 ) 从性能上来看，a t 通过不断改善，其性能明显优于a m t 。a t 中带闭锁离 合器的变矩器具有主离合器的功能，而a m t 的主离合器功能有限，无法实现变矩 器所具有的优点。a t 换档操纵方式比较简单直接，控制系统发出的电信号转换 为液压信号后商接控制结合元件换档，而a m t 控制系统发出的电信号转换为液压 信号后还需要通过机械机构去控制换档，显然比较麻烦。a t 起步加速和换档性 能，操纵驾驶性能都要比a m t 好。 3 无级式自动变速器 金属带无级式自动变速器属摩擦式无级变速器，其传动与变速的关键部件是 具有v 犁槽的主动锥轮、从动锥轮和金屑带，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，橡胶 带是以拉的形式传递扭矩，而无级自动变速器的金属带则是以推的形式传递扭 矩。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，通过改变作用到主、从动锥轮 2 第1 章绪论 可动锥盘上液压力的大小，便可使主、从动锥轮传递扭矩的节圆半径连续发生变 化，从而达到无级改变传动比的目的。作用到主、从动锥轮可动锥盘上液压力大 小的变化是由电液控制系统控制的，而电液控制系统则是依据道路的行驶阻力变 化和驾驶员对油门的位置控制等来进行工作的。例如：当汽车爬坡行驶阻力增加 时，若油门不变，根据发动机外特性，发动机转速自动下降，变速器的电液控制 系统就会根据行车阻力信号的变化，提高从动锥轮液压缸的压力，从而使主、从 动锥轮和金属带配合的节圆半径向减速的方向移动，达到自动减速，增加牵引力 的目的。若汽车在平坦的公路上行驶，驾驶员需要超车时，加大油门，电液控制 系统就会根据信号变化迅速转换速比，使车速提高，而且运行平稳，使驾驶员的 操作大大减化。 从理论上说，c v t 可使发动机始终在经济工况区运行，从而大幅度省油，但 是由于c v t 是摩擦传动，主要缺点也是效率差，以致初期c v t 装置与手动变速相 比并不省油。经过一段时间努力，现在可以使燃料经济性改善1 0 - 一2 0 ，它 使汽车具有一个没有“漏洞”的牵引性能，而且加速时无需切断动力。而有级变 速与其相比，显然损失了很多加速能力，所以c v t 车辆，不仅舒适而且超车加速 性能好。虽然c v t 不像a t 生产制造已有6 0 年的历史，经过长期的使用和改进， 性能日趋完善，但是c v t 理想的性能吸引了厂家投入资金和人力对它进行研究和 实验。 1 2 液力自动变速器的组成和原理 正如前文所述，现代汽车自动变速器普遍采用的是液力变矩器和行星齿轮变 速器组合而成的液力自动变速器。其工作原理是：节气门传感器和车速传感器将 发动机：1 ，气门开度和车辆行驶速度转变为电信号，连同其他反映汽车各总成和系 统工作情况的传感器信号一起，送到电子控制系统的电子控制单元( e l e c t r o n i c c o n t r o lu n i t ，简称e c u ) 。然后，输入信号与事先存储在电子控制单元中的控 制规律进行比较计算，并由电子控制单元向相应的若干个电磁阀发出指令，接通 或切断流向换档阀等的液压油路，使执行机构各离合器和制动器动作得到控制， 从而精确地控制换档和锁止离合器的工作，并使自动变速器的换档更趋平稳。液 力自动变速器的组成和控制原理如图1 1 所示。它主要由液力传动装置( 液力变 矩器) 、辅助变速装置、液压控制单元和电子控制单元4 部分组成训。 l 液力传动装置 汽车液力传动装置分为液力偶合器和液力变矩器，现代自动变速器液力传动 装置大都采用液力变矩器。 第l 章绪论 图1 1 液力自动变速器的组成和原理 液力变矩器主要由泵轮、涡轮、导轮及锁止离合器组成。 液力变矩器是液力自动变速器的重要零部件，它的前端与发动机飞轮相连 接，输出部件与行星齿轮变速器的输入端相连，发动机的动力由液力变矩器传入 行星齿轮变速器，实现发动机与变矩器的“软”连接，从而大大减少了传动机构 的动载荷，延长发动机和变速器的使用寿命，同时在一定范围内实现无级变速。 液力自动变速器使用的液力变矩器具有以下一些优点： ( 1 ) 自动变矩，适应外界阻力的变化； ( 2 ) 降低传动系动载荷，使汽车平稳起步，吸收和衰减振动和冲击，延长传 动系寿命； ( 3 ) 防止发动机囚过载而突然熄火： ( 4 ) 提高乘坐舒适性： ( 5 ) 利用变矩器能够打滑的特性，换档时可缓和因速比差而引起的冲击： ( 6 ) 提高车辆的通过性。车辆在软路面( 如泥泞地、沙地、雪地等) 上起步 和加速时，车轮下陷量较机械传动约小2 5 ，滑转小，附着储备大2 、3 倍，能 以稳定牵引力和任意低的车速行驶。 目前变矩器都增加了闭锁离合器控制，为了降低油耗，变矩器主要在起步换 档加速时起作用，平时闭锁成机械传动。桑塔纳2 0 0 0 g s i - - a t 型轿车采用的0 l n 4 第l 章绪论 型自动变速器前端装有锁止离合器。锁止离合器的主动盘就是变矩器壳体，从动 盘是可在轴向移动的压盘。为了减小离合器结合和分离瞬问的冲击，从动盘内圈 上带有弹性减振盘，然后与涡轮输出轴相连。主动盘和从动盘相接触的工作面上 有摩擦片。压盘左右两侧的油液由滑阀箱内的锁止电磁阀控制。当压盘左右两侧 保持相同的压力时，锁止离合器处于分离状态。动力须经液力变矩器传递，可充 分发挥液力变矩器减振吸振、自动适应行驶阻力剧烈变化的优点，适合于汽车起 步、换档或在坏路面上行驶工况使用。当锁止电磁阀控制压盘左侧的油压降低， 而压盘右侧的油液压力仍较高时，在此压差的作用下，压盘通过摩擦片压紧在主 动盘上，动力经锁止离合器实现机械传动，变矩器输入轴与输出轴成为刚性连接， 传动效率较高，提高了汽车的行驶速度和燃油经济性。 2 辅助变速装置 目前普遍采用的是行星齿轮式变速器。该变速器是用行星排机构来达到变速 的目的，它依靠离合器和制动器根据行车需要来连接或制动行星排的不同元件， 从而实现变速器的不同速比。其作用是进一步增扭减速，通过变换档位实现不同 的传动比，以提高汽车的适应能力。 桑塔纳2 0 0 0 g s i - - a t 型轿车行星齿轮变速器主要由行星齿轮机构、离合器、 制动器和单向离合器组成，工作原理简图如图1 2 所示h 1 。 l c i l 吣杵k 2缶并 | i 、 k l tp i 门，主l 丁一 i i k 3 兽 一 l j - 上至一 t亍。 i 图i 2 桑塔纳2 0 0 0 g s i - - a t 型轿车行星齿轮变速器工作原理简图 速器 行星齿轮机构包括大太阳轮、小太阳轮、长行星齿轮、短行星齿轮、齿圈和 行星齿轮架。短行星齿轮与长行星齿轮及小太阳轮啮合，长行星齿轮同时与大太 阳轮、短行星齿轮及齿圈啮合，动力通过齿圈输出。 离合器和制动器以液压方式控制行星齿轮机构元件的旋转，而单向离合器则 以机械方式对行星齿轮机构元件进行锁止。片式离合器和盘式制动器是由滑阀箱 通过液压控制。离合器k 1 用于驱动小太阳轮，离合器k 2 用于驱动大太阳轮，离 合器k 3 用于驱动行星齿轮架，制动器b 1 用于制动行星齿轮架，制动器b 2 用于 制动大太阳轮。 5 第l 章绪论 3 液压控制单元 液压控制单元起传递、控制、操纵、冷却和润滑等功能，主要由油泵、主调 压阀、：1 譬流阀、换档阀、手控阀、电磁阀等组成。液压控制系统受电控系统的控 制，按照行车要求，把液压油输入到需要工作的离合器或制动器油缸内，以改变 变速器速比，达到行车要求。 4 电子控制系统：包括信号输入装置、控制电路和执行机构等三部分。 信号输入装置：包括传感器( 节气门位置传感器、车速传感器及变速箱油温 传感器等) 和信号开关装置( 行驶模式选择开关、空档起动开关、制动灯开关及换 低档开关等) 。信号输入装置负责将汽车行驶的有关状态信息转变为电信号，以 便后继的控制电路接受。传感器信号一般有模拟量、脉冲量、数字量等3 种形态。 e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) ：电子控制单元是电子控制系统的核心， 接收传感器检测到的汽车行驶状态信息和驾驶员给出的干预信息，并进行比较运 算。再按照某种规律发出指令，自动控制传动系统工作。e c u 主要由输入通道、 控制器和输出通道3 部分组成。输入通道接收各种输入装置，如传感器和功能开 关的输出信号，并对其进行放大或调制。控制器将这些信号与内存中的数据进行 对比，根据对比结采作出是否换档等决定，再由输出装置将控制信号处理或直接 输送给电磁阀等执行机构。e c u 能同时存储多种控制参数，能在不同的控制规律 间切换，如最佳动力性换档规律、最佳燃油经济性换档规律及日常行驶规律等， 能完成比全液压式控制系统复杂得多的自动控制程序就可以适应不同传动系和 不同换档规律的需要，而且仅需改变输入信号及程序不必改变机械加工工艺设 备，使一利，装置可以通用于各种传动系统。e c u 的功能有控制换档时刻、控制锁 止离合器、控制换档品质和自我诊断与失效防护功能。 执行器：主要指电磁阀，它根据e c u 的命令接通或切断液压回路。按其作用 分为换档电磁阀、锁止电磁阀和调压电磁阀。换档电磁阀用于控制换档位置和时 刻：锁止电磁阀用以控制液力变矩器的闭锁和解锁：调压电磁阀用于调节主油道 压力，使换档过程更顺畅。 1 3 液力自动变速器国内外研究概况 自从1 9 0 2 年第一辆由法国人制造的带有自动变速箱的汽车诞生以来，自动 变速箱的发展就开始了其漫长的历程。4 0 年代末5 0 年代初，出现了根据车速和 ：1 了气门开度来自动控制换档的液力控制换档自动变速器，使得自动变速器进入迅 速发展时期。1 9 8 2 年，丰田公司生产的一台a 一1 4 0 e 型电控自动变速箱，它装 配在佳美四缸机上，是变速器电控单元走向智能化的鼻祖。目前美国大部分的汽 6 第l 章绪论 车装用了自动变速器，而日本和西欧国家汽车自动变速器的普及率也接近9 0 。 所以自动变速技术在欧美和日本已经相当成熟，目前国外的研究主要集中在以下 几个方面i 引。 ( 1 ) 变矩器高效率化。液力变矩器是a t 的核心元件，它于1 9 0 5 年由德国盖 尔曼费丁格创造以来，经历了一系列的发展过程。一开始人们认为变矩器可以 自动无级变速，汽车传动系的变矩任务主要应该由变矩器来完成，而机械变速箱 只起辅助作用。因此在设计中尽量提高其变矩比，开发了不少结构复杂的多元件 多级变矩器。但是不久人们发现，液力自动变速器最主要的问题是变矩器效率低、 费油，多元件多级变矩器效率尤其低，采用变矩器必须解决效率低的问题。在提 高变矩器效率的过程中，发现要提高其效率只能简化结构和降低变矩比。于是变 矩器主要是在起步和加速时起作用，汽车传动系的变矩任务主要由机械变速器完 成。同时，变矩器的设计采用先进的设计方法和手段，使变矩器的结构越来越紧 凑合理，并且效率也得到了较大的提高( 最高效率在9 0 以上) 。 ( 2 ) 多档位化。随着汽车行驶速度的不断提高，变速器的变速范围要求也不 断提高。另一方面，为了提高换档过程的平顺性，要求减小相邻档位速比。因此 a t 增加档位数是技术上的发展趋势。a t 最初只有两档，5 0 至6 0 年代以三档为 主，到了7 0 年代发展到四档。1 9 8 9 年日产公司开发了世界上首台五档a t ，接 着丰田、三菱、宝马以及奔驰公司也相继推出了五档a t 。但是，档位数愈多， 制造成本就愈大，而性能改善却愈小。日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。 ( 3 ) 闭锁离合器打滑控制。自8 0 年代起在a t 中开始采用变矩器闭锁技术， 以提高变速器的传动效率和车辆的燃料经济性。然而，变矩器闭锁后失去了液力 传动平稳的优点，不能吸收发动机扭矩波动所引起的冲击和振动，造成车辆振动 和噪声的增大。所以在最初，变矩器的闭锁区域仅限于高档高速、小油门开度， 这样一个很狭窄的区域。9 0 年代后，世界各著名汽车公司的a t 几乎都采用了闭 锁离合器打滑控制技术，通过对闭锁离合器摩擦片上压紧油压的调节，实现闭锁 离合器微小打滑的精确控制。当闭锁离合器存在打滑而非完全闭锁时，部分动力 经液力传动，部分动力经闭锁离合器机械传动。闭锁离合器不完全闭锁就可以大 幅度降低传动系统的振动和噪声，使闭锁区域得到充分的扩展。闭锁离合器打滑 控制技术的应用，解决了燃油经济性和行驶平顺性的矛盾，大幅度提高了a t 的 性能。 ( 4 ) 换档控制智能化。a t 的换档控制起初均采用全液压控制，1 9 6 9 年法国雷 诺r 1 6 t a 轿车a t 首先采用了电子控制，8 0 年代后电子控制得到了普及。a t 的电 子控制系统将控制换档的参数( 如车速、油门开度等) 通过传感器变为电信号，经 7 第l 章绪论 过电控单元的处理，将控制信号作用于换档电磁阀，从而利用液压系统实现自动 换档。8 0 年代后期开始，各著名的汽车公司纷纷开发了a t 智能控制系统，使得 汽车不仅根据控制参数进行自动换档，而且能够识别出汽车行驶环境和驾驶员意 图，以实现因人、因地而异的换档控制。可见现在采用的控制模型已高度复杂， 采用过去传统的控制方法和信息处理技术是不够的，所以在信息识别和控制中必 须现代采用智能控制技术，如鲁棒控制、模型控制、自适应控制、神经网络等。 ( 5 ) 换档品质的控制。待分离和待结合换档离合器压紧油压的配合是否合理， 对换档品质具有显著的影响。a t 的换档品质控制的研究一直是个研究热点。 换档品质反映在换档过渡过程的舒适性和零部件负载两个方面，其中过渡过程的 平稳性和结合元件热负荷是两项最主要的指标。换档品质的控制依赖于对换档过 程的研究。换档过程涉及较多的影响因素，精细的分析需进行整个传动系统的动 态模拟仿真。然而，系统的模拟仿真不能满足实时控制的要求。因此，有必要在 过渡过程的分析时进行简化，建立适合于实时控制的数学模型。 此外，汽车电子控制系统的集成控制也是汽车控制发展的方向，从各部件的 个别控制不断地向着综合控制方向发展。目前，at 控制和发动机控制、牵引力 控制、四轮驱动控制和a b s 联合起来进行综合控制等都已获得了实际应用。 对于国内，我国自动变速器的开发研究起始于五十年代。最早的为安装在红 旗c a 7 7 0 轿车上的液力自动变速器。但如今国内国产轿车所装用的自动变速器几 乎全部都依靠进口，自动变速器生产线及主要零部件同样依靠进口。所以自动变 速技术这一课题己引起了国内一些单位和研究机构的极大关注，吉林工业大学、 清华大学、北京理工大学、中科院电工研究所等单位对机械式自动变速器的原理 进行了研究并开发了相应的电子控制单元。而国内对液力自动变速器的研究还相 当少。在此背景下，本研究所曾与浙江万向集团合作，共同研究a l 4 型液力自动 变速器，并开发了该自动变速系统中的核心部件e c u 。但这些研究都还处于初步 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。 1 4 本文主要研究内容及章节安排 本文依托同济大学汽车仿真技术研究所与上海汽车工业总公司合作的“汽 车自动变速器控制系统及其试验台的开发与研制”课题，主要对液力自动变速器 电子控制系统展开研究。本文的研究思路为：以对液力自动变速器电子控制系统 组成的分析和测试为基础，进行自动变速器电子控制单元( e c u ) 的硬件设计；通 过液力自动变速器换档控制策略的研究，进而实现液力自动变速器的各个控制功 8 第l 章绪论 能，并在试验台及实车上运行通过。 本文研究内容及简单技术路线如图1 3 所示，章节安排如下。 图1 3 本文研究内容及简单技术路线 第l 章绪论。介绍了自动变速器的三种主要类型，重点介绍了液力自动变 速器的组成和原理，并且概述了液力自动变速器在国内外的研究情况，最后说明 本文的主要研究内容与章节安排。 第2 章电子控制系统的组成与测试。从液力自动变速器电子控制系统的组 成入手，以桑塔纳2 0 0 0 g s i - a t 型轿车采用的o i n 型4 档自动变速器为对象，阐 述电子控制系统的组成。在此基础之上，开发电子控制单元车载测试系统，以对 桑塔纳2 0 0 0 g s i - a t 型轿车电子控制单元( e c u ) 各输入输出信号进行实车测试。通 过对测试结果数据的分析，获取原车e c u 各信号的工作特性，为后期自开发电子 控制单元，包括硬件设计和控制实现提供依据。 第3 章电子控制单元硬件设计。以液力自动变速器电子控制单元硬件总体 结构切入，描述电子控制单元的最小系统、电源模块、各输入通道、各输出通道、 c a n 总线通讯模块的选择与设计，并概述采取的硬件抗干扰设计的措施。 第4 章液力自动变速器的换档控制策略。从最佳动力性、最佳经济性换档 规律的计算切入，同时指出基本换档规律存在的主要弊端，并针对这些弊端提出 具体的驾驶员意图和上坡、下坡、低附着路面、拥挤市区等行驶环境的识别方法 及相应的换档控制策略，以克服基本换档规律的不足，最后通过建立以驾驶员意 图及行驶环境识别为基础的智能换档控制系统，实现汽车液力自动变速器的换档 控制策略。 第5 章液力自动变速控制的实现。从液力自动变速控制的总体结构展开， 阐述自动换档控制、液力变矩器闭解锁控制和主油道压力控制等三部分核心模块 的控制规律和具体实现方法，并且提出提高整个系统可靠性所采取的软件设计措 施。 第6 章总结与展望。总结全文工作，并指出进一步的研究方向。 9 t_-_-i，_-_-_i 第l 章绪论 1 5 本章小结 本章介绍了三种主要类型的自动变速器，并且重点介绍了液力自动变速器的 组成和原理，然后概述了液力自动变速器在国内外的研究情况，最后详细说明了 本文的主要研究内容、技术路线与章节安排。 i o 第2 章电子控制系统的组成与测试 第2 章电子控制系统的组成与测试 2 ，1 电子控制系统的组成 电子控制系统主要由控制单元、传感器和开关等零部件组成。本节以下以桑 塔纳2 0 0 0 g s i a t 型轿车采用的0 1 型4 档自动变速器为对象，描述液力自动变速 器电子控制系统的组成。 1 控制单元 控制单元是自动变速器电子控制系统的核心，它根据安装在发动机、自动变 速器上的各种传感器所测得的节气门开度、车速及变速器油温等运行参数以及各 种开关传来的当前状态信号，进行计算、比较和分析，并调用其内部设定的控制 程序，向各个执行器发出指令，使相应的电磁阀动作，从而实现对变速器的控制。 自动变速器控制单元6 8 针插头各端子的功能如表2 1 所示。 表2 1 自动变速器控制单元6 8 针插头各端子的功能 端予序号功能性质 l接地( 接线柱3 1 ) 接地 3 数据总线低电平输入和输出信号 c a n l 6 变速衍汕温发( a t f ) 传感器一g 9 3输入模拟量 9电磁阀3 - n 9 0输出数字量 1 0 电磁阀7 一n 9 4输出数字量 1 1 驻年空挡信号输入数字量 1 5 制动指示灯开关一f 一信号电压输入数字量 1 6换低档开关- f 8输入数字量 1 8 多功能开关一f 1 2 5 一( 5 号插脚)输入数字量 2 0 车速传感器- g 6 8输入脉冲量 2 l变速毒i = f 转速传感器一g 3 8输入脉冲量 2 2 电磁阀6 - n 9 3 一供电电压输出脉冲量 2 3供l 乜电压( 接线柱1 5 )电源 2 4 诊断导线，k 线 2 5数据总线高电平输入和输出信号c a n h 2 9 换档丰t 锁止l 乜磁阀一n ll o输出数字量 4 0 多功能开关一f 1 2 5 - ( 2 号插脚) 输入数字量 4 3 车速传感器一g 6 8 ( 屏蔽)接地 4 4 变速箱转速传感器- g 3 8 ( 屏蔽)接地 4 5 供i 乜l b 压( 接线柱3 0 )电源 4 7 电磁阀4 - n 9 1输出脉冲量 5 4l 也磁阀2 - n 8 9 输出数字量 续表 第2 章电子控制系统的组成与测试 端f - j 亨：譬功能性质 5 5l 乜磁阀卜n 8 8输出数字量 5 6i 乜磁阀5 - n 9 2 输出数字量 5 8 电磁阀6 - n 9 3接地 6 2 多功能丌关一f 1 2 5 ( 插脚6 )输入数字量 6 3 多功能开关一f 1 2 5 ( 插脚i )输入数字量 6 5 车速传感器一g 6 8 ( 电源2 5 伏)电源 6 6 变速箱转速传感器一g 3 8 ( 电源2 5 伏)电源 6 7 电磁阀供电电压电源 2 滑阀箱 滑阀箱用螺栓紧固在变速器壳体的底部，上面装有7 个电磁阀n 8 8 - - n 9 4 。 电磁阀由自动变速器控制单元控制，分为不同的两种类型。 ( 1 ) 开关阀：电磁阀n 8 8 、n 8 9 、n 9 0 、n 9 2 、n 9 4 ，其作用是通过自动变速器 控制单元控制电磁阀打开或关闭某一油道，使变速器换入确定的档位。 ( 2 ) 调一肖阀：电磁阀n 9 1 和n 9 3 。其中电磁阀n 9 1 调节锁止离合器压力：电 磁阀n 9 3 调：1 了主油道压力，即多片式离合器和制动器的压力。 3 变速器油温传感器( g 9 3 ) 变速器油温传感器安装在浸入自动变速器油中的滑阀箱的扁状传输线上。变 速器油温传感器是一个负温度系数电阻，即随着温度的升高，其电阻值降低。自 动变速器油温达到最高值1 5 0 时，锁止离合器接合。液力变矩器卸荷时，自动 变速器油开始冷却，如果温度不下降，自动变速器控制单元使变速器降一档。 4 多功能开关( f 1 2 5 ) 多功能开关安装在变速器壳体的后部，由换档杆拉锁控制。多功能开关的作 用是：将杆位的信息传给自动变速器控制单元：控制倒车灯的开关；制止 起动机在行驶状态时啮合，并锁住换档杆。 5 变速器转速传感器( g 3 8 ) 变速器转速传感器安装在变速器壳体顶部的左侧，它接受行星齿轮机构中大 太阳轮的转速。自动变速器控制单元利用大太阳轮的转速，准确判断换档时刻， 控制多片离合器工作。在换档过程中，通过推迟点火提前角来减小发动机的输出 转矩。 6 车速传感器( g 6 8 ) 车速传感器安装在变速器壳体项部的右侧，它通过主动锥齿轮上的脉冲轮接 收车速信息。车速传感器的主要作用是作为换档控制和变矩器闭锁控制的输入参 数。 7 换档杆锁止电磁阀( n 1 1 0 ) 换档杆锁止电磁阀安装在换档杆上，与点火系统连接，其作用是锁止杆位。 1 2 第2 章屯子控制系统的组成与测试 当踩下制动踏板时，杆位锁止解除，换档杆可推入其他杆位。 8 换低档开关( f 8 ) 换低档歼关与加速踏板拉索组合成一体，安装在发动机舱的横隔板上。当踩 下加速踏板超过i 1 了气门全开位置时，换低档开关开始工作。换低档开关的作用足： 此开关被压下后，变速器立即强制换入相邻的低档，例如从4 档降到3 档； 此开关被压下时，空调装置将切断8 秒，以提高输出功率。 9 制动灯开关( f ) 制动灯开关安装在制动踏板支架上。自动变速器控制单元通过制动灯开关信 号，判断车辆是否处于制动状态。制动灯开关的作用是：车辆静止时，只有踩 下制动踏板，换档杆才能移出p 档或n 档位置：控制单元利用制动开关信号， 锁止换档杆。 2 2 电子控制单元车载测试系统开发 在了解了电子控制系统的基本组成之后，为了自开发电子控制单元( e c u ) ， 必须进一步深入地认识e c u ，所以开发了电子控制单元车载测试系统。车载测试 系统可采集与存储实车运行过程中e c u 各输入输出信号。这样在开发e c u 的初期 阶段，可通过采集的数据获取原装e c u 所控制的电磁阀在各档位下及换档过程中 的状态；获取不同杆位下多功能开关的状态；标定车速传感器和节气门传感器等。 所以，电子控制单元车载测试系统的开发对于整个e c u 开发工作是必不可少的。 2 2 1 车载测试系统硬件结构 本车载测试系统硬件结构如图2 1 。 自动变速箱e c u 备输入输出信号 信号调 理模块 数据采集卡 p c l 一818 l ，p c l - 7 2 6 图2 1 车载测试系统硬件结构图 研华工控机 车载测试系统采集的信号包括从自动变速器e c u 引出的所有e c u 输入、输 i j 信号。图2 2 为实车原始e c u 的连接方式。e c u 通过线束连接到车上的传感器及 各执行机构。图2 3 为我们采用的信号引出方式示意图。其中红色和监色线束是 为测试而连接的线束。通过红色和蓝色线束，我们引出了e c u 所有的输出输入信 号，同时避免了对实车上原装线束的破坏。基于这样的信号引出方式，同样很容 1 3 讹2 - ll u ，摔制系统的组成与测试 易在测试线柬的终端接卜c a n o e 、示波器、万用表等仪器，来辅助e c u 信号的洲 试。 e c u 的输入输山信号主要有三利- 形式，即模拟信号、数字信号和脉冲信号。 其叶1 模拟信号和数字信号经过分压、限流等简单的调理之后就可以分别引入数据 采集每的模拟信号输入口和数字信号输入口，而脉冲信号需经过信号调理模块叶 的f v 信号转换电路将脉冲信号转换为标准的电压信号，然后作为模拟信号输入 柬采集。研华公司的数据采集 p c l 一8 1 8 l 可以1 6 通道单端模拟信号输入采集， 1 2 位a d 转换和1 6 通道数字信号采集，加上p c l 一7 2 6 数据采集卡提供的数字信 号输入采集端口能够满足系统的要求。这里还需提到的是，在数据采集乍按f ( 1 要求跳线、硬件安装完成之后，可以通过研华公司提供的a d v a n t e c hd e v i c e m a n a g e r 程序柬进行设爱，比如设置设备号、地址、幅值范围等。最后使用工控 机作为控制的主体，用以运行测试程序。 目23 测试线束示意蚓 222 车载测试系统软件开发 本测试系统程序采用b o r l a n dc + + b u i l d e r 编写，b o r l a n dc 十+ b u i l d e r 以 第2 章电予控制系统的组成与测试 其丰富的可视化组件库( v c l ) 而使程序的编写显得非常容易。根据要求，本测试 程序的流程图如图2 4 所示： 图2 4 测试程序流程图 程序采集开始调用多媒体定时器给每次采集循环定时。由于自动变速器e c u 对于e c u 实车试验数据采集系统的采样频率要求并不高，因此我们把多媒体定时 器定时为l o m s ，即每l o m s 采集一组信号数据，其中包括1 3 个数字量、2 个模拟 量和4 个经过f v 转换的脉冲量，并完成数据存储。 对于测试程序中最重要的两个子函数，即模拟量和数字量采集子函数的编写 相当重要。数据采集卡厂家提供的动态连接库( d l l ) 中包含了进行数据采集操作 的c c + + 函数，在c + + b u i i d e r 下可对这些函数进行调用，就可以很方便的对测 试系统进行设置、采样和数据处理。使用时先在程序中声明，即把含有函数声明 的h 文件包含在程序体中。然后利用项目管理器将包含函数实体的1 i b 文件加 入到项目中。这样在程序体中就可以调用其中的函数了。 对于实时测试系统而言，基本的要求是定时准确。因为多媒体定时器的精度 非常高，与硬件中断相当，而且也比较安全。正是由于多媒体定时器具有很好的 实时性和较高的优先级，最高定时可达i m s ，符合我们对