（机械设计及理论专业论文）电控机械式自动变速器控制系统的研究.pdf

； 塑堡垒苎查兰塑圭堂垡堡塞 电控机械式自动变速器控制系统的研究 摘要 电控机械式自动变速器( a n t ) 是在传统固定轴式变速器和干式离舍器的基础上，采 用电子技术和自动变速理论，以电子控制单元为核心，通过执行机构控制离合器的分离与接 合选换档操作来实现起步、换档的自动操纵。就我国国情而言，a m t 易于为生产厂家所 接受，生产继承性好，改造费用投八少，性价比高，有着广阔的发展前景。本文介绍了汽车 自动变速器的历史、现状及发展趋势。结合一汽哈尔滨变速器厂型号为。蟠_ 7 5k 6 5 的手动 变速器进行开发，进行了机械系统设计，包括选换档和离台器执行机构的设计。通过对客车 行驶过程中离合器接合过程、选换档过程和影响因素的分析，建立起以车速和油门为参数的 两参数电控系统，包括离合器控制，换档控制和电控单元软硬件系统。 关键谒t 电控机械式包动变速器、离合器控制、换档控戳 福建农林大学硕士学位论文 s t u d y 蚰t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ea u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n a b s t r a c t a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o na ss oc a l l e da m t ，a c c o m p l i s h e da u t o m a t i cg e a r s h i f t b a s e do nm a n u a lf i x e d s h a f ta n dd r yc l u t c h , w h i c ht a k e se c ua sk e r e e l , a n dt h e nu s e se l e c t r i c a l a n dp n e u l n a t i cs y s t e mt oc o n t r o ld u t c ha n dg e a r s h i f tb ya d o p t i n ge l e c t r o n i c st e c h n i q u ea n d a u t o m a t i cg e a r s h i f tt h e o r y a sf a ra st h ec o n d i t i o no f o u rc o u n t r y ，a m ti se a s yt ob ea c c e p t e db y m a n u f a c t u r e rd u et og o o di n h e r i t a n c e ，f e we x p e n s e sf o rr e f o r m i n ga n dh i g hp e r f o r m a n c ep r i c e r a t i o t h e r e f o r ei th a saw i d ep o t e n t i a lt od e v e l o p t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h eh i s t o r y 、a c t u a l i t ya n d d e v e l o p m e n tt r e n do ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n f o c u s e d o ng e a r b o xc a 5 7 5k 6 5 ，w e b e t t e r m e n tp r i m a r yt r a n s m i s s i o nb ym a n u a lg e a r - s h i f tr e p l a c ew i t hp n e u m a t i cg e a r - s h i f t ， i n c l u d i n gt h es h i f tp a r t sa n dc l u t c he x e c u t o r s t h r o u g ht h er e s e a r c ho f c l u t c he n g a g e m e n t 、s h i f t i n g p r o c e s sa n di n f l u e n c ed u r i n gt h eb u sd r i v i n g ，t w op a r a m e t e r se l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do n s p e e da n dp e d a l a r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h ec l u t c hc o n t r o l 、s h i f t e dg e a r sc o n t r o la n dt h e e l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e ds o f t w a r e 、h a r d w a r es y s t e ma n ds o o n 。 k e y w o r d s ：a u t o h m t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n 、c l u t c hc o n t r o l 、s h i f tc o n t r o l n 本人声明。所呈交的学位( 毕业) 论文。是本人在指导老师的指导下独立完 成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作 了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本 研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯 他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 溥气日期：舀。7 6 。7 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留，使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印 牛，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 口 不保密，本论文属于不保密。 口 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 9 承盘 日期： 指导教师亲笔签名：毅同期 拗舌，7 ， 2 d 。7 、占9 ， ， 福建农林大学硕士学位论文 第一章绪论 汽车的发展经历了三大革命：动力革命、传动革命与控制革命先进国家目前正处在 控制革命阶段即自动控制阶段。从各总成的单独控制向动力传动系统一体化综合控制；从 一般控制向智能化、网络化控制发展 我国目前使用的汽车大多数仍为手动变速，手动变速汽车由于频繁换档的操作，易使 驾驶员疲劳、影响行使安全。而不同的驾驶技术水平对车辆的燃料经济性、动力性、乘坐舒 适性都有较大的影响。采用计算机和电子控制技术实现车辆自动变速，能消除驾驶员操纵技 术形成的差异、减轻驾驶员劳动强度，提高行车安全性，提高车辆动力性和经济性。所以自 动变速是人们一直追求的目标，是车辆技术水平和运用水平不断向高级阶段发展的重要标 志。目前我国自动变速器在轿车、城市客车、高级旅游客车、军用车、重型载货汽车及矿j 车上已呈现越来越旺盛的需求【1 j 1 1 自动变速器简介 当今世界自动变速器发展形成了三个主要的类型，分别是：液力机械式自动变速器a t ( a u t o m a t i ct 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 ) 、5 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 lt r a n s m i s s i o n ) 。 1 液力自动变速器( a t ) 液力自动变速器的基本结构是由液力变矩器与动力换档的辅助变速装置组成。液力变 矩器安装在发动机和变速器之间，以液压油为工作介质，起传递转矩、变矩、变速及离合的 作用。液力变矩器可在一定范围内自动无级地改变转矩比和传动比，以适应行使阻力的变化 但是由于液力变矩器的变矩系数不够大不能完全满足汽车使用的要求。所以，它必须与齿 轮变速器组合使用，扩大传动比的变化范围。目前，绝大多数液力自动变速器都采用行星齿 轮系统作为辅助变速器。行星齿轮系统主要由行星齿轮机构和执行机构组成，通过改变动力 传递路线得到不同的传动比。由此可见，液力自动变速器实际上是能实现局部无级变速的有 级变速器。液力自动变速器的电液控制系统使得自动切换速度柔和、平稳。a t 的主要优点 有；良好的乘坐舒适性，方便的操纵性、优越的动力性、良好的安全性但效率较低、制造 i ：艺复杂、成本高也是a t 的不足。 2 金属带式无级自动变速器( c v t ) 金属带式无级自动变速器属摩擦式无级变速器，其传动的关键什是具有v 型槽的主动 锥轮、从动锥轮和金属带，金属带安皱在士动锥轮承i 从动锥轮的v 碟糖内 福建农林丈学硕士学位论文 世界上最早的无级自动变速器因为受传动橡胶带强度所限制，只用于微型轿车，直到 1 9 8 4 年因v a n d o o n e 发明了金属v 带才获新生。c v t 可以达到省油，降低排气污染、操纵 方便、驾驶舒适的目标，它克服了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，燃料经济性高等特点，真正实现了无级变 速 c v t 目前在自动变速器中所占比例很小，其中9 0 在日本，1 0 在欧洲。日本s u b a m 、 n i s s a n 、h o n d a 、意大利f i a t 等车上部分选用。c v t 虽已开发多年，因设备更换量大、制造 困难、价格也较高，上升趋势不明显。但因其理论上性能优越，仍视为自动变速器的主要发 展方向之一 3 电控机械式自动变速器( a m t ) 由于液力自动变速器存在着效率低、结构复杂、成本高等缺点，因而人们尝试在效率高、 结构简单的固定式手动变速器上实现自动化。电控机械式自动变速器是一种由普通齿轮式机 械变速器组成的有级式自动变速器，它是在现有生产的机械变速器上进行改造，保留了绝大 部分原总成部件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，在电控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手的感觉神经，电液、电气或全电的执行机构代替了人的手与脚的操 作。由于原有的机械传动结构基本不变。所以齿轮传动效率高、机构紧凑、工作可靠等优点 被很好的继承下来。a m t 能够模拟优秀驾驶员行车技术，适时地根据车况、路况和驾驶员 意愿实现操纵的自动化，因此，a m t 兼有m t 传动效率高和a t 操作方便的优点。 1 2a m t 的发展过程 a m t 可分为半自动变速器和全自动变速器，欧洲与日本的产品在这一领域占主导地位。 a m t 的发展历程大体上分为三个阶段： 第一阶段a h f r 起步阶段 这一阶段属于半自动变速器发展与成熟阶段，像瑞典s c a n i a 的c a g 系统、d a i m l c r b e n z 的e p s 系统、美国e a t o n 的s a m t 系统所采_ i j 的都是f 自动变速器，其实质是辅助换档系 统换档时刻由驾驶员决定。微机系统主要控制换档的执行 第二二阶段a m t 发展阶段 其标志是1 9 8 4 年日本无十铃公司投放丁市场的n a v i - 5 电控机械式自动变速器。在此 阶段。研究的重点是自动离合器换档控制与换档策略。此外，日本的n i s s a n 、瑞典的s c a n i a 、 2 福建农林大学硕士学位论文 v o l v o 、美国的f o r d ，e a t o n 、意大利的f i a t 、德国的z f 、法国的r e n a u l t 均开展此方面的 研究。在日本采用扭矩反馈控制后换档同步控制已趋完善，但是离合器起步控制和换档操 纵规律仍是困扰a m t 发展的难点，造成自动离台器磨损和坡道、弯道意外换档等不良现象 第三阶段a m t 智能控制形成和发展阶段 换档规律和车辆起步时离舍器的控制问题都受外界环境，驾驶员的主观愿望和车辆客 观运行状态的影响。国内外都采用智能方法进行此方面的研究，智能化a m t 在复杂多变的 外界条件下使车辆的换档和起步性能有进一步的提高。设计重量轻、体积小、成本低、结构 简单、便于维修和拆装的执行机构，实施精度高、响应快、鲁棒性强的控制策略是今后离合 器自动操纵的发展方向。 1 3 国内外研究现状 机械式自动变速器的研究始于7 0 年代中期。1 9 8 5 年，日本五十铃公司率先研制成功 n a v - 5 型全自动机械式变速器，并装于飞鸟( a s k a ) 轿车上，投放市场获得成功。以后， 世界上许多著名的汽车制造公司竞相进行了类似的开发研制工作。在五十铃、伊顿、z f 等 公司研制电子控制式自动变速器并装车成功后，福特公司、大众公司，菲亚特公司、雷诺公 司等也相继开展了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“m 序列式变速器”就是在原来的m 3 型6 档手动机械变速器基础上 做了大幅度的改进，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 动变速器和手动变速器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 l l t 0 n i c 系列【2 】。 国内对a m t 技术的研究开展比较晚，九五期间被列为“九五”科技攻关项目。目前， 开展这方面研究的有原吉林工业大学、北京理工大学、上海交通大学、深圳市欣源晟实业有 限公司、哈尔滨埃姆特汽车电子有限公司、一汽技术中心等。国内的研制水平基本上处于 a m t 单独控制的第二阶段试制产品和国外相比还存在着相当大的差距但在理论上的研 究和国际水平相当。 对于城市公交自动变速器应婀和相关技术研究，国外如德国、日本等公交车辆自动变 速器已广泛应用，由于其机械制造能力和控制水平较高。开发有专用的基于a t 技术的公交 车辆白动变速器。性能稳定。在国内，相对轿乍白动变速器研究和应h j ，公交车辆自动变速 器廊川面相对较窄，只有南京、上海、深圳等人或经济发达城市的个别线路上应用，且主要 以国外进口为主：公交车辆自动变速技术研究也相对较慢士要开展以国外产品引进消化方 式，由丁没有独立的知识产权，加上我们制造水平等存在不足，因此实际应用效果不理想。 3 福建农林大学硕士学位论文 由于a m t 技术对国情的适合性，目前在国内已有开展自主生产的大客车、载货车辆等大型 车辆上采用a m r 技术。因此针对公交车辆特殊运用环境，开展a m t 技术研究，开发自动 变速器实现车辆的自动换档，具有广阔的前景 1 4 a m t 的分类 按照执行机构动力源的不同，a m t 的选换档系统可分为电控一气动、电控滚动 和电控电动三种类型。 ( 1 ) 电控气动a m t 电控气动a m t 选换档系统的执行机构采用气压驱动。只有在装有气压系统的大型客 车或重型车辆中使用。 ( 2 ) 电控一液动a m t 电控液动a m t 的选换档系统则是用液压驱动其执行机构，它具有操作简便、易于实现 安全保护、具有一定的吸振与吸收冲击的能力以及便于空间布置等优点。但是在利用高迷开 关阀控制离台器的系统中，其主要缺点就是温度的变化使离合器的执行机构中液压油的粘度 发生变化，因而傻离合器回油管路压力损失发生变化。温度降低，油粘度变大，离舍器的羧 合速度较慢，导致在汽车刚开始起步时换档品质差。而且温度降低到一定的程度后，液压油 的流动性能大大降低，严重时会发生换不上档的现象。其次，液压元件对加工的精度要求非 常高，特别是高速电磁阀的加工，因而一般的厂家难以普及，成本高。 ( 3 ) 电控电动a m t 近些年来，大功率电子产品性能上的不断完善，使得在变速控制系统中采用电力拖动成 为可能。将自动变速器控制系统中要直接控制的对象：油门、离合器以及选换档装置的动作 采取电动机带动的方式。但它反应速度比较慢，调试也比较复杂，大批量生产有一定的难度。 1 5 a m t 的原理与结构 1 5 1 a m t 的工作原理 a m t 是在手动变速器和干式离台器的基础上，应用电子技术和自动变速理论。以电子 控制单元( e ( = u ) 为核心，通过液压或气动执行机构控制离合器的分离承 接含、变速器的选 换档操作以及发动机油门的调节，实现起步，换档的自动操纵。a m t 控制的基本思想是： 根据驾驶员的意图( 加速踏板，制动踏板、选择器开关等) 和i 车辆的状态( 发动机转速、变 速器输入轴转速、车速和档位等) 依据设定的控制规律( 变速器选换档规律和离合器控制 规律等) 借助于相应的执行机构( 选换档执行机构和离合器执行机构) 对乍辆的动力传动 系统进行联合揲纵i ”。其基本控制思想如图1 1 所示： 4 福建农林大学硕_ ：学位论文 l 霹1 1j l l k 冀捌甚慰 嘲i | i 为碍驶鞋感觉f 矗息、一为f b 佑蛩j 为恬【城= 身n ? 1 5 2 a m t 的结构 舢v r i 是一种机、电、液一体化产品，该系统主要由以下三部分组成： ( 1 ) 执行机构：执行机构接受e c u 发出的控制指令，执行起步和换档过程中变速器档 位和离合器的各种操纵动作。它可以由电动机( 步进电机或赢流电机) 、电磁阀，气缸或液 压缸( 选换档气缸) 以及与之相关的机械部件组成； ( 2 ) 状态传感器：其作用是获得汽车行驶过程中的各种信息，并将它们传给e c u ，e c u 对此进行分析，识别驾驶员的意图、判断汽车运行工况、发出相应的控制指令。它包括车速 传感器、油门开度传感器、挡位传感器、离合器位置传感器等。 ( 3 ) 电控单元：对接收到的信号进行比较和处理，并按照预定的换档规律选择档位和 换档时刻，同时发出相应的换档指令，使换档执行机构进锯换挡以及离合器的控制。它是系 统的核心部分主要包括各信号处理单元、c p u 单元、驱动电路单元、电源单元等。 5 祸建农林大学硕士学位论文 第二章本研究的主要内容和技术方案 本文是在“福建省科技重大专项前期研究项目”方向的引导下，结合某公司科研课题“城 市公交车辆的机械自动变速器( a m t ) 开发”进行的理论及工程技术应用研究。本文以该 公司9 米公交车上配备的一汽哈尔演变速器厂型号为c a 5 7 5k 6 5 的5 档手动变速器为平台 开展技术探索。通过该项目的研究，力求能推广到4 - 6 档机械变速器。 所做的主要工作如下所述： ( 1 ) 查阅相关文献及调研分析国内外自动变速器的研究现状和发展、a m t 的工作原理， 分类和发展： ( 2 ) 整体技术方案的确定。由控制系统实现以微机代替熟练驾驶员的大脑，传感器代 替人的手的感觉神经，电动或气动执行机械代替人的手与脚的操作。 ( 3 ) 离合器控制装置的设计。离合器接合过程复杂，车辆的类型、行驶时间、运行状 况的不同都会影响离合器摩擦片的磨损程度，使得各结合点位置难以确定。本文提出离合器 完全接合信号方法并设计了一个带有微动开关的机械结构件串联于离合器推杆上，通过该完 全结合信号的获取就能推算出各结合点的位置，解决了离合器片在使用过程中的磨损引起控 制参数的变化问题，从而把一个较复杂的问题转化为较简单的问题来处理。 ( 4 ) 电控气动a m t 选换档执行机构的开发，对选换档执行机构进行设计，用气缸进 行选换档。对离合器执行机构进行改进。去掉了离合器踏板，改由电动推杆来实现离合器的 分离和接舍的动作。 ( 5 ) 电控系统软硬件设计。设计详细的控制框图。整个控制系统主要包括信号输入输 出电路、单片机基本运用电路、a d 转换电路等。系统软件设计主要指对采集的信号进行 处理、档位决策、控制离合器( 电动推杆动作) 等程序设计。 ( 6 ) 试验台设计。为了对研发的a m t 功能和性能进行先期的验证。设计了一个a m t 试验台j l = i j 电机代替发动机带动变速器输入轴旋转，并将离合器自动执行机构和选换档自动 执行机构、离合器总泵、助力器与变速器等布置在台架上。此试验台也可用于性能的改进和 可靠性试验。 6 塑堡垒苎查竺堡圭兰竺丝塞 第三章离合器控制策略与换档控制策略 3 1 离合器控制 3 1 1 离合器接合过程分析 离合器是汽车传动系统中直接与发动机相连接的部件，它的首要功用是保证汽车平稳起 步；变速器换档时，通过离合器主从动部分的迅速分离来切断动力传递，以减轻齿轮轮齿间 的冲击，保证换档时工作平顺；当传给离合器的转矩超过其能传递的最大转矩时，主从动部 分之间将产生滑磨，防止传动系统过载。离合器主要靠主从动盘之间的摩擦力矩来传递动力， 并通过分离与接合来控制车辆动力传动系统的工作状态。其分离、接合过程的质量对车辆换 档品质有较火的影响。油门踏板、离合器踏板和选换档手柄操作的配合在安装手动变速器的 汽车上是体现驾驶元驾驶水平的重要依据。对于a m t 来说使自动控制的离合器动态过程 达到并超过熟练驾驶员油门、离台器踏板和选换档配合的水平也是追求的目标之一。本文所 叙述的离合器操纵过程以及选换档规律的选择都是基于熟练驾驶员操作手动变速器车辆进 行的。 离合器分离过程比较简单，一般不会对车辆性能产生影响，所以总是希望越快越好1 ”。 做到彻底分离，避免半接合滑磨，造成挂档困难甚至打齿。当需要重新恢复动力传递时，为 使汽车速度和发动机转速的变化比较平稳，应该适当放松离合器踏板的速度n 接合过程相 对复杂，根据离合器在接合过程中转矩的变化将其分为三个不同阶段。如图2 5 所示，m m a x 为离合器接合所传递的最大转矩，x m a x 为离含器最大接合行程，现对这三个阶段傲如下分 析： 离合器 传递转 矩 m m a x m 。 ，7 ox 1x 2x 3x m a x 离合器接合行程 图3 1 离合器接合转矩传递特性 7 福建农林大学硕士学位论文 1 无转矩传递阶段 此阶段为图中 o ，x 1 ，该阶段用于消除离合器从动片与压盘及飞轮之间的间隙无转 矩传递，不会产生冲击和离合器的滑磨，该阶段的控制以快速消除间隙为目标，以实现快速 起步和减少换档时离合器中断的时问。根据实践经验，如果车辆的类型、行驶时间，运行状 况的不同会影响离合器摩擦片的磨损程度，从丽改变x l 的位置。也就是说x l 不是一个固定 值，而是一个受车辆载荷，离合器上摩擦片磨损情况等因素影响的变量。 2 传递转矩增长阶段 该阶段可以分成两个阶段，传递转矩未克服行驶阻力阶段和转矩超过行驶阻力阶段。 ( 1 ) 传递转矩未克服行驶阻力阶段i x l ，x 2 离合器土副摩擦盘之间产生摩擦，但离合器传递的转矩尚不足以克服客车所受到的阻力 矩，车辆仍然保持静止，此阶段摩擦剧烈，摩擦功急剧增加，此阶段应尽快完成。 ( 2 ) 传递转矩超过行驶阻力阶段i x 2 ，x a 离合器主副摩擦盘之问传递的扭矩开始大于客车所受到的阻力矩，客车开始运动，此阶 段离合器主副摩擦盘之闯扭矩的变化会引起旋转冲击，这一阶段离合器接合速度相对较侵， 以获得平稳起步或换档、提高乘坐舒适性和减少传动系冲击载荷。如果离合器接合速度过快， 将会造成冲击；如果接合速度过幔，会形成主，从动盘的摩擦时间过长，磨损加剧，温升增 高，能量耗损增大，离合器使用寿命缩短。因而，这一阶段对离合器的控制主要为控制离合 器的接合速度。 3 转矩不再增加的阶段 此阶段是以主从动部分的转速达到同步为起点( x 3 ) 直到离合器接合行程达到最大值 ( i m a x ) 。此阶段以快速接合为目的，因为两盘转速已达同步，滑动摩擦基本降为零，离合 器踏板( 即推杆) 的快速放松移动不会带来离合器接合的冲击。所以它的接台速度和第一阶 段相同应快速接合，这样可减少接合时间或换档时动力切断的时间。 综上分析，离合器的结合过程应当是“快一慢一快”。理论上，【o 。x 2 - 与i x 3 ，x m a x 阶 段离合器接合要快，i x 2 ，x 3 1 阶段对起步和换档品质有重大影响，相对较为缓慢，是控制 的重要阶段。 3 1 2 离合器接合规律的实现 离合器最佳接合规律往执行过程中体现在离台器的接合点和接台速度两个控制量上，确 定离合器的控制规律就是确定离合器的接合点和接合速度州。离合器的最佳接合规律保证了 汽车起步、换档过程的品质，减少起步舸i 换档过程中传动系零部t i ：的冲击，提高了零部件的 8 福建农林大学硕士学位论文 使用寿命和汽车乘坐的舒适性但离合器工作工况复杂，其操纵不仅受负载、坡度。车速、 档位等因素的影响，而且即使在同样行驶工况下。也会因偶然出现的情况或驾驶员的人为因 素而产生不同操作。 1 离合器完全接合信号 离合器接合控制中，离台器从动片与压盘初始接触位置点和有效转矩传递点是接合控 制的两个重要参数。这两点的识别，直接影响着控制中离台器接合特性的准确把握及离合器 接合时间的长短。 x 1 ( 图3 1 所示) 点是理想的初始接合点，即离合器从动片传递转矩的开始位置。除了 离合器本身的制造、安装误差对该点位置造成的影响外，离合器使用过程中，其间隙不是固 定不变的值，摩擦片不断磨损也会使该初始接触位置点发生变化，在实际控制中寻找这一精 确点是比较困难的。 x 2 ( 图3 1 所示) 点是有效转矩传递点。该点是指离合器摩擦片开始滑磨，产生摩擦力 矩，并驱使被动部分开始转动时的离合器行程位移的值。影响x 2 点的因素主要有道路阻力 不同，负载不同：离合器制造误差；离合器磨损程度；摩擦片的温度影响摩擦系数的数值； 摩擦片的翘曲程度；操纵机构的间隙和变形。这些复杂多变的因素使得该点的测定变得不确 定优秀驾驶员仅凭经验就可以迅速并准确地找到离台器接台时刻，延长离合器使用寿命。 因此，只要根据优秀驾驶员的驾驶经验，在驾驶中合理的判断和分析，就可以对离合器实现 最优控制。 由上述分析，x 1 和x 2 都是很难确定的位置量。本文采用另一种方法来判断离合器行 程中各重要分界点的位置，即采用离舍器完全接合信号。设计了一个带有微动开关的机械结 构件串联于离合器推杆上，离合器完全接合时，推杆上仅承受回位弹簧变形产生的很小的力， 此时开关触点来被压缩，该开关信号为高电平；离合器开始分离时，由于离合器弹簧的刚度 远远大于回位弹簧，推杆上韵开关触点首先被压缩，该开关信号变为低电平，所以可以将此 负跳变信号作为与离合器完全结合的精确位置的的对应信号。从上述作用机理的分析可知， 将该信号作为离合器工作过程的一个参照点不会受到离台器磨损等外部因素的影响而漂移。 这是本课题在试验中的重要发现，也是本课题的离合器控制方案的基础。从该信号变为低电 平的瞬间直至离合器完全分离的整个过稃，将离合器行程分成三个部分：1 离台器完全接 合信号变低到离合器实际开始分离为一段此段行烈对应了传递链上的弹性变形；2 离合 器实际开始分离到离合器基本分离为一段。此段行张是“离”到“合”的本质变化的过程； 3 离合器基本分离到离合器完全分离为一段，此段i r 挫就传动的性质而言，并没有本质的 9 福建农林大学硕士学位论文 变化，只是主、从动件弹性翘曲得到舒展。对于具体的车型这几个阶段的行程值是基本不 变的并且都可以通过实验来确定。只要记录下离合器完全接合信号变低瞬间时的行程电位器 的阻值，通过试验，可以确定某一特定车型的其它点所对应的电位器阻值。具体的操作过程 是：如图3 2 所示，离合器分离叉和助力器通过一推杆联接。将这推杆加工为两个部分，用 一个导向套起导向作用。在离合器分离叉前的推杆上开个凹形槽安放一个微动开关，当推杆 受压，触发开关产生负跳变信号时，表明此时离合器已经处于完全接合状态的边沿而即将开 始转为分离状态电机转过一定圈数后。离合器分别处于开始分离、基本分离，和完全分离 状态，通过电动推杆电位器的电阻值的变化量来确定离合器所处的位置。这种使用开关确定 接合起始点的方案使控制方案变得简单、可靠，不会因为主、从动部分的磨损而造成接合起 始位置的变化，能够很精确地控制离合器的离与合。 图3 2 离合器完全接合信号示意图 2 离合器接合速度 本章开始部分已经详细分析离合器接合过程并将离合器的接含过程分为三阶段，第一 阶段和第三阶段的接合速度要求在各种情况下都要以尽快的速度接合，反映在离台器执行机 构上，就是控制电动推杆的直流电机全速反转推动离合器的接合。第二阶段是控制的关键 本文将第二阶段的离合器控制分为起步控制和行进中换档时的控制两部分。起步过程离合前 后的速度差较换档过程大，因此接合速度应比换档过程侵一些。 3 2 换档控制 人们一直希望电控机械式自动变速器换档过程平稳、无冲击地进行。但是，由于动力 传动系统是多转动惯量系统，换档过群，f ：1 f 瞬间可以完成，因此，换档过程中将产生不同程 度的冲击，冲市严重时将火大增加传动系统的动载荷，降低换档平顺性。降低离合器分离和 接台速度可以减轻换档冲击。但是，过分降低离合器的分离和接台速度，势必增加离合器的 磨损。减低离台器的使用寿命。现在自动变速器只有在人人提高换档平顺性和使用寿命以后， 才能被广泛采刚。因此，研究a m t 换档过弹，提高a m t 换档平顺性及延长离合器的使用 1 0 祸建农林大学硕i ：学位论文 寿命有重要的意义1 7 ) i s a m r 的换档过程属于中断动力换档，其换档过程的控制比灯要更加困难。a m t 的自 动换档过程是对熟练驾驶员的换档操作过程的模拟，其基本过程是收油、分离离合器、换档， 接合离合器、加油。升降档的目的是为了使发动机在晟佳动力性或经济性的区域内工作。在 车辆的行驶过程中，控制系统根据信号采集系统所采集到的各种参数进行相应的控制，才能 保证车辆在虽优工况下工作并实现驾驶员的意图。对于输入量的每一种组合，仅存在唯一的 输出状态否则就会出现不确定性。自动换档是根据控制参数的变化来实现的，虽然说，使 用的控制参数越多，控制精度越高，自动换档的效果越好，但同时带来的结果还有成本高、 控制系统越复杂，导致难以实时控制等缺点。因此恰当选择系统的控制参数，是设计好整个 控制系统的前提条件。其类型如f ： 1 单参数换档规律 单参数换档规律以车速为控制参数，它的控制系统机构最简单，但不论油门开度如何变 化，换档点、换档延迟的大小都不变，不能实现驾驶员干预换档，为了保证动力性。升档点 多设计在发动机最大转速，造成小油门开度也要在发动机最大转速才换档，故嗓声大，这种 规律也难于兼顾动力性与经济性的要求。因此。这种单参数换档规律在少数城市公交车、军 用越野车上有所应用，且的是减少换档次数。 2 两参数换档规律 两参数换档规律以油门、车速为控制参数。其特点是：当油门开度较小、发动机负荷较 小时，换档点的车速较低；而油门开度增大、发动机负荷较大时，换档点的车速也增大。这 种换档规律提供了驾驶员干预换档的可能性，可提前实现升档和降档，以此来反映驾驶员的 意图。例如，当汽车在良好的路面上缓慢加速时，行驶阻力较小，油门开度也小，升档车速 度可相应降低，即较早地升入高档，从而让发动机在较低的转速范围内工作，减小汽车的油 耗；反之汽车急加速或上坡时，行驶阻力较人，为保证汽车有足够的动力，油门开度应大， 换档时刻相应延迟，也就是升档车速相应提高，从而让发动机工作在较高的转速范围内，以 发出较大的功率，提高汽车的加速性能和爬坡力。目前，自动变速车辆上普遍采_ 碍j 这种换档 规律。 3 三参数抉档规律 考虑到汽车起步、换档时均处于非稳定状态，不是加速就是减速，因而采朋反映动态 过刊的加速度参与控制，印加速度、速度，油门三参数换档规律。它是以换档前后相邻档位 的加速度相等为条件获得的规律。三参数换档规律与以稳态牵引力所制定的两参数控制规律 l l 福建农林大学硕士学位论文 相比，能改善汽车的加速性、燃油经济性，乘坐舒适性和延长零部件寿命。由于三参数换档 规律需要以发动机动态实验数据为基础且计算鬣庞大、控制规律复杂，目前理论研究较多， 在实际应用中使用较少。 本课题综合考虑了性能、可靠性、造价等因素后，拟采用国际上较多采纳的两参数换 档规律，以油门开度和车速作为控制参数。 2 福建农林大学硕士学位论文 第四章控制系统机械设计 城市客车行驶速度低，超载、起步、加速、停车非常频繁、驾驶员劳动强度大，平均每 天踩离合器的次数在2 0 0 0 - 3 0 0 0 之间，传动系冲击力较大，离合器，变速器及操纵机构故障 率较高，待车时间长，维修费用高；对车辆最大的影响就是离合器和制动器故障率高，使用 寿命短1 9 】。本系统的开发目的就是解决上述问题，并提高汽车的动力性、经济性和乘坐舒适 性。 4 1 选换档执行机构 4 1 1 选换档执行机构的基本要求 选换档执行机构是以一汽哈尔滨变速器厂型号为c a 5 7 5k 6 5 的手动变速器为平台， 保留其绝大部分机构，只去除原操纵机构中的变速杆总成，代替以自动换档机构，宣接改动 而成。自动换档执行机构有电液，电气和全电3 种。考虑到客车上已有气源，故本方案采用 电气执行机构，以气动方式拨动换档轴，改变变速器档位。为保证变速器在任何情况下都能 有序准确地实现所有档位的选换档动作，如图4 1 所示的各3 个位置的选档和换档动作，对 选换档执行机构有如下要求： ( 1 ) 能模拟手动换档机构实现退档、选档、挂新档的动作； ( 2 ) 要有足够大的力和足够快的速度。所设计的推杆产生的力要大于选档或换档阻力， 这样才能保证a m t 执行机构动作能顺利完成。反应速度和完成动作的速度要快，当e c u 发出动作指令，执行机构要在较短时间内完成动作。因为在换档中产生动力传动中断抉档 时问长，会影响到换档品质和车辆的动力性； ( 3 ) 要有保护装置，防止强行挂档。e c u 向执行器发出命令，执行换档操作，并将执 行结果反馈给e c u ，当超载时( 挂不上档) 能迅速退出来并重新挂档，即要求该执行器上 有到位、超载的信号反馈。 档：挡 ：档 一l一 档 - 档例档 幽4 1 变速器档位示意幽 j 3 福建农林大学硕士学位论文 4 1 2 设计方案和相关参数7 c a 5 7 5k 6 5 手动变速器上有两个独立的选档和换档拨叉，绕各自的支点可以摆动到三 个位置，这两个拨叉合理的动作就可使变速器从当前档换入目标档。选档和换档的基本动作 是一致的。因此选档和换档自动执行机构就可使用同一类设计方案。 由于执行机构是安装在原有变速器上，所以该设计要参照原变速器的一些参数和结构尺 寸。选档或换档执行机构的负载就是驱动齿轮变速器的拨叉头进行换档所需要的；换档行程 指的是换档时拨叉移动的距离。通过试验对原车选档力或换档力( 作用在拨叉头上的力) 进 行测量得到数据经圆整为2 0 0 n ，各档换档行程为1 2 1 5 r a m 之间。考虑到气动元件的系列 化设计，选取参数如下： 气缸选择标准系列，内径5 0 r a m ，推杆直径1 9 m m 。车上气压为p = 0 8 m p a ，计算气缸得 到推力为1 5 7 0 n ，拉力为1 3 4 3 2 9 2 n 。支承选择t c c 形式( 铰轴座式) 。气缸可以绕中间铰 轴摆动，使其直线运动转变为拨叉绕支点的圆弧运动。 弹簧选择材料赢径d = 5 m m 、中径d = 3 5 m m 、总圈数n = 5 、刚度p ，= 4 8 n 咖、最小工 作载荷p i = 3 0 0 n 、最大工作载荷p n = 7 0 0 n 、工作行程h = 8 m m 。 4 1 3 换档执行过程的描述 如图4 2 所示。左右两边的弹簧参数都一样，在设计装配时要有一定的预紧力，该预紧 力要能克服选( 换) 档所需的力，选取3 0 0 n 。当气缸进气推动拨杆8 正常拨动选( 换) 档 拨叉时，弹簧不会变形，此时到位信号杆2 1 相对于到位信号轴1 7 运动直到轴上的传感器 检测到信号说明移动到位，此时应由e c u 切换气路，停止气缸进气。根据实测换档行程在 1 2 1 5 m m 之间，到位信号轴1 7 上左右两个传感器至中位传感器的距离取晟大行程值1 5 m m ， 当行程小于1 5 r n m 时，例如为1 2 m m ，拨杆已将选换档拨叉拨入档位，拨杆就停止不动了， 由于这时刻到位传感器没有检测到信号，气缸就会继续向前( 向后) 运动，气缸的继续运动 导致压缩其中一侧弹簧，当弹簧的压缩量为3 m m 时到位传感器就检测到信号，e c u 接受到 信号后发出命令停i j = = 气缸动作。此时弹簧的作用就是行程补偿使到位传感器发出信号，但 必须保证这时候的弹簧压缩量不会让超载信号轴1 0 上的传感器误报警。 有级齿轮变速器有可能出现齿轮发生干涉现象使变速器挂不上档，手动换档时驾驶员可 重复执行换档操作换入目标档，a i v l t 必须有判断机能来实现反复换档操作。当执行机构挂 不上档时表现为气缸推不动拨杆8 ，气缸动而拨杆8 静止不动，超载信号轴1 0 ( 运动) 与超 载信号杆5 ( 静j p ) 有相对运动，这时候一侧弹簧被压缩另一例被释放当弹簧到达一定压 缩鲑时超载信号轴l oj 二的传感器发山信号，取弹簧力7 0 0 n 压缩量为8 r a m 时报警。 1 4 福建农林大学硕士学位论文 图4 2 选( 换) 档执行机构装配图 1 一缸体2 旋塞卜弹簧4 滑块 5 一超载信号杆6 连接块 7 、1 2 、1 8 一紧定螺钉8 一拨杆9 一导套1 0 一超载信号轴1 l 一直射式光电传感器 1 3 、1 4 一螺栓1 卜到位信号板1 6 一气缸1 7 一到位信号轴1 9 超载信号板 2 0 - - 螺母2 1 - - 到位信号杆 4 2 离合器执行机构 4 2 1 概述 良好的离合器控制能实现汽印起步平稳，换档平顺和过载保护的作h ，其+ i ：作的可靠 性直接关系剑汽车的正常行驶。汽乍在闹区行驶1 0 0 k m ，离台器的使h j 次数高选8 0 0 1 0 0 0 1 5 福建农林大学硕士学位论文 次。如此频繁的操作，会给驾驶员带来很大的体力消耗和思想负担a m t 自动控制系统不 仅要实现选换档操作自动化，还要实现离合器操作自动化，实车上的离合器采用气压助力式 液压操纵机构，离合器踏板与离合器总泵推杆联接。要让离合器自动化在机械结构上先要卸 除由人力操纵的离合器踏扳部分。采用电控电动方案，代替之以电动推杆( 如图4 3 所示) ， 让电动推轩的推杆头部与离合器总泵推杆联接，通过e c u 控制电动推杆的电机实现离合器 的分离与接台。 4 2 2 助力器 助力器是利用气体推动活塞造成助力的效果。液体通过进油接头进入助力器，一部分 直接推动前端活塞前进，另一部分进入进气孔接头推动气7 l 接头的活塞将橡皮堵头推开，使 气体进入助力器后缸部分推动后端活塞，通过连杆作用在前端活塞上，后缸压力很大，而 前缸与大气相通，所以产生一个较大的压力差，气体作用在活塞上起助力作用。当液体推开 气孔接头的橡皮堵头且气体已不再作用于后缸上时，助力器后缸与大气相通，而前端也是与 大气相通，压力差为零，活塞停止前进，助力器通过这种方式控制活塞的准确位移。有了助 力器，电动推杆作用的力就比要分离离合器时需要克服周布压缩弹簧的力要小许多 图4 3 离台器助力器 4 2 3 电动推杆工作原理和相关参数 电动推杆是一种将也能转换成往复运动机械能的通用机械手它适用于一切需要往复推 拉的直线运动且能借助1 ：其它连杆机构完成摆动和i 转动，它具有过载保护性能( 分机械与电 1 6 福建农林大学硕士学位论文 气过载保护) 、行程可调，以质量轻、推拉力大、噪声低，耗能少、安装方便等优点，被广 泛用于冶金、化工、机械等部门，尤其使用于远距离、高空及危险场合代替液压、气动装置， 可单独就地操作和集中控制。t 州 电动推杆以电机为动力，通过一对齿轮变速、带动螺杆、螺母转动，推杆和螺母是静配 合组成一体，随着螺杆转动螺母，推杆顺着导轨直线移动，把转动转化为直线运动，从而实 现往复推拉动作 t h o m s o ne l e e t r a k 系列电动推杆设计用于低成本。轻负荷。紧凑的应用场合，它是安静 的和空间受限制的环境的理想解决方案。拥有抗腐蚀的工程塑料外壳，不需要维护。特点如 下： ( 1 ) 体积小，功能多，耐用； ( 2 ) 输入电压范围宽1 2 v d c 、2 4 v d c 、3 6 v d c 和1 1 5 v a c 供电； ( 3 ) 马达带有热过载保护自动复位功能； ( 4 ) 抗腐蚀的工程塑料外壳，内置梯形螺杆驱动： ( 5 ) 固定负载寿命最小为4 0 0 0 0 个循环周期； ( 6 ) i p 5 1 5 6 环境防护等级； ( 7 ) 免维护。 离合器接台时间最快可在0 3 4 ) 6 之问，选择e 1 5 0 系列型号为d f 2 4 1 0 w 5 4 m 1 0 0 p l ， 输入电压2 4 v 、最大动态负载5 0 0 n 、最小负载时的速度7 1 m m s 、最大负载时的速度5 1 r a m s 、行程1 0 0 m m 、带电位计行程反馈可满足要求。 幽4 4 电动推杆 1 7 福建农林大学硕士学位论文 总泵 油罐 图4 5 保留助力器改装型离合器执行机构原理图 4 3 实验台设计 用几块大强度和刚度的钢板之间的联结将变速器和离合器总成支撑起来，并用电机代 替发动机带动变速器输入轴旋转。 图4 6 实验台 1 8 福建农林大学硕士学位论文 第五章电控系统设计 5 1 电控系统硬件设计 5 1 1 总体框图设计 系统硬件是完成整个系统功能的基础，作为软件运行的载体，硬件从物理上实现了软件 规定的功能，