（车辆工程专业论文）基于can总线的轿车自动变速器仿真试验台研究.pdf

摘要 摘要 在自动变速系统的开发过程中，试验是不可缺少的，仿真不能完全代替试 验。一方面在车辆自动变速系统投入使用之前，系统的功能与可靠性需要进行 试验检验，另一方面试验也是仿真研究的基础，无论是系统模型的建立，还是 仿真模型与仿真结果的检验都离不开试验。 而自动变速器是一个多输入多输出非线性动态系统，对其进行良好控制比 较困难，如果控制不当，还会危及驾驶员的人身安全。因此我们主要进行自动 变速器e c u ( h a r d w a r ei nt h el o o p ) 硬件在环动态实时仿真系统的研究。这样在自 动变速器e c u 投入运行之前进行硬件在环仿真可以减少开发风险、缩短试验时 问、降低试验费用并缩短e c u 的开发周期。从而具有重要的理论意义和实用价 值。 在构建实验台的过程中，我们发现了信号的传送存在着可以提高的空间， 在此我们采用了c a n 作为实验台和工控机之间部分信号的传送纽带。同时采用 c a n 进行通讯也比较符合原研究车型的实际工作情况。 本论文主要研究带有c a n 通讯的自动变速器实验台，建立了自动变速器换 档品质分析和评价模型，对自动变速器e c u 开发工作作出评价，提出改进的意 见，在此基础上进行进一步的汽车变速器换档品质研究。 关键词：自动变速器，c a n 总线，半实物仿真试验台，换档品质 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so f d e v e l o p i n ga u t ot r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t e s ti si n d i s p e n s a b l e ，a n d s i m u l a t i o nc a n ts u b s t i t u t et e s te n t i r e l y o nt h eo n eh a n d ，t h ef u n c t i o na n dr e l i a b i l i t y o fs y s t e mm u s tb ec h e c k e db yt e s tb e f o r et h ea u t ot r a n s m i s s i o ns y s t e mi su s e d o nt h e o t h e rh a n d ，s i m u l a t i o ni sb a s e do nt e s t ，n o to n l yo ne s t a b l i s h i n gs y s t e mm o d e l ，b u t a l s oo np r o v i n gt h em o d e la n dr e s u l t s a u t ot r a n s m i s s i o ns y s t e mi sam u l t i p l ei n o u tn o n l i n e a rd y n a m i cs y s t e m ，s oi ti s d i f f i c u l tt oc a r r yo ne x c e l l e n tc o n t r 0 1 i ft h ec o n t r o li sn o tr e a s o n a b l e ，t h es a f e t yo f d r i v e ra n dp a s s e n g e r sw i l lb ee n d a n g e r e d w em a i n l yr e s e a r c ho nt h er e a lt i m e h a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o no fe c uo na u t ot r a n s m i s s i o ns y s t e m t h i sr e s e a r c h c a nd e c r e a s et h ed e v e l o p m e n ta d v e n t u r e ，t h et e s tt i m e ，t h et e s te x p e n s e ，a n dt h ec y c l e e c u d e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，t h i sr e s e a r c hh a sg r e a tt h e o r ya n dp r a c t i c a lv a l u e s i nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i n gt h et e s tr i g ，w ef o u n dt h a tt h et r a n s m i s s i o no f i n f o r m a t i o nc o u l db ei m p r o v e d ，a n dt h ec a nw a su s e da st h et r a n s m i s s i o nt o o l b e t w e e nt h et e s tr i ga n dt h ei n d u s t r i a lc o m p u t e r a tt h e s a m et i m e ，t h ec a ni sa l s of i t f o rt h er e a lw o r k i n gc o n d i t i o n so ft h ep r o t o t y p e i nt h i s p a p e r , t h ea u t o t r a n s m i s s i o ns y s t e mt e s tr i gw i t hc a ni s m a i n l y r e s e a r c h e d ，e s t a b l i s h e dt h em o d e lw h i c hi su s e df o ra n a l y z i n ga n de s t i m a t i n gs h i f t q u a l i t yt oe s t i m a t et h ee c uw ed e v e l o p e d ，a n dp u tf o r w a r dt h em o d i f i c a t i o ni d e a s b a s e do nt h e s er e s e a r c h ，t h es h i f tq u a l i t yo fa u t ot r a n s m i s s i o nw a sr e s e a r c h e dd e e p l y k e yw o r d s ：a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，c a nb u s ，h a r d w a r ei nt h el o o pt e s t r i g ， s h i f tq u a l i t y i i 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。 卜 签名：仍席 z o o 年3 月2 0 日 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。 学位论文作者虢彩 2 口。年月2 p 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：丐己瘩 年月 e l 勘口多年3 月2 de l 第l 章引言 1 1 自动变速器概述 第1 章绪论 由于内燃机的动力特性表现为低转速时功率小、扭矩低、耗油大。而大功 率、高扭矩、低油耗的理想工作状态要在中高转速范围内才能实现。内燃机的 这种动力特性曲线与汽车对动力特性的要求并不一致，甚至背离。汽车起步时 的速度为零，为了尽快提速，需要有最大的动力和最大的扭矩。为了提供最大 的动力和最大的扭矩，内燃机必须在中高速理想状态下工作。内燃机的高速运 转和汽车低速状态下的提速产生了矛盾。为了使汽车顺利起步，必须要减变速， 于是变速器( t r a n s m i s s i o n ) 出现了。汽车行驶的速度是不断变化的，这就要求汽 车的变速器的变速比要尽量多，最理想的就是无级变速( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n 简称“c ”) ，但在实现的过程中，由于各种原因出现了各种形式的 变速器。 1 1 1 液力自动变速器( a t ) a t 的结构与手动变速器相比，结构和使用上有很大的不同。手动变速器主 要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合达到变速和变距的目的：a t 主要是由 液力变矩器、行星齿轮和液压控制系统组成，通过变距器和齿轮组合的方式来 达到变速变矩。由于液力变矩器自动变速变矩范围不够大，传动效率比较小， 因此在涡轮后面串联几排行星齿轮提高效率和变距能力，e c u 根据车速和节气 门开度等传感器信号，控制电磁阀的开启，从而实现自动变速变矩。一般的a t 带有锁止机构，在启动和加速等在低档位低速运行的时候液力变矩器起到增扭 作用，到高速行驶的时候锁止机构起作用，直接把泵轮和涡轮机械连接，提高 第1 章引言 传动效率，改善燃油经济性。 1 1 2 电子控制机械自动变速器( a m t ) a m t 与传统的手动变速器不同之点在在于：取消了离合器操作，有些型号 甚至取消了驾驶员的换档操作。这些控制是通过电子控制的液压系统和电机来 实现的。离合器的控制是通过变速杆位置和运动来决定的。变速杆和变速箱的 机械连接取消，变速控制是电子控制( s h i f t i n g - b y w i r e ) 完成的。与自动变速器 相比( a t ) a m t 可以在手动变速器基础上进行改造，取消离合器踏板和手动换 档的机械连接。即在总体传动结构不变的情况下通过加装微机控制的自动操纵 系统来实现换挡的自动化。 1 1 3 金属带式无级变速器( c v t ) 刚刚开始时汽车设计师们就把v 型像胶带( 三角胶带) 无级变速箱装在汽 油机汽车上。然而v 型像胶带无级变速箱受效率低、寿命短、功率小等问题的 困扰，一直没有在汽车上得到实际的应用，取而代之的是齿轮变速箱。 c 、p i 不能实现换空挡，在倒档和起步时还得有一个自动离合器。有的采用 液力变矩器，有的采用模拟液力变矩器起步特性的电控湿式离合器或电磁离合 器。c v t 采用的金属带无级变速器与a t 一般所用的行星齿轮有级变速器比较， 结构相对简单，在生产批量相当时成本可能低些。金属带无级传动是摩擦传动， 存在效率和磨损问题，它的工程技术还正在发展之中，目前主要用于2 5 升以下 的轻型车。 1 1 4 自动变速器的发展动向 由于现有的变速器各有各的缺点和优点。手动变速器：传动效率较高，换 挡品质不高，有级变速。a m t ：传动效率高，换档品质改善，但还是有级变速。 a t ：传动效率较低，换档品质较好，是分段无级变速。c v t ：传动效率较低， 2 第1 章引言 换档品质好，真正意义上的无级变速。 但是我们发现一个比较中心的问题就是现有变速器很难把高传动效率，高 换档品质，无级变速很好的结合起来，所以人们在研究变速器，能综合各变速 器优点。 ( 1 ) 齿轮无级变速器。有一种“不完整齿轮的接力传动方案”，由于齿轮是不完整 的，那么，不完整齿轮传动半径就可以连续变化，传动转速和扭矩就可以连续 变化。据报道一种“变径齿无级变速装置 ( v g - c v t ) 已经试制成功，并已经进 行了多次样机试验。 ( 2 ) 电磁传动。应用这种系统变速的汽车跳出了传统内燃机汽车的模式。这种系 统多用于电动汽车，燃料电池汽车，混合动力。主要结构有变频调速、直流 电机调速、调速电机等。其优点是能通过电机方便的实现无级变速。其缺点 是系统过于复杂，成本也较高，由于电能机械能的转换损失，本身车上的电 机不可能做得很大，所以效率偏低。 同时电子控制自动变速器正在实现一机多参数多规律控制，并在此基础上 将控制变速器的微机与控制发动机的微机合并在一起，实现综合控制。采用单一 微机控制，控制参数不仅有发动机转速、节气门开度及车速等信号，而且有反映 发动机和变速器工作环境、车辆行驶环境的信号，这些参数能全面反映发动机和 变速器的实际工况。在微机中同时存储多种换档规律等，驾驶员可根据需要调用 相应的规律实现最佳换档控制。 汽车出现以来汽车变速器发展经历了一个漫长的过程，从当初的纯粹满足 汽车的动力性，到后来考虑到乘坐舒适性和良好的排放，同时兼顾动力性能， 并引入了电子控制。体现了汽车技术的不断发展的趋势，相信汽车的各方面性 能都能得到长足的发展。 3 第l 章引言 1 2 研究现状和论文背景 我国目前使用的汽车绝大多数仍为手动变速，手动变速汽车由于频繁换挡 的操作，易使驾驶员疲劳，影响行驶安全；而不同的驾驶技术水平对车辆的燃 料经济性、动力性、乘坐舒适性造成极大差异，所以自动变速是人们长期追求 的目标，是车辆向高级阶段发展的重要标志。 面对巨大的市场需求，开展自动变速器领域的研究符合市场经济规律的要 求。而我国目前的在自动变速器领域的研究和国外有很大的差距，还没有生产 出我国拥有全部知识产权的自动变速器。目前在国内生产的轿车上采用的自动 变速器基本上都属于原装进口或国外厂家提供技术和生产线在国内生产的，国 外厂家在自动变速器方面的技术已经相当的成熟。国内各研究机构一直将a m t ( 机械式自动变速器) 作为研究的重点，我国的a m t 研制工作起步较晚，“九 五”期间，a m t 的开发研制和产品化被列入国家“九五 科技攻关项目，目前 已开展这方面研究的有上海交通大学、吉林工业大学、北京理工大学、重庆医 疗机械工业公司等。鉴于a m t 发展的趋势，我国的研究超越了半自动变速器的 阶段，直接进行全自动a m t 的研制。吉林大学研究的2 参数最佳换挡规律、动 态3 参数换挡规律、离合器最佳接合规律等换挡和起步规律、最佳同步换挡控 制、动态闭环换挡控制、离合器模糊起步控制等处于世界先进水平。1 9 9 8 年8 月吉林工业大学自主开发研制的桑塔纳2 0 0 0 型a m t 样车通过了由原国家科委、 原机械工业部、上海交通大学、清华大学和上汽集团组成的鉴定委员会的鉴定， 与会专家一致认为该研究成果达到了国际先进水平，这标志着我国a m t 技术的 发展已进人到产品化阶段。但仍有一些需要完善的方面，如可靠性、换档品质、 执行机构优化和起步控制等。 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 即控制器局域网络，最初是由德国的b o s c h 公 4 第1 章引言 司为汽车监控、控制系统而设计的。它能有效支持分布式控制和实时控制的串 行通信网络，由于其高性能、高可靠性及独特的设计，越来越受到工业界的重 视，已被应用多个领域并特别适合基于单片机的分布式控制系统。与一般的通 信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。采用 c a n 总线网络可大大减少个设备间的连接信号线束，并提高系统监控水平。另 外，在不减少其可靠性的前提下，可以很方便地增加新的控制单元，拓展网络 系统的功能。在软件上通信更加灵活，实现性更好、纠错能力更强。 c a n 国际标准的制定，更加推动了它的发展与应用。随着越来越多的汽车 制造厂家采用c a n 协议，c a n 逐渐成为通用标准。目前在汽车的设计领域， c a n 几乎成为一种必须采用的技术手段，尤其在欧洲，如奔驰、宝马、大众、 沃尔沃等。美国汽车厂商也将控制器系统逐渐由c l a s s2 过渡到c a n 。根据研究 表明：大多数客车都选用基于c a n 的网络，目前c a n 已开始取代基于j 1 8 5 0 的 网络。到2 0 0 5 年，c a n 将会占据整个汽车网络协议市场的6 3 ，在欧洲大约为 8 8 。在我国，对c a n 总线的应用研究己经起步，清华大学、北京航天航空大 学等单位在c a n 为控制网络方面开展了富有成效的研究。目前国内在整车网络 体系构建、信息接口规范等方面的研究也才刚刚起步，没有形成自己独立的c a n 应用层的协议规范，离发达国家现有的技术水平有一定的差距。 1 3 本文的研究内容 在自动变速系统的开发过程中，试验是不可缺少的，仿真不能完全代替试 验。一方面在车辆自动变速系统投入使用之前，系统的功能与可靠性需要进行 试验检验，另一方面试验也是仿真研究的基础，无论是系统模型的建立，还是 仿真模型与仿真结果的检验都离不开试验。 5 第1 章引言 而自动变速器是一个多输入多输出非线性动态系统，对其进行良好控制比 较困难，如果控制不当，还会危及驾驶员的人身安全。因此我们主要进行自动 变速器e c u ( h a r d w a r ei nt h el o o p ) 硬件在环动态实时仿真系统的研究。这样在自 动变速器e c u 投入运行之前进行硬件在环仿真可以减少开发风险、缩短试验时 间、降低试验费用并缩短e c u 的开发周期。从而具有重要的理论意义和实用价 值。 在构建实验台的过程中，我们发现了信号的传送存在着可以提高的空间， 在此我们采用了c a n 作为实验台和工控机之间部分信号的传送纽带。同时采用 c a n 进行通讯也比较符合原研究车型的实际工作情况。 本论文主要研究带有c a n 通讯的自动变速器实验台，建立了自动变速器换 档品质分析和评价模型，对自动变速器e c u 开发工作作出评价，提出改进的意 见，在此基础上进行进一步的汽车变速器换档品质研究。 本论文研究的理论意义在于系统的研究了带有c a n 通讯的自动变速器模 块，并搭建了相对应的硬件在环实验台，完善了我国自动变速器开发理论。 本论文研究依托与上海汽车工业总公司项目：自动变速器控制系统及其试 验台的开发与研制( 编号：0 3 0 8 ) 。 6 第2 章0 i n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 第2 章0 1n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 本文研究的对象是大众0 i n 型电控式液力自动变速器，其由于功率密度较 大而成为同级别自动变速器中昂紧凑的形式其中主减速器传动比可变，可适 应和满足各种车辆行驶要求，大众汽车公司将0 i n 配置到了它的很多车型上， 有p a s s a tb 5 、s a n t a n a 2 0 0 0 以及p o l o 等。 本文的工作是在试验车s a n t a n a 2 0 0 0 时代骄子的基础上开展的。0 i n 自动变 速器采用模糊逻辑控制理论，在换档时以车速及发动机油门开度信号为主要参 数，同时叉考虐行驶阻力、驾驶员的驾驶习惯及交通环境等因素，合理的对抉 档进行自动控制，从而使车辆具有良好的动力性、经济性和驾驶操作性。 210 1 n 自动变速器的组成 0 i n 自动变速器由变矩器、机械式变速器( 为行星齿轮机构) 和电子一液压 控制系统三部分组成。其原理简图，如图2l 所示。 壳体 油泵 离台器j 建度传雇器 输出轴 、 穆攀 星齿话j 连“ 厩壳 弛序 町斟 、 龋 立 一j 一、 矗 r 辅枞 第2 章0 i n 自动变速器及其试验台基木结构和原理 其主要拄术参数如表2 图2l 液力自动变速器的组成 表21o i n 自动变速器技术参数 横置纵置 重量( 充油后)6 9 k g7 3 垤 长度 变速器油 豹55 l 约55 l 充油量 主减速器油 传递的最大扭矩 丰减速器传动比 一挡 = 档 传动比 三挡 四档 仞档 2110 1 n 自动变速器机械传动系统 因为液力变距器的最高扭矩比在l7 肚25 0 左右，存在着变距和效率之间的矛 盾，而且不能完成如倒车等操作，所以有行星齿轮辅助变速。 餮岁龋德鞘蒜咄钞。 t m 自一1 。 圈z2 行星齿轮的组成 第2 章o i n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 o i n 自动变速器的行星齿轮变速结构是拉维莱尔赫( 鼬w i g n e a u x ) 氏双行 星排结构，主要由1 个行星齿轮组、3 个片式离合器、两个片式制动器和1 个单 向自由轮组成。行星齿轮组又是由1 个小太阳轮、1 个大太阳轮、3 个短行星齿 轮和3 个长行星齿轮以及行星齿轮架和齿圈组成。其结构见图( 2 3 ) ： b 2b 1 图2 3 自动变速器行星齿轮结构图 表2 2 各杆位下的档位情况和各档位下结合元件的结合情况 离合器状态制动器状态自由轮 杆位档位 k 1k 2k 3b 1b 2f pp rr n n d 1 h 2 h 9 第2 章o i n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 ( ) 212 液力变矩器的组成和工作原理 由于液力自动变速器最重要的组成部分是液力变矩器，下面将进行详细的 介绍。液力变矩器是由泵轮、涡轮和导轮等构件组成。泵轮与发动机的输出轴 相连，把机械能转变为自动变速器油的的动能，原理如图2 4 ： 导轮同定渡流发生方向 要连器堵扭 采勇：目蛤的菠施 耍矩篙成为偶合篱 导轮自由蘑砖 图24 液力变矩器的组成 当环流占优势的时候，说明涡轮和泵轮的转速接近，变矩作用减小，当转 速_ - 样时就达到耦合了。当涡流占优势的时候说明泵轮和涡轮转速差较大，变 矩作用太。 变距器的特性公式如下： 1 0 第2 章o i n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 肘m ，i = = y 嘞囊q n l 2 2 d 。s 5 ( 2 1 ) 肘2 = 皿2 疗i 2 d 其r e y 一油的重度，入l ，入2 一泵轮和涡轮的力矩系数 n l 一泵轮转速，d 一液力变距器有效直径 扭矩比k 和传动效率如下： k ：一丝：一生 m l ( 2 2 ) ，7 ：一m 2 n 2 ：k i 。 m 通过液压驱动活塞( 活塞位于泵轮和涡轮之间，活塞带有摩擦材料) 与泵 轮结合，活塞与涡轮通过花键连接。 导轮的作用是使涡轮流出变速器油，经导轮的反作用，重新回到泵轮中， 形成一个流动循环。导轮一般由单向锁止机构，在涡轮和泵轮转速差较大时被 固定，起到增扭作用，在涡轮和泵轮转速差较小时随着涡轮泵轮转动，这是变 距器效率较低，通过液压锁止结构把泵轮和涡轮机械连接。 涡轮与行星齿系的输入轴相连，把液体的动能转化为机械能输出。 同时为了提高高速行驶时的燃油经济性，一般都带有锁止机构，多采用液 压锁止机构。锁止离合器的作用如下： ( 1 ) 在汽车行驶阻力小时。发动机转速较高，此时不需要增扭，锁止离合器 将变矩器的泵轮和涡轮锁住，可以提高传动效率，能节油5 左右。 ( 2 ) 在汽车行驶阻力大时。发动机转速降低，此时锁止离合器分离，实现增 扭。 2 1 3 自动变速器的电子控制 自动变速器主要的电子控制系统的输入装置及其功能： 第2 章o i n 自动变速嚣及其试验台基本结构和原理 、秣 t ! * 4 5 籍! 图25 自动变速器电子控制的主要元件 f 1 ) 车速传感器：一般有两个车速传感嚣。一个是位于变速器输出轴处2 号 传感器，另一个是位于车速表处l 号传感器。一般是根据2 号传感器的信号工 作，当2 号出现故障启用1 号 齿目齿目 茬术元件 图26 车速传疟器 ( 2 ) 节气门位置传感器一般是可变屯阻滑块。 ( 3 ) 冷却水传感器。 ( 4 ) 真空岐管绝对压力传感器 ( 5 ) 制动开关：一般该开关是常闭的，当踩下制动踏板时，常闭触点断开， 从而切断锁止离合器电磁阀的开关，防止发动机熄火和损坏。 ( 6 ) 换档模式开关：一般有四种模式既正常模式、动力模式、冬天模式和 手动换档模式。 ( 7 ) 空档起动开关。为e c u 提供工况信息：空档还是在其他档位。 意运虢 爹 一孵 第2 章o i n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 ( 8 ) 超速当开关。控制是否允许达到超速档。 ( 9 ) 失效保护和诊断能力。 e c u 控制自动变速器的一些功能：换档正时控制。根据实际情况，从两种 换档模式挑选一种，进行换档控制；锁止正时控制，通过车速和节气门开度信 号控制；减速控制，使汽车减速平稳；自诊断等。 自动变速器的电子控制主要是通过控制电磁阀( 换档阀和锁止阀) 来达到的。 控制简图如图2 7 所示： 图2 7 电子控制自动变速器的构成及基本工作过程框图 e c u 根据车速，节气门位置，进气管真空度信号，档位识别信号以及反映 车辆状况的其他的传感器信号。通过电磁阀对换档进行控制和锁止控制。 在这个过程中压力控制电磁阀起到了重要的作用：由动力传动控制模块控 制的电磁阀，用以根据汽车运行工况来连续调整变速器的管路油压和换档感觉。 与换档电磁阀不同，压力控制电磁阀调整液压，并不是个简单的通和断电磁阀。 这种类型称为脉冲宽度调制( p w m ) 的电磁阀。 2 2 自动变速器半实物仿真试验台设计 0 1 n 自动变速器仿真试验台软件是应用高级程序语言编程开发的( 主要用的 是c + + b u i i d e r ) ，在试验过程中可将自动变速器的e c u 接入仿真环路中。用户 1 3 第2 章0 i n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 利用数据采集板卡的数字量模拟量输入输出功能以及a d 转化功能在e c u 和仿 真程序间进行数据的交换。通过友好的交互界面，用户只要进行简单的输入参 数设置，即可进行实时的自动变速器仿真试验。自动变速器仿真试验台不仅可 以模拟自动变速车辆在正常工作条件下的性能，而且可以通过修改仿真条件， 获得在试验中难以得到的车辆在极限工况、紧急工况条件下车辆响应及评价相 应控制策略的优劣，为电子自动变速系统的开发提供方便，使设计人员可以在 产品设计阶段就能够预测产品性能，进而修改设计方案。 2 2 1 试验台硬件设计 自动变速器仿真试验台的结构如图2 6 所示，实物如图2 6 所示。试验台主 要组成有操作及显示面板，杆位编码及转换板，数据采集卡，数字量通讯 板，模拟量通讯板，工业控制计算机，自开发电子控制单元，模拟电磁阀，5 v 和1 2 v 开关电源。 囤2 8 自动变速器仿真试验台结构框图 图2 8 中给出了自动变速器仿真试验台正常工作所需的输入信号及其输出 信号。仿真试验台的主要目的就是测试自开发的t c u 的工作，从而能根据自动 1 4 第2 章0 1 n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 变速器工作原理，测试其换档规律和换档品质控制规律的工作，评价规律的优 缺点，提出改进。 0 i n 自动变速器变速杆共有7 个位置( p r ，n ，d ，3 ，2 ，1 ) ，不同的杆位对应多 功能开关的4 个引脚的不同状态。在试验台的设计中，我们利用m c s 5 1 编码实 现此功能。用7 个输入端口模拟自动变速器变速杆的7 个位置，试验时，在操 作面板上按下某一个开关拉低相应端口模拟换至某杆位，通过单片机m c s 5 1 内 部编码输出四个端口模拟自动变速器的多功能开关引脚。 速度信号在0 1 n 自动变速器中是通过频率来传递的。试验台中，工控机内 仿真控制程序经过计算后得到的车速通过数据采集卡的模拟量输出端口输出到 杆位编码及v f 转换板的v f 转换电路。工控机发出的电压信号通过电压频率 转换电路后得到相对应的频率信号，输入给t c u 的相应管脚，t c u 经过内部程 序处理得到速度，从而实现速度信号的传递。 工业控制计算机是仿真程序运行的载体，所有模型都在工控机内运作，是 试验台的重要组成部分。 由于数据采集卡的输入与输出端口都是标准的接口，不能直接引出接至试 验台的线路上，所以我们自行设计了数字量通讯板与模拟量通讯板，用于采集 卡接口与试验台之间的连接。 2 2 2 试验台软件设计 试验台控制软件主要由整车模型程序、动力传动系统模型程序、多媒体定 时器程序、数据采集程序和信号发生程序及仿真结果输出程序等部分组成，其 中的核心内容是整车模型程序和动力传动系统模型程序。这里的整车模型程序 是为实现自开发控制器t c u 与试验台控制软件之间的数据信息交换及处理而建 立的，主要包括车辆模型、发动机模型、液力变矩器模型、行驶环境模型、初 1 5 第2 章0 1 n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 始工况模型等，模型的精确程度以能够仿真车辆的直线行驶工况为标准，同时 为实现自开发t c u 的实时控制把模型进行相应的简化。对于动力传动系统模型， 为了实时准确的获得仿真过程中的信息，我们采用了调用外部动态链接库的方 法，将程序中的计算很好的融入到了仿真系统。试验台软件各个组成部分分别 实现相应的功能： ( 1 ) 整车模型程序：是测试软件的核心部分，由多个模型组成，获得仿真开 始时设置的输入参数，以及进行各个计算； ( 2 ) 多媒体定时器程序：保证在仿真过程中的实时性； ( 3 ) 数据采集程序：通过数据采集卡得到和输出仿真参数； ( 4 ) 信号发生程序：利用程序产生节气门开度和油温等信号； ( 5 ) 动力传动系统模型程序：得到仿真过程中的动力传递路线及参数： ( 6 ) 仿真结果输出程序：仿真结果的输出形式图形显示、仿真结果保存。 2 2 3 仿真结果及对比分析 仿真试验台的主要目的就是在半实物仿真的环境下，可使0 1 n 的e c u 正确 工作，从而测试其工作原及其换档规律：并可对不同换档规律时整车的各项性 能指标进行对比分析，评判换档规律的优劣。 1 6 第2 章0 1 n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 卧c o i * w 碱鳓_ 1 懈k 】# _ m 雾：麓i 嚣一| 雾蓉燃兰! ! 叫7 一。 雾舞：嚣：z ml 裟潞鬈：嚣* 塑j ：篓：然：嚣篡! 型 黧鬟：一a ”甲竺旷二掣鲁。 ：黥m 7 号羹享竺_ 。一 口卫卫【皿曼烹烹烹烹曼曼 ：三曼篓兰己三羞三i 羞 匡画 ( d n _ t 鼬一_ _ * n 珊一目啊一蚯正雹“ 图29 自动变速器仿真控制程序主界面 如图2 9 所示为自动变速仿真控制程序主界面，其由三个部分组成。第一 部分是仿真参数输入区主要用来设置不同输入，分别决定整车参数、发动机 参数、变矩器参数、初始参数、行驶环境，以及是否启用降档模式和仿真时间 间隔参数。并且还提供了不同的节气门开度控制方法、控制油温和外围设备扫 描。第二部分是仿真结果输出区，主要显示程序运行过程中车辆的状态，分别 有换档杆位置、电磁阀状态、车速、扭矩、位移以及当前程序运行在何种模式 下等等。第三部分是仿真程序控制区，主要是自动变速仿真控制程序的控制按 钮。 以下是其中比较典型的几种工况实验： ( 1 ) 加速阶段快速踩油门 第2 章0 1 n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 1 即k m ，h 图2 1 0 加速阶段快速踩油门 图2 1 0 为加速阶段快速踩下油门，即在o 一5 s 的时间内让油门( 图中红色虚 线) 到达6 0 开度的大油门。 可以发现对应于换档过程( 图中浅蓝色虚线) ，涡轮转速( 图中紫线) 和发 动机转速( 图中绿线) 会由于换档中传动比的改变，因此会产生一定的波动。 同时可以从图中看出发动机转速和涡轮转速有一定的相关性，变化趋势有明显 的相似性，体现了两者之间的联系。同时在换档后车速的增加也快于换档前。 这些都充分的体现了实际的运行情况。 为了相比较，我们又进行了加速阶段缓慢加入油门的实验。 ( 2 ) 加速阶段慢速踩油门 图2 1 l 为加速阶段慢踩油门，即在0 - 3 0 s 的时间内让油门缓慢达到6 0 开 度。我们可以和图l 的快速踩油门进行对比。 从图2 1 l 中我们可以看出，发动机转速和涡轮转速的变化趋势和图2 1 0 基 1 8 第2 章0 1 n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 本一致，但由于油门较小，因此变化的速度小于图2 1 0 中变化的速度。同时由 于油门较小车速增加的明显慢于图2 1 0 快踩油门的情况。 1 2 0 k m h ( 3 ) 行车途中松开油门 图2 1 1 加速阶段慢踩油门 1 9 第2 章0 1 n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 1 6 0 k m ，h 图2 1 2 行车途中松开油门 为了测试在车速下降情况下的行车特性，我们设计了行车途中松开油门的 工况。 从图2 1 2 中我们可以看出，在松开油门的过程中，由于开始阶段，油门仍 然比较大，所以汽车还是呈现加速状态，只是加速度越来越小。然后随着油门 下降到一定值后车速、发动机转速、和涡轮转速都开始下降。 当车速下降到一定程度，汽车开始降档从。在这个过程中由于换档时传动 比的改变，车速和涡轮转速都有一定的跳动。而发动机由于已经处于最小转速 的情况，所以没有变化。 ( 4 ) 行车途中紧急制动 2 0 第2 章0 i n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 图2 1 3 行车途中紧急制动 图2 1 3 为我们在行驶途中在3 0 s 的时刻加入制动力，我们可以看出在加入 制动力的情况下，汽车速度迅速下降并在短时间内到达0 k m h 。满足了实际情况。 同时为了验证试验台测试换档规律的精度，将计算得到的换档规律写入e c u 中，然后利用试验台读取该规律，并与原规律进行比较。 以均方误差值m s e 和平均误差a 来判断写入规律与试验台测试规律的误 差。 l ， m s e = - 蔼( e i f = 亩善。御f ) 2 ( 2 3 ) 彳= 专粪a b s ( e f ) 】= 专姜口如酚以伽 ( 2 4 ) 其中：数据个数，t ；- 第i 个写入值 a i - 第i 个读取值 第2 章0 i n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 均方误差值越小，说明试验台的精度越高。 ( n 经济性换档规律的对比分析 在通过实验台仿真数据的基础上，计算得到的均方误差值如下所示，其中 m s e i - 2 、m s e 2 3 、m s e 3 - 4 、m s e l 表示一档升二档、二档升三档、三档升四 档及闭锁时的均方误差值：a 12 、a 23 、a 3 4 、a l 表示一档升二档、二档升三 档、三档升四档及f j 锁时的平均误差值。 m s e l j 5 02 i5 5 ，m s e 2 3 - - 01 8 2 2 ，m s e 3 - 4 = 02 7 6 4 ，m s e l = 00 4 4 a l - 2 = 22 9 ，a 2 - 3 = i3 6 ta 3 _ 4 = 1 0 5 ，a l = o4 9 实际写入的经济性规律与读取规律的对比如图21 4 所示，实线表示各档位 的写入规律，虚线表示各档位的测试规律。 国21 4 写入的经济性及闭锁规律与读取规律的比较 ( 2 ) 动力性换档规律的对比分析 在通过实验台仿真数据的基础上，计算得到的均方误差值如下所示，其中 第2 章o i n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 d m s e i2 、d m s e 23 、d m s e 34 表示一档升二档、二档升三档、三档升四档的 均方误差值：d a l2 、d a 23 、d a 34 表示一档升二档、二档升三档、三档升四 档的均方误差值 d m s e i - 2 = o1 5 7 td m s e 23 2 01 5 1 2 ，d m s e 34 2 01 5 4 d a i _ 2 2 15 6 ，d a 23 2 10 2 ，d a 3 _ 4 = 0 8 1 实际写入的动力性规律与读取规吕如图21 5 所示 档升= 档 = 档升= 档 = 档升口挡 l o1 5畜 3 03 5柏f 舶坼 车连1 4 m h 图21 5 写入的动力性规律与读取规律的比较 f 3 、各项性能指标的对比分析 根据发动机的扭矩模型和油耗模型、变速器各档的速比、风阻系数、迎风 面积及滚动阻力系数等参数通过试验台可仿真得到对象样车的各项性能指标 测试值与实际值的对比分析如表2 _ 3 所示。 表23 实验台测试得到的性能指标与实际值的对比 mr铲。 第2 章0 i n 自动变速器及其试验台基本结构和原理 由图2 1 4 、图2 1 5 、表2 - 3 、m s e ，d m s e ，a ，d a 的分析结果可以看出， 实验台具有较高的测试精度，满足实际应用的要求。 2 3 本章小结 本章介绍了0 1 n 自动变速器的组成结构，包括其机械传动系统，液力变矩 器原理，电子控制的方法。在此基础上介绍了0 1 n 自动变速器半事物仿真试验 台的硬件设计和软件设计，已经相对应的仿真结果和对比分析。从结果种我们 可以看出，仿真试验台具有较高的测试精度，能满足实际应用的要求。 2 4 第3 章o i n 自动变速器试验台c a n 总线接口设计 第3 章0 1n 自动变速器试验台c a n 总线接口设计 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 即控制器局域网络，最初是由德国的b o s c h 公 司为汽车监控、控制系统而设计的。它能有效支持分布式控制和实时控制的串 行通信网络，由于其高性能、高可靠性及独特的设计，越来越受到工业界的重 视，已被应用于汽车、机器人、数控机床、医疗器械、自动化仪表等很多领域 并特别适合基于单片机的分布式控制系统。c a n 已被公认为几种最有前途的现 场总线之一，与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、 实时性和灵活性。 3 1c a n 总线通信原理 c a n 总线是一种串行数据通信。在c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议 的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理。c a n 协议的个 最大特点是废除了传统的地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这 种方法的优点是使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据的标识符可由l l 位或2 9 位二进制数组成，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接 收到相同的数据。数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命 令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长， 从而保证了通信的实时性。c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功 能，保证了数据通信的可靠性。 i s o o s 工模型将各种协议分为七层，自下而上依次为：物理层、数据链路层、 网络层、传送层、会话层、表达层和应用层。为了使设计透明和执行灵活，c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，考虑到作 2 5 第3 章0 1 n 自动变速器试验台c a n 总线接口设计 为工业控制底层网络，其信息传输量较少，实时性要求比较高，因此，c a n 的 模型结构只取了o s i 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其分层结构 和功能如图3 1 所示。 数据链路层 逻辑链路子层( l l c ) 接收滤波 超载通告 恢复管理 媒体访问控制子层( m a c ) 数据封装拆封 帧编码( 填充解除填充) 媒体访问管理 错误监控 出错标定 应答 串行化解除串行化 物理层 物理信令( p l s ) 位编码 位定时 同步 物理媒体附属装置( p m a ) 驱动器接收器特性 监控器 f ! | 阿i 磊 | 媒体相关接口( m d i ) 连接器 总线故障管理 图3 1c a n 总线的分层结构和功能 c a n 总线的信息发送采用广播的方式，每个信息( 帧) 通过一个标识符i d 作 为标记，标识符i d 不仅定义报文的内涵，还定义了报文的优先权。在整个网络 中，该标识符是惟一的。网络上的其他节点接收到信息后，每一节点都对这个 标识符进行比较，以判断信息内容是否与已有关。若是相关信息，则它将得到 处理；否则，它即被忽略。一个信息( 帧) 根据系统的设计可以传送给一个特定的节 点也可以传送给多个节点。采用该方式的优点是可使网络内的节点个数在理论 2 6 第3 章0 i n 自动变速器试验台c a n 总线接口设计 上不受限制，也可使不同的节点同时接收到相同的数据。 送0 1 1 0 0 0 0 0 收0 1 1 0 0 0 0 0 送0 1 1 0 0 0 0 1 收0 1 1 0 0 0 0 0 臣) 一o n 一 厂 厂 图3 2c a n 总线非破坏性仲裁过程 c a n 总线通讯只能在总线空闲的情况下开始，总线上所有的控制器都会同 步与帧起始的前沿，这个同步过程由硬件来完成。当有两个或两个以上的控制 器同时向总线上发送数据时，总线访问冲突就得通过仲裁场能仲裁。现场总线 ( c a n ) 采用c s m a c d 协议并引入非破坏性逐位仲裁机制解决媒体共享的问题， 使报文冲突的过程变为优先权仲裁的过程，提高了信道使用率，解决了报文传 输的延时不确定性。利用冲突进行优先权仲裁，冲突的过程是优先权小的报文 逐位淘汰而优先权大的报文非破坏性的逐位析出过程。冲突的结果是优先权大 的报文先占用媒体得以发送。其具体的过程为：当多个节点开始传送它们各自的 报文时，标识符的每一个位都被写到总线上( 高位在先，低位在后) ，而且每一 个节点同时读回。如果一个节点发出了隐性电平”1 而读回的是显性电平“0 ， 它会知道另一个较低标识符号码的( 高优先权) 节点正在访问总线，于是停止传 送报文( 丢失仲裁) 并继续接收更重要的报文。这种非破坏性的逐位仲裁与每一 个节点都可以