（机械电子工程专业论文）客车电控半自动换档原理研究及操控系统开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国汽车工业的发展，汽车在人们的日常生活中逐渐普及。在汽车带给人们便 捷的同时，也带来了空气和噪音污染，交通拥挤和频繁的交通事故。疲劳驾驶是导致交 通事故的主要原因之一，因此如何降低驾驶员的劳动强度、提高汽车换档的轻便性、经 济性和舒适性已经成为困扰运输公司及交通管理部门的重要问题。 课题是在原有手动变速器的基础上进行改进，将机械式换档改为电控气动换档，既 保留了原有变速器效率高、成本低、结构简单的优点，又充分利用了电控系统响应速度 快、可以控制的特性，可以有效降低驾驶员的劳动强度，减少事故发生的概率。因而。 此课题的研究具有重要的理论意义和应用价值。 系统分为操控系统和执行系统两部分。操控系统和执行系统之问通过c a n 总线迸 行通讯。在司机推动手柄发出换档命令后，操控系统控制单元采集到手柄的位置信号后 通过带c a n 接口的微控制芯片发送命令给执行系统。为了省去换档时司机频繁的踩离 合，降低司机的劳动强度，执行系统通过调节发动机的转速来自动完成换档时机的选择， 配合同步器实现换档的同步，然后执行系统将完成状态返回给主控系统完成换档操作。 但在起步时，仍需要踩离合器踏板而实现平稳启动。 系统采用机电一体化技术对客车换档操作及油门控制系统进行改进，有效的降低了 驾驶员的劳动强度，并配合c a n 总线技术的应用，简化了整车线束，便于维修。由于 c a n 具有优良的错误处理机制及可靠的数据传送性能及较高的数据传输速度，可以满 足实时性及可靠性要求较高的换档控制系统，提高换档效率和可靠性，实现快速轻便换 档，同时具有较低的生产成本。 关键词：换档控制；c a n 总线；通讯协议；p 8 7 c 5 9 1 客车电控半自动换档原理研究及操控系统开发 s t u d yo np r i n c i p l eo fs e m i - a u t o m a t i cg e a r s h i f ts y s t e mo fc a r a n dd e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , c 缸i sc o m m o n l yu s e di no u rd a i l yl i v e s a si tb r i n g su st h ec o n v e n i e u c e , i ta l s oc a u s e sa i rp o l l u t i o n , n o i s e , h e a v yt r a f f i cj a n la n d a c c i d e n t s o n eo ft h em a j o rc a u s a t i o n si st i r e d n e s sd r i v i n g , s oh o wt or e d u c et h en e g a t i v e e f f e c t sa n dm a k eg e a r s h i f te a s i e ra n dc o m f o r t a b l et oc o n t r o li sac r i t i c a li s s u ef o rt h em i n i s t r y o fc o m n n l n i c a t i o n st od e a lw i t h t h i ss u b j e c tm a k e sa ni m p r o v e m e n tw h i c hi sb a s e do nt h eo r i g i n a lg e a r b o x b yu s i n gt h e e l e c t r o n i cp n e u m a t i cs h i f ts y s t e m ，i tc a l la c h i e v et h ep r o p e r t i e so ff a s tr e s p o n s e , e a s yc o n t r o l , r e d u c t i o ni no p e r a t i o nw i t h o u tl o s i n gt h eo r i g i n a lg e a r b o x sm e r i to fh i g he f f i c i e n c y , l o wc o a s t , a n ds i m p l es t r u c t u r e t h i ss y s t e mc a nr e d u c et h ew o r k i n gi n t e n s i t yo ft h ed r i v e r s f u r t h e r m o r e 1 e s sa c c i d e n tw o d dh a p p e n s oi th a si m p o r t a n tt h e o r ya n da p p l i c a t i o nv a l u et os t u d y o nt h i ss u b j e c t t h ew h o l es y s t e mi sm a d eu po ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ee x e c u t es y s t e m t h e y c o m m u n i c a t eb e t w e e ne a c ho t h e rb yc a nb u s v t h e nt h ed r i v e rg i v e st h eo r d e rt os h i f tg e a r s ， t h ec o n t r o ls y s t e mc o l l e c t sa n da n a l y z e st h es i g n a l so ft h eh a n d s p i k e r sp o s i t i o n ，t h e nt h e o r d e ro fg e a r s h i f ti ss e n tt h r o u g ht h ec a nb u sb yt h em c up 8 7 c 5 9 1w h i c hh a sac a i n t e r f a c e i no r d e rt or e d u c et h ed r i v e r s w o r k i n gi n t e n s i t y , t h ee x o c l i 捃s y s t e mw i l lf i n i s ht h e g e a r s h i f to p e r a t i o na u t o m a t i c a l l yb ya d j u s 缸gt h er o t a t es p e e do ft h em o t o rt oas u i t a b l es p e e d w i t ht h eh e l po ft h es y n d 删z e lt h ee x e c u t es y s t e mw i l lg i v eb a c kt h ef i n a ls t a t eo ft h e g e a r s h i f tt ot h ec o n t r o ls y s t e mt of i n i s ht h eg e a r s h i f to p e r a t i o n t h ed r i v e rs h o u l ds e p a r a t et h e c l u t c ht og e tas m o o t hs t a m p j u s ta tt h eb e g i n n i n g t h i ss y s t e mm a k e sa l li m p r o v e m e n ti ng e a r s h i f to p e r a t i o na n da e c e l e r o g r a p hc o n t r 0 1 i t c a nr e d u c et h ed r i v e r s w o r k i n gi n t e n s i t ya n di se a s i e rf o rt h em e n d e rt or e p a i ri tw i t ht h e a p p l i c a t i o no fc a nb u s c a nb u sc o m m u n i c a t i o nc a nm e e tt h eg e a r s h i f tc o n t r o ls y s t e m s s t r i c tr e s t r i c t i o ni nr e a l t i m ea n dr e l i a b i l i t yf o ri t se x c e l l e n te r r o rc o r r e c tm e c h a n i s m 。r e l i a b l e a n dh i g h e rb a u dr a t ei nd a t at r a n s m i s s i o n t h es y s t e mi sr e l i a b l e e f f i c i e n ta n df a s ti nr e s p o n s e t og e a r s h i f tc o n t r 0 1 i ti sa l s oc h e a p e ri nm a n u f a c t u r i n gc o s t , k e yw o r d s ：g e a r s h i f tc o n t r o l ；c a nb u s lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ：p 8 7 c 5 9 1 一i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特i i i i 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中傲了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：丛垒乏细期：之堕! 厶z 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：丛垒：2 ：竺 导师签名： 超丝。 丛l 丝 盟年上月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 随着社会的发展和人们生活水平的不断提高，汽车在广大人民群众的日常生活中扮 演着越来越重要的角色。然而，驾驶员的工作环境却有日益恶化的趋势，堵车、远距离 驾驶、长时间驾驶等现象愈发严重，尤其是对于作为城市交通重要组成部分的公交车司 机。统计资料表明，在城市道路行驶时，载货汽车每行驶l o o k m ，需起步和停车8 0 1 0 0 次，而公共汽车则需4 0 0 5 0 0 次，而每次换挡有4 6 个手脚协调动作。在城市交通日 益繁忙、道路阻塞日趋加剧的情况下，频繁换档对驾驶员来说，在精神上和体力上都是 一个很大的负担，他们长期处于疲劳驾驶状态已经成为交通事故发生的重要原因。因此 如何提高汽车的操作性，有效降低驾驶员的劳动强度就成为一个十分紧迫而又有重大现 实意义的课题。 目前，汽车上普遍使用的发动机至今仍是各种活塞式内燃机。内燃机的特性决定了 必须配备变速装置，大多数变速器仍采用的有级式变速器，这就需要在行驶过程中通过 换档来改变传动比，而大多数客车的发动机都采用后置式由于变速器离驾驶员座位较 远，因而需要在变速器操纵手柄及其拨叉之间安装一些辅助杠杆或传动机构，构成远距 离操纵，这种操纵机构称为间接操纵式变速器操纵机构。该机构应具有足够的刚性，且 各连接件间隙不能过大，否则换档时手感不明显。然而这种操纵机构操纵起来是比较费 力的，为减轻驾驶员的劳动强度，使其有更多时间注意道路工况和车况，提高行驶安全 性，迫切需要车辆变速实现自动化。电子控制技术的飞速发展为车辆变速自动化提供了 强大的技术支持。汽车电子技术能使汽车行驶在最佳状况，并可降低油耗，提高乘坐舒 适性，所以汽车电子技术在现代汽车的控制系统中得到了广泛的应用i l - 3 j 。 1 2 电子技术在现代汽车的控制系统中的广泛应用 汽车电子控制技术是把电子技术和汽车技术融为一体的机电一体化技术，它被日益 广泛她应用在汽车上随着汽车电子控制技术的发展，世界各国在汽车的各个系统竞相 采月电子控制装置。目前比较多见豹、成熟的汽车电子控制系统主要有动力传动总成的 电子控制、底盘电子控制、车身电子控制、信息通讯系统等。 客车电控半自动换档原理研究及操控系统开发 1 2 1 动力传动总成的电子控制 动力传动总成的电子控制主要包括发动机电子控制、变速箱电子控制和动力总成的 整体控制等。它用于实现低油耗、低污染，减少动力传动系统的冲击。减轻驾驶员的疲 劳 提高汽车的动力性、经济性和舒适性。 ( 1 ) 发动机电子控制 发电机电子控制系统由空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统三部分组成。 该系统的主要功能是控制燃油喷射式发动机的空燃比和点火时刻。除此之外，还有控制 发动机起动、怠速转速、极限转速、排气再循环、闭缸工作、二次空气喷射、进气增压、 爆震、发电机输出电压、电动燃油泵和系统自诊断等辅助功能。 ( 2 ) 变速箱电子控制 电子技术在汽车上的广泛应用，使变速操纵技术和搡纵方法不断变革，已经逐渐由 手动变速向自动变速过渡，向电液自动变速发展，手动变速将越来越多地被自动变速所 取代。自动变速器一般由机械系统、液压系统、电子控制系统等三大部分组成。它能完 成汽车传动系统对车速和扭矩的自动变换，驱动桥扭矩的接通、断开以及辅助装置的取 力驱动功能。所有这些功能都要靠电气控制系统自动地操作各液压阀门，从而改变各机 械行星齿轮系的工作状态和液力变扭器的变扭比来实现。电控系统由传感器、微处理器 0 s c u ) 和执行元件三部分组成。传感器用于感知车速、油门开度和其他工况并将这些信 号转变为电信号输入自动变速器e c u ，e c u 则根据传感器输送的信号确定换挡和锁止 时机，通过控制相应的电磁阀而达到控制液压系统。 1 2 2 底盘电子控制 底盘电子控制包括悬架的电子控制、防抱死制动控制( a b s ) 、驱动防滑控制( a s r ) 、 电子控制动力转向、四轮转r 句( 4 w s ) 控制、巡航控制( c c s ) 系统等。 ( 1 ) 悬架的电子控制 电子控制汽车悬架的基本目的是通过控制调节悬架的刚度和减振器阻尼，突破被动 悬架的局限区域，使汽车的悬架特性与行驶的道路状况相适应，以保证平顾性和操纵稳 定性两个相互排斥的性能要求都能得到满足。 ( 2 ) 制动防抱死和驱动防滑系统 a b s 和a s r 都是汽车的主要安全装置。a b s 的基本功能是可感知制动轮每一瞬时 的运动状态，并根据其运动状态相应地调节制动器制动力矩的大小，避免出现车轮的抱 死现象，因而是一个闭环制动系统。它是电子控制技术在汽车上最有突出成就的一项应 用，可使得汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距离，有效地提高行车的安全性。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 a s r 系统是在a b s 系统的基础上发展起来的，它是维持附着条件、充分发挥驱动力的 电子调节装置，其作用是通过控制发动机转矩和汽车的制动系统等手段来控制驱动力， 即在汽车起步、加速时减少驱动力，防止驱动力超过轮胎与路面的附着力而导致车轮空 转打滑，以保持最佳的驱动力 ( 3 ) 电子控制动力转向 动力转向最早于1 9 7 4 年出现在“丰田”的“皇冠”轿车上，目前在汽车的转向系 统中已经广泛采用。电子控制动力转向可根据车速、转向角、转矩等传感器，自动控制施 加在转向盘上所需的转向力，使汽车在停车或低速行驶时转动转向盘所需的力增大，即在 各种行驶条件下实现转向盘上所需力的最佳值。电子控制动力转向提高了操纵的稳定 性。 ( 4 ) 四轮转向和巡航控制 四轮转向系统是基于一个安装在后悬架上的后轮转向机构，它能够使驾驶员操纵方 向盘时转动汽车前后四个车轮，不仅提高了高速时的稳定性和可控性，而且也提高了低 速时的机动性。巡航控制是让驾驶员无需操作油门踏板就能保证汽车以某一固定的预选 车速行驶的控制系统。当汽车在高速公路上长时间行驶时，一打开巡航控制开关，系统 就能够根据道路行驶阻力的变化，自动地增减发动机油门的开度，使汽车行驶速度保持 一定，从而给驾驶带来了很大的方便，同时也可以得到较好的燃油经济性。 1 2 3 车身的电子控制 车身电子控制包括安全气囊电子控制、车用空调控制、防盗系统、门锁控制、车灯 控制、雨刷控制等。 ( 1 ) 安全气囊控制系统 作为一种被动安全保护装置，它一般由传感器、电控单元、气体发生器、气囊、续 流器等组成，通常气体发生器和气囊等做在一起构成气囊模块。传感器感受汽车碰撞强 度，并将感受到的信号传送到控制器，控制器接收传感器的信号并进行处理，当它判断 有必要打开气囊时，立即发出点火信号以触发气体发生器，气体发生器接收到点火信号 后，迅速点火并产生大量气体给气囊充气，使汽车发生事故造成乘员伤亡的几率大大降 低。 ( 2 ) 车用空调控制系统 车用空调控制系统是由e c u 通过检测实际车内温度、太阳辐射量、车外温度、发 动机冷却水温度等信息，计算出吹入车内空气所需要的温度，选择所需要的空气量，然 后控制空气混合入口、水阀、进出气口转换挡板等，以使车内温度保持最佳( 人体感觉 客车电控半自动换档原理研究及操控系统开发 最舒适的温度) ，并将控制结果显示在仪表板上，驾驶员或乘客也可用温度设置开关设 定所需的车内温度，使其达到一个舒适的乘座环境 4 1 。 课题主要研究的是电子技术在客车自动换档控制方面的应用，属于动力传动总成控 制中的变速箱电子控制。 1 3 汽车自动换档技术在国内外的研究现状 1 3 1 国外研究发展状况 汽车工业一百年的历史，主要是动力传动系的技术史。传动系中变速的自动化是车 辆发展的高级阶段。将现代电子技术引入传统的机械式变速器使其自动化，构成电控机 械式自动变速器( a m d 。这种揉合了液力自动变速器( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，a t ) 与手 动变速器( m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，m r ) 优点的机电液一体化第三代变速器已成为各国 竞相研发的热点。它的发展可分为三个阶段： ( 1 ) 半自动化阶段 瑞典斯堪尼亚( s c a n i a ) 的c g a 系统和德国奔驰( d a i m l e rb e n z ) 的电推动系统 0 1 p s ) 均采用的是半自动操纵方式( s a m d ，使换档动作实现了自动化。美国伊顿( e a t o n ) 的半自动机械变速- 器( s a m 3 系统则更进一步，将换档时离合器和发动机的控制纳入系 统中。同一时期，自俄罗斯工学院研究采用了二参数换档规律自动变速系统，它由控制 系统自动完成档位与换档时机的选择，并可像驾驶员手动操纵一样，利用发动机的调速 实现换档的同步。但在起步时，仍需要踩踏离合器踏板而实现全自动操纵。 ( 2 ) 全自动化阶段 1 9 8 4 年由五十铃公司首先投放市场的n a v i 5 型全自动变速器是世界第1 台全自动 a m t 。此后，日本尼桑( n i s s a n ) 、美国的福特( f o r d ) 、伊顿( e a t o n ) 、意大利的菲亚 特( f i a t ) 、法国的雷诺( r e n a u l t ) 都相继开发出了这种变速器。全自动a m t 只需操纵 加速踏板就能实现车辆起步和车速控制。它标志a m t 已进入产品化和实用化阶段。 ( 3 ) 智能化阶段 由于起步、换档时离合器的控制和自动换档规律等都受环境因素、驾驶员的驾驶水 平和车辆客观运行状态的影响，日本五十铃0 s u z u ) 、尼桑( n s s a n ) 等开始引入模糊推 理的智能方法，采用模糊换档策略和离合器接合速度的模糊控制，使车辆能在复杂多变 的工作条件下，自动采取正确的措旖，进一步提高了起步、变速性能和换档品质p 叫 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 1 3 2 国内研究发展状况 我国的a m r 研究工作起步较晚，鉴于目前j 自心f r 的发展趋势，我国的j 蛾仃研究跨 越了半自动化阶段，而直接进入全自动舢盯的研制。当前已开展这方面研究的单位有 吉林大学、上海交通大学、北京理工大学和重庆东方欧翔汽车电子公司等。吉林大学研 究的动态三参数换档规律在世界上处于领先水平，桑塔纳2 0 0 0 型a l 垤t 样车通过了国家 级鉴定，这表明我国a h 仃技术的研究已经开始迈入了产品化阶段。当前国内外都正在 对j 址f r 进行研究和开发，也取得了较大的成果。 从当今世界变速技术整体发展情况来看，机械式液力变矩器( a t ) 、无级变速( c v d 和电控机械式自动变速器( a m l ) 是研究的重点i 恤1 6 l ，但对于我国现阶段的具体情况而 言，研制电控机械式自动换档系统，对已有车辆的换档操作进行改造，对于减轻驾驶人 员的劳动强度，降低交通事故的发生具有更重要的现实意义。 1 4 课题的研究内容及主要工作 课题来源于客车驾驶中的实际问题。在借鉴国内外多年的研究经验并参考各种方 案，结合我国的实际情况，提出采用机电一体化技术对客车换档操作、执行及油门控制 系统进行改进，开发出具有良好性能价格比的半自动换档控制系统。 课题主要的研究工作包括以下几个方面的内容； ( 1 ) 客车换档操作及车速控制过程的原理 系统将机械式的换档系统替换为气动的换档系统，系统分为主控制系统和执行系统 两部分主控制系统和执行系统之间通过c a n 总线进行通讯。在司机推动手柄发出换 档命令后，主控制部分采集到手柄的位置信号后通过带c a n 接口的微控制芯片发送命 令给执行系统，为了省去换档时司机频繁的踩离合，降低司机的劳动强度，控制系统通 过调节发动机的转速来自动完成换档时机的选择，配合同步器实现换档的同步，然后执 行系统将换档操作的完成状态返回给主控系统完成换档操作。但在起步时，仍需要踩离 合器踏板而实现平稳启动。 ( 2 ) 系统控制及执行机构的改进设计 系统在保留了客车原有变速器和离合器的基础上，对以下部分进行改进。 由于操作方式的变化，将原来的手柄操作档板的毛字形改为十字形，使操作更 加简便快捷。为了仿真手动的感觉在操纵机构布置复位弹簧，当加减档后手柄自动回到 中间位置。并设有止动电磁阀附以相应的软件控制，以防止假上档和跳档现象的发生。 对系统原有的油门控制机构进行改进，使油门既可以在正常行驶时通过油门踏 板来控制以实现司机的意图，又可通过步进电机在换档时自动调节油门，从而调节发动 客车电控半自动换挡原理研究及操控系统开发 机达到目标转速实现自动换档。 采用气动换档机构代替传统的机械式选换档机构。换档执行单元通过控制电磁 阀来控制气缸的运动方向继而实现换档动作。 0 ) 控制系统硬件电路的设计 主控制系统的硬件电路包括： 手柄信号采集单元：负责采集手柄的运动位置。 状态显示单元：负责将车当前的档位状态显示给司机 主控单元：负责处理手柄位置信号做出选挂档命令并通过总线与执行单元进行 信息传递，当发生错误时驱动报警电路给司机警示，并配合显示电路给出错误状态代码。 ( 4 ) 控制系统软件的设计 根据完成功能的不同分为不同的子程序，如c a n 接口初始化子程序、数据发送接 收子程序、手柄信号判断处理子程序、状态显示子程序、报警子程序( 报警声长短不同 代表不同的错误发生) 等。程序采用c 语言编写，通过主控程序将各模块连接起来。 ( 5 ) 前后单元之间的通讯 系统为主控制系统和执行系统前后之间通过c a n 总线进行通讯。c a n 采用总线型 拓扑结构，主要是利用了总线结构电缆长度短、布线容易、可靠性高、易于扩充等优点。 数据信号采用n r z 编码，在距离小于4 0 m 的情况下，通信速率最大可达1 m b p s ，能充 分满足汽车发动机控制、换档控制、防抱死制动控制等单元问实时信息交换的需要。c a n 协议采用了1 5 位c r c 校验、位填充技术及完善的差错处理机制，有力地保证了数据通 信的可靠性。 ( 6 ) 系统总成的调试 进行样机的调试，检验设计的样机是否达到了设计要求，运行是否稳定、准确、可 靠。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 客车传动系机构简介 传动系位于发动机与驱动轮之间，它可使发动机输出的动力特性适合于在各种工况 下汽车行驶的需要，使汽车能正常行驶。最常见的是机械式传动系，液力机械传动系用 于大型客车，高级轿车和工程车辆上。电力传动比较少见，只用于大型矿山车辆上。机 械式传动系主要由离合器、变速器、万向传动装置和驱动桥( 包括主减速器、差速器、 半轴和桥壳等) 组成、在越野车辆上，还设有分动器。负责将变速器的动力分回给各驱 动桥。机械式传动系一般组成及布置如图2 1 所示。 1 ) 离合器2 ) 变速器3 ) 万向节4 ) 驱动桥 图2 1 传动系布置示意图 f i g 2 1p l a c e m e n to f t r a n s m i s s i o ns y s t e m 2 1 离合器总成 离合器位于发动机飞轮与变速器之间。主动部分( 压盘与离合器盖) 固定于飞轮后 端面，从动部分( 摩擦片) 位于飞轮与压盘之间，并通过中心的花键孔与变速器第一轴 相连。压紧部分位于压盘与离合器盖之间，利用其弹力将摩擦片紧紧地夹在飞轮与压盘 之间，主从动部分利用摩擦力矩来传递发动机输出的扭矩。分离机构由安装于离合器盖 和压盘上的分离杠杆、套于变速器第一轴轴承盖套筒上的分离轴承以及安装于飞轮壳上 的分离叉组成。分离叉通过机械装置或者液压机构与驾驶室内的离合器踏板相连。离合 器是经常处于接合状态传递扭矩的，只有将离合器踏板踩了，分离机构将压盘后移与摩 客车电控半自动换档原理研究及操控系统开发 擦片分开而呈现分离状态。此时扭矩传递中断，可以进行诸如起步、换档、制动等项操 作作业。当汽车传动系过载时，离合器会启动打滑，对传动系实现过载保护。中型以下 及部分大型车辆，多采用只有一片摩擦片的单片式离合器，部分大型车辆则采用双片式 离合器，离合器的摩擦片直径越大，数目越多，所能传递的扭矩就越大，但分离时需要 加在踏板上的力就要大些在摩擦片上还设有扭矩减振器，以使传动系工作更加平稳。 离合器的操纵机构是指离合器踏板到分离叉之间的传动部分。大部分汽车采用机械式结 构，通过拉杆或者钢丝绳将二者相连。也有一些车辆采用液压机构，通过液力传动来将 二者联在一起。本课题针对的綦江齿轮传动厂生产的系列变速器大都采用摩擦离合器。 1 降尹 23 456 7 1 ) 飞轮2 ) 从动盘本体3 ) 摩擦片4 ) 从动盘毂5 ) 减振器盘6 ) 压盘7 ) 离合器盖 图2 2 离合器总成 f i g 2 2 t h ea s s e m b l y o f c l u t c h 如图2 2 所示，离合器由主动部分，从动部分、压紧机构和操纵机构四部分组成。 主动部分：主动部分由飞轮、离合器盖、压盘等机件组成，与发动机曲轴相连。离 合器盖与飞轮靠螺栓连接，压盘与离合器盖之间是靠3 - 4 个传动片传递转矩的。 从动部分：从动部分由单片、双片或多片从动盘组成，它将主动部分通过摩擦传来 的动力传给变速器的输入轴。从动盘由从动盘本体，摩擦片和从动盘毂三个基本部分组 成。为了避免转动方向的共振，缓和传动系受到的冲击载荷，大多数汽车在离合器盼从 动盘上附装有扭转减震器。 为了使汽车能平稳起步，离合器应能柔和接合，这就需要从动盘在轴向具有一定弹 性。为此，往往在从动盘本体圆周部分，沿径向和周向切槽。再将分割形成的扇形部分 沿周向翘曲成波浪形，两侧的两片摩擦片分别与其对应的凸起部分相铆接，这样从动盘 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 被压缩时，压紧力随翘曲的扇形部分被压平而逐渐增大，从而达到接合柔和的效果。离 合器接合时，发动机输出的转矩经飞轮和压盘传给了从动盘两侧的摩擦片，带动从动盘 本体和与从动盘本体铆接在一起的减振器盘转动。从动盘本体和减振器盘又通过六个减 振器弹簧把转矩传给了从动盘毂。因为有弹性环节的作用，所以传动系受的转动冲击可 以在此得到缓和。传动系中的扭转振动会使从动盘毂相对于从动盘本体和减振器盘来回 转动，夹在它们之间的阻尼片靠摩擦消耗扭转振动的能量，将扭转振动衰减下来。 2 2 变速器总成 在汽车行驶中，要求驱动力的变化范围是很大的，而发动机输出扭矩的变化范围有 限。必须通过变速器来使发动机输出扭矩的变化范围能满足汽车行驶的需要。同时变速 器还应能实现汽车的倒驶和发动机的空转i 切。目前汽车上多采用机械有级式变速器，由 变速传动机构( 传递和变换扭矩) 和变速操纵机构( 用来变换档位) 组成。如图2 3 所 示 图2 3 变速器换档模型图 f i g 2 3t h eg e a r - b o xs h i f tm o d e l 机械式变速器一般设有3 6 个前进挡和1 个倒档。每个档位都有一个传动比，可 将发动机输出扭矩增大到和传动比相同的倍数。同时将发动机转速降低到和传动比相同 的倍数。挡位越低，传动比越大。因此，当汽车低速行驶需要大扭矩时，可以将变速器 一9 一 客车电控半自动换档原理研究及操控系统开发 挂入低挡，而汽车高速行驶需要小扭矩时，可将变速器挂入高档。在前进档中，有一个 档的传动比为1 。挂入该挡时变速器第一轴( 输入轴) 和第二轮( 输出轴) 初成一体同 步转动，发出动力不经变化直接输出，称之为直接挡。直接挡传动效率最高，应经常使 用。当变速器不挂入任何挡位，称之为空挡，动力传送中断，实现发动机怠速运转，满 足汽车滑行和怠速时的需要。本课题针对的变速器是重庆綦江齿轮有限公司生产的 s 6 9 0 变速器。 2 2 1 $ 6 - 9 0 变速器 s 6 9 0 原为世界最大的变速器制造企业德国z f 公司的重要产品，重庆綦江齿 轮传动有限公司引进技术，实现了s 6 9 0 变速器的国产化。公司生产的s 6 9 0 、q j 一8 0 6 等变速器总成几乎覆盖了国内整个中、高档豪华大客车，中、重型载货汽车和各式特种 车、专用车的市场。s 6 9 0 变速器具有性能先进、结构完善、适用性强、操作轻便、可 靠耐用等特点，在同类产品中居于国内领先水平。s 6 9 0 变速器的特性介绍如下； ( 1 ) s 6 9 0 是三轴式定轴传动的变速器，有六个前进档和一个倒档变速器，s 6 9 0 除 倒档采用接合套换档外，其余前进档均采用z f 锁环式同步器。 ( 2 ) 换档机构采用独特的z f 旋转轴一拉板一拨叉式设计；可配单杆及各式软轴机 构，换档轻便可靠。 ( 3 ) 变速器前端和发动机直接或分开安装，变速器可左卧、右卧、立式安装。 图2 4 $ 6 - 9 0 变速器外观图 f i g 2 4a p p e a r a n c eo ft h e $ 6 - 9 0g e a r - b o x - 1 0 - 大连理工大学硕士学位论文 2 2 2 同步器 同步器是在接合套换档机构基础上发展起来的，其主要作用是带动不同速度旋转的 部件达到一个同步速度，也可用来使这些部件锁定在一起。同步器有常压式，惯性式和 自行增力式等种类。这里仅介绍目前广泛采用的惯性式同步器。 惯性式同步器是依靠摩擦作用实现同步的，在其上面设有专设机构保证接合套与待 接合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，从而避免了齿间冲击。惯性同步器按结构 又分为锁环式和锁销式两种。其工作原理可以北京1 3 2 1 2 型汽车三档变速器中的二、三 档同步器为例说明，其结构如图2 5 所示。 1 ) 齿轮2 ) 滑块3 ) 拨叉4 ) 齿轮5 ) 锁环6 ) 弹簧圈7 ) 花键毂8 ) 接合套 9 ) 锁环1 0 ) 凹槽1 1 ) 轴向槽1 2 ) 缺口 图2 5 惯性同步器结构图 f i g 2 5t b cs k e t c ho ft h ei n e r t i as y n c h r o n i z a t i o n 花键毂7 与第二轴用花键连接，并用垫片和卡环作轴向定位。在花键毂两端与齿轮 1 和4 之间，各有一个青铜制成的锁环( 也称同步环) 9 和5 。锁环上有短花键齿圈，花 键齿的断面轮廓尺寸与齿轮1 ，4 及花键毂7 上的外花键齿均相同。在两个锁环上，花 键齿对着接合套8 的一端都有倒角( 称锁止角) ，且与接合套齿端的倒角相同。 锁环具有与齿轮1 和4 上的摩擦面锥度相同的内锥面，内锥面上制出细牙的螺旋槽， 以便两锥面接触后破坏油膜，增加锥面间的摩擦。三个滑块2 分别嵌合在花键毂的三个 轴向槽1 1 内，并可沿槽轴向滑动。在两个弹簧圈6 的作用下，滑块压向接合套，使滑 客车电控半自动换档原理研究及操控系统开发 块中部的凸起部分正好嵌在接合套中部的凹槽1 0 中，起到空档定位作用。滑块2 的两 端伸入锁环9 和5 的三个缺口1 2 中。只有当滑块位于缺口1 2 的中央时，接合套与锁环 的齿方可能接合。 当变速器由二档换入三档时，接合套8 从二档退到空档，齿轮1 和接合套8 连同锁 环9 都在其本身及其所联系的一系列运动件的惯性作用下，继续沿原方向( 图2 6 中箭 头所示方向) 旋转。 手越：髓 ：啡专躐一争嚣 ( b ) ( d ) 图2 6 锁环式惯性同步器工作过程示意图 f i g 2 6 d i a g r a m o f l o c k e d i n e r t i as y n c h r o n i z a t i o n s w o r k i n g p r o c e s s 在挂三档时，用拨叉3 拨动接合套8 并带动滑块2 一起向左移动。当滑块左端面与 锁环9 的缺口1 2 的端面接触时，便推动锁环9 压向齿轮1 ，使锁环9 的内锥面压向齿轮 1 的外锥面。由于两锥面具有转速差( n l n 9 ) ，所以一接触便产生摩擦作用。齿轮1 即通过摩擦作用带动锁环相对于接合套超前转过一个角度，直到锁环9 的缺口1 2 与滑 块的另一侧面接触时，锁环便与接合套同步转动。此时接合套的齿与锁环的齿错开了约 半个齿厚，从而使接合套的齿端倒角面与锁环相应的齿端倒角面正好互相抵触而不能进 入啮合( 图2 6 b ) 。 司机的换档操纵力通过接合套作用于锁环的锁止角斜面上，在此斜面上产生的法向 压力为n 。法向压力n 可分解为轴向力f 1 和切向力f 2 。切向力f 2 所形成的力矩m 2 有使锁环相对于接合套向后( 与箭头方向相反) 转动的趋势，称为拨环力矩。轴向力f 1 则使锁环9 与齿轮1 二者的锥面产生摩擦力矩，使二者转速n 1 与n 9 迅速接近。因为齿 轮1 是减速旋转，根据惯性原理，即产生惯性力矩，其方向与旋转方向相同。此惯性力 矩通过摩擦锥面作用到锁环上，阻止锁环相对接合套向后退却。亦即在锁环上作用着两 个方向相反的力矩：其一为切向力f 2 形成的力图使锁环相对于接合套向后退却的拨环 力矩m 2 ；另一为摩擦锥面上阻止锁环向后退转的惯性力矩m 1 。在n 1 尚未等于n 9 之前， 大趣工大学硕士学位论文 两个锥面闯的摩擦力矩的数值与齿轮1 惯性力矩相等。如果拨环力矩m 2 大于摩擦力矩 m 1 ，则锁环9 即可相对于接合套向后退转一个角度，以便二者进入接合；若m 2 m 1 ， 两者不能迸入接合。在设计同步器时，适当地选择锁止角和摩擦锥面的锥角，便能保证 在达到同步( n l = n 9 ) 之前，齿轮1 施加在锁环9 上的摩擦力矩m 1 总是大于切向力f 2 形成的拨环力矩m 2 ，不论司机通过操纵机构加在接合套上的轴向推力有多大，接合套 齿端与锁环齿端总是互相抵触而不能接合。这说明锁环9 对接合套的锁止作用是齿轮1 的惯性力矩造成的，故称此种同步器为“惯性式”同步器。 继续加力于接合套上，摩擦作用迅速使使齿轮1 转速降到与锁环9 转速相同，而后 两者保持同步旋转，于是其惯性力矩消失。但由于轴向力f 1 的作用，两个摩擦锥面还 是紧密结合着的。因而此时切向力f 2 形成的拨环力矩m 2 大于摩擦力矩m 1 ，便使锁 环9 连同齿轮1 及与之相连的所有零件一起相对于接合套8 向后退却一个角度。当滑块 对正缺口1 2 的中央时，接合套花键齿圈与锁环的花键齿圈不再抵触，接合套8 继续左 移，而与锁环的花键齿圈进入接合状态，锁环的锁止作用即行消失。 接合套与锁环接合后，轴向力f 1 不再存在，锥面间的摩擦力矩也就消失。如果此 时接合套8 花键齿与齿轮1 的花键齿发生抵触( 见图2 6 e ) ，则接合套8 花键齿作用在 齿轮1 花键齿端斜面上有切向分力，使齿轮1 及其相连零件相对于锁环及接合套转过一 个角度，使接合套与齿轮l 进入接合( 见图2 6 d ) ，而最后完成了换入三档( 由低速档 换入高速档) 的全过程。 如果是由三档( 直接档) 换入二档( 由高速档换入低速档) ，上述过程也适用。但 此时齿轮4 是被加速到与锁环5 ( 亦即与接合套8 ) 同步，从而使接合套8 先后与锁环5 及齿轮4 进入啮合而完成换档过程。 可以看出，同步过程分为三个阶段：第一阶段是接合套的齿端倒角面与锁环相应的 齿端倒角面正好互相抵触而不能进入啮合，如图2 6 b 。第二阶段接合套8 花键齿与齿轮 1 的花键齿发生抵触，如图2 。6 c 。第三阶段接合套与齿轮进入结合，完成上档动作，如 图2 6 d 1 1 8 1 。 上面讲述的是变速器几个重要组成部分的基本动作原理，$ 6 - 9 0 变速器选档挨档与 此略有不同。主要表现在：s 6 9 0 变速器采用独特的z f 旋转轴拉板拨叉式设计，可配 单杆机构，这个单杆被称为换档轴。从宏观上看，换档轴的轴向动作实现选档，周向转 动实现换档。对s 6 9 0 变速器的选档换档操作实际上就是对换档轴进行操作。 客车电控半自动换档原理研究及操控系统开发 2 3 万向传动装置 万向传动装置主要由万向节和传动轴组成，将变速器或者是分动器发出的动力输送 给驱动桥。 2 4 驱动桥总成 ( 1 ) 主减速器： 用来将变速器输出的扭矩进一步增加，转速进一步降低。对于纵置发动机来说，还 将旋转平面旋转9 0 度，变成与车轮平面平行。 ( 2 ) 差速器： 驱动桥上设置差速器，可以在必要时允许两侧驱动轮转速不同步，以满足汽车转向、 路面不平时行驶的需要。 ( 3 ) 半轴： 半轴为两根，每根半轴内端通过花键与半轴齿轮相连，外端与车轮毂相连。 ( 4 ) 分动器： 全轮驱动的越野汽车上设有分动器，将变速器输出的动力分配给各驱动桥。 大连理工大学硕士学位论文 3 客车半自动换档原理及系统机构设计 课题的目的是设计出一套电控气动半自动换档控制系统，在换档过程中对油门、换 档轴进行控制，使其协调工作，以保证客车换档平稳、快捷、可靠，具有最佳的动力性 和燃油经济性以下是电控机械式半自动换档系统的原理及机构设计。 3 。1 半自动换档系统工作原理 系统分为操控子系统和执行子系统两部分，操控系统和执行系统之间通过c a n 总 线进行通讯。其整体框图如图3 1 手柄位置 传感器 离合信号 传感器 各档位 传感器 各档位 执行器 油门控 制机构 操控系统控制单元怂= = 剖执行机构控制单元 档位显示i i 蜂鸣报警ll车速 图3 1 系统整体框图 f i g 3 1 s k e t c h o f t h e w h o l es y s t e m 发动机转 速 当司机推动手柄要求换档时，在操纵手柄机构下端安装的手柄位置信号采集电路通 过霍尔元件感应到手柄的运动位置。当手柄拨到对应霍尔的位置时，主控单元通过对采 集信号的判别及结合当前的车况得出具体的所换档位信号，通过c a n 总线发送命令给 执行单元执行单元收到换档命令后首先从原档位摘到空档，即执行单元检测车当前的 加速度，当加速度为零时，表明齿轮传动之间没有扭矩传递，此时进行摘档命令可避免 传动齿轮的磨损。摘档完成后，执行单元检测当前车速和发动机转速，根据当前车速和 新的档位的传动比算出所需发动机转速，然后通过驱动步进电机带动油门装置来调节发 动机转速当检测到的发动机转速与目标转速误差不超过某一设定值时，配合同步器实 现发动机转速与目标转速的同步，既可进行挂档操作。然后执行系统将完成状态返回给 操控系统完成换档操作。在此期间，司机只需推动手柄给出换档命令即可，其余工作全 都电控自动完成，不必踩离合和油门。但在起步时，仍需要踩离合器踏板从而实现平稳 启动。 客车电控半自动换档原理研究及操控系统开发 3 2 半自动换档规律及特性 在半自动换档系统中，换档规律是最重要的控制理论，它决定了选择什么样的档位 和在什么时候换档等关键问题，它直接影响到汽车的经济性和动力性，因此研究换档规 律是掌握汽车换档理论的基础1 6 j 。 3 2 1 发动机的性能指标 发动机的性能指标是用来表征发动机的性能特点，并作为评价各类发动机性能优劣 的依据。同时，发动机性能指标的建立还促进了发动机结构的不断改进和创新。因此发 动机构造的变革和多样性是与发动机性能指标的不断完善和提高密切相关的。 ( 1 ) 动力性能指标 一般发动机的有效转矩、有效功率、转速和平均有效压力等作为评论发动机的动力 性能的指标。 有效转矩