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毕业设计（论文）任务书 学生姓名 李程 系部 汽车与交通工程 专业、班级 车辆 07导教师姓名 崔宏耀 职称 副教授 从事 专业 车辆工程 是否外聘 否 题目名称 拉线操纵式离合器电子线控系统设计 一、设计（论文）目的、意义 随着汽车电子技术、自动控制技术的逐步成熟和汽车网络通信技术的广泛应用，汽车线控技术也逐步得到青睐和深入研究 是 汽车未来的发展趋势。 汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器变成电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。目前包括线控换档系统、线控 制动系统 、线控悬架系统、线控增压系统、线控油门系统及线控转向系统。其中线控转向系统在高级轿车、跑车及概念车上有广泛的应用，它为自动驾驶提供了良好的平台 。 汽车离合器操纵形式有液压和拉线式两种 。其中 拉线式：布置方便，摩擦损失大机械式受车架、车身变形影响大两种机械式操纵机构的比较杆系传动：优点：结构简单；成本低；寿命长；可靠 性高；缺点：关节点多，摩擦损失大，不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响。拉线传动：优点：结构简单；成本低；克服了杆系传动的不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响缺点；可采用吊挂式的踏板；缺点：绳索的寿命短，拉伸刚度小；拉伸变形导致增加踏板行程。 本设计针对拉线操纵式离合器设计线控操纵系统，可与原系统的功能进行切换工作。 二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法） 基本参数 参考捷达轿车动力系统 驱动型式：发动机前横置前轮驱动 总质量： 动桥满载： 最大爬坡： 30% 设计线 控离合器 设计的主要内容： （ 1）研究汽车离合器的组成、结构与设计； （ 2）分析离合器接合过程； （ 3）分析计算离合器的操纵力变化规律建立离合器的力学模型； （ 4）选择驱动装置，设计传动机构，设计布置形式。 （ 5）设计控制系统。 技术要求（研究方法）： （ 1）响应速度优于 ； （ 2）动作无冲； （ 3）结构尺寸小，便于安装； 三、设计（论文）完成后应提交的成果 设计图纸（合 0 号图纸 1 张布置图及传动机构）； 设计说明书（ 2 万字左右）； 相关外文翻译（ 1 篇 2 千字左右）； 控制系统硬件软件（执行机构可 模拟）； 四、设计（论文） 进度安排 （ 1）调研、资料收集、完成开题报告 第 2 周 （ 2）整体方案设计，完成系统示意图（手绘）第 3 周 （ 3）传动机构设计计算，系统布置， 4 （ 4）控制系统设计 6 （ 5）编写设计说明书 13 周 （ 6）毕业设计（论文）审核、修改 第 14、 15 周 （ 7）毕业设计（论文）答辩准备及答辩 第 16 周 五、主要参考资料 1王晓明，电动机的单片机控制（第 3 版） M， 北京： 北京航空航天大学出版社 . 2011 2王吉忠 王泽鹏，车用单片机系统 M，实验教程 出版社， 2009. 3孙同景 M，机械工业出版社， 2010. 4李涵武 车电器与电子技术 M，哈尔滨工业大学出版社， 2009. 5任桂周 曲金玉 ， 汽车电子新兴技术 线控技术 J 2007. 6卢静 张高飞，基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计 J， 北京： 北京机械工业学院学报， 2002 7王鉴光，电动机控制系统 M， 北京： 北京机械工业出版社 ， 1994. 8储爱华 朱磊，无刷直流电动机在混合动力汽车电控离合器系统中的应用 J， 电控离合器， 2009. 9徐石安 车离合器 M， 北京： 清华大学出版社， 2005. 10陶永华，新型 制及其应用 M，机械工业出版社 .， 2002 六、备注 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日 附 录 附录 in by by to be by in BS on of is is of is to by or as to is of is by of as of be on or 2. y it of of y of of of of to to to s to CU to to to in as of to to up in 3. is is by of to up or is of of on by is to an of to to to to to is of by is to of of of to if of no If no in of to of of In of 6 on of to of is is a In is is in on is to 005. .8 i - 03kW 74of s - if of no If no in of to of of in Y HY of to in a of to up or to or to in up or a of a of is X - It be in is a of to is to an an is by to is to as 附录 线控技术在汽车上的运用 线控制动系统由实现电子化的供能装置、控制装置、传动装置、制动器 4个部分组成。 控单元）对制动系统进行整体控制，采用全新的电子制动器，每个制动器有各自的控制单元。机械连接逐渐减少，制动踏板和制动器之间的动力传递分离开，取而代之的是电线连接，电线传递能量，数据线传递信号。线控制动是自 汽车上得到广泛应用以来制动系统的又一次飞跃式发展。 目 前 线 控 制 动 系 统 分 为 2 种 类 型 ： 一 种 是 电 液 制 动 系 统 ， 另 一 种 是 电 子 机 械 制 动 系 统 电液制动系统是将电子与液压系统相结合，由电子系统控制，液压系统提供动力；电子机械制动系统则用电线取代传统制动系统中的空气或制动液等传力介质，电制动器取代传统制动器，电子机械制动系统是未来制动系统的发展方向。线控制动系统的共同特点是都具有踏板转角与踏板力可按比例调控的电子踏板；具有控制制动力矩与踏板转角相对应的程序控制单元；程序控制单元可基于其他传感器或控制器的输入信号 实现主动制动及其它功能。 线控转向系统简称 y 它由具有容错功能的网络相连接的控制单元、执行器、传感器和冗余电控单元组成，取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电实现转向，摆脱了传统转向系统的各种限制。不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间。 驾驶员操作转向盘时，转向盘传感器检测驾驶员的转向数据（横摆角传感器、摄像机等），向转向辅助系统 供环境检测数据，转向数据 和环境检测数据通过网络总线实时传送给电子控制单元 照驾驶员的转向数据和环境检测数据，控制转向执行器动作实现转向，并将车轮的转角、转矩和路感等反馈给驾驶员，为确保转向系统安全可靠，系统设置了冗余电控单元，在紧急情况下，系统会忽略错误信息，使车辆安全平稳地运行。 线控油门，也称为电控油门，即发动机的油门是通过电子控制的。传统的油门控制方式是驾驶员通过踩油门踏板，由油门拉杆直接控制发动机油门的开合程度，从而决定加速或减速，驾驶员的动作与油门动作之间是通过拉杆的机械作用连接的。而线控油门 用电子连接代替机械连接，驾驶员仍然通过踩油门踏板控制拉杆，拉杆不是直接连接到油门，而是连着一个油门踏板位置传感器，传感器将拉杆的位置变化转变为电信号传送至汽车的电子控制单元，电子控制单元将采集到的相关传感器信号经过处理后发送指令至油门执行器控制模块，油门执行器控制模块再发送信号给油门执行器，从而控制油门的开合程度。也就是说驾驶员的动作与油门的动作之间是通过电子元件的电信号连接的。线控油门比传统油门控制方式精确，发动机能够根据汽车的各种行驶信息，精确调节进入气缸的燃油空气混合气，改善发动机的燃烧状况，从而大大 提高了汽车的动力性和经济性。 丰田公司在 型上采用了全电子的线控油门系统，系统有 2 个加速踏板位置传感器，都发送数据给发动机控制单元 果其中一个加速踏板位置传感器没有信号，汽车仍能行驶，同时发动机报警灯点亮；如果 2 个加速踏板位置传感器都没有信号，则发动机工作在怠速状态。线控油门系统根据驾驶员的动作，分析驾驶员的意图，精确地控制油门，增加了驾驶稳定性和动力经济性。 在新一代雅阁 过传感器监测油门踏板位置， 动力进行控制。其优点 是改善了起步的平顺性、提高了燃油经济性，缺点是发动机响应稍有滞后。此外由线控技术带来的另一个好处就是定速巡航功能，其控制键被集成在转向盘上，操作简单便捷。 本田汽车公司 列 2005 年演进至第八代。该车采用了 1 台 气缸发动机，此款最新开发的 能型电控可变气门正时和升程）直列 4 缸发动机能够爆发出 103最大功率，峰值转矩可以达到 174乎超过了所有自然进气式同排量的国产车型。这台发动机应用了本田最新的 以采用线控技术的节气门，能够非常有效地提高 燃油经济性，降低有害物的排放。而且进气效率和压缩比都进一步提高，造就了强大的输出功率。 制单元 果其中一个加速踏板位置传感器没有信号，汽车仍能行驶，同时发动机报警灯点亮；如果 2 个加速踏板位置传感器都没有信号，则发动机工作在怠速状态。线控油门系统根据驾驶员的动作，分析驾驶员的意图，精确地控制油门，增加了驾驶稳定性和动力经济性。 例：线控技术在 可驾驶燃料电池汽车上的应用 通用 Y 线控汽车一改传统机械连杆的传动方式，采用电子信号来操纵油门、制动和转向机构。取消了传统的转向盘、油门、制动踏板 ，所有的操作都集中在一个手柄上，驾驶员可以用一只手完成所有的操作。当驾驶员要加速或减速时，可以向左或者向右推动手柄；制动按钮也安装在这个手柄上，要制动时按一下制动按钮；当转弯时，驾驶员只需向上或者向下推动手柄。 电子线控装置构成了一套操作灵活方便的控制单元，这一套控制单元被称为“ 它取代了传统的转向盘等，使得驾驶员用一只手就可以完成所有的加速、减速（制动）、转弯等操作。 传统的汽车是通过一套机械装置，比如转向杆等，通过操纵转向盘转动而使车轮转动。线控技术是将驾驶员要转向的指令 转化为电子脉冲信号，传感器捕捉电子脉冲信号，这个电子脉冲信号驱动由电子控制的电机来使得车轮转向架转动。线控系统就是将驾驶员的指令转化成电信号，用这个电信号去驱动电机。由于软件决定了汽车行驶特征，比如加速、减速（制动）、转弯等，所有的工作只是转载、执行相应的软件程序。 毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目 : 拉线操纵式离合器 电子线控系统设计 院 系 名 称 : 汽车与交通工程学院 专 业 班 级 : 车辆工程 学 生 姓 名 : 导 师 姓 名 : 开 题 时 间 : 2011 年 2 月 28 日 指导委员会 审查意见： 签字： 年 月 日 毕业设计（论文）开题报告 学生姓名 系部 汽车与交通工程 学院 专业、班级 车辆工程 2 班 指导教师姓名 职称 副教授 从事 专业 车辆工程 是否外聘 否 题目名称 拉线操纵式离合器电子线控系统设计 一、 课题研究 现状、 选题 目的 和意义 （一）线控技术的 现状 目前， 线控技术已经被广泛用于航空业，用线控制系统来取代传统的液压和机械系统已经成为技术发展的趋势，采用线控技术的制动系统、转向系统、传动系统有望在未来汽车上率先获得应用 ，不久的将来线控离合器也将 会出现在汽车上。 国外 公司已运用线控技术开发了概念车。 汽车 的各种操纵系统正向电子化、自动化方向发展，在未来十年内，传统的汽车机械操纵系统将变成通过高速容错 通信 总线与高性能 连的电气系统。如汽车将采用电气马达和电控信号来实现线控驾驶 ( 如线控制动（ 线控转向（ 线控油门（ 线控悬架（ ，线控离合器 等正在加紧研究开发。当线控这一目标实现时，汽车将是一种完全的高新技术产品，发动机、变速器、传动轴、驱动桥、转向机全都不见了， 线控系统将完全取代现有系统中的液压和机械控制 ,汽车可以说是一台装在轮子上的计算机。 例：线控技术在 可驾驶燃料电池汽车 上的应用 通用 Y 线控汽车一改传统机械连杆的传动方式，采用电子信号来操纵油门、制动和转向机构。取消 了传统的转向盘、油门、制动踏板，所有的操作都集中在一个手柄上，驾驶员可以用一只手完成所有的操作。当驾驶员要加速或减速时，可以向左或者向右推动手柄；制动按钮也安装在这个手柄上，要制动时按一下制动按钮；当转弯时，驾驶员只需向上或者向下推动手柄。 电子线控装置构成了一套操作灵活方便的控制单元，这一套控制单元被称为“X 。它取代了传统的转向盘等，使得驾驶员用一只手就可以完成所有的加速、减速（制动）、转弯等操作。 传统的汽车是通过一套机械装置，比如转向杆等，通过操纵转向盘转动而使车轮转动。线控技术是将驾驶 员要转向的指令转化为电子脉冲信号，传感器捕捉电子脉冲信号，这个电子脉冲信号驱动由电子控制的电机来使得车轮转向架转动。线控系统就是将驾驶员的指令转化成电信号，用这个电信号去驱动电机。由于软件决定了汽车行驶特征，比如加速、减速（制动）、转弯等，所有的工作只是转载、执行相应的软件程序。 （ 二 ） 研究 线控技术的 目的和意义 目的： 随着汽车电子技术、自动控制技术的逐步成熟和汽车网络通信技术的广泛应用，汽车线控技术也逐步得到青睐和深入研究 是 汽车未来的发展趋势。 汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器变成电信 号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。目前包括线控换档系统、线控 制动系统 、线控悬架系统、线控增压系统、线控油门系统及线控转向系统。其中线控转向系统在高级轿车、跑车及概念车上有广泛的应用，它为自动驾驶提供了良好的平台 。 汽车离合器操纵形式有液压和拉线式两种 。其中 拉线式：布置方便，摩擦损失大机械式 受车架、车身变形影响大两种机械式操纵机构的比较杆系传动：优点：结构简单；成本低；寿命长；可靠性高；缺点：关节点多，摩擦损失大，不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响。拉线传动：优点：结构简单；成本低；克服了杆系传动的不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响缺点；可采用吊挂式的踏板；缺点：绳索的寿命短，拉伸刚度小；拉伸变形导致增加踏板行程。 本设计针对拉线操纵式离合器设计线控操纵系统，可与原系统的功能进行切换工作。 意义： 由于操纵控制通过驾驶员的手完成，不需要转向盘、转向柱和脚踏板，这样就减少了正面碰撞时的潜 在危险性，改善了汽车的安全性和舒适性，并为汽车设计提供了更大的设计空间 ， 便于实现个性化设计 。 由于驾驶特性如制动、转向、加速等过程都是程序设定的，设计师可设计不同的程序供用户选择。 同时汽车 比质量 变 轻，性能高（响应快）。线控系统取消了许多机械连接装置、液压装置和气压装置，简化了结构和生产工艺并简化维护工作 ， 可能磨损的部件更少了 ， 维护用品 也 可大大减小，减少维护费用 。若 使用线控制动无需制动液，使汽车更为环保，减少维护。汽车的车内娱乐装置也集成到网络之中，使得汽车导航和自动驾驶成为可能，整个汽车就是一个完整的电路整体 。安装测试简单快捷，更稳固的电子接口（模块结构），隔板间无机械连接，简单布置就能增加电子控制功能。 线控技术将会给汽车产业的发展带来了划时代的飞跃。 当然，目前线控技术还有很多的不足，如 电子设备还相当的不可靠 电磁干扰、器件失效、软件程序的设计、网络攻击等等。一旦电路失效而没有机械冗余就会导致灾难性的后果 转向失灵、油门难以控制和不能制动 !所以线控技术研究的重点应该是系统的可靠性和安全性。 （ 三 ）线控技术的 发展前景 在国内，除了同济大学研究完成的线控转向系统外，由北京理工大学完成的 “ 一种 电动车辆动力系统关键技术产品及其应用 ” 获得了 2004年度国家技术发明奖。其中的一项技术就是利用线控同步换档和行星传动技术，取消了主离合器，简化了换档机构，研制了一种结构简单、性能匹配优良的线控行星变速器。国内的一些高校也正在进行线控技术的研 究。 线控技术研究的难点在于高性能控制器的研制，要求在整个系统中有精确高速的通讯协议网络，使控制中心和执行器之间能完全协调、匹配工作；而且需要高效的容错技术，使得系统出现故障时能够保障一定的安全，即系统有好的可靠性。 目前线控技术在汽车中的应用还不成熟。但 随着汽车各系统的电子化、集成化的发展需要，线控技术发展迅速，作为一种汽车高新电子技术，线控技术必将得到广泛的应用。但电子化不可能完全取代机械化，机械系统的损坏通常都是有过程的，而线控制系统的失效是瞬间的。如果线控制系统失效那一刻汽车的速度行驶过高，造成的后果就可能非常严重。电子控制要完全取代机械操作还需要时间。 二、 设计（论文） 的基本内容 、 拟解决的主要问题 基本参数 参考捷达轿车动力系统 驱动型式：发动机前横置前轮驱动 总质量： 动桥满载： 最大爬坡： 30% 设计线控离 合器 设计的主要内容： （ 1）研究汽车离合器的组成、结构与设计； （ 2）分析离合器接合过程； （ 3）分析计算离合器的操纵力变化规律建立离合器的力学模型； （ 4）选择驱动装置，设计传动机构，设计布置形式。 （ 5）设计控制系统。 拟解决的主要问题： （ 1）机构响应速度优于 ； （ 2）动作无缓冲； （ 3）结构尺寸小，便于安装 （ 4）完成设计图纸（合 0 号图纸 1 张布置图及传动机构）； （ 5）编写设计说明书（ 2 万字左右）； （ 6）相关外文翻译 （ 1 篇 2 千字 左右）； （ 7）控制系统硬件软件软件（执行机构可模拟）。 三、技术路线（研究方法） 四、进度安排 第 2 周 （ 1）调研、资料收集、完成开题报告 第 3 周 （ 2）整体方案设计，完成系统示意图（手绘） 第 4- 5 周 （ 3）传动机构设计计算，系统布置， 第 6 （ 4）控制系统设计 第 13 周 （ 5）编写设计说明书 第 15 周 （ 6）毕业设计（论文）审核、修改 第 16 周 （ 7）毕业设计（论文）答辩准备及答辩 资料采集、分析、整理，市场调研，了解实物特征及工作太原理 合理的选择零部件及尺寸参数，合理布局 各种参数的计算，修改优化，对运动部件运动仿真的研究 编出正确工作控制程序 画出装配图，工 作原理图，工作电路图 完成设计 调查研究 五、 参考文献 1王晓明，电动机的单片机控制（第 3 版） M， 北京： 北京航空航天大学出版社 . 2011 2王吉忠 王泽鹏，车用单片机系统 M，实验教程 2009. 3孙同景 M，机械工业出版社， 2010. 4李涵武 车电器与电子技术 M，哈尔滨工业大学出版社， 2009. 5任桂周 曲金玉 ， 汽车电子 新兴技术 线控技术 J 2007. 6卢静 张高飞，基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计 J， 北京： 北京机械工业学院学报， 2002 7王鉴光，电动机控制系统 M， 北京： 北京机械工业出版社 ， 1994. 8储爱华 朱磊，无刷直流电动机在混合动力汽车电控离合器系统中的应用 J，电控离合器， 2009. 9徐石安 车离合器 M， 北京： 清华大学出版社， 2005. 10陶永华，新型 制及其应用 M，机械工业出版社 .， 2002 11谢 世杰 楼顺天，数字 法在电机控制中的应用 J， 汽车电子技术 . 2004 12席军强 丁华荣，电机驱动自动离合器可行性研究 J， 车辆动力与技术 2001 13胡波 温诗铸，电控摩擦离合器的初步实验研究 J， 北京： 清华大学摩擦学国家重点实验室学报， 2004 14潘新民 微型计算机控制技术 M子工业出版社 ， 2003. 15胡寿松 ， 自动控制原理 M北京：国防工业出版社， 1994. 16王田苗机电控制基础理论及应用 M北京：清华大学出 版社， 2003. 17胡跃明非线性控制系统理论与应用 M北京：国防工业出版社， 2002. 18 a ， 1992 19 Q. H of u C， 1998 六、备注 指导教师意见： 签字： 年 月 日 开题报告撰写要求 一、“开题报告”参考提纲 1. 课题研究目的 和意义 ； 2. 文献综述（ 课题研究 现状及分析）； 3. 基本内容 、 拟解决的主要问题 ； 4. 技术路线或研究方法； 5. 进度安排； 6. 主要参考文献。 二、“开题报告”撰写规范 请参照黑龙江工程学院本科生毕业设计说明书及毕业论文撰写规范要求 。 字数应在 4000 字以上，文字要精练通顺，条理分明，文字图表要工整清楚。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 I 本科学生毕业设计 拉线操纵式离合器电子线控系统设计 院系名称： 汽车与交通工程学院 专业班级 ： 车辆工程 学生姓名 ： 指导教师： 职 称： 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院 二一一年六月 黑龙江工程学院本科生毕业设计 要 随着汽车电子技术、自动控制技术的逐步成熟和汽车网络通信技术的广泛应用，汽车线控技术也逐步得到青睐和深入研究 是 汽车未来的发展趋势。 汽车线 控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器变成电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。目前包括线控换档系统、线控 制动系统 、线控悬架系统、线控增压系统、线控油门系统及线控转向系统。其中线控转向系统在高级轿车、跑车及概念车上有广泛的应用，它为自动驾驶提供了良好的平台 。 汽车离合器操纵形式有液压和拉线式两种 。 其中 拉线式布置方便，摩擦损失大机械式受车架、车身变形影响大 ， 两种机械式操纵机构的比较杆系传动优点：结构简单；成本低；寿命长；可靠性高；缺点：关节点多，摩擦损失大，不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响。拉线传动优点：结构简单；成本低；克服了杆系传动的不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响缺点；可采用吊挂式的踏板；缺点：寿命短，拉伸刚度小；拉伸变形导致增加踏板行程。 本设计针对拉线操纵式离合器设计线控操纵系统，可与原系统的功能进行切换工作。 关键词 ：线控离合器； H 桥； 制；控制策略；传感器 黑龙江工程学院本科生毕业 设计 s is is is of is of to a in nd it is to a is By of of is do or by is is of or by is to to a in H 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 目 录 摘要 . . 第 1章 绪论 . 1 题的目的和 意 义 . 1 控技术现状分析 . 7 控技术发展前景 . 2 究内容和 需 解决的 主要 问题 . 3 第 2 章 线控离合器 系统 . 4 制系统 . 4 制系统结构 . 4 械式 离合器 结构、原理 . 4 控离合器 结构、原理 . 5 控离合器 系统存在主要问题 . 7 控离合器的优点 . 7 统存在的主要问题 . 8 章小结 . 8 第 3 章 线控离合器 数学模型和控制策略 . 10 统建模 . 10 控离合器 机构 . 10 作过程 分析 . 10 轮传动及齿隙影响 . 10 制策略分析 . 11 章小结 . 12 黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 第 4 章 控制系统硬件设计 . 13 制系统结构 . 13 制系统电路设计 . 14 片机的选择 . 14 思卡尔单片机的简介及优点 . 15 号处理电路设计 . 17 动电路设计 . 18 桥驱动电路 . 18 . 20 能控制和方向逻辑 . 22 流电机控制原理 . 23 . 23 流电机的可逆 . 24 . 25 章小结 . 27 第 5 章 控制系统软件设计 . 29 件系统总体分析 . 29 制功能软件设计 . 30 能子程 序设计 . 30 制功能程序编写 . 31 章小结 . 35 结论 . 36 参考文献 . 37 致谢 . 38 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第 1 章 绪 论 题的目的和意义 目的： 随着汽车电子技术、自动控制技术的逐步成熟和汽车网络通信技术的广泛应用，汽车线控技术也逐步得到青睐和深入研究 是 汽车未来的发展趋势。 汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器变成电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。目前包括线控换档系统、线控 制动系统 、线控悬架系统、线控增压系统、线控油门系统及线控转向系统。其中线控转向系统在高级轿车、跑车及概念车上有广泛的应用，它为自动驾驶提供了良好的平台 。 汽车离合器操纵形式有液压和拉线式两种 。其中 拉线式：布置方便，摩擦损失大机械式受车架、车身变形影响大两种机械式操纵机构的比较杆系传动：优点：结构简单；成本低；寿命长；可靠性高；缺点：关节点多，摩擦损失大，不适合远距离操纵，受 车身或车架的变形影响。拉线传动：优点：结构简单；成本低；克服了杆系传动的不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响缺点；可采用吊挂式的踏板；缺点：绳索的寿命短，拉伸刚度小；拉伸变形导致增加踏板行程。 本设计针对拉线操纵式离合器设计线控操纵系统，可与原系统的功能进行切换工作。 意义： 由于操纵控制通过驾驶员的手完成，不需要转向盘、转向柱和脚踏板，这样就减少了正面碰撞时的潜在危险性，改善了汽车的安全性和舒适性，并为汽车设计提供了更大的设计空间 ， 便于实现个性化设计 。 由于驾驶特性如制动、转向、加速等过程都是程序设定的，设 计师可设计不同的程序供用户选择。 同时汽车 比质量 变 轻，性能高（响应快）。线控系统取消了许多机械连接装置、液压装置和气压装置，简化了结构和生产工艺并简化维护工作 ， 可能磨损的部件更少了 ， 维护用品 也 可大大减小，减少维护费用 。若 使用线控制动无需制动液，使汽车更为环保，减少维护。汽车的车内娱乐装置也集成到网络之中，使得汽车导航和自动驾驶成为可能，整个汽车就是一个完整的电路整体。安装测试简单快捷，更稳固的电子接口（模块结构），隔板间无机械连接，简单布置就能增加电子控制功能。 线控技术将会给汽车产业的发展带来了划时代的飞跃。 当然，目前线控技术还有很多的不足，如 电子设备还相当的不可靠 电磁干扰、器件失效、软件程序的设计、网络攻击等等。一旦电路失效而没有机械冗余就会导致黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 灾难性的后果 转向失灵、油门难以控制和不能制动 !所以线控技术研究的重点应该是系统的可靠性和安全性。 控技术现状分析 目前， 线控技术已经被广泛用于航空业，用线控制系统来取代传统的液压和机械系统已经成为技术发展的趋势，采用线控技术的制动系统、转向系统、传动系统有望在未来汽车上率先获得应用 ，不久的将来线控离合器也将会出现在汽车上。 国外 汽车 的各种操纵系统正向电子化、自动化方向发展，在未来十年内，传统的汽车机械操纵系统将变成通过高速容错 通信 总线与高性能 连的电气系统。如汽车将采用电气马达和电控信号来实现线控驾驶 ( 如线控制动（ 线控转向（ 线 控油门（ 线控悬架（ ，线控离合器 等正在加紧研究开发。当线控这一目标实现时，汽车将是一种完全的高新技术产品，发动机、变速器、传动轴、驱动桥、转向机全都不见了， 线控系统将完全取代现有系统中的液压和机械控制 ,汽车可以说是一台装在轮子上的计算机。 控技术发展前景 在国内，除了同济大学研究完成的线控转向系统外，由北京理工大学完成的 “ 一种电动车辆动力系统关键技术产品及其应用 ” 获得了 2004年度国家技术发明奖。其中的一项技术就是利用 线控同步换档和行星传动技术，取消了主离合器，简化了换档机构，研制了一种结构简单、性能匹配优良的线控行星变速器。国内的一些高校也正在进行线控技术的研究。 线控技术研究的难点在于高性能控制器的研制，要求在整个系统中有精确高速的通讯协议网络，使控制中心和执行器之间能完全协调、匹配工作；而且需要高效的容错技术，使得系统出现故障时能够保障一定的安全，即系统有好的可靠性。 目前线控技术在汽车中的应用还不成熟。但随着汽车各系统的电子化、集成化的发展需要，线控技术发展迅速，作为一种汽车高新电子技术，线控技术 必将得到广泛的应用。但电子化不可能完全取代机械化，机械系统的损坏通常都是有过程的，而线控制系统的失效是瞬间的。如果线控制系统失效那一刻汽车的速度行驶过高，造成的后果就可能非常严重。电子控制要完全取代机械操作还需要时间。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 究内容和解决的主要问题 本设计需对离合器的分离过程和分离力进行研究、计算，对分离和接合的过程进行分析，建立相应的力学模型，从而确定 冲输出的频率和电机输出的转矩。还有需要有正确的程序，来控制电机的转动。还需设计传动机构、传动比、齿轮支架和传感器支架等。同时，需保证此机构动作 的响应性要足够快，而且动作不能有缓冲，最后就是把各机械部件可靠连接保证工作的可靠性，最重要的是需要写出正确的程序来驱动整个装置，并可以实际应用。 线控技术研究的难点在于高性能控制器的研制，要求在整个系统中有精确高速的通讯协议网络，使控制中心和执行器之间能完全协调、匹配工作；而且需要高效的容错技术，使得系统出现故障时能够保障一定的安全，即系统有好的可靠性。 目前线控技术在汽车中的应用还不成熟。但随着汽车各系统的电子化、集成化的发展需要，线控技术发展迅速，作为一种汽车高新电子技术，线控技术必将得到广泛的 应用。但电子化不可能完全取代机械化，机械系统的损坏通常都是有过程的，而线控制系统的失效是瞬间的。如果线控制系统失效那一刻汽车的速度行驶过高，造成的后果就可能非常严重。电子控制要完全取代机械操作还需要时间。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 第 2 章 线控离合器系统 控离合器控制系统 随着汽车电子技术的日益发展和对汽车性能要求的提高， 越来越多的电子设备出现在汽车上， 上世纪 80年代中后期，出现了第一台电子节气门 汽车 ，应用在德国宝马公司生产的 级轿车 上。今天人们开始热切关注又一个新兴技术 线控离合。 由于 线控离合 控制系统的技术和成本要求都比较 传统机械式 高的原因， 现在在量产车上还没有实现，只是在一些概念车上得以展示，或一些电动概念车上才应用到线控离合器技术。 如 在 通用可驾驶燃料电池汽车 上的应用就获得了成功。 线控汽车一改传统机械连杆的传动方式，采用电子信号来操纵油门、制动 ，离合器 和转向机构。取消了传统的转向盘、油门、 离合器踏板 、制动踏板，所有的操作都集中在一个手柄上，驾驶员可以用一只手完成所有的操作。当驾驶员要加速或减速时，可以向左或者向右推动手柄；制动按钮也安装在这个手柄上，要制动时按一下制动按钮 ；当转弯时，驾驶员只需向上或者向下推动手柄。 线控离合技术非常相似于线控节气门，线控转向等技术，现如今线控 节气门 几乎已经完全取代了传统的拉线式节气门， 这 也 是大势所趋。 电动助力转向也越来越广泛地应用到汽车上。在这些技术都已日趋完善的同时， 目前国外各大汽车生产厂商和零部件生产商都 开始着手 从事 线控离合器 技术的开发研究，其中美国 通用和韩国 产品已经开始市场化、系列化。 现代科技的不断发展 ， 线控离合器可 实现的功能 会 越来越强大， 如根据发动机负荷情况来自动选择切开与分离的速度，若是高性能赛 车，可提高其加速性能，可以满足 不同工况下发动机的控制要求。 我相信线控离合器 装置 在不久的将来会 成为 汽车上一个 不可或缺的电子控制 系统。 控离合器控制系统结构 械离合器结构，原理 如图 示，摩擦离合器一般是有主动部分、从动部分组成、压紧机构和操纵机构四部分组成。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 离合器在接合状态时，发动机扭矩自曲轴传出，通过飞轮 2 和压盘借摩擦作用传给从动盘 3，在通过从动轴传给变速器。当驾驶员踩下踏板时，通过拉杆活拉线带动分离叉、分离套筒和分离轴承 8，将分离杠杆的内端推向右方，由于分离杠杆的中间是以离 合器盖 5 上的支柱为支点，而外端与压盘连接，所以能克服压紧弹簧的力量拉动压盘向左，这样，从动盘 3 两面的压力消失，因而摩擦力消失，发动机的扭矩就不再传入变速器，离合器处于分离状态。当放开踏板，回位弹簧克服各拉杆接头和支承中的摩擦力，使踏板返回原位。此时压紧弹簧就推动压盘向右，仍将从动盘 3 压紧在飞轮上 2，这样发动机的扭矩又传入变速器。 12345 6789图 离合器总成 线控离合器不但具有机械离合器所有的功能 ，还有许多机械离合器没有的优点，例如：线控离合器取消了村机械的连接，没有的摩擦也就没有了机械磨损和摩擦噪音，这对手动挡中级，高级轿车隔音降噪非常重要，还有就是取消了机械连接，可以节省踏板力，大大减轻长途驾驶时驾驶员疲劳。下面介绍线控离合器的结构和工作原理。 控离合器结构、原理 线控离合器一改传统机械式拉线或拉杆的结构，是用一个直流电机驱动离合器的分离与接合，取消了拉线，直流电机用单片机来控制，用踏板位置传感器来作为输入给单片机输入信号，经过信号转换，处理之后输出，在经过 制占空比，来实现黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 电机转速的控制，在经过 H 桥来控制电机的正反转，从而实现离合器的分离与接合，再通过离合器位置传感器来作为反馈，给单片机一个反馈信号。从而达到整个电路的闭环控制。 驾驶员 踩下离合器踏板 位置传感器 引起（电压）信号变化 执行器 电机正向旋转 离合器分离 抬起离合器踏板 位置传感器 引起（电压）信号变化 执行器 电机反向旋转 离合器再次接合 执行流程如图 图 执行流程图 执行器控制电机（反向）旋转，（电机安装位置看具体车型视具体情况而定） 驾驶员踏下离合器踏板 位置传感器输出信号（由电压信号控制）其安装位置仿照电子节气门的位置传感器安装位置 离合器再次接合 信号经过 析，处理。发出控制信号给执行器 利用 离合器分离 驾驶员抬起离合器踏板时 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 系统工作原理图如图 示， 图 系统工作原理图 离合器踏板需用一个轻质软弹簧使其归位，同时使踏板具有一定的阻尼效果，考虑到油离配合，要求离合器的行程和使用机械装置时相同，并且离合器的分离和接合的速度也要与使用机械式装置时相同，还有要考虑失效保护，当电控系统失效时，需要机械系统重新正常工作，保证驾驶员和乘员的安全，失效保护可以参照电子节气门的形式 ，例如用两个离合器位置传感器。 控离合器的优点和存在的主要问题 （ 1） 省力，人们可以不用直接操作机械力 ,减轻驾驶员疲劳。 （ 2）比质量轻，性能高（响应快）。线控系统取消了许多机械连接装置、液压装置和气压装置，简化了结构和生产工艺，便于实现汽车轻量化。 （ 3）维护用品可大大减小，减少维护费用。取消机械和液压连接可减少车身质量并简化维护工作，可能磨损的部件更少了 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 （ 4） 使得汽车自动驾驶成为可能，整个汽车就是一个完整的电路整体。 （ 5）安装测试简单快捷，更稳固的电子接 口（模块结构），隔板间无机械连接，简单布置就能增加电子控制功能。 （ 6）实现智能化控制功能 线控离合器 控制系统作为发动机控制的一个功能模块， 可以更好的实现汽车的性能和一些其他的功能。 统存在的主要问题 主要表现在以下两个问题 非线性问题和可靠性问题 。 在 线控离合器 总成内，传动机构存在无法消除的非线性问题，主要是： 分离指 运动过程中的粘性摩擦和滑动摩擦、 离合器 复位弹簧的非线性特性、 电机 减速 机构 中的轮齿间隙 。 （ 1）粘性摩擦和滑动摩擦： 线控离合器 在工作过程中 拉杆和分离指的 运动会同 时受到粘性摩擦和滑动摩擦的作用，在动态过程中造成摩擦力的变化的非线性。 （ 2）复位弹簧非线性： 离合器 复位弹簧采用 螺旋 弹簧 或膜片弹簧 ，随着 离合器分离位置 的不同，其施加在 离合器 中心轴上的扭转力矩呈非线性变化。 （ 3）轮齿间隙：由于电机的转速较高而扭矩较小，因此在电机输出轴与 离合器 中心轴与心轴间采用了一套齿轮减速机构。齿轮啮合间隙的存在对节 离合器 的工作产生了一定的非线性影响。 由于取消了机械连接方式，采用电子控制的方式，使得 线控离合器 的可靠性相对降低，如果控制软件或者系统某一部分出现故障，就不能保 证整个系统工作的可靠性。 为了保证系统的可靠性，在 线控离合器 设计时采取冗余设计思想， 离合器 位置传感器采用两个传感器来保证系统一旦其中一个传感器失效的情况下另一个传感器仍可以采集 离合器 信号。另一个保证系统可靠性的方法是 保留一个简化的机械连接。保证电子系统出现故障时依靠简化的机械连接可以正常行驶一段距离，保证车辆安全到达目的地。 章小结 本章介绍了 线控离合器的 控制系统结构，介绍了 线控离合器 的功能和原理，分析了 线控离合 存在的主要问题。主要结论如下： 合器是 机械式连接， 线控离合器 系统取消了机械 式的刚性连接，采用黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 一种柔性控制方式。 控离合器 总成内，传动机构存在无法消除的非线性问题，包括 分离指 运动过程中的粘性摩擦和滑动摩擦、复位弹簧的非线性特性、减速齿轮装置中的轮齿间隙。同时采用电子控制的方式，使得 线控离合器长时间用 的可靠性相对降低。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 第 3 章 线控离合器数学模型和控制策略 统建模 控离合器机构 系统建模部分主要是针 对线控离合器总体结构 建立相应 数学模型。 线控离合器 的 基本 结构 主要 组成为：直流电机、减速齿轮、位置传感器、回位弹簧。 离合器 在电机驱动力、弹簧回复力及摩 擦力 (粘性摩擦力和库仑摩擦力 )作用下转动 (其中减速齿轮传动系对系统的影响不大 )。 离合器在工作 过程中，受到弹簧回位转矩、阻尼力矩、粘性摩擦力矩、电机驱动力矩 等 不平衡力矩的作用，存在不确定非线性因素的影响。 作过程分析 线控离合器 控制系统一般采用 转速和转速 控制，即根据 离合器需要的分离速度 、转 矩需求，得到 离合器切开速度和分离力的 要求，再由 算出所需的 电机转速要求 。 实际计算过程中， 需要建 立离合器分离时间与电机转速和转矩的曲线图。 轮传动及齿隙影响 图 齿轮传动机构 如图 示，由于电机转速相对较高，所以本设计需要有一套减速增扭机构，所以用到齿轮传动。电机转矩 传动采用闭式齿轮传动，齿轮和轴承完全封闭在箱体内，能保证良好的润滑和较好的啮合精度。它的的主要优点有：体积小，传动效率高，工黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 作可靠，寿命长，传动比准确，结构紧凑。所用的齿轮为塑料齿轮，具有重量轻，摩擦小等特点 。 由于齿轮间隙的影响将会对调速系统带来不稳定性，或者这种影响相当于一种滞后扰动 ，这在机械方面是无法克服的。由于这种扰动的影响将会使调速系统的电气性能受到影响，所以需要加强抗扰措施，使这种影响减少到最小，以达到允许的范围之内。 电机通过减速齿轮传动驱动 离合器拉杆 时，齿间间隙冲击对传动的影响非常复杂。一般地认为，由于齿轮间隙的影响会给系统带来滞后效应。 齿隙非线性广泛存在于各种机电伺服系统中，会造成系统极限环振荡、低速不平稳和换向误差跳变，具有非线性、非解析描述和不可微的特性，难以建模与控制 。 制策略分析 迄今为止还没有一种控制策略是对所有的被控对象都适用。对于特定的控制系统，选择良好的控制算法，使被控系统的特性达到最佳，这是每个研究控制的人员的主要问题。 线控离合器控制是一个复杂的快速变化过程，离合器受到非线性力矩及不稳定因素的影响，要想实现对离合器预期位置的精确控制，一是要了解系统的动态特性，二是要运用恰当的控制理论和方法。 单输入 单输出定常控制系统，是比较简单而又比较成熟的控制方法。控制一般用校正网络对系统进行综合校正，常用的有滞后、超前校正网络，另一种应用最广而又非常有效的方法是 正网络。 制器具有结构简单，参数易于调整，算法较灵活等优点，但对外界适应能力 较差。本章对线控离合进行了 制设计，以便在某些线性区域加以运用。在对线控离合器控制策略的研究中，更多的是运用现代控制理论。 现代控制理论是在状态空间中，利用状态方程和输出方程来描述动态系统的运动规律。现代控制理论既适用于单输入单输出、线性、定常、集中参数控制系统，又适用于多输入多输出、非线性、时变、分布参数控制系统，应用范围很广。目前较成熟的现代控制理论有自适应控制、鲁棒控制、变结构控制和智能控制等。 （ 1）自适应控制。自适应控制系统是一个具有一定适应能力的系统，它能够认识环境的变化并自动校正控制动作 ，使系统达到或接近最优的效果。自适应控制在线控黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 离合器控制中已有一些研究，包括比例、微分和前馈的自适应控制，是基于对线控离合器系统辨识得到的参数模型进行自适应控制。 （ 2）鲁棒控制。近 20 年来，鲁棒控制理论及其实际应用得到了迅速发展，已在空间技术、冶金、化工、机械加工等控制领域的许多方面得到了越来越广泛的应用，收到了日益显著的效果（ 2000年， 将鲁棒控制引入节气门控制系统中，并用实验证明了鲁棒控制可以提高系统对输入信号的跟踪精度和对外部扰动的抑制能力）。目前，人们正致力于将鲁棒控制应用 于线控离合器上。 （ 3）变结构控制。变结构控制的基本原理是当对象状态穿越状态空间中的某个事先规定的切换曲面时，控制器中的逻辑单元便使控制器结构发生变化，迫使系统状态沿切换曲面作渐近稳定的运动，达到参数变化和扰动不影响系统特性的目的（ 2001年，美国俄亥俄州立大学的潘遥东等，从电机电流入手，对节气门进行变结构控制研究，结果表明变结构控制实现简单、鲁棒性强 ）。经过精心研究把变结构控制应用在线控离合器上应该在不久的将来会实现。 （ 4）人工智能控制。智能控制是利用人工智能中的模式识别、推理规则、学习、专家系统和智能 搜索等方法，标定、校正和优化自适应控制参数，选择工作模式、处理异常事故，成功地完成实时控制任务。由于这类控制的复杂性及对硬件要求很高，目前还没有看到其应用。 综上所述，现代控制策略有很多都 可以在线控离合器 控制系统中使用。控制效果主要取决于控制策略的选择以及参数的优化，但应该说各种控制策略各有优缺点，实际应用中，往往要根据具体的动态和静态性能要求、环境条件以及成本限制来进行选择。 由于 线控离合器 控制系统 有 个最突出问题是系统频响要求较高，所以要求控制算法简单，运算时间短。一般要 求 响应速度优于 在实际应用 由于硬件成本限制，这就使得许多控制理论成果对 线控离合器 控制系统并不都适用。 章小结 本章首先根据 线控离合器 机构，分析了 线空离合器 中各运动系统的特性，并建立了相应的数学模型。内容包括摩擦力、齿隙冲击等模型。分析了目前对 线控离合器 运动的控制策略。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 第 4 章 控制系统硬件设计 制系统结构 线控离合器 在整个工作范围都由直流电机控制，因此 离合器 的精确控制是通过直流电机的精确控制实现的。硬件设计中直流电机驱动电路的设计十分重要，本文设计的驱动电路，用来驱动电机。直流电机一般采用脉宽调制作为控制信 号，这就要求控制系统能输出易于控制的脉宽调制信号。 线控离合器 控制系统是闭环控制系统，由 离合器 踏板模块输入目标 位置信号 ， 离合器 位置传感器反馈实际 离合器的分离或接合的位置 ， 离合器 踏板和 离合器 位置传感器输入的都是模拟量，必须通过转换为数字量。因此控制器必须具有 A/D 转换功能和信号处理功能。 图 要由电源、传感器、控制电路部分和执行部分组成。传感器包括两个： 离合器 踏板位置传感器（ 离合器 位置传感器（ , 离合器 踏板位置传感器 (完成踏板控制信号输入 ，离合器 位 置传感器 (成 离合器 位置信号的反馈；控制电路部分包括：信号的采集与处理电路、单片机、功率驱动电路；执行部分是由电机驱动的 拉杆及相关组件 组成。 飞思卡尔 9片机的 A/D 转换器将输入的模拟信号转化数字信号，控制算法计算出控