（动力机械及工程专业论文）有源同步自动变速器的研发.pdf

摘要 变速器在汽车传动系统中发挥着重要的作用，对于车辆的动力性、经济性、 驾驶舒适性有着重要的影响，在现今各种变速器中，电控机械式自动变速器 ( 址t t ) 兼顾了手动变速器机械传动效率高和自动变速器换档自动化的优点， 是未来变速器发展的主要方向之一，并且其生产继承性好，更加适宜于我国国情 的需要。 本文提出了一种有源同步a m t ，通过对传统手动变速器的机械改造，在其 基础上加装了自行设计的有源同步装置来实现换档过程的同步作用，取代了传统 变速器中使用的同步器，通过计算其同步时间并与传统摩擦式同步器对比，其可 以满足使用传统摩擦式同步器的a m t 对换档时间要求，很好的改善了传统同步 器因摩擦而引起的成本问题，增加了变速器的寿命，降低了传统变速器因使用同 步器而造成的潜在维护成本。对与硬件部分，本文设计了基于d s p a r m 的t c u 控制器，结合两种芯片各自的特点，使t c u 的性能达到最优化，并且有效地减 少了t c u 的成本。本文设计了气动换档执行机构将手动换档执行机构取代，气 动换档机构主要由气源、换档电磁阀、换档气缸所组成，基于d s p a r m 的t c u 控制器控制换档电磁阀，电磁阎控制换档气缸的通断，从而实现各档位间的切换。 对于有源同步自动变速器，通过对汽车行驶动力学的分析，本文制定了基于油门 一车速的双参数最佳动力性换档规律，在不同的油门下有着不同的换档点，使车 辆在换档过程中能够保持最佳的动力性。 本文搭建了有源同步a m t 的试验台架，主要由主电机、从电机、总控制器、 转速传感器、蓄电池组等组成，通过最佳动力性换档规律所确定的最佳换档点来 对各排档间的升降档过程进行台架试验，用主电机来实现同步作用，在换档过程 中主电机跟踪从电机的转速，并通过速比计算调整其输出转速，换档时间为开始 换档即啮合套脱离啮合齿轮，到啮合套与待啮合齿轮转速相等所用的时间。台架 试验分别对各档位间的升降档做了试验，通过台架试验，试验结果表明换档时间 比较理想，有源同步装置取代传统同步器的可行性比较高。 关键词： 有源同步a m t双参数换档规律台架试验 a b s t r a c t t h eg e a r b o xp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei np o w e r t r a i ns y s t e mo fv e h i c l e ，a si t i n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c es u c ha sf u e le c o n o m ya n dd r i v i n gp o w e r i na l lk i n d so f t h et r a n s m i s s i o n sn o w a d a y s ，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 ( a m t ) i n h e r i t st h e a d v a n t a g e so fm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ( m t ) a n da u t o m a t e dt r a n s m i s s i o n ( a d w h i c hm a k ei tb o t hh i g he f f i c i e n c ya n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n s oa m ti st h ep r i n c i p l e t r e n do fg e a r b o x sd e v e l o p m e n ti nf u t u r e i ti ss u i t a b l ef u rc h i n aa si tc a nb e r e c o n s t r u c t e de a s i l yb a s i n go nm t t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g nan e wb n do fa m tw h i c hn a m e dp o w e r - s u p p o r t e d 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 , b yr e d e s i g n i n gt h ec o n s t r u c t i o no ft r a d i t i o n a l m l t h ep o w e r - s u p p o r t e dd e v i c ei sa d d e dt or e p l a c et h es y n c h r o n i z e r m e a n w h i l e ，t h e p o w e r - s u p p o r t e da m t ss h i 伍n gg e a rt i m ei si d e n t i f i e db yc a l c u l a t i n g t h er e s u l t p r o v e si tc a nm e a tt h er e q u i r e m e n to ft h et r a d i t i o n a la m t t h ep o w e r - s u p p o r t e d a m tc a l lr e d u c et h et r a d i t i o n a la m t sc h a n c e sf o rm e n d i n gc a u s e db ys y n c h r o n i z e r s f r i c t i o n , a i m i n gt or e d u c et h ep o t e n t i a lm a i n t e n a n c ec o s t t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g n s t c uc o n t r o l l e rb a s e do nd s pa n da r m c h i p i n t e g r a t i n gb o t l lc h i p s a d v a n t a g et o o p t i m i z e t h ep e r f o r m a n c eo ft h et c u t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g n st h es h i rg e a r e x e c u t i n gd e v i c eb a s e do np n e u m a t i c s y s t e mi ns t e a do ft h em a n u a ls h i f tg e a r e x e c u t i n gd e v i c e ，c o n s i s t i n go fp n e u m a t i cp u m p 、e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e 、p n e u m a t i c c y l i n d e ra n d o r t h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v em a k e st h ep n e u m a t i cc y l i n d e ro no r o f f t oc o n t r o lt h eg e a r b o xw o r k i n go nd i f f e r e n tg e a r s b ya n a l y z i n gt h ev e h i c l e sd r i v i n g e q u a t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e st h es h i f tg e a rl a wb a s eo na c c e l e r o g r a p ha n d s p e e dw h i c hm a k e st h ed r i v i n gp o w e rm o s to p t i m a lw h e ns h i f t i n gg e a r t h ed i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e st h ee x p e r i m e n tb e n c hf o rp o w e r - s u p p o r t e da m t , c o n s i s t i n go f p r i m a r ym o t o r 、s e c o n d a r ym o t o r 、m o t o rc o n t r o l l e r 、s e n s o ra n db a t t e r y g r o u p d o i n gt h ee x p e r i m e n ta c c o r d i n gt ot h ed r i v i n gp o w e rm o s to p t i m a ls h i f tg e a r l a w , a n du s i n gt h ep r i m a r ym o t o rt or e a l i z et h es y n c h r o n i z e r sf u n c t i o n d u r i n gt h e s h i f tp r o c e s s ，t h ep r i m a r ym o t o rt r e k st h es e c o n d a r ym o t o r ss p e e d ，a n da d j u s t si t s o u t p u ts p e e db yc a l c u l a t i n gw i t l lt h et r a n s m i s s i o nr a t i o a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t t h es h i f tt i m eo fp o w e r - s u p p o r t e da m tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n ta n df i n a l l yt h e f e a s i b i l i t yo f t h ep o w e r - s u p p o r t e da m t i sp r o v e d k e yw o r d s ：p o w e r - s u p p o r t e d a m ts h i t ig e a rl a w e x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加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过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定i 即 学校有权保留、送交论文的复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：雹! z ：上：型 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 自动变速器发展历程及现状 变速器在车辆传动系统中发挥着决定性的作用，对车辆的动力性、经济性 以及驾驶舒适性有着重要的影响。传统的手动变速器( m t ) 在起步和换档时有 冲击，加之由于频繁的换档操作，易使驾驶员疲劳，影响行车安全，而且不同的 驾驶技术水平对车辆的动力性、经济性以及驾驶舒适性造成了极大的差异；自动 变速器基于优化的换档控制策略，依靠换档执行机构使车辆在行驶的过程中根据 工况实现换档的自动化，从而大大提升了车辆的驾驶性能，所以自动变速器的发 展，是车辆发展的必然选择1 1 。 1 1 1 现阶段自动变速器的分类 目前国内外的自动变速器主要有液力变矩式自动变速器( a t ) 、机械式无级 变速器( c v t ) 、电控机械式自动变速器( a m t ) 、双离合器式自动变速器( d c t ) 。 液力变矩式自动变速器( a = r ) 主要是由液力变矩器加行星齿轮排组成的自 动换档的变速系统，其具有不中断动力换档、起步平顺、液力变矩器对阻力自适 应的优点，目前液力变矩式自动变速器已走过6 0 多年的历史，技术成熟，性能 可靠；但是其结构复杂、重量大、制造难度大、传动效率低下、成本高等缺点成 为制约其发展的主要障碍，并且其开发已很难取得突破性的进展【2 1 1 3 。 电控机械式自动变速器( a m t ) 是在原有手动变速器( m t ) 基本结构不变 的情况下，通过加装微机( t c u ) 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、选档与换档以及发动机的转速调节等操作，通过制定 科学经济的换档规律，实现换档操纵自动化【4 】。在电控机械式自动变速系统中， 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，换档执行机构代 替了人的手与脚的操作，其主要功能靠电控系统来实现，具有传统手动变速器传 动效率高( 据美国伊顿公司试验资料介绍，可节省燃料大约5 ) 、成本低、易于 制造等优点，特别对于我国市场上手动变速器占有率高的特点，其生产继承性好 的优点适宜我国国情p j 。 机械式无级变速器( c v t ) 是驾驶简便、提高车辆燃油经济性的理想装置， 其速比光滑变化，无级传递扭矩，乘坐舒适，加速性能好。但是其起动性能差， 需要另加起动装置，并且传递扭矩的承载能力小这一致命的缺点大大缩小了它的 应用范围。目前c v t 市场占有率微乎其微，尚处于研发阶段。【6 】 双离合器式自动变速器( d c t ) ：要采用两套变速器和两个离合器，通过 武汉理工大学硕士学位论文 两个离合器的切换来实现两个变速器交替进入工作状态，缩短了换档时动力中断 的时间，它继承了传统手动变速器传动效率高、结构简单、安装空间紧凑、质量 轻的优点，但其要求对离合器控制的精度很高，丽系统本身存在的非线性、时滞、 干扰、变参数等因素的影响，使离合器的精确控制很难【7 l 【8 1 。 1 1 2 国内外a m t 的发展历程及研究现状 a m t 的发展大致经历了三个阶段。第一阶段是半自动a m t 的发展与成熟 阶段。早在六七十年代欧洲一些手动变速器生产厂家就己开始离合器自动化的研 究，通过全机械或液压控制实现离合器的自动化，但这种系统的控制效果不好， 没有太多的应用。2 0 世纪7 0 年代中期，a m t 的研究方向是半自动辅助换档系 统。车辆的换档时刻由驾驶员决定，由电子控制系统完成换档操作的功能。瑞典 s c a n i a 的c a g 系统、德国d a m l e rb e n z 的e p s 系统采用的都是半自动a m t ， 驾驶员踩离合器确定换档时刻( 电子显示器可提示驾驶员何时为最佳换档时刻) 电子控制系统接受到换档指令后，控制执行机构实现换档操作。同一时期，自俄 罗斯工学院采用2 参数换档规律由控制系统完成选档和换档时机的确定及其执 行，但在起步时，仍由驾驶员操纵离合器以实现车辆的起步。 第二阶段是全自动a m t 的发展。从1 9 8 1 年底，五十铃公司和富士公司开 始开发a m t ，于1 9 8 4 年秋在世界上最先研制成功电子控制机械式有级全自动变 速器n a v 卜5 装于a s k a 轿车投放市场，该车己经能够实现车辆的起步、换档 自动控制。同期，日本的n i s s a n 、瑞典的s a a b 、美国的f o r d 、意大利的f i a t 、 德国的z f 、法国的r e n a u l t 都对全自动a m t 进行了研究开发，研究的重点是离 合器的起步控制、换档操纵规律，各大公司对全自动a m t 的研究使全自动a m t 进入了实用阶段。 第三阶段是a m t 智能化的研究。由于离合器的起步控制和换档操纵规律与 外界道路环境情况、人的主观驾驶意图、车辆的运行状态密切相关，一般的控制 策略易造成离合器的过快磨损、弯道意外换档等不良现象。故采用模糊控制策略、 神经网络控制策略等智能控制方法，以提高a m t 传动系统的智能。 国外a m t 起步较早，发展相对较为成熟，主要的一些产品见下表1 9 】： 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - - 1国外a m t 主要成熟产品 生产商特点应用领域 智能控制升降档并精确管理 发动机转速，达到在正确的商用车( 3 5 s p r i n t s h i f fb e n z ( 德国1 时间进行最优的转速调整； 6 t ) 坡路辅助起步功能。 取消离合器踏板；取消油冷 却，减轻质量，提高可靠性； 漩t 一1d a n a 、t t c中型商用车 实现完美换档；允许驾驶员 控制换档点。 无离合器数据通讯换挡，应 e a t o n f u l l e r ( 美用s a e j1 9 3 9 数据通讯协议 a u t o s h i f t货车 国)测量车速、油门位置和扭矩 需求。 发动机与变速器之间c a n 通 h y d r a u l i k - r i n gs i e m e n s ( 德国)讯；车辆起步加速时自动结 轿车 合到一档。 功能集成度高，大大缩小变 速器尺寸；加装液力缓速器 z f a st r o n i ez f ( 德国)重型载货汽车 装置使制动减速度连续变 化。 国内对a m t 的研究起步较晚，始丁8 0 年代中期，期间得到了国家自然科 学基金项日、国家火炬预备项目和国家科技九五重点攻关项目等资助。吉林大学 研究的两参数晟佳换挡规律、动态二参数换挡规律、离合器最佳结合规律等换挡 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。北京理工大学、华崴集团、重庆医疗机械工业公司等多家单位 在a m t 的开发中都取得了丰硕的成果l lo j 。 国内的产品，从系统组成原理来看大体相同，其可行性己经得到证明。研 究主要集中在提高系统可靠性、适应性和降低系统成本上。从执行机构来看，主 要有液压执行机陶和电动执行机构两种。在轿车上，电动执行机构更具有价格优 势。从应用的车，掣东看，从轿车到轻型车、重型车各不相同。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - - 2国内a m t 主要产品 研制单位特点 实验使用车型 具有坡道起步辅助装置、进行 轻型车、重型车、轿 吉林大学 了广泛的理论研究 生 电控液动、具有保持档功能、具有自学 北京理工大学习功能。产品己经通过3 0 0 0 公里定型试 重型车辆 验考核，产品设计定型 东风电动车辆股 通过3 个永磁直流电动机控制完成离合 器的分离与结合、档位的变换，具有6 武汉市5 1 0 、5 9 9 公 份有限公司交线路 挡自动变速功能。 电控气动，采用双参数换档规律，有源 武汉理工大学同步装置取代同步器进行同步操作，具 轻型车、重型车、轿 奎 备独立的知识产权。 1 2a m t 的系统结构 a m t 是在传统的固定轴式变速器和干式离合器的基础上，应用微电子驾驶 和控制理论，以电子控制器( e c u ) 为核心，通过电动、液压或气动执行机构对选 换档机构、离合器、油门进行操纵，来实现起步和换档的自动操作。其系统原理 图如下图所示： 4 武汉理工大学硕士学位论文 图i l a m t 系统原理图 由上图可以看出，一个典型的a m t 系统是由以下四个主要部分组成的： l 、被控制系统：传感器、执行机构、变速器、离合器、发动机。 2 、电子控制器：各信号处理单元、c p u 单元、程序及数据存储器单元、驱 动电路单元、显示单元、巡航控铝4 单元、电源单元等。 3 、传感器：速度传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、档位传 感器、加速度传感器等。 4 、执行机构：电磁阀、气缸、液压缸、油泵、步进电动机、继电器等。 a m t 的主要功能是微机根据车辆当前运行状况、道路路面状况、驾驶员意 图等因素，按换档规律自动判别最佳档位，自动控制发动机、变速器、离舍器协 调动作【1 1 】。由于取消了离合器踏板和档位操纵杆，驾驶员的意图是由加速踏板的 操纵来体现的，微机根据动力性方式或经济性方式实现选档换档动作、离合器分 离和接合及发动机油门调节。 汽车自动变速器的电子控制系统，由输入装置、电子控制单元和输出装置 三部分组成。典型的输入装置可以在汽车工作时，为电子控制单元提供诸如节气 门开度、车速、发动机转速、液压油压力、自动变速器档位等方面的信息。电子 控制单元可以根据其程序中的指令，对来自各种传感器和开关的电信号加以分 析，然后向输出装置发出指令，以控制自动变速器换档和锁止离合器工作的时机。 许多的电子控制单元中包含有一个可更换的，被称之为可编程序只读存储器的集 成电路芯片。当为鳃决自动变速器控制以及汽车操纵性能等方面的问题而需要对 电子控制单元作出改进时，一般只需改变该集成电路芯片的设计即可。汽车自动 变速器电子控制系统的电子控制单元，一般还具有自诊断功能，即当输入装置中 的车速传感器，输出装置中的电磁阀等出现故障时，可以自动地通过故障显示屏 提供的信息来报告故障代码【。 1 3a m r 待完善之处 1 3 1 同步器的潜在维护成本 1 3 1 1 同步器的作用 变速器在换档时，由于两齿轮轮齿不同步时的强制挂档，会使两轮齿间因 存在的速度差而发生冲击和噪音【1 3 】。这样，不但不易挂档，而且会使齿端部磨 损加剧，甚至使轮齿折断。所以在变速器换档过程中，必须使所选档位的对待 啮合齿轮轮齿的圆周速度相等( 即同步) ，j 。能使之甲顺地进入啮合而挂上档位。 这样就产生了同步器。 武汉理工大学硕士学位论文 同步器是车辆机械变速器的关键部件，直接影响车辆操纵换档性能。它是 在接合套换档机构基础上发展起来的。其中包括接合套、花键毅、对应齿轮上的 接合齿圈，以及使接合套与对应接合齿圈的圆周速度迅速达到并保持一致的机 构，阻止两者在达到同步之前接合以防止冲击的结构1 4 1 。 1 3 1 2 同步器的弊端 变速器在换档的过程中，档位越高，主从动齿轮的转速差就越大，而同步 器在同步过程中就需要用更大的摩擦力矩来实现同步调节，这样不仅使换档时间 延长，而且加速了同步器的磨损，大大减少了同步器的使用寿命，并且档位越高， 同步器的价格越高，这样势必对a m t 的耐久性和经济性产生不利的影响。 1 3 2 自动换档规律 换档规律是指相邻的两排挡之间自动换档时刻随控制参数的变化规律，它 的好坏直接影响车辆的动力性与经济性，换档规律应该是单值，即输入变量的每 一组合，都仅存在唯一的输出状态，作为控制参数，有油门、车速等等，现在的 换档规律主要有单参数、双参数以及三参数换档规律，本文采用双参数的换档规 律，对最佳动力性换档规律进行研究，确保车辆在换档过程中保持最佳的动力性， 优化换档动力中断的问题i l ”。 1 4 本文研究的主要内容及意义 由于同步器因同步磨损而引起的使用寿命问题影响到了a m t 的潜在使用 成本，本文研究的有源同步式自动变速器通过采用有源同步装置取代了同步器进 行换档同步，拟在满足换档时间要求、节约变速器的长期维护成本。本文研究的 主要内容包括： 1 、有源同步自动变速器的机械结构设计 2 、有源同步自动变速器试验台架的搭建及试验 3 、有源同步自动变速器换档控制策略的研究 4 、有源同步自动变速器换档规律的确定 5 、有源同步自动变速器t c u 及数据采集系统设计 有源同步自动变速器生产可继承性好，产业化投入少，具备 二动变速器传 动效率高的优点，适合我国国情。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章主要介绍了a m t 的发展历程及国内外发展现状，并对存在的技术问题 做出了阐述，最后提出了本文的主要研究工作。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章有源同步自动变速器的机械系统设计 2 1 有源同步装置的基本原理及其控制方法 2 1 1 有源同步装置的基本原理 齿轮式变速器换档时，无论是采用滑动齿轮方式，还是采用啮合套式，在齿 轮啮合过程中，都存在待啮合的齿轮前不同步而造成的换档或结合冲击问题。为 此，在普通齿轮变速器中往往采用同步器。目前的存在的同步器均采用摩擦原理。 即在工作表面产生摩擦力矩，来克服被啮合件的惯性力矩，使之升、降速而达到 同步状态。其缺点是摩擦力矩调节困难，因而同步时间长，且摩擦表面易损坏。 有源同步装置取代同步器实现同步作用，在齿轮式变速器的变速齿轮副的 啮合与被啮合的两端中的其中的某一端( 一般选取转动惯量小的一端) 设置调速 电机作为动力源。控制单元根据检测到的啮合两端的速度差，调节调速电机输出 正向或反向力矩，克服该端啮合件的惯性力矩，使之升速或降速，减少啮合两端 的速度差，以在最短的时间内达到同步状态，当两端达到同步时，动力源的输出 力矩为零，从而避免了齿轮式变速器换档时齿轮副不同步造成的冲击问题。 有源同步装置由调速电机、电源及其控制系统组成。其中控制系统包括： 转速传感器和调速电机控制器( 图2 一1 ) 。两只转速传感器分别检测齿轮式变速 器的输入端和输出端的转速，并将检测到的速度信号输入电机控制器。控制器根 据检测到的啮合两端的速度差，调节调速电机输出正向或反向力矩，克服该端啮 合件的惯性力矩，使之升速或降速，减少啮合两端的速度差，以在最短的时间内 达到同步状态，当两端达到同步时，动力源的输出力矩为零 图2 1 有源同步装胃原理图 s 1 一轴1 ，s 2 一轴2 ，z 1 齿轮1 ，z 3 一衡轮3 ，z 4 一齿轮4 ， 8 武汉理工大学硕士学位论文 z 5 一齿轮5 ，c l 一啮合套，d l 一档位信号，t 6 一l 轴转速传感器， t 7 一电机控制器，t 8 调速电机，t 9 2 轴转速传感器 2 1 2 有源同步装置的控制方法 第一步骤：传感器t 6 检测轴l 的转速，传感器t 9 检测轴2 的转速。在齿 轮式变速器工作时，两只转速传感器始终处于工作状态，并将信号输入到电机控 制器中。在齿轮变速器处于某一档工作( 换档前) ，控制器根据传感器t 9 输入 的转速信号和当前的档位信号换算出的在当前档位下与轴1 啮合齿轮的转速应 当与传感器t 6 输入的轴l 的转速相等。 第二步骤：换档开始，离合器分离，气阀推动同步器啮合套使之处于空档 状态，电机控制器接收到空档信号，电机开始工作。电机通过拖动变速齿轮组升 速或降速使传感器t 9 输入的转速信号与预期档位的变速比换算出的在预期档位 下将要与轴1 啮合的齿轮的转速与传感器t 6 输入的轴l 的转速无限逼近。 第三步骤：当传感器t 9 输入的转速信号与预期档位的变速比换算出的在预 期档位下将要与轴1 啮合的齿轮的转速与传感器t 6 输入的轴1 的转速逼近到非 常小的差值时，气阀可以推动啮合套挂上预期档位，然后让离合器啮合，换档结 束。 第四步骤：当换档成功后，电机停止工作。 2 。2 有源同步自动变速器的结构 2 2 1 有源同步自动变速器的机械结构 有源同步自动变速器的机械结构示意图如图2 2 所示： 轴s i 、轴s z 、轴s 3 、轴s 4 、齿轮z l 、z 2 、z 3 、z 4 、z 5 、z 6 、z 7 、z 8 、z 9 、z l o 、 z l i z 1 i 、z 1 3 、z i 、z 1 5 为典型的平行轴式齿轮变速机构，其中轴s h 轴s z 、轴 s 。、轴s 4 分别通过滚动轴承固定在变速器箱体上；轴s t 与轴s 。通过轴承空套在 一起，齿轮z 1 与轴s l 为刚性连接，齿轮z 8 、z 9 、z l o 、z i i 、z 1 2 、z z 1 4 、zj 5 与 轴s 2 为花键连接，齿轮z “与轴s 4 为花键连接：齿轮z 2 、z 3 、乙、z a 、z 6 、z 7 分 别通过滚动轴承空套在轴s 3 上；啮合套c 1 、c 2 、c 3 、c 4 与轴s 3 为花键连接。 当啮合套c i 通过换档气缸推动与齿轮z 2 啮合时，变速器此时拄档；当啮 合套c 2 与齿轮z 3 啮合时，变速器此时挂二档；啮合套c 2 与齿轮z 4 啮合时，变速 器此时挂三档；啮合套c 3 与齿轮z 5 啮合时，变速器此时挂四档；曦合套c t 与齿 轮z ，啮合时，轴s ，与轴s ：；实现直接连接，动力直接输出，变速器此时挂在矗档 上，即直接档：啮合套c ；与齿轮z e 啮合时，变速器此时挂在六档上，即超速档； 9 武汉理工大学硕士学位论文 l i 齿苗甚0 4 与齿托z 7 啮苗h 可，殳愿器此盯往1 到柏。 在变速器箱体的取力口处拓展加工一个小箱体，轴s s 通过滚动轴承固定在 箱体上，齿轮z 1 6 与轴s 5 为花键连接，齿轮z 1 6 与齿轮z 。的传动比为1 ，换档调 速电机m 通过齿轮z 1 6 与齿轮z 9 的啮合来实现换档过程的同步作用。 有源同步自动变速器共有六个前迸档和一个倒档，各档传动比f 分别如下： t2 詈。舅黾s 娩 毛2 詈量z , o 以，蚝 毛2 署，杀观z 2 鲁毫“。z s ； 轴s t 与辘s 3 直接连接对为直接档，此对： 毛= 1 ； 乇2 詈老- o s o s ； 2 詈，老嘶： i 0 武汉理工大学硕士学位论文 s2 z 1 z 2z 3z 4z 5z 6 z 7 ，t 宁王士宁主衔宁至一 s ： p 7i 姐强坠三 一上丁 。_ ：7 。上z i 4 ， s 。 p 厶旷 。z 9 1 - 。 1 乒1 1 - l o ilt z 巧 上 一l 上 。 一 z 1 可l 。 - s 5 图2 2 有源同步自动变速器的机械结构示意图 2 2 2 各档动力输出及同步传动线路 当变速器需要切换到一档工作时，当换档执行机构推动啮合套c l 到齿轮 z 2 时，换档同步电机带动轴s 5 转动，通过齿轮z 1 6 与齿轮z 9 啮合传动来调整 一档齿轮z 2 的转速与啮合套c l 的转速相等，实现啮合套c l 与齿轮z 2 的同步 接合，接合完成后，换档同步电机m 停止工作，动力从输入轴s l 经由齿轮z 1 传动到齿轮z 8 ，齿轮z 8 带动中间轴s 2 转动，齿轮z 9 与空套在输出轴s 3 上的 齿轮z 2 啮合，而此时齿轮z 2 与啮合套c l 已经接合，从而带动c l 一起转动， c l 通过与轴s 3 的花键连接实现了动力的输出，变速器切换到一档工作。其他各 档位换档过程与此相同，不再赘述。 2 2 3 有源同步变速器气动换档执行机构的设计 气动换档系统示意图如图2 3 所示，该系统要由气泵、换档电磁阀、换档 指令板、换档气缸等组成，其中作为气源的气泉可以提供最大为5 m p a 的大气压 力，换档指令板控制各电磁阀的开启与关闭，从而实现换档气缸的换档动作 m 刖n 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 气动换档系统示意图 其中，各档位选档动作如下表所示： 表2 1各档位选档动作表 v ov lv 2 v 3v 4v 5v 6v 7 换档动作 1ooo 0oo o摘空档 o loooooo挂一档 oolooooo挂二档 ooo loooo挂三档 oo0 ol0oo 挂四档 ooo oo1oo 挂矗档 oooo o o 1o 挂六档 oooo o oo1挂例档 注：0 为电磁阀低电平，1 为电磁阀高电平 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 换档电机同步时间的可行性分析 2 3 1 同步器的换档时问 2 3 1 1 同步器的工作原理 目前使用最广泛的是惯性式齿轮同步器，它可以从结构上保证接合套与待 接合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，以避免齿间冲击和发生噪声。按同 步器摩擦面的形状分为锥形同步器，片形同步器和多锥形同步器。图2 4 为典 型的锥形同步器结构简图【2 0 j 1 2 l 】。在回位弹簧4 作用下，接合套2 保持在空档位 置( 对应工作原理图2 5 a ) 。挂档时接合套移动，摩擦面接触，因接合元件即接 合套与空转齿轮的转速不同，在摩擦面上产生摩擦力矩，使同步环转过一定角度， 锁止面顶紧( 对应工作原理图2 5 ”。通过锁止面对摩擦面加压，在摩擦力矩作 用下使接合套与空转齿轮同步。设计时，使锁止面的拔正力矩小于摩擦力矩，接 合套不能进入啮合，只有在接合套与空转齿轮转速相同，摩擦力矩消失，同步环 转过一定角度，锁止作用失效，接合套在轴向力作用下，继续移动才能与空转齿 轮的花键啮合，完成换档( 对应工作原理图2 - 5c ) 。 124 5 6 图2 4 锥形同步器结构示意图 1 同步环2 接合套3 空转齿轮4 回位弹簧 5 锁止齿6 啮合齿7 锥形摩擦面8 齿毂 武汉理工大学硕士学位论文 34 2 5 ( a )2 5 ( b ) 2 5 ( c ) 图2 5 同步器工作原理图 ( a ) 接合套空档( b ) 顶住锁止面( c ) 接合套与空转齿轮的花键啮合 l 同步环2 接合套3 锁止面4 空转齿轮的花键 2 3 1 2 同步器换档时间的计算 如图2 8 6 所示，以是变速器输入端的转动惯量，以是变速器输出端的转动 惯量，显然以 正，低档传动比= 厶五，高档传动比，2 = 厶五，且 如e ，低档时，齿轮1 和啮合套3 的角速度q 、q 应等于输出轴的角速度， 即q = 伤= 吃，而= q 吃，因此q = 鸭= 哆。齿轮2 的角速度呸为： 岛= t o 吃，吃= 哆如 图2 6 啮合套换档j j 怠图 l 一低档齿轮，2 一高档齿轮，3 一啮合套 由于换档时间很短，可以认为在脱离原档到进入空档的这段时间内，齿轮1 、 2 干啮合套3 的角速度基本保持不变，因此在换【：斩档的一瞬间，齿轮2 和啮合 1 4 2， ，凿 武汉理工大学硕士学位论文 套3 之间存在着转速差0 9 = 0 0 2 毡= 哆之一吧= ( 1 之- - 1 ) q ， 且齿轮2 要超前于啮合套3 ，如果换上新档，必然会造成冲击，由于以 ) 以， 所以最简单的办法是使用制动来使齿轮2 减速以达到同步换档1 。 同理，当从高档换回低档时，要做到同步换档，必须使齿轮1 升速。 传统的解决办法是使用同步器来实现同步，即采用摩擦原理，在工作表面 产生摩擦力矩，克服被啮合件的惯性力矩，使之升、降速以在最短的时间内达到 同步状态。 当变速杆拨动啮合套时，啮合套推动同步环压向被同步齿轮的锥面( 工作 锥面) ，由于力f 的作用及转速差的存在，两锥面一经接触即产生摩擦力矩巩， 使同步环相对啮合套转动一个角度。此时，力p 继续增加，啮合套继续移动，由 于同步环己相对啮合套转动了一个角度，使啮合套的齿端锁止倒角面正好压住同 步环的齿端锁止倒角面。在力f 的作用下，同步环锁止倒角斜面上受一正压力n ( 如图2 7 ) 。 。 图2 7锁止面上的受力分析 这时轴向力f 由n 0 0 s 与地f i r s i n p 组成，即 f = n ( o o s p + a b s i n , 3 ) ( 2 1 ) 图2 8 为同步器的计算简图，力f 在摩擦锥面上形成正压力，进而产生摩 擦力矩以 坂= _ f l a r ( 2 2 ) s l n 口 式中，为摩擦锥面问的摩擦系数； 盯为锥面半锥角； r 为锥面平均半径。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 8 同步器的计算简图 髓着力f 的不断增大，工作锥面上的摩擦力矩不断增大，当摩擦力矩等于 输入端的惯性力矩时，被连接两端的速度相等，惯性力矩消失，摩擦力矩等于零； 故待同步齿轮是靠同步环与接触的锥面之间的摩擦力矩来升速或降速的，根据动 量矩定理可列出同步器工作的基本方程式例： 以鲁一帆- o ( 2 吲 式中，上为同步器输入端的转动惯量； 旺为同步器输入端零件的角速度： t 为同步时间。 2 3 2 换档电机同步时间计算 2 ，3 2 1 低速挡到高速档的过程 此过程为啮合套由低档挂上高档的过程，由2 3 1 节可知，在低档齿轮和 高档齿轮之间存在着转速差： ：一缈，：掣一(dam o( 2 4 )= 缈 一缈，= 三一 o( 2 一) k 其中，q 为高档齿轮角速度： 以为低档齿轮f j 速度； 为低档变速比； 为高档变速比。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 根据式2 q 3 ，此时电机输出的转矩嘲| j l ，。应满足： 蚝坂= 以鲁= 以警 ( z 嘏 其中，以为高档齿轮输入端的转动惯量； a t 为换档同步时间。 由上式可以看出，换档同步时问的值取决于电机的输出转矩大小、高档齿 轮输入端的转动惯量、换档瞬间高低档齿轮的转速差，而在实际的条件下，对于 一个确定的自动变速器，由于齿轮传动系统机械系统和存储在t c u 中的自动换档 规律已固定，所以转动惯量和换档瞬间转速差是已知的确定值，所以，此时换档 同步时间就完全取决于换档电机输出转矩的大小，并与其成反比，即： 肚打老( 2 - 6 ) 此时电机输出反向转矩，对于高速档齿轮是降速过程。 2 3 2 2 高速档到低速档的过程 此过程为啮合套由两档挂上低档的过程，e l i2 3 1 节司知，在高档齿轮和 低档齿轮之问存在着转速差： 国= 功f 一国 = 兰毛立一 o ( 2 - - 7 ) 根据式2 - - 3 ，此时电机输出的转矩肘。应满足： 吮= 鲁= 警( 2 - - 8 ) 其中，一为低档齿轮输入端的转动惯量。 此时换档同步时间为： 舡z 。薏( 2 - - 9 ) 此时电机输出正向转矩，对于低速档齿轮是升速过程。 2 4 3 同步时间可行性分析 由2 3 2 1 与2 3 2 2 小节可知，有源同步f l 动变速器同步时间可以根据 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 实际工况所需进行调整，灵活性较大，只要换档同步电机在换档过程中提供的同 步转矩等于采用机械同步器换档时所需的同步摩擦转矩即可，因此，加装了有源 同步装最的自动变速器较之采用同步器的产品，可以满足其对换档时间的要求， 在传统a m t 上使用的可行性比较高。 2 4 本章小结 本章主要介绍了有源同步自动变速器的机械结构及工作原理，并且通过对 传统同步器的同步时间及有源同步装置换档时间计算，分析了有源同步自动变速 器换档时间的可行性，证明了有源同步装置可以应用在传统的电控机械式自动变 速器。 i s 武汉理工大学硕士学位论文 第三章有源同步自动变速器硬件系统设计 3 1 有源同步自动变速器t c u 硬件设计 3 1 1t c u 控制器硬件设计方案 图3 1t c u 控制器硬件设计方案 如图3 1 ，从上面的分析知，系统的直接输入输出信号主要是模拟量和数 字量，t c u 利用i o 输入模块和a d 输入模块将传感器信号转换为处理器能够识 别的数字信号。处理器也需将处理好的数据经过i o 输出模块和d a 输出模块控 制执行机构来完成控制目标。为了提高人机交互的友好性，t c u 还要提供l c d 显 示模块。为方便调试，t c u 还需同上位机p c 进行数据通信，所以t c u 还要提供 通讯模块。 3 1 2t c u 芯片的选择 3 1 2 1d s p 芯片特点及功能 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术，也称为数字信号处理技术，是将 一种具有特殊结构的微处理器应用于各种信号处理上，并通过各种信号处理算 法，满足系统的控制要求的技术。一般来说，d s p 芯片内部采用程序和数据控制 总线分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛使用流水线操作，还可以应 用一些特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法阱1 。 和普通的单片机系统相比，d s p 芯片一般具有如下的主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 ( 2 ) 程序和数据空日j 分爪可以同时访问指令和数据。 ( 3 ) 具有低开销或无开销循环及跳转约硬件支持。 ( 4 ) 快速的中断处理车【i 馒件i 0 接口支持。 1 9 武汉理_ 大学硕士学位论文 ( 5 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 ( 6 ) 可以并行执行多个操作。 ( 7 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠操作。 t m s 3 2 0 系列d s p 包括：定点、浮点、多处理器d s p 和定点d s p 控制器。t m s 3 2 0 系列d s p 的体系结构专为实时信号处理而设计，该系列d s p 控制器将实时处理能 力和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案汹3 。 在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础上，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 有以下些特点： ( 1 )采用高性能静态c m o s 技术，使供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的 功耗；3 0 m i p s 的执行速度使德指令周期缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，从而提高了控制 器的实时控制能力； ( 2 )片内存储器：高达3 2 k 字( x 1 6 位) 的f l a s he e p r o m 程序寄存器， 高达2 5 k 字( x 1 6 位) 的数据程序r a m ，5 4 4 字的d r a m 和2 k 的s a r a m 。 ( 3 )外部存储器扩展接口：总共1 9 2 k 字( x 1 6 位) 的存储器，程序存储 器、数据存储器以及i o 存储器各6 4 k 字空间； ( 4 )两个事件管理模块e v a 和e v b ，各有两个1 6 位的通用定时器，8 个 1 6 位的p w m 通道。 ( 5 ) 看门狗定时器模块。 ( 6 )高达4 0 个可单独编程或复用的通用输