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南京理工大学硕士论文 功辜分流式自动变速器电子控制系统研究与工程化设计 摘要 功率分流式自动变速器o s a t ) 是一种新型车用自动变速系统，结合功率分流式 无级变速器( p s - c v t ) 和机械式自动变速器( a m t ) 的优点，提出了一种新的解决方案， 用机电控制系统替代电液控制系统，既保持p s - c v t 的无级变速和传递较大功率的特 性，同时又具有a m t 结构简单、成本低廉和稳定可靠的优点。本课胚研究功率分流 式自动变速器的电子控制系统，在前期电子控制系统的研究基础上，从硬件方案和控 制软件设计两方面对系统迸步的完善和改进，研制出满足试验要求的变速器电子控 制系统。课题充分体现了机电一体化、计算机和自动控制技术与汽车技术的结合。 课题从工程化以及实用性的角度研究和分析了功率分流式自动变速器电子控制 系统的功能要求以及设计原则，完成电子控制系统总体方案的改进设计。根据控制要 求分析了电子控制系统中传感器与执行器选型方案，结合变速器系统要求和传感器执 行器特性设计了安装方案；购置所需传感器和执行器，按设计方案进行了安装调试。 自主开发出电子控制系统的核心一一电子控制单元( e c u ) 。利用计算机辅助技术 完成e c u 的硬件电路原理图与软件流程设计；按设计要求加工制作出e c u 电路板， 应用嵌入式操作系统和c 语言完成了控铝0 软件的编写。 课题中进行了功率分流式自动变速器样机的台架试验。完成了试验台架的方案设 计与搭建工作，自主开发了功率分流式自动变速器试验测试软件系统：在此基础上完 成7 电子控制系统的初步试验，试验证明本电子控制系统能实现变速器的起步控制和 换挡控制，达到了预期的要求。 关键词：功率分流式，自动变速器，电子控制系统，设计，试验 南京理工大学硕士论文功率分流式自动变速器电子控制系统研究与工程化设计 a b s t r a c t p o w e rs p l i ta u t o m a t i cu a n s m i s s i o i lo s a t ) i sa 船wt y p eo f l r a r t s m i s s i o ns y s t e m p s a r u s e san e wd e s i g np r o j e c tt h a tc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g eo f p o w e rs p l i tc o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o n ( p s - c v t ) a n dt h 缸o fa 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 d ， i tc o u l dc h a n g ev e h i c l es r , e e dr a t i oc o n t i n u o u s l ya n dt 】r a m f e ra h i g h e rt o r q u e a ti o wc o s t t h e e l e c t r o n i ce o n u o ls y s t e mo ! c s ) f o rp s a ti sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e r n 圮 e c si n c l u d i n gh a r d w a r ep r o j e c ta n dc o n t r o ls o f t w a r eh a sb e e no p t i m i z e da n dd e s i g n e d ， b a s e do np r o p h a s er e s e a r c h i n t e g r a t i v ea p p l i c a t i o no fm e c h a t r o n i e ，c o m p u t e r , a u t o m a d o n t e c h n o l o g ya n dv e h i c l ee n g i n e e r i n gi se m b o d i e di nt h i sp r o j e c t t h ef u n c t i o na n dd e s i g np r i n c i p l eo ft h ee c si sr e s e a r c h e da n da n a l y z e d ，a n dt h ew h o l e d e s i g ns c h e m eo f i sd e v e l o p e da c c o r d i n g t ot h ed e m a n do f p r o j e c ta n dp r a c t i c a l i t y t h e s e n s o r sa n dg x c l i t o i sa r es e l e c t e da n da n a l y z e d ，a n dt h ef i tp r o j e c ti sd e s i g n e dc o m b i n i n g t h et r a n s m i s s i o nn e e d s t h ek e yo f e c s ，e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) i sd e v e l o p e ds e l f - d e t e r m i n a t i o n f i r s t l y ，t h e c i r c u i ts c h e m ea n ds o f t w a r ef l o wa r ea c h i e v e db yc o m p u t e ra i dd e s i g n s e c o n d l y ，t h ep r i n t c i r c u i tb o a r d ( i c b ) i sd e s i g n e da n dp r o c e s s e d t h i r d l y 。c o n t r o l , s o f t w a r ei sd e v e l o p e d b a s e d0 1 1e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n dcl a n g u a g e a tl a s t , e c ui sd e b u g g e da n di t c o u l dr t mn o r m a l l y i nt h i sp r o j e c t , t t l ef i r s tp s a tp r o t o t y p ei sd e v e l o p e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c ee x l j i e r ：i m c n t s a r ec a r r i e do u tw i t ht h ee c s t h et e s t - b e di sd e s i g n e da n db u i l t , a n dat e s ts o f t w a r es y s t e m i sd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l y t h ec x p e r i m e r l l tw a sc a r r i e do u to i lt h ep r o t o t y p eo fp s a t w i t ht h et e s ts y s t e m , d u r i n gw h i c ht h ep e r f o r m a n c eo ft h ee c sw a sa l s ot e s t e da n dp r o v e d t h a ti tc o u l dm e e tt h ed e m a n do ft h es t a r t i n ga n ds h i f t i n go fp s - a t k e yw o r d ：p o w e rs p 乩a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，d e s i g n i n g ，e x p e r i m e n t i n 南豪理工大学硕士论文功率分流式自动变建嚣电子控制系统研究与工程化设计 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名哪年f 月歹矿日 南京理工大学硕士论文功率分流式自动变速嚣电子控制系统研究与工程化设计 1 绪论 1 1 研究的目的与意义 车辆无级变速一直是人们追求的理想。采用无级变速的传动系统，通过速比的 连续调节，能够确保发动机沿最佳燃油经济线工作，提高燃油经济性，节省燃油， 降低有害气体排放；同时，无级变速系统可使车辆变速更加平稳，提高了乘坐舒适 性【i i 虽然无级交速器( c v t ) 技术已经取得了极大的发展，但其存在许多缺点。现 在车辆用的普通无级变速系统存在效率低、起步性能差，传动功率小、控制不够理 想、成本过高等问题。因此，许多专家学者开始研究一些新型无级变速系统。功率 分流式无级变速系统( p o w e r s p l i t c o n u n u o u s l y v a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ，简称p s - c v t ) 就是其中很有前景的一种。 本课题所研究的对象功率分流式自动变速器( p s a t ) ，是一种新型自动变 速系统，在结构上其结合了p s - c v t 和机械式自动变速器( a m t ) 的优点，包含了一 个无级变速单元( 无级挡) 和其他挡位；控制系统也与传统的电液控制c v t 系统 不同，提出了一种新的控制系统解决方案，用机电控制系统替代电液控制系统，从 而克服电液系统所固有的缺陷。既保持了p s - c v t 无级变速和传递较大功率的特性， 同时又具有a m t 结构简单、成本低和稳定可靠的优点，这也正是该课题的理论意 义所在。采用电子系统控制可实现动力传动系统的自动控制，充分发挥发动机的特 性，实现动力传动系统的最优控制，使车辆总是在最佳工况附近行驶。功率分流式 自动变速器也将采用电子控制系统，研究适应该变速器的电子控制系统是本文的主 要任务，也是该变速器研究的重要组成部分。 本课题是江苏省车辆工程重点试验室开放基金资助项目、科学技术部科技型中 小企业技术创新基金资助项目。功率分流式自动变速器以微型汽车为装配对象，具 有很好的实际应用前景【”。 车辆电子产品一般分类为车辆电子控制装置和车载电子装置。前者和车辆机械 系统进行配合使用，即所谓“机电结合”的车辆电子装置，包括发动机控制系统、 底盘控制系统等等。虽然我国在与整车性能密切相关的车辆电子控制装置的研究方 面已经取得了一些进展，并积累了一定的经验。有些项目已经进行了装车实验，但 整体上技术还十分薄弱，系统的功能、可靠性、稳定性和控制精度与国际先进水平 仍有很大差距。而目前在国内，电子控制系统应用最多的轿车市场仍然是以进口或 合资企业的产品为主，国内自主开发的产品为辅，并且集中在低端电子设备领域。 国内合资的整车制造商绝大部分延用其外方伙伴供应商提供的电子产品。由于合资 的车辆制造商对其供应商的认证、审核过程非常复杂，不但要求较高，而且费时、 南京理工大学碛士论文功率分流式自动变速器电子控制系统研究与工程化设计 费力l 。许多国内自主开发的轿车产品也采用进1 2 1 的车辆电子产品。目前电子控制 的核心技术主要掌握在外商手里，加快车辆电子控制技术的研究和电子产品的研制 工作，以成为我国打破外商技术垄断、自主车辆技术升级的关键。 因此从变速系统本身以及其电子控制单元这两方面所具有的理论和实际价值 看，本课题的研究都具有重要意义 1 2 国内外研究现状 p s c v t 系统的出现是为了解决传统c v t 技术存在的效率低、起步性能差、传 递功率小、控制不够理想、成本过高等问题。该系统中带只传递一部分的动力，可 以有效的解决带传动的功率小，效率低的问题。1 9 6 5 年m a c m i l l a n 和d a v i e s 提出 了功率分流式带一行星轮系无级变速系统动力学的布置方案。随后，在1 9 6 7 年w h i t e 作了功率流分析。1 9 7 5 年1 9 9 4 年间，c h a d d a ，1 4 s i c h 等人分别作了机械效率分析， j p - m a c e y 和h v a h a b z a d e h 于1 9 8 7 年也提出带一轮系无级变速系统，目前尚处于 理论研究阶段。台湾成功大学机械工程研究所在九十年代提出了一套系统化的方法 设计带一行星齿轮无级变速系统，并进一步进行了运动分析、功率流分析，导出了 行星齿轮系统基本尺寸确定的基本过程。2 0 0 1 年，vhm u e i n o 、gm a n t r i o t a 等人 分别提出了新的系统布置方案，v h m u e i n o 在论文中还设计了功率分流式无级变速 系统的模拟仿真程序流程，并且给了一个仿真的例子说明程序的特征，从理论上说 明了功率分流式无级变速系统可行性和优点。 p 黜 图1 1p s c v t 动力流动图 目前在意大和d e l l ab a s i l i e a t a 大学，美国西弗吉尼亚大学都开展了对功率分流 式车用无级变速器系统的结构分析，运动学分析、效率分析的研究和试验工作， p s - c v t 系统在车辆上的实际运用诸如装备p s - c v t 系统的整车动力性分析，经济 油耗性分析 4 1 。而对于p s - c v t 电子控制系统等方面的研究工作开展的范围不是很 大，相关的学术文章也比较少，p s - c v t 系统的研究在c v t 研究领域具有前沿性。 2 南京理工大学硕士论文功率分流式自动变速器电子控制系统研究与工程化设计 无级变速器一般通过电子控制系统控制其工作。根据执行系统的分类可以分为 电液式和全电式。电液式是应用比较成熟的控制方式，但液压控制系统要消耗相当 大的能量。用电机作为执行器的全电式是一种新的控制方式，它不但可以使传送带 的压力降至最小，而且还可以无液压传送力矩，在轻、微型车有较大的应用前景。 电子控制单元是整个电子控制系统的核心，变速器在它的指挥控制下工作。目 前国内装配的自动变速器的电子控制单元绝大多数被外国公司所垄断，我国的一些 科研机构也在积极的开展电子控制单元的开发研究工作，清华大学、吉林大学、同 济大学等一些高校自主开发的控制单元已经成功的进行了装车试验。v 模式是目前 比较成熟的开发流程，由功能设计、快速控制原型、目标代码生成、硬件在回路仿 真、标定组成，而在各个阶段，都有不同的工具进行开发。系统工程和v 模式流程 的概念在中国车辆电子行业已经逐步接受，众多研究机构和企业基于此模式进行动 力系统、制动系统及安全系统电子控制单元的开发。 本校车辆工程系自2 0 0 2 年就开始了对p s - c v t 的研究，并且创造性的提出和 设计了一种以功率分流传动技术为核心的全新方案，功率分流式自动变速器。目前 已做了大量的研究工作，包括系统的运动学分析，功率流分析、力学分析、传递效 率分析、系统建模仿真、控制策略研究以及电子控制系统的研究，并且顺利完成了 第一台功率分流式自动变速器样机的设计加工和装配。在样机的台架试验中，完成 了样机的稳态特性，动态性能，起步控制，换挡动态性能以及噪声测试。试验过程 中应用了本课题所研究的电子控制系统，进行电子控制的初步探索，取得了较好的 效果。 1 3 研究的主要内容 本课题将研究并设计出功率分流式自动变速器的电子控制系统，主要工作包括 传感器技术研究，执行器分析选用和电子控制单元研制三个方面展开。在前期研究 成果的基础上，对功率分流式自动变速器的整个电子控制系统进行全面的研究和改 进，最终完成电子控制系统的设计。课题还要完成功率分流式变速器的台架试验， 验证变速器系统本身和电子控制系统的功能性，为新一轮样机设计和电子控制系统 改进完善以及装车试验做准备工作。 3 南京理1 = 丈学硕士论文功率分流式自动变速器电f 拧制系统研究卜j t 程化设计 2 功率分流式自动变速器简介 2 1 功率分流式自动变速器方案与结构 从传动形式看，功率分流式自动变速器属于复合传动，同时它也属外分流传动。 发动机输出的动力一路传递给齿圈，另一路传递给太阳齿轮，在行星架形成汇流。 齿圈一路的传动装置，有液压式和机械式。本变速系统采用了机械一机械复合传动。 机械传动又包括啮合传动与摩擦传动。啮合传动传递效率高，只适用于定比传动， 不能形成速比的变化。摩擦传动易于实现速比可调，对冲击具有缓冲作用和过载保 护作用，但传递效率低。功率分流式自动变速器齿圈动力传递一路了采用摩擦传动 方式，而另一路太阳齿轮与行星齿轮属于啮合传动，采用该种传动设计方案，整个 自动变速器可以形成无级变速，传递效率处于啮合传递效率与摩擦传递效率之间【5 l 。 功率分流式自动变速器结构如图2 1 所示。 z 1 主动带轮增速主动齿轮z 2 主动带轮增速从动齿轮z 3 齿圈减速主动齿轮z 4 齿嘲减速从动齿轮 z 5 直接挡圭动齿轮z 6 真接捎从动齿轮z 7 倒捎主动齿轮z 8 倒挡惰轮z 9 倒挡输出齿轮 z 1 0 z 1 5 主动带轮功盘减速驱功机构z r 齿嘲z s 太阳齿轮z p 行单齿轮c l - c 2 同步组 c 3 前进捎蚓步器p c 行星架b 液雎制动兀件咿c 磁粉离合器e 速比控制电机 图2 1p s a t 的结构简图f 6 l 如图2 1 所示，功率分流式自动变速器采用一单排两自由度行星齿轮机构与一 带式无级变速单元以及磁粉离合器组成。行星齿轮机构有一个太阳齿轮、一个齿圈、 三个行星齿轮、三个行星齿轮轴、一个行星架。无级变速单元是功率分流式自动变 速器的核心部件，包括主动带轮、从动带轮和于式复合带，主、从动带轮由定、动 两盘组成。课题研究中主动带轮采用了机械调节式和主动控制式( 虚线部分) 两种 方式。机械调节式结构简单，易于维护；主动控制式可完成速比的精确控制，可以 4 南京理工大学硕士论文功率分流式自动变速器电子控制系统研究与工程化设计 开展巡航控制等多种智能驾驶模式应用的研究。 太阳齿轮与变速器的输入轴直接连接，其转速为变速器输入转速，当齿圈转速 因带式无级变速单元速比的连续变化而变化，进而形成行星架无级变速，使变 速器具有无级调速的功能。在此基础上，为了满足车辆起步的大速比要求，高速挡 下面的小速比和倒挡需要，功率分流式自动变速器进行了挡位扩展。这几个挡位的 切换通过同步器组c l - c 2 、同步器c 3 、制动器b 不同位置或状态实习时。 2 2 功率分流式自动变速器工作原理 功率分流式自动变速器包括空挡、前进挡、倒挡，其中前进挡又分为起步挡、 无级变速挡和直接挡。结合图2 1 所示，各挡位工作原理及动力传递路线如下嘲； 空挡，与传统的自动变速器的空挡不同，功率分流式自动变速器的空挡是将离 合器输入输出分离而形成的，此时发动机动力不能输出。 起步挡，离合器处于接合状态，同步器c l 和c 2 处于分离状态，同步器c 3 处于 接合状态，倒挡惰轮处于非啮合状态，液压制动元件b 处于制动状态，使齿圈可 制动，发动机动力传递给太阳齿轮z s ，通过行星架p c 形成减速将动力传递给输出 轴，该挡的速比可以满足车辆起步过程大驱动力矩的需要，在起步挡由齿轮单独完 成动力传动。 无级挡，离合器处于接合状态，同步器c l 和c 3 处于接合状态，同步器c 2 处于 分离状态，液压制动元件b 处于分离状态，发动机动力传递分为并行的两路，一路 发动机动力传递给太阳齿轮嚣；另一路动力经主动带轮增速主动齿轮z l 、主动带轮 增速从动齿轮挖传递给无级变速单元，通过无级变速单元输出的动力经过齿圈减 速主动齿轮z 3 、齿圈减速从动齿轮z 4 传递给齿圈，行星架p c 汇集太阳齿轮与齿圈 传递的动力经输出轴将动力输出。 无级变速单元使齿圈的转速形成无级变化，从而形成行星架转速的无级变化， 因此实现车辆在该挡位的无级变速。无级挡由带式无级变速装置和齿轮传动共同完 成动力传动。主动轮的动盘由驱动执行器或离心力的作用可以向左运动或向右运动 实现不同的传动比。当主动轮向左运动时，由于传送带的长度一定，从动轮就在弹 簧张力的作用下紧跟着向左运动；主动轮向右运动时，从动轮在传送带的推动下也 向右运动。通过主动轮与从动轮可动盘的轴向移动来改变主动轮、从动轮锥面与v 型传动带啮合的工作半径，从而改变传动比。由于主动轮和从动轮的工作半径可以 实现连续调节，从而实现了无级变速。主动控制式无级单元动盘的轴向移动量及移 动速度是根据驾驶者的意图和车辆的工况由控制系统自动调节。 直接挡，磁粉离合器处于接合状态，同步器c l 处于分离状态，同步器c 2 和c 3 处于接合状态，液压制动元件b 处于分离状态，发动机动力经主动带轮增速主动齿 5 南京理工大学硕士论文 功辜分流式自动变速器电子控制系统研究号工程化设计 轮z 1 、主动带轮增速从动齿轮砭、直接挡主动齿轮z 5 、直接挡从动齿轮z 6 经输出 轴输出，在直接挡由齿轮单独完成动力传动。 倒挡；磁粉离合器处于接合状态，同步器c l 、c 2 、c 3 处于分离状态，液压制动 元件b 处于接合状态，倒挡惰轮z 8 处于啮合状态，发动机动力传递给太阳齿轮z s ， 通过行星架p c 形成减速输出，依次通过直接挡从动齿轮z 6 、直接挡主动齿轮z 5 、 倒挡主动齿轮z 7 、倒挡惰轮z 8 、倒挡输出齿轮z 9 ，动力反向后，最后经输出轴输 出。 6 南京理工大学硕十论文功率分流式自动变速器电子控制系统研究与t 程化设计 3 功率分流式自动变速器电子控制系统 3 1 功率分流式自动变速器电子控制系统方案 3 1 1 电子控制系统的功能要求及设计原则 由功率分流式自动变速器的结构和原理可知，需要实现自动控制的部件是换挡 机构，速比调节机构以及动力传输的离合器。电子控制系统的工作目标是要使自动 变速器在各种工况下都能按照预定的最优控制规律工作。因此电子控制系统必须包 括工况信号采集的传感器，对信号进行分析处理并输出相应控制信号的控制单元， 以及驱动变速器部件工作的执行装置。其基本工作原理是传感器将车况信息和驾驶 员控制信息转换为电信号，电子控制单元实时对这些信号进行采集和处理，并将信 息与存储于其中的控制规律进行比较，应用一定的控制策略计算出目标控制量，并 通过电路输出驱动执行器带动控制机构运动，从而实现变速器的自动控制。 自动变速器装配在汽车上用于发动机的动力传输及变换，因此其电子控制系统 的工作环境非常差。电子控制系统不仅要有完善的功能，还必须有良好的性能，要 具备较高的抗于扰性和可靠性，同时考虑实际应用也要便于故障诊断和维修。 功率分流式自动变速器的应用对象是微型汽车，因此在电子控制系统的设计中 需要对成本予以重视，使电子控制系统有较高的性价比。 3 1 2 电子控制系统总体方案介绍 功率分流式自动变速器是我校自主研发的新型车用自动变速器，本课题从传感 装置选型安装、执行器选型及性能分析、电子控制单元研制三个方面对其电子控制 系统展开了研究。功率分流式自动变速器的电子控制系统如图3 1 所示。 图3 1p s a t 的电子控制系统示意图 7 南京理工大学硕+ 论文功串分流式自动变速器电f 拧制系统研究卜j 丁程化设计 功率分流式自动变速器采用了全电式控制方案，其电子控制系统中传感装置包 括挡位开关、模式选择开关，转速传感器，位置( 移) 传感器、角位移传感器等。 执行器包括换挡驱动电机，制动电机，主动控制式无级变速单元中还包括速比调节 电机。变速系统中采用的磁粉离合器直接由电子控制单元控制，实现动力传输通断， 也是功率分流式自动变速器电子控制系统的执行器。电子控制单元由硬件和软件构 成，其中硬件电路包括控制核心、输入模块、输出模块、通信模块和其他辅助模块。 3 2 信号检测装置选型与安装 传感器是车辆自动控制系统的输入装置，它把车辆运行中各种工况信息，如驾 驶员控制信号、车速等，转化成电信号传输给控制器，作为车辆控制的依据。 3 2 1 测速装置与测速方法 功率分流式自动变速器的自动控制中，电子控制系统需要检测三路转速，分别 是发动机输出轴转速，变速器输入轴转速，变速器输出轴转速。传感器将机构运动 的物理信号变换为电量信号。变速器输入输出转速测量方案为在箱体上安装齿轮传 感器直接测量；而发动机的转速则间接测量获得：发动机输出轴与离合器主动件相 连接，测量离合器主动件的转速即得到发动机的转速。 发动机转速检测 发动机输出轴与离合器主动件相连，测量离合器主动件的转速就盯得到发动机 的转速。转速测量方案为在离合器主动盘上安装测速盘，测速盘边缘均匀布置磁体， 使用霍尔接近开关测量旋转磁体，从而输出方波信号供电子控制单元计算转速。 霍尔接近开关原理与霍尔齿轮传感器相同，但接近开关的检测对象磁体，因此 测速盘上要布置均匀的磁体，接近开关将检测到的磁讯号转换成数字电压输出。测 速盘、磁体尺寸以及安装效果如图3 2 所示。 图3 2 发动机转速测量装置 测速盘周围均匀布置了3 0 个磁体，因此发动机飞轮每旋转一周，传感器输出 3 0 个连续脉冲信号。 联 礓 罐 ，f 一 博恰竺苎性m 一 啪笛 南京理t 大学硕十论立功率分流式自动变速器电f 拧制系统研究与工程化设计 变速器输入输出转速测量装置 原设计方案中采用的变速器输入输出轴转速测量方法与发动机转速测量方法 类似，也是利用霍尔接近歼关检测安装于齿轮上的四周均匀布置了磁钢的测速盘， 从而获得转速信号。但在实际应用中出现很多问题，例如在测速盘上安装众多的磁 钢片精度难以保证，安装周期加长、效率降低：测速盘和接近开关均需要安装在变 速箱体内部，使变速器装配和使用中的维护维修困难；而且由于测速盘的高速旋转， 难以保证磁钢不脱落等等。 本文改进方案为在箱体上安装齿轮传感器直接测量。齿轮机构转速测量的传感 装置有多种。常用的电磁类传感器由多匝铜线缠绕而成，温度太高易导致其电阻升 高，而且其输出信号为正弦曲线，电子控制单元中需要有专门电路进行处理。设计 中选用了霍尔效应的齿轮传感器，可直接输出o 5 v 的方波信号，简单电路处理后 即可为处理器使用。 霍尔齿轮传感器是一种用于测量速度、角度、转速、长度等的新型传感器。利 用霍尔效应，由传感黑色金属齿轮或齿条的齿数并转换成电压脉冲信号来测量物体 的速度、转速等参量。输出幅度与齿轮转速无关，低速性能优异：工作频率高，可 达l o o l ( 1 z ；抗电磁干扰：有电源极性反向保护；其工作工作电压v c e 从5 2 0 v 。 输出低电平v o l _ _ f v e c 1 ) v ，可与r r l 器件直接相接。 卑 卑度b 图3 3 霍尔速度传感器的内部结构与安装示意图 安装与检测物要求： l 、检测物不超过下列最小指标：齿厚窀1 5 ，齿间距眨1 5 ，目标物厚度娩1 5 ( 衄) ，参见图3 3 传感器安装示意图； 2 、2 m m 传感距离内，即齿顶面与传感器端面的平行距离应不大于2 m m ： 3 、- 4 0 - 4 5 0 。c 温度范围内，可以应用于车辆工作环境。 功率分流式自动变速器输入输出轴上的2 个齿轮z 1 、z 9 几何参数分别为齿数 z = 5 1 ，模数m = 2 。齿厚s = 3 ，齿槽宽e = 3 ，齿轮盘厚b = 1 0 。满足齿轮测速要求。变 速器轴每旋转一周，传感器输出5 1 个脉冲信号。 9 南京理工大学硕士论文 功率分流式自动变速器电子控制系统研究与工程化设计 测速方法 通过霍尔效应传感器输出的方波信号可以很容易的计算出转速。常用的测速方法 有三种； m 法测速，规定的时间问隔内，测量所产生的脉冲数来获得被测转速值。 t 法测速，未设定测量时间，而测量相邻两个脉冲的时间问隔来确定被测转速。 m t 法测速，同时测量检测时间和在此检测时间内脉冲发生器发送的脉冲数来确 定被测转速，然后根据测量的检测时间和脉冲个数来确定转速。 m 法适用于高速测量，t 法在低速时有较高的精度和分辨率，适合于低速测量。 m t 在高速和低速段均可获得较高的分辨能力。但所需要的硬件成本要高，且占用的 为微处理器时间也较长。考虑测速对象转速在5 0 0 0 r p m 以下，因此采用t 测速法。 t 传感器输出脉冲 k _ 几几几几几几几几几n 门几几几几几几几几几几高频计数脉冲， 图3 4 t 法测速 设计数( 时) 器频率为而，计数器由测速脉冲的两个相邻脉冲控制其起始和终止。 单次脉冲测量，计数器的读数为 以被测咏冲的周期为死= m f o ，若被测对象旋转一 周传感器输出脉冲数为z ，则被测对象转速为： 打= 而6 0 = 等( r l m i n ) ( 3 1 ) t 测速法分辨率为： d 一6 0 l 皇呸：生兰 。施似+ 1 ) z6 0 l + n z ( 32 ) 随着转速玎的升高，q 增大，愈低，9 愈小；局愈高，分辨率愈高。 3 , 2 2 驾驶员控制信号采集装置 油f 3 制动信号： 油门信号和转速信号部是自动变速器换挡控制的依据，因此在电子控制系统中 需要采集油门开度信号。 油门信号通过采集驾驶员加速踏板的角度获得，常用旋转角位移传感器，电子 控制草元给传感器提供工作电压v c c 。随着踏板旋转的角度不同传感器输出0 v c c 联系变化的电压值。车辆制动信号的采集方式通油门信号相似，将角位移传感器安 装于制动踏板上的，当驾驶员踩制动踏板发出车辆制动命令时，传感器输出反映制 动程序的0 v c c 的模拟信号。 1 0 南京理工大学硕十论文功率分流式自动变速器电子拧制系统研究与t 程化设计 图3 5 电阻式角位移传感器原理及其输出特性 挡位选择开关 功率分流式自动变速器包括空挡，前进挡，倒挡三个手动控制挡位，三个挡位 通过操作换挡手柄选择。换挡机构与变速器同步器c 3 ( 见图2 1p s a t 的结构简图) 是机械连接，驾驶员对换挡手柄的操作驱动换挡机构实现前进挡和倒挡的切换，安 装于换挡操作机构中的3 个触点式开关判断驾驶员的换挡意图，产生相应的挡位信 号，作为控制变速器其他机构的依据。 前进 空捎 倒挡 j 皇 挡 位 开 关 图3 6 变速器挡位图及挡位开关布置示意图 驾驶模式选择开关。 自动变速器换挡控制中存在最佳动力和燃油经济性控制规律，驾驶员通过对驾 驶模式的选择切换这两种控制规律。这两个信号由模式选择开关产生。 3 2 3 挡位状态检测装置 功率分流式自动变速器中前进挡的三个挡位的切换由电子系统控制，其换挡机 构由同步器组和无级单元制动器组成，挡位由换挡机构的位置决定，为了准确地实 现自动控制，电子控制单元必须准确判断换挡机构当i ； 的位置和目杯位置。 同步器组位置检测 由功率分流式自动变速器工作原理可知，同步器组c 1 c 2 有三个位置。其位置 的检测可选用位置传感器或位移传感器。位置检测可用接近开关、触点开关；位移 检测可用线性位移传感器、直线滑线电位器、光电编码盘。 原设计方案中，使用了霍尔接近开关对这三个位置进行检测，同步器机构向左 ( 右) 运动，当进入无级挡( 直接挡) ，机构上的磁钢进入传感器的检测范围，传 感器1 ( 3 ) 发出脉冲信号，从无级挡( 直接挡) 退出时，则由传感器2 进行检测， 电子控制单元根据发出信号传感器判断同步器是否到达指定位置，传感器及磁钢片 布冒其方案如图3 7 所示。 一刁；= i ；毫 园一 南京理工夫学硕士论文 功牢分流式自动变速器电子控制系统研究t 程化设计 起步档( 初始位置) l 圈 起步档( j e 级档，直接档退出) 圈t 圈 进无级档埴接挡 圈圈 囝 - 垒：_ 口 h - 感虑距离。与磁体尺寸强度，轴向距离有关 l 一换捎行程。功率分流式自动变速器，1 = 1 0 b 一磁体宽度。选用磁体的尺寸为，b = 5 l 一传感器安装尺寸。l = l + 2 * h + b 图3 7 换挡同步器组位置检测方案 这种方案霍尔接近开关只能进行单点位置判断，在系统中安装尺寸l = i + 2 * h + b ，h 、b 均与磁体的尺寸，磁场强度有关，l 比较难得到精确值。同时装配过程 中也存在误差，一旦偏移了设定点，就不能满足位置检测要求。因此这种检测方式 在实际应用中比较难以精确控制，而若不能精确判断挡位，自动变速器将不能正常 工作。 本文对挡位检测方案进行了改进。同步器的位置检测采用了位移检测的方法。 物体位移检测的装置有多种，在应用中各有优势和不足： 滑线电位器，价格便宜，动态响应特性差，密封性差； 光电编码器，价格比较昂贵上千元，数值量输出； 霍尔线性传感器，霍尔效应，模拟量输出，反映出位移变化。 考虑成本，性能要求等因素选用了霍尔线性位移传感器。作为换挡同步器位移 检测元件。霍尔线性接近传感器结构和原理如图3 8 所示，检测改进方案如图3 9 。 图3 8 霍尔线性接近传感器结构图 昱国 南京理丁大学硕t 论文功率分流式自动变速器电子拧制系统研究吁t 程化设计 起步档( 韧始位置)进无级档，直接挡 h - - 感戍跑离与磁体尺寸强度，轴向距离有关 卜换捎行程。功率分流式自动变速器忙1 0 b 一磁体宽度。选用磁体的尺寸为，b = 5 图3 9 换挡同步器组位移检测方案 选用的霍尔效应位移传感器封装与原方案中的接近开关一样，因此可以对机构 不作改动的情况下直接换用安装。 无级单元制动状态检测 换挡过程中，挡位变换除同步器组位置要处于相应位置外，无级变速单元制动 驱动机构也应处于对应位置，以使其处于制动3 - 作状态。由于制动机构的位置检测 比较简单，只有一个位置点( 即制动位置) ，同时制动机构安装拆卸方便，传感器 的安装调整也比较容易，因此在系统中采用了霍尔接近开关，检测方案如图3 1 0 。 芒! ! 器 图3 1 0 制动机构位冒检测方案 3 2 4 无级单元速比检测装置 无级单元主动轮的位置直接反映了无级变速单元的传动比。本课题中将采用基 于角位移控制的速比调节电机策略i 刀，速比调节电机的角位移目标值需根据主动带 轮动盘的轴向位移目标，螺旋传动的特性转化为角位移。电机输出动力经三级减速 机构后其转速已经大大降低，并且无级单元所在的变速箱体内部环境较好，因此课 题中将采用旋转电位计作为速比检测装置，检测最后减速传动机构的旋转角度。通 过传感器输出o v c c 的连续变化的电压值来反映了不同的速比值。 一 曼圈，一 一 圉i， 南京理工大学硕士论文功率分流式自动变速器电子控制系统研究与工程化设计 3 3 变速系统执行器研究 3 3 1 换挡执行电机 功率分流式自动变速器的换挡机构由同步器组和无级单元制动机构组成，同步 器组的不同位置和制动器的不同状态决定了变速器前进挡中的挡位。在本系统中， 选用了电机驱动这两个机构，通过丝杠、滑套机构将电机旋转运动转变为滑套或丝 杠的直线运动，从而驱动同步器或液压缸活塞运动。为了控制简便，选用了直流启 动电机作为驱动的动力源。 垃枉轴最 ( a )( b ) 图3 1 1 换挡同步器与制动器驱动结构原理 推动同步器组需要的力f = 3 2 0 n | 【s l 。根据丝杠传动的原理，计算产生该轴向力 所需要的输入转矩为t = o 4 3 n m 。根据此转矩来对执行电机进行选型。课题设计中 选用的某型号直流电机，其主要工作参数为：额定电压1 2 v ，额定功率2 4 0 w ，输 出转矩 o 7 0 n m ，足够驱动同步器机构运动。 图3 1 2 换挡同步器驱动机构实物图 3 3 2 磁粉离合器 车辆动力传动系统中，离合器配置在发动机和变速器之间，实现发动机动力输 出与变速器动力输入的连接、分离以及半结合状态，从而实现车辆的平稳起步和平 顾换挡，也能有效地降低传动系统中的振动和防止传动系的过载。可根据应用需要 选用液力变矩器、摩擦片离合器和电磁离合器。液力变矩器能实现动力不切断传输， 使变速器换挡过程平顺稳定，但其结构复杂成本很高，并且需要额外消耗发动机能 量，常用于中高档的轿车；摩擦片离合器切断动力换挡，换挡冲击大同时需要液压 1 4 南京理工大学硕士论文功辜分流式自动变速器电子控制系统研究与工程化设计 或电机作为分离执行器，控制复杂 本变速系统中采用了一种非常适用电子控制的新型电磁离合器一磁粉离合 器，其也属于电磁离合器的一种。 3 3 2 1 磁粉离合器结构与工作原理 磁粉离合器以磁粉为介质，利用电磁原理使主动件和从动件通过磁粉实现接合 和分离，其结构如图3 1 3 所示。主动件由两环连接而成安装在车辆飞轮上，线圈安 装在两环中问，从动件呈杯状的环，同输出轴相连接，转动惯量较小，有利于快速 动作。从动件上有矩形缺口，磁粉填充在工作间隙中，当激磁电流断开后，能快速 顺利消除磁粉产生的连接作用，使离合器的断开性能得以改善。电磁线圈的出线端 连接到离合器端面的滑环上，通过电刷得到直流电。主、从动件均为铁磁材料形成 磁路。当主动件旋转而线圈不通电，工作间隙和储粉腔中的磁粉在离心力作用下被 压附在主动件内壁上，主、从动件处于分离状态，从动件不动。线圈通电后，工作 问隙中的磁粉被磁化，形成磁粉链，当主动件旋转时，靠磁粉间的电磁力造成的摩 擦力把转矩从主动件传给从动件，磁粉离合器所能传递的转矩由磁粉链的剪切强度 决定，又随磁场强度的增加而增大直到磁饱和为止，当激磁电流足够大时，从动件 同主动件同步运行，当激磁电流在一定范围内变化时，从动件同主动件不同步呈滑 差运行，当激磁电流小到一定程度时主动件不能带动从动件转动形成制动。 1 主动件 3 鼓耪 5 滑环+ t 礅路 2 ，从动件 4 线固 6 输出轴 8 工作间隙 图3 1 3 车用磁粉离合器结构示意图【9 l 3 3 2 2 磁粉离合器车用可行性分析 磁粉离合器有别且优于直流激发式电磁离合器之处是它以磁粉作为传递转矩 的一种独特媒介。磁粉离合器的特性参数通常是由施加到线圈上的激磁电流i 、主 动件转速n l 、从动件转速n 2 和传递转矩m 来决定。将4 个参数中的2 个设定为恒 南京理t 大学硕士论文功率分流式自功变建嚣电子控制系统研究弓t 程化设计 值，改变另2 个参数中的1 个，则最后1 个参数随之改变。设定2 个不同的参数， 再得到另外2 个参数之间的变化规律，可以得出反映离合器基本性能的静特性、机 械特性、调节特性和动特性【虮。磁扮离合器在车辆自动变速器中的应用，是利用了 其静特性和机械特性这两个基本特性。 离合器的静态特性反映了主动件转速为常数，从动件转速为零时、传递转矩与 激磁电流的关系。磁粉离合器的静特性如图3 1 4 ( a ) 所示。在电流值很低的弱激磁以 及电流值极高的强激磁这两种条件下，静特性的线性都不好，即转矩与电流之间呈 一种非线性关系。额定转矩在l o 1 2 0 的范围时，转矩与激磁电流呈近似的线 性关系【9 】。这一结果表明：磁粉离合器有较宽的静态线性调节范围。换言之，通过 调节激磁电流值，有可能对传递转矩进行比例调节控制。利用这点只要控制激磁电 流的大小就可以控制磁粉离合器的输出转矩，这对研究发动机和传动系统的动力结 合非常关键。 m = f ( i ) 1 1 2 = f ( m ) n l = 常数 ii = 常数 b b 心一 机械特性 ( a )( b ) 图3 1 4 磁粉离合器的特性图 离合器的机械特性描述了主动件转速和激磁电流恒定时，从动件转速与传递转 矩之日】的关系。图3 1 4 ( b ) 示出了磁粉离合器的机械特性。如图( b ) ，当负载转矩小于 b 点的数值m b 时，也邗l ，离合器的主、从动件处于同步工作状态。当负载大于 m b 而小于c 点的转矩m c 时、o n 2 n l ，离合器的主、从动件处于滑差工作状态。 当负载继续升高到 缸之后，n 2 之值变为0 ，离合器处于制动工作状态f 9 】。这表明： 当用离合器传递负载时，负载转矩的变化可使离合器处于同步、滑差或制动这三种 不同的工作状态。磁粉离合器的机械特性主要运用在发动机的过载保护上，当年辆 离合器完全接合后，激磁电流己升高到最大，当外界负载过大，超过离合器的传递 负载，磁粉离合器的主动件和从动件将出现滑磨，实现发动机的过载保护。 1 6 南京理工大学硕士论文 功率分流式自动变速器电子控制系统研究与工程化设计 本课韪使用的磁耪离合器允许较长时间的滑磨，并且在车用磁粉离合器最大滑 磨能力的试验中发现，磁粉离合器传递其最大转矩同时使磁粉离合器从动件制动， 这样磁粉离合器主、从动件转速处在最大的滑差状态下对磁粉离合器进行破坏性试 验，总共经历2 9 分钟，磁粉离合器才失效，因此不易出现因滑磨功超出其最大许 可值而造成磁粉离合器损坏的情况。 3 3 2 3 磁粉离合器控制系统研究 离合器控制系统结构框图 、 根据磁粉离合器的工作原理，对磁粉离合器的控制实际上是对加载电流的控 制，从而实现对离合器传递转矩的控制。控制电流通过加载磁粉离合器电枢上电压 产生，电压的大小通常采用电压信号脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称 p w m ) 方式控制。 a c r 一电流调节器1 ：a - 一电流互感器i 胁电