【正文】 蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 引言 自動(dòng)變速器，簡稱 AT(Automatic Transmission)，在汽車中的應(yīng)用是 20世紀(jì)汽車工業(yè)的一場大革命。 80年代，美國和日本 AT的裝車率就已超過手動(dòng)變速箱 (MT)。目前美國采用自動(dòng)變速器的轎車達(dá) 90％以上，在 日 本也已超過 70％，歐洲人盡管偏愛手動(dòng)檔，也仍然有 25％左右的裝車率 。液力式自動(dòng)變速器自 1939年誕生至今已有 60 多年歷史，發(fā)展最為成熟，應(yīng)用也最為廣泛，具有很好的綜合性能。然而目前國產(chǎn)車自動(dòng)變速器的占有率微乎其微，國內(nèi)大部分汽車均采用手動(dòng)的固定軸式齒輪變速器。盡快消化 和吸收國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，開發(fā)一種操作簡便、性能良好、價(jià)格合理且適合我國國情的自動(dòng)變速器來裝備國產(chǎn)車，是圈內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域科技人員面臨的重要課題之一。 自動(dòng)變速器的發(fā)展 隨著車輛技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)車輛操縱方便性和舒適性提出高的要求，對(duì)于轎車而言，提高傳動(dòng)效率，合理利用能源一直是傳動(dòng)系統(tǒng)控制的目標(biāo)。因此，車輛自動(dòng)變速一直都是人們追求的目標(biāo)。車輛實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化會(huì)帶來以下優(yōu)點(diǎn)： 1．減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。將駕駛員從頻繁的換檔操作中解放出來，這樣可以使駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度大為降低。 2． 提高勞動(dòng) 生產(chǎn)率。通過傳動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)操縱可以充分發(fā)揮車輛的動(dòng)力性使車輛具有良好良好的動(dòng)力性，加速性能和爬坡能力，進(jìn)而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 3．合理利用能源。車輛的油耗是與駕駛員的操縱水平密切相關(guān)的。有關(guān)資料表明：熟練駕駛員與非熟練駕駛員的油耗水平可相差近 10％隨著自動(dòng)變速技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于合理利用能源，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，在能源日益緊張的今天具有非常重要的意義。 4．增加行車安全性。一方面 ，由于自動(dòng)變速技術(shù)的采用，降低了車輛駕駛員的疲勞程度，有利于增加行車安全性；另一方面，通過傳動(dòng)系統(tǒng)的控制，可以實(shí)現(xiàn)巡航控制 車輛編隊(duì)跟蹤行駛 ，可以提高車輛的主動(dòng)安全性。 5．改善車輛排放性能。通過對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的合理控制，可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷狀況，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于良好的工作狀態(tài)，從而改善的車輛排放性能。 由于自動(dòng)變速技術(shù)有如此多的優(yōu)點(diǎn)，再加上社會(huì)環(huán)境的要求，實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)力傳動(dòng)系的自動(dòng)控制，足車輛技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 自動(dòng)變速器的分類 目前世界上使用最多的汽車自動(dòng)變速器主要有以 F3 種類型： 液力機(jī)械式自動(dòng)變速器 (Hydraulic Mechanical Transmission 簡稱 HMT)：傳動(dòng)部分主要由液力變矩器和多組行星齒輪組成， 它仍然分多檔，分幾速，是實(shí)現(xiàn)局部無級(jí)變速的有級(jí)變速器，按控制方式分有純液壓控制式和電子控制式兩種。目前它是使用最多的自動(dòng)變速器，是 AT 的主流，已廣泛應(yīng)用于轎車、公共汽車、重型車輛和商用車，在美國采用液力自動(dòng)變速器的轎車已達(dá) 90％以上。其優(yōu)越性是免除了手動(dòng)變速器繁雜的換檔和腳踩離合器踏板的頻繁操作，通過腳踩油門踏板，便可巧妙地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速，使開車變得簡單、省力。液力自動(dòng)變速器的電子控制系統(tǒng)使得自動(dòng)切換速度柔和、平穩(wěn)，所以乘坐與駕駛都感覺很舒適。采用蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 液力自動(dòng)變速器無疑提高了轎車的檔次，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、制造工 藝復(fù)雜等是它的缺點(diǎn)。 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器 (Automated Mechanical Transmission 簡稱 AMT)：在原有機(jī)械變速器基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過加裝微機(jī)控制的自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)，取代原來由駕駛員人工完成的離合器分離與接合、摘檔與掛檔以及發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速同步調(diào)節(jié)等操作，最終實(shí)現(xiàn)換檔過程的操縱自動(dòng)化。電控機(jī)械式自動(dòng)變速器由于原有的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)基本不變，所以齒輪傳動(dòng)固有的傳動(dòng)效率高、機(jī)構(gòu)緊湊、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)被很好的繼承下來，但由于先天性的性能和結(jié)構(gòu)限制，使其性能無法進(jìn)一步提高。 AMT 適用于舒適性能要求 比較低的重型車輛和作為輔助的自動(dòng)換檔方式使用 (例如：本田定軸式 AT，前進(jìn)檔和倒檔轉(zhuǎn)換就采用了 AMT 方式 )。 AMT應(yīng)用不 是很廣泛，主要應(yīng)用在重型車輛上，而在轎車上幾乎很少看到應(yīng)用。 金屬帶式無級(jí)自動(dòng)變速器 (Continuously Variable Transmission 簡稱 CVT)：采用傳動(dòng)帶和可變槽寬的棘輪進(jìn)行動(dòng)力傳遞，即當(dāng)棘輪變化槽寬時(shí)，相應(yīng)改變馳動(dòng)輪與從動(dòng)輪上傳動(dòng)帶的接觸半徑進(jìn)行變速，能實(shí)現(xiàn)真『 F 的無級(jí)變速。 CVT 變速器采用金屬帶傳動(dòng)，具有提速流暢、操縱便利、維修容易等優(yōu)點(diǎn)，不論司機(jī)還是乘客都感覺良 好。其操縱方便性和乘坐舒適性均可與液力變矩器相媲美，而其傳動(dòng)效率卻遠(yuǎn)高于液力變矩器，更主要的是能更好地協(xié)調(diào)車輛外界行駛條件與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載，充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)潛力，提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性。但 CVT 的缺點(diǎn)也是很明顯的，就是傳動(dòng)帶很容易損壞，無法傳遞大功率，金屬帶式無級(jí)自動(dòng)變速器所裝轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的排量多在 到 ，而且 CVT 結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。并且由 1 二 CVT的性能和可靠性尚未經(jīng)過充分的考驗(yàn)和證 j；，目前大多數(shù)廠家對(duì) CVT 仍抱謹(jǐn)慎態(tài)度，僅在作研究、實(shí)驗(yàn)、試用。盡管如此，世界上也已出現(xiàn)了一批生產(chǎn)金屬帶式無級(jí)自動(dòng)變速器的廠家 ，將金屬帶式無級(jí)自動(dòng)變速器商品化。雖然 CVT 商品化的時(shí)間不長，目前在汽車變速器中的占有率也不高，但其具有省油、降低排氣污染、操縱方便、行駛舒適的機(jī)械無級(jí)傳動(dòng)的優(yōu)良特性，只要材料科學(xué)的發(fā)展能夠改善金屬傳送帶的承受性能， CVT 的發(fā)展前景是十分看好的。 電控液力機(jī)械式自動(dòng)變速器組成 現(xiàn)代汽車自動(dòng)變速器普遍采用的是液力變矩器和行星齒輪變速器組合而成的電控液力機(jī)械式自動(dòng)變速器。其工作原理是：節(jié)氣門傳感器和車速傳感器將發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度和車輛行駛速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，連同其他反映汽車各組成和系統(tǒng)工作情況的傳感器信號(hào)一起 ，送到電子控制系統(tǒng)的電子控制單元 (Electronic Control Unit，簡稱 ECU)。輸入信號(hào)與事先存儲(chǔ)在電子控制單元中的控制規(guī)律進(jìn)行比較計(jì)算，并由電子控制單元向相應(yīng)的若干個(gè)電磁閥發(fā)出指令，接通或切斷流向換檔閥等的液壓油路，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)各離合器和制動(dòng)器動(dòng)作得到控制，從而精確地控制換檔時(shí)機(jī)和鎖止離合器的工作，并使自動(dòng)變速器的換檔更趨平穩(wěn)。電子控制液力機(jī)械式自動(dòng)變速器的組成和控制原理如圖 1． 1 所示。它主要由液力傳動(dòng)裝置 (液力變矩器 )、輔助變速裝置、液壓控制單元和電子控制單元 4 部分組成。以下對(duì)各部分作簡要 介紹。 1．液力傳動(dòng)裝置 汽車液力傳動(dòng)裝囂分為液力耦合器和液力變矩器，現(xiàn)代自動(dòng)變速器液力傳動(dòng)裝置大都采用液力變矩器。變矩器安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)乜輪上，它通過液力傳動(dòng)力矩，可在～定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)增扭和無級(jí)變速。 2．變速裝置 蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 目前普遍采用的是行星齒輪式變速器。該變速器是用行星排機(jī)構(gòu)來達(dá)到變速 的目的，它依靠離合器和制動(dòng)器根據(jù)行車需要來連接或制動(dòng)行星排的不同元件， 從而實(shí)現(xiàn)變速器的不同速比。其作用是進(jìn)一步增扭減速，通過變換檔位實(shí)現(xiàn)不同 的傳動(dòng)比，以提高汽車的適應(yīng)能力。 3．液壓控制單元 液壓控制單元起傳遞、控制、操縱、冷卻和潤滑等功能，主要由油泵、主調(diào)壓閥、節(jié)流閥、換檔閥、手控閥、電磁閥等組成。液壓控制系統(tǒng)受電控系統(tǒng)的控制，按照行車要求，把液壓油輸入到需要 1 作的離合器或制動(dòng)器油缸內(nèi)，以改變變速器速比，達(dá)到行車要求。 4．信號(hào)輸入裝置：包括傳感器 (節(jié)氣門位簧傳感器、車速傳感器及發(fā)動(dòng)機(jī)油溫傳感器等 )和信號(hào)開關(guān)裝置 (行駛模式選擇開關(guān)、空檔起動(dòng)開關(guān)、制動(dòng)燈開關(guān)及超速檔開關(guān)等 )。信號(hào)輸入裝置負(fù)責(zé)將汽車行駛的有關(guān)狀態(tài)信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，以便后繼的控制電路接受。傳感器信號(hào)一般有模擬量、脈沖量、開關(guān)量 等 3 種形態(tài)。 圖 1． 1 液力機(jī)械式自動(dòng)變速器控制原理 5． ECU：電子控制單是電子控制系統(tǒng)的核心，接收傳感器檢測(cè)到的汽車行駛狀態(tài)信息和駕駛員給出的干預(yù)信息，并進(jìn)行比較運(yùn)算。再按照某種規(guī)律發(fā)出指令，自動(dòng)控制傳動(dòng)系統(tǒng)工作。 ECU主要由輸入通道、控制器和輸出通道 3 部分組成。輸入通道接收各種輸入裝置，如傳感器和功能開關(guān)的輸出信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大或調(diào)制?？刂破鲗⑦@些信號(hào)與內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果做出是甭?lián)Q檔等決定，再由輸出裝置將控制信號(hào)處理或直接輸送給電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 ECU能同時(shí)存儲(chǔ)多種控制參數(shù)，能在 不同的控制規(guī)律間切換，如最佳動(dòng)力性換檔規(guī)律、最佳燃油經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律及日常行駛規(guī)律等，能完成比全液壓式控制系統(tǒng)復(fù)雜得多的自動(dòng)控制，而且僅需改變輸入信號(hào)及程序就可以適應(yīng)不同傳動(dòng)系和不同換檔規(guī)律的需要，不必改變機(jī)械加工工藝設(shè)備，使一種裝置可以通用于各種傳動(dòng)系統(tǒng)。ECU的功能有控制換檔時(shí)刻、控制鎖 止 離合器、控制換檔品質(zhì)和自我診斷與失效蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 防護(hù)功能。 6．執(zhí)行器：主要指電磁閥，它根據(jù) ECU 的命令接通或切斷液 流 回路。按其作用分為換檔電磁閥、鎖止電磁閥和調(diào)壓電磁閥。換檔電磁閥由于控制換檔油壓、位置和時(shí)刻；鎖止電磁閥用以控制鎖 止時(shí)間：調(diào)壓電磁閥用于凋節(jié)執(zhí)行元件卜的液壓，使換檔過程更順暢。 混雜系統(tǒng)的發(fā)展 混雜系統(tǒng) (hybrid systems，簡稱 HS)的提出是由于離散事件系統(tǒng)的深入研究和現(xiàn)代工業(yè)過程控制的需要?；祀s系統(tǒng)被定義為離散事件系統(tǒng) (DES)與連續(xù)變量系統(tǒng) (CVS)相混合而形成的統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。狹義上可以指一個(gè)系統(tǒng)中既包括離散變量，又包括連續(xù)變量的系統(tǒng)；廣義可以指系統(tǒng)包括相互作用的連續(xù)過程與離散過程。目前對(duì)混雜系統(tǒng)還沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的概念。 混雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念早在 70 年代末就已提出，但直到 80 年代末才引起學(xué)者們的廣 泛注意。自第 28 屆 CDC 會(huì)議 ll4J 以來， IEEE 和 LFAC 的重要會(huì)議上 開始出現(xiàn)關(guān)于混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的專題，另外，每年世界上都有關(guān)于混雜系統(tǒng)的國際會(huì)議召開，如 1994 年 CornellUniv． WOHYAC． 1995 年的 DIMACS， 1996 年 S’96(ComellUniv)。 1EEEControlSystem’ s Society 于 1996 年 2 月成立了以M． D． Lemmon 為 主席的混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)研究組 (Working Group of Hybrid Dynamic systems，并且不久 IEEE Tran. On Auto. Contr．將出一期關(guān)于混雜控制系統(tǒng)建模、分析和設(shè)計(jì)的專刊。此外，世界上許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都成立了關(guān)于混雜系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究小組，并形成自己的研究特色，如以區(qū)段演算 (Duration Calcutus)及其擴(kuò)展為工具的 UNU／ HST 周巢塵小組；以 AHS 系統(tǒng)研究致力于混雜控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究的 UBC 的 P． vayaria 小組；康奈爾大學(xué)的 A． Nerode 小組； MIT 的 N． Lynch 以及以色列的 Pnueti 小組等則致力于混雜系統(tǒng)的理論探索。 自 1986 年在美國高級(jí)控制會(huì)議上提出以來 ，混雜系統(tǒng)的概念 不久便成為離散事件系統(tǒng)研究和過程控制應(yīng)用中的一個(gè)新的熱點(diǎn)，并被公認(rèn)為對(duì)生產(chǎn)過程自動(dòng)化、自動(dòng)化調(diào)度、機(jī)器人控制、計(jì)算機(jī)通訊等一系列工程技術(shù)問題具有重要的 指導(dǎo)意義 。由于混雜系統(tǒng)內(nèi)含了連續(xù)動(dòng)態(tài)和離散動(dòng)態(tài)，如何描述系統(tǒng)、如何應(yīng)用于實(shí)際過程就成為 HS 研究中最困難、同時(shí)也是最富創(chuàng)造性的活動(dòng)。因此，系統(tǒng)建模與 HS 應(yīng)用研究構(gòu)成了 HS 研究中的核心內(nèi)容。 1991 年在法國召丌了關(guān)于 HS 的國際會(huì)議及 1992 年在月’麥召開了計(jì)算機(jī)科學(xué)問題巾的混雜系統(tǒng)理論專題研討會(huì)， 1994 年在法國 INRLA 召丌 DEDS’ 94的國際會(huì)議中就有關(guān)于 HS 的專題報(bào)告。從 1989 年起至今每年召開的 IEEE／CDC 大會(huì)論文集都有多篇有關(guān) HS 的研究文獻(xiàn)，例如， CDC’ 92 和 CDC’ 93。最近 ，國際刊物 ((Theoretical Computer Science))為此出版了專輯。近年來，有關(guān)HS 文獻(xiàn) 不斷增長，研究成果不斷涌現(xiàn) 。 本論文的主要研究內(nèi)容 本論文的工作是在前期對(duì)富康轎車自動(dòng)變速器研制基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)，開發(fā)基于大眾桑塔納 2022 型轎車的自動(dòng)變速器的電子控制單元。根據(jù)控制要求，設(shè)計(jì)外圍處理電路，并對(duì)此電路進(jìn)行調(diào)試。在設(shè)計(jì)硬件電路的基礎(chǔ)上，以摩 托羅拉16 位微控制器 MC9S12DP256 作為處理器，針對(duì)所控制的混雜系統(tǒng)，利用實(shí)驗(yàn)得出的各種條件下的換檔規(guī)律，編寫相應(yīng)的軟件程序，完成整個(gè)系統(tǒng)的控制功能。 第 1 章，分析國內(nèi)外汽車自動(dòng)變速器的發(fā)展和普及情況。對(duì)當(dāng)今應(yīng)用的變速蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 器的種類做介紹，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)采用自動(dòng)變速器汽車的優(yōu)點(diǎn)，分析自動(dòng)變速器的前景。針對(duì)在這次的設(shè)計(jì)研究中應(yīng)用的液力機(jī)械式變速器的機(jī)械組成結(jié)構(gòu)做出介紹。另對(duì)混雜系統(tǒng)理論的發(fā)展作簡單介紹。 第 z章，聯(lián)系實(shí)際混雜系統(tǒng)應(yīng)用情況 。介紹混雜系統(tǒng)建模的一般方法和適用情況，給出自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)的模型。論文還單獨(dú)對(duì)混雜系統(tǒng)理論的一些術(shù)語進(jìn)行介紹，對(duì)兩種控制策略詳細(xì)說明，為混雜系統(tǒng)理論在本系統(tǒng)的應(yīng)用做基礎(chǔ)。 第 3章，詳細(xì)分析了自動(dòng)變速器對(duì)周圍環(huán)境的識(shí)別，對(duì)事件的判斷。 第 4章，對(duì)控制策略需要的各種基本要素分析，總結(jié)，給出相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)。聯(lián)系第 3章介紹的基本方法，理論聯(lián)系本系統(tǒng)實(shí)際，將兩種策略應(yīng)用于本