【正文】 蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計 1 1 引言 自動變速器，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變速箱 (MT)。目前美國采用自動變速器的轎車達 90％以上，在 日 本也已超過 70％，歐洲人盡管偏愛手動檔，也仍然有 25％左右的裝車率 。液力式自動變速器自 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)車自動變速器的占有率微乎其微，國內(nèi)大部分汽車均采用手動的固定軸式齒輪變速器。盡快消化 和吸收國外的先進經(jīng)驗和技術(shù)，開發(fā)一種操作簡便、性能良好、價格合理且適合我國國情的自動變速器來裝備國產(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。 自動變速器的發(fā)展 隨著車輛技術(shù)的發(fā)展，人們對車輛操縱方便性和舒適性提出高的要求，對于轎車而言，提高傳動效率，合理利用能源一直是傳動系統(tǒng)控制的目標(biāo)。因此，車輛自動變速一直都是人們追求的目標(biāo)。車輛實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的自動化會帶來以下優(yōu)點： 1．減輕駕駛員的勞動強度。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強度大為降低。 2． 提高勞動 生產(chǎn)率。通過傳動系統(tǒng)的自動操縱可以充分發(fā)揮車輛的動力性使車輛具有良好良好的動力性，加速性能和爬坡能力，進而提高勞動生產(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％隨著自動變速技術(shù)的發(fā)展，對于合理利用能源，實現(xiàn)動力性與經(jīng)濟性的統(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，通過傳動系統(tǒng)的控制，可以實現(xiàn)巡航控制 車輛編隊跟蹤行駛 ，可以提高車輛的主動安全性。 5．改善車輛排放性能。通過對傳動系統(tǒng)的合理控制，可以改變發(fā)動機的負荷狀況，使發(fā)動機處于良好的工作狀態(tài)，從而改善的車輛排放性能。 由于自動變速技術(shù)有如此多的優(yōu)點，再加上社會環(huán)境的要求，實現(xiàn)車輛動力傳動系的自動控制，足車輛技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。 自動變速器的分類 目前世界上使用最多的汽車自動變速器主要有以 F3 種類型： 液力機械式自動變速器 (Hydraulic Mechanical Transmission 簡稱 HMT)：傳動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，是實現(xiàn)局部無級變速的有級變速器，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變速器的轎車已達 90％以上。其優(yōu)越性是免除了手動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，便可巧妙地實現(xiàn)自動變速，使開車變得簡單、省力。液力自動變速器的電子控制系統(tǒng)使得自動切換速度柔和、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 2 液力自動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。 電控機械式自動變速器 (Automated Mechanical Transmission 簡稱 AMT)：在原有機械變速器基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過加裝微機控制的自動操縱機構(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)動機的轉(zhuǎn)速同步調(diào)節(jié)等操作，最終實現(xiàn)換檔過程的操縱自動化。電控機械式自動變速器由于原有的機械傳動結(jié)構(gòu)基本不變，所以齒輪傳動固有的傳動效率高、機構(gòu)緊湊、工作可靠等優(yōu)點被很好的繼承下來，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換檔方式使用 (例如：本田定軸式 AT，前進檔和倒檔轉(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。 金屬帶式無級自動變速器 (Continuously Variable Transmission 簡稱 CVT)：采用傳動帶和可變槽寬的棘輪進行動力傳遞，即當(dāng)棘輪變化槽寬時，相應(yīng)改變馳動輪與從動輪上傳動帶的接觸半徑進行變速，能實現(xiàn)真『 F 的無級變速。 CVT 變速器采用金屬帶傳動，具有提速流暢、操縱便利、維修容易等優(yōu)點，不論司機還是乘客都感覺良 好。其操縱方便性和乘坐舒適性均可與液力變矩器相媲美，而其傳動效率卻遠高于液力變矩器，更主要的是能更好地協(xié)調(diào)車輛外界行駛條件與發(fā)動機負載，充分發(fā)揮發(fā)動機潛力，提高整車燃油經(jīng)濟性。但 CVT 的缺點也是很明顯的，就是傳動帶很容易損壞，無法傳遞大功率，金屬帶式無級自動變速器所裝轎車發(fā)動機的排量多在 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)過充分的考驗和證 j；，目前大多數(shù)廠家對 CVT 仍抱謹慎態(tài)度，僅在作研究、實驗、試用。盡管如此，世界上也已出現(xiàn)了一批生產(chǎn)金屬帶式無級自動變速器的廠家 ，將金屬帶式無級自動變速器商品化。雖然 CVT 商品化的時間不長，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、行駛舒適的機械無級傳動的優(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。 電控液力機械式自動變速器組成 現(xiàn)代汽車自動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械式自動變速器。其工作原理是：節(jié)氣門傳感器和車速傳感器將發(fā)動機節(jié)氣門開度和車輛行駛速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，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)。輸入信號與事先存儲在電子控制單元中的控制規(guī)律進行比較計算，并由電子控制單元向相應(yīng)的若干個電磁閥發(fā)出指令，接通或切斷流向換檔閥等的液壓油路，使執(zhí)行機構(gòu)各離合器和制動器動作得到控制，從而精確地控制換檔時機和鎖止離合器的工作，并使自動變速器的換檔更趨平穩(wěn)。電子控制液力機械式自動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。以下對各部分作簡要 介紹。 1．液力傳動裝置 汽車液力傳動裝囂分為液力耦合器和液力變矩器，現(xiàn)代自動變速器液力傳動裝置大都采用液力變矩器。變矩器安裝于發(fā)動機乜輪上，它通過液力傳動力矩，可在～定的范圍內(nèi)實現(xiàn)增扭和無級變速。 2．變速裝置 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計 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構(gòu)來達到變速 的目的，它依靠離合器和制動器根據(jù)行車需要來連接或制動行星排的不同元件， 從而實現(xiàn)變速器的不同速比。其作用是進一步增扭減速，通過變換檔位實現(xiàn)不同 的傳動比，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 作的離合器或制動器油缸內(nèi)，以改變變速器速比，達到行車要求。 4．信號輸入裝置：包括傳感器 (節(jié)氣門位簧傳感器、車速傳感器及發(fā)動機油溫傳感器等 )和信號開關(guān)裝置 (行駛模式選擇開關(guān)、空檔起動開關(guān)、制動燈開關(guān)及超速檔開關(guān)等 )。信號輸入裝置負責(zé)將汽車行駛的有關(guān)狀態(tài)信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺员愫罄^的控制電路接受。傳感器信號一般有模擬量、脈沖量、開關(guān)量 等 3 種形態(tài)。 圖 1． 1 液力機械式自動變速器控制原理 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，并進行比較運算。再按照某種規(guī)律發(fā)出指令，自動控制傳動系統(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，并對其進行放大或調(diào)制。控制器將這些信號與內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行對比，根據(jù)對比結(jié)果做出是甭?lián)Q檔等決定，再由輸出裝置將控制信號處理或直接輸送給電磁閥等執(zhí)行機構(gòu)。 ECU能同時存儲多種控制參數(shù)，能在 不同的控制規(guī)律間切換，如最佳動力性換檔規(guī)律、最佳燃油經(jīng)濟性換檔規(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)雜得多的自動控制，而且僅需改變輸入信號及程序就可以適應(yīng)不同傳動系和不同換檔規(guī)律的需要，不必改變機械加工工藝設(shè)備，使一種裝置可以通用于各種傳動系統(tǒng)。ECU的功能有控制換檔時刻、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 4 防護功能。 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、位置和時刻；鎖止電磁閥用以控制鎖 止時間：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。混雜系統(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)一的動態(tài)系統(tǒng)。狹義上可以指一個系統(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。目前對混雜系統(tǒng)還沒有形成一個統(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 會議 ll4J 以來， IEEE 和 LFAC 的重要會議上 開始出現(xiàn)關(guān)于混雜動態(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)計的專刊。此外，世界上許多大學(xué)和研究機構(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 年在美國高級控制會議上提出以來 ，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)用中的一個新的熱點，并被公認為對生產(chǎn)過程自動化、自動化調(diào)度、機器人控制、計算機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)動態(tài)和離散動態(tài)，如何描述系統(tǒng)、如何應(yīng)用于實際過程就成為 HS 研究中最困難、同時也是最富創(chuàng)造性的活動。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 的國際會議及 1992 年在月’麥召開了計算機科學(xué)問題巾的混雜系統(tǒng)理論專題研討會， 1994 年在法國 INRLA 召丌 DEDS’ 94的國際會議中就有關(guān)于 HS 的專題報告。從 1989 年起至今每年召開的 IEEE／CDC 大會論文集都有多篇有關(guān) HS 的研究文獻，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 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富康轎車自動變速器研制基礎(chǔ)上，自行設(shè)計，開發(fā)基于大眾桑塔納 2022 型轎車的自動變速器的電子控制單元。根據(jù)控制要求，設(shè)計外圍處理電路，并對此電路進行調(diào)試。在設(shè)計硬件電路的基礎(chǔ)上，以摩 托羅拉16 位微控制器 MC9S12DP256 作為處理器，針對所控制的混雜系統(tǒng)，利用實驗得出的各種條件下的換檔規(guī)律，編寫相應(yīng)的軟件程序，完成整個系統(tǒng)的控制功能。 第 1 章，分析國內(nèi)外汽車自動變速器的發(fā)展和普及情況。對當(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 5 器的種類做介紹，分析其優(yōu)缺點。根據(jù)采用自動變速器汽車的優(yōu)點，分析自動變速器的前景。針對在這次的設(shè)計研究中應(yīng)用的液力機械式變速器的機械組成結(jié)構(gòu)做出介紹。另對混雜系統(tǒng)理論的發(fā)展作簡單介紹。 第 z章，聯(lián)系實際混雜系統(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，給出自動變速器控制系統(tǒng)的模型。論文還單獨對混雜系統(tǒng)理論的一些術(shù)語進行介紹，對兩種控制策略詳細說明，為混雜系統(tǒng)理論在本系統(tǒng)的應(yīng)用做基礎(chǔ)。 第 3章，詳細分析了自動變速器對周圍環(huán)境的識別，對事件的判斷。 第 4章，對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。聯(lián)系第 3章介紹的基本方法，理論聯(lián)系本系統(tǒng)實際，將兩種策略應(yīng)用于本