工程車輛自動(dòng)變速技術(shù)與電控系統(tǒng)研究

張香莎，彭文舉

（黃河交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，河南 焦作 454150）

1 自動(dòng)變速器的概述

1.1 目前市場(chǎng)使用類型

自動(dòng)變速器已成為現(xiàn)代汽車減輕駕駛員駕車強(qiáng)度，提高乘坐舒適性以及改善排氣凈化的重要裝置，也是汽車檔次的重要標(biāo)志之一 。當(dāng)下，汽車市場(chǎng)的自動(dòng)變速器類型主要有以下四類：液力機(jī)械式自動(dòng)變速器（AT）、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)、金屬帶式無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器（CVT）、雙離合器式自動(dòng)變速器（DCT），如下所示。

（1）液力機(jī)械式自動(dòng)變速器。液力變速器通過(guò)液力傳遞與齒輪組合的方式，實(shí)現(xiàn)變速變矩。其技術(shù)成熟、性能可靠，具有換擋過(guò)程平順、柔和等優(yōu)點(diǎn)。但是其也有缺點(diǎn)，比如靈敏度低、費(fèi)油、制造工藝復(fù)雜等。

（2）電控機(jī)械式自動(dòng)變速器。AMT以手動(dòng)變速器為基礎(chǔ)，應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，以ECU為核心實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋操作，是一種有級(jí)變速器。具有體型小、經(jīng)濟(jì)型與安全性好等優(yōu)點(diǎn)，且相對(duì)與AT而言結(jié)構(gòu)與制造工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)又保留了其優(yōu)點(diǎn)。

（3）金屬帶式無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器。CVT屬于摩擦式無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器，通過(guò)變化棘輪的槽寬以及與主、從動(dòng)輪接觸的傳動(dòng)帶的接觸半徑，從而實(shí)現(xiàn)速度的變化。其中，目前傳動(dòng)帶的材質(zhì)常用的是金屬與橡膠。CVT采用了先進(jìn)的電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，所以，無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器的傳動(dòng)效率較比其他類型的自動(dòng)變速器有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

（4）雙離合器式自動(dòng)變速器。雙離合器式自動(dòng)變速器以手動(dòng)變速器為基礎(chǔ)，內(nèi)部的兩個(gè)離合器主要用于控制變速器的偶數(shù)、奇數(shù)檔位。DCT按照雙離合器類型的不同，可以分為干、濕式兩種；按照中間軸數(shù)目的不同，分為單、雙中間軸式。

1.2 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

（1）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀。我國(guó)汽車年銷量超過(guò)2800萬(wàn)輛，但自主自動(dòng)變速器年配套輛卻是相當(dāng)?shù)?。原因有三：思維桎梏、設(shè)備落后，標(biāo)準(zhǔn)滯后。當(dāng)下，研究形式主要是國(guó)家政策支持、企業(yè)、校企聯(lián)合。目前，進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的自動(dòng)變速器主要是4AT，6AT，CVT等。也有部分企業(yè)可是著手于7速新型濕式雙離合器自動(dòng)變速器的研發(fā)。

（2）國(guó)外研究現(xiàn)狀。國(guó)外的著眼點(diǎn)主要集中在“軟件的控制、換擋策略研究、診斷檢測(cè)”三方面，致力于改善汽車起步、換擋、停車過(guò)程中所產(chǎn)生一系列問(wèn)題，如換擋所帶來(lái)的沖擊感，油耗過(guò)高等問(wèn)題。

（3）未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。①小型化。實(shí)驗(yàn)表明，汽車自重每減少1%，耗油量將減少0.7%；于降噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲與大氣污染、水污染并稱世界三大公害?？梢岳谬X輪的重合度以及創(chuàng)新箱體的形狀可以實(shí)現(xiàn)降低噪聲；③電子化。采用電子控制機(jī)構(gòu)能夠使自動(dòng)變速器更好地適應(yīng)汽車的結(jié)構(gòu)。

2 工程車輛四參數(shù)換擋規(guī)律

2.1 節(jié)能換擋理論

液力變矩器性能的改善對(duì)于提高工程車輛的工作效率處于核心地位，因此，文章僅研究Z蘊(yùn)50輪式裝載機(jī)的三元件的YJ355型單級(jí)單相液力變矩器的效率，以此為根據(jù)制定自動(dòng)換檔策略。

為了YJ355型單級(jí)單相液力變矩器在效率較高的區(qū)間范圍內(nèi)工作，檔位變換規(guī)律制定如下：

通過(guò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定液力變矩器最低效率點(diǎn)ηmin所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速比imin，對(duì)應(yīng)兩個(gè)值分別即為i1和i2，通過(guò)i值的大小來(lái)進(jìn)行升、降檔：若i＞i2，則進(jìn)行升檔處理；若i＜i1，則進(jìn)行降檔處理；若i1≤i≤i2，原檔位保持不變。

2.2 工程車輛四參數(shù)自動(dòng)換擋規(guī)律

（1）換擋點(diǎn)的確定。i1、i2與油門開度α的關(guān)系如式（1）所示：

工程車輛“三參數(shù)換擋規(guī)律”，假定油泵在額定功率的情況下工作，但這與實(shí)際情況不符，所以，這對(duì)換擋規(guī)律的制定產(chǎn)生了一定程度上的影響。文章在此基礎(chǔ)上引入控制參數(shù)——油泵的壓力p。將油泵實(shí)際消耗的功率等價(jià)成油門開度，從而改變前面的換檔點(diǎn)。則式子（1）換擋點(diǎn)變?yōu)椋?/p>

由式子（2）可知，換擋點(diǎn)i1、i2與油門開度α及油泵的壓力p，具有一定的函數(shù)關(guān)系，如果能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，找到其中的函數(shù)關(guān)系便能確定其中的最佳換擋點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法繪出最佳換檔點(diǎn)i1、i2在不同的工作泵壓力下與油門開度的關(guān)系。

Z蘊(yùn)50輪式裝載機(jī)有四種典型的工況：作業(yè)工況、運(yùn)輸工況、彎路工況、坡路工況，不同工況下的換檔規(guī)律不同，文章“四參數(shù)換擋規(guī)律”的推導(dǎo)以“作業(yè)工況”為背景。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理可得i1、i2與α關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

由式（2）和式（3）可得四參數(shù)換檔規(guī)律數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

油泵壓力的變化所產(chǎn)生的相應(yīng)油門開度變化的關(guān)系式為：

把式（5）代入（4）中便可得出 i1、i2隨 α、p 變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

（2）換檔策略的制定。根據(jù)上述公式換檔策略：首先，根據(jù)a、P計(jì)算出最佳換檔點(diǎn)i1、i2；其次，根據(jù)泵輪、渦輪轉(zhuǎn)速求出當(dāng)前轉(zhuǎn)速 i；最后，比較 i1、i2與 i的關(guān)系做出換檔：若 i＞i2，則進(jìn)行升檔處理；若 i＜i1，則進(jìn)行降檔處理；若 i1≤i≤i2，原檔位保持不變。

3 自動(dòng)變速電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

由于Z蘊(yùn)50輪式裝載機(jī)工作環(huán)境的特殊性——外界負(fù)載變化急劇，內(nèi)部元器件的工作溫度位于-35～75℃之間。故而，對(duì)于作為自動(dòng)變速器“心臟”的ECU而言，較高的工作性能的重要性便是不言而喻了。所以，自動(dòng)變速器電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)便具有舉足輕重的地位。

ECU的硬件內(nèi)部成分包括油門開度、油泵壓力、泵輪轉(zhuǎn)速、渦輪轉(zhuǎn)速、數(shù)據(jù)模塊、光電隔離、電路整形、AT89C51式單片機(jī)、看門狗定時(shí)器等。由于在系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中力求模塊化設(shè)計(jì)，所以，可將ECU的硬件部分分為電源模塊與輸入信號(hào)模塊兩部分。

（1）電源模塊的設(shè)計(jì)。由于電源自身在Z蘊(yùn)50輪式裝載機(jī)中的特殊地位——提供工程車輛的動(dòng)力，所以，應(yīng)當(dāng)符合其的使用電路，否則，將會(huì)造成該車無(wú)法正常工作?？紤]到工程車輛的電壓波動(dòng)所帶來(lái)的影響，選擇了DC-DC變換器，可以滿足工程車輛的正常工作要求。

（2）轉(zhuǎn)速的測(cè)量與處理。電子控制系統(tǒng)包括泵輪轉(zhuǎn)速器、渦輪轉(zhuǎn)速器。文章選取KF005型號(hào)的霍爾傳感器，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)量。由于Z蘊(yùn)50輪式裝載機(jī)工作環(huán)境的特殊性，為了防止電磁干擾以及進(jìn)行信號(hào)的整型與濾波，文章分別采用光電隔離電子元件T蘊(yùn)P521與高頻施密特觸發(fā)器74HC14進(jìn)行電磁波的隔離、信號(hào)的整型與過(guò)濾。

（3）油門開度的測(cè)量與處理。文章采用油門傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集，它的功能是將物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸送給ECU，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)變速器檔位的控制。

［1］ 左成基，楊明欽.汽車自動(dòng)變速器實(shí)務(wù)［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］ 胡光輝，仇雅莉.汽車自動(dòng)變速器的原理與維修［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］ 吳光強(qiáng).汽車自動(dòng)變速器發(fā)展綜述［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010.