汽车电子控制自动变速系统

研究生课程考试答题册考试课程汽车电子及电气传动技术题目AMT电控系统的硬件设计姓名张荣臻学号2013200787学院机电学院指导老师李声晋西北工业大学研究生院得分：电控机械式自动变速器（AMT）电控系统硬件设计一、自动变速器概述1.自动变速器的汽车具有的优点1）操作简化且提高了行车安全性自动变速器无需离合器操作和手动换挡操作，减少了驾驶员操作的劳动强度，因此，行车的安全性得以提高。2）提高了发动机和传动系统的使用寿命由于自动变速器在自动换挡过程中无动力中断、换挡平稳、减小了发动机和传动系统零件的动载荷。3）提高了汽车的动力性换挡时动力不中断，发动机可维持在一稳定的转速，因此可使汽车平稳起步、加速性能和平均车速提高。4）提高了汽车的通过性液力变矩器可以在一定的范围内自动变速来适应汽车行驶阻力的变化，在必要时又可自动换挡以满足牵引力的需要，因此显著提高了汽车的通过性能。5）减少了排气污染自动变速器由于有液力传动和自动换挡，在换挡过程中发动机可保持在稳定的转速，发动机的燃烧条件不会恶化，因此可减少发动机排气污染。6）可降低燃料消耗尤其是现代汽车自动变速器采用电子控制换挡，可按照最佳油耗规律控制换挡，加之采用了超速挡和锁止离合器等，使自动变速器汽车的油耗有了明显的下降。2.电控自动变速器的发展历程：图1电控自动变速器的发展历程3.自动变速器的分类汽车自动变速器基本可以分为三类：机械无级式变速器CVT（ContinuouslyVariableTransmission、液力自动变速器AT（AutomaticTransmission）、电控机械式自动变速器AMT（AutomatedMechanicalTransmission）。电控机械式自动变速器AMT的工作原理是在机械变速箱（手动档）原有基础上进行改造，主要改变手动换挡操纵部分。即在总体传动结构不变的情况下通过加装微机控制的自动操纵系统取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与结合摘挡与挂档等操作。AMT实际上是一个由电脑来控制一个机器人系统来完成换挡过程的操作。因此，AMT的核心技术是微机控制。二、AMT控制系统分析1.AMT控制的基本思想AMT是在传统的手动齿轮式变速器基础上，运用汽车理论、微电子技术、计算机控制技术、传感器技术和自动控制理论的典型机电一体化产品。AMT系统以电控单元（ElectronicControlUnit，简称ECU）为核心，通过液压执行系统控制离合器的分离与结合、选换挡操作以及发动机的供断油，来实现起步、换挡的自动操纵。系统根据驾驶员的意图（操纵杆、制动踏板、加速踏板）和车辆的状态（发动机转速、输入轴转速、车速、档位），根据适当的控制规律（换挡规律、离合器结合规律等），借助于相应的执行机构（供油控制执行机构、离合器执行机构、选换挡执行机构）对车辆的动力传动系统（发动机、离合器、变速器）进行联合操纵。　1940年美国通用汽车公司在奥兹莫比尔(01dsmobile)汽车上装了第一台现代意义的自动变速器20世纪50年代起美国三大汽车公司都开始批量生产自动变速器1968年法国雷诺公司率先在自动变速器上使用了电子元件　1982年丰田公司生产出第一台由微机控制的自动变速器，它就是装备在佳美汽车上的丰田A-140E型自动变速器　1983年德国成功地研制了电喷发动机和电控自动变速器共用的电子控制单元　1984年美国的第一台电控自动变速器，即THM440-T4由通用汽车公司推出。目前日本、美国、欧洲地区汽车公司生产的轿车越来越多地装有了自动变速器图2AMT控制系统的基本思想2.AMT控制系统分析：驾驶员在驾驶车辆的过程中，不断感知车辆的外界环境（如上坡、下坡、粗糙路面、湿滑路面、弯道等）和车辆本身的工作状态，通过对操纵加速踏板、制动踏板和操纵杆等，将起步、停车、倒车、强制档等意图以电信号的方式传递给电控单元ECU。ECU采集输入信号后，经过运算、判断和决策等信息加工处理后，发出控制命令驱动执行机构完成相应的控制动作。汽车正在行驶过程中，驾驶员对加速踏板的控制通过加速踏板位移传感器传给ECU，ECU通过所测加速踏板位移以及当前车辆行驶的速度等车辆参数，再根据自动换挡规律判断车辆应处的最佳档位。决定升档、降档或者保持原档位不变，从而达到增速或减速的目的。AMT系统组成和各部分之间的信息流及控制关系：图3AMT系统组成和各部分之间的信息流及控制关系3.AMT系统的功能设计AMT系统的主要功能是车辆起步过程和换档过程的自动控制。驾驶员通过操纵手柄和选择开关，将起步、停车、倒车等意图以电信号的方式传递给ECU，ECU发出控制指令给执行机构完成相应的动作。车辆行驶过程中，驾驶员的意图通过加速踏板和制动踏传递给ECU，ECU根据驾驶员意图、当前车辆的行驶状态和行驶环境，以及ECU中存储好的换档规律，决定升档、降档或者保持原来档位不变。如果升档或者降档，则由ECU控制执行机构完成离合器的分离与结合、选档、换档、发动机供油控制等操作。AMT系统的主要功能如下：1）离合器的控制离合器的工作模式有四种：分离、保持分离、结合、保持结合。在离合器的结合过程中，不仅要控制离合器的行程，还要控制离合器的结合速度。离合器结合速度根据离合器主从动盘未接触、滑动摩擦传递扭矩和主从动盘已同步三个阶段，以快一慢一快的控制规律进行控制。在刹车、起步及换档工况开始阶段，需要以一定速度快速分离离合器，达到及时切断动力传递的目的，在上述工况结束后要平稳地结合离合器，均匀增加离合器传递动力的摩擦力矩，既提高了车辆的平稳性，又减少了对离合器的滑摩。2）变速器的控制能够根据发动机负荷和车速等情况自动变换传动比，使车辆获得良好的动力性和燃料经济性。选档和换档控制有严格的时序要求，只有换档到位后才可以进行选档操作。要快速平稳地实现换档，变速器的选换档控制需要与发动机控制和离合器控制进行协调配合。3）发动机的控制车辆正常行驶时（非换档过程中），系统对节气门开度的控制跟踪驾驶员踩下的加速踏板位移，实现节气门随动控制。当系统正在分离离合器时，驱动节气门到收油位置；换档过程中通过节气门控制发动机的输出转速，升档时降低发动机转速，而降档时调高发动机转速使其与离合器从动盘转速一致，防止离合器控制和节气门控制的不协调和，同时保证离合嚣主从动片转速差很小，减少离合器结合磨损和换档冲击。起步过程中通过节气门控制发动机的输出扭矩和转速，保证车辆按驾驶员的要求平稳起步。三、系统所使用的传感器AMT系统所使用的传感器相当于AMT系统的感觉器官，车辆行驶中的很多信息都是通过传感器来传递给ECU的。1.转速传感器控制系统一共使用了3个转速传感器，分别用来采集车速、发动机转速和输入轴转速。其中车速传感器安装在变速器的输出轴处，主要用于确定自动换档时刻；发动机转速传感器一般为装在发动机飞轮齿圈旁，它被用作离合器的控制参数，或用于计算行驶阻力；输入轴转速传感器是一个装在变速器输入轴上，它被用作离合器的控制参数，或在车速传感器失效时作为备用传感器。系统使用5V霍尔式转速传感器S-HC，其工作电压5～24V，测量范围0～20Hz，工作温度-30～+130°C，工作原理如下图。它的感应对象为磁钢，被测体上嵌入磁钢，随着被测物体转动时，传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号，达到测速的目的。齿轮线速度与脉冲输出频率成正比，通过检测单位时间的脉冲数，即可确定齿轮的转速。该传感器采用钢铁材质导磁体触发，传感器内置电路对信号进行放大、整形，输出稳定的方波信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定，安装简单，防水防油，能实现远距离传输。图4霍尔传感器原理图车速传感器、发动机转速传感器、输入轴转速传感器的信号均为脉冲量。2.加速踏板位移传感器该AMT系统里，加速踏板与发动机没有直接的机械连接而是通过拉索与一位移传感器转轴联接的索轮连接。加速踏板位移传感器使用双电位器传感器，工作电压5V。有两路反应加速踏板位置的电压信号，其中一路是另外一路的两倍。加速踏板位移传感器通过电位器将踏板位置转换成与位移成正比电压信号输入ECU的A/D接口，用来测量加速踏板的行程。加速踏板位移传感器信号为模拟量。3.离合器行程传感器用于测量离合器的行程信号，本系统采用直滑式导电塑料电位器WDL-50-2，它将离合器行程（非电量位移）转换为其具有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。该导电塑料电位器的耐磨性好，使用寿命长，允许接触压力很大，因此它在振动、冲击等恶劣的环境下仍能可靠的工作。它的工作电压为5V分辨率较高，线性度为1%，阻值范围为9千欧，能承受较大的功率。如下图为一离合器行程传感器：图5离合器行程传感器离合器行程传感器信号为模拟量。4.油门位置传感器（节气门传感器）节气门传感器实际上是一个可变的电阻器，其值随发动机节气门开启角度变化而变化。它是通过导电塑料电位器和固定在转轴上的电刷将角位移的机械参量转换成与角度成正比例的电压信号输出。本系统采用的节气门传感器为CSTPBT-GF30角位移传感器，其机械转角为0~180度，工作阻值约为5千欧，工作温度范围-40~+70°，线性度0.2%。油门位置传感器信号为模拟量。5.温度传感器系统使用的两个温度传感器：冷却水温度传感器和变速器油温传感器。冷却水温传感器是一个阻值随发动机冷却水温的变化而变化的热敏电阻，该传感器的外壳以螺纹旋入发动机冷却系统，且其感温端浸泡在冷却水中。AMT系统的电控单元根据传感器电阻值的变化，经过标定后可以得到冷却水温与传感器输出电压之间的关系，将此电压传至电子控制单元，控制单元便可得知发动机工作状态下的冷却水温度。图6油温传感器变速器油温传感器一般装在阀体内，并浸在油中。该温度传感器也是一个热敏电阻，其工作原理与水温传感器相同。传感器连续检测出变速器油温，ECU根据采集液压油油温可估计液压油的粘度，从而调节电磁阀的开关时间，保持离合器的结合速度。系统采用NTC热敏电阻PSB-S5，其工作温度范围-50~+300°C，线性度1%，热敏电阻特性可靠。温度传感器信号为模拟量。6.档位信号传感器档位信号传感器用于确认换挡动作是否完成和故障检测，包括选档位置传感器和换挡位置传感器，使用的是霍尔开关英飞凌TLE4906，它是专为汽车应用设计的单级开关，可承受很大的阻力、电干扰和机械压力。它还用有源错误补偿来抑制偏移元件的负面效果。1）选档位置传感器选档位置传感器采用了两个霍尔开关，工作电压为5V。霍尔传感器固定架a和b焊接在传动轴支撑座上。选档杆上贴有磁片1和2，当磁铁到达对应霍尔开关位置时，开关输出高电平。即当小磁片与固定架在径向对齐时，霍尔传感器信号就发生改变，相应CPU管脚上电。当选档杆在2-3档位置时，小磁片1与2分别与固定架a和b径向对齐则其相应管脚均上电。当选档杆在R-1档位置时，a点位置和第二个小磁片对齐，a点对应管脚上电，b点对应管脚为0V。当选档杆在4-5档位置时，b点和第一个小磁片对齐，b点对应管脚上电，a点对应管脚为0V。a点和b点分别对应单片机管脚P4.0和P4.1，由此可得选档位置逻辑表，如下表所示：R-1档2-3档4-5档引脚4.05V5V0V引脚4.10V5V5V2）换挡位置传感器换挡液压缸推动齿条直线运动，齿条带动转轴上的扇形齿转动，从而带动转轴转动，以使换挡机构进入合适档位。齿条末端装有小磁片1和2，霍尔传感器固定架c和d焊接在传动轴支撑座上，当小磁片与固定架在径向对齐时，霍尔传感器信号就发生改变，即相应管脚上电。当换挡杆位于N档时（位置A），小磁片1和2分别与固定架c和d径向对齐，则其相应管脚均上电。当选档杆位于R-2-4档时（位置B），小磁片2与固定架c径向对齐，故从c对应的管脚上电。而d对应的管脚依然为0。当选档轴位于1-3-5档时（位置C），与d对应的管脚上电，而与c对应的管脚为0。其中c点和d点分别对应单片机管脚4.2和4.3，由此得到换挡逻辑表，如下表所示。R-2-4N1-3-5P4.25V5V0VP4.30V5V5V表1换挡逻辑表以上选档位置传感器和换档位置传感器信号均为开关量