第3章电子控制自动变速器

汽车电子控制技术襄樊学院夏铭第3章电子控制自动变速器3.1自动变速器概述汽车自动变速器经过70多年的发展，使汽车传动系统发生了革命性的变化。自动变速器的采用，使汽车的驾驶变得方便，乘着舒适性大大提高。因此，自动变速器广泛用于轿车、客车、大型公共汽车、越野车及重型牵引车上，尤其轿车上。轿车自动变速器的装车率，日本高达78%，美国为70%，德国为62%，中国为24%。3.1.1自动变速器的发展和应用汽车自动变速器的研究和应用可以追溯到20世纪30年代。1939年美国通用汽车公司首先在其生产的奥兹莫比尔(Oldsmobile)轿车上装用了液力变矩器——行星齿轮组成的液力变速器，可谓之现代自动变速器的雏形。20世纪40年代末50年代初，出现了根据车速和节气门开度自动控制换挡的液力控制换挡自动变速器，使自动变速器进入了迅速发展时期。到1975年，自动变速器在重型汽车及公共汽车上的应用已相当普及。自动变速器采用电子控制系统始于20世纪60年代中期。法国雷诺(Renault)公司于1968年率先在自动变速器上使用了电子元件。70年代中期，电子控制技术开始应用于汽车变速器，日本丰田汽车公司首先研制成功了世界上第一台电子控制变速装置，并在1976年实现了批量生产。但由于这种电子控制自动变速器在控制精度和自由度方面效果并不十分理想，因此，包括日本在内的许多国家又把重要精力转向计算机控制变速器的研究和开发。以计算机为控制核心的电子控制自动变速器迅速发展。自1981年起，美国、日本等国家的一些汽车公司相继开发出各种微机控制的自动变速系统，如电子控制液力变矩式自动变速器、电子控制多级齿轮变速器等等。电子控制自动变速器的真正飞跃发展是在1982年，这一年丰田公司将微机技术应用于电子控制变速器系统，实现了自动变速器的智能控制，首先应用于豪华型皇冠牌轿车上。电子控制自动变速器有最佳的换挡规律，换挡精确性好，具有良好的燃料经济性、动力性，降低污染。随后，德国Bosch公司于1983年研制成功发动机和自动变速器共用的电子控制单元。电控自动变速器可实现与发动机最佳匹配，并可获得最佳的经济性、动力性、安全性，达到降低发动机排气污染的目的。因此电子控制变速器广泛用于轿车、客车、大型公共汽车、越野车及重型牵引车上，并且装车率迅速提高，尤其在美、日、德等国生产的轿车上，采用电子控制器的比例越来越高。国产轿车中采用自动变速器最早的车型当属中国第一汽车集团公司生产的红旗CA770型三排座高级轿车。该型轿车在1965到1980年间共生产了1283辆，其所装用的自动变速器在结构上与美国克莱斯勒汽车公司生产的PowerFlite自动变速器相似。一汽大众1998年底在国内首家推出批量生产的装用电控自动变速器的轿车捷达AT，该车采用德国大众(VW)原厂生产的第三代95型01M电控4挡自动变速器。神龙汽车公司亦于1999年初展示了其装备自动变速器的富康988轿车。这种电控4挡自动变速器由法国的雪铁龙和雷诺公司共同研制，在意大利生产，1998年6月开始应用的。近年来，随着我国轿车工业的快速发展，各轿车制造企业都推出了装有自动变速器的车型，可以断言，国产轿车普遍装用自动变速器的时代正在到来。3.1.2自动变速器的优点相比于传统的机械式手动变速器，自动变速器具有如下优点。(1)汽车起步平稳，能吸收、衰减振动与冲击；提高乘坐的舒适性。(2)自动适应行驶阻力和发动机工况的变化，实现自动换挡，有利于提高汽车的动力性和平均车速。(3)液力变矩器使传动系的动载荷减小，提高了汽车的使用寿命。(4)驾驶操纵简单，实现换挡自动化，有利于行车安全。(5)能以较低的车速稳定行驶，提高车辆在坏路上的通过性。(6)减少了废气污染。自动变速器的主要缺点是结构复杂、成本高，传动效率相对偏低，导致油耗要高于机械变速器。但是，现代汽车普遍采用的电子控制自动变速器，可按照最佳油耗规律控制自动换挡，加之采用了超速挡和变矩器闭锁控制等，从而使自动变速器的油耗有了明显的下降。3.1.3自动变速器类型在自动变速器的发展过程中出现了多种结构形式。自动变速器的驱动方式、挡位数、变速齿轮的结构形式、变矩器的结构类型及换挡控制形式等都有不同之处。下面从不同角度对自动变速器进行分类。1.按汽车驱动方式分类自动变速器按照汽车驱动方式的不同，可分为前轮驱动自动变速器(如图3.1)和后轮驱动自变速器(如图3.2)所示两种。后轮驱动自动变速器的变矩器和行星齿轮机构的输入轴及输出轴在同一轴线上。因此，轴向尺寸较大，阀体总成则布置在行星齿轮机构下方的油底壳内。前轮驱动自动变速器(又叫自动变速驱动桥)除了具有与后轮驱动自动变速器相同的组成外，在自动变速器的壳体内还装有差速器和主减速器。前轮驱动汽车的发动机有纵置和横置两种。纵置发动机的前轮驱动自动变速器的结构和布置与后轮驱动自动变速器汽车基本相同，只是在后端增加了一个差速器。横置发动机的前驱动自动变速器由于汽车横向尺寸的限制，要求有较小的轴向尺寸。变矩器和行星齿轮机构输入轴布置在上方，输出轴则布置在下方。因此，通常将输入轴和输出轴设计成两个轴线的方式。这样的布置减少了变速器总体的轴向尺寸，但增加了变速器的高度。因此，可将阀体总成布置在变速器的侧面或上方，以保证汽车有足够的最小离地间隙。2.按自动变速器前进挡位数分类自动变速器按前进挡的挡数的不同，可分为2(前进)挡自动变速器、3挡自动变速器、4挡自动变速器等。早期的自动变速器通常为2个前进挡或3个前进挡。这两种自动变速器都没有超速挡，其最高挡为直接挡。现代轿车装用的自动变速器基本上都是4个前进挡，即设有超速挡。这种设计虽然使自动变速器的构造更加复杂，但由于设有超速挡，大大改善了汽车的燃油经济性。在商用车上，大多采用5挡和6挡自动变速器，一些新型轿车上也开始采用5挡和6挡自动变速器。3.按变矩器的类型分类按液力变矩器的类型，自动变速器大致可分为普通液力变矩器式、综合液力变矩器式和带闭锁离合器的液力变矩器式自动变速器三种。普通液力变矩器是指由泵轮、涡轮和导轮三个元件组成的液力变矩器。综合式液力变矩器是指在导轮与固定导轮的套管之间装有单向离合器的液力变矩器，它可以自动进行变矩器工况与液力偶合器工况的转换。新型轿车的自动变速器普遍采用带闭锁离合器的液力变矩器。当汽车达到一定车速时，控制系统使闭锁离合器接合，将液力变矩器的输入部分和输出部分连成一体，使发动机动力直接传入齿轮变速器，从而提高了传动效率，降低了油耗。4.按齿轮传动机构的类型分类自动变速器按其齿轮传动机构的类型不同，可分为普通齿轮式和行星齿轮式两种。普通齿轮式自动变速器体积大，最大传动比小，只有少数几种车型使用。行星齿轮式自动变速器结构紧凑，能获得较大的传动比，为绝大多数轿车采用。5.按控制方式分类自动变速器按控制方式不同，可分为全液压自动变速器和电子控制自动变速器两种。全液压自动变速器是通过机械的手段，将汽车行驶的车速及节气门开度这两个参数转变为液压控制信号；阀体中的各个控制阀根据这些液压控制信号的大小，按照设定的换挡规律，通过控制换挡执行机构的动作，实现自动换挡，如图3.3所示。电子控制自动变速器是通过各种传感器，将发动机转速、节气门开度、车速、发动机冷却液温度、自动变速器油温度等参数转变为电信号，并输入计算机；计算机根据这些信号，按照设定的换挡规律，向换挡电磁阀、油压电磁阀等发出电子控制信号，换挡电磁阀和油压电磁阀再将计算机的电子控制信号转变为液压控制信号，阀体中的各个控制阀根据这些液压控制信号，控制换挡执行机构的动作，从而实现自动换挡，如图3.4所示。6.按工作原理分类按工作原理不同，自动变速器分为液力自动变速器(AT)、机械自动变速器(AMT)和无级自动变速器(CVT)三种。液力自动变速器通常指含有液力变矩器的自动变速器；机械自动变速器是在普通手动机械变速器(MT)的基础上增加了一套自动换挡控制系统构成；无级自动变速器指无级控制速比变化的变速器，它的种类很多，有机械式、流体式和电动式等等。目前，应用最多的是金属带式机械无级变速器，如图3.5所示。3.1.4电子控制自动变速器组成电子控制自动变速器主要由液力变矩器、辅助变速器、电液控制系统等几个部分组成。1.液力变矩器液力变矩器位于自动变速器的最前端，安装在发动机的飞轮上。它是通过工作轮叶片的相互作用，引起机械能与液体能的相互转换来传递动力，通过液体动量矩的变化来改变转矩的传动元件，具有无级连续改变速度与转矩的能力。液力变矩器对外部负载有良好的自动调节和适应性能，从根本上简化了操作；液力变矩器能使车辆平稳起步，加速迅速、均匀、柔和；液力变矩器由于用液体来传递动力，它进一步降低了尖峰载荷和扭转振动，延长了动力传动系统的使用寿命，从而提高了乘坐舒适性和车辆平均行驶速度及安全性和通过性。2.辅助变速器液力变矩器的无级变速性能虽然很好，但从经济性考虑它不能完全满足车辆改变速度和变化动力两方面的要求，故需与齿轮传动串联或并联，以扩大其传动比与高效率工作范围。齿轮传动有行星齿轮式与定轴式两种。虽然，人们熟悉的定轴式机械变速器工艺性好、成本低，但由于行星齿轮传动易于实现自动化、结构紧凑、质量轻，特别是其具有与液力变矩器可实现功率分流的长处，故目前AT中多为行星齿轮式自动变速器此型。行星齿轮变速器包括行星齿轮组和换挡执行机构。换挡执行机构可以使星齿轮组处于不同的啮合状态，以实现不同的传动比。大部分行星齿轮变速器有3到4个前进挡和1个倒挡。显然，机械传动在AT中属于辅助地位，故又称其为辅助变速器。3.控制系统液力自动变速器的控制系统有液压式和电液式两种。新型液力自动变速器均采用了电液式控制系统，简称电子控制自动变速器(ECT)。控制系统的组成如图3.6所示。1)系统能源它是各个机构的动力源，对早期的全液压自动控制系统，由油泵、调压阀等组成；对目前广泛采用的电液式控制系统，除上述外，还需直流电源为电控提供所需能源。2)控制参数信号发生器自动换挡是根据汽车行驶中选定的控制参数的变化来确定是否需要进行换挡的。目前主要是采用二参数控制(车辆速度与发动机节气门开度)，但这仅是原始信号，还必须加以调制，才能被液压和电控系统所接受。即所选参数不仅应能按比例精确地变换成控制信号，且要求反应迅速、便于实现，且工作可靠。过去全液压系统采用的是速度调压阀和节气门开度调压阀。但在电液系统中它们均已被结构简单的磁感应式、霍尔式、光电式、激光式等车速传感器以及节气门电位器等所代替。3)换挡控制器换挡控制器实质上是向换挡执行机构发出换挡指令的发生器。换挡控制器接受来自车速、油门加速度及换挡选择机构所传来的信号，进行比较和处理，并按预定的规律选择挡位和换挡时刻，及时发出相应的换挡指令至换挡执行机构：对全液压系统由换挡阀完成；而电液式则由ECU与其控制的电磁阀、换挡阀承担。4)换挡执行机构换挡执行机构的功能是接受控制指令去具体完成挡位变换。一般均是通过液压缸充、卸压力油使离合器、制动器或单向离合器的分离或接合实现换挡。5)换挡品质控制机构换挡品质控制机构的作用是控制换挡过程平稳、无冲击，从而使乘员舒适，动力传动系统动载荷降低。一般它是在通向液压缸的油路上增加蓄能器、缓冲阀、定时阀、执行压力调节阀、协调阀和单向离合器等部件，以改善换挡品质。近年来，电子控制软件的作用渐呈明显优势，它不仅可取代原单向离合器的功能，简化了结构，而且逐步向智能化发展。此外，在自动变速器的外部还设有一个自动变速器油（ATF）散热器，用于散发自动变速器油在工作过程中产生的热量。电子控制系统可存储与处理多种换挡规律，可一机多能，实现更复杂、更合理的控制；自控系统改变规律或参数时，仅调整局部电路，即可适应性能，开发周期短；无惯量、控制精度高、反应快、动作准确；结构紧凑，质量轻；与整车动力传动系统控制如EFI、巡航、牵引力控制、四轮驱动控制等兼容性好。因此，电控所获得的优良换挡平顺性和操纵方便性及与汽车上其他电子控制装置之间的联系，导致它代替液压控制的趋势是必然的。3.2电子控制自动变速器的结构与工作原理电子控制自动变速