淺析汽車無級自動變速系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計方案

為了跟蹤世界汽車技術(shù)，發(fā)展我國汽車工業(yè)，“九五”期間，汽車電于控制技術(shù)被列為科技攻關(guān)項目。車輛自動變速是汽車電控技術(shù)的一個重要組成部分。

采用計算機(jī)和電力電子驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)車輛自動變速，能消除駕駛員換檔技術(shù)的差異，減輕駕駛員的勞動強(qiáng)度，提高行車安全性，提高車輛的動力性和經(jīng)濟(jì)性。汽車的無級變速系統(tǒng)一般是由無級變速箱CVT(Continuously Variable Transmission) 和無級變速箱控制器TCU(Transmission Control Unit)組成。

1 CVT的基本結(jié)構(gòu)

汽車的無級變速系統(tǒng)主要有以下幾種形式：

(1)液力機(jī)械A(chǔ)T—HMT(Hydrodynamic Mechanical Transmission)廣泛應(yīng)用于轎車、公共汽車、重型車輛、商用車和工程車輛上。

(2)機(jī)械式AT—AMT(Automa ted Mechanical Transmission)在通常機(jī)械式變速器基礎(chǔ)上加上微機(jī)控制電液伺服操縱自動換檔機(jī)構(gòu)組成，目前它應(yīng)用于部分低檔轎車、局部卡車和商用車上。

(3)無級式AT—CVT(Continuously Variable Transmission)是目前在小排氣量轎車中使用最多的一種。它的主要結(jié)構(gòu)和工作原理如圖l所示。

圖1 無級式AT—CVT主要結(jié)構(gòu)和工作原理

CVT技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有了一百多年的歷史。德國奔馳公司是在汽車上采用CVT技術(shù)的鼻祖，早在1886年就將V型橡膠帶式CVT安裝在該公司生產(chǎn)的汽油機(jī)汽車上。但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材等方面的問題，該傳動機(jī)構(gòu)體積過大，傳動比過小，無法滿足汽車行駛的要求。這些缺點限制了它的應(yīng)用。直到1979年，通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和特殊鋼帶的使用，CVT的傳動比明顯提高，具備了在車輛上廣泛應(yīng)用的前提條件。從那時起，福特、菲亞特和日產(chǎn)等公司的車型都曾采用過這種變速傳動機(jī)構(gòu)。

CVT采用的V形承推鋼帶由安裝在撓性馬氏體時效鋼圈上的多片楔形鋼片構(gòu)成。它的動力從主動輪輸入，經(jīng)過V形鋼帶，由從動輪輸出。帶輪由可以相對滑動的兩部分構(gòu)成。鋼帶位于這兩部分間的凹槽內(nèi)。當(dāng)帶輪兩部分靠緊時，凹槽較窄，鋼帶位于帶輪外緣，此時帶輪的工作直徑最大。隨著這兩部分間的相對滑動，凹槽越來越寬，鋼帶逐漸靠近帶輪中心，即工作直徑最小的地方。汽車剛剛起動車速較低時，主動輪工作直徑較小，變速器可得到較大的傳動比，使汽車獲得足夠動力克服行駛阻力。隨著車速的升高，主動輪工作直徑逐漸增大，從動輪工作直徑越來越小，變速器傳動比也相應(yīng)減小。由于帶輪工作直徑可連續(xù)變化，因此這種變速器的傳動比也是無級、連續(xù)變化的，傳遞動力更平穩(wěn)，其動力性和經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于行星齒輪式自動變速器。汽車在實際運行中變速箱變比的控制是由TCU控制直流電動機(jī)自動完成的。

2 TCU的基本結(jié)構(gòu)

TCU的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由單片機(jī)、檢測電路、驅(qū)動電路、電源電路以及通訊電路等部分組成。

圖2 TCU的基本結(jié)構(gòu)

單片機(jī)是采用美國Microchip公司2002年3月推出的單片PIC18F452，它在功能上可以滿足TCU的要求，在性能上它具有低功耗、工作溫度范圍寬，并且可在較低的電壓下正常工作，特別適用于汽車電器。檢測電路分為脈沖檢測、開關(guān)量檢測以及模擬量檢測。脈沖檢測又分為脈沖計數(shù)和脈沖寬度檢測。如發(fā)動轉(zhuǎn)速、輸入、輸出軸轉(zhuǎn)速的測量是采用脈沖計數(shù)方式。節(jié)氣門開度則是采用脈沖寬度測量的方式。

模擬量的測量主要由濾波電路、放大電路組成。A/D轉(zhuǎn)換是采用單片機(jī)內(nèi)自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器。變速箱的變比控制是由直流電動機(jī)驅(qū)動的。在TCU中是由4支MOSFET組成的H型電路實現(xiàn)對電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)PWM控制。電磁離合器的電流也是通過MOSFET驅(qū)動的。在驅(qū)動電路中除主開關(guān)元件、續(xù)流二極管外還有保護(hù)電路和電流檢測電路。

通訊接口的作用主要是觀測TCU的工作狀態(tài)，對檢測傳感器的故障分析以及傳感器資源的共享。

3 TCU控制系統(tǒng)程序框圖

TCU控制系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示。

圖3 TCU控制系統(tǒng)主程序框圖

程序首先對內(nèi)部RAM進(jìn)行分配，然后對各功能模塊如Administrator/D轉(zhuǎn)換器、定時器、PWM波形發(fā)生器等進(jìn)行初始化。變速箱的變比在汽車每次時應(yīng)處于最小變比的位置，因此在每次停車時應(yīng)將變速箱歸位，汽車起動后首先檢測各參數(shù)，如檔位開關(guān)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、變速箱輸入、輸出軸轉(zhuǎn)速等。這些參數(shù)是控制電磁離合器電流和電動機(jī)狀態(tài)的依據(jù)。當(dāng)需要增加變速箱的變比時，TCU控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。電磁離合器的控制采用電流增量控制方式。它的控制好壞，直接影響汽車運行的平穩(wěn)性和經(jīng)濟(jì)性。

4 運行結(jié)果

圖4和圖5為汽車實際運行時電磁離合器電流和變速箱變比的關(guān)系曲線。其中圖4為汽車速度從零急加速到120KM/H，到120KM/H后松開油門減速到零時的電磁離合器電流與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度和輸入軸轉(zhuǎn)速之間的曲線圖。

圖4 電機(jī)加速時的電磁離合器電流關(guān)系曲線

由圖可以看出節(jié)氣門急加到最大后保持一段時間，電磁離合器電流同步緊跟著加，當(dāng)加到峰值時，繼續(xù)保持不變，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速也加到一個值保持不變，從圖中還可看出電磁離合器電流在增加的過程中，不斷在抖動，可知在上升過程中電磁離合器在不斷在打滑，在此段時間內(nèi)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速不成比例，直到電磁離合器到一個穩(wěn)定的值后才保持一定的比例關(guān)系。當(dāng)節(jié)氣門全松開后，電磁離合器電流隨之下降到一個小值后保持不變，直到車速達(dá)到使變速箱處于由齒輪變速為主時，電磁離合器電流繼續(xù)減小，當(dāng)車速為零時，電磁離合器電流隨之減小到零。由圖4可知，當(dāng)車速在從零加到120KM/H，電磁離合器電流為零，輸入軸轉(zhuǎn)速也慢慢減為零。在整個過程中，我們可看到，節(jié)氣門開度變化率代表了駕駛員的意圖，電磁離合器電流主要由節(jié)氣門開度來決定。電磁離合器的打滑程度決定了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速的之間的傳輸比例關(guān)系。

注：深藍(lán)—輸入軸轉(zhuǎn)速，黃—節(jié)氣門開度，紫紅—發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，淺藍(lán)—電磁離合器電流

圖5為汽車速度從零加到120KM/H后又由120KM/H減到零時，位置傳感器與輸入軸轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)速和電機(jī)電壓之間的關(guān)系曲線。

圖5 汽車減速時的變速箱變比——轉(zhuǎn)速曲線

由圖可知，當(dāng)汽車速度在從零加到120KM/H過程中，位置傳感器變比由最大開始下調(diào)直到變?yōu)樽钚?，此時對應(yīng)電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)車速由120KM/H開始下降時位置傳感器先保持不變，此時電機(jī)不轉(zhuǎn)，同時輸入軸轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速成比例的下降，當(dāng)車速達(dá)到一定的值時位置傳感器速比由最小開始上調(diào)直到為最大值，此時電機(jī)反轉(zhuǎn)(因測試時采用的電流傳感器為單方向的，所以圖中沒有反映出反向電流)。輸入軸轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速不成比例的下降直至為零。從圖5可以看到車速在上升時，位置傳感器速比的測試值不斷地減小(對應(yīng)的轉(zhuǎn)速比增大)。反之，車速在下降的過程中，當(dāng)車速小于某一值時測試值增加。從而實現(xiàn)了變速箱變比的自動調(diào)整。

注：黃—位置傳感器，深藍(lán)—輸入軸轉(zhuǎn)速，紫紅—輸出軸轉(zhuǎn)速，淺藍(lán)—電機(jī)電壓

通過運行結(jié)果可以看出所設(shè)計的TCU可以實現(xiàn)電磁離合器轉(zhuǎn)矩和變速箱變比的自動控制。從實際運行感覺看，起動和停止以及加減速過程平穩(wěn)。并且具有較好的經(jīng)濟(jì)性。