淺析汽車無級自動變速系統(tǒng)應用設計方案

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

采用計算機和電力電子驅動技術實現(xiàn)車輛自動變速，能消除駕駛員換檔技術的差異，減輕駕駛員的勞動強度，提高行車安全性，提高車輛的動力性和經(jīng)濟性。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的基本結構

汽車的無級變速系統(tǒng)主要有以下幾種形式：

(1)液力機械AT—HMT(Hydrodynamic Mechanical Transmission)廣泛應用于轎車、公共汽車、重型車輛、商用車和工程車輛上。

(2)機械式AT—AMT(Automa ted Mechanical Transmission)在通常機械式變速器基礎上加上微機控制電液伺服操縱自動換檔機構組成，目前它應用于部分低檔轎車、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。它的主要結構和工作原理如圖l所示。

圖1 無級式AT—CVT主要結構和工作原理

CVT技術的發(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)的汽油機汽車上。但由于結構設計和選材等方面的問題，該傳動機構體積過大，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用。直到1979年，通過結構的改進和特殊鋼帶的使用，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構。

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成。鋼帶位于這兩部分間的凹槽內(nèi)。當帶輪兩部分靠緊時，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)濟性遠遠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控制直流電動機自動完成的。

2 TCU的基本結構

TCU的基本結構如圖2所示，它由單片機、檢測電路、驅動電路、電源電路以及通訊電路等部分組成。

圖2 TCU的基本結構

單片機是采用美國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)動轉速、輸入、輸出軸轉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轉換是采用單片機內(nèi)自帶的10位A/D轉換器。變速箱的變比控制是由直流電動機驅動的。在TCU中是由4支MOSFET組成的H型電路實現(xiàn)對電動機的正反轉PWM控制。電磁離合器的電流也是通過MOSFET驅動的。在驅動電路中除主開關元件、續(xù)流二極管外還有保護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進行分配，然后對各功能模塊如Administrator/D轉換器、定時器、PWM波形發(fā)生器等進行初始化。變速箱的變比在汽車每次時應處于最小變比的位置，因此在每次停車時應將變速箱歸位，汽車起動后首先檢測各參數(shù)，如檔位開關、發(fā)動機轉速、節(jié)氣門開度、變速箱輸入、輸出軸轉速等。這些參數(shù)是控制電磁離合器電流和電動機狀態(tài)的依據(jù)。當需要增加變速箱的變比時，TCU控制電機正轉，反之控制電機反轉。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)濟性。

4 運行結果

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)動機轉速、節(jié)氣門開度和輸入軸轉速之間的曲線圖。

圖4 電機加速時的電磁離合器電流關系曲線

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，當加到峰值時，繼續(xù)保持不變，發(fā)動機轉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)動機轉速與輸入軸轉速不成比例，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系。當節(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，當車速為零時，電磁離合器電流隨之減小到零。由圖4可知，當車速在從零加到120KM/H，電磁離合器電流為零，輸入軸轉速也慢慢減為零。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)動機轉速和輸入軸轉速的之間的傳輸比例關系。

注：深藍—輸入軸轉速，黃—節(jié)氣門開度，紫紅—發(fā)動機轉速，淺藍—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速、輸出軸轉速和電機電壓之間的關系曲線。

圖5 汽車減速時的變速箱變比——轉速曲線

由圖可知，當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直到變?yōu)樽钚?，此時對應電機反轉。當車速由120KM/H開始下降時位置傳感器先保持不變，此時電機不轉，同時輸入軸轉速和輸出轉速成比例的下降，當車速達到一定的值時位置傳感器速比由最小開始上調直到為最大值，此時電機反轉(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)。輸入軸轉速和輸出軸轉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(對應的轉速比增大)。反之，車速在下降的過程中，當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整。

注：黃—位置傳感器，深藍—輸入軸轉速，紫紅—輸出軸轉速，淺藍—電機電壓

通過運行結果可以看出所設計的TCU可以實現(xiàn)電磁離合器轉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)濟性。