01M型自动变速器教学平台的设计与验证.

01M型自动变速器教学平台的设计与验证Designing and Validation of 01M Automatic Transmission
Teaching Platform
作者姓名于晨斯
学位类型工程硕士
学科、专业工学、机械工程
研究方向机械工程
导师及职称夏永胜（副教授）
2013年3月
1
合肥工业大学
本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。

答辩委员会签名：（工作单位、职称）
主席：
委员：
导师：
2
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签字：签字日期：年月日
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学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。

本人授权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）
学位论文者签名：导师签名：
签字日期：年月日签字日期：年月日
学位论文作者毕业后去向：
工作单位：电话：
通讯地址：邮编：
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01M型自动变速器教学平台的设计与验证
摘要
近几年来，随着中国汽车产业的发展，中国已超过美国成为世界第一大汽车生产国和汽车销售国。

在汽车产销量不断增加的同时，汽车制造技术近年来飞速发展，这其中很大程度依靠于电控产品在车辆上的广泛应用。

据不完全统计近10年以来的汽车技术革新90%与车辆的电子控制技术相关。

而随着电子控制技术的发展，汽车变速器已经走上了自动控制的时代，汽车自动变速器的开发与应用成为了各个汽车厂家的研究热点方向。

在汽车行业不断发展的背景下，大力加强对汽车人才的培养开发新型试验设备迫在眉睫。

设计适应于汽车类专业的教学平台有着促进教学效果，完善教学手段，改进教学方法的重要意义。

本论文主要研究内容为以大众01M型自动变速器为原型，通过对其结构的简化和改进设计一款适用于日常教学的多功能教学平台。

本文对液压式自动变速器的结构及原理做了简要的阐述。

文章对教学平台的完成过程，平台的功能以及使用方法做了系统的介绍。

通过使用M A T L A B软件对汽车自动换档规律进行了数学建模和分析。

使用教学平台通过实验法测得了相关数据，通过数值与理论参数的比对验证了教学平台的可行性，充分证明了此项研究对自动变速器的教学有着重要的意义。

全文主要研究内容如下：
1.对自动变速器在汽车技术革新上的位置，国内外的技术发展方向和研究热点做了阐述。

从结构上分析了自动变速器的组成与变速原理。

从不同种类出发，介绍了液力式自动变速器（A T）、机械自动变速器（A M T）、无级变速器（C V T）、双离合自动变速器（D C T）各自的变速原理、结构组成和优缺点。

确定了实验平台研究的基础，制定了研究的方向。

2.从试验台的选型出发，论证了选取01M型自动变速器的多种原因。

介绍了01M型自动变速器的行星齿轮变速机构、液压控制系统、电控单元等主要部件主要部件，装配结构，传动原理等相关信息。

对01M型自动变速器的优缺点进行分析，为后面的选型工作做好理论研究的基础。

3.对01M自动变速器教学试验台的设计制作过程做了详尽的阐述。

首先从选型出发，依据01M自动变速器的特点论证了选择其
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作为教学试验台的可行性和优点。

第二，详尽的介绍了对教学平台机械部件的设计改造方法。

第三，介绍了对教学平台机电子控制单元的改造方式。

第四，介绍了对教学平台阀体、油路改造方式。

4.通过对自动变速系统的数学建模研究自动变速器的换档规律。

通过M A T L A B软件进行数学仿真，得出自动变速器动力性、经济性的换档规律。

通过实验法，使用教学平台对试验数据的收集，绘制换档规律图，与仿真图形进行比对以验证教学试验台对真实车辆各种工况的模拟能力。

进一步验证此教学试验台的功能性和可行性。

5.介绍01M自动变速器教学试验台的多种功能，和操作方法。

6.总结01M自动变速器教学试验台的设计过程中所遇问题和拟解决方案。

关键词：01M自动变速器，教学试验平台，M A T A L A B仿真，换档
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De si gni ng and Val i dati o n of 01M Au tomatic Tr ansmi ssi on Te ac hi ng Pl atfor m
Abstr ac t
W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f C h i n a’s a u t o m o b i l e i n d u s t r y,C h i n a h a s e x c e e d e d t h e U.S.t o b e t h e l a r g e s t a u t o m o b i l e m a n u f a c t u r e r a n d v e h i c l e d e a l e r i n r e c e n t ye a r s.In a d d i t i o n,t h e a u t o m o b i l e m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y h a s a l s o s p e e d e d w i t h i n a f e w ye a r s, w h i c h t o a g r e a t e x t e n t d e p e n d e d o n t h e w i d e a p p l i c a t i o n o f e l e c t r o n i c
c o n t r o l p r o
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K e y w o r d s:01M a u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n,t e a c h i n g e x p e r i m e n t a l p l a t f o r m,M ATA L A B s i m u l a t i o n,g e a r-s h i f t i n g
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致谢
经过为期一年的调查研究、资料收集、方案设计、实验验证过程，终于圆满的完成了《01M型自动变速器教学平台的设计与验证》硕士论文。

在论文的编写过程中，无论是知识的掌握程度还是从事学术研究能力都得到了很大的提升。

在我将来的工作、科研道路上都必将是一笔可贵的财富。

在这里我首先要感谢三年来在合肥工业大学的学习，感谢所有教导过我，曾经给我传道授业的老师。

正是他们辛勤的教诲使得我的知识和科研能力都有了很大的提高。

在论文的编写过程中，我最为要感谢的是我的导师，夏永胜老师。

他为我的研究指明了方向，在准备过程中给我提供了大量的相关资料。

从方案的设计到方案的实施过程中他都一丝不苟的为我严格把关。

他严谨的作风踏实的科研态度感染着我也教育着我。

在这里，谨向我的导师夏永胜教授表达最诚挚的谢意和最崇高的敬意！
在调研过程中，我得到了九江大众4S店，广州艾逖汽车检测设备有限公司等单位相关工作人员的帮助和支持，在此我也向他们表达我诚挚的谢意。

没有导师的指导，没有各位任课老师的教导，没有同学、同事们的帮助，没有家人的关怀本论文是不能顺利完成的，感谢所有帮助和支持我的人们！
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目录
第一章绪论 (12)
1.1研究的目的和意义 (12)
1.2研究的现状 (12)
1.3研究的方法 (13)
第二章自动变速器的种类与特性 (14)
2.1国内外发展趋势 (14)
2.2汽车自动变速器分类 (16)
2.3自动变速器种类与特性 (17)
2.3.1汽车液力式自动变速器 (17)
2.3.2电控机械式自动变速器 (19)
2.3.3汽车无级自动变速器 (21)
2.3.4汽车双离合自动变速器 (22)
第三章自动变速器的选型 (25)
3.1试验台的自动变速器选型 (25)
3.2大众01M自动变速器工作原理 (25)
3.3液力变矩器 (28)
3.4行星齿轮变速机 (30)
3.5液压控制系统 (31)
3.6电控单元 (31)
第四章实施过程 (34)
4.101M型自动变速器教学实验台的总体设计方案 (34)
4.2机械部件的设计与改造 (35)
4.2.1动力源改造 (35)
4.2.2输入设备 (36)
4.2.3输出设备 (37)
4.2.4换档机构 (39)
4.3电路部分设计与改造 (40)
4.3.1变速箱自动控制电脑 (40)
4.3.2汽车电脑 (41)
4.3.3传感器改造 (41)
4.3.4换档的可视化 (42)
4.3.5线路的改造 (43)
4.4阀体油路的改造 (43)
4.4.1电磁阀 (43)
4.4.2油路 (44)
4.5创新点 (46)
第五章01M自动变速器换档试验与数据建模 (48)
5.1建模概述 (48)
5.2换档规律对自动变速器性能的评价 (48)
5.3自动变速换档规律的选取 (49)
5.401M自动变速器换档规律参数 (50)
5.5自动变速器换档规律的数学模型建立 (50)
5.5.1最佳动力性换档规律建模 (50)
5.5.2最佳燃油经济性换档规律建模 (53)
5.6运用M A T L A B的自动变速系统仿真 (55)
第六章教学平台可行性验证试验 (57)
6.1实验目的 (57)
6.2实验设置 (57)
6.3试验数据的采集与记录 (58)
6.4绘制换档规律图 (58)
6.5比对结论 (59)
第七章自动变速器教学平台功能和操作方法 (60)
7.1自动变速器教学平台的操作方法 (60)
7.2自动变速器教学平台的主要功能 (61)
第八章总结 (62)
8.1主要研究成果 (62)
8.2展望 (63)
插图清单
图1研究结构框图 (13)
图2汽车液力自动变速器图 (18)
图3电控机械式自动变速器结构图 (20)
图4电控机械式自动变速器结构图 (21)
图5汽车双离合自动变速器图 (23)
图601M型自动变速器 (26)
图7拉维纳轮系图 (27)
图8 01M自动变速器变速杆 (28)
图9液力变矩器 (29)
图10行星齿轮变速机构结构图 (31)
图11实验台的设计框图 (35)
图12换档机构 (40)
图13示教板图 (43)
图14油路图 (45)
图1501M自动变速器教学实验台 (46)
图16最佳经济性换档规律图 (55)
图17最佳动力性换档规律图 (56)
图18实际换档规律图 (58)
图19电磁阀显示灯 (61)
列表清单
表1：执行元件及其控制部件 (32)
表2：不同档位时换档执行元件工作规律 (32)
表3行星齿轮部件状态表 (33)
表4：传动比一览表 (38)
表5：电磁阀控制图 (44)
表6：01M自动变速器参数图 (50)
表7：实验数据表 (58)
第一章绪论
1.1研究的目的和意义
汽车维修的教学实践表明，要培养一个专业的汽车维修技术人员，对自动变速器的整体结构和工作原理的掌握必不可少。

而目前国内大多数的自动变速器教学仪器在研发过程中存在许多问题，部分厂家生产的自动变速器实验设备有的重视自动变速器的行驶参数的模拟，有的偏重故障条件的设置，但是往往忽视实验设备的可视化程度，在教学过程中的直观性等方面存在不足。

对于在校学生而言，要掌握测试、检修的各项专项技能只有对自动变速器的原理以及结构的真正了解后才能得以完成。

在教学工作中，教师的理论讲授和学生运用教学实验设备的进行实际训练，二者缺一不可。

但目前适用的自动变速器教学实验设备又在市场上极少，如何将教学实验设备的设计结合教师的理论授课，使学生能够把理论知识转化为自动变速器维修的实际技能。

更由于降低教学成本节约教学经费的目的，自行研发改装自动变速器教学实验台有着良好的经济效益。

在制作本自动变速器教学实验台可以根据所需的功能和条件进行特性化设计，大大的增强了设备的功用。

本课题研究开发的汽车自动变速器教学实验台，正是顺应这些要求的教学实验设备。

在“基于“零距离就业”的机械类‘C A D/C A M’技能培养的研究”的课题中提出以教学的过程完成生产的过程的理念。

本课题作为此课题的子项目之一，在本设备的制作过程中应用到的C A D/C A M技术支持。

同时也补充了教学中对于产品化的教学目标，既在制作过程中运用C A D/C A M技术教学完成产品。

使得教学过程最终能达到从产品来到产品去的目的，最终开发制作出了有价值的产品。

1.2研究的现状
随着汽车产业的发展，各职业院校均开设了汽车相关专业。

为适应专业的快速发展，汽车教学过程不断完善，教学设施不断增加。

从教学设备的引进来看，除了汽车整车作为教学设备，更多的采用模拟汽车各个系统和机构运行的仿真教学平台，和各种示教板。

虽
然这些教具的数量众多，但是大多依靠招标购买。

现在常见的自动变速器示教板和教学平台，往往会加装维修诊断系统大大的方便了故障的设置便于教学。

示教板上会将原车的电路甚至油路系统绘制于示教板上，便于直观观测和教学。

但是在传感器方面省略了过多的传感器，使得自动变速器模拟真实车况不真实。

节气门形同虚设，有的试验台甚至没有，但对于自动换档过程来说节气门开度是衡量换档时机的重要参数。

由于主轴动力输入大多试验台选择电动机输入，在检测转速的仪表上通常选择电机频率而非转速。

试验台的演示功能大多比较尽如人意，但是在试验功能上尚有缺陷。

虽然有学者对制作自动变速器教学实验台进行过研究，但很少通过计算机仿真技术验证教学平台的模拟性能。

综上所述在此领域在许多方面还存在研究的真空地带和不足的地方有待改进和提高。

1.3研究的方法
本课题通过调研研究自动变速器的市场应用情况，汽车类专业教学实验设施的情况，常用自动变速器试验台功能等情况设定本课题的研究方向，确定制作试验台的方法及功能。

然后通过资料的收集准备完善的科研资料。

制定设计方案和验证方案。

通过建模仿真得到01M自动变速器理论换档规律曲线，制作换档规律图。

同时按照设计方案制作教学实验台，并用做好的教学实验进行数据采集实验绘制换档规律图。

将两者进行比对验证试验台的模拟真实自动变速器的能力。

最后得出结论。

本课题具体实施方案，研究方法如下示意图所示[1-4]。

图1研究结构框图
第二章自动变速器的种类与特性
2.1国内外发展趋势
在人类文明漫长的发展历史中，汽车工业的发展已走过不止一个世纪的时间。

百多年间，汽车以人们难以想象的速度飞速发展，从最初为了满足人们方便出行的目的到现如今成为我们这个时代最典型的产品融入我们的生活。

这过程，汽车发展史走得艰辛但又充满惊喜。

其中，作为汽车关键总成之一的变速器，它的技术革新与发展跟着汽车工业的脚步不断地与时俱进。

早在1904年，波士顿诞生了第一个自动变速器。

该变速器由斯图凡德兄弟发明。

1908年，在福特的T型车上已经搭载了有两个速比的自动变速器，而这也是最早使用两个速比自动变速器的车型。

1914年，由德国奔驰公司最先推出第一个自动齿轮变速器，在当时，该自动变速器只装配在少数高级官员的汽车上。

1940年世界上第一台真正意义上的全自动
而世界上第一台用于大规模生产的全自动变速器是通用汽车公司在1940年代生产的H y d r a-M a t i c，这台变速器使用液力耦合器（而不是液力变矩器）和三排行星齿轮提供四个前进档和一个倒档。

H y d r a-M a t i c最初被装于奥兹莫比尔轿车上，而后凯迪拉克和庞蒂克也采用了这种变速器。

到了二战时期，随之坦克技术的发展需求，自动变速器在这段时期也得到了非常重要的改进。

随着坦克的大量的载重车上使用，别克公司特此为坦克开发了液力变矩器，这种举动很好的避免了坦克在战场上因换档不慎而导致引擎熄火。

随后到了1948年随着液力变速器的改进奠定了现在家用自动变速器的基础。

1968年，法国R e n a u l t S.A汽车公司首次在自动变速器上运用了电控元件。

进入20世纪的70年代，自动变速器广泛普及。

美国年产家用轿车总量8成以上配备自动变速器。

1982年，第一台由E C U控制的电控自动变速器在日本丰田公司诞生了。

只是自动变速器上的一大革命性的的创新。

1983年，德国成功研制出电喷发动机和自动变速器共用一个电子控制单元的电子元件，这是一个超越性的壮举。

1984年，美国第一台电控自动变速器（T H M440-T4）由通用汽车公司推出，该横置式变速驱动桥至今仍是通用汽车公司的主导产品。

20世纪80年代中后期，伴随电控技术的不断发展，越来越多的车辆开始采用电子控制技术研发自动变速器，电控液力式自动变速器被普遍采用。

而且在此时，世界各大汽车公司对自动变速器的需求不断提高，在小轿车、城市公共汽车、各种城市用车、矿用汽车以及越野军用车辆中均得到广泛的应用。

而在20世纪80年代末，有统计数据显示，美国、日本、欧洲地区生产的轿车，自动变速器装车率达已高达80%~90%。

1997年，标致206与雷诺C l i o率先采用了最先进的电脑控制技术，这样汽车可以依据驾车者的习惯、路面的状况、车身的符合及周边环境等多种因素，在9种模式中挑选最适合的功能，实现智能化驾驶，以充分发挥车辆的性能。

得益于自动变速器的出现和不断完善，自动变速器逐步实现了自动换档，方便操作，增加了舒适性，因而被各种汽车广泛采用。

自动变速器按变速方式分为无级式变速器（C V T）和齿轮式自动变速器，其中齿轮式自动变速器又可分为普通齿轮式变速器和行星齿轮式自动变速器两种。

其中行星齿轮式自动变速器因其结构紧凑，能获得较大的传动比，而被大多数汽车厂家采用。

除了传统的行星齿轮式自动变速器外，近几年还出现了一些其他类型的自动变速器。

如双离合器自动变速器（D C T）、无级变速器（C V T）、机械式自动变速器（A M T）。

这些变速器将在后面的变速器的类型中做更多的介绍。

如今，汽车自动变速器目前在国际上已成为发展趋势。

回观国内，我国在汽车发展史从无到有，从代工到尝试自主研发，我国的进步与取得的成绩还是可观的。

1956年7月13日，在长春一汽，中国第一辆解放牌汽车下线，中国人结束了自己不能造车的日子。

1958年5月12日，第一辆国产轿车东风C A71诞生。

该车就是著名红旗轿车的鼻祖。

而从20世纪60年代开始，我国自产的红旗770轿车上开始配备了两个前进档的液力自动变速器，1975年又研发出三个前进档的C A774液力自动变速器。

随着改革开放的开展与深入，大量国外轿车进入我国市场，使国内汽车企业加快了自动变速器的发展步伐。

1998年，上海通用汽车公司生产的用于别克轿车上的4T65E电子控制自动变速器正式下线，且在1999年开始批量生产并投放市场，率先在国内将A T作为彼岸准配置装于轿车。

近年来，机械自动变速器在货车上也得到了推广和应用。

2008以来，中国重汽、一汽、二汽、福田欧曼等都推出了自己的A M T 产品。

而在2012年，盛瑞8A T（S R8A T-300）推出了国内首款横置8速变速箱，这也是国内变速箱行业的一个里程碑。

目前，自动变速器的市场占有率，中国的市场占有率远低于美国、日韩、欧洲等国家。

美国自动变速器装车率在95%以上，日本也有近90%的占有量，而欧洲等国家则更青睐于具有节能和运动特性的D C T（双离合器自动变速器）。

虽然我国乘用车市场上装配自动变速器的汽车呈逐年上涨的趋势，但是自动变速器核心技术的缺失是我国现阶段汽车零部件行业现阶段遇到的难题。

我国对自动变速器技术的研究起步较晚，基础薄弱，与发达国家相比存在着一定的差距。

不过反过来看，中国自动变速器现在是处于市场发展的初期，中国市场发展潜力之巨大是无法估量的，前景也是一片光明。

而且就在近几年的时间里，我国自动变速器市场的增长每年都在以惊人的20%的速度增长，如此发展趋势，突破每年20%的增长速度是极有可能的。

在现今趋势下我们研究自动变速器应在已经取得的成果和国内外的经验下，大力推进这一汽车核心技术的发展，通过引进国外自动变速器的生产技术，然后对其进行消化、吸收、并且给予创新，以此开发、组织生产具有自主品牌的自动变速器产品，开拓国内自动变速器技术的美好未来。

2.2汽车自动变速器分类
自动变速器种类繁多，在本课题的研究中第一个问题就是选定一款具有广泛性，代表性，经济性的自动变阻器作为教学实验平台的基础。

下面我们对自动变阻器的分类和其各自特点一一进行分析比对，从而确定研究目标。

汽车自动变速器按变速方式可分为有级变速和无级变速。

有级变速是指仅能在几个定值改变传动比。

无级变速则可在一定范围内连续改变传动比。

从功能性上来讨论无极变速具有更广泛的前景，而有级变速有着研发制造价格成本相对低廉，技术较为成熟，市场
占有率大等优势。

按控制方式的不同可分为：液压式自动变速器和电子式自动变速器。

其中液压控制式自动变速器由液力变矩器（变扭器）、带有液压控制的换档执行元件(离合器、制动器)的行星齿轮变速机构和液压控制阀组成。

电子控制式自动变速器:是由液力变矩器、液压控制换档执行元件(离合器、制动器)的行星齿轮变速机构、液压控制换档阀和电子控制系统（E C U）等组成。

后者更为先进，通过E C U 对换档的控制能更精确控制换档时机达到更优的动力性和经济性。

按传动比变化方式来分类可分为：普通变速器（轴线固定式变速器)，行星齿轮变速器和无级变速器。

其中无级变速器它采用齿轮传动，具有特定个数定值传动比。

普通是变速器虽然不能达到无极变速的传动比，但是在某个特定范围内能实现无极变速，但比之其他几种在此参数的衡量上不显示劣势。

但目前使用最广泛的分类方式是按工作原理来划分，可分为：液力式自动变速器(A T)、电控机械式自动变速器(A M T)、无级变速式自动变速器(C V T)和双离合式自动变速器（D C T）等几种形式。

下面我们将对上述四种变速器进行逐个对其的结构特点、工作原理做出简要的分析。

并从各自所具有的优点，所存在的缺点出发讨论在选型过程中所需处理的相关问题，从而确定研究对象。

2.3自动变速器种类与特性
2.3.1汽车液力式自动变速器
汽车液力式自动变速器（如图2）从结构上来分析，由机械部分、电气控制部分和液压控制部分三部分组成。

其中机械部分又可分为液力变矩器、行星齿轮变速机构、润滑机构和冷却机构以及控制机构四部分组成。

其中行星齿轮变速机构是由行星齿轮系统和锁止离合器组成。

控制机构由液压控制系统、电子控制系统组成。

图2：汽车液力自动变速器图
液力变矩器位于发动机和行星齿轮变速机构之间，由涡轮、泵轮、导轮以及锁止离合器组成。

当动力输入时油液（A T F油）由泵轮提供能量进入涡轮并冲击涡轮叶片时，液力变矩器便将发动机曲轴的能量传送给传动系统。

行星齿轮变速机构通过改变多组湿式离合器的开合控制行星轮系统的构件从而达到控制变速的目的，最终达到实现换档自动化。

润滑系统的作用在于保证变速器传动部件的润滑延长部件寿命。

冷却系统的作用在于对油液和机械部件的冷却降温。

液压控制系统由油泵、液压阀和多条液压回路组成。

油泵是液压系统的动力装置，提供相应压力的液压油。

液压阀是通过控制油路闭断来控制离合器的闭合，从而实现换档。

电子控制系统由变速器控制单元、多种传感器和电磁阀组成。

电子控制系统接收传感器发出的车速、发动机转速、发动机负荷节气门开度、温度等多种信息，通过汽车电脑内存储的换档规律来做出判别，从而自动实现档位增减。

汽车液力自动变速器具有广泛的优点：
第一效率高。

在变扭器执行工况时效率高,且高效区间宽,第二在偶合器工况时,可以达到大负荷的功率输出。

第三降低和减少发动机的磨损从而降低油耗。

若使用于城市路况上使车辆行驶舒适性大大增加。

第四变扭比较低。

锁止离合器为进一步提高效率,除小客车外的其它汽车因其变扭器大多采用锁止离合器。

采用锁止离合器是控制变扭器只在所需驱动力较大时才使用,其他工况下离。