电控机械式自动变速器控制系统的研究

车辆自动变速器可以使驾驶员在不切断动力的情况下实现自动换档,世界汽车生产大国自30年代就开始不遗

余力地对此进行研究并提出许多方案。其中液力机械式

自动变速器(Automatic Transmission 简称AT)以其优越的动力性能、乘坐舒适性和操作简便的特点,在汽车工业中占据相当重要的地位。但与手动机械式变速器相比,其结构复杂,制造精度要求和成本较高,且传动效率较低。鉴于AT 所存在的缺点,人们开始尝试利用现代微计算机技术使机械式变速器实现自动化,从而开发出电控机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission,简称AMT)。

70年代中期,德国奔驰汽车公司采用由电子控制的半自动操纵方式实现换档,这是第一代AMT 。该产品没有实现完全的自动化,即换档时驾驶员仍要踩下离合器踏板,电子装置提示驾驶员何时为最佳的换档时刻,但它具有传动效率高、成本低、易制造等优点,从此成为自动变速器发展的一个重要方向。1984年日本五十铃公司生产出世界上第一种全自动电控机械式自动变速器NAVI-5,到80年代末,全自动AMT 进入实用化阶段。从90年代开始,美国、德国生产的重型汽车开始使用AMT,使在复杂多变条件下工作的车辆的换档品质和起步性能进一步提高。

1电控机械式自动变速器的工作原理

电控机械式自动变速器是在传统固定轴式齿轮变速箱的基础上,把选档、换档、离合器及相应发动机供油操纵用以微处理器为核心的控制器完成、实现的自动变速器[1]

。其基本功能:一是根据当前汽车运行状态、路面情况及驾驶者的意图,自动判断变速箱的最佳档位,即档位决策功能;二是自动控制发动机、变速箱、离合器完成换档过程,即换档、起步的自动操纵功

能。随着AMT 的发展,人们引入了各种最新的监测、控制技术以改善自动变速器的性能,使档位决策及换档控制对路面环境、使用者特点、使用者意图具有适应性。AMT 在离合器控制和档位决策方面采用模糊逻辑,模仿熟练司机驾驶车辆中的相应操纵以改善起步、换档、离合器结合控制特性和档位选择的适应性[2]。神经网络方法也被引入AMT 的档位决策和控制中,以获取更多路面特征信息,提高AMT 对路面的适应性。AMT 控制系统与发动机控制系统一体化以增加信息共享、协调控制能力,并实现整车控制系统网络化。AMT 使用性能的好坏和智能化程度的高低主要是由AMT 中的控制系统决定的。控制系统将传感器采集到的信号通过电控单元(ECU)进行处理,对相应的执行机构发出指令,完成一系列操作。

2电控机械式自动变速器控制系统的组成

AMT 根据驾驶员的意图(油门开度与选择开关)和车辆的运动状态(发动机转速、输入轴转速、车速及档位),依据从众多熟练驾驶员中提炼出的驾驶方法(换档规律、离合器接合规律),借助于相应的执行机构(油门执行机构、离合器执行机构和选换档执行机构),对车辆(发动机、离合器和变速器)进行自动操纵。AMT 控制系统由下列四部分组成:

a.被控对象

包括发动机、离合器和变速器;

b.执行机构包括步进电机、电磁阀(普通电磁阀和高速电磁阀)及液压缸(离合器作动缸和选、换档油缸)等;

c.传感器

包括速度传感器(发动机转速传感器、输入轴

转速传感器、车速传感器)、油门开度传感器和档位传感器等;

d.电控单元(ECU)

包括CPU 、ROM 和I/O 接口等。

AMT 的执行机构由选、换档执行机构、离合器执行机构和油门执行机构等组成。油门执行机构一般采用步进电机或磁电

摘要 AMT 是在机械式变速器的基础上发展起来的一种自动变速器,文章对其工作原理进行简要介绍,通过研究AMT 控制系统的组成和执行方式,对AMT 工作过程中可能发生的故障提出了相应的容错方法,从而提高了可靠性和安全性。

叙词:AMT

控制系统容错方法

同济大学

刘

岩

丁玉兰

重型汽车 H E A V Y T R U C K 2001.1.

12Y a n j i uf a zh a n

研究发展控制系统的研究

电控机械式自动变速器

图AMT 液压操纵系统图

2001.1.H E A V Y

T R U C K 重型汽车 13

Y a n j i u fa zh a n 研究发展

式电机驱动油门。选、换档和离合器执行机构有气动式和液动式两种,现在更常用的是液压操纵系统,如图所示。

3电控机械式自动变速器控制系统的容错方法

当重型汽车经常在恶劣条件下工作时,AMT 常受到这样或那样的干扰,AMT 控制系统中的ECU 、传感器和执行机构难免会发生故障[3]。如果某部件发生故障,汽车的性能会急剧下降,甚至需要立即停车,这对汽车整体性能的发挥和维修工作的进行是非常不利的。为提高AMT 系统的可靠性和安全性,在随车诊断系统中应增强容错控制功能,即当有些部件失效时,它们在系统中的功能可用系统中的其他部件完全或部分代替,使系统能够继续保持规定的性能或不丧失最基本的功能。

针对不同的故障,AMT 控制系统采用了相应的容错方法。主要包括如下几个子系统: ECU 容错系统; 选、换档机构容错系统; 油门操纵机构容错系统; 各转速传感器的容错; 离合器控制机构的容错。3.1ECU 容错系统

相对于传感器和执行机构来说,ECU 的可靠性较高,但一旦发生故障,后果将更加严重,会使整个系统瘫痪和失控。AMT 控制系统ECU 的容错措施有以下几种:

a.采用主从机结构,一旦主机出故障可以自动切换至从机进行控制,提高ECU 的可靠性;

b.采用双机结构,把对发动机与离合器、变速箱的控制分离出来单独控制,以改善性能和简化编程,同时降低工作负担,延长使用寿命;

c.采用机械应急系统,一旦ECU 失灵,启动机械应急系统,恢复手动操纵,以便使车辆驶回车库自检或到维修站检修。3.2选、换档机构容错系统

若档位传感器发生故障,则实施选、换档的开环控制,所显示的档位信号由选、换档电磁阀的驱动信号来决定。对于选、换档电磁阀,分下列两种情况: a.若升不到高档位,应保证能以低档位继续行驶,此时需牺牲经济性与动力性; b.若降不到低档和空档,应保证能控制油门,行驶到目的地。3.3油门操纵机构容错系统

对于加速踏板传感器和油门传感器,若系统可以对其故障大小进行诊断,则可采用动态补偿技术对故障信号进行修正,

此时不影响控制结果;若系统只能定性诊断出是否有故障,则无法实施动态补偿,此时只能实施简单的开环控制,同时发动机模型辨识无效。

对于步进电机,在中、小油门时若发生故障,则置于一档,缓慢行驶到目的地,安全停车;在大油门时若发生故障,也同样置于一档,行驶到马路边,安全停车。3.4各转速传感器的容错

各转速传感器的功能各不相同。发动机转速传感器主要用于起步和变速时离合器的接合控制;中间轴转速传感器用于离合器接合点的检测和档位脱离的判定;车速传感器用于检测车辆的运动状态,并确定换档时刻。

若某个传感器发生故障时,可根据诊断结果系统对其进行动态补偿,此种情况下并不影响各种控制性能;若系统不能对传感器进行动态补偿,则应采取如下降级措施:

a.当发动机转速传感器发生故障时,则变离合器起步控制为恒速接合控制,同时降低发动机控制级别,此时发动机模型辨识无效;

b.当中间轴转速传感器发生故障时,则降低离合器起步控制、离合器换档控制、变速箱换档同步控制功能;

c.当车速传感器发生故障时,则降低变速箱换档同步控制功能,整车模型辨识无效。3.5离合器控制机构的容错

离合器的控制是机械式自动变速器的难点,在选取优质元器件和实施先进控制的基础上,采用容错控制的方法,可以克服控制性能受使用时间的影响,以及在关键部件出现故障时采用相应的替代措施,提高离合器控制的适应性和可靠性。离合器控制机构的容错主要包括两方面的内容,即离合器接合用电磁阀的容错和离合器行程传感器的实时标定。

由于电源电压不稳、磨损和振动的影响,离合器行程传感器的基准值常发生变化,影响控制性能,采用实时标定的方法,即在每次分离和接合完成时都要记录相应的传感器标定值,以此实施动态标定。若离合器分离电磁阀发生故障,则维持目前档位,以尽可能小油门行驶至目的地,安全停车。

4结束语

AMT 技术保留了原齿轮变速箱传动效率高、成本低、易制造和维护的优点,且使用方便、简单安全、乘坐舒适,越来越受到人们的欢迎,成为开发适合我国国情的新型汽车自动变速器的热点。

参考文献

1葛安林.车辆自动变速理论设计.机械工业出版社,19932Yama g uchi.Au tomatic Transmissi on Shift Sched ule Con trol Usin g

Fu zzy Logic.S AE 930674

3Renato Guagliu mi.A General Purp ose Electron ic Device for Field

Dia g nosis of Au tomotive Electronic Control S y stems.SAE 9704

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