兩檔機(jī)械式自動(dòng)變速器檔位間距檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭紅梅，龔國華，蔣夢(mèng)鴿，羅凡

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兩檔機(jī)械式自動(dòng)變速器檔位間距檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭紅梅，龔國華，蔣夢(mèng)鴿，羅凡

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 安徽 合肥 230009）

針對(duì)傳統(tǒng)自動(dòng)變速器檔位傳感器、檔位開關(guān)性能不穩(wěn)定、安裝不便的缺點(diǎn)，課題設(shè)計(jì)了一種檔位間距自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩檔機(jī)械式自動(dòng)變速器檔位間距自動(dòng)檢測(cè)，并根據(jù)測(cè)得的檔位間距進(jìn)行換檔，以軟件代替檔位傳感器等硬件。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)連在電機(jī)軸上的絲杠螺母，使連在螺母上的撥叉向檔位1運(yùn)動(dòng)。同步器結(jié)合套撞上限位裝置時(shí)，伺服電機(jī)堵轉(zhuǎn)，伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。換檔控制器接收第一個(gè)報(bào)警信號(hào)后，將脈沖數(shù)清零，然后驅(qū)動(dòng)撥叉向檔位2運(yùn)動(dòng)。到達(dá)檔位2后，電機(jī)堵轉(zhuǎn)并發(fā)出第二個(gè)報(bào)警信號(hào)，換檔控制器接收?qǐng)?bào)警信號(hào)后，記錄發(fā)出的脈沖數(shù)，這個(gè)脈沖數(shù)即為兩檔間距。

兩檔機(jī)械式自動(dòng)變速器；伺服電機(jī)；報(bào)警信號(hào)；檔位間距自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

1 引言

機(jī)械式自動(dòng)變速器[1]在自動(dòng)換檔過程中需要檢測(cè)準(zhǔn)確的換檔位置[2]，以防止誤換檔和掛檔失敗的發(fā)生。傳統(tǒng)采用的接觸式行程開關(guān)，安裝不便，并且使用的過程中會(huì)磨損；而非接觸式霍爾傳感器容易受到電機(jī)等其它組件很大的電磁干擾，穩(wěn)定性受到嚴(yán)重的影響[3]。所以，要準(zhǔn)確地進(jìn)行換檔，必須準(zhǔn)確地檢測(cè)檔位。本課題設(shè)計(jì)了一種檔位間距檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用伺服電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)的報(bào)警信號(hào)實(shí)現(xiàn)檔位間距的自動(dòng)檢測(cè)，并根據(jù)測(cè)得的檔位間距來進(jìn)行檔位的切換。本課題以兩次堵轉(zhuǎn)之間換檔控制器記錄的脈沖數(shù)測(cè)量檔位間距，以軟件檢測(cè)代替硬件檢測(cè)，使檢測(cè)更加方便，測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定可靠。

2 檔位間距自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，絲杠螺母換檔機(jī)構(gòu)由換檔電機(jī)、絲杠、撥叉、螺母等組成。絲杠與換檔電機(jī)的電機(jī)軸由聯(lián)軸器相連，由換檔電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠每旋轉(zhuǎn)一周，螺母就移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程；螺母與撥叉相連，螺母在絲杠的軸向方向移動(dòng)時(shí)帶動(dòng)撥叉，撥叉推動(dòng)同步器結(jié)合套移動(dòng)，結(jié)合套推動(dòng)鎖環(huán)與結(jié)合齒圈接觸壓緊并同步[4-7]，實(shí)現(xiàn)換檔的目的。同步器的鎖環(huán)與結(jié)合齒圈接觸壓緊后繼續(xù)位移時(shí)，同步器結(jié)合套撞上限位裝置，電機(jī)驅(qū)動(dòng)撥叉的阻力過大，會(huì)使伺服電機(jī)堵轉(zhuǎn)，同時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)器會(huì)自鎖并發(fā)出燈光報(bào)警，在這個(gè)過程中，伺服驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)切斷換檔控制器對(duì)其的控制，電機(jī)頻繁堵轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)熱量過大，為了能夠持續(xù)正常換檔，換檔過程中電機(jī)是不允許頻繁堵轉(zhuǎn)的。

圖1 絲杠螺母換檔機(jī)構(gòu)

伺服電機(jī)采用指令脈沖+方向的位置控制模式。

指令脈沖頻率= (需要電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速/60) * 一圈的脈沖數(shù)，所以，脈沖頻率影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖數(shù)影響電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)角。方向信號(hào)控制電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)向。如圖2所示，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母，使連在螺母上的撥叉向檔位1運(yùn)動(dòng)。同步器結(jié)合套撞上限位裝置時(shí)，伺服電機(jī)堵轉(zhuǎn)并發(fā)出第一個(gè)報(bào)警信號(hào)，換檔控制器接收?qǐng)?bào)警信號(hào)后，將脈沖數(shù)清零，然后驅(qū)動(dòng)撥叉向檔位2運(yùn)動(dòng)，到達(dá)檔位2后，電機(jī)堵轉(zhuǎn)并發(fā)出第二個(gè)報(bào)警信號(hào)，同時(shí)換檔控制器記錄發(fā)出的脈沖數(shù)，這個(gè)脈沖數(shù)即為檔位間距。為了避免每次換檔時(shí)電機(jī)都堵轉(zhuǎn)，將測(cè)得的脈沖數(shù)減去一個(gè)很小的余量，然后根據(jù)新的脈沖數(shù)來進(jìn)行檔位的切換。余量的大小在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的時(shí)候確定，在此不再贅述。系統(tǒng)設(shè)置檔位間距自動(dòng)檢測(cè)過程在開機(jī)之后，自檢測(cè)之后就可以進(jìn)行持續(xù)正常的換檔了。

圖2 檔位間距自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 檔位間距自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。換檔控制器發(fā)出脈沖信號(hào)，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路傳輸給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，帶動(dòng)絲杠螺母運(yùn)動(dòng)，連在螺母上的撥叉運(yùn)動(dòng)。同步器結(jié)合套撞上限位裝置時(shí)，伺服電機(jī)堵轉(zhuǎn)，伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警信號(hào)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路傳輸給換檔控制器。

圖3 檔位間距自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

伺服驅(qū)動(dòng)器的部分通信與輸出信號(hào)接口如表1所示。接口7為報(bào)警信號(hào)，當(dāng)伺服電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，接口7為高電平；當(dāng)伺服電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，接口7為低電平。報(bào)警信號(hào)輸入采用外部中斷的方式，配合三極管以小電流控制大電流的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)外部中斷電壓的檢測(cè)。系統(tǒng)檢測(cè)到接口7為低電平時(shí)，控制器進(jìn)入外部中斷程序。

表1 伺服驅(qū)動(dòng)器通信與輸出接口

電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)器會(huì)自鎖并發(fā)出燈光報(bào)警，在這個(gè)過程中，伺服驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)切斷換檔控制器對(duì)其的控制。這種情況下，需要換檔控制器向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出一個(gè)時(shí)間間隔很短的低電平使能信號(hào)來清除報(bào)警，恢復(fù)換檔控制器對(duì)伺服電機(jī)的控制。伺服驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)如表2所示。

表2 伺服驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)接口

3.2 電平轉(zhuǎn)換電路

換檔控制器的I/O口輸入電壓在3.3V左右，而伺服驅(qū)動(dòng)器輸出電壓在5V左右，電壓過大將直接燒壞芯片。為了實(shí)現(xiàn)換擋控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器的電壓匹配，需要使用電平轉(zhuǎn)換電路。如圖4所示，當(dāng)三極管Q2的基極輸入高電平信號(hào)時(shí)，集電結(jié)和發(fā)射結(jié)發(fā)生正偏，三極管處于飽和狀態(tài)并導(dǎo)通，集電極電壓趨近于發(fā)射極電壓，變?yōu)榈碗娖剑虼穗娮鑂13、二極管LED3通電，LED3發(fā)光；當(dāng)三極管Q2的基極輸入為低電平信號(hào)時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，三極管截止，集電結(jié)變?yōu)楦唠娖剑琇ED3熄滅。

圖4 電平轉(zhuǎn)換電路

圖中R15起限流作用，降低三極管Q2的功耗。在輸入信號(hào)端并聯(lián)電容CC2，用于消除紋波干擾。采用電容濾波消除尖峰脈沖，防止誤觸發(fā)。為方便調(diào)試電路，電路設(shè)計(jì)時(shí)加入發(fā)光二極管，在接收到報(bào)警信號(hào)時(shí)可直接觀測(cè)到，提高后期調(diào)試發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的效率。QUDONG_WR端接伺服驅(qū)動(dòng)器，INPUT_WR端接換檔控制器的I/O口。當(dāng)QUDONG_WR端為低電平時(shí)，三極管截止，INPUT_WR為高電平；當(dāng)QUDONG_WR端為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，INPUT_WR為低電平。

4 軟件設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖5所示。換檔控制器向伺服電機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)和方向信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，脈沖信號(hào)的頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖數(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，方向信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，高電平和低電平分別代表一種轉(zhuǎn)向。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)連在螺母上的撥叉向檔位1運(yùn)動(dòng)，在撥叉運(yùn)動(dòng)的過程中，主程序等待進(jìn)入中斷程序。同步器結(jié)合套撞上限位裝置時(shí)，伺服電機(jī)堵轉(zhuǎn)，伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。換檔控制器接收?qǐng)?bào)警信號(hào)后進(jìn)入中斷程序，在中斷程序中將脈沖數(shù)清零，同時(shí)翻轉(zhuǎn)方向信號(hào)使伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)撥叉向檔位2運(yùn)動(dòng)。到達(dá)檔位2后，電機(jī)堵轉(zhuǎn)，伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，換檔控制器進(jìn)入中斷程序。在中斷程序中記錄發(fā)出的脈沖數(shù)，這個(gè)脈沖數(shù)即為檔位間距。

為了直觀看到測(cè)得的脈沖數(shù)，從而判斷測(cè)得的脈沖數(shù)的穩(wěn)定性，采用printf()函數(shù)輸出字符到串口助手，來顯示自檢測(cè)過程中記錄的脈沖數(shù)，如圖6所示。因?yàn)樵谧詸z測(cè)之前，撥叉可能在兩檔之間的任何位置，所以第一次堵轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)得的脈沖數(shù)沒有任何意義，在中斷程序中將第一次堵轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)得的脈沖數(shù)清零。第二次堵轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)得的脈沖數(shù)即為兩檔間距的準(zhǔn)確值。電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器會(huì)進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)并自鎖，切斷換檔控制器對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的控制，因此需要一個(gè)時(shí)間間隔很短的低電平使能信號(hào)來清除報(bào)警，恢復(fù)換檔控制器對(duì)伺服電機(jī)的控制。如圖6所示，POWER=0表示低電平使能信號(hào)，低電平信號(hào)的時(shí)間約為20ms，POWER=1表示高電平使能信號(hào)，當(dāng)使能信號(hào)為高電平時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器處于可控狀態(tài)。

圖5 檔位間距自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)程序流程圖

5 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

為了能夠較為客觀地對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，將換檔控制器和伺服電機(jī)接上變速器樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，如圖7所示。經(jīng)上百次測(cè)試，測(cè)得的脈沖數(shù)值很穩(wěn)定。

圖7調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)

Fig.7 The debugging field

表3為換檔電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下測(cè)得的兩組檔位間距的數(shù)據(jù)。從表中可以看出，在相同轉(zhuǎn)速下測(cè)得的數(shù)值很穩(wěn)定。根據(jù)圖紙上標(biāo)注，檔位間距的實(shí)際值約為18mm。換檔電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈需要1000個(gè)脈沖，測(cè)得的數(shù)值表明電機(jī)一共轉(zhuǎn)了51-53圈，每圈約為0.34mm。電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min以下時(shí)，測(cè)得的檔位間距很穩(wěn)定，誤差最大值為0.77mm；當(dāng)換檔電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3000r/min時(shí)，測(cè)得的值有較大突變。伺服電機(jī)工作功率小于額定功率時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩，工作功率等于額定功率時(shí)，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。造成數(shù)據(jù)異常的原因可能是3000r/min為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速過大造成扭矩減小，電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母時(shí)打滑，造成測(cè)得的數(shù)值異常。在實(shí)際工作中，電機(jī)很難達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，所以在實(shí)際工作中可忽略這一異常現(xiàn)象。

為了避免每次換檔時(shí)電機(jī)都堵轉(zhuǎn)，將測(cè)得的檔位間距減去一個(gè)很小的余量。換檔操作完成后，采用激光測(cè)速儀檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)速。測(cè)試過程中，這個(gè)余量取5000，換算成直線距離約為1.5mm。經(jīng)多次檢測(cè)，換檔成功，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。該系統(tǒng)目前已投入使用，效果良好。

表3 檔位間距實(shí)測(cè)表

6結(jié)語

本課題研發(fā)的兩檔機(jī)械式自動(dòng)變速器檔位間距檢測(cè)系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。使系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)機(jī)械式自動(dòng)變速器的檔位間距，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，變速器運(yùn)行穩(wěn)定；以軟件來代替檔位傳感器和檔位開關(guān)等硬件，簡化了結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本，具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

[1]秦貴和.機(jī)械式自動(dòng)變速器控制技術(shù)的研究和系統(tǒng)開發(fā)[D].吉林工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文, 1997.

[2]唐新星,趙丁選,黃海東等.工程車輛自動(dòng)變速控制系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(4): 26-29.

[3]葛安林.自動(dòng)變速器(六)—電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)[J].汽車技術(shù), 2001( 10):01-31.

[4]葛安林.車輛自動(dòng)變速理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

[5]唐新星,趙丁選,黃海東等.工程車輛自動(dòng)變速控制系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2007, 3(4) : 26-29.

[6]曹桂軍,葛安林,鄭磊等.電控機(jī)械式自動(dòng)變速器換擋過程中離合器的接合控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2005,12(5): 234-238.

[7]葛安林.車輛自動(dòng)變速理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993: 60-80.

The Design of Automatic Gear Spacing Gauging System for the Two-Speed Automatic Transmission

ZHENG Hong-mei, GONG Guo-hua, JIANG Meng-ge, LUO Fan

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

There are many disadvantages in the traditional automatic transmission system. The performance of the gear position sensors and gear switches are instable. The installation of gear position sensors and gear switches are also inconvenience. Therefore，an automatic gear spacing gauging system is designed in this paper. By this system，the automatic gauging of the gear spacing for the two-speed automatic transmission is implemented. Based on the gauged gear spacing, the two-speed automatic transmission system could be shifted by software instead of hardware. Screw nut connecting to the servo motor’s shaft is driven by servo motor. Thus, fork fixed on the screw nut could move to position No.1 with the nut. Servo motor stalls as soon as synchronizer clutch impacting on position limit device and servo driver sends alarm signals. The pulse counter is cleared when shift controller receives the first alarm signal. Then the fork is driven to position No.2. When the fork reaches position No.2, the motor stalls and sends the second alarm signal. The number of pulses will be recorded. By this number of pulses, the gear spacing could be obtained.

two gear automatic transmission；servo motor ; alarm signal; automatic gear spacing gauging system；

TP216

A

1672-4437（2016）01-0001-05

2015-12-12

鄭紅梅（1966-），女，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向：機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及狀態(tài)檢測(cè)、CAD/CAM/CAE、機(jī)電控制及其自動(dòng)化。