工程車輛自動變速技術與電控系統研究

張香莎，彭文舉

（黃河交通學院 汽車工程學院，河南 焦作 454150）

1 自動變速器的概述

1.1 目前市場使用類型

自動變速器已成為現代汽車減輕駕駛員駕車強度，提高乘坐舒適性以及改善排氣凈化的重要裝置，也是汽車檔次的重要標志之一 。當下，汽車市場的自動變速器類型主要有以下四類：液力機械式自動變速器（AT）、電控機械式自動變速器(AMT)、金屬帶式無級自動變速器（CVT）、雙離合器式自動變速器（DCT），如下所示。

（1）液力機械式自動變速器。液力變速器通過液力傳遞與齒輪組合的方式，實現變速變矩。其技術成熟、性能可靠，具有換擋過程平順、柔和等優點。但是其也有缺點，比如靈敏度低、費油、制造工藝復雜等。

（2）電控機械式自動變速器。AMT以手動變速器為基礎，應用現代科學技術，以ECU為核心實現自動換擋操作，是一種有級變速器。具有體型小、經濟型與安全性好等優點，且相對與AT而言結構與制造工藝簡單，同時又保留了其優點。

（3）金屬帶式無級自動變速器。CVT屬于摩擦式無級自動變速器，通過變化棘輪的槽寬以及與主、從動輪接觸的傳動帶的接觸半徑，從而實現速度的變化。其中，目前傳動帶的材質常用的是金屬與橡膠。CVT采用了先進的電子技術與計算機語言，所以，無級自動變速器的傳動效率較比其他類型的自動變速器有著明顯的優勢。

（4）雙離合器式自動變速器。雙離合器式自動變速器以手動變速器為基礎，內部的兩個離合器主要用于控制變速器的偶數、奇數檔位。DCT按照雙離合器類型的不同，可以分為干、濕式兩種；按照中間軸數目的不同，分為單、雙中間軸式。

1.2 當前國內外研究現狀與發展趨勢

（1）國內研究現狀。我國汽車年銷量超過2800萬輛，但自主自動變速器年配套輛卻是相當低。原因有三：思維桎梏、設備落后，標準滯后。當下，研究形式主要是國家政策支持、企業、校企聯合。目前，進行大規模生產的自動變速器主要是4AT，6AT，CVT等。也有部分企業可是著手于7速新型濕式雙離合器自動變速器的研發。

（2）國外研究現狀。國外的著眼點主要集中在“軟件的控制、換擋策略研究、診斷檢測”三方面，致力于改善汽車起步、換擋、停車過程中所產生一系列問題，如換擋所帶來的沖擊感，油耗過高等問題。

（3）未來發展趨勢。①小型化。實驗表明，汽車自重每減少1%，耗油量將減少0.7%；于降噪聲。發動機的噪聲與大氣污染、水污染并稱世界三大公害。可以利用齒輪的重合度以及創新箱體的形狀可以實現降低噪聲；③電子化。采用電子控制機構能夠使自動變速器更好地適應汽車的結構。

2 工程車輛四參數換擋規律

2.1 節能換擋理論

液力變矩器性能的改善對于提高工程車輛的工作效率處于核心地位，因此，文章僅研究Z蘊50輪式裝載機的三元件的YJ355型單級單相液力變矩器的效率，以此為根據制定自動換檔策略。

為了YJ355型單級單相液力變矩器在效率較高的區間范圍內工作，檔位變換規律制定如下：

通過進行實驗，確定液力變矩器最低效率點ηmin所對應的轉速比imin，對應兩個值分別即為i1和i2，通過i值的大小來進行升、降檔：若i＞i2，則進行升檔處理；若i＜i1，則進行降檔處理；若i1≤i≤i2，原檔位保持不變。

2.2 工程車輛四參數自動換擋規律

（1）換擋點的確定。i1、i2與油門開度α的關系如式（1）所示：

工程車輛“三參數換擋規律”，假定油泵在額定功率的情況下工作，但這與實際情況不符，所以，這對換擋規律的制定產生了一定程度上的影響。文章在此基礎上引入控制參數——油泵的壓力p。將油泵實際消耗的功率等價成油門開度，從而改變前面的換檔點。則式子（1）換擋點變為：

由式子（2）可知，換擋點i1、i2與油門開度α及油泵的壓力p，具有一定的函數關系，如果能夠通過實驗的方法，找到其中的函數關系便能確定其中的最佳換擋點。通過實驗的方法繪出最佳換檔點i1、i2在不同的工作泵壓力下與油門開度的關系。

Z蘊50輪式裝載機有四種典型的工況：作業工況、運輸工況、彎路工況、坡路工況，不同工況下的換檔規律不同，文章“四參數換擋規律”的推導以“作業工況”為背景。

對實驗數據進行整理可得i1、i2與α關系的數學表達式為：

由式（2）和式（3）可得四參數換檔規律數學表達式為：

油泵壓力的變化所產生的相應油門開度變化的關系式為：

把式（5）代入（4）中便可得出 i1、i2隨 α、p 變化的數學表達式。

（2）換檔策略的制定。根據上述公式換檔策略：首先，根據a、P計算出最佳換檔點i1、i2；其次，根據泵輪、渦輪轉速求出當前轉速 i；最后，比較 i1、i2與 i的關系做出換檔：若 i＞i2，則進行升檔處理；若 i＜i1，則進行降檔處理；若 i1≤i≤i2，原檔位保持不變。

3 自動變速電控系統的硬件設計

由于Z蘊50輪式裝載機工作環境的特殊性——外界負載變化急劇，內部元器件的工作溫度位于-35～75℃之間。故而，對于作為自動變速器“心臟”的ECU而言，較高的工作性能的重要性便是不言而喻了。所以，自動變速器電控系統的硬件設計便具有舉足輕重的地位。

ECU的硬件內部成分包括油門開度、油泵壓力、泵輪轉速、渦輪轉速、數據模塊、光電隔離、電路整形、AT89C51式單片機、看門狗定時器等。由于在系統的電路設計中力求模塊化設計，所以，可將ECU的硬件部分分為電源模塊與輸入信號模塊兩部分。

（1）電源模塊的設計。由于電源自身在Z蘊50輪式裝載機中的特殊地位——提供工程車輛的動力，所以，應當符合其的使用電路，否則，將會造成該車無法正常工作。考慮到工程車輛的電壓波動所帶來的影響，選擇了DC-DC變換器，可以滿足工程車輛的正常工作要求。

（2）轉速的測量與處理。電子控制系統包括泵輪轉速器、渦輪轉速器。文章選取KF005型號的霍爾傳感器，進行轉速的測量。由于Z蘊50輪式裝載機工作環境的特殊性，為了防止電磁干擾以及進行信號的整型與濾波，文章分別采用光電隔離電子元件T蘊P521與高頻施密特觸發器74HC14進行電磁波的隔離、信號的整型與過濾。

（3）油門開度的測量與處理。文章采用油門傳感器進行信號的采集，它的功能是將物理量轉化為電信號輸送給ECU，從而實現對自動變速器檔位的控制。

［1］ 左成基，楊明欽.汽車自動變速器實務［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］ 胡光輝，仇雅莉.汽車自動變速器的原理與維修［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［3］ 吳光強.汽車自動變速器發展綜述［D］.上海：同濟大學學報（自然科學版），2010.