工程车辆自动变速技术与电控系统研究

张香莎，彭文举

（黄河交通学院 汽车工程学院，河南 焦作 454150）

1 自动变速器的概述

1.1 目前市场使用类型

自动变速器已成为现代汽车减轻驾驶员驾车强度，提高乘坐舒适性以及改善排气净化的重要装置，也是汽车档次的重要标志之一 。当下，汽车市场的自动变速器类型主要有以下四类：液力机械式自动变速器（AT）、电控机械式自动变速器(AMT)、金属带式无级自动变速器（CVT）、双离合器式自动变速器（DCT），如下所示。

（1）液力机械式自动变速器。液力变速器通过液力传递与齿轮组合的方式，实现变速变矩。其技术成熟、性能可靠，具有换挡过程平顺、柔和等优点。但是其也有缺点，比如灵敏度低、费油、制造工艺复杂等。

（2）电控机械式自动变速器。AMT以手动变速器为基础，应用现代科学技术，以ECU为核心实现自动换挡操作，是一种有级变速器。具有体型小、经济型与安全性好等优点，且相对与AT而言结构与制造工艺简单，同时又保留了其优点。

（3）金属带式无级自动变速器。CVT属于摩擦式无级自动变速器，通过变化棘轮的槽宽以及与主、从动轮接触的传动带的接触半径，从而实现速度的变化。其中，目前传动带的材质常用的是金属与橡胶。CVT采用了先进的电子技术与计算机语言，所以，无级自动变速器的传动效率较比其他类型的自动变速器有着明显的优势。

（4）双离合器式自动变速器。双离合器式自动变速器以手动变速器为基础，内部的两个离合器主要用于控制变速器的偶数、奇数档位。DCT按照双离合器类型的不同，可以分为干、湿式两种；按照中间轴数目的不同，分为单、双中间轴式。

1.2 当前国内外研究现状与发展趋势

（1）国内研究现状。我国汽车年销量超过2800万辆，但自主自动变速器年配套辆却是相当低。原因有三：思维桎梏、设备落后，标准滞后。当下，研究形式主要是国家政策支持、企业、校企联合。目前，进行大规模生产的自动变速器主要是4AT，6AT，CVT等。也有部分企业可是着手于7速新型湿式双离合器自动变速器的研发。

（2）国外研究现状。国外的着眼点主要集中在“软件的控制、换挡策略研究、诊断检测”三方面，致力于改善汽车起步、换挡、停车过程中所产生一系列问题，如换挡所带来的冲击感，油耗过高等问题。

（3）未来发展趋势。①小型化。实验表明，汽车自重每减少1%，耗油量将减少0.7%；于降噪声。发动机的噪声与大气污染、水污染并称世界三大公害。可以利用齿轮的重合度以及创新箱体的形状可以实现降低噪声；③电子化。采用电子控制机构能够使自动变速器更好地适应汽车的结构。

2 工程车辆四参数换挡规律

2.1 节能换挡理论

液力变矩器性能的改善对于提高工程车辆的工作效率处于核心地位，因此，文章仅研究Z蕴50轮式装载机的三元件的YJ355型单级单相液力变矩器的效率，以此为根据制定自动换档策略。

为了YJ355型单级单相液力变矩器在效率较高的区间范围内工作，档位变换规律制定如下：

通过进行实验，确定液力变矩器最低效率点ηmin所对应的转速比imin，对应两个值分别即为i1和i2，通过i值的大小来进行升、降档：若i＞i2，则进行升档处理；若i＜i1，则进行降档处理；若i1≤i≤i2，原档位保持不变。

2.2 工程车辆四参数自动换挡规律

（1）换挡点的确定。i1、i2与油门开度α的关系如式（1）所示：

工程车辆“三参数换挡规律”，假定油泵在额定功率的情况下工作，但这与实际情况不符，所以，这对换挡规律的制定产生了一定程度上的影响。文章在此基础上引入控制参数——油泵的压力p。将油泵实际消耗的功率等价成油门开度，从而改变前面的换档点。则式子（1）换挡点变为：

由式子（2）可知，换挡点i1、i2与油门开度α及油泵的压力p，具有一定的函数关系，如果能够通过实验的方法，找到其中的函数关系便能确定其中的最佳换挡点。通过实验的方法绘出最佳换档点i1、i2在不同的工作泵压力下与油门开度的关系。

Z蕴50轮式装载机有四种典型的工况：作业工况、运输工况、弯路工况、坡路工况，不同工况下的换档规律不同，文章“四参数换挡规律”的推导以“作业工况”为背景。

对实验数据进行整理可得i1、i2与α关系的数学表达式为：

由式（2）和式（3）可得四参数换档规律数学表达式为：

油泵压力的变化所产生的相应油门开度变化的关系式为：

把式（5）代入（4）中便可得出 i1、i2随 α、p 变化的数学表达式。

（2）换档策略的制定。根据上述公式换档策略：首先，根据a、P计算出最佳换档点i1、i2；其次，根据泵轮、涡轮转速求出当前转速 i；最后，比较 i1、i2与 i的关系做出换档：若 i＞i2，则进行升档处理；若 i＜i1，则进行降档处理；若 i1≤i≤i2，原档位保持不变。

3 自动变速电控系统的硬件设计

由于Z蕴50轮式装载机工作环境的特殊性——外界负载变化急剧，内部元器件的工作温度位于-35～75℃之间。故而，对于作为自动变速器“心脏”的ECU而言，较高的工作性能的重要性便是不言而喻了。所以，自动变速器电控系统的硬件设计便具有举足轻重的地位。

ECU的硬件内部成分包括油门开度、油泵压力、泵轮转速、涡轮转速、数据模块、光电隔离、电路整形、AT89C51式单片机、看门狗定时器等。由于在系统的电路设计中力求模块化设计，所以，可将ECU的硬件部分分为电源模块与输入信号模块两部分。

（1）电源模块的设计。由于电源自身在Z蕴50轮式装载机中的特殊地位——提供工程车辆的动力，所以，应当符合其的使用电路，否则，将会造成该车无法正常工作。考虑到工程车辆的电压波动所带来的影响，选择了DC-DC变换器，可以满足工程车辆的正常工作要求。

（2）转速的测量与处理。电子控制系统包括泵轮转速器、涡轮转速器。文章选取KF005型号的霍尔传感器，进行转速的测量。由于Z蕴50轮式装载机工作环境的特殊性，为了防止电磁干扰以及进行信号的整型与滤波，文章分别采用光电隔离电子元件T蕴P521与高频施密特触发器74HC14进行电磁波的隔离、信号的整型与过滤。

（3）油门开度的测量与处理。文章采用油门传感器进行信号的采集，它的功能是将物理量转化为电信号输送给ECU，从而实现对自动变速器档位的控制。

［1］ 左成基，杨明钦.汽车自动变速器实务［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］ 胡光辉，仇雅莉.汽车自动变速器的原理与维修［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］ 吴光强.汽车自动变速器发展综述［D］.上海：同济大学学报（自然科学版），2010.