换档主动控制（精选3篇）
换档主动控制 篇1
三轴式手动变速器和平行轴式自动变速器在变速器发展过程中是连接比较紧密的。三轴式手动变速器主要用于后置后驱的车型, 平行轴式主要用于本田雅阁车型。两种变速器的相同点在于都有三根轴, 即输入轴、输出轴、中间轴。同时, 这两种变速器都是外啮合齿轮形式的。下面就不同点做分析。
1 动力传递路线分析
在动力传递路线方面, 一般是指从动力单元到驱动轮的动力传递, 手动档和自动挡有本质的区别。
手动档 (MT) 以前置后驱为例, 发动机输出的转矩经曲轴飞轮组输出→离合器→手动变速器→万向传动装置 (万向节, 传动轴) →驱动桥 (主减速器→差速器→半轴) →轮毂→驱动轮。
自动档 (AT) 以前置前驱为例, 发动机输出的转矩经曲轴输出→液力变矩器→变速驱动桥 (自动变速器→主减速器→差速器→半轴) →轮毂→驱动轮。
两者的区别在于发动机后面安装的组件是离合器还是液力变矩器。反映在车辆脚踏板控制上面就是:手动档有三个踏板 (离合、刹车、油门) , 自动挡有两个踏板 (刹车、油门) , 也就是说, 自动挡是没有离合器的。
2 换档基本原理分析
手动挡在换档的时候需要踩下离合器。离合器在正常工作时保持“合”运动, 使发动机的曲轴飞轮组和离合器盖一体运动, 保证动力的持续稳定传递。踩下踏板时, 就是“离运动”, 首先使飞轮与离合器盖分离, 将发动机和变速器的动力中断, 通过同步器的作用产生摩擦, 在“动中求静, 静中求同步”, 实现平顺换档。目的是防止齿轮箱打齿, 延长寿命。
自动挡在换档时是根据油门和刹车的需求自动升档和降档, 既然是“自动”, 就必然少不了人工智能“电脑”。电脑内部是编程好的, 数据预留, 通过数据空间控制打开或关闭不同的油路来控制不同的执行器。此时, 液力变矩器是液力传动, 就比机械传动温柔和缓的多, 就像水龙头的开关, 控制量的大小, 能够实现收放自如。
手自一体变速箱实际上还是自动变速箱的一种, 通过电控系统模拟出手动变速箱的操作, 实际上还是自动变速器。
3 变速器的齿轮传动
变速箱内部的主体结构是齿轮。常用的手动变速器采用外啮合齿轮传动, 自动变速器除了本田雅阁采用的平行轴式是外啮合, 大部分采用内啮合齿轮传动, 也就是行星齿轮传动。
汽车手动变速器典型有两种:应用于前轮驱动的两轴变速器和应用于后轮驱动的三轴变速器。两轴式变速器有输入轴和输出轴。三轴式变速器在输入轴和输出轴的基础上, 设计了中间轴。
无论哪种结构的手动变速器, 轴上的两轮与轴之间有三种连结关系:第一种是齿轮和轴上空套连接, 中间有滚针轴承, 即齿轮与轴之间没有动力传递, 是空套的;第二种是齿轮和轴上通过花键连接, 即齿轮与轴之间有动力传递, 刚性连接, 可看成是一体的;第三种情况是齿轮和轴做成一体, 实现一体传动。
4 换挡执行器运用时机分析
在外啮合齿轮传动的变速器中, 参与一个挡位动力传递的齿轮是处于常啮合状态的。但同一时间, 变速器是不允许同时挂上两个及两个以上档位的, 就必须要求一个挡位的常啮合齿轮中, 有空套的, 即在齿轮与轴空套, 齿轮转轴不转, 轴转齿轮不转。在动力传递的时候, 需要挂上哪个档位, 就由换挡执行器将空套的齿轮接入, 就能将空套的齿轮转换为与轴一体, 实现一体传动。
5 换挡执行器分析
手动变速器的换档执行器是同步器。同步器装与空套的档位齿轮附近, 实现临近控制。由接合齿圈、同步环、花键毂组成。档位齿轮空套在轴上, 在齿轮的前端有接合齿圈, 同步器的花键毂通过花键与轴实现刚性连接, 接合套套在花键毂上, 可以左右移动, 与齿轮前端的接合齿圈啮合, 通过摩擦实现同步锁止, 从而实现齿轮与轴之间的一体传动。
液力自动变速器的换挡执行器是离合器, 是液压控制接合或分离的多片式湿式离合器。这句话里包括了三层意义:离合器的接合或分离由液压系统控制;离合器由多组钢片和摩擦片;湿式意味着钢片与摩擦片之间有油液的存在。常用的换挡执行机构主要由多片式离合器、制动器和单向超越离合器 (单向离合器) 离等组成, 现只介绍离合器的结构:离合器由钢片、磨擦片和液压活塞及回位弹簧等组成。当该档位离合器起作用时, 液压油会进入离合器鼓 (即液压油缸) , 通过液压力将钢片和摩擦片压成一体, 使外部的离合器鼓和内部的离合器鼓成为一体, 实现一体传动。
6 结束语
由于三轴式手动变速器与平行轴式自动变速器都是外啮合齿轮, 存在结构的共通性, 所以其控制原理也是同一的。在学习研究过程中, 不要死记硬背, 依以下步骤来开展即可: (1) 找准轴。两轴式的找输入轴、输出轴;三轴式的找输入轴、中间轴、输出轴。 (2) 判断档位, 确定各档位主、从动齿轮。 (3) 找各档换档执行器。手动档找结合套 (同步器) ;自动挡找离合器、制动器、单向离合器。 (4) 确定齿轮空套和一体。换档执行器一般是临近控制, 装在那个档位附近, 就是控制那个档位, 该档位齿轮就是空套的。在换挡的时候空套的齿轮由同步器或湿式离合器接入成为一体就可实现动力传递。也就是说, 平行轴式自动变速器在控制策略上与手动挡无异, 只是将通过机械摩擦力换挡的同步器, 换成了同过液压力控制的离合器而已, 分析方法和研究方法都是一样的。只需要找准齿轮与轴的连接形式即可判断出来, 这对我们判断变速器的故障也是非常有利的。
参考文献
[1]陈家瑞.汽车构造[M].北京:机械工业出版社, 2011.
换档主动控制 篇2
甘肃省中小学“智慧校园”研讨会在甘南举行，从“数字校园”到“智慧校园”的“换档升级”，正在为我省校园信息化发展描摹着新的演进路线，
据了解，“智慧校园”是浙江大学在去年提出的一个校园信息化建设理念，本质上就是以互联网为基础，以校园物联网建设为目标，利用各种感知技术自动对用户进行信息识别、身份认证、信息采集等，集成“以通讯为核心、信息资源为基础、切合用户个性需求”的校园智能化处理功能，从而实现人与物、物与物之间的互联和协作，为学校与外部世界提供一个相互交流和相互感知的接口，
在这种环境下，学校可以通过智能网络和智能感知设备，直接对校内人、财、物信息进行识别和管理，而不需要查对实物;老师可以通过手机随时获取课堂、学生情况，并同时和学生家长以及校方管理人员等进行信息交换与互动交流;而室内灯光、温度等可以根据实际需要及整体舒适程度自动感应调整;甚至学校数字化图书馆内的资料，也可以随时进入访问，而不需要种种繁琐的软、硬件配置以及许可登录程序。
液力自动变速器的换档控制策略 篇3
换档控制策略是汽车自动变速控制的关键技术。传统的基本换档规律按照换档控制参数的不同,有单参数换档规律、两参数换档规律和三参数换档规律。然而不论是基于稳定行驶工况的两参数换档规律,还是基于动态过程的三参数换档规律,都只能反映汽车的行驶状态,而没有充分考虑驾驶员操纵意愿以及汽车行驶环境对换档时刻的影响。因此,近年来智能控制理论不断地被引入到汽车换档控制研究中来。目前,基于智能换档控制策略的研究主要有两条路径:第一,应用智能控制理论等一些方法自动识别出当前行驶中的驾驶员意图和汽车行驶环境,以此调整或选择合适的换档规律进行换档控制。第二,利用驾驶员的驾驶经验及相关专家的知识形成模糊推理规则,根据当前汽车行驶参数,直接推理输出档位的基于专家系统的换档控制策略。本文根据第一条路径,给出基本换档规律的计算方法,指出基本换档规律的一些弊端,然后针对这些弊端详细阐述不同驾驶员意图和行驶环境的识别方法及相应的换档控制策略,并以此建立汽车智能换档控制系统。
1 不同驾驶员意图及行驶环境的识别和换档控制策略
基本换档规律并不能充分体现驾驶员意图,也不能自动适应某些行驶环境,然而自动变速系统必须识别出行驶中的驾驶员意图和当前的行驶环境,然后据此调整或选择相适应的换档规律。
要识别出驾驶员意图和当前行驶环境,若采取增加传感器的方法,则会使信息处理变得非常复杂,并且将大幅提高成本费用,所以可行性不高。
在“驾驶员——车——行驶环境”这一闭环系统中,驾驶员的操纵方式和汽车的行驶环境决定了汽车的行驶状态。而驾驶员对汽车的操纵,首先是通过其眼、耳等感觉器官来感知汽车的行驶状态和行驶环境,然后依据其驾驶经验判断适当的操纵方式,再根据判断的结果用手、脚进行操作。由此可见驾驶员对行驶环境的感知过程,本身就相当于一个集成的多功能传感器。驾驶员对汽车的操纵反映了其对汽车的行驶状态和外界环境的感知和认定,因而可以通过对汽车行驶状态的检测和对驾驶员操纵行为的推理,来预测驾驶员的意图和行驶环境。
以下将用汽车上通用传感器信号来获知汽车行驶状态参数和驾驶员操纵特征参数,以此推知驾驶员意图和汽车行驶环境,并提出不同驾驶员意图及行驶环境下的换档控制策略。
1.1 不同驾驶员意图的识别和换档控制策略
一般来说,驾驶员驾驶汽车采用大油门开度或急踩油门加速时,表明他需要很强的加速性能,此时自动变速应选择最佳动力性换档规律;当油门开度不大,汽车在平直公路上行驶时,表明他需要较高的燃油经济性,所以此时应选择最佳经济性换档规律;然而驾驶员意图不只是这两种情况,更多的时候,驾驶员希望的是能够兼顾动力性和经济性的中间规律,或者是稍偏向动力性的偏动力性规律和稍偏向经济性的偏经济性规律。因此本文提出用[0,1]中的一个实数来描述这种驾驶员的意图,称之为“经济性权数”,相应的,
动力性权数=1-经济性权数 (1)
显然,最佳动力性换档规律的动力性权数为1,经济性权数为0;最佳经济性换档规律的经济性权数为1,动力性权数为0。
图1是驾驶员意图识别算法的框图。驾驶员意图识别分为两种情况:行驶工况和制动工况,以是否踩制动踏板来判别。对于行驶工况,以油门开度和油门开度变化率,这两个驾驶员操纵特征参数为输入,以经济性权数为输出,建立行驶工况驾驶员意图识别模糊推理系统,得出驾驶员意图。对于制动工况,对输入参数制动减速度进行归一化处理,使最大制动减速度对应动力性权数1,制动减速度零对应动力性权数0,这样制动减速度就通过归一化处理,对应到了[0,1]区间内,也就建立了制动减速度与输出参数动力性权数的一一对应,从而获取了制动工况下的驾驶员意图。
对于行驶工况驾驶员意图识别模糊推理系统,本文采用MATLAB的模糊推理工具箱来实现。
首先,确定输入、输出变量的描述词汇及其隶属度函数。
油门开度:{很小VS、小S、中M、大B、很大VB};
油门开度变化率:{零ZO、小S、中M、大B};
经济性权数:{零ZO、小S、中M、大B、壹ONE}。
如图2-4所示。
然后,根据驾驶经验,建立模糊推理规则,如表1所示。
由此得到行驶工况驾驶员意图识别模糊推理结果,如图5所示。
识别了当前的驾驶员意图,获得相应的经济性、动力性权数之后,以此加权计算基本换档规律,从而获得符合驾驶员意图的换档规律,即可较好地体现驾驶员的意图。通过这样对驾驶员意图的细化,换档规律从两组基本换档规律扩充到了无数组满足不同经济性、动力性要求的换档规律。
以下通过建立整车传动系动力学仿真模型来验证以上换档控制策略。整车传动系动力学仿真模型如图6所示,其中包括发动机模型、变矩器模型、包含档位决策的变速器模型和整车及行驶环境模型等。
驾驶员意图识别模块的换档控制策略与基本换档规律的仿真结果对比如图7所示。以油门开度为60%、油门开度变化率为0为例,若按照最佳经济性换档规律换档,即获得曲线①;若按最佳动力性换档规律换档,即获得曲线②;若引入驾驶员意图识别方法,根据前述的模糊推理结果,自动变速系统得出经济性权数0.65,则动力性权数为0.35,以此对基本换档规律加权计算,即获得新的符合驾驶员意图的换档曲线③。由此可见,引入驾驶员意图识别模块后的换档控制策略能更好地体现驾驶员的意图。
1.2 上坡的识别和换档控制策略
由前面的分析可知,在“驾驶员——车——行驶环境”这一闭环系统中,驾驶员对汽车的操纵反映了其对汽车的行驶状态和外界环境的感知和认定,因而对汽车行驶状态的检测和对驾驶员操纵行为的推理,可应用于识别上坡的行驶环境。
汽车行驶在上坡路面上,行驶阻力明显增加,同时驾驶员对油门踏板的操作也显著区别于平直路面上行驶,图8为一段时间内油门和油门开度变化率出现时间试验统计分布图[3]。
如图8所示,上坡行驶环境中,驾驶员对油门开度和油门开度变化率具有明显的统计特征,由于行驶阻力的增加,上坡行驶时的油门开度和油门开度变化率相比高速公路工况有明显增加。但是仅仅依靠这两个参数是很难判断处于上坡行驶环境的。在汽车起步或加速时,油门开度和油门开度变化率也会明显地增加,即与上坡有相同的变化,所以再引入两条推理规则来识别上坡道路:
①车速较高。
②油门开度较大,而加速度较小。
“车速较高”这条推理规则正好可以剔除汽车起步这种工况;“油门开度较大,而加速度较小”这条规则则剔除了汽车加速这种工况。由此,建立了油门开度、油门开度变化率、车速、加速度四个参数为输入,上坡指数为输出的模糊推理系统,如图9所示。油门开度和油门开度变化率依据图8建立隶属度函数,车速和加速度依据上面两条引入的规则建立隶属度函数,上坡指数反映汽车处于上坡道路的隶属度,它取四个输入参数推理的最小值作为系统的推理输出。在实际的控制系统中,确定某一上坡指数值为上坡判断门限值,当换档控制系统检测到上坡指数大于这一门限值时,即认为当前处于上坡路面。
上坡模式下,为克服行驶阻力,提供较大牵引力,一般应提高低档的使用范围,到较高车速时才升档并很少进入高档工作或禁用高档,充分利用车辆在低档下牵引力大的特点。同时可根据上坡指数相应增大换档延迟来避免换档循环。
图10为上坡工况下两种换档控制的对比。由图可见,智能换档控制系统在识别了上坡工况,修正了换档规律后,车速和油门开度都渐渐相对稳定了,换档循环的问题也消失了,说明识别出上坡道路并修正基本换档规律所出现的问题能有效地改善汽车的乘坐舒适性。
1.3 下坡的识别和换档控制策略
汽车下坡的识别相对比较容易。汽车下坡时,驾驶员一般松开油门,油门开度为零,而此时汽车行驶加速度为正值,换档控制系统则依此可识别汽车当前处于下坡路面。
汽车处于下坡路面时,往往先禁止升档;若禁止升档后汽车仍然加速,驾驶员踩制动踏板,则降一档,以提高发动机制动效果;若降档后仍然加速,则再降一档,直到利用发动机制动可以使汽车平稳下坡。当然在此过程中,还要监测发动机转速,只有当发动机转速小于某一特定值时才能降档,以避免过快降档,造成发动机超速。利用发动机进行制动,使驾驶员操纵制动踏板的次数减少,从而增加了舒适性,也减轻了制动器的负荷。
1.4 低附着路面的识别和换档控制策略
低附着路面主要是指湿滑路面和雪地路面,由于驱动轮的滑转率较大,采用一般的基本换档规律己不能保证车辆正常起步和安全行驶,因此需识别出这种行驶环境并适用以相应的换档控制策略。因为低附着路面的状况有可能是不均匀的,为保证识别的准确性,应取一段时间内的驱动轮平均滑转率作为低附着路面识别的判据。它的识别主要依靠ABS电子控制单元通过CAN总线传送过来的四个轮速传感器的信号。设前左、前右、后左、后右四个车轮角速度为ω1,ω2,ω3,ω4,则前轮驱动汽车的驱动轮滑转率可定义为[1]。
然而识别低附着路面行驶环境时,不能只依据驱动轮平均滑转率,因为强烈制动和小半径曲线行驶时,滑转率也较高,所以必须排除这两种工况的干扰。因此,为保证准确性,低附着路面识别判据可概括为:当制动灯不亮,横向加速度小于一定值的情况下,若一段时间内的平均驱动轮滑转率大于规定值,则认为当前为低附着路面。
其中横向加速度的算法如图11所示[2]。通过ABS获取弯道内外两个非驱动轮的转速,再根据两轮间距L,可计算出弯道半径R,然后再利用车速v估算出横向加速度ah的值。该算法的前提条件是两个非驱动轮具有相同的滚动圆周长,也即要求两个非驱动轮轮胎充气压力基本相同。
低附着路面下的换档控制策略主要是为了保证行驶稳定性,避免驱动力过大,而引起打滑现象,所以可概括为:加大换档延迟,尽量减少换档次数,使车辆在行驶过程中不产生扭矩的突然变化;提前升档、推迟降档,以二档起步,限制过大驱动扭矩等。
1.5 拥挤市区的识别和换档控制策略
汽车在拥挤的市区行驶,车速较低,其车辆行驶状态参数和驾驶员操纵特征参数具有一定的统计分布特性,如图12所示[3]。
以轴矩系数(驱动轴转矩/转速)和汽车平均车速为识别参数,可较好地区分市区、郊区和高速公路。这同样印证了在“驾驶员——车——行驶环境”这一闭环系统中,驾驶员对汽车的操纵反映了其对汽车的行驶状态和外界环境的感知和认定,所以对汽车行驶状态的检测和对驾驶员操纵行为的推理,可应用于对行驶环境的识别。
识别参数中的平均车速易于得到,轴矩系数也可通过油门开度、发动机转速和当前档位的变速比计算得到。同时,从图中还可以发现,在拥挤的市区和郊区两个统计区域中有一小块重叠部分。这是由市区和郊区行驶本身的模糊性所引起的,因此对这部分重叠区域采用保持上一次识别结果的处理方法,即原来是郊区识别结果,仍保持郊区识别结果,若原来是市区识别结果,则仍保持市区识别结果。
由于在拥挤的市区内行驶,基本处于走走停停的状态,所以为提高乘坐舒适性,降低油耗,拥挤市区的换档控制策略为:在识别出市区环境后,应禁用一档,以二档起步行驶。
2 智能换档控制系统的设计
正如前面所分析的,传统的基本换档规律可以保证车辆在特定的使用条件下具有稳定的最优的车辆性能。但是由于基本换档规律被预先设定,固化在控制器内,车辆只能依据固定的换档规律进行换档,所以对于不同的驾驶员操作及不同的行驶环境,车辆的给出的档位并不一定是最佳的。因此设计智能换档控制系统,无论应用何种控制理论和控制方法,最重要的就是依据驾驶员的操纵和车辆行驶状态能够进行驾驶员意图分析和行驶环境的识别。换档控制系统的智能性也着重体现在对驾驶员意图和车辆行驶环境的自动识别,并且自适应以相应的换档策略,在合适的换档点进行换档。
在上文提到的不同驾驶员意图和行驶环境识别的基础上,建立了汽车智能换档控制系统,如图13所示。
智能换档控制系统的电子控制单元运行时,通过传感器或通讯模块获取实时的汽车行驶状态参数(如车速、发动机转速、行驶加速度、车轮轮速、档位等)和驾驶员操纵参数(如油门开度、油门开度变化率、制动踏板操纵等),并以此为基础,根据上文提出的不同驾驶员意图和行驶环境的识别方法,识别出当前的驾驶员意图和行驶环境,自适应以合适的换档模式和策略,实现自动换档的智能控制。
该系统控制器内存4条固定换档规律,分别为最佳动力性换档规律、最佳经济性换档规律、低附着路面换档规律和拥挤市区换档规律。同时该系统对驾驶员意图和不同行驶环境识别具有优先级,其中低附着路面行驶环境优先级最高,依此为坡道识别、拥挤市区识别和驾驶员意图识别。
当系统识别出低附着路面时,直接调用控制器内存4条换档规律中的低附着换档规律为当前换档控制策略,而忽略其他识别结果。驾驶员意图识别优先级最低,以识别结果“经济性权数”来对最佳动力性、最佳经济性规律进行权重计算,得到符合驾驶员意图的换档规律作为当前换档控制规律。坡道识别不自备换档规律,对相应的驾驶员意图规律根据其所需的控制策略做一定修正,如推迟升档、增加换档延迟等。拥挤市区识别优先级也较低,识别后即调用内存中的拥挤市区换档规律。
为了提高识别的准确性,同时避免车辆在不同模式的换档规律里频繁切换,各种识别结果只有连续重复出现超过一定的次数时,系统才认可接受当前的识别结果。当汽车行驶时,各行驶环境的识别在实时进行,当汽车停车时,系统自动记忆当前的识别结果,作为下一次自动发车时的行驶环境。
系统根据不同的识别结果,选择、计算或修正不同的换档规律,实现了汽车自动换档控制。
3 结束语
本文指出了基本换档规律存在的几个主要弊端,并针对这些弊端提出了具体的驾驶员意图和上坡、下坡、低附着路面、拥挤市区等行驶环境的识别方法及相应的换档控制策略,以克服基本换档规律的不足,最后通过建立以驾驶员意图及行驶环境识别为基础的智能换档控制系统,实现汽车液力自动变速器的整个换档控制策略。
参考文献
[1]金辉,葛安林,雷雨龙,等.基于行驶环境识别的汽车自动换挡系统研究[J].机械工程学报,2002,38(5).
[2]卢新田.轿车自动变速器换档控制技术研究[Z].博士后出站报告.上海:同济大学,2001.
[3]Hiroshi Yamaguchi.Automatic Transmission Shift Schedule Control Using Fuzzy Logic[C].SAE,1993,930674:1077-1088.