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1、.第3章 电子控制自动变速器汽车自动变速器有液力自动变速器、机械自动变速器和无级自动变速器三种类型，目前应用最多的是液力自动变速器。电子控制(液力)自动变速器是汽车底盘中最重要的电子控制组成之一，它由液力变矩器、辅助变速器与电子控制系统三大部分组成，其中电子控制系统是自动变速器的核心。随着电子控制技术的发展，电子控制自动变速器的控制朝着与发动机及底盘其他控制系统一体化的方向发展。本章重点介绍电子控制自动变速器的结构及工作原理，对机械自动变速器和无级自动变速器作一般性介绍。3.1 自动变速器概述一、自动变速器的发展和应用汽车自动变速器经过70多年的发展，使汽车传动系统发生了革命性的变化。自动变速
2、器的采用，使汽车的驾驶变得方便，乘着舒适性大大提高，因此，自动变速器广泛用于轿车、客车、大型公共汽车、越野车及重型牵引车上，尤其轿车上。轿车自动变速器的装车率，日本高达78 %，美国为70 %，德国为62 %，中国为24。汽车自动变速器的研究和应用可以追溯到20世纪30年代。1939年美国通用汽车公司首先在其生产的奥兹莫比尔(Oldsmobile)轿车上装用了液力变矩器行星齿轮组成的液力变速器，可谓之现代自动变速器的雏形。20世纪40年代末50年代初，出现了根据车速和节气门开度自动控制换挡的液力控制换挡自动变速器，使自动变速器进入了迅速发展时期。到1975年，自动变速器在重型汽车及公共汽车上的
3、应用已相当普及。自动变速器采用电子控制系统始于20世纪60年代中期。法国雷诺(Renault)公司于1968年率先在自动变速器上使用了电子元件。70年代中期，电子控制技术开始应用于汽车变速器，日本丰田汽车公司首先研制成功了世界上第一台电子控制变速装置，并在1976年实现了批量生产。但由于这种电子控制自动变速器在控制精度和自由度方面效果并不十分理想，因此，包括日本在内的许多国家又把重要精力转向计算机控制变速器的研究和开发。以计算机为控制核心的电子控制自动变速器迅速发展。自1981年起，美国、日本等国家的一些汽车公司相继开发出各种微机控制的自动变速系统，如电子控制液力变矩式自动变速器、电子控制多级
4、齿轮变速器等。电子控制自动变速器的真正飞跃发展在1982年，这一年丰田公司将微机技术应用于电子控制变速器系统，实现了自动变速器的智能控制，首先应用于豪华型皇冠牌轿车上，有最佳的换挡规律，换挡精确性好，具有良好的燃料经济性、动力性，降低污染。随后，德国博世(Bosch)公司于1983年研制成功发动机和自动变速器共用的电子控制单元。电控自动变速器可实现与发动机最佳匹配，并可获得最佳的经济性、动力性、安全性，达到降低发动机排气污染的目的。因此电子控制变速器广泛用于轿车、客车、大型公共汽车、越野车及重型牵引车上，并且装车率迅速提高，尤其在美、日、德等国生产的轿车上，采用电子控制器的比例越来越高。国产轿
5、车中采用自动变速器最早的车型当属中国第一汽车集团公司生产的红旗CA770型三排座高级轿车，该型轿车在1965-1980年间共生产了1283辆，其所装用的自动变速器在结构上与美国克莱斯勒汽车公司生产的Powe Flite自动变速器相似。一汽大众1998年底在国内首家推出批量生产的装用电控自动变速器的轿车捷达AT，该车采用德国大众(VW)原厂生产的第三代95型01M电控4挡自动变速器。神龙汽车公司亦于1999年初展示了其装备自动变速器的富康988轿车，这种电控4挡自动变速器由法国的雪铁龙和雷诺公司共同研制，在意大利生产，1998年6月开始应用。近年来，随着我国轿车工业的快速发展，各轿车制造企业都推
6、出了装有自动变速器的车型，可以断言，国产轿车普遍装用自动变速器的时代正在到来。二、自动变速器的优点1. 汽车起步平稳，能吸收、衰减振动与冲击；提高乘坐的舒适性。2. 自动适应行驶阻力和发动机工况的变化，实现自动换挡，有利于提高汽车的动力性和平均车速。3. 液力变矩器使传动系的动载荷减小，提高了汽车的使用寿命。4. 驾驶操纵简单，实现换挡自动化，有利于行车安全。 5. 能以较低的车速稳定行驶，提高车辆在坏路上的通过性。6. 减少了废气污染。自动变速器的主要缺点是结构复杂、成本高，传动效率相对偏低，导致油耗要高于机械变速器。但是，现代汽车普遍采用的电子控制自动变速器，可按照最佳油耗规律控制自动换挡
7、，加之采用了超速挡和变矩器闭锁控制等，从而使自动变速器的油耗有了明显的下降。三、自动变速器的类型 自动变速器因其驱动方式、挡位数、变速齿轮的结构形式、变扭器的结构类型及换挡控制形式等都有不同之处，而有不同的分类方法。1. 按变速器换挡操作的形式分类按变速器换挡操作的自动化程度分类，有半自动变速器和全自动变速器两大类。1) 半自动变速器：换挡操作仍需手动。一种是自动离合器-手动换挡变速器的组合形式，因此也被称之为自动离合器式变速器。另一种是具有自动变速功能的液力变扭器-换挡用离合器-辅助手动变速器组合形式，被称之为选择式自动变速器。2) 全自动变速器：简称自动变速器，是无需离合器操作和换挡操作就
8、能实现自动换档的液力传动变速器。全自动变速器是现代自动变速器普遍采用的结构形式。2. 按自动换挡的控制方式分类按控制方式分类，有液力控制式自动变速器和电子控侧自动变速器两种形式。1) 液力控制式自动变速器：换挡控制方式是通过机械手段将节气门开度和车速参数转化为液压控制信号，使阀板中各控制阀按照设定的换挡规律控制换挡执行机构动作，实现自动换挡。2) 电子控制式自动变速器：是通过各种传感器将发动机转速、节气门开度、车速、发动机温度、自动变速器液压油温度参数转变为电信号，输人自动变速器电脑，电脑根据这些电信号确定变速器换档控制信号。电脑输出的换挡信号控制相应的换档电磁阀动作，并通过换档阀产生相应的液
9、压控制信号，使有关的换挡执行机构动作，实现自动换档。电子控制换挡过程如图所示。3. 按照动力传递的方式分类可分为：液力式、气压式、电磁式和机械式等不同形式。液力式又可分为动压式（液力祸合式和液力变扭式）和静压式两种。而目前普遍采用的是液力动压式。4. 按自动变速器前进挡位的数量分类可分为2挡、3挡、4挡自动变速器。现在的自动变速器一般分为4个前进挡，4挡即为超速挡。 5. 按齿轮变速器部分的结构类型分类可分为：普通齿轮式和行星齿轮式两种。由于行星齿轮变速器结构紧凑，又能获得较大的传动比，因此目前的自动变速器普遍采用行星齿轮变速器结构形式。四、电子控制自动变速器的组成电子控制自动变速器主要由液力
10、变矩器、辅助变速器、电液控制系统等几个部分组成。1. 液力变矩器液力变矩器位于自动变速器的最前端，安装在发动机的飞轮上。它是通过工作轮叶片的相互作用，引起机械能与液体能的相互转换来传递动力，通过液体动量矩的变化来改变转矩的传动元件，具有无级连续改变速度与转矩的能力，它对外部负载有良好的自动调节和适应性能，从根本上简化了操作；它能使车辆平稳起步，加速迅速、均匀、柔和；由于用液体来传递动力进一步降低了尖峰载荷和扭转振动，延长了动力传动系统的使用寿命，提高了乘坐舒适性和车辆平均行驶速度及安全性和通过性。2. 辅助变速器液力变矩器的无级变速性能虽然很好，但从经济性考虑它不能完全满足车辆改变速度和变化动
11、力两方面的要求，故需与齿轮传动串联或并联，以扩大其传动比与高效率工作范围。齿轮传动有行星齿轮式与定轴式两种。虽然，人们熟悉的定轴式机械变速器工艺性好、成本低，但由于行星齿轮传动易于实现自动化、结构紧凑、质量轻，特别是其具有与液力变矩器可实现功率分流的长处。行星齿轮变速器包括行星齿轮组和换挡执行机构。换挡执行机构可以使行星齿轮组处于不同的啮合状态，以实现不同的传动比。大部分行星齿轮变速器有3-4个前进挡和1个倒挡。显然机械传动在AT中属于辅助地位，故又称其为辅助变速器。3. 控制系统液力自动变速器的控制系统有液压式和电液式两种。新型液力自动变速器均采用了电液式控制系统，简称电子控制自动变速器(E
12、CT)。 1) 系统能源它是各个机构的动力源，对早期的全液压自动控制系统，由油泵、调压阀等组成；对目前广泛采用的电液式控制系统，除上述外，还需直流电源为电控提供所需能源。2) 控制参数信号发生器自动换挡是根据汽车行驶中选定的控制参数的变化来确定是否需要进行换挡的。目前主要是采用二参数控制(车辆速度与发动机节气门开度)，但这仅是原始信号，还必须加以调制，才能被液压和电控系统所接受。即所选参数不仅应能按比例精确地变换成控制信号，且要求反应迅速、便于实现、工作可靠。过去全液压系统采用的是速度调压阀和节气门开度调压阀。但在电液系统中它们均已被结构简单的磁感应式、霍尔式、光电式、激光式等车速传感器，以及
13、节气门电位器等所代替。3) 换挡控制器换挡控制器实质上是向换挡执行机构发出换挡指令的发生器。它接受来自车速、油门加速度及换挡选择机构所传来的信号，进行比较和处理，并按预定的规律选择挡位和换挡时刻，及时发出相应的换挡指令至换挡执行机构：对全液压系统由换挡阀完成；而电液式则由ECU与其控制的电磁阀、换挡阀承担。4) 换挡执行机构换挡执行机构的功能是接受控制指令去具体完成挡位变换。一般均是通过液压缸充、卸压力油使离合器、制动器或单向离合器的分离或接合实现换挡。5) 换挡品质控制机构换挡品质控制机构的作用是控制换挡过程平稳、无冲击，从而使乘员舒适，动力传动系统动载荷降低。一般它是在通向液压缸的油路上增
14、加蓄能器、缓冲阀、定时阀、执行压力调节阀、协调阀和单向离合器等，以改善换挡品质。近来，电子控制软件的作用渐呈明显优势，它已不仅可取代原单向离合器的功能，简化了结构，而且逐步向智能化发展。此外，在自动变速器的外部还设有一个自动变速器油散热器，用于散发自动变速器油在工作过程中产生的热量。电子控制系统可存储与处理多种换挡规律，可一机多能，实现更复杂、更合理的控制；电控系统改变规律或参数时，仅调整局部电路，即可适应性能，开发周期短；无惯量、控制精度高、反应快、动作准确；结构紧凑，质量轻；与整车动力传动系统控制如EFI、巡航、牵引力控制、四轮驱动控制等兼容性好。因此，电控所获得的优良换挡平顺性和操纵方便
15、性及与汽车上其他电子控制装置之间的联系，导致它代替液压控制的趋势是必然的。3.2 自动变速器的工作原理 电子控制自动变速器由液力变矩器、辅助变速器与电液换挡控制系统三大部分组成。液力变矩器多采用带闭锁离合器的三元件综合式结构，可以自动调节传递转矩的大小。辅助变速器普遍采用行星齿轮传动，用来扩大液力变矩器的传动范围并实现倒挡传动。电液换挡控制系统是电子控制自动变速器的核心，电子控制装置通过传感器采集变速器及整车的相关信息，通过电磁阀来控制液压执行机构，使整个自动变速器协调工作。一、液力变矩器 液力变矩器(Hydraulic Torque Converter , HTC)，它是通过工作轮叶片的相互
16、作用，引起机械能与液体能的相互转换来传递动力，通过液体动量矩的变化来改变转矩的传动元件，具有无级连续改变速度与转矩的能力，它对外部负载有良好的自动调节和适应性能，从根本上简化了操作；它能使车辆平稳起步，加速迅速、均匀、柔和；由于用液体来传递动力进一步降低了尖峰载荷和扭转振动，延长了动力传动系统的使用寿命，提高了乘坐舒适性和车辆平均行驶速度及安全性和通过性。 液力传动装置的基本形式为液力偶合器与液力变矩器。液力偶合器的基本构件是具有若干径向平面叶片的、构成工作腔的泵轮和涡轮。液力偶合器工作原理如图所示，液力传动油在工作腔里高速循环流动传递动力，油液随着泵轮作牵连运动的同时因受离心力作用而作离心运
17、动，从泵轮(输入轴)吸收机械能并转化为动能，高速液流从泵轮冲入涡轮做向心流动释放动能，推动涡轮(输出轴)旋转，带动工作机(负载)做功。二、行星齿轮变速器 液力变矩器的无级变速性能虽然很好，但从经济性考虑它不能完全满足车辆改变速度和变化动力两方面的要求，故需与齿轮传动串联或并联，以扩大其传动比与高效率工作范围。齿轮传动有旋转轴式(行星齿轮系)与定轴式两种。虽然，人们熟悉的定轴式机械变速器工艺性好、成本低，但由于行星齿轮传动易于实现自动化、结构紧凑、质量轻，特别是其具有与液力变矩器可实现功率分流的长处，故目前AT中多为此型。显然机械传动在AT中属于辅助地位，故又称其为辅助变速器。三、液压系统 液压
18、系统是自动变速器的重要组成部分，为液力变矩器提供传动介质，完成变速器自动换挡控制。同时，它还保证变速器各部分的润滑，使变速器得到可靠的散热和冷却。可见，液压系统起到传动、控制、操纵、冷却和润滑等功能。在电子控制自动变速器中，采用的是电控式液压系统。 自动变速器的液压系统由动力源、执行机构、控制机构、冷却润滑系统等组成。动力源是被液力变矩器泵轮驱动的油泵，它向控制机构和执行机构供应压力油以完成换挡，同时为液力变矩器提供传动介质并进行冷却补偿，向行星齿轮系统提供润滑油。执行机构是指行星齿轮系统的离合器、制动器。控制机构的作用是在汽车行驶过程中接收换挡信号，控制执行机构的动作，使变速器得到不同挡位。
19、同时，它能改善换挡平顺性，保证换挡过程正常进行。控制机构由主油路调压装置、换挡阀和缓冲安全装置及液力变矩器控制装置组成。四、电子控制系统 电子控制自动变速器采用电液式控制系统，即电控液压操纵系统。电液式控制系统的核心是电子控制系统，电子控制系统由信号输入装置(传感器、控制开关)、电子控制装置 (ECU)、执行机构三部件组成。传感器将汽车及发动机的各种运动参数转变为电信号，ECU根据这些电信号，按照设定的控制程序发出控制信号，通过各种电磁阀(换挡电磁阀、油压电磁阀等)来操纵阀体总成中各个控制阀的工作，以完成各种控制任务。 1. 自动换挡规律 在自动变速器中，自动换挡规律关系到动力传动系统各总成潜
20、力的挖掘与整体最优性能的发挥，直接影响车辆的动力性、燃料经济性、通过性及对环境的适应能力。故它是自动变速器中最核心的技术。换挡规律是指两排挡间自动换挡时刻随控制参数变化的关系。它应该是单值的，即对输入变量(换挡控制参数)的每一组合，仅存在唯一的输出状态-要么维持现状，要么升挡或降挡。其类型有单参数、双参数和组合型换挡规律。智能换挡规律：在人一车一路的大系统中，汽车控制的优劣，主要反映在车辆与环境(路)的协调、车辆与人的协调，故电子自动控制系统可存储多种规律供驾驶员选用，不仅有经济性规律、动力性(又称运动型)规律，而且还有一般(日常)规律、环境温度及随外界条件变化的规律等。即换挡点可以自由设定为
21、各种规律。赛欧轿车有运动、经济与雪地3种规律；而富康轿车则存储了10种规律，它们可分别或同时交替工作，共同控制自动变速状态。特别是采用了模糊逻辑控制和动力传动系统的综合控制技术，使其实现了智能化控制。但仍然以双参数或是动态三参数为基本控制规律，其他因素视为确定换挡规律的辅助条件。电子控制单元(ECU)根据选挡杆位置，从存储器中调出相应的规律，再按dV / dt 、V、a等控制参数值与换挡规律比较，当达到设定换挡点时，ECU便向电磁阀发出指令，实现自动换挡。由于ECU运算控制功能的提高，在日常规律行驶时，已不再用操纵手柄调用所需规律，而可自动选择。在前进挡中，当加速踏板踩下的速率超过程序中设定的
22、速率时，ECU由经济性转变为动力性规律。故将车速和节气门开度的组合分成一定数量的区域，如图所示，每个区域有不同的节气门开启速率程序值。当实际值大于它时，为动力性规律，反之为经济性规律。程序值的分布规律是，车速越低或节气门开度越大，其值越小，即越易进入动力性规律，而且当节气门开度低于1 / 8时，动力性规律立即转为经济性规律。另一方面，为了使驾驶者体会自己开车的乐趣，或希望保持该挡通过特定路面，近来手动-自动可转换的变速器在中高级轿车上日益增多。我国奥迪A6选装的TIPtronic自动变速器，可在自动模式下的加速挡位，直接转到手动操作模式。 2. 输入信号装置电子控制自动变速器用到的信号输入装置
23、有传感器和开关，产生的信号一般有脉冲、模拟、开关 3 种形态，速度传感器产生脉冲信号，温度传感器产生模拟信号，选择开关则产生开关信号。1) 节气门位置传感器节气门位置传感器安装在发动机节气门体上并与节气门联动，是由驾驶员通过节气门踏板来控制的。其作用就是测量发动机节气门的开度，使 ECU 了解发动机负荷，以此作为自动变速器换挡的一个依据。这与液压控制系统中节气门阀的作用是类似的。节气门位置传感器既可用于电子控制燃油喷射系统，也可用于电子控制的自动变速器。它有很多种类型，装用自动变速器的汽车通常采用线性可变电阻型的节气门位置传感器。2) 发动机转速传感器发动机转速测量常用脉冲信号式转速传感器，除
24、测量转速外，它还可以测量发动机曲轴角度位置。3) 车速传感器车速传感器用于测量汽车的行驶速度，常用的有电磁感应式车速传感器和光电式车速传感器。 4) 输入轴转速传感器输入轴转速传感器与车速传过感器类似，也是一种电磁感应式转速传感器；它安装在行星齿轮机构输入轴（液力变矩器涡轮输出轴）附近或与输出轴连接的离合器鼓附近的壳体上，用于检测行星齿轮变速器输入轴转速，以更精确地控制换挡过程。它还作为变矩器涡轮的转速信号，与发动机转速即变矩器泵轮转速信号进行比较，计算出变矩器的传动比，以优化闭锁离合器的控制过程，减小换挡冲击，改善汽车的行驶平顺性。5) 发动机冷却液温度传感器发动机冷却液温度传感器用于监测发
25、动机冷却液的温度，为热敏电阻结构，通常是位于冷却系中靠近节温器的地方。6) 自动变速器油温度传感器自动变速器油温度传感器为热敏电阻结构，安装在自动变速器底壳内，用于连续监控自动变速器油的温度。以作为ECU进行换挡控制、油压控制、锁止离合器控制的依据。在汽车起步或低速大负荷行驶时，液力变矩器转速比小，效率低，发热严重，造成油温高，因而在超过某一温度界限时，变速器要在较高的发动机转速状况下才开始换挡。随着汽车车速的提高，变矩器的转速比增大，发热减小，油温下降，自动变速器又重新开始正常的换挡行驶程序。7) 超速挡开关超速挡开关通常装在自动变速器操纵手柄上，用于控制变速器的超速挡。在驾驶室仪表盘上，有
26、超速挡切断指示灯显示超速挡开关的状态。8) 换挡模式开关换挡模式开关又称程序开关，用于选择自动变速器的换挡控制模式，即选择自动变速器的换挡规律，以满足不同的使用要求。 9) 空挡启动开关空挡启动开关是一个多功能开关，不仅具有控制启动继电器线圈电路的功能，还可将变速器操纵手柄位置的信息传送给自动变速器的 ECU ，使 ECU 可判断操纵手柄的位置。 10) 停车制动开关停车制动开关安装在制动踏板支架上。当踩下制动踏板时开关接通。 ECU 根据制动开信号，松开变矩器闭锁离合器，同时停车灯亮。3. ECUECU实质上是向换挡执行机构发出换挡指令的发生器。它接收来自车速、油门、加速度及换挡选择机构所传
27、来的信号，进行比较和处理，并按预定的规律选择挡位和换挡时刻，及时发出相应的换挡指令至换挡执行机构。ECU的功能包括，控制换挡时刻、控制超速行驶、控制闭锁离合器、控制换挡品质、故障诊断与失效保护等功能。1) 控制换挡时刻换挡控制即控制自动变速器的换挡时刻，也就是在汽车达到某一车速时，让自动变速器升挡或降挡。 ECU 可以让自动变速器在汽车的任何行驶条件下都按最佳换挡时刻进行换挡，从而使汽车的动力性和经济性等指标达到最佳。汽车自动变速器的操纵手柄或模式开关处于不同位置时，对汽车的使用要求不同，换挡规律也不同，通常将汽车在不同使用要求下的最佳换挡规律以自动换挡图的形式储存在ECU 的存储器中。汽车在
28、行驶时，ECU根据模式开关和操纵手柄的信号从存储器中选出相应的自动换挡图，再将车速传感器、节气门位置传感器处测得的车速、节气门开度与所选的自动换挡图进行比较。如在一定节气门开度下行驶的汽车达到设定的换挡车速时，ECU便向换挡电磁阀发出电信号，由电磁阀的动作决定压力油通往各操纵元件的流向，以实现挡位的自动变换。不同换挡模式下的换挡规律是不一样的，常见的换挡模式大致有以下几种：经济模式该模式以汽车获得最佳燃油经济性为目标设计换挡规律。当自动变速器在经济模式下工作时，其换挡规律使汽车在行驶过程中，发动机经常在经济转速范围内运行，从而降低了燃油消耗。这种换挡规律，通常当发动机转速相对较低时，就会换入高
29、一挡，即提前升挡。动力模式该模式以汽车获得最大动力性为目标设计换挡规律。当自动变速器在动力模式下工作时，其换挡规律使汽车在行驶过程中，发动机经常处在大转矩、大功率范围内运行，从而提高了汽车的动力性能。通常这种换挡规律，只有发动机转速较高时，才能换入高一挡，即延迟升挡。普通模式普通模式的换挡规律介于经济模式与动力模式之间。它使汽车既保证了一定的动力性，又有较好的燃油经济性。手动模式该模式让驾驶员可在各挡位之间以手动方式选择合适的挡位，使汽车像装用了手动变速器一样行驶，而又不必像手动变速器那样换挡时必须踩离合器踏板。雪地模式适用于在雪地上行驶的方式。在起步时，自动变速器会自动选择2挡起步，当操纵手柄置于2位时，自动变速器保持在2挡工作。而操纵手柄置于1位时，自动变速器保持在1挡工作；如初始位置在2挡的话，则当车速降至1挡后，不再升挡。；.