鄭紅梅，龔國華，蔣夢鴿，羅凡

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兩檔機械式自動變速器檔位間距檢測系統(tǒng)的設(shè)計

鄭紅梅，龔國華，蔣夢鴿，羅凡

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

針對傳統(tǒng)自動變速器檔位傳感器、檔位開關(guān)性能不穩(wěn)定、安裝不便的缺點，課題設(shè)計了一種檔位間距自動檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)兩檔機械式自動變速器檔位間距自動檢測，并根據(jù)測得的檔位間距進(jìn)行換檔，以軟件代替檔位傳感器等硬件。伺服電機驅(qū)動連在電機軸上的絲杠螺母，使連在螺母上的撥叉向檔位1運動。同步器結(jié)合套撞上限位裝置時，伺服電機堵轉(zhuǎn)，伺服驅(qū)動器發(fā)出報警信號。換檔控制器接收第一個報警信號后，將脈沖數(shù)清零，然后驅(qū)動撥叉向檔位2運動。到達(dá)檔位2后，電機堵轉(zhuǎn)并發(fā)出第二個報警信號，換檔控制器接收報警信號后，記錄發(fā)出的脈沖數(shù)，這個脈沖數(shù)即為兩檔間距。

兩檔機械式自動變速器；伺服電機；報警信號；檔位間距自動檢測系統(tǒng)

1 引言

機械式自動變速器[1]在自動換檔過程中需要檢測準(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磨損；而非接觸式霍爾傳感器容易受到電機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)確地檢測檔位。本課題設(shè)計了一種檔位間距檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用伺服電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時的報警信號實現(xiàn)檔位間距的自動檢測，并根據(jù)測得的檔位間距來進(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)測量檔位間距，以軟件檢測代替硬件檢測，使檢測更加方便，測量結(jié)果更加穩(wěn)定可靠。

2 檔位間距自動檢測系統(tǒng)方案設(shè)計

如圖1所示，絲杠螺母換檔機構(gòu)由換檔電機、絲杠、撥叉、螺母等組成。絲杠與換檔電機的電機軸由聯(lián)軸器相連，由換檔電機驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠每旋轉(zhuǎn)一周，螺母就移動一個導(dǎo)程；螺母與撥叉相連，螺母在絲杠的軸向方向移動時帶動撥叉，撥叉推動同步器結(jié)合套移動，結(jié)合套推動鎖環(huán)與結(jié)合齒圈接觸壓緊并同步[4-7]，實現(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，同步器結(jié)合套撞上限位裝置，電機驅(qū)動撥叉的阻力過大，會使伺服電機堵轉(zhuǎn)，同時伺服驅(qū)動器發(fā)出報警信號。電機堵轉(zhuǎn)時伺服驅(qū)動器會自鎖并發(fā)出燈光報警，在這個過程中，伺服驅(qū)動器會自動切斷換檔控制器對其的控制，電機頻繁堵轉(zhuǎn)時發(fā)熱量過大，為了能夠持續(xù)正常換檔，換檔過程中電機是不允許頻繁堵轉(zhuǎn)的。

圖1 絲杠螺母換檔機構(gòu)

伺服電機采用指令脈沖+方向的位置控制模式。

指令脈沖頻率= (需要電機運行的轉(zhuǎn)速/60) * 一圈的脈沖數(shù)，所以，脈沖頻率影響電機的轉(zhuǎn)速，脈沖數(shù)影響電機輸出軸的轉(zhuǎn)角。方向信號控制電機輸出軸的轉(zhuǎn)向。如圖2所示，伺服電機驅(qū)動絲杠螺母，使連在螺母上的撥叉向檔位1運動。同步器結(jié)合套撞上限位裝置時，伺服電機堵轉(zhuǎn)并發(fā)出第一個報警信號，換檔控制器接收報警信號后，將脈沖數(shù)清零，然后驅(qū)動撥叉向檔位2運動，到達(dá)檔位2后，電機堵轉(zhuǎn)并發(fā)出第二個報警信號，同時換檔控制器記錄發(fā)出的脈沖數(shù)，這個脈沖數(shù)即為檔位間距。為了避免每次換檔時電機都堵轉(zhuǎn)，將測得的脈沖數(shù)減去一個很小的余量，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)場調(diào)試的時候確定，在此不再贅述。系統(tǒng)設(shè)置檔位間距自動檢測過程在開機之后，自檢測之后就可以進(jìn)行持續(xù)正常的換檔了。

圖2 檔位間距自動檢測系統(tǒng)框圖

3 硬件設(shè)計

3.1 檔位間距自動檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

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，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路傳輸給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機，帶動絲杠螺母運動，連在螺母上的撥叉運動。同步器結(jié)合套撞上限位裝置時，伺服電機堵轉(zhuǎn)，伺服驅(qū)動器發(fā)出報警信號，報警信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路傳輸給換檔控制器。

圖3 檔位間距自動檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

伺服驅(qū)動器的部分通信與輸出信號接口如表1所示。接口7為報警信號，當(dāng)伺服電機正常運行時，接口7為高電平；當(dāng)伺服電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，接口7為低電平。報警信號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，實現(xiàn)外部中斷電壓的檢測。系統(tǒng)檢測到接口7為低電平時，控制器進(jìn)入外部中斷程序。

表1 伺服驅(qū)動器通信與輸出接口

電機堵轉(zhuǎn)時伺服驅(qū)動器會自鎖并發(fā)出燈光報警，在這個過程中，伺服驅(qū)動器會自動切斷換檔控制器對其的控制。這種情況下，需要換檔控制器向伺服驅(qū)動器發(fā)出一個時間間隔很短的低電平使能信號來清除報警，恢復(fù)換檔控制器對伺服電機的控制。伺服驅(qū)動器控制信號如表2所示。

表2 伺服驅(qū)動器控制信號接口

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)動器輸出電壓在5V左右，電壓過大將直接燒壞芯片。為了實現(xiàn)換擋控制器和伺服驅(qū)動器的電壓匹配，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時，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?，因此電阻R13、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時，發(fā)射結(jié)反偏，三極管截止，集電結(jié)變?yōu)楦唠娖?，LED3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)計時加入發(fā)光二極管，在接收到報警信號時可直接觀測到，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)動器，INPUT_WR端接換檔控制器的I/O口。當(dāng)QUDONG_WR端為低電平時，三極管截止，INPUT_WR為高電平；當(dāng)QUDONG_WR端為高電平時，三極管導(dǎo)通，INPUT_WR為低電平。

4 軟件設(shè)計

程序流程圖如圖5所示。換檔控制器向伺服電機發(fā)送脈沖信號和方向信號驅(qū)動伺服電機，脈沖信號的頻率控制電機的轉(zhuǎn)速，脈沖數(shù)控制電機轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，方向信號控制電機轉(zhuǎn)向，高電平和低電平分別代表一種轉(zhuǎn)向。伺服電機驅(qū)動連在螺母上的撥叉向檔位1運動，在撥叉運動的過程中，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，伺服電機堵轉(zhuǎn)，伺服驅(qū)動器發(fā)出報警信號。換檔控制器接收報警信號后進(jìn)入中斷程序，在中斷程序中將脈沖數(shù)清零，同時翻轉(zhuǎn)方向信號使伺服電機反轉(zhuǎn)，驅(qū)動撥叉向檔位2運動。到達(dá)檔位2后，電機堵轉(zhuǎn)，伺服驅(qū)動器發(fā)出報警信號，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)，這個脈沖數(shù)即為檔位間距。

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

圖5 檔位間距自動檢測系統(tǒng)程序流程圖

5 現(xiàn)場調(diào)試

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

圖7調(diào)試現(xiàn)場

Fig.7 The debugging field

表3為換檔電機不同轉(zhuǎn)速下測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)速下測得的數(shù)值很穩(wěn)定。根據(jù)圖紙上標(biāo)注，檔位間距的實際值約為18mm。換檔電機旋轉(zhuǎn)1圈需要1000個脈沖，測得的數(shù)值表明電機一共轉(zhuǎn)了51-53圈，每圈約為0.34mm。電機轉(zhuǎn)速為3000r/min以下時，測得的檔位間距很穩(wěn)定，誤差最大值為0.77mm；當(dāng)換檔電機轉(zhuǎn)速達(dá)到3000r/min時，測得的值有較大突變。伺服電機工作功率小于額定功率時為恒轉(zhuǎn)矩，工作功率等于額定功率時，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為電機的額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速過大造成扭矩減小，電機驅(qū)動絲杠螺母時打滑，造成測得的數(shù)值異常。在實際工作中，電機很難達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，所以在實際工作中可忽略這一異?，F(xiàn)象。

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

表3 檔位間距實測表

6結(jié)語

本課題研發(fā)的兩檔機械式自動變速器檔位間距檢測系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。使系統(tǒng)能夠自動檢測機械式自動變速器的檔位間距，檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，變速器運行穩(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，具有良好的推廣價值和應(yīng)用前景。

[1]秦貴和.機械式自動變速器控制技術(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.工程車輛自動變速控制系統(tǒng)的仿真與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2007,38(4): 26-29.

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

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

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

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

[7]葛安林.車輛自動變速理論與設(shè)計[M].北京:機械工業(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：機械系統(tǒng)動力學(xué)及狀態(tài)檢測、CAD/CAM/CAE、機電控制及其自動化。