多功能自動變速器示教臺的研制

李廣龍，魏政君

華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510641

0 引言

汽車自動變速器的結(jié)構(gòu)復雜， 拆裝困難，對其工作原理的學習造成很大的障礙。在教學過程中一般使用部件掛圖、實物解剖體、動畫仿真模擬等手段對自動變速器的相關知識進行授課，效果不十分理想，而且對教師的知識水平要求十分高。如果使用進口國外生產(chǎn)的自動變速器的各種示教臺，技術先進，但價格昂貴， 教學成本太高。我院近年來汽車專業(yè)的畢業(yè)生有一部分在中專、技校中擔任教學工作，他們經(jīng)常反映自動變速器換檔過程的功率傳輸是授課的難點。為了對自動變速器工作原理有較為扎實的基礎，更好地適應各種關于自動變速器的工作，研制多功能自動變速器示教臺來促進自動變速器的理論與實訓內(nèi)容的優(yōu)化是十分必要的。利用舊的自動速器實物，結(jié)合單片機電子控制技術，把理論和實踐結(jié)合起來，自己來制作多功能自動變速器示教臺。在整個過程中，既滿足了教學的需要又可以提高課程教學效率和質(zhì)量；既提高師資水平， 又可便于現(xiàn)場教學進行，同時也可以克服多次拆裝自動變速器和對其使用壽命的影響，降低教學成本。為了方便研制和達到明顯的效果，我們以豐田的A340E 型自動變速器為對象進行“多功能自動變速器示教臺”的研制。

1 豐田A340E型自動變速器基本知識

1.1 結(jié)構(gòu)特點

豐田A340E自動變速器是辛普森式（Simpson）雙排行星輪機構(gòu)與一個單排行星輪機構(gòu)（超速行星輪機構(gòu)）組合而成的四速自動變速系統(tǒng)。行星齒輪機構(gòu)是常嚙合傳動，嚙合齒數(shù)多，而且是同向、同軸線傳動，結(jié)構(gòu)緊湊，又能獲得較大的傳動比。因此，這種自動變速器的結(jié)構(gòu)在汽車行業(yè)應用中具有一定的代表性。許多公司的四速自動變速器如克萊斯勒公司AW-4型、通用公司4T60E 型、寶馬公司的ZF4HP22 型、豐田公司A140E型以及韓國大宇公司AW03-71L型均采用這種組合方式的行星齒輪變速系統(tǒng)。

1.2 工作原理

豐田A340E型自動變速器上配備了節(jié)氣門位置傳感器和車速傳感器兩個核心部件。節(jié)氣門位置傳感器向ECU（自動變速器控制單元）傳遞發(fā)動機負荷信號；車速傳感器向ECU傳遞車速信號。ECU根據(jù)這些信號，進行數(shù)據(jù)處理，控制換檔電磁閥的狀態(tài)，以便調(diào)整行星齒輪機構(gòu)中的離合器和制動器實時狀態(tài)，實現(xiàn)換檔操作。其基本工作原理如圖1所示。

2 多功能示教臺的總體設計

2.1 功能分析

多功能自動變速器示教臺制成后，應包括以下四大功能：實物運行工況模擬功能、工況實時顯示功能、工作原理過程仿真顯示功能及實訓考核客觀評價功能等。示教臺所能實現(xiàn)的具體功能，如圖2所示。

圖1 豐田A340E型自動變速器工作原理圖

圖2 示教臺功能框圖

2.2 實現(xiàn)方案和原理

多功能自動變速器示教臺主要由實物模擬系統(tǒng)（自動變速器總成、可變動力供給裝置）、工況仿真演示系統(tǒng)（自動變速器結(jié)構(gòu)原理圖、換檔元件表、換檔規(guī)律曲線、工況指示儀表）和電路控制系統(tǒng)（流水燈電路、解碼電路、模擬信號處理電路、考核控制電路）等組成。

2.2.1 實現(xiàn)方案

使用電磁調(diào)速電機控制裝置調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，帶動液力變矩器的渦輪旋轉(zhuǎn)，模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)速；采用流水燈在演示面板上動態(tài)實時展示各檔具體的功率傳輸路徑和相關起作用的元件；利用單片機處理信號，協(xié)助自動變速器總成模擬各檔進行換檔和升降檔的控制并實時顯示相關信息。示教臺具體的實現(xiàn)方案如圖3所示。

圖3 示教臺實現(xiàn)方案

2.2.2 實現(xiàn)原理

示教臺的組成及實現(xiàn)原理如圖4所示。

圖4 組成及實現(xiàn)原理

3 多功能示教臺關鍵系統(tǒng)的具體設計

3.1 解碼電路的設計

圖5 功率傳輸路徑分段標記圖

根據(jù)下圖5功率傳輸路徑的分段進行解碼電路的設計，如圖6所示。

圖6 解碼電路圖設計

3.2 流水燈電路的設計

流水燈的電路如下圖7所示：

圖7 流水燈電路圖

流水燈的電路板的實物如下圖8所示：

圖8 流水燈電路板

該電路中的單片機應用的程序如下：

4 示教臺的操作

4.1 概述

為了讓每一位使用“多功能自動變速器示教臺”的教員掌握其功能，在這里對該示教臺的操作進行簡要說明是十分必要的。不僅避免了不必要的麻煩，而且更加直觀地演示其功能，提高教學質(zhì)量和效果。示教臺完成的效果如圖9所示。

圖9 示教臺整體的效果

4.2 示教臺的使用操作

4.2.1 啟動示教臺前的檢查

1）啟動示教臺前，請把示教臺置于平坦的地面，并確保示教臺處于水平位置；

2）確保示教臺四周空氣通暢，無任何障礙物；

3）檢查示教臺，確保各部件安裝牢固，無異常；

4）檢查電源線是否損傷，確保不漏電、不短路；并保證能夠提供380V的交流電源；

5）檢查各開關位置：總電源開關、電機開關置于關閉狀態(tài)；調(diào)速旋鈕逆時針旋轉(zhuǎn)置于截至位置；換檔桿于駐車檔（P檔）；

6）確保示教臺整潔，能清楚地進行演示。

4.2.2 啟動示教臺

1）把插頭接上380V交流電源后，撥通漏電開關（總電源），接通總電源開關，使示教臺上電運行；

2）撥通電機開關，使電磁調(diào)速電機正常運行；

3）通過推拉換檔桿 ，可以使變速器在“P”、“R”、“N”、“D”、“2”、“L”之間切換檔位；通過旋轉(zhuǎn)調(diào)速旋鈕，可以升高或降低調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速來改變變速器的輸入轉(zhuǎn)速，并在顯示面板顯示相關的信息內(nèi)容。

4.2.3 關閉示教臺

示教臺使用完畢后，應先進行相關的復位，再斷開漏電開關（總電源），然后才把電源插頭拔下。

1）換檔桿復位（置于P檔位置）；

2）調(diào)速旋鈕復位（逆時針旋轉(zhuǎn)置于截至位置）；

3）電機開關復位（置于關閉狀態(tài)）；

4）關閉總電源開關，拔下電源插頭。

4.3 示教臺的考核功能

本示教臺的考核功能主要通過利用遙控器（下圖10所示），對《自動變速器原理圖》、《換檔元件表》、轉(zhuǎn)速和車速表等三部分的獨立“閉/顯”控制，自由組合相關的考題。遙控器按鍵的功能作用如下：

1）閉/顯《自動變速器原理圖》；

2）閉/顯《換檔元件表》；

3）閉/顯轉(zhuǎn)速、車速表的顯示；

4）空；

5）空；

6）空；

7）閉/顯“1檔＝＞2檔”換檔曲線；

8）閉/顯“2檔＝＞3檔”換檔曲線；

9）閉/顯“3檔＝＞OD檔”換檔曲線；

10）閉/顯“2檔＝＞1檔”換檔曲線；

11）閉/顯“3檔＝＞2檔”換檔曲線；

12）閉/顯“OD檔＝＞3檔”換檔曲線。

圖10

5 結(jié)論

該示教臺在各種專業(yè)涉及到自動變速器內(nèi)容的課程學習和技能鑒定考核中得到廣泛應用。為自動變速器的理論教學提供了形象、直觀的教學手段，提高了教學質(zhì)量，降低了教學成本，具有一定的推廣價值。

多功能自動變速器示教臺(豐田A340E）研制的方法和步驟，也適合于其它類型示教臺的設計與制作，并且還可以把示教臺進一步智能化設計，使到示教臺的使用更加人性化。

[1]張?zhí)X，陸華忠，羅錫文.汽車自動變速器原理與檢修[M].廣州：廣東科技出版社，1999.

[2]黃榕清.汽車新型電控系統(tǒng)-結(jié)構(gòu)原理及檢查[M].華南理工大學出版社，2000.

[3]徐生明.豐田A-340E型自動變速器示教臺的設計與制作[J].四川工業(yè)學院學報，2003，22(2).

[4]馮晉祥，吳際璋.自動變速其器結(jié)構(gòu)原理圖冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[5]任傳祥.汽車機械式自動變速器換檔規(guī)律評價方法的研究[J].吉林大學碩士學位論文，1990：220-269.

[6]胡健.單片機原理及接口技術實踐教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.