氣動自動變速器模擬換檔裝置

， *， 趙浩聲， 王思婧， 趙名卓， 于 博

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

研究與設(shè)計

氣動自動變速器模擬換檔裝置

張文夫，呂文超*， 趙浩聲， 王思婧， 趙名卓， 于 博

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

基于STC89C52單片機的編程控制，模擬自動變速器轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的脈沖信號并進行采集，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后在LCD顯示屏上呈現(xiàn)出自動變速器的輸入、輸出轉(zhuǎn)速，當(dāng)達到相應(yīng)的設(shè)定轉(zhuǎn)速時單片機模擬驅(qū)動電磁閥執(zhí)行自動換檔。自動變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法生動地給學(xué)生演示其換檔過程。通過模擬自動變速器的換檔過程，可方便學(xué)生對自動變速器換檔原理的理解。

單片機；自動變速器；換檔控制；脈沖信號

Abstract：Based on the programming control of STC89C52 single-chip microcomputer，the pulse signal sent by the speed sensor of the automatic transmission is simulated and acquired，with the input and output speed of the automatic transmission displayed on the LCD screen after conversion to digital signals.When the corresponding set speed is reached，the single-chip microcomputer simulates and drives the electromagnetic valve to realize automatic gear change，which can help students understanding the principle of automatic transmission gear change.

Keywords：single chip microcomputer；automatic transmission；gear control；pulse signal

變速器可以改變轉(zhuǎn)速比和傳動轉(zhuǎn)矩比，其與發(fā)動機的良好配合，可使汽車具有更好的動力性能和經(jīng)濟性能[1]。

自動變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在其自動換檔控制過程的課堂與實踐教學(xué)中，常常需要通過解剖教具來輔助教學(xué)。

本文設(shè)計了一款模擬自動變速器換檔控制的裝置，以輔助解剖教具進行生動的課堂演示及實驗原理展示。該裝置以單片機為核心，通過模擬自動變速器的自動換檔過程來滿足教學(xué)的需要。

1 氣動自動變速器模擬換檔控制

1.1現(xiàn)狀分析

自動變速器在A級、B級乘用車上得到了廣泛的應(yīng)用，各大高校也開展了自動變速器的理論教學(xué)與研究，通過購買自動變速器實物解剖臺架，將其外殼割開，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)和作用分別噴涂不同的顏色，以看清內(nèi)部復(fù)雜部件的相對安裝位置，從而進行實踐教學(xué)[2]。但這種試驗臺無法進行實際操作和動力傳遞的動態(tài)演示。

1.2 電控自動變速器原理簡介

電控液力自動變速器的換檔原理如下：采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、行駛車速及油門踏板位置等數(shù)據(jù)并傳輸?shù)街醒胩幚砥?ECU)，經(jīng)分析計算后向各執(zhí)行元件發(fā)出動作指令，通過啟閉各種電磁閥開關(guān)和電磁閥操縱液力控制系統(tǒng)調(diào)整或改變各離合器與制動器的分離或接合，從而實現(xiàn)自動換檔。

1.3 模擬演示裝置原理解析

通過中央處理器(ECU)接收來自自動變速器轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)來的脈沖信號，并在單片機內(nèi)部進行邏輯轉(zhuǎn)換，在LCD顯示屏上以轉(zhuǎn)速的形式顯示出來。當(dāng)達到設(shè)定的轉(zhuǎn)速值時，ECU執(zhí)行換檔控制程序，通過控制通斷電來控制電磁閥的通斷，執(zhí)行換檔。

電磁閥的通斷電顯示由LED燈取代，通過LED燈的亮或滅，能夠更加直觀地表現(xiàn)出電磁閥的通與斷。

基于自動變速器換檔原理，以單片機為核心，通過程序模擬信號接收與控制，制成電路板，從原理上生動形象地模擬自動變速器的換檔控制原理，具有較高的教學(xué)演示價值，實用性強。

2 模擬自動變速器轉(zhuǎn)速的顯示

2.1霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理

自動變速器的輸入軸與輸出軸附近各有一個轉(zhuǎn)速傳感器，控制系統(tǒng)通過傳感器發(fā)出的脈沖信號來識別其當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。本文主要對裝載霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的自動變速器進行模擬研究。

在霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器半導(dǎo)體薄片的兩頭施加電流，在薄片的垂直方向上施加磁場強度為B的磁場，磁場強度B隨著轉(zhuǎn)速的變化產(chǎn)生霍爾電磁脈沖[3]。

2.2 自動變速器轉(zhuǎn)速的測量

當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)過傳感器時，傳感器輸出一個電磁脈沖信號，定時器每隔一段時間發(fā)出中斷請求，STC89C52單片機響應(yīng)中斷后計算出在這段時間內(nèi)所接收到的脈沖數(shù)，其將反映車輪旋轉(zhuǎn)的快慢，通過一定時間內(nèi)接收到的脈沖數(shù)便能推算出車輪轉(zhuǎn)速[4]。

2.3 輸入與輸出軸轉(zhuǎn)速的顯示

自動變速器有兩個轉(zhuǎn)速傳感器，根據(jù)所在位置的不同可分為輸入軸轉(zhuǎn)速傳感器和輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器，在LCD顯示屏上可顯示輸入軸與輸出軸兩個轉(zhuǎn)速。

通過編寫兩個定時器與計數(shù)器的運行程序并輸入到STC89C52單片機中，可分別測出其輸入軸轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速，再通過編寫顯示位置函數(shù)來使LCD顯示屏顯示出測到的輸入軸或輸出軸轉(zhuǎn)速。

2.4 模擬轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的脈沖

通過手動撥動單片機GND端，自發(fā)產(chǎn)生一個時刻變化的脈沖信號作為中央處理器(ECU)接收到的脈沖信號，通過模擬自動變速器轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出脈沖的過程，簡化其結(jié)構(gòu)，更加符合教學(xué)的方便性與經(jīng)濟性要求。

3 模擬自動變速器執(zhí)行換檔

3.1電磁閥原理

電磁閥內(nèi)部有體積一定的容室，在一些位置設(shè)有開孔，每個孔連接不同的管道。通電時電磁線圈產(chǎn)生電磁力，將關(guān)閉閥件從管道排出口提起來，使管道連通；斷電時電磁力消失，彈簧再將封閉閥件壓到管道排出口，使管道閉合。

3.2 氣動換檔原理

本文采用氣動換檔取代原有的自動變速器液壓換檔，以簡化結(jié)構(gòu)，方便教學(xué)。二位二通電磁閥的兩個孔分別連接氣動裝置和自動變速器閥體，氣動裝置所產(chǎn)生的氣壓能使自動變速器正常運行，控制不同的離合器、制動器工作。

自動變速器的控制系統(tǒng)即STC89C52單片機接收到各個傳感器傳來的信號，通過接收、處理、邏輯運算后發(fā)出信號控制二位二通電磁閥的通與斷，從而實現(xiàn)自動換檔。

3.3 模擬電磁閥運行狀態(tài)

本文通過LED燈的亮和暗來模擬二位二通電磁閥的開與關(guān)。LED燈亮，說明二位二通電磁閥通電，即管路接通，使帶壓氣體進入管路控制相應(yīng)的離合器及制動器；LED燈暗，說明二位二通電磁閥斷電，即管道關(guān)閉。通過LED燈來模擬電磁閥的運行狀態(tài)，可簡化自動變速器換檔結(jié)構(gòu)，方便教學(xué)。

本文以雙行星排辛普森式4檔行星齒輪變速器為模擬對象，該變速器采用2個單向超越離合器、4個離合器和2個制動器，裝配成具有四個前進檔和一個倒檔的4檔行星齒輪變速器，因此采用8個LED燈分別取代這8個裝置[5-6]。

3.4 執(zhí)行換檔程序

STC89C52單片機接收到傳感器傳來的模擬脈沖信號，在LCD顯示屏上顯示出此時自動變速器的輸入、輸出軸轉(zhuǎn)速。當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值時通過控制LED燈的亮暗來模擬電磁閥的通斷，從而控制自動變速器中的離合器、制動器工作，執(zhí)行換檔程序。

通過不同換檔執(zhí)行元件的接合、制動或鎖止，可使自動變速器達到自動換檔的目的，不同LED燈的亮暗組合所產(chǎn)生的檔位數(shù)也不同，見表1。

表1 自動變速器換檔執(zhí)行元件工作規(guī)律

操縱手柄位置檔位換檔執(zhí)行元件C1C2C3C4B1B2F1F2D1檔○○○2檔○○○3檔○○●○超速檔○●○R倒檔○○S,L或2,11檔●○○2檔●○○3檔○●○

注：○為接合、制動或鎖止；●為接合或制動，但不傳遞動力

4 STC89C52單片機控制系統(tǒng)分析與設(shè)計

單片機控制裝置電路圖如圖1所示。

圖1 單片機控制裝置電路圖

(1)LCD顯示屏電路設(shè)計：P0外接上拉電阻，并連接LCD數(shù)據(jù)端；P2^5連接LCD顯示屏的命令/數(shù)據(jù)選擇端；P2^6連接LCD顯示屏的讀/寫選擇端；P2^7連接LCD顯示屏的使能端。

(2)LED燈電路設(shè)計：P1連接LED燈。

(3)外部電路設(shè)計：P3^2連接自動變速器輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器；P3^3連接自動變速器輸入軸轉(zhuǎn)速傳感器。

(4)復(fù)位電路設(shè)計：單片機復(fù)位電路的作用是單片機上電時程序重新執(zhí)行。單片機工作時，由于某些原因造成寄存器中數(shù)據(jù)混亂不能使其正常執(zhí)行程序，或產(chǎn)生結(jié)果不準(zhǔn)確時均需要復(fù)位，以使程序重新開始執(zhí)行。

(5)測速原理：在單片機控制程序中，其內(nèi)部包含兩個定時器，兩個外部中斷。外部中斷靠脈沖信號的下降沿觸發(fā)，定時器設(shè)定一段時間，每隔這段時間即檢測一次外部中斷觸發(fā)次數(shù)，并計算得到轉(zhuǎn)速，然后將次數(shù)清零。

(6)顯示與換檔：通過LCD1602的時序，將轉(zhuǎn)速顯示到LCD顯示屏上，通過顯示到LCD顯示屏上的轉(zhuǎn)速判斷出不同的檔位，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定的檔位時即可通過控制LED燈的亮暗來模擬換檔控制。

5 小結(jié)

設(shè)計了一種模擬自動變速器換檔控制裝置，通過編程將寫好的程序燒錄到單片機中，通過對電路圖的繪制及元器件的焊接，將模擬自動變速器換檔控制裝置制作出來。演示結(jié)果表明，設(shè)計的裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、加工工藝性好、成本低等特點，能夠滿足日常教學(xué)演示和分析的需要。

[1] 鄧定瀛.自動變速器原理與應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2002.

[2] 張亞軍，趙亮.汽車自動變速器原理與維修課程的教學(xué)改革實踐[J].機械職業(yè)教育，2011(2).

[3] 范棟梁.淺析霍爾傳感器在直線步進電機中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2013(1).

[4] 宋年秀，劉超.汽車傳感器原理與檢測200問[M].北京：中國電力出版社，2009.

[5] 李勝琴，陳汝春，王乾浩，等.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度測量試驗裝置研究[J].森林工程，2017，33(4)：94-97.

[6] 李涵武，趙玉春，遲秋玲.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車傳感器故障診斷方法研究[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2011，39(5)：23-25.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

DeviceofthePneumaticAutomaticTransmissionSimulation

ZHANGWen-fu，LVWen-chao*，ZHAOHao-sheng，WANGSi-jing，ZHAOMing-zhuo，YUBo

(College of Transportation，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China)

2017-04-14

東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項目(201610225206)

張文夫(1994-)，男，吉林省吉林市人，東北林業(yè)大學(xué)車輛工程專業(yè)本科學(xué)生，E-mail：18846928828@163.com。

*通訊作者：呂文超(1980-)，男，黑龍江雞東人，東北林業(yè)大學(xué)講師，吉林大學(xué)在讀博士，研究方向為汽車系統(tǒng)動力學(xué)，E-mail：lvwenchao2008@sina.com。

U463；TP368

A

2095-2953(2017)10-0019-04