汽车变速箱自动换档机构及其电气实现

汽车变速箱自动换档机构及其电气实现董学平（合肥工业大学自动化研究所合肥２３０００９）摘要本文介绍了汽车变速箱自动换档机构的设计原理，介绍了以伺服电机作动力源的自动换档机械手的工作原理，以及用ＰＬＣ控制自动换档的软件设计方法，其自动换档机构具有安全可靠、成功率高的特点．关键词：ＰＬＣ，换档机械手，选档，换档，变速箱．中图分类号：ＴＰ２７３，文献标识码：Ｂ１．引言所谓自动换档，就是在试验中不需要停车就可以根据操作指令完成一系列换档过程，到达预定档位．在汽车传动系、变速箱性能测试试验中，很多情况下需要不断变换变速箱的档位以满足试验的要求．目前大多采用静态换档模式，即每次换档前均要停车．这样频繁地开车、停车不仅耗电而且耗时．况且在有些试验如同步器试验时必须进行动态换档，只有这样才能对同步器的性能进行有效地测试．因此，对变速箱自动换档的实现问题进行研究是必要的．２．系统构成２．１换档机械手汽车变速箱的档位变换是通过选档和换档两个操纵杆的动作组合来完成的．仿照汽车行驶中的人工换档机制，使用柔性纲丝在套管内做往返运动来推拉操纵杆完成换档操作．选档以及换档的钢丝在直线段上都有几个固定点，它们的不同组合即对应于不同的档位．离合器的钢丝在直线段上也有两个固定点，分别对应于离合器的合与分的状态．换档机械手是专门用于汽车变速箱进行档位变换的一种执行机构．换档机械手有多种实现方式，如采用液压、气动等作为动力源的换档机械手．因其拉力不可调，动作不到位等原因，影响了换档成功率．本换档机械手采用三台直流伺服电机作动力源，通过精度较高的滚珠丝杠将电机的旋转运动转换为直线运动来推拉选档、换档及离合器的操纵杆．这种方式的优点是结构简单、动作灵敏，由于操作机构与变速箱之间是通过软轴连接，因此其安装地点不受环境条件限制（如图１）．软轴１软轴２软轴３电机１电机２滚珠丝杠１滚珠丝杠２滚珠丝杠３变速箱选档操纵杆变速箱换档操纵杆离合器分合操纵杆电机３电机的驱动器采用了专门设计的伺服控制系统，其速度、扭矩可调，且具有良好的堵转特性．这就使得换档操作在行程、速度和力度上都能按要求进行调节，从而提高了换档成功率．位置信号的采集使用码盘加高速计数器形式，其优点在于精度高，易调整，使用寿命长．采用可编程控制器对换档机械手进行控制，可长时间工作且安全可靠，其另一特点是适合不同类型的变速箱，只需重新调整计数器的设定值及档位指定即可．２．２控制方法２．２．１ＰＬＣ选型根据本换档机构的控制要求，需要２３点输入和２３点输出，还需要３个高速计数器通道．由于整个换档过程的时间控制在１秒左右，所以还要求响应速度快．三菱公司生产的ＦＸ２Ｎ系列属于单元式结构小型中档机型，有一个１６位的ＣＰＵ和一个专用逻辑处理器，具有直接输出功能．使输出不受扫描周期的影响，执行速度很快．其内部还设有高速计数器，最大频率可达３ＫＨｚ．其功能强大，组合灵活，比1较适合．具体选用的是ＦＸ２Ｎ－６４ＭＲ－ＥＳ型，其输入、输出各为３２点，具有一定的余地．Ｍ表示基本扩展单元，Ｒ表示继电器输出，Ｅ表示扩展单元，Ｓ表示晶闸管输出．编程器选用ＦＸ－２０Ｐ－Ｅ便携式编程器，它具有菜单式功能选择，能在线或离线编程，方便实用．２．２．２控制方案换档机械手的控制可独立操作，也可通过上位计算机进行操作．独立操作使用操作台面板上的按钮进行．操作台面板简洁明了，操作简单．面板上有显示档位的信号灯８只，分别对应于１――６档以及空档和倒档，离合器分、合状态指示灯２只，换档失败警告，ＰＬＣ运行指示，自动方式指示灯及电源指示灯各１只，使得换档状态一目了然．一个手动／自动切换开关，用于手动和自动的控制方式变化．自动方式下，有２个按钮可选择：升档和降档．当按下某一按钮时，系统能自动识别该时刻的档位状况，在不符合操作逻辑的情况下，系统不作任何响应．若符合操作逻辑（档位升降只能依次进行，不得跳档操作），系统将进行一系列的操作，直至达到要求．若换档失败（进档时间超过规定范围而此时操纵杆仍未到达预定位置），系统将自动退档（换档杆复零位）并合上离合器．此时选档杆保留原位，同时发出换档失败信号，询问是否继续．面板上另有２个选择按钮，若选择继续操作，系统将打开离合器继续进档，重复以上操作．若选择停止操作，系统将自动退回到空档（选档杆也复零位），等待下一步指令．为满足试验中不同操作要求以及模拟汽车正常行驶中经常从任意档位退回到空档的实际情况，本系统具备了这方面的功能，只需选择停止操作即可完成．本系统设计了与上位机的通讯接口，可通过计算机直接读取系统状态并可完成以上自动方式下的所有操作．手动方式下，有６个按钮供选择，分别对应于３台伺服电机的正、反转，操作采用点动，该方式主要用于系统维修或安装时的定位调试．面板上还有６只可调电位器，用于各种动作的速度和扭矩调整．另外本机构还同时考虑了必要的过滤、过压保护以及自校正，以解决机械间隙所产生的原点漂移问题．２．２．３计数器参数设定将３根软轴变速箱侧的连接螺栓拧紧，丝杠侧的螺栓与连接板脱开，将选档和换档操纵杆置于中间位置，将离合器的操作杆置于合的位置．分别拨动选动、换档、离合器的操纵杆，使其到达另一点，此时测得软轴伸缩长度为ｌ（即实际行程，单位毫米）．由于机械有一定的活动间隙，ｌ的实际值可取中间值．滚珠丝杠的牙距为４毫米，码盘每旋转一周输出１００个脉冲，所以计数器设定值ｓ：ｓ＝１００＊ｌ／４连接板向右移动为正方向，计数器为正，连接板向左移动为负方向，计数器为负．可编程控制器根据读取的脉冲数就可以判别连接板行走的方向和行程．各个点所对应的编号如下：ｂ２ａ１ａ０ｂ０ａ２ａ３ｂ１ｃ０ｃ１ａ０，ａ１，ａ２，ａ３是选档上的４点（部分变速箱无ａ３点），ｂ０，ｂ１，ｂ２是换档上的３个点，ｃ０，ｃ１是离合器上的２个点．各点与寄存器号对应如下表：点号ａ０ａ１ａ２ａ３ｂ０ｂ１ｂ２ｃ０ｃ１寄存器号Ｄ１０Ｄ１２Ｄ１８Ｄ２０Ｄ６２Ｄ２２Ｄ２４Ｄ２８Ｄ２６Ｄ６０Ｄ３０2使用二个寄存器的点位是采用区间比较功能．２．２．４定时器参数的设定换档时限Ｔ２――Ｔ８共７个定时器，对应的寄存器号为Ｄ３２――Ｄ３８，一般情况下设为１．２――１．５秒．选档和换档操作之间的时间间隔共１４个定时器，对应的寄存器号为Ｄ４０――Ｄ５３，一般情况下设为０．３秒．计数器负计数是通过软件实现的．由于电机反转指令消失后，电机在惯性的作用下仍然要继续旋转，此时负计数开关必须要有一定的延时才不至于丢失负计数脉冲．定时器Ｔ１０――Ｔ１２用来完成这一延时，一般情况下设定为０．５秒左右．Ｔ０――Ｔ１两个定时器是为计算机发出继续操作和停止操作而设的，其目的是将计算机发出的短暂脉冲信号加以延长，保证系统能准确地读取指令，一般情况下设定为１秒．３．软件设计软件采用梯形图编程，主程序对变速箱档位各点的计数器竟心进行设置（运用功能ＦＮＣ１１Ｄ，ＦＮＣ１０Ｄ）．然后根据指令进行选档和换档操作，其流程图如下：ＮＹ离合器分结束符合换档条件接收换档指令ＹＮＹＮ启动选档操作启动换档操作换档复位换档成功选档复位是否继续结束离合器合４．结语汽车变速箱自动换档问题是汽车传动系、变速箱等有关试验中一直难以解决的问题，其主要问题是在换档过程中力度和速度难以与运行状态相匹配，从而造成换档成功率不高，影响了自动换档的应用．本次3使用的换档机械手，以三台伺服电机为动力源，其驱动器采用专门设计的伺服控制系统，其速度和扭矩可调．采用ＰＬＣ控制，可靠性高．位置信号采集使用码盘加高速计数器，精度高．在设计中升、降档操作及三台伺服电机的正、反转，无论从输入端、输出端还是中间继电器，都设置互锁功能．不会出现操作紊乱或输出短路．这种设计在试验中运行表明简单、实用，一次换档成功率在９０％以上，第二次换档都能成功，基本上解决了变速箱的自动换档问题．参考文献：［１］尹征琦，伺服系统的功率输出能力和功率匹配，电气传动，1998（2），38―44。［２］汤蕴缪，电机学－机电能量转换，机械工业出版社，1986。［３］ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩ三菱微型可编程控制器编程手册．2000．9．TheimplementationofautomaticchanginggearmechanismofautomobilegaerboxDong,XuepingAbstractInthispaper,thedesignprincipleofautomaticchanginggearmechanismandthemechanismofautomaticchanginggearmanipulatordrivenbyservo-motorareintroduced.Meanwhile,thedesignmethodofcontrolsystembasedonPLCisgiveninthispaper.Theautomaticchanginggearmechanismissafety,stabilityandhighsuccessfulratio.Keywords:PLC,changinggearmanipulator,selectinggear,changinggear,gearbox.作者简介：董学平，男，１９６５年生，硕士，讲师．主要研究方向为：计算机控制系统及控制理论．通信地址：合肥工业大学鸳鸯楼４０４＃，邮编：２３０００９．电话：[phone](H),１３１５５１１１６９７．Authorintroduction:DongXueping,male,bornin1965.Mainresearchinterestsincludecomputercontrolsystem,controltheoryetc.Tel:[phone].Address:InstituteofAutomation,HefeiUniversityofTechnology，Hefei,China.Postcode:2300094