中国农业大学
硕士学位论文
姓名：李国政
申请学位级别：硕士
专业：车辆工程
指导教师：谭彧
20040301
中国农业大学硕士学位论文摘要
摘要
作为拖拉机作业机组试验台建设项目的一部分，本设计着重解决了仿真试验台的自动换档控制问题。研
究了自动变速系统的理论，在试验台上完成了控制系统外围执行机构的安装和调试，开发了自动换档控制系统并完成了软硬件设计调试。软件开发所用语言是Ｃ９６高级语言，硬件是以８０１９６ＫＣ单片机为核心的单片机系统。该控制系统能够采集数据并根据这些数据来判断拖拉机的运行状态，按照所选择的换档规律控制执行机构进行自动换档，以达到节约燃油、提高生产效率的目的。实验结果表明，电控机械式自动变速器能够按照一定的换挡规律选择合适的挡位，在拖拉机上应用该系统，可使拖拉机机组的换挡实现自动化，能根据外部负载的变化自动调整挡位，具有一定实用意义
关键词：自动变速器；单片机；电子控制单元；执行机构
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独创性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下（或我个人……）进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生签名：／弩低嵋时间：驴产年；月ｒ驴日
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第一章绪论
１．１自动变速器的发展和现状
自动变速器的研究与应用是上个世纪二十年代从研究液力偶合器和液力变矩器开始的。１９２６年，美国通用汽车公司首先在别克“（Ｂｕｉｃｋ）”小轿车上使用了液力机械传动的变速器。１９３３年，美国的Ｒｅ，ｏ汽车使用了一种半自动的变速器。１９３８年，美国的克莱斯勒（Ｃｈｒｙｓｌｅｒ）汽车公司在变速器中采用了液力偶合器，为自动变速器的发展铺平了道路。１９４０年，美国的通用汽车公司（ＧｅａｌｅｒａｌＭｏｔｏｒｓ）第一次在Ｏｌｄｓｍｏｂｍ汽车中采用了命名为Ｈｙｄｒａ－Ｍａｒｉｅ的全自动变速器，它由液力偶合器、四个档位的行星变速器和自动换档系统组成。１９４８年，别克（Ｂｕｉｃｋ）汽车采用了命名为Ｄｙｎａｎｏｗ的全自动变速器，成功的使用了液力变矩器。到１９５２年，美国４７％的轿车，美国、欧洲等国家四分之一以上的公共汽车、以及不少国家的坦克装甲车等军用车辆都己装用了自动变速器。传统的自动变速器都采用液力变矩器和行星齿轮箱传动，用液压阀作为控制系统，这种液力自动变速器有一些致命的弱点。那就是传动效率偏低，结构复杂，成本高。此外，控制系统的实时性和控制精度也受到一定的限制。随着对液力变
矩器的深入研究，虽然采用液力变矩器的闭锁和功率分流使它的效率有所提高，但它的结构复杂和成本高仍然限制着它的推广和使用。
自五十年代起，美国的福特（Ｆｏｒｄ）、克莱斯勒（Ｃｈｒｙｓｌｅｒ）及通用（ＧｅｎｅｒａｌＭｏｔｏｒｓ）等汽车公司均已将多种型号的自动变速器投入批量生产。六十年代以来开始出现对传统的离台器与手动机械变速器的半自动化操纵，如美国伊顿（Ｅａｔｏｎ）的半自动变速器，德国ｚＦ的半自动变速器（ｓｅｍｉｓｈｉｆｂ，瑞典斯堪尼亚（Ｓｅａｎｉａ）的”ＣＡＧ＇’，英国福特（Ｆｏｒｄ）与Ｆｅｒｒａｔｉ的电子同步变速器（ＥＳＴＡ）等。在这一过程中，设计者仍然未能达到全自动的关键一步，即控制过程特别复杂的起步过程的自动化，其关键技术在于对离台器的控制。七十年代，美国、英国、法国、意大利、西德、瑞典、日本等工业发达国家都己成立了一批自动变速器的专业化生产公司或专业厂，如美国的阿里森（Ａｌｌｉｓｏｎ），英国的Ｂｏｒｇｗａｒｎｅｒ，西德的ＺＦ，意大利的ＦＩＡＴ及日本的丰田等。八十年代以来兴起的在汽车产品中采用微电子产品的热潮，同样也波及自动变速器这个领域。除了传统的装用液力变矩器的自动变速器采用电控外，八十年代又出现了新的纯机械式的电子控制自动变速器（ＥＣＴ）（ＥｌｅｅｌｒｏｎｉｃＣｏｎｂ＇ｏｌｌｅｄＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）．它由传统的机械变速器加上微机控制使手动变速器和离合器实现自动操纵。这种变速器除具有一般自动变速器的优点，如操纵方便，动力性、经济性、舒适性、安全性外，还具有另外一些优点：制造成本低。其传动部件的设计技术和生产设备是现有生
产有级齿轮变速器厂家都已具备和熟悉的，因此，研制生产这些部件不需要大量投资。与液力传动相比，可保持较高的传动效率，使经济性提高。采用微电子技术，充分发挥其运算速度快、存储量大、逻辑功能强等特点，易于实现复杂功能的智能化控制。因此，它不仅能使系统结构大大简化，还能使自动操纵系统具有与一个熟练驾驶员相同的智能水平，获得很高的性能和效率。１９８４年日本五十铃汽车公司首次在ＡＳＫＡ轿车上安装了这种电子控制的机械式自动变速器ＮＡＶＩ．５（ｔｈｅＮｅｗＡｕｔｏＶｅｈｉｃｌｅｗｉｔｈＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ５Ｓｐｅｅｄｓ）系统。该车的道路实验，燃油经济性实验表明：该系统能使车辆得到很好的起步和换档性能，动力性和燃油经济性均优于普通的手动变
速器，而且结构简单，操纵方便、灵活。１９８４年投放市场以来具有高度的竞争力。继ＮＡＶＩ．５以后，五十铃汽车公司于１９８６年又成功的将这种变速器移植到轻、重型载货汽车和公共汽车上。美国伊顿公司在１９８３年也宣布成功的将重型汽车的手动变速器实现了自动化，称之“ＡＭＴ”。福特公司也在进行类似研究，声称有望获得２７ａ，／０的节油效果。德国ＺＦ公司对“Ｆｏｏｓｐｌｉｔ”变速器的１６档也完全实现了自动换档，这称之为“Ａｕｔｏｓｋｉｆｔ”装置，１９８８年装在Ｇｗｉｌ＠ｖａ货车上。此外，德国的大众（Ｖｗ）、意大利的“ＦＩＡＴ”、法国的雷诺（Ｒｅｎａｕｌｔ）以及日本的丰田等公司也相继开展了这方面的研究，都取得了很大进展。
现在美国自动变速器的装车率已经达到了９０％以上。日本大、中型轿车的自动变速器装车率也已经
达到了８０％。我国在这方面的研究也己经达到了世界先进水平。
１．２自动变速器的几种类型
目前世界上使用最多的自动变速器主要有３种类型，一种是液力自动变速器（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ简称“ＡＴ”），一种是电控机械式自动变速器（ＡｕｔｏｍａｔｅｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ简称“ＡＭＴ”），另一种是金属带式无级自动变速器ｉ（ＣｏｎｆｉｎｕｏｕｓｌｙＶａｉｌａｂｌｅＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ简称“ＣＶＴ”）。
液力自动变速器的传动部分主要由液力变矩器和多组行星齿轮组成，它仍然分多档，实际上是能实现局部无级变速的有级变速器，目前它是国外用得最多的自动变速器，在美国采用液力自动变速器的轿车已达９０％以上。其优越性是免除了手动变速器繁杂的换档和脚踩离合器踏板的频繁操作，通过脚踩油门踏板，便可巧妙地实现自动变速，使开车变得简单、省力。液力自动变速器的电力控制系统使得自动切换速度柔和、平稳，所以乘坐与驾驶都感觉很舒适。采用液力自动变速器无疑提高了轿车的档次，但结构复杂、重量大、制造工艺复杂等也是它的特点。
电控机械式自动变速器是在原有机械变速器基本结构不变的情况下，通过加装微机控制的自动操纵机构，取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合、摘档与挂档以及发动机的转速同步调节等操作，最终实现换档过程的操纵自动化。它的主要功能需靠软件来实现，在电控机械式自动变速器中，
微机代替了熟练司机的大脑，多种传感器代替了人的感觉神经，电液或全电的执行机械代替了人的手与脚的操作。电控机械式自动变速器由于原有的机械传动结构基本不变，所以，齿转传动固有的传动效率高、机构紧凑、工作可靠等优点被很好的继承下来ａ金属带无级自动变速器属摩擦式无级变速器，其传动与变速的关键件是具有Ｖ型槽的主动锥轮、从动锥轮和金属带，金属带安装在主动锥轮和从动锥轮的Ｖ型槽内。当主动轮旋转时，通过金属带将主动轮的转矩传递给从动轮，橡胶带是以拉的形式传递转矩，而无级自动变速器的金属带则是以推的形式传递转矩。每个Ｖ型轮由一个固定锥盘和一个能沿轴向移动的可动锥盘组成，来自液压系统的压力分别作用到主、从锥轮的可动锥盘上，通过改变作用到主、从动锥轮可动锥盘上液压力的大小，便可使主、从动锥轮传递扭矩的节圆半径连续发生变化，从而达到无级改变传动比的目的。作用到主、从动锥轮可动锥盘上液压力大小的变化是由电液控制系统控制的，而电液控制系统则是依据道路的行驶阻力变化和驾驶员对油门的位置控制等来进行工作的ａ例如：当汽车爬坡行驶阻力增加时，若油门不变，根据发动机外特性，发动机转速自动下降，变速器的电液控制系统就会根据行车阻力信号的变化，提高从动锥轮液压缸的压力，从而使主、从动锥轮和金属带配合的节圊半径向减速的方向移动，达到自动减速，增加牵引力的目的。若汽车在乎坦
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