吳 恒

(格特拉克江西傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，江西 南昌 330000)

0 引言

隨著社會的進(jìn)步，國民經(jīng)濟(jì)的不斷提升，轎車的普及率越來越高。鑒于我國正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要時(shí)期的特殊情況，這種趨勢會一直持續(xù)下去，因此，轎車市場的潛力仍然相當(dāng)巨大。縱觀整個(gè)汽車市場，盡管自動(dòng)擋汽車逐漸瓜分了手動(dòng)擋汽車的市場份額，但是鑒于手動(dòng)擋汽車油耗低的特點(diǎn)，以及國內(nèi)外油價(jià)不斷攀升的情形，當(dāng)前手動(dòng)擋汽車仍然是市場主要的競爭力所在，而手動(dòng)擋與自動(dòng)擋汽車的主要區(qū)別在于汽車變速箱電軟軸的設(shè)計(jì)不同。因此，本文主要通過優(yōu)化手動(dòng)擋汽車變速箱電軟軸手動(dòng)換擋控制系統(tǒng)，力圖徹底改善手動(dòng)擋汽車行駛過程中遇到的一系列關(guān)于檔位切換的問題，進(jìn)而優(yōu)化用戶體驗(yàn)，從而加大手動(dòng)擋汽車的市場競爭力。

1 傳統(tǒng)手動(dòng)齒輪式汽車變速箱存在的問題

鑒于手動(dòng)擋汽車的主導(dǎo)地位不可動(dòng)搖的情況，目前很多載重車如大客車和商用載重車仍采用手動(dòng)換擋變速裝置。然而，值得注意的一點(diǎn)是，目前我國手動(dòng)擋汽車普遍采用手動(dòng)齒輪式汽車變速箱。該技術(shù)的應(yīng)用主要采用手柄推動(dòng)手動(dòng)液壓換擋閥，利用液壓動(dòng)力換擋汽車變速箱的機(jī)械操縱機(jī)構(gòu)。具體表現(xiàn)在于，利用油泵的壓力油進(jìn)入變速箱中相應(yīng)的離合器液壓缸來實(shí)現(xiàn)推動(dòng)缸內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)的效果。當(dāng)手動(dòng)液壓檔位閥被推動(dòng)而處于設(shè)定的某一位置時(shí)，活塞在此效果的作用下被推動(dòng)，離合器上面的摩擦片結(jié)合活塞，同時(shí)摩擦片與相應(yīng)的齒輪對結(jié)合成為一體化，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，就能以某一檔的速度傳遞動(dòng)力，完成變速箱的某一種檔位速度。由于該裝置結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)成本相對較低，廣泛得到了汽車制造廠商的喜愛，然而不得不注意的是，該裝置的換擋效率相對比較低下，在汽車啟動(dòng)或高速行駛的過程中，特別是針對一些大型的卡車而言，操作體驗(yàn)十分不友好。此外，還需要認(rèn)識到的是，由于大客車發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱都安裝在車身尾部，變速器與司機(jī)座位距離較遠(yuǎn)。具體如圖1所示：

圖1 手動(dòng)齒輪式汽車變速箱結(jié)構(gòu)示意圖

如圖中所示：1為換擋操縱桿、2為長軸連桿、3為發(fā)動(dòng)機(jī)、4為齒輪變速箱。由于在機(jī)械式換擋變速器中，換擋杠桿動(dòng)力傳遞距離長，在車輛變速行駛的過程中，汽車司機(jī)必須通過長軸連接或者液壓傳遞到與車身尾部發(fā)動(dòng)機(jī)相連的變速箱，才能實(shí)現(xiàn)基本的變速操作，這會導(dǎo)致司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度大，容易造成司機(jī)的疲勞。另外，由于傳統(tǒng)的手動(dòng)變速箱基上都是齒輪鉸接，零部件間應(yīng)力作用大，相互磨損也大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不可避免的會造成齒輪的磨損，并且隨著換擋次數(shù)的積累，會導(dǎo)致齒輪磨損嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致長軸手動(dòng)換擋會造成入檔準(zhǔn)確率低的情況。更有甚者，甚至損壞箱齒輪，嚴(yán)重威脅司機(jī)行駛過程中的安全。

2 優(yōu)化汽車變速箱電軟軸手動(dòng)換擋控制系統(tǒng)的意義

鑒于傳統(tǒng)手動(dòng)齒輪式汽車變速箱在司機(jī)體驗(yàn)過程中存在的一系列問題，提出一種能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制變速箱換擋動(dòng)作用位置反饋效果的汽車變速箱電軟軸手動(dòng)換擋控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法顯得十分必要。這在一定方面有效地緩解了汽車司機(jī)(特別是卡車司機(jī))在行駛過程中的疲勞問題，而且從另一方面來講，能有效順應(yīng)市場的潮流，推動(dòng)我國汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。而要想實(shí)現(xiàn)汽車變速箱電軟軸手動(dòng)換擋控制系統(tǒng)優(yōu)化，必須借助于CPLD可編程邏輯芯片，在給出了CPLD邏輯硬件結(jié)構(gòu)原理圖并且應(yīng)用在大客車的實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該優(yōu)化的控制系統(tǒng)能充分發(fā)揮汽車行駛過程中的變速效果，并且具有相當(dāng)不錯(cuò)的可靠性以及抗干擾能力，同時(shí)更主要是能夠有效地減少司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)長途行駛過程中的安全保障。

3 CPLD技術(shù)在優(yōu)化汽車變速箱手動(dòng)換擋電軟軸控制中的應(yīng)用

從前文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于CPLD邏輯芯片的汽車變速箱手動(dòng)換擋電軟軸控制方法能有效地實(shí)現(xiàn)汽車檔位的變換，同時(shí)加強(qiáng)司機(jī)的操作體驗(yàn)，有很好的推廣效益。而實(shí)際上也正如此，例如在F1賽場上，為了減少高速行駛過程中切換賽車檔位而造成的時(shí)間浪費(fèi)，從而使賽車手獲得更好的成績，賽車設(shè)計(jì)人員通常將賽車的檔位變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向盤處，以方便賽車手操作。而基于CPLD邏輯芯片的汽車變速箱手動(dòng)換擋電軟軸控制方法與此種設(shè)計(jì)原理基本相同。在確定該技術(shù)的應(yīng)用前景下，為了進(jìn)一步對汽車變速箱手動(dòng)換擋電軟軸控制方法的研究，對CPLD邏輯芯片進(jìn)行分析顯得十分必要。在CPLD技術(shù)的應(yīng)用過程中，由于CPLD是通過邏輯判斷輸出信號。因此，鑒于應(yīng)用單片機(jī)的電控裝置，容易出現(xiàn)單片機(jī)受到干擾而程序跑飛現(xiàn)象，對汽車換擋造成危害的情況，采用CPLD技術(shù)的變速箱電控裝置與傳統(tǒng)利用單片機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)后置的汽車變速箱電控裝置相比用單片機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)后置的汽車變速箱電控裝置，能有效地遏制此類事件的發(fā)生，不會有程序跑飛的現(xiàn)象，使換擋具有安全可靠性。CPLD技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)主要在于充分利用CPLD技術(shù)，發(fā)掘該技術(shù)邏輯編程靈活以及適用范圍寬等特點(diǎn)，令其作為主控芯片組成電子控制裝置：如圖2所示為汽車變速箱手動(dòng)換擋電軟軸控制系統(tǒng)圖。

1.換擋操縱桿；2.檔位開關(guān)傳感器；3.CPLD主控裝置；4.檔位實(shí)時(shí)顯示電路；5.電控?fù)Q向閥驅(qū)動(dòng)線圈；6.電控?fù)Q向閥；7.AB氣缸位置反饋開關(guān)傳感器；8.A氣缸；9.B氣缸；10.車速傳感器；11.發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱；12.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。圖2 汽車變速箱手動(dòng)換擋電軟軸控制系統(tǒng)圖

從圖中可以看出，控制裝置由檔位開關(guān)傳感器、電控?fù)Q向閥、電控?fù)Q向閥驅(qū)動(dòng)線圈、檔位實(shí)時(shí)顯示電路、CPLD主控裝置、AB氣缸位置反饋傳感器，A、B氣缸和車速傳感器組成。并且這種器件兼容了CPLD和通用門陣列的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的邏輯程序設(shè)計(jì)。其工作原理主要在于：在觸動(dòng)變速檔位的時(shí)候，控制裝置配合位置傳感器反饋控制電控?fù)Q向閥。換擋操縱桿下各開關(guān)狀態(tài)及電子控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)換擋位置反饋信號來判斷生成驅(qū)動(dòng)信號，生成的驅(qū)動(dòng)信號再去驅(qū)動(dòng)電控?fù)Q向閥的電控線圈，此外，通過CPLD主控電路的可編程精確判別控制邏輯算法以控制車速和檔位位置，通過邏輯判斷控制計(jì)算換擋信號的輸出從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)檔位之間的換擋。再通過由電控?fù)Q向閥驅(qū)動(dòng)的A、B氣缸的前進(jìn)、后退的組合運(yùn)動(dòng)來控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的變速箱，最終達(dá)到變速箱的檔位變速控制。

4 CPLD模塊設(shè)計(jì)的應(yīng)用

邏輯分析的精確判斷是CPLD技術(shù)應(yīng)用于汽車變速箱電軟軸手動(dòng)換擋控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。在變速箱優(yōu)化邏輯設(shè)計(jì)的過程中，CPLD精確判別控制邏輯包括換擋判斷邏輯，生成電控?fù)Q向閥驅(qū)動(dòng)信號邏輯，氣缸位置到位反饋邏輯以及A、B氣缸先動(dòng)邏輯。其內(nèi)部模塊邏輯圖如圖3所示：

圖3 CPLD模塊的程序邏輯圖

為了進(jìn)一步優(yōu)化司機(jī)的操作體驗(yàn)，解放右手換擋的繁瑣操作，實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，可以將觸動(dòng)變速檔位與汽車的離合器連接起來，借助CPLD精確判別控制邏輯分析技術(shù)，通過離合器的松弛以及壓實(shí)的過程，來進(jìn)行檔位的變換。這樣一來，司機(jī)可以通過踩下離合器同時(shí)將換擋操縱桿推動(dòng)到所需的檔位，實(shí)現(xiàn)換擋。

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了進(jìn)一步確定設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性與否，還必須對CPLD技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)處理。由于在CPLD這一主控模塊上，主要集中地是控制裝置，我們可以先測試主控模板，以此為實(shí)驗(yàn)來判斷這一控制裝置的準(zhǔn)確性以及可行性，從而確保輸出的是正確信號，那么該實(shí)驗(yàn)需要用到的相關(guān)設(shè)備包括：CPLD主控模塊、驅(qū)動(dòng)信號檢測燈一共9個(gè)、顯示屏以及能夠模擬汽車的各個(gè)檔位的信號開關(guān)。在實(shí)驗(yàn)的過程當(dāng)中，CPLD主控模塊要接收來自模擬汽車的各個(gè)檔位的開關(guān)發(fā)出的信號，如果檢測燈亮了，即說明主控模板收到了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號，那么此時(shí)與之對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)線圈實(shí)現(xiàn)了通電，最終完成了驅(qū)動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)的換擋過程。與此同時(shí)，我們可以利用顯示屏來了解準(zhǔn)確的檔位情況以及在實(shí)驗(yàn)過程中對驅(qū)動(dòng)信號檢測燈開關(guān)狀況的觀察，也就是其對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)線圈通斷電狀況。此外，通過上述實(shí)驗(yàn)，我們還能夠?qū)刂评碚撘约癈PLD主控模塊的各程序的電路正確性做出判斷，進(jìn)而進(jìn)一步優(yōu)化汽車變速箱電軟軸手動(dòng)換擋控制系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

由于CPLD模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，邏輯單元靈活，并且兼容了PLD技術(shù)和通用門陣列的優(yōu)點(diǎn)，因此基于CPLD的手動(dòng)換擋汽車變速箱控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)變速箱控制系統(tǒng)不能達(dá)到的基本功能。此外，其操作簡易省力，控制速度快的特點(diǎn)也是其率先搶占市場的重要基礎(chǔ)。

[1]李君，張建武，等.電控機(jī)械式自動(dòng)變速器的發(fā)展、現(xiàn)狀和展望.汽車技術(shù)，2000.

[2]鐘漢如.手動(dòng)換檔汽車變速箱的可編程邏輯控制裝置，2006.

[3]張宏坤，范巨薪，牛明奎.單片機(jī)在電控機(jī)械式自動(dòng)變速系統(tǒng)中的應(yīng)用.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，(2009)10，4.

[4]葛安林.車輛自動(dòng)變速理論與設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社，2013(1).

[5]徐金榜，鄧超，王聞?dòng)睿虬参?汽車自動(dòng)同步換擋系統(tǒng)及其換擋策略[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，37(8)：8-11.

[6]施國標(biāo).電控機(jī)械式自動(dòng)變速器中離合器控制的研究.吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.