， *， 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(jì)

氣動(dòng)自動(dòng)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(jī)的編程控制，模擬自動(dòng)變速器轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)并進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后在LCD顯示屏上呈現(xiàn)出自動(dòng)變速器的輸入、輸出轉(zhuǎn)速，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)的設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)單片機(jī)模擬驅(qū)動(dòng)電磁閥執(zhí)行自動(dòng)換檔。自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法生動(dòng)地給學(xué)生演示其換檔過(guò)程。通過(guò)模擬自動(dòng)變速器的換檔過(guò)程，可方便學(xué)生對(duì)自動(dòng)變速器換檔原理的理解。

單片機(jī)；自動(dòng)變速器；換檔控制；脈沖信號(hào)

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(dòng)轉(zhuǎn)矩比，其與發(fā)動(dòng)機(jī)的良好配合，可使汽車具有更好的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能[1]。

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

本文設(shè)計(jì)了一款模擬自動(dòng)變速器換檔控制的裝置，以輔助解剖教具進(jìn)行生動(dòng)的課堂演示及實(shí)驗(yàn)原理展示。該裝置以單片機(jī)為核心，通過(guò)模擬自動(dòng)變速器的自動(dòng)換檔過(guò)程來(lái)滿足教學(xué)的需要。

1 氣動(dòng)自動(dòng)變速器模擬換檔控制

1.1現(xiàn)狀分析

自動(dòng)變速器在A級(jí)、B級(jí)乘用車上得到了廣泛的應(yīng)用，各大高校也開(kāi)展了自動(dòng)變速器的理論教學(xué)與研究，通過(guò)購(gòu)買自動(dòng)變速器實(shí)物解剖臺(tái)架，將其外殼割開(kāi)，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(duì)安裝位置，從而進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)[2]。但這種試驗(yàn)臺(tái)無(wú)法進(jìn)行實(shí)際操作和動(dòng)力傳遞的動(dòng)態(tài)演示。

1.2 電控自動(dòng)變速器原理簡(jiǎn)介

電控液力自動(dòng)變速器的換檔原理如下：采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、行駛車速及油門(mén)踏板位置等數(shù)據(jù)并傳輸?shù)街醒胩幚砥?ECU)，經(jīng)分析計(jì)算后向各執(zhí)行元件發(fā)出動(dòng)作指令，通過(guò)啟閉各種電磁閥開(kāi)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(dòng)器的分離或接合，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔。

1.3 模擬演示裝置原理解析

通過(guò)中央處理器(ECU)接收來(lái)自自動(dòng)變速器轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)來(lái)的脈沖信號(hào)，并在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換，在LCD顯示屏上以轉(zhuǎn)速的形式顯示出來(lái)。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速值時(shí)，ECU執(zhí)行換檔控制程序，通過(guò)控制通斷電來(lái)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(guò)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(dòng)變速器換檔原理，以單片機(jī)為核心，通過(guò)程序模擬信號(hào)接收與控制，制成電路板，從原理上生動(dòng)形象地模擬自動(dòng)變速器的換檔控制原理，具有較高的教學(xué)演示價(jià)值，實(shí)用性強(qiáng)。

2 模擬自動(dòng)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(dòng)變速器的輸入軸與輸出軸附近各有一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)來(lái)識(shí)別其當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。本文主要對(duì)裝載霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的自動(dòng)變速器進(jìn)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(chǎng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度B隨著轉(zhuǎn)速的變化產(chǎn)生霍爾電磁脈沖[3]。

2.2 自動(dòng)變速器轉(zhuǎn)速的測(cè)量

當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)過(guò)傳感器時(shí)，傳感器輸出一個(gè)電磁脈沖信號(hào)，定時(shí)器每隔一段時(shí)間發(fā)出中斷請(qǐng)求，STC89C52單片機(jī)響應(yīng)中斷后計(jì)算出在這段時(shí)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(guò)一定時(shí)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(dòng)變速器有兩個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)速。

通過(guò)編寫(xiě)兩個(gè)定時(shí)器與計(jì)數(shù)器的運(yùn)行程序并輸入到STC89C52單片機(jī)中，可分別測(cè)出其輸入軸轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速，再通過(guò)編寫(xiě)顯示位置函數(shù)來(lái)使LCD顯示屏顯示出測(cè)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(guò)手動(dòng)撥動(dòng)單片機(jī)GND端，自發(fā)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)刻變化的脈沖信號(hào)作為中央處理器(ECU)接收到的脈沖信號(hào)，通過(guò)模擬自動(dòng)變速器轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出脈沖的過(guò)程，簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)，更加符合教學(xué)的方便性與經(jīng)濟(jì)性要求。

3 模擬自動(dòng)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(kāi)孔，每個(gè)孔連接不同的管道。通電時(shí)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(lái)，使管道連通；斷電時(shí)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(dòng)換檔原理

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

自動(dòng)變速器的控制系統(tǒng)即STC89C52單片機(jī)接收到各個(gè)傳感器傳來(lái)的信號(hào)，通過(guò)接收、處理、邏輯運(yùn)算后發(fā)出信號(hào)控制二位二通電磁閥的通與斷，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔。

3.3 模擬電磁閥運(yùn)行狀態(tài)

本文通過(guò)LED燈的亮和暗來(lái)模擬二位二通電磁閥的開(kāi)與關(guān)。LED燈亮，說(shuō)明二位二通電磁閥通電，即管路接通，使帶壓氣體進(jìn)入管路控制相應(yīng)的離合器及制動(dòng)器；LED燈暗，說(shuō)明二位二通電磁閥斷電，即管道關(guān)閉。通過(guò)LED燈來(lái)模擬電磁閥的運(yùn)行狀態(tài)，可簡(jiǎn)化自動(dòng)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(duì)象，該變速器采用2個(gè)單向超越離合器、4個(gè)離合器和2個(gè)制動(dòng)器，裝配成具有四個(gè)前進(jìn)檔和一個(gè)倒檔的4檔行星齒輪變速器，因此采用8個(gè)LED燈分別取代這8個(gè)裝置[5-6]。

3.4 執(zhí)行換檔程序

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

通過(guò)不同換檔執(zhí)行元件的接合、制動(dòng)或鎖止，可使自動(dòng)變速器達(dá)到自動(dòng)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(jiàn)表1。

表1 自動(dòng)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(dòng)或鎖止；●為接合或制動(dòng)，但不傳遞動(dòng)力

4 STC89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制裝置電路圖如圖1所示。

圖1 單片機(jī)控制裝置電路圖

(1)LCD顯示屏電路設(shè)計(jì)：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(xiě)選擇端；P2^7連接LCD顯示屏的使能端。

(2)LED燈電路設(shè)計(jì)：P1連接LED燈。

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

(4)復(fù)位電路設(shè)計(jì)：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位電路的作用是單片機(jī)上電時(shí)程序重新執(zhí)行。單片機(jī)工作時(shí)，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(shí)均需要復(fù)位，以使程序重新開(kāi)始執(zhí)行。

(5)測(cè)速原理：在單片機(jī)控制程序中，其內(nèi)部包含兩個(gè)定時(shí)器，兩個(gè)外部中斷。外部中斷靠脈沖信號(hào)的下降沿觸發(fā)，定時(shí)器設(shè)定一段時(shí)間，每隔這段時(shí)間即檢測(cè)一次外部中斷觸發(fā)次數(shù)，并計(jì)算得到轉(zhuǎn)速，然后將次數(shù)清零。

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

5 小結(jié)

設(shè)計(jì)了一種模擬自動(dòng)變速器換檔控制裝置，通過(guò)編程將寫(xiě)好的程序燒錄到單片機(jī)中，通過(guò)對(duì)電路圖的繪制及元器件的焊接，將模擬自動(dòng)變速器換檔控制裝置制作出來(lái)。演示結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工工藝性好、成本低等特點(diǎn)，能夠滿足日常教學(xué)演示和分析的需要。

[1] 鄧定瀛.自動(dòng)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(dòng)變速器原理與維修課程的教學(xué)改革實(shí)踐[J].機(jī)械職業(yè)教育，2011(2).

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(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(xiàng)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?yàn)槠囅到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)，E-mail：lvwenchao2008@sina.com。

U463；TP368

A

2095-2953(2017)10-0019-04