楊 勇，陳法法，李嘉平

（1.中國汽車工程研究院，重慶 401122；2.三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北，宜昌443002；3.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023）

為了使搭載自動(dòng)變速器（Automatic Transmission，AT）的車型能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)泊車功能，需要將傳統(tǒng)的通過搬動(dòng)換擋桿帶動(dòng)拉索拉動(dòng)變速器換擋軸來實(shí)現(xiàn)P、R、N、D 的換擋方式，改為用電驅(qū)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)換擋軸的方式來實(shí)現(xiàn)換擋，該電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)被稱為線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1-3]。線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出軸與變速器的換擋軸直接聯(lián)接，以驅(qū)動(dòng)變速器的換擋軸從而實(shí)現(xiàn)換擋。

變速器換擋機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由于線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的摩擦阻力矩大于回位彈簧對(duì)變速器輸出軸的力矩，對(duì)線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的R、N、D位置進(jìn)行精確標(biāo)定就顯得尤為重要。如果標(biāo)定誤差過大，當(dāng)線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到標(biāo)定位置后，回位彈簧頂端觸點(diǎn)不能壓入雞冠齒谷底，導(dǎo)致變速器內(nèi)部的油路不能完全打開，從而影響變速器性能。

圖1 變速器換擋機(jī)構(gòu)

在工程實(shí)際應(yīng)用中，由于制造誤差、裝配誤差等因素的影響[4]，很難確保線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的擋位位置足夠精確。因此，基于上述線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)換擋位置誤差問題，提出了一種擋位位置自學(xué)習(xí)算法，車輛在下線標(biāo)定時(shí)觸發(fā)該學(xué)習(xí)算法，線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器能夠非常精確地學(xué)習(xí)出該車輛變速器的R、N、D 擋位位置，從而避免由于線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變速器本體因制造、裝配等誤差對(duì)變速器性能造成影響[5-6]。

1 自學(xué)習(xí)算法

1.1 變速器的換擋機(jī)構(gòu)

由圖1 可知，變速器的換擋輸出軸與線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出軸通過軸孔的方式連接。

回位彈簧的一端固接在變速器外殼上，另一端，即回位彈簧頂端觸點(diǎn)通過回位彈簧壓力壓在雞冠齒齒槽上。對(duì)于傳統(tǒng)的拉鎖式換擋方式，在拉鎖帶動(dòng)變速器換擋輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)擋位區(qū)域后，由于拉鎖的設(shè)計(jì)余量，在回位彈簧壓力的作用下，其頂端觸點(diǎn)會(huì)壓入雞冠齒目標(biāo)擋位槽的谷底，即變速器切換到精確的擋位位置。

1.2 回位彈簧力矩特性

回位彈簧頂端觸點(diǎn)對(duì)變速器換擋輸出軸中心的力矩曲線如圖2 所示。由圖可知，當(dāng)在P 擋谷底時(shí)，回位彈簧對(duì)變速器換擋輸出軸中心的力矩為0，在R、N、D 的谷底時(shí)，力矩均為非連續(xù)變化的曲線，方向發(fā)生了改變。

圖2 回位彈簧力矩特性

1.3 線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩特性

線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由電機(jī)加減速機(jī)構(gòu)構(gòu)成，電機(jī)輸出到線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的轉(zhuǎn)矩可用以下公式表示：

式中：Te'為電機(jī)的電磁力矩；Tfm為電機(jī)的摩擦阻力力矩；n為線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)的速比；Tfr為減速機(jī)構(gòu)的摩擦阻力矩。

令Tf=Tfm×n+Tfr，Te=Te'×n，則式（1）可簡(jiǎn)化為：

1.4 線控?fù)Q擋系統(tǒng)力矩特性

1.4.1 系統(tǒng)力矩特性等價(jià)轉(zhuǎn)換

變速器換擋機(jī)構(gòu)、線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其之間的裝配存在以下特點(diǎn)：

（1）變速器換擋系統(tǒng)回位彈簧對(duì)變速器輸出軸的力矩在R、N、D 位置不連續(xù)，且在雞冠齒最低谷的左右極限力矩方向相反。

（2）線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部減速機(jī)構(gòu)存在一定的自由間隙。

（3）線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸與變速器輸出軸的軸孔配合有安裝間隙，線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)在變速器的安裝點(diǎn)留有安裝余量。

為了便于對(duì)線控?fù)Q擋系統(tǒng)的力矩、空間位置進(jìn)行分析，在圖3 和圖4 中，采用等價(jià)轉(zhuǎn)換原則，其中拋物曲線表示雞冠齒外輪廓；矩形框表示線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸與變速器輸出軸的軸孔配合間隙以及線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)的自由間隙之和；圓球表示回位彈簧頂端觸點(diǎn)，該圓球沿拋物線滑動(dòng)表示回位彈簧頂端在回位彈簧的壓力下沿雞冠齒外輪廓滑動(dòng)。

圖3 回位彈簧頂端停在雞冠齒右側(cè)

圖4 回位彈簧頂端停在雞冠齒左側(cè)

如果線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)停在某擋位，回位彈簧頂端觸點(diǎn)沒有被壓入雞冠齒最低谷時(shí)，按照上述方法進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)換后，回位彈簧頂端觸點(diǎn)與軸孔配合邊界必然處于受力狀態(tài)。如圖3 所示，回位彈簧頂端觸點(diǎn)停在了雞冠齒右側(cè)，并有向拋物線谷底運(yùn)行的趨勢(shì)，但由于存在線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的摩擦阻力，使回位彈簧頂端被軸孔的左邊界擋住而停靠在雞冠齒右側(cè)。圖4 是回位彈簧頂端觸點(diǎn)停在了雞冠齒左側(cè)的情況。

1.4.2 系統(tǒng)力矩特性方程

以回位彈簧頂端觸點(diǎn)停在雞冠齒谷底O 右側(cè)為例，線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一個(gè)微小的力剛好能帶動(dòng)變速器換擋軸轉(zhuǎn)動(dòng)的受力分析如圖5 和圖6 所示，左圖是受力分析，右圖是變速器輸出軸上的力矩分析。

圖5 回位彈簧頂端觸點(diǎn)在雞冠齒右側(cè)的受力分析

圖6 回位彈簧頂端觸點(diǎn)在雞冠齒左側(cè)的受力分析

在線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)變速器換擋軸運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)回位彈簧頂端觸點(diǎn)在雞冠齒谷底O 右側(cè)時(shí)，如圖5 所示，分析得出其力矩平衡方程：

式中：J為變速器輸出軸綜合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；w為變速器換擋輸出軸的角速度；Te為線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)變速器輸出軸的力矩；Ts為回位彈簧對(duì)其頂端觸點(diǎn)的壓力相對(duì)于變速器輸出軸的力矩；Tf為系統(tǒng)的摩擦阻力相對(duì)于變速器輸出軸的力矩。

在圖5 中，F(xiàn)e為對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)回位彈簧頂端觸點(diǎn)的等效驅(qū)動(dòng)力；Fs為回位彈簧對(duì)其頂端觸點(diǎn)的壓力；Ff為系統(tǒng)的摩擦阻力。

當(dāng)回位彈簧頂端觸點(diǎn)在雞冠齒谷底O 左側(cè)時(shí)，如圖6 所示，分析得出其力矩平衡方程：

1.5 自學(xué)習(xí)算法

根據(jù)上述力學(xué)特性分析，如果回位彈簧頂端觸點(diǎn)不在雞冠齒最低谷，自學(xué)習(xí)算法如下。

（1）線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一個(gè)逐步增大的力矩，順時(shí)針、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，一旦增大到某個(gè)力矩能沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)而另一個(gè)方向不能轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則力矩方程必為：

如圖5所示，回位彈簧頂端觸點(diǎn)應(yīng)沿A-O移動(dòng)?？紤]到Te、J很小，所以方程（5）可以近似為：

（2）線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)雞冠齒轉(zhuǎn)動(dòng)，回位彈簧頂端觸點(diǎn)越過最低谷O 后，繼續(xù)往上移動(dòng)，即圖6 中的A'方向移動(dòng)，此時(shí)的力矩方程為：

同理，考慮到Te、J很小，所以式（7）可以近似為：

（3）最終回位彈簧頂端觸點(diǎn)會(huì)停在圖6 中的A'處，達(dá)到力矩平衡，考慮到回位彈簧移動(dòng)的速度很低，且Ts對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力矩來說具有明顯的區(qū)分度，同時(shí)Ts在谷底兩側(cè)基本對(duì)稱，所以AO ＞OA'。

（4）重復(fù)上述（1）、（2）、（3），直至線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)用同樣的力矩沿順時(shí)針、逆時(shí)針都能剛好轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)的弧度相等，此時(shí)學(xué)習(xí)過程完成。整個(gè)學(xué)習(xí)過程，回位彈簧頂端觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。

圖7 自學(xué)習(xí)過程中回位彈簧頂端觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡

2 自學(xué)習(xí)算法仿真分析

基于上述自學(xué)習(xí)算法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型[7]，并模擬R、N、D 的初始安裝偏差（這里以最大3°的安裝偏差角進(jìn)行仿真），對(duì)最終R、N、D 自學(xué)習(xí)的收斂位置進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖8 ～10 所示。

圖8 R 擋偏差的仿真結(jié)果

圖9 N 擋偏差的仿真結(jié)果

圖10 D 擋偏差的仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，對(duì)線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化后，線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行4 個(gè)周期，回位彈簧頂端觸點(diǎn)即可進(jìn)入R、N、D 理論位置±0.05°的誤差帶區(qū)域。

3 軟件設(shè)計(jì)

本研究中，線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器的主控芯片采用NXP 的16 位單片機(jī)作為主控芯片，以CodeWarrior 為軟件開發(fā)工具，開發(fā)的線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)下線自學(xué)習(xí)算法程序的主體流程如圖11 所示。

圖11 自學(xué)習(xí)算法程序流程圖

4 臺(tái)架測(cè)試結(jié)果分析

變速器換擋軸本體部分如圖12 所示。為了對(duì)上述自學(xué)習(xí)算法進(jìn)行驗(yàn)證，搭建線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的臺(tái)架測(cè)試[8]方法描述如下。

（1）拆掉變速器輸出軸上的TCU，套入外置角度傳感器，并將外置角度傳感器固定在變速器的外殼上，保證變速器輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)傳感器的位置沒有影響。記錄換擋軸在R、N、D 擋位時(shí)外置角度傳感器的位置值，該值就是外置角度傳感器對(duì)應(yīng)變速器R、N、D 擋位位置的準(zhǔn)確值。

圖12 變速器換擋軸本體部分

（2）在變速器上安裝線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)至R、N、D，即外置角度傳感器值與（1）中記錄的值相等，并記錄對(duì)應(yīng)的線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部傳感器的角度值，該角度值就是線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)于變速器R、N、D 的準(zhǔn)確值。

（3）在準(zhǔn)確的R、N、D 擋位位置分別驅(qū)動(dòng)線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)至相應(yīng)的偏移角度，根據(jù)尺寸鏈公差計(jì)算，誤差的極限角度應(yīng)在3°以內(nèi)。

（4）以相應(yīng)的偏移位置為初始位置分別進(jìn)行自學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 自學(xué)習(xí)部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從上面的測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，在R、N、D 擋位位置最大偏移3°時(shí)，經(jīng)過自學(xué)習(xí)后，線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)都能得到非常準(zhǔn)確的目標(biāo)擋位位置值，學(xué)習(xí)的平均次數(shù)為4 次，每個(gè)擋位學(xué)習(xí)時(shí)間在4 s 以內(nèi)，如果在汽車下線時(shí)，設(shè)定R、N、D擋位位置全部學(xué)習(xí)，整個(gè)下線自學(xué)習(xí)的時(shí)間應(yīng)在12 s 以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)變速器換擋系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)了一種線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)下線自學(xué)習(xí)算法，精確地學(xué)習(xí)線控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)R、N、D 擋位的目標(biāo)位置，以避免由于制造、安裝等造成的變速器換擋擋位位置誤差過大，導(dǎo)致變速器內(nèi)部的油路沒有完全打開而影響變速器性能，甚至損壞變速器。通過臺(tái)架測(cè)試，該學(xué)習(xí)算法能夠非常精確地學(xué)習(xí)到變速器的R、N、D 擋位位置，且滿足汽車下線對(duì)學(xué)習(xí)時(shí)間的要求。