王 毅,魯力群,孫 萌,倪慧亭,尹永芳
(山東理工大學(xué) 交通與車(chē)輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255049)
目前,CAN(controller area network)總線技術(shù)已從汽車(chē)領(lǐng)域擴(kuò)展到農(nóng)機(jī)領(lǐng)域,在國(guó)外,CAN總線技術(shù)已廣泛應(yīng)用于拖拉機(jī)整車(chē)通信,技術(shù)較為成熟。而我國(guó)拖拉機(jī)目前還沒(méi)有采用CAN總線通信技術(shù),中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等研究單位對(duì)拖拉機(jī)CAN總線協(xié)議的應(yīng)用層進(jìn)行了相關(guān)理論研究,但對(duì)于網(wǎng)絡(luò)分布式控制及網(wǎng)絡(luò)管理等方面研究還較為缺乏,基于CAN總線的拖拉機(jī)控制系統(tǒng)還沒(méi)有形成市場(chǎng)化產(chǎn)品[1-4]。
CAN總線控制系統(tǒng)有2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):集散式控制和分布式控制。目前,總線控制的拖拉機(jī)普遍采用整車(chē)控制器(vehicle control unit,VCU)對(duì)各個(gè)控制對(duì)象進(jìn)行集散式控制,以集中的監(jiān)視和操作達(dá)到掌握全局的目的;在分布式控制系統(tǒng)中,多個(gè)智能節(jié)點(diǎn)連接到CAN總線上,實(shí)現(xiàn)各控制系統(tǒng)的信息共享。變速器控制單元(transmission control unit,TCU)是CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的重要節(jié)點(diǎn),對(duì)TCU智能節(jié)點(diǎn)的研究可以提高和改善動(dòng)力換擋拖拉機(jī)控制系統(tǒng)的特性,因此,開(kāi)展對(duì)拖拉機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)和TCU智能節(jié)點(diǎn)的研究,對(duì)提高動(dòng)力換擋拖拉機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。設(shè)計(jì)了整車(chē)雙CAN通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),針對(duì)動(dòng)力換擋變速器智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了電路和輸入信號(hào)設(shè)計(jì),并對(duì)其電液系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析和研究。
美國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)(SAE)將車(chē)內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)分為4種類(lèi)型:A類(lèi)適合低速環(huán)境(<10 kbps),用于提高方便性的應(yīng)用,如車(chē)窗、車(chē)門(mén)、車(chē)燈等設(shè)備的控制;B類(lèi)適合中速環(huán)境(10~25 kbps),用于一般信息傳遞,如車(chē)內(nèi)空調(diào)和加熱單元控制;C類(lèi)適合高速環(huán)境(125 kbps~1 Mbps),用于實(shí)時(shí)控制,如動(dòng)力系統(tǒng)控制;D類(lèi)適合速度大于1 Mbps的環(huán)境,用于多媒體應(yīng)用和X-by-wire應(yīng)用等[5]。電控單元之間的通信可以根據(jù)通信帶寬和通信速度的要求選擇不同的通信網(wǎng)絡(luò),低速CAN總線和高速CAN總線分別屬于B類(lèi)和C類(lèi)總線,在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,總線控制技術(shù)同樣適用于拖拉機(jī)等農(nóng)機(jī),New Holland、Ford等公司已有成熟的產(chǎn)品[6]。
本文設(shè)計(jì)了一種雙CAN總線網(wǎng)絡(luò),采用了并列式和層次式并存的混合通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7-8](圖1),低速CAN總線可靠性高,網(wǎng)絡(luò)速度要求低,用于連接燈光、儀表、遠(yuǎn)程控制模塊和精準(zhǔn)作業(yè)控制模塊等節(jié)點(diǎn);高速CAN總線連接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電液提升系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等;2條CAN總線通過(guò)VCU(網(wǎng)關(guān))實(shí)現(xiàn)整車(chē)資源共享并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。VCU是整車(chē)管理系統(tǒng)的核心,對(duì)各種信息進(jìn)行分析處理并發(fā)出指令,協(xié)調(diào)拖拉機(jī)各控制單元及電氣設(shè)備的工作。雙CAN總線網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)信息的分層控制,降低總線沖突,協(xié)調(diào)通信配置,解決拖拉機(jī)因線束繁多造成的電氣復(fù)雜和檢修困難等問(wèn)題[9-11]。
圖1 拖拉機(jī)整車(chē)雙CAN通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖
拖拉機(jī)整車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)是由許多分布在高速、低速總線上的CAN智能節(jié)點(diǎn)組成,網(wǎng)關(guān)連接2條總線形成一個(gè)局域網(wǎng)。圖2是VCU與高速CAN總線和低速CAN總線的連接示意圖,整車(chē)控制器作為網(wǎng)關(guān),處理來(lái)自其他智能節(jié)點(diǎn)的信息并發(fā)出控制信號(hào),通常由MCU、CAN控制器和CAN收發(fā)器(驅(qū)動(dòng)器)、光電隔離電路等組成。
CAN智能節(jié)點(diǎn)MCU選擇Freescale的MC9S08DZ60芯片,收發(fā)器采用TJA1040,MC9S08DZ60芯片包括集成的CAN控制器、SCI、SPI和TPMx等接口,CAN智能節(jié)點(diǎn)電路原理圖如圖3所示。
圖2 整車(chē)控制器VCU與總線連接示意圖
圖3 CAN智能節(jié)點(diǎn)電路原理圖
CAN智能節(jié)點(diǎn)電路主要由3部分組成,帶CAN控制模塊的MC9S08DZ60控制芯片、2個(gè)6N137光電隔離電路和2個(gè)CAN收發(fā)器芯片TJA1040,MC9S08DZ60主要負(fù)責(zé)內(nèi)部CAN控制模塊的初始化,CAN報(bào)文的產(chǎn)生、傳輸及報(bào)錯(cuò)等;CAN控制器和CAN收發(fā)器之間增加由6N137構(gòu)成的光電隔離電路,提高系統(tǒng)的抗干擾能力;TJA1040收發(fā)器作為CAN控制模塊與CAN總線之間的中繼單元,可以驅(qū)動(dòng)CAN總線,使報(bào)文在總線上傳輸,采用2個(gè)TJA1040驅(qū)動(dòng)器,可以增強(qiáng)總線容錯(cuò)能力[12],一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以接受2條總線上傳來(lái)的不同信息,同時(shí)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送到2條總線,實(shí)現(xiàn)信息傳輸備份,從而保證任何一條總線出故障時(shí)仍能正常通信。
換擋電磁閥(電液比例換向閥)是離合器調(diào)壓系統(tǒng)中的核心元件,通過(guò)調(diào)節(jié)控制輸入的PWM信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的連續(xù)調(diào)節(jié),控制離合器的接合與分離,實(shí)現(xiàn)對(duì)油壓的連續(xù)控制,其結(jié)構(gòu)如圖4所示,調(diào)節(jié)螺釘決定了預(yù)設(shè)壓力,線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng),吸引銜鐵靠近,球閥左移,壓力油向離合器油路充油,電流大小決定了磁場(chǎng)的強(qiáng)弱,決定了進(jìn)油口打開(kāi)的程度。
1.調(diào)節(jié)螺釘; 2.調(diào)整彈簧; 3.閥套; 4.線圈; 5.銜鐵; 6.閥體; 7.閥擋板; 8.閥芯; 9.進(jìn)油球閥
拖拉機(jī)動(dòng)力換擋變速器電液控制技術(shù)的核心是利用適當(dāng)?shù)拈y來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)油壓的精準(zhǔn)控制,上層是控制策略。圖5為動(dòng)力換擋變速器電液控制系統(tǒng)原理圖,動(dòng)力換擋電磁閥采用電液比例換向閥,接同一壓力源P1,合適的控制策略以及調(diào)速閥和蓄能器的合理設(shè)置,可以形成合適的換擋點(diǎn),以減小液壓沖擊和防止動(dòng)力中斷。
圖5 動(dòng)力換擋變速器電液控制系統(tǒng)原理圖
輸入信號(hào)的形式?jīng)Q定了換擋離合器的油壓特性,圖6所示為理想的換擋離合器油壓特性曲線,以L擋換M擋為例,在t0時(shí)刻發(fā)出換擋信號(hào)時(shí),離合器電磁閥迅速打開(kāi)到一定程度,在t1時(shí)刻達(dá)到壓力pcp,此壓力可推動(dòng)活塞開(kāi)始接觸摩擦片,壓力繼續(xù)增加,接合離合器開(kāi)始傳遞轉(zhuǎn)矩,分離離合器由接合處于滑磨階段,t2時(shí)刻,分離離合器完全分離,接合離合器油壓繼續(xù)升高至pcf,達(dá)到系統(tǒng)壓力pms。
圖6 換擋離合器油壓特性曲線
根據(jù)理想的換擋離合器油壓接合特性建立了換擋電磁閥分段函數(shù)輸入信號(hào)(圖7),把離合器油缸活塞位移作為反饋信號(hào),建立閉環(huán)控制系統(tǒng),然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。
圖7 換擋電磁閥輸入信號(hào)曲線
變速器控制系統(tǒng)TCU會(huì)根據(jù)輸入信號(hào)(車(chē)速、牽引力、滑移率等)按一定的控制策略確定合適的換擋時(shí)刻,控制策略有傳統(tǒng)控制和現(xiàn)代智能控制,現(xiàn)代智能控制又包括模糊換擋控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)換擋控制、專(zhuān)家系統(tǒng)等。
AMESim(advanced modeling environment for simulation of engineering system)是一個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域仿真平臺(tái),可進(jìn)行機(jī)電液復(fù)雜控制系統(tǒng)的仿真分析[13-14]。根據(jù)動(dòng)力換擋變速器電液控制原理圖,在AMESim中建立其模型(圖8),包括4組動(dòng)力換擋電磁閥和濕式離合器,此模型檢驗(yàn)換擋電磁閥開(kāi)關(guān)特性、濕式離合器的響應(yīng)特性和換擋過(guò)程壓力響應(yīng)特性。
圖8 動(dòng)力換擋變速器電液控制AMESim模型示意圖
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)離合器柔順換擋,穩(wěn)定進(jìn)入離合器的流量,在換擋電磁閥與離合器油缸之間增加調(diào)速閥,以其中的一組離合器為例,建立了AMESim模型(圖9),2個(gè)模型在仿真時(shí)假設(shè)液壓油為理想油液,不考慮管道阻力和液壓缸的死區(qū)特性,并忽略系統(tǒng)泄漏和發(fā)熱[15]。
圖9 動(dòng)力換擋濕式離合器AMESim模型示意圖
評(píng)價(jià)換擋品質(zhì)的指標(biāo)通常有液壓沖擊度、滑磨功、輸出軸轉(zhuǎn)矩等,良好的換擋品質(zhì)要求換擋迅速、平穩(wěn)、無(wú)沖擊,且對(duì)動(dòng)力傳遞影響小,盡量使動(dòng)力不中斷[16]。沖擊度表示車(chē)輛縱向加速度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù),其大小主要受離合器油缸內(nèi)油壓變化曲線的影響,離合器摩擦片之間的總間隙為5~8 mm[17],活塞推動(dòng)離合器片移動(dòng),因此,活塞行程的變化能反映離合器接合和分離過(guò)程。
已有大量文獻(xiàn)對(duì)換擋過(guò)程的影響因素進(jìn)行了分析和仿真,如系統(tǒng)主油壓、電磁力、節(jié)流孔直徑、閥芯質(zhì)量等因素對(duì)離合器油壓特性的影響,得出了各參數(shù)最佳數(shù)值范圍,對(duì)提高換擋品質(zhì)有很大的幫助[19-22]。本文不考慮調(diào)速閥、離合器等部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化,研究換擋重疊時(shí)間對(duì)換擋離合器液壓沖擊的影響。
對(duì)系統(tǒng)模型仿真了一次換擋過(guò)程,對(duì)離合器油缸活塞位移進(jìn)行考察,仿真結(jié)果如圖10(a),其中實(shí)線表示離合器1油缸活塞的位移,虛線表示離合器2 油缸活塞的位移,在0.3 s時(shí)收到換擋信號(hào),活塞在壓力油的作用下開(kāi)始發(fā)出動(dòng)作,換擋電磁閥在0.4 s時(shí)開(kāi)始泄油,即離合器2開(kāi)始分離,泄油時(shí)間持續(xù)1.0 s,而離合器1在2.0 s時(shí)完全結(jié)合,因此,換擋重疊時(shí)間為1.0 s。
液壓沖擊即換擋過(guò)程引起的系統(tǒng)壓力波動(dòng),可以將離合器1和2的壓力疊加視為系統(tǒng)壓力波動(dòng),將重疊時(shí)間設(shè)為0.3 s,分別仿真0.3、0.4、0.5 s開(kāi)始泄壓的壓力沖擊,用AMEplot加載每次仿真的液壓沖擊曲線(圖10(b)),離合器2油缸在0.3 s開(kāi)始泄壓,液壓沖擊達(dá)2.48 MPa,離合器2油缸在0.5 s開(kāi)始泄壓,液壓沖擊降到1.09 MPa,此情況下,車(chē)輛動(dòng)力不會(huì)中斷,但有一定的降低,而在0.4 s開(kāi)始泄壓,壓力波動(dòng)為0.63 MPa,既沒(méi)有過(guò)大的壓力沖擊,又不會(huì)影響車(chē)輛的動(dòng)力性能。
上一步的仿真確定了離合器2油缸的最佳泄壓時(shí)刻為0.4 s,進(jìn)一步考察換擋重疊時(shí)間不同產(chǎn)生的液壓沖擊。仿真了離合器2油缸在0.4 s開(kāi)始泄壓,泄壓時(shí)間為0.2、0.3、0.4和0.5 s的液壓沖擊情況(圖10(c)),換擋重疊時(shí)間為0.4 s時(shí),壓力波動(dòng)最小為0.48 MPa。通過(guò)以上仿真得出,系統(tǒng)的換擋過(guò)程離合器2油缸在0.4 s開(kāi)始泄壓,泄壓時(shí)間持續(xù)0.4 s,系統(tǒng)的壓力沖擊達(dá)到最小。
圖10 換擋過(guò)程仿真分析曲線
1) 文中設(shè)計(jì)的雙CAN總線的優(yōu)勢(shì)在于:可以實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)信息的分層控制、降低總線沖突、實(shí)現(xiàn)總線容錯(cuò)能力等,是未來(lái)拖拉機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向之一。
2) 硬件電路特點(diǎn)是在CAN控制器和CAN收發(fā)器之間增加由6N137構(gòu)成的光電隔離電路,減少電磁干擾,采用2個(gè)TJA1040驅(qū)動(dòng)器可以增強(qiáng)總線容錯(cuò)能力,一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以接受2條總線傳來(lái)的不同信息,同時(shí)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送到2條總線,實(shí)現(xiàn)信息備份,從而保證任何一條總線出現(xiàn)故障時(shí)仍能正常通信。
3) 設(shè)計(jì)了換擋電磁閥輸入信號(hào),仿真表明:離合器油壓特性曲線接近理想狀況。對(duì)換擋重疊時(shí)間進(jìn)行仿真,結(jié)果顯示離合器泄油時(shí)刻為0.4 s且換擋重疊時(shí)間為0.4 s時(shí),系統(tǒng)受到的液壓沖擊最小為0.48 MPa,對(duì)車(chē)輛動(dòng)力性能影響很小。
仿真結(jié)果可以為拖拉機(jī)智能換擋控制策略的建立提供參考,不足之處在于只從液壓沖擊對(duì)換擋品質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià),由于離合器接合過(guò)程存在滑磨損失,產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致摩擦片溫度升高、表面磨損等問(wèn)題,進(jìn)一步的換擋品質(zhì)研究可以采用離合器摩擦片滑磨功及溫度等影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)。