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）

為了使搭載自動變速器（Automatic Transmission，AT）的車型能實(shí)現(xiàn)全自動泊車功能，需要將傳統(tǒng)的通過搬動換擋桿帶動拉索拉動變速器換擋軸來實(shí)現(xiàn)P、R、N、D 的換擋方式，改為用電驅(qū)動直接驅(qū)動換擋軸的方式來實(shí)現(xiàn)換擋，該電驅(qū)動機(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變速器輸出軸的力矩，對線控?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。對于傳統(tǒng)的拉鎖式換擋方式，在拉鎖帶動變速器換擋輸出軸轉(zhuǎn)動到目標(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。

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，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變速器換擋軸轉(zhuǎn)動的受力分析如圖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)帶動變速器換擋軸運(yùn)動過程中，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)對變速器輸出軸的力矩；Ts為回位彈簧對其頂端觸點(diǎn)的壓力相對于變速器輸出軸的力矩；Tf為系統(tǒng)的摩擦阻力相對于變速器輸出軸的力矩。

在圖5 中，F(xiàn)e為對應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對回位彈簧頂端觸點(diǎn)的等效驅(qū)動力；Fs為回位彈簧對其頂端觸點(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，一旦增大到某個(gè)力矩能沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動而另一個(gè)方向不能轉(zhuǎn)動時(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。考慮到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)帶動雞冠齒轉(zhuǎn)動，回位彈簧頂端觸點(diǎn)越過最低谷O 后，繼續(xù)往上移動，即圖6 中的A'方向移動，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)會停在圖6 中的A'處，達(dá)到力矩平衡，考慮到回位彈簧移動的速度很低，且Ts對執(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，且轉(zhuǎn)動的弧度相等，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 臺架測試結(jié)果分析

變速器換擋軸本體部分如圖12 所示。為了對上述自學(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)的臺架測試[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)動對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。通過臺架測試，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，且滿足汽車下線對學(xué)習(xí)時(shí)間的要求。