拉线操纵式离合器电子线控系统设计本科毕业论文.doc
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1、 本科学生毕业设计拉线操纵式离合器电子线控系统设计院系名称: 汽车与交通工程学院 专业班级: 车辆工程B07-2班 学生姓名: 李程 指导教师: 崔宏耀 职 称: 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院二一一年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Electronic Clutch Control System of Automotive EnginesCandidate:Li ChengSpecialty:Vehicles EngineeringClass:B07-2Supervisor:Associate Professor
2、 Cui HongyaoHeilongjiang Institute of TechnologyJune 2011Harbin摘 要随着汽车电子技术、自动控制技术的逐步成熟和汽车网络通信技术的广泛应用,汽车线控技术也逐步得到青睐和深入研究是汽车未来的发展趋势。汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器变成电信号,通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。目前包括线控换档系统、线控制动系统、线控悬架系统、线控增压系统、线控油门系统及线控转向系统。其中线控转向系统在高级轿车、跑车及概念车上有广泛的应用,它为自动驾驶提供了良好的平台。汽车离合器操纵形式有液压和拉线式两种。其中拉线式布置方便,摩擦损失大
3、机械式受车架、车身变形影响大,两种机械式操纵机构的比较杆系传动优点:结构简单;成本低;寿命长;可靠性高;缺点:关节点多,摩擦损失大,不适合远距离操纵,受车身或车架的变形影响。拉线传动优点:结构简单;成本低;克服了杆系传动的不适合远距离操纵,受车身或车架的变形影响缺点;可采用吊挂式的踏板;缺点:寿命短,拉伸刚度小;拉伸变形导致增加踏板行程。本设计针对拉线操纵式离合器设计线控操纵系统,可与原系统的功能进行切换工作。关键词:线控离合器;H桥;PWM控制;控制策略;传感器 I黑龙江工程学院本科生毕业设计黑龙江工程学院本科生毕业设计ABSTRACTAs automobile electronic tec
4、hnology , Automatic control technology gradually mature and car network communications technology is widely used , Automotive wire control technology is also gradually gain favour is car further research and the future trend of development. Automotive wire control technology is the driver through se
5、nsor into electrical signal manipulation of action, Through the cable directly transmission to the actuator a system. Currently include wire control shift system, line control servo system, line control suspension system, Wire control the pressurization system, line oil-control door system and wire
6、control steering system. Including wire control steering system in limousines, sports car And concept car, it is widely used for automated driving to provide a good platform. Clutch manipulations hydraulic and farrowed type two kinds. Including farrowed type decorates convenient, Friction loss is bi
7、g, By frame, body spurt type deformation great influence, Two kinds of mechanical control mechanisms of comparative bar transmission advantages: simple structure; Cost is low; Long life. High reliability; Faults: jointing, friction loss more big, do not suitable for long-distance manipulation, The b
8、ody or frame by deformation. Farrowed transmission advantages: simple structure; Cost is low; Overcome the rod is not suitable for long-distance manipulation of transmission of, The body or frame by deformation faults. Can use hanging pedal; Faults: short life, stretching stiffness is small; Tensile
9、 deformation to lead to a rise in pedal stroke. This design for farrowed manipulate type clutch design control systems, can wire with the original system function shifts. Keywords: wire control clutch; H bridge; PWM control; Control strategies; sensor 33目 录摘要IAbstract第1章 绪论11.1 选题的目的和意义11.2 线控技术现状分析
10、71.3 线控技术发展前景21.4 研究内容和需解决的主要问题3第2章 线控离合器系统42.1线控离合器控制系统42.2线控离合器控制系统结构42.2.1 机械式离合器结构、原理42.2.2 线控离合器结构、原理52.3 线控离合器系统存在主要问题72.3.1 线控离合器的优点72.3.2 系统存在的主要问题82.4 本章小结8第3章 线控离合器数学模型和控制策略103.1 系统建模103.1.1 线控离合器机构103.1.2 工作过程分析103.1.3 齿轮传动及齿隙影响103.2 控制策略分析113.3 本章小结12第4章 控制系统硬件设计134.1 控制系统结构134.2 控制系统电路设
11、计144.2.1 单片机的选择144.2.2 飞思卡尔单片机的简介及优点154.2.3 信号处理电路设计174.3 驱动电路设计184.3.1 H桥驱动电路184.3.2 PWM模块及工作原理204.3.3 使能控制和方向逻辑224.4 直流电机控制原理234.4.1直流电机控制原理234.4.2 直流电机的可逆 PWM控制电路244.4.3 PID控制原理254.5 本章小结27第5章 控制系统软件设计295.1 软件系统总体分析295.2 控制功能软件设计305.2.1 功能子程序设计305.2.2 控制功能程序编写315.3 本章小结35结论36参考文献37致谢38附录39附录 A139
12、附录 A243第1章 绪 论1.1 选题的目的和意义 目的:随着汽车电子技术、自动控制技术的逐步成熟和汽车网络通信技术的广泛应用,汽车线控技术也逐步得到青睐和深入研究是汽车未来的发展趋势。汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器变成电信号,通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。目前包括线控换档系统、线控制动系统、线控悬架系统、线控增压系统、线控油门系统及线控转向系统。其中线控转向系统在高级轿车、跑车及概念车上有广泛的应用,它为自动驾驶提供了良好的平台。 汽车离合器操纵形式有液压和拉线式两种。其中拉线式:布置方便,摩擦损失大机械式受车架、车身变形影响大两种机械式操纵机构的比较杆系传动:优点:
13、结构简单;成本低;寿命长;可靠性高;缺点:关节点多,摩擦损失大,不适合远距离操纵,受车身或车架的变形影响。拉线传动:优点:结构简单;成本低;克服了杆系传动的不适合远距离操纵,受车身或车架的变形影响缺点;可采用吊挂式的踏板;缺点:绳索的寿命短,拉伸刚度小;拉伸变形导致增加踏板行程。本设计针对拉线操纵式离合器设计线控操纵系统,可与原系统的功能进行切换工作。意义:由于操纵控制通过驾驶员的手完成,不需要转向盘、转向柱和脚踏板,这样就减少了正面碰撞时的潜在危险性,改善了汽车的安全性和舒适性,并为汽车设计提供了更大的设计空间,便于实现个性化设计。由于驾驶特性如制动、转向、加速等过程都是程序设定的,设计师可
14、设计不同的程序供用户选择。同时汽车比质量变轻,性能高(响应快)。线控系统取消了许多机械连接装置、液压装置和气压装置,简化了结构和生产工艺并简化维护工作,可能磨损的部件更少了,维护用品也可大大减小,减少维护费用。若使用线控制动无需制动液,使汽车更为环保,减少维护。汽车的车内娱乐装置也集成到网络之中,使得汽车导航和自动驾驶成为可能,整个汽车就是一个完整的电路整体。安装测试简单快捷,更稳固的电子接口(模块结构),隔板间无机械连接,简单布置就能增加电子控制功能。线控技术将会给汽车产业的发展带来了划时代的飞跃。 当然,目前线控技术还有很多的不足,如电子设备还相当的不可靠电磁干扰、器件失效、软件程序的设计
15、、网络攻击等等。一旦电路失效而没有机械冗余就会导致灾难性的后果转向失灵、油门难以控制和不能制动!所以线控技术研究的重点应该是系统的可靠性和安全性。1.2 线控技术现状分析目前,线控技术已经被广泛用于航空业,用线控制系统来取代传统的液压和机械系统已经成为技术发展的趋势,采用线控技术的制动系统、转向系统、传动系统有望在未来汽车上率先获得应用,不久的将来线控离合器也将会出现在汽车上。国外GM、KOYO、TRW、BENZ等公司已运用线控技术开发了概念车。汽车的各种操纵系统正向电子化、自动化方向发展,在未来十年内,传统的汽车机械操纵系统将变成通过高速容错通信总线与高性能CPU相连的电气系统。如汽车将采用
16、电气马达和电控信号来实现线控驾驶(steerbywire)、如线控制动(brake by-wire)、线控转向(steer by-wire)、线控油门(throttle by-wire)、线控悬架(suspension by-wire),线控离合器等正在加紧研究开发。当线控这一目标实现时,汽车将是一种完全的高新技术产品,发动机、变速器、传动轴、驱动桥、转向机全都不见了,线控系统将完全取代现有系统中的液压和机械控制,汽车可以说是一台装在轮子上的计算机。1.3 线控技术发展前景 在国内,除了同济大学研究完成的线控转向系统外,由北京理工大学完成的“一种电动车辆动力系统关键技术产品及其应用”获得了20
17、04年度国家技术发明奖。其中的一项技术就是利用线控同步换档和行星传动技术,取消了主离合器,简化了换档机构,研制了一种结构简单、性能匹配优良的线控行星变速器。国内的一些高校也正在进行线控技术的研究。 线控技术研究的难点在于高性能控制器的研制,要求在整个系统中有精确高速的通讯协议网络,使控制中心和执行器之间能完全协调、匹配工作;而且需要高效的容错技术,使得系统出现故障时能够保障一定的安全,即系统有好的可靠性。 目前线控技术在汽车中的应用还不成熟。但随着汽车各系统的电子化、集成化的发展需要,线控技术发展迅速,作为一种汽车高新电子技术,线控技术必将得到广泛的应用。但电子化不可能完全取代机械化,机械系统
18、的损坏通常都是有过程的,而线控制系统的失效是瞬间的。如果线控制系统失效那一刻汽车的速度行驶过高,造成的后果就可能非常严重。电子控制要完全取代机械操作还需要时间。1.4 研究内容和解决的主要问题本设计需对离合器的分离过程和分离力进行研究、计算,对分离和接合的过程进行分析,建立相应的力学模型,从而确定PWM脉冲输出的频率和电机输出的转矩。还有需要有正确的程序,来控制电机的转动。还需设计传动机构、传动比、齿轮支架和传感器支架等。同时,需保证此机构动作的响应性要足够快,而且动作不能有缓冲,最后就是把各机械部件可靠连接保证工作的可靠性,最重要的是需要写出正确的程序来驱动整个装置,并可以实际应用。 线控技
19、术研究的难点在于高性能控制器的研制,要求在整个系统中有精确高速的通讯协议网络,使控制中心和执行器之间能完全协调、匹配工作;而且需要高效的容错技术,使得系统出现故障时能够保障一定的安全,即系统有好的可靠性。目前线控技术在汽车中的应用还不成熟。但随着汽车各系统的电子化、集成化的发展需要,线控技术发展迅速,作为一种汽车高新电子技术,线控技术必将得到广泛的应用。但电子化不可能完全取代机械化,机械系统的损坏通常都是有过程的,而线控制系统的失效是瞬间的。如果线控制系统失效那一刻汽车的速度行驶过高,造成的后果就可能非常严重。电子控制要完全取代机械操作还需要时间。 第 2 章 线控离合器系统2.1 线控离合器
20、控制系统随着汽车电子技术的日益发展和对汽车性能要求的提高,越来越多的电子设备出现在汽车上,上世纪80年代中后期,出现了第一台电子节气门汽车,应用在德国宝马公司生产的BMW750iL顶级轿车上。今天人们开始热切关注又一个新兴技术线控离合。由于线控离合控制系统的技术和成本要求都比较传统机械式高的原因,现在在量产车上还没有实现,只是在一些概念车上得以展示,或一些电动概念车上才应用到线控离合器技术。如在通用可驾驶燃料电池汽车上的应用就获得了成功。线控汽车一改传统机械连杆的传动方式,采用电子信号来操纵油门、制动,离合器和转向机构。取消了传统的转向盘、油门、离合器踏板、制动踏板,所有的操作都集中在一个手柄
21、上,驾驶员可以用一只手完成所有的操作。当驾驶员要加速或减速时,可以向左或者向右推动手柄;制动按钮也安装在这个手柄上,要制动时按一下制动按钮;当转弯时,驾驶员只需向上或者向下推动手柄。线控离合技术非常相似于线控节气门,线控转向等技术,现如今线控节气门几乎已经完全取代了传统的拉线式节气门,这也是大势所趋。电动助力转向也越来越广泛地应用到汽车上。在这些技术都已日趋完善的同时,目前国外各大汽车生产厂商和零部件生产商都开始着手从事线控离合器技术的开发研究,其中美国通用和韩国EZ公司在该研究上处于领先地位,其产品已经开始市场化、系列化。现代科技的不断发展,线控离合器可实现的功能会越来越强大,如根据发动机负
22、荷情况来自动选择切开与分离的速度,若是高性能赛车,可提高其加速性能,可以满足不同工况下发动机的控制要求。我相信线控离合器装置在不久的将来会成为汽车上一个不可或缺的电子控制系统。2.2 线控离合器控制系统结构2.2.1 机械离合器结构,原理如图2.1所示,摩擦离合器一般是有主动部分、从动部分组成、压紧机构和操纵机构四部分组成。离合器在接合状态时,发动机扭矩自曲轴传出,通过飞轮2和压盘借摩擦作用传给从动盘3,在通过从动轴传给变速器。当驾驶员踩下踏板时,通过拉杆活拉线带动分离叉、分离套筒和分离轴承8,将分离杠杆的内端推向右方,由于分离杠杆的中间是以离合器盖5上的支柱为支点,而外端与压盘连接,所以能克
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