， *， 赵浩声， 王思婧， 赵名卓， 于 博

(东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

研究与设计

气动自动变速器模拟换档装置

张文夫，吕文超*， 赵浩声， 王思婧， 赵名卓， 于 博

(东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

基于STC89C52单片机的编程控制，模拟自动变速器转速传感器发出的脉冲信号并进行采集，转化成数字信号后在LCD显示屏上呈现出自动变速器的输入、输出转速，当达到相应的设定转速时单片机模拟驱动电磁阀执行自动换档。自动变速器结构复杂，无法生动地给学生演示其换档过程。通过模拟自动变速器的换档过程，可方便学生对自动变速器换档原理的理解。

单片机；自动变速器；换档控制；脉冲信号

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

变速器可以改变转速比和传动转矩比，其与发动机的良好配合，可使汽车具有更好的动力性能和经济性能[1]。

自动变速器结构复杂，在其自动换档控制过程的课堂与实践教学中，常常需要通过解剖教具来辅助教学。

本文设计了一款模拟自动变速器换档控制的装置，以辅助解剖教具进行生动的课堂演示及实验原理展示。该装置以单片机为核心，通过模拟自动变速器的自动换档过程来满足教学的需要。

1 气动自动变速器模拟换档控制

1.1现状分析

自动变速器在A级、B级乘用车上得到了广泛的应用，各大高校也开展了自动变速器的理论教学与研究，通过购买自动变速器实物解剖台架，将其外壳割开，根据不同的结构和作用分别喷涂不同的颜色，以看清内部复杂部件的相对安装位置，从而进行实践教学[2]。但这种试验台无法进行实际操作和动力传递的动态演示。

1.2 电控自动变速器原理简介

电控液力自动变速器的换档原理如下：采集发动机转速、行驶车速及油门踏板位置等数据并传输到中央处理器(ECU)，经分析计算后向各执行元件发出动作指令，通过启闭各种电磁阀开关和电磁阀操纵液力控制系统调整或改变各离合器与制动器的分离或接合，从而实现自动换档。

1.3 模拟演示装置原理解析

通过中央处理器(ECU)接收来自自动变速器转速传感器发来的脉冲信号，并在单片机内部进行逻辑转换，在LCD显示屏上以转速的形式显示出来。当达到设定的转速值时，ECU执行换档控制程序，通过控制通断电来控制电磁阀的通断，执行换档。

电磁阀的通断电显示由LED灯取代，通过LED灯的亮或灭，能够更加直观地表现出电磁阀的通与断。

基于自动变速器换档原理，以单片机为核心，通过程序模拟信号接收与控制，制成电路板，从原理上生动形象地模拟自动变速器的换档控制原理，具有较高的教学演示价值，实用性强。

2 模拟自动变速器转速的显示

2.1霍尔式转速传感器的工作原理

自动变速器的输入轴与输出轴附近各有一个转速传感器，控制系统通过传感器发出的脉冲信号来识别其当前的转速。本文主要对装载霍尔式转速传感器的自动变速器进行模拟研究。

在霍尔式转速传感器半导体薄片的两头施加电流，在薄片的垂直方向上施加磁场强度为B的磁场，磁场强度B随着转速的变化产生霍尔电磁脉冲[3]。

2.2 自动变速器转速的测量

当输出轴转过传感器时，传感器输出一个电磁脉冲信号，定时器每隔一段时间发出中断请求，STC89C52单片机响应中断后计算出在这段时间内所接收到的脉冲数，其将反映车轮旋转的快慢，通过一定时间内接收到的脉冲数便能推算出车轮转速[4]。

2.3 输入与输出轴转速的显示

自动变速器有两个转速传感器，根据所在位置的不同可分为输入轴转速传感器和输出轴转速传感器，在LCD显示屏上可显示输入轴与输出轴两个转速。

通过编写两个定时器与计数器的运行程序并输入到STC89C52单片机中，可分别测出其输入轴转速和输出轴转速，再通过编写显示位置函数来使LCD显示屏显示出测到的输入轴或输出轴转速。

2.4 模拟转速传感器发出的脉冲

通过手动拨动单片机GND端，自发产生一个时刻变化的脉冲信号作为中央处理器(ECU)接收到的脉冲信号，通过模拟自动变速器转速传感器发出脉冲的过程，简化其结构，更加符合教学的方便性与经济性要求。

3 模拟自动变速器执行换档

3.1电磁阀原理

电磁阀内部有体积一定的容室，在一些位置设有开孔，每个孔连接不同的管道。通电时电磁线圈产生电磁力，将关闭阀件从管道排出口提起来，使管道连通；断电时电磁力消失，弹簧再将封闭阀件压到管道排出口，使管道闭合。

3.2 气动换档原理

本文采用气动换档取代原有的自动变速器液压换档，以简化结构，方便教学。二位二通电磁阀的两个孔分别连接气动装置和自动变速器阀体，气动装置所产生的气压能使自动变速器正常运行，控制不同的离合器、制动器工作。

自动变速器的控制系统即STC89C52单片机接收到各个传感器传来的信号，通过接收、处理、逻辑运算后发出信号控制二位二通电磁阀的通与断，从而实现自动换档。

3.3 模拟电磁阀运行状态

本文通过LED灯的亮和暗来模拟二位二通电磁阀的开与关。LED灯亮，说明二位二通电磁阀通电，即管路接通，使带压气体进入管路控制相应的离合器及制动器；LED灯暗，说明二位二通电磁阀断电，即管道关闭。通过LED灯来模拟电磁阀的运行状态，可简化自动变速器换档结构，方便教学。

本文以双行星排辛普森式4档行星齿轮变速器为模拟对象，该变速器采用2个单向超越离合器、4个离合器和2个制动器，装配成具有四个前进档和一个倒档的4档行星齿轮变速器，因此采用8个LED灯分别取代这8个装置[5-6]。

3.4 执行换档程序

STC89C52单片机接收到传感器传来的模拟脉冲信号，在LCD显示屏上显示出此时自动变速器的输入、输出轴转速。当输出轴转速达到设定值时通过控制LED灯的亮暗来模拟电磁阀的通断，从而控制自动变速器中的离合器、制动器工作，执行换档程序。

通过不同换档执行元件的接合、制动或锁止，可使自动变速器达到自动换档的目的，不同LED灯的亮暗组合所产生的档位数也不同，见表1。

表1 自动变速器换档执行元件工作规律

操纵手柄位置档位换档执行元件C1C2C3C4B1B2F1F2D1档○○○2档○○○3档○○●○超速档○●○R倒档○○S,L或2,11档●○○2档●○○3档○●○

注：○为接合、制动或锁止；●为接合或制动，但不传递动力

4 STC89C52单片机控制系统分析与设计

单片机控制装置电路图如图1所示。

图1 单片机控制装置电路图

(1)LCD显示屏电路设计：P0外接上拉电阻，并连接LCD数据端；P2^5连接LCD显示屏的命令/数据选择端；P2^6连接LCD显示屏的读/写选择端；P2^7连接LCD显示屏的使能端。

(2)LED灯电路设计：P1连接LED灯。

(3)外部电路设计：P3^2连接自动变速器输出轴转速传感器；P3^3连接自动变速器输入轴转速传感器。

(4)复位电路设计：单片机复位电路的作用是单片机上电时程序重新执行。单片机工作时，由于某些原因造成寄存器中数据混乱不能使其正常执行程序，或产生结果不准确时均需要复位，以使程序重新开始执行。

(5)测速原理：在单片机控制程序中，其内部包含两个定时器，两个外部中断。外部中断靠脉冲信号的下降沿触发，定时器设定一段时间，每隔这段时间即检测一次外部中断触发次数，并计算得到转速，然后将次数清零。

(6)显示与换档：通过LCD1602的时序，将转速显示到LCD显示屏上，通过显示到LCD显示屏上的转速判断出不同的档位，当到达设定的档位时即可通过控制LED灯的亮暗来模拟换档控制。

5 小结

设计了一种模拟自动变速器换档控制装置，通过编程将写好的程序烧录到单片机中，通过对电路图的绘制及元器件的焊接，将模拟自动变速器换档控制装置制作出来。演示结果表明，设计的装置具有结构简单、加工工艺性好、成本低等特点，能够满足日常教学演示和分析的需要。

[1] 邓定瀛.自动变速器原理与应用[M].重庆：重庆大学出版社，2002.

[2] 张亚军，赵亮.汽车自动变速器原理与维修课程的教学改革实践[J].机械职业教育，2011(2).

[3] 范栋梁.浅析霍尔传感器在直线步进电机中的应用[J].现代制造技术与装备，2013(1).

[4] 宋年秀，刘超.汽车传感器原理与检测200问[M].北京：中国电力出版社，2009.

[5] 李胜琴，陈汝春，王乾浩，等.汽车转向系统综合刚度测量试验装置研究[J].森林工程，2017，33(4)：94-97.

[6] 李涵武，赵玉春，迟秋玲.基于RBF神经网络的汽车传感器故障诊断方法研究[J].林业机械与木工设备，2011，39(5)：23-25.

(责任编辑 张雅芳)

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

东北林业大学大学生创新项目(201610225206)

张文夫(1994-)，男，吉林省吉林市人，东北林业大学车辆工程专业本科学生，E-mail：18846928828@163.com。

*通讯作者：吕文超(1980-)，男，黑龙江鸡东人，东北林业大学讲师，吉林大学在读博士，研究方向为汽车系统动力学，E-mail：lvwenchao2008@sina.com。

U463；TP368

A

2095-2953(2017)10-0019-04