吳 恒

(格特拉克江西傳動系統(tǒng)有限公司，江西 南昌 330000)

0 引言

隨著社會的進(jìn)步，國民經(jīng)濟(jì)的不斷提升，轎車的普及率越來越高。鑒于我國正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要時期的特殊情況，這種趨勢會一直持續(xù)下去，因此，轎車市場的潛力仍然相當(dāng)巨大。縱觀整個汽車市場，盡管自動擋汽車逐漸瓜分了手動擋汽車的市場份額，但是鑒于手動擋汽車油耗低的特點，以及國內(nèi)外油價不斷攀升的情形，當(dāng)前手動擋汽車仍然是市場主要的競爭力所在，而手動擋與自動擋汽車的主要區(qū)別在于汽車變速箱電軟軸的設(shè)計不同。因此，本文主要通過優(yōu)化手動擋汽車變速箱電軟軸手動換擋控制系統(tǒng)，力圖徹底改善手動擋汽車行駛過程中遇到的一系列關(guān)于檔位切換的問題，進(jìn)而優(yōu)化用戶體驗，從而加大手動擋汽車的市場競爭力。

1 傳統(tǒng)手動齒輪式汽車變速箱存在的問題

鑒于手動擋汽車的主導(dǎo)地位不可動搖的情況，目前很多載重車如大客車和商用載重車仍采用手動換擋變速裝置。然而，值得注意的一點是，目前我國手動擋汽車普遍采用手動齒輪式汽車變速箱。該技術(shù)的應(yīng)用主要采用手柄推動手動液壓換擋閥，利用液壓動力換擋汽車變速箱的機(jī)械操縱機(jī)構(gòu)。具體表現(xiàn)在于，利用油泵的壓力油進(jìn)入變速箱中相應(yīng)的離合器液壓缸來實現(xiàn)推動缸內(nèi)活塞運(yùn)動的效果。當(dāng)手動液壓檔位閥被推動而處于設(shè)定的某一位置時，活塞在此效果的作用下被推動，離合器上面的摩擦片結(jié)合活塞，同時摩擦片與相應(yīng)的齒輪對結(jié)合成為一體化，隨著發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，就能以某一檔的速度傳遞動力，完成變速箱的某一種檔位速度。由于該裝置結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計成本相對較低，廣泛得到了汽車制造廠商的喜愛，然而不得不注意的是，該裝置的換擋效率相對比較低下，在汽車啟動或高速行駛的過程中，特別是針對一些大型的卡車而言，操作體驗十分不友好。此外，還需要認(rèn)識到的是，由于大客車發(fā)動機(jī)和變速箱都安裝在車身尾部，變速器與司機(jī)座位距離較遠(yuǎn)。具體如圖1所示：

圖1 手動齒輪式汽車變速箱結(jié)構(gòu)示意圖

如圖中所示：1為換擋操縱桿、2為長軸連桿、3為發(fā)動機(jī)、4為齒輪變速箱。由于在機(jī)械式換擋變速器中，換擋杠桿動力傳遞距離長，在車輛變速行駛的過程中，汽車司機(jī)必須通過長軸連接或者液壓傳遞到與車身尾部發(fā)動機(jī)相連的變速箱，才能實現(xiàn)基本的變速操作，這會導(dǎo)致司機(jī)勞動強(qiáng)度大，容易造成司機(jī)的疲勞。另外，由于傳統(tǒng)的手動變速箱基上都是齒輪鉸接，零部件間應(yīng)力作用大，相互磨損也大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不可避免的會造成齒輪的磨損，并且隨著換擋次數(shù)的積累，會導(dǎo)致齒輪磨損嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致長軸手動換擋會造成入檔準(zhǔn)確率低的情況。更有甚者，甚至損壞箱齒輪，嚴(yán)重威脅司機(jī)行駛過程中的安全。

2 優(yōu)化汽車變速箱電軟軸手動換擋控制系統(tǒng)的意義

鑒于傳統(tǒng)手動齒輪式汽車變速箱在司機(jī)體驗過程中存在的一系列問題，提出一種能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制變速箱換擋動作用位置反饋效果的汽車變速箱電軟軸手動換擋控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法顯得十分必要。這在一定方面有效地緩解了汽車司機(jī)(特別是卡車司機(jī))在行駛過程中的疲勞問題，而且從另一方面來講，能有效順應(yīng)市場的潮流，推動我國汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。而要想實現(xiàn)汽車變速箱電軟軸手動換擋控制系統(tǒng)優(yōu)化，必須借助于CPLD可編程邏輯芯片，在給出了CPLD邏輯硬件結(jié)構(gòu)原理圖并且應(yīng)用在大客車的實驗過程中，實驗結(jié)果表明該優(yōu)化的控制系統(tǒng)能充分發(fā)揮汽車行駛過程中的變速效果，并且具有相當(dāng)不錯的可靠性以及抗干擾能力，同時更主要是能夠有效地減少司機(jī)的勞動強(qiáng)度，增強(qiáng)長途行駛過程中的安全保障。

3 CPLD技術(shù)在優(yōu)化汽車變速箱手動換擋電軟軸控制中的應(yīng)用

從前文實驗結(jié)果表明，基于CPLD邏輯芯片的汽車變速箱手動換擋電軟軸控制方法能有效地實現(xiàn)汽車檔位的變換，同時加強(qiáng)司機(jī)的操作體驗，有很好的推廣效益。而實際上也正如此，例如在F1賽場上，為了減少高速行駛過程中切換賽車檔位而造成的時間浪費(fèi)，從而使賽車手獲得更好的成績，賽車設(shè)計人員通常將賽車的檔位變換系統(tǒng)設(shè)計方向盤處，以方便賽車手操作。而基于CPLD邏輯芯片的汽車變速箱手動換擋電軟軸控制方法與此種設(shè)計原理基本相同。在確定該技術(shù)的應(yīng)用前景下，為了進(jìn)一步對汽車變速箱手動換擋電軟軸控制方法的研究，對CPLD邏輯芯片進(jìn)行分析顯得十分必要。在CPLD技術(shù)的應(yīng)用過程中，由于CPLD是通過邏輯判斷輸出信號。因此，鑒于應(yīng)用單片機(jī)的電控裝置，容易出現(xiàn)單片機(jī)受到干擾而程序跑飛現(xiàn)象，對汽車換擋造成危害的情況，采用CPLD技術(shù)的變速箱電控裝置與傳統(tǒng)利用單片機(jī)設(shè)計發(fā)動機(jī)后置的汽車變速箱電控裝置相比用單片機(jī)設(shè)計發(fā)動機(jī)后置的汽車變速箱電控裝置，能有效地遏制此類事件的發(fā)生，不會有程序跑飛的現(xiàn)象，使換擋具有安全可靠性。CPLD技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)主要在于充分利用CPLD技術(shù)，發(fā)掘該技術(shù)邏輯編程靈活以及適用范圍寬等特點，令其作為主控芯片組成電子控制裝置：如圖2所示為汽車變速箱手動換擋電軟軸控制系統(tǒng)圖。

1.換擋操縱桿；2.檔位開關(guān)傳感器；3.CPLD主控裝置；4.檔位實時顯示電路；5.電控?fù)Q向閥驅(qū)動線圈；6.電控?fù)Q向閥；7.AB氣缸位置反饋開關(guān)傳感器；8.A氣缸；9.B氣缸；10.車速傳感器；11.發(fā)動機(jī)變速箱；12.汽車發(fā)動機(jī)。圖2 汽車變速箱手動換擋電軟軸控制系統(tǒng)圖

從圖中可以看出，控制裝置由檔位開關(guān)傳感器、電控?fù)Q向閥、電控?fù)Q向閥驅(qū)動線圈、檔位實時顯示電路、CPLD主控裝置、AB氣缸位置反饋傳感器，A、B氣缸和車速傳感器組成。并且這種器件兼容了CPLD和通用門陣列的優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的邏輯程序設(shè)計。其工作原理主要在于：在觸動變速檔位的時候，控制裝置配合位置傳感器反饋控制電控?fù)Q向閥。換擋操縱桿下各開關(guān)狀態(tài)及電子控制系統(tǒng)實現(xiàn)換擋位置反饋信號來判斷生成驅(qū)動信號，生成的驅(qū)動信號再去驅(qū)動電控?fù)Q向閥的電控線圈，此外，通過CPLD主控電路的可編程精確判別控制邏輯算法以控制車速和檔位位置，通過邏輯判斷控制計算換擋信號的輸出從而實現(xiàn)各個檔位之間的換擋。再通過由電控?fù)Q向閥驅(qū)動的A、B氣缸的前進(jìn)、后退的組合運(yùn)動來控制汽車發(fā)動機(jī)的變速箱，最終達(dá)到變速箱的檔位變速控制。

4 CPLD模塊設(shè)計的應(yīng)用

邏輯分析的精確判斷是CPLD技術(shù)應(yīng)用于汽車變速箱電軟軸手動換擋控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的重要基礎(chǔ)。在變速箱優(yōu)化邏輯設(shè)計的過程中，CPLD精確判別控制邏輯包括換擋判斷邏輯，生成電控?fù)Q向閥驅(qū)動信號邏輯，氣缸位置到位反饋邏輯以及A、B氣缸先動邏輯。其內(nèi)部模塊邏輯圖如圖3所示：

圖3 CPLD模塊的程序邏輯圖

為了進(jìn)一步優(yōu)化司機(jī)的操作體驗，解放右手換擋的繁瑣操作，實際的設(shè)計過程中，可以將觸動變速檔位與汽車的離合器連接起來，借助CPLD精確判別控制邏輯分析技術(shù)，通過離合器的松弛以及壓實的過程，來進(jìn)行檔位的變換。這樣一來，司機(jī)可以通過踩下離合器同時將換擋操縱桿推動到所需的檔位，實現(xiàn)換擋。

5 實驗與結(jié)果分析

為了進(jìn)一步確定設(shè)計結(jié)果的可行性與否，還必須對CPLD技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行實驗處理。由于在CPLD這一主控模塊上，主要集中地是控制裝置，我們可以先測試主控模板，以此為實驗來判斷這一控制裝置的準(zhǔn)確性以及可行性，從而確保輸出的是正確信號，那么該實驗需要用到的相關(guān)設(shè)備包括：CPLD主控模塊、驅(qū)動信號檢測燈一共9個、顯示屏以及能夠模擬汽車的各個檔位的信號開關(guān)。在實驗的過程當(dāng)中，CPLD主控模塊要接收來自模擬汽車的各個檔位的開關(guān)發(fā)出的信號，如果檢測燈亮了，即說明主控模板收到了相應(yīng)的驅(qū)動信號，那么此時與之對應(yīng)的驅(qū)動線圈實現(xiàn)了通電，最終完成了驅(qū)動氣缸運(yùn)動的換擋過程。與此同時，我們可以利用顯示屏來了解準(zhǔn)確的檔位情況以及在實驗過程中對驅(qū)動信號檢測燈開關(guān)狀況的觀察，也就是其對應(yīng)的驅(qū)動線圈通斷電狀況。此外，通過上述實驗，我們還能夠?qū)刂评碚撘约癈PLD主控模塊的各程序的電路正確性做出判斷，進(jìn)而進(jìn)一步優(yōu)化汽車變速箱電軟軸手動換擋控制系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

由于CPLD模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，邏輯單元靈活，并且兼容了PLD技術(shù)和通用門陣列的優(yōu)點，因此基于CPLD的手動換擋汽車變速箱控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)變速箱控制系統(tǒng)不能達(dá)到的基本功能。此外，其操作簡易省力，控制速度快的特點也是其率先搶占市場的重要基礎(chǔ)。

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