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电子传输控制
摘 要
随着电子技术的进步，电子传动控制技术的研究已经取得了很大进展，基本能够满足降低燃油消耗和提高驾驶性能的要求。目前，多种电子控制变速器已应用于各种汽车。
本文将介绍从19世纪70年代起世界上首次安装在丰田花冠上的第一批控制系统到最新的控制系统，同时解释了用于液力耦合（液力变矩器）的锁定功能以及各个电子传输的实际用途。
此外，还将分析日本的研究情况，现在不同构造和功能的电子传输控制已经被开发应用。最后将讨论电子传输控制的未来发展。
1976年，当微型计算机首次在通用公司的托罗纳多汽车上使用时，微型计算机电子发动机控制系统首次亮相。从那时起，该系统就被安装在世界各地的各种车辆中。这种快速增长发生在，汽车设计师和电子工程师都意识到电子技术能够解决当前市场对更好的燃油经济性和更清洁的尾气排放的需求不一致。
变速箱控制技术与发动机控制技术紧密相关，但前者的发展速度却远不如后者。丰田是为车辆配备电子变速器控制的主要制造商之一。然而，要想成为这一领域的领导者，还必须克服几个主要障碍。1970年，丰田将电子传动控制的EAT系统安装到了其最受欢迎的乘用车“日冕”上。该系统允许驾驶员在不同的换档模式之间进行选择，以优化功率或燃油经济性。虽然这种先驱系统的一些功用现在已被纳入现代电子控制变速器中，但EAT当时的评级并不高。
随后石油危机加剧了对燃油经济性的需求，微型计算机的出现则彻底改变了电子技术。这两个因素都有助于促进电子传动控制的发展。现在，许多制造商提供电子变速器控制，而且配备有电子控制变速器的车辆数量正在逐渐增加。在未来，随着电子控制向以下新方向发展，我们可以预期不再使用机械/液压控制的趋势将更加明显：
1）：旨在将发动机和变速箱作为单个系统进行控制的综合动力传动系的开发，
2）：传动控制与牵引和速度控制相结合的综合巡航控制，
3）：换档控制可以产生更多的换档范围或升级CVT控制，
4）：增强整个车辆控制系统中使用的诊断等.
电子控制自动变速器的优点
1.改善燃油经济性
由于液力变矩器中的滑动损失，使用自动变速器的车辆的燃料消耗比手动变速器的车辆多大约10％。但是可以采取使用超速档和变矩器的锁定来提高传动比等措施，来提高使用自动变速器的车辆的燃油经济性。
（图一 自动变速器对燃油经济性的提升）
表1是采用这些措施来改善燃油经济性的一个例子。如果提高燃油经济性是唯一需要解决的问题，那么锁定整个自动变速箱将是理想的选择。但是，这会使汽车变速时产生震动。为了简化液压控制，除了冲击问题之外，锁止控制只用于最高档位范围。在自动变速器中采用电子控制技术时，能够根据车辆的行驶状况准确地控制换档点，锁止点以及临时锁止释放的时机。这意味着锁定范围可以扩大到低档范围和低发动机转速范围。此外，还有两种不同的换档方式，一种用
于更好的燃油经济性，另一种用于更好的功率特性，可以选择这些符合驾驶员要求的模式。这可以满足不一致的需求，更好的燃油经济性或驾驶性能。
2.紧凑的结构和减重
采用电子控制技术进行变速箱控制有可能减小变速箱的体积和重量。但是与使用液压控制的机械自动变速器相比，仅仅通过采用电子控制来减小直接尺寸和重量却没那么容易。这是因为在复杂条件下通过电子控制变速器实现换档和锁止激活的时间计算精度水平很高，以致液压控制将难以执行。人们试图通过将电子控制引入机械传动来缩小尺寸和减轻重量。在这种尝试中，以4速液压控制（无锁定机构）为例（应用了案例研究方法），并且假定所有可能的控制都用电子控制取代，这样才可能减小尺寸和重量。
（表2 液压控制组件）
表2按功能分类，列出了液压控制中使用的液压控制元件的结构元件。原则上，表中列出的液压控制元件均可用电子控制元件代替。假定与传动比变化和换挡干扰相关的组件被电子控制组件取代，那么在这种情况下，从部件数量方面来看，电子控制比率是（4 6 11）/ 28。也就是说，75％的液压控制机构被电子控制元件取代，这种机械式自动变速器的所有部件都进行过权衡。结果表明，液压回路中的部件数量可减少约四分之一。
3.缩短开发周期
传动系统的开发需要很长时间和大量的人力。这是因为传动系统的发展需要在与其他系统的兼容性以及故障安全等不同方面进行检查和试验。由于控制内容复杂，用户需求多样化，要检查的项目数量多样化，因此仅通过机械控制元素的组合无法满足这些要求。要解决这些困难，可以引入使用电子控制单元（ECU）的系统配置。在该系统配置中，机械元件仅用于基本功能，并且使用微型计算机的ECU作为主控制器。 通过这种配置，新传输系统的总开发周期可以大大缩短。在传动系统开发中，电子控制的采用在匹配检查后的步骤中有很大优势。由于系统控制是由ECU执行的，所以可以通过简单改变软件来实现控制方法的改变，常量的匹配，故障保护的检查等，这不需要很长时间。如果使用机械元件进行这种改变，将需要很长时间。此外，必须考虑到大规模生产中使用的模具。如果通过软件进行修改，修改的结果就可以反映到批量生产阶段而不需要任何补偿。
4.与其他系统的兼容性
传动的电子控制提供了另一个优点，就是与其他系统的兼容性。其中，其他系统包括与发动机控制，点火控制，巡航控制，涡轮增压控制，防滑控制，牵引控制和悬架控制等驾驶有关的系统。这种控制的例子是；
1）通过防止在发动机预热期间转换到过载区域来提高驱动性能，
2）通过控制发动机扭矩来控制变速比以改善乘坐舒适性，减少换档时的换档扰动，
3）在一段时间内释放锁定以减少超级充电器开启时产生的振动。
与其他系统密切相关的变速箱的控制只能通过电子控制来实现，而且变速箱的电子控制有助于提高车辆性能。下面显示了可以使用但未投入实际使用的功能：
1）：为了在低摩擦道路上启用防滑功能以帮助恢复车轮速度，响应来自系统的信号，关闭锁止离合器，并且切换档位到更高档位位置。
2）：通过反映牵引力控制的状态来改变换档位置。系统充分利用与其他系统的兼容性，将会开发出越来越多的应用程序。
日本自动变速器的电子控制的历史
本节以日本丰田为例，介绍了日本自动变速器的发展历史。1959年，第一台自动变速器（2速，半自动）被安装到小型货车上。这种自动变速器的D档覆盖范围在起步或上坡时令人不太满意，变速器必须转换到L档位。在自动变速器首次引入并进行了改进后，1963年出现了2速全自动变速器。1967年，出现了3速全自动变速器。1970年，电装公司的模拟型ECU安装在CORONA上，实现了电控3速自动变速器EAT的控制，这是将电子技术引入传动系统的曙光。1977年，出现了带有超速档的4速自动变速器，1980年，液压控制锁止变矩器被推向市场。这些技术有助于提高汽车中档到高档的燃油经济性，并通过降低发动机转速来降低发动机噪音。
这些年来，由于微型计算机在内的各种电子控制技术的发展和对车辆燃料经济性的更高的要求，电子技术在各种车辆控制系统中的应用开始流行。 1981年，丰田皇冠上被安装了带有电子控制锁定功能的4速自动变速箱ECT，并与电装公司的微型计算机控制的ECU相结合。该自动变速器控制系统由于对其他系统的精确控制和兼容性而具有很高水平。自动变速器性能的不断改进，以及用户对“轻松驾驶”的需求加速了轿车自动变速器的普及。 这一趋势如下图所示。1975年，只有8.9％的乘用车安装了自动变速器。 然后这个比例在1985年增加到48.7％，而且预计还会增加更多。
（自动变速器销售量的百分比）
当前的电子控制传动系统
带扭矩转换器的自动变速器
几乎所有在日本销售的电子控制自动变速器都被设计用于控制传统型自动变速器（带变矩器的行星齿轮类型）。尽管不同类型的系统由不同的制造商提供，但它们的构造基本上是4档变速控制和锁定控制的组合。丰田ECT（变速箱电控模式）的系统图如下，其中约有500000个单元是1985年生产的。在这个系统中，两个电磁铁控制4档换档，锁定机构的开/关由另一个电磁铁控制。通过模式选择可以从三种模式中选择，也可以通过正确组合换档杆位置从二档范围开始。诊断功能非常复杂，除了能够备份故障项目外，在行驶期间发生错误时还能够通知驾驶员。与其他系统结合的总控制也被采用了，包括低温条件下改变档位的控制，这能够改善驾驶性能。还包括，如果偏离设定的车速便禁止与巡航控制一起转换到过驱动范围的控制。
1983年，出现了通过单个ECU控制ECT和发动机控制的系统。其他制造商销售的系统也使用微型计算机来控制系统，除了变速控制之外，还具有高水平的控制能力。 例如，来自日产的系统采用该控制以响应于驾驶员的制动操作，通过在滑行状态期间自动降档来提高发动机制动效果，并且根据车辆行驶条件自动改变换档模式。 通过锁止离合器的占空比控制，即使在低档位范围内，三菱的系统也可以锁定运行。 它们还可用于控制换档时的液压大小，以预定压力模式的压力。
（图3.ECT变速箱电控模式系统原理图）
手动变速器的自动换档控制
手动变速箱在自动换档控制系统中的应用有许多必须解决的难题。例如在车辆启动时的离合器接合控制，在换挡期间离合器和加速器踏板操作之间的匹配以及在发生系统故障时的失效保护。如果在自动变速控制系统中使用手动变速器，将不存在由变矩器引起的动力传递损失，所以其在成本和燃料经济性方面有很大优势。作为一种新的换档控制系统，对自动换档控制系统采用手动变速器已经被深入研究。
第一个这样的系统名为“NAVI-5（自动导航系统）”，在1984年由五十铃公司投入市场。该系统使用了一个膜片弹簧式干式单盘摩擦离合器和一个5前进速度同步传动，而且它们在电子控制下由液压驱动。该系统的主要功能是控制节气门，离合器和换档（油门和离合器的操作以及操作时间的决定，最佳换档点的选择，防止过度旋转，在急剧制动时防止发动机失速），巡航控制，快速怠速控制，辅助起步，诊断，备份等。据使用该系统的燃油消耗测试显示，无论驾驶员的技术如何，都可以达到同级别手动变速箱的燃油经济性。大型车辆可以轻松地采用手动变速器的自动变速控制
（图4.自动导航系统原理图）
CVT（无级变速器）
尽管CVT并未在日本销售，但富士重工已宣布将生产钢带式CVT。该系统被称为ECVT（电控无级自动变速器），使用了由富士公司生产的电磁离合器和荷兰VDT的钢带式CVT。电磁离合器在离合器的发动机曲轴侧的驱动构件和变速器输入轴侧的从动构件之间具有气密的离合器室，30至50微米的磁化钢颗粒被密封在其内部。利用磁化钢颗粒的结合力与电流值成比例变化的特性，通过控制与节气门开度和车辆速度相应的电流和电流正时来控制离合器接合的力。使用这种类型的离合器已经解决了车辆启动时的问题，这是引入CVT的瓶颈。 ECVT的截面图如图5所示。
（图5. 电控无级自动变速器视图）
如前所述，通过引入电子控制，汽车传动性能得到明显改善。传动的主要控制实际上已被电子控制所取代，该控制正在将其应用扩展到传动控制的其他领域。其中四轮驱动控制和副变速器控制引起了人们的关注，现在投入市场的4WD控制系统中没有很好的技术。但是，4WD和2WD之间的切换控制和扭矩分配现在正在被电子控制取代。预计这些控制将通过使用微型计算机自动执行，同时监控相关因素。丰田Hilux采用的系统，在分传动控制中引人注目。该系统控制在四轮驱动模式下与换档控制一起在高速档和低速档之间切换。它执行复杂的定时控制，防止超过限速等。此外，它与变速控制一起控制在低速行驶期间变速点的变化，从而可以增加驱动功率。本田公司销售的超级换挡（Hyper-shift）根据车速和发动机转速计算档位，并根据每个档位的油门开度和车速判断最佳范围，然后根据判断结果，通过开关电磁阀来切换副变速器的高低档位。
电子控制传动的未来发展趋势；
正如前面部分所讨论的，汽车自动变速器安装的比例每年都在增加，预计这种趋势还将继续。除CVT以外的各种系统已经上市销售以外，在开始开发时设定的目标也已经基本实现。下面讨论未来电子控制传动发展需要考虑的几个方面。
1） 提高控制水平
目前，带变矩器的自动变速器的电子控制处于比机械式变速器更高的水平，直到CVT在市场上被认可为自动变速器。因此需要改进液力变矩器型自动变速器的质量。质量改进最关键之一是减少换挡冲击。关于这个问题，有两种方法 - 在换档时降低发动机扭矩并在换档时调节液压管路压力。为了控制扭矩，通过与发动机控制ECU的通信或采用能够通过单个ECU对发动机控制进行自动变速器控制的集成控制的ECU来实现更精确的控制。因此，可以结合发动机控制与ECU的开发。为了控制换档期间的液压压力，高性能负载控制电磁阀的开发是必不可少的，随着这种装置的发展和变速器部件的耐用性的提高，将逐渐被采用。另一种是控制方法的改变。目前，几乎所有的变速器控制系统都采用开环系统，这要求根据车辆和发动机型号的多样化增加ECU类型的数量。如果采用闭环控制，测量并反馈每个变速器部分的液压变化，发动机转速变化和扭矩以确定换档时机，则可以在各种变速器和发动机模型中实现最佳控制。此外，要反馈是所有车辆的独立的部分的信息，如变速箱，发动机和其他相关部件的特性。“通过学习控制”解决了这些问题，通过存储和更新换档控制所需的信息。为了将控制提高到更高的水平，将收集与车辆相关的信息，如车辆本身的状况，用户的操作和环境条件，来确定最理想的换挡模式和换挡时机。
2）升级系
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