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1、1计算机控制技术课程设计课题题目：汽车变速箱油温检测系统设计学生姓名：学号：学院：目录 第1章 绪论11.1 设计背景21.2 设计目的21.3 技术路线21.4 发展趋势5第2章 系统整体设计72.1 系统检测对象简介72.2 系统整体结构机器工作原理7第3章 硬件子系统设计133.1 系统上位机选型133.2 系统控制器选型133.3 A/D 转换模块选型153.4 温度控制子系统设计16第4章 软件子系统设计174.1 软件总体设计174.2 软件模块设计18第5章 系统设计总结255.1 结论与展望255.2 设计心得25参 考 文 献2626第1章 绪论1.1 设计背景变速箱，又称变
2、速器、排挡或波箱，是进行机械动力转换的机械或液压设备。它将动力源产生的高转速、低扭矩的机械动力转换成更为有效的低转速和高扭矩的动力，作为汽车的必要组成部分， 往往装载有多个不同的转速扭矩转换比，通常成为“档”或“档位”，从而适应不同行驶环境下对转速和扭矩组合的不同要求，例如：汽车启动时往往需要低转速、高扭矩，而在汽车高速行驶时则应换成高转速、低扭矩。车辆制造行业的技术不断革新，除了为大众所熟知的手动档和自动档以外， 这个大家庭还出现了一批诸如：兼具自动档便捷性和手动档驾驶乐趣半自动变速器、允许连续调节转速扭矩转换比的无级变速器（CVT）等新成员。 手动变速箱及以往较老的变速箱是未考虑对变速箱油
3、温进行监控调节的，比如手动变速箱（MT）、机械式自动变速箱（AMT）、双离合变速箱（DCT）等，因为这些类型的变速箱传动效率高、发热量少，不需要设计专门的冷却系统。随着无级变速箱（CVT）等新型变速箱的发展，这些类型的变速箱油液不仅需要发挥润滑作用，还需要承担传动的功能，导致其传动效率偏低而发热量偏高。因此，对于这种变速箱而言，实现油温监控和冷却是一项迫切急需的技术。 1.2 设计目的随着汽车行业自动化、智能化的发展，客户对于驾驶舒适性和油耗的要求越来越高，因此变速箱的性能升级是必然的趋势。 变速箱的性能与变速箱油的温度有着必然的关系，以自动变速箱为例，其最佳工作油温在 100 左右，因为此时
4、是形成润滑油膜的最佳时机，只有在 100左右的工作环境下才能发挥变速箱最优的性能。发动机冷启动时，由于油温很低，此时油液粘度很高，使得变速箱的润滑和传动效率不高。为了使变速箱的油温尽快到达最佳工作温度，我们需要从发动机热管理的角度出发，利用发动机冷却液升温快的特点，可以帮助变速箱快速提升油温。此外，自动变速箱的油液会随着运转时间的延长而不断积累热量，从而使油温不断升高，当其超过 143是，自动变速箱的油液粘度会迅速降低， 阻碍油膜的建立并削弱变速箱的润滑性能，最终是变速箱内部相关零部件烧蚀或失效。 因此，为了使得变速箱能够在稳定运行时能够时刻保持油温在最佳工作温度，本文将对现有的温控系统进行对
5、比分析，并提出一项兼容性强的自动油温监测调节系统，达到提升变速箱使用寿命和安全可靠性的目的。 1.3 技术路线为了控制变速箱的油温，目前所掌握的解决方案非常多，而所有的解决方案都是为变速箱配置一套冷却系统，该系统有的是操作简单的风冷，有的是更为复杂的集成式温度调节系统，本文将以系统设计为主讨论这个话题。 1.3.1 纯风冷式温控系统这种温控系统结构简单，是将变速器油液直接引入到油冷器或散热器中，使其通过不停的循环散热来实现降温，油冷器或散热器一般放置在发动机主散热器前端，利用汽车驾驶过程中引起的空气流动对油液进行冷却。 图 1-1 纯风冷式温控系统1.3.2 集成温控阀风冷式温控系统该温控系统
6、在纯风冷式系统上增加了一个变速箱温控阀，实际上是一款蜡式节温器，温控阀的接口分别连接变速箱和油冷器，可以实现在变速箱油温较低时通过温控阀的控制进入内部小循环加热，而当油温较高时切换到大循环来实现冷却，在温度降低后再经温控阀流回变速箱，从而实现降温循环。 图 1-2 集成温控阀风冷式温控系统1.3.3 水冷式温控系统水冷式温控系统主要是利用发动机冷却液的温度来控制油温。当汽车冷启动时，利用发动机冷却液快速升温的特性，令变速箱油液从冷却液中吸收热量，从而达到快速升温的目的。如果变速箱油温高于发动机冷却液温度，则将其温度传递给发动机冷却液，从而使变速箱油温降低。 图 1-3 水冷式温控系统1.3.4
7、 风冷和水冷双温控系统该温控系统需要实现变速箱油液在低温时快速升温，升温是通过在热交换器中变速箱油液和冷却液热交换来实现的。当发动机冷启动后，变速箱油问较低，但是发动机冷却系统的冷却液能够较快升温，升温后的冷却液会在发动机冷却系统内循环，能够较快的将热交换器中的冷却液升温，热交换器中的变速箱油路会和水路进行热交换，从而使变速箱油液进一步升温。在高温时，油冷器循环中所提供的风冷却可以实现快速降温。 图 1-4 1.3.4风冷和水冷双温控系统以上提及的温控系统，其温控原理无一离不开石蜡，由于石蜡本身的特性，这类温控系统的反应速度不是那么灵敏。电控式温控系统脱离蜡式温控阀，通过使用电控阀，依靠发动机
8、冷却液、继承热交换器等设备，通过车载电脑（ECU）控制水泵运转来实现精准、快速的温度控制。但是由于成本较高和技术不够成熟，未能在国内批量使用，有待进一步研究。 1.4 发展趋势随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向，特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个开发不深的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，该系统的设计具有广泛的应用前景与现实意义。 从技术特性的角度分析，将来纯风冷温控系统将因为油温升温问题而逐渐淡出市场，而集成温控阀的风冷式和水冷式温控系统将在未来的几年内成为主流选
9、择，因为它们的基本温控能力非常到位，由于前者生产技术成本不高，可用于要求较低的车辆；而后者要求变速箱要有较好的耐温能力， 但是可以提供更好的空间布局设计。当然，风冷水冷双控系统的成本虽然更高，其优越的变速箱性能也对消费者有着深深的吸引力。虽然技术并不成熟，电控系统仍然不失为优秀的技术储备，不过显然不适用现在的汽车市场。 第2章 系统整体设计2.1 系统检测对象简介2.1.1 结构以国内最为常见的手动档和手自一体型变速箱为例，其冷却方式称为油冷。该类型冷却系统的主要部件由油泵、连接油管、温控阀、油冷散热器四部分组成：油泵：位于变速器底壳内部，通过变速器齿轮转动带动油泵工作，形成压力将变速器机油从
10、出油口泵出，油泵是变速器冷却系统的关键部件；连接油管：串联变速器油泵和散热器，使之形成闭合循环回路，油冷器冷却方式不同，其材质也将不同；温控阀：当车辆在怠速状态下或变速器润滑油处于低温状态下时，温控阀关闭，润滑油不通过油冷器，避免了变速器润滑油在初始阶段热量散失；油冷散热器：油冷散热器是变速冷却系统的核心部件，目前常用的有两种形式，分别为风冷式油冷散热器和水冷式油冷散热器，两种不同结构的散热器共同点是通过热交换的夜里来降低变速器润滑油的温度，区别在于与之发生热交换的介质不同。图 2-1 变速器风冷系统原理图图 2-2 变速器水冷系统原理图2.1.2 检测要求当发动机在正常热状态下工作时，即水温
11、高于 80 摄氏度，节温器阀门打开了通往然热气的通道， 同时关闭了通往水泵的旁通管，冷却水全部流经散热器，形成大循环；当冷却水温低于 70时，节温器阀门关闭了通往散热器的通道，同时打开了通往水泵的旁通管，水套内的水只能由旁通孔流出经旁通管进入水泵，又被水泵压入发动机水套，此时冷却水并不流经散热器，只在水套与水泵之间进行小循环，从而防止发动机过冷；当发动机的冷却水温在 7080范围内，通往散热器的通道和通往水泵的旁通管均处于半开闭状态，此时一部分水进行大循环，而令一部分水进行小循环。2.2 系统整体结构机器工作原理2.2.1 结构框图如图所示，该温度控制系统主要由三大部分组成， 分别是上位机、
12、温度监测控制系统和汽车变速箱。温度控制系统中主要部分是 STC12C5A60S2 单片机、 温度传感器和控制电路， 它们是系统的核心， 用于采集控制变速箱的温度信号。 温度传感器将从变速箱中采集到的温度信息数字化后， 与单片机设定的温度进行比较， 单片机根据比较结果控制温度调节电路以对变速箱进行温度调节。同时通过电平转换电路把当前温度传输到上位机的串口中， 由上位机软件显示当前的温度。正常情况下温度控制由 STC12C5A60S2 单片机自动控制； 必要的时候， 计算机也可以通过软件来强制改变温度。图 2-3 系统结构框图2.2.2 工作原理分析2.2.2.1 原理概述冷却水在冷却系统内的循环
13、流动路线有两条，一条为大循环，另一条为小循环。所谓大循环是水温升高时，水经过散热器而进行的循环流动；而小循环就是水温低时，水不经过散热器而进行的循环流动，从而使水温升高。 单片机将温度传感器所采集的变速箱温度数据，显示在上位机监测系统中，并将采集来的温度和设定的温度进行对比，从而控制变速箱温度，实现加热、制冷、开启、关闭等状态，从而把变速箱的温度控制在要求的范围之内。在温控开关被激活的情况下，当温度低于设定的下限时，单片机启动加热器加热；当温度高于设定的上限时，单片机启动制冷器降温。所有温度数据和状态信息均通过上位机显示出来。节温器装在冷却水循环的通路中，根据发动机符合大小和水温高低自动改变水
14、的循环流动路线，从而调节冷却系统的冷却强度。 2.2.2.2 技术特点和指标该系统设计采用总线技术和模块化结构，实现了由单片机智能温度传感器组成的智能温度测控系统，甩掉了“传感器变送器A/D 转换器单片机”的传统模式，大大减少了电路中元器件和 I/O 连线，创建了一种新型的高稳定可靠温度测控系统。通过端口，单片机与温度传感器可互发信息， 从而共同进行相应的信息处理。在配套程序的驱动下，单片机端设置并发送上限温度和下限温度给温度传感器，同时读取温度传感器发来的当前温度，进行相应显示及处理。当前温度超过上限温度时，将驱动制冷控制所对应的继电器，从而进行报警提示及制冷控制；当前温度低于下限温度时，
15、温度控制器将驱动加热控制所对应的继电器，从而行报警提示及加热控制。除了上述可以将现场温度的维持在上限温度和下限温度之间的一定范围内外，当设置的上限温度和下限温度为同一温度值时，温度测控系统将使现场温度保持在相应的恒温状态。该系统完成时的主要技术特点和指标如下：一是温度控制范围为-40200，升温、降温阶段的温度控制精度要求为 0.5，保温阶段温度控制精度为 0.5；二是计算机自动调节，在正常情况下，系统自动运行，计算机也可以通过软件来强制控制；三是计算机监控功能，显示当前被控量的设定值、实际值、控制量的输出。 2.2.3 各部件作用2.2.3.1 散热器散热器又称水箱，由上水室、散热器芯和下水室等组成。安装在发动机前的车架横梁上，其作用是将冷却水在水套中所吸收的热量散发至外界大气，使水温下降。 图 2-4 散热器 2.2.3.2 水泵水泵能够对冷却水加压，使之在冷却系
