行星齿轮功率分流式无级变速器液压控制系统设计

2010年3月 第38卷 第6期 机床与液压 MACHI NE TOOL 08KJD580003) 作者简介:王芙蓉(1962 ) , 副教授,主要从事机械制造装备控制与设计等研究、开发和教学工作。电话 E - mail:sx_luo1261com。 行星齿轮功率分流式无级变速器液压控制系统设计 王芙蓉 (南京工程学院机械工程学院,江苏南京211167) 摘要:针对无带传动的新型行星齿轮功率分流式无级变速器的传动方案,设计液压控制系统,采用两个换挡电磁阀组 合控制相关离合器、制动器工作以实现不同基本挡位,利用数字阀控制起步离合器的平稳起步和基本挡与无级变速挡的平 稳换挡。该液压控制系统结构简单,控制方便,具有较好的实用价值。 关键词:行星齿轮;功率分流;无级变速器;液压控制系统 中图分类号: U463122 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 3881 (2010) 6 - 031 - 3 Design of Hydraulic Control System for Planetary Gear Power Split Continuously Variable Transm ission WANG Furong (CollegeMechanical Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing Jiangsu 211167, China) Abstract: For the trans mission program of the new planetary gear power split continuously variable trans mission with no belt drive, a hydraulic control system was designed to achieve a different gear using combinations of the t wo shift solenoid valve to control the different clutches and brakes .The use of digital valve enables the clutch start and shift bet ween basic file and continuously variable file s moothly .The hydraulic control system has the advantages such as simplicity, easy controlling and practicality . Keywords: Planetary gear; Power split; Continuously variable trans mission (CVT) ; Hydraulic control system 无级变速器(CVT )是一种能自动连续改变传 动比的车用自动变速器,它可以实现发动机、变速器 与道路载荷的最佳匹配,有效提高车辆的动力性、燃 油经济性和排放性能,改善驾驶员的操纵方便性和乘 客的乘坐舒适性,具有普通有级变速传动和其他自动 变速器无法相比的优点 1 。但一般的金属带式无级变 速器所能传输的转矩较小,传动效率也不高,特别是 带传动效率受车辆工况的变化影响较大,因此,其应 用受到一定的限制 2 。目前 ,在国内外许多知名大学 都开展了一种新型变速器 功率分流式无级变速器 的理论研究工作,它通过应用功率分流原理以及齿轮 传动和带式无级变速装置的组合来尽可能地发挥各自 的优点,实现良好的整车性能与较高的性能价格 比 3。作者研究的行星齿轮功率分流式无级变速器取 消了带式无级变速装置, 97%以上的功率依靠封闭行 星齿轮传递, 3%以下的功率依靠电机传递,具有传 动效率高、功率容量范围宽、速比范围大等特点 4。 1 行星齿轮功率分流式无级变速器的工作原理 无级变速器控制单元ECU根据驾驶员意图(加 速踏板、制动踏板、手控阀挡位开关等)和车辆运 行状态(发动机转速、车速、节气门位置、冷却水 温度等 ) , 依据设定的控制规律综合判断,确定驾驶 员的意图及路面情况,采用相应的控制策略,发出控 制指令。由比例电磁溢流阀控制变速器传递的转矩大 小;一个数字阀来控制起步离合器的工作,实现平稳 起步;另一个数字阀控制一个湿式多片摩擦离合器工 作,来实现功率分流控制,进而实现无级变速控制; 两个换挡电磁阀组合控制换挡阀使相关的湿式多片摩 擦离合器和制动器分别工作,实现基本挡位的变换, 使发动机和变速器获得最佳匹配,使汽车获得最佳的 动力性和燃油经济性。 2 行星齿轮功率分流式无级变速器的传动方案设计 如图1所示为行星齿轮功率分流式无级变速器传 动方案图。其传动机构主要由主传动前后行星排、控 制传动行星排、4个湿式多片摩擦离合器、1个制动 器、1个单向离合器、1个起步离合器、3对功率分 流及反馈齿轮、1个发电机和1个直流调速电动机等 组成。发动机的动力通过起步离合器输入,电动机的 动力通过单向离合器输入,根据需要合成后由后排行 星架输出。该变速器可实现驻车挡、空挡、倒挡和自 动挡,自动挡包括低速起步挡、高速直接挡和无级变 速挡。该变速器通过选择合适的行星排参数可避免出 现功率循环。 图1 行星齿轮功率分流式无级变速器传动方案图 (1)驻车挡和空挡。变速器操纵手柄处于P挡或 N挡,此时起步离合器处于分离状态,发动机动力不 传入变速器,直流调速电机也不工作,变速器内所有 离合器、制动器均分离,无动力输出。 (2)倒挡。变速器操纵手柄处于R挡,此时起 步离合器处于接合状态,离合器C3和制动器B合上, 其他离合器分离,直流调速电机不工作,离合器C3 合上使发动机动力经主传动前行星排太阳轮输入,而 制动器B合上使前行星排的行星架固定,前行星排 齿圈即后行星排行星架输出反转,实现倒挡,其传动 比为 i= - 式中:为前后行星排齿圈与太阳轮的齿数之比。 (3)自动挡。变速器操纵手柄处于D挡,此 时起步离合器处于接合状态。 低速起步挡。离合器C4和制动器B合上, 其他离合器分离,直流调速电机不工作,离合器 C4合上使主传动前行星排的行星架与后行星排的 齿圈固联,制动器B合上使前行星排的行星架与 后行星排的齿圈固定,发动机动力经后行星排太 阳轮输入,行星架输出,前行星排太阳轮空转, 其传动比为 i= 1 + 高速直接挡。离合器C1、C3合上,其他离合 器、制动器分离,直流调速电机不工作,离合器C1、 C3合上使发动机动力经主传动前行星排太阳轮与行 星架同时输入,前行星排相当于一个整体,其齿圈即 后行星排行星架同速输出,其传动比为1。 无级变速挡。离合器C2、C4合上,其他离合 器、制动器分离,发动机动力经主传动后行星排太阳 轮输入,离合器C4合上使主传动前行星排的行星架 与后行星排的齿圈固联,直流调速电动机通过单向离 合器和1对齿轮副将动力传给后行星排齿圈,离合器 C2合上使发动机动力经1对固定齿轮副分流一部分 主传动后行星排太阳轮本应得到的功率到控制传动行 星排,控制离合器C2的接合及分离速度,可确保该 变速器的低速起步挡与无级变速挡、无级变速挡与高 速直接挡的平稳换挡。控制传动行星排中的行星架获 得功率分流的动力实现该行星排的功率输入,内齿圈 功率反馈给主传动后行星排的内齿圈,太阳轮输出功 率给发电机,通过控制发电机的输入转矩,就可控制 反馈给主传动后行星排的转矩大小,以实现无级变 速。为使低挡起步后车辆获得较大的加速度,设置了 直流调速电机,通过单向离合器向主传动后行星排内 齿圈输入功率,达到在同样减速比时能使变速器输出 更大转矩的目的。 3 行星齿轮功率分流式无级变速器液压控制系统设计 311 对液压控制系统的要求 (1)起步离合器控制。该变速器中的起步离合 器采用的是湿式多片摩擦离合器,目的是使汽车能以 足够大的牵引力平稳地起步,提高驾驶舒适性,必要 时切断动力传递。因此在液压控制系统中设计一数字 阀来控制起步离合器油缸的油压,以控制起步离合器 接合力由小变大,保证了汽车的平稳起步 5。 (2)主油路压力调节。该变速器液压控制系统 主油路压力应能适应各挡位需要,主油路压力不能过 高,以免引起换挡冲击、增大发动机负荷、增加油 耗;主油路压力也不能过低,以免离合器打滑,无法 传递足够的转矩,不能满足动力传递的需要。设计时 采用比例电磁溢流阀来调节主油路压力。 (3)基本挡位的换挡。根据图1所示传动方 案,要实现换挡需控制相关离合器和制动器分别 工作,但需要保证运动不发生干涉现象,所以, 相关离合器、制动器工作时其他离合器或制动器 必须分离。在设计液压控制系统时,将各离合器、 制动器设计成液压缸 6 ,油路设计时保证相关离 合器缸、制动器缸进油时其他离合器缸或制动器 缸油液均回油箱,而挂入驻车挡或空挡时,所有 执行油缸油液均回油箱。 (4)基本挡与无级变速挡换挡控制。为实现基 本挡中的低速起步挡、高速直接挡与无级变速挡的平 稳过渡,需要控制离合器C2的接合及分离速度,因 此,设计一数字阀来控制离合器C2油缸的压力,以 满足换挡平稳的要求。 312 液压控制系统原理图设计 如图2所示为行星齿轮功率分流式无级变速器液 压控制系统原理图。系统由定量油泵供油,执行机构 有5个离合器缸和1个制动器缸,控制调节装置有1 个手控阀、3个换挡阀、1个比例电磁溢流阀、2个 数字阀和2个电磁换向阀。 23机床与液压第38卷 图2 行星齿轮功率分流式无级变 速器液压控制系统原理图 变速器的换挡由手控阀和控制单元ECU来控 制,ECU发出指令使电磁阀A、B处于不同的得失 电状态,即可实现基本挡位的换挡。手控阀在P挡 和N挡时,所有离合器缸和制动器缸油液回油箱, 各离合器无液压力作用,动力中断传递。手控阀在 D挡时,电磁阀A、B组合控制接通低速起步挡、 高速直接挡和无级变速挡,此时,相应离合器缸、 制动器缸工作,其他离合器缸和制动器缸油液均回 油箱,确保运动不干涉。手控阀在R挡时,离合器 C3缸和制动器缸工作,其他离合器缸油液均回油 箱。表1为变速器挡位与电磁阀、数字阀、离合器 缸、制动器缸关系。 表1 变速器挡位与电磁阀、数字阀、离合器缸、制动器缸关系 手控阀手 柄位置 挡位 电磁 阀A 电磁 阀B 数字 阀1 数字 阀2 离合器 C1缸 离合器 C2缸 离合器 C3缸 离合器 C4缸 起步离 合器缸 制动器 B缸 P驻车OFFOFFOFFOFF松开松开松开松开松开松开 R倒OFFONONOFF松开松开压紧松开逐渐压紧压紧 N空OFFOFFOFFOFF松开松开松开松开松开松开 D 低速起步OFFOFFONOFF松开松开松开压紧逐渐压紧压紧 高速直接ONONONOFF压紧松开压紧松开压紧松开 无级变速ONOFFONON松开压紧松开压紧压紧松开 起步离合器缸由数字阀控制,该设计将一数字阀 (二位三通高速开关阀) 7 设置在起步离合器缸的进 油路上,起步时变速器控制单元ECU输出占空比信 号到数字阀,使进入起步离合器缸的平均流量和压力 得到控制,占空比值逐渐增大,使起步离合器缸的油 压也逐渐增大,使起步离合器的接合力由小变大,保 证了汽车的平稳起步。 离合器C2缸也由数字阀控制,当汽车起步后进 入无级变速挡或由高速直接挡进入无级变速挡时,变 速器控制单元ECU输出由小变大的占空比信号到数 字阀,使离合器C2缸的油压逐渐增大,离合器的接 合力由小变大,保证了换挡的平稳过渡。而当汽车由 无级变速挡换入高速直接挡时,变速器控制单元 ECU输出由大变小的占空比信号到数字阀,使离合 器C2缸的油压逐渐减小,离合器的接合力由大变小, 也保证了换挡的平稳过渡。 系统主油路压力由比例电磁溢流阀调定,该阀的 先导阀为PWM控制的电液比例阀 8 ,变速器控制单 元ECU根据发动机转速、车速、节气门位置等参数 确定挡位及所需传递的转矩,输出占空比信号到电液 比例阀,使主油路压力得到调节,相关离合器、制动 器的压紧力也随之改变,满足传递不同转矩的需要。 4 结束语 作者设计的行星齿轮功率分流式无级变速器液 压控制系统结构简单,能自动适应变速器传递转矩 的大小,起步和换挡平稳,为无带传动行星齿轮功 率分流式无级变速器的实用开发奠定了坚实的基 础。 参考文献: 【1】Bonsen B, SteinbuchM,Veenhuizen P A. CVT ratio control strategy optimizationC / /Vehicle Power and Propulsion, 2005 IEEE Conference, 2005, 9. 【2】Setlur P,W agner J R,Dawson D M, et al . Nonlinear Con2 trol of a Continuously Variable Transm ission (