（机械电子工程专业论文）一种新型数字电液伺服系统在amt中的应用研究(1).pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：漱签字日期：k 璐年年月彬日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名： o 勿橇 导师签名：融 j 签字日期：枷s 年4 月埤日签字日期：沙圹年月硝日 重庆大学硕 学位论文 中文摘要 摘要 电控机械式自动变速器( a m t ) 是在传统机械变速器的基础上，改造设计而 成的一种自动变速器。它具有传统变速器效率高、成本低、易丁制造等的优点， 又具有自动变速器的操作方便、换档平稳等的长处，所以研究它具有很高的实用 意义。电控机械式自动变速器主要有电子式和电液式两种，电子式的a m t 可控 性好，但其价格昂贵：而电液式的a m t 结构复杂，且1 i 能适应速度变化的要求， 换档不平稳。本文在分析总结了上述两种变速器的优缺点的基础之上，设计出了 种新型的电液伺服系统。这种电液伺服系统数字式伺服转阀，主要由步进 电机、转阀和摆动液压缸三部分组成。将这种电液伺服系统安装在机械变速器的 换挡装置上，便可通过控制该系统来控制变速器的换挡操作，从而达到自动变速 的目的。本文在详细分析和论证结构设计的基础之上，建立了该电液伺服系统的 数学模型，对系统的稳定性、响应特性进行了分析，从理论上证明了该系统稳定， n 向应速度快，工作平稳。另外，本文阻可编程控制器( p l c ) 作为系统的控制核 心，对系统的控制进行了硬件和软件的设计，并编写了控制程序。最后，为了验 证程序的正确性，同时也为了模拟变速器换挡过程，本文利用了p l c 与组态王的 通讯功能，完成了组态王的上位机仿真实验，并模拟出了输出转角一脉冲关系曲线。 关键词：电液伺服，数字转阀，自动变速器 重庆大学硕1 一学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a u t o m a t e dm a n u a lt r a n s m i s s i o n ( a m i ) i sak i n do fa u t o m a t e dt r a n s m i s s i o n w h i c hi sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h et r a d i t i o n a lt r a n s m i s s i o n i tn o to n l yh a st h em e r i t o fh i g he f f i c i e n c y ，l o wc o s t ，e a s yt om a n u f a c t u r et h a tt h et r a d i t i o n a lt r a n s m i s s i o nh a s ， b u ta l s oh a st h em e r i to fe a s yo p e r a t i o na n ds t a b l es h i f to fw h a tt h ea u t o m a t e d t r a n s m i s s i o nh a s t h e r e f o r e ，i ti sw o r t hm a k i n gar e s e a r c h n o w , t h ea u t o m a t e dm a n u a l t r a n s m i s s i o nh a st w om a i nt y p e s - - - e l e c t r o n i ca m ta n de l e c t r o n i c - h y d r a u l i ca m t t h e e l e c t r o n i ca m ti se a s yt oc o n t r o l ，b u ti t sp r i c ei sv e r yh i g h ；w h i l ee l e c t r o n i c - h y d r a u l i c a m ti sc o m p l e xi ns t r u c t u r e ，c a n ta d a p tt h ec h a n g eo ft h es p e e do ft r a n s m i s s i o na n d u n s m o o t hi n g e a r s h i f t t h i sp a p e rp r e s e n t s a d e s i g n o fan e wk i n do f e l e c t r o n i c - - h y d r a u l i cf o r c es e r v oa m t w i t he l e c t r o n i c - - h y d r a u l i cf o r c es e r v os y s t e ma s t h ea c t u a t o r t h ee l e c t r o n i c h y d r a u l i cf o r c es e i v os y s t e m d i g i t a ls e r v or o t a r yv a l v e ， i sm a d eu po ft h es t e p p e rm o t o r , r o t a r yv a l v ea n do s c i l l a t i o nc y l i n d e r f i x i n gt h e e l e c t r o n i c h y d r a u l i cf o r c es e r v os y s t e mo nt h eg e a r s h i f tf i x e s ，w em a y c o n t r o lt h es h i f t o ft h et r a n s m i s s i o nb yc o n t r o l l i n gt h es y s t e mi no r d e rt oc o m p l e t et h ea u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n a f t e rt h ed e t a i l e d a n a l y s i s o fi t s s t r u c t u r e ，t h ep a p e rp r e s e n t st h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee l e c t r o n i c h y d r a u l i cf o r c es e r v os y s t e m ，a n dg i v e st h e a n a l y s i so fi t ss t a b i l i t ya n dr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s t h e r e s u l ti st h a tt h es y s t e mi s s t a b l e ，r a p i da n ds m o o t hi nr e s p o n s e i na d d i t i o n ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，a n du s e st h ep r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ( p l c ) a st h es y s t e m sc o n t r o l l e ra n dw r i t e st h ep l c c o n t r o lp r o g r a m a tl a s t ，t op r o v et h ev a l i d i t yo ft h ep r o g r a ma n dt os i m u l a t et h eg e a r s h i f to f t r a n s m i s s i o n ，t h ep a p e re m p l o y st h ec o m m u n i c a t i n gf u n c t i o no fp l ca n dk i n g v i e wt o c a r r yo u tt h es i m u l a t i n ge x p e r i m e n to fk i n g v i e w , a n dp r e s e n t st h es t i m u l a t i n g c h i v eo f t h ea n g l e i m p u l s e k e yw o r d s ：e l e c t r o n i c - h y d r a u l i cf o r c es e r v o ，d i g i t a lr o t a r yv a l v e ，a u t o m a t e dm a n u a l t r a n s m i s s i o n i i 重庆人学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及意义 我国的汽车行业正处于发展和提高时期，随着汽车进入家庭，非职业驾驶员 越来越多，他们对简单化操作要求日益迫切。而我国现有汽车绝大多数仍使用手 动变速器，手动变速汽车由于频繁换挡的操作，易使驾驶员疲劳，影响行驶安全； 而不同的驾驶技术水平对车辆的燃料经济性、动力性、乘坐舒适性造成极大差异， 所以为减轻驾驶员的工作，使其有更多时间注意到道路工况和车况，提高行驶安 全性和舒适性，迫切需要车辆变速实现自动化。电子控制技术和计算机技术的飞 速发展为车辆变速自动化提供了强大的技术基础。 目前自动变速器种类很多，主要有液力自动变速器f a r ) 、电控机械式自动变 速器( a m t ) 、金属带无级自动变速器( c v t ) 。液力自动变速器( a t ) 已有6 0 多年 的历史，占据着自动变速系统的主导地位。目前国产自动变速车几乎采用a t 传 动系统，如上海大众的帕萨特、长春一汽大众的奥迪a 6 宝莱等。a t 传动系统简 化了操纵、提高了舒适性和车辆的平均速度以及行驶安全性和通过性，但是，它 存在传动效率低、结构复杂、制造困难、成本高等缺点。目前，我国的汽车基础 工业还难以满足a t 的高技术要求。 金属带无级自动变速器( c v t ) 商品化的时间不长，是驾驶简便、提高车辆 燃料经济性的理想装置，但存在启动性差、制造困难、维修成本过高等不足，传 动带的强度和寿命问题以及传动带与带轮之间的滑磨等问题也限制了c v t 的传 动效率，目前在汽车变速器中的占有率尚不高。 电控机械式自动变速器( a m t ) ，具有传统变速器效率高、成本低、易于制 造等的优点，又具有自动变速器的操作方便、换档平稳等的长处，相对于液力自 动变速器而言，它更能满足重型汽车的动力传递。目前世界上许多都国家投入了 对电控机械式自动变速器的研究。由于电控机械式自动变速器是在传统的手动变 速器的基础上改装而成的，所以在我国具有很高的研究价值。 电控机械式自动变速器( a m t ) 已成为现代汽车自动变速器研究的热点，但 是大部分研究人员主要集中在对离合器的接合和换档品质的控制上，而对其执行 机构的研究却相对要少得多。而整个执行机构系统的结构及动态特性能的好坏直 接影响到汽车的起步、换挡控制品质和系统工作的可靠性。本课题研究了一种数 字电液伺服系统数字式伺服转阀，将其应用于汽车变速器上，具有结构简单、价 格便宜、换挡平稳等优点。 本课题研究的成果为a m t 技术提供了一种新的途径，具有一定理论意义和 。实用价值。 重庆大学硕士学位论文1 绪沧 1 2 电控机械式自动变速器国内外的发展及现状【1 7 j a m t 的发展可分为三个阶段。首先是半自动的s a m t 阶段。机械式变速器 的电控自动化始于7 0 年代中期，瑞典s c a n i a 的c a g 系统和德国d a m l e r b e n ：的 e p s 系统均采用了半自动操纵方式( s a m t ) ，使得换挡动作实现了自动化，由电子 控制的气动系统实现换挡，而换挡时刻出驾驶员踩离合器踏板来确定，电子显示 器可提示驾驶员何时为最佳换挡时刻。美国e a t o n 的s a m t 系统则更进一步地将 换挡时刻的离合器与发动机的控制纳入系统中，驾驶员只需通过简单的开关向微 机发出升挡和降挡信号，系统便能自动地完成所有的换挡动作。该系统还利用变 速器输入轴和输出轴的转速传感器确定在最佳换挡时机卅能换挡。在同一时期， 白俄罗斯工学院也开展了这方面的研究工作，其自动变速系统比e a t o n 的s a m t 系统更先进，采用2 参数换挡规律由控制系统完成选择挡位和换挡时机的工作， 并可像驾驶员手动操纵那样，利用发动机的调速实现换挡的同步，但是它们在起 步时仍然不能取消离合器踏板而实现全自动操纵。 第2 阶段是自动阶段。世界上第1 种全自动电控机械式自动变速器是1 9 8 4 年j f i 十铃公司投放市场的n a v i 一5 ，同时期出现的还有日本n i s s a n ，h i n o 和美国 e a t o n 的全自动变速系统。1 9 8 8 年德困z f 公司将其a u t o s h i f t 系统装车使用。在 此领域展开研究的还有美国f o r d 、意大利f i a t 、法国r e n a u l t 和瑞典的申宝等其 他大型汽车企业，使自动a m t 逐渐进入实用阶段。 第3 阶段是智能a m t 阶段。由于自动换档规律和起步时都受到环境、驾驶 员的驾驶水平和车况等因素的影响，f 1 本的五十铃( i s u z u ) 、尼桑( m s s a n ) 等开 始采用模糊推理的智能化方法进行此方面的研究。图1 1 是装有智能a m t 的日本 i s u z un a v i 5 型车辆控制示意图。利用神经网络实现挡位的最佳决策，其控制 加速踏板位置 一 _ _ 厂一 驾驶员意图 最 优 换 。一 一一挡 车速 控_，4 。一一一一一制_ _ 一 一 一- - 一规f 输山 二二二：= 汽车载荷 律 输入轴转速 图1 1 智能换挡控制系统示意例 f i g 1 1t h es k e t c hm a po fa u t o a m t i e c 重庆大学硕士学位论文1 绪论 智能化使得车辆a m t 在复杂多变的工作条件下，采用正确措施使换档规律、换 档品质、起步及变速性能进一步提高。 目前a m t 技术在美国和西欧己经商品化，其装车率逐年上升并得到了用户 的认可。我国的a m t 研制工作起步较晚，鉴于现在a m t 的发展趋势，我国的 a m t 研究跨越了半自动化阶段，而直接进入自动a m t 的研制。当前已开展这方 面研究的有上海交通大学、吉林工业大学、北京理工大学、重庆医疗机械工业公 吾】等。吉林工业大学研究的2 参数最佳换挡规律、动态3 参数换挡规律、离合器 最佳接合规律等换挡和起步规律、最佳同步换挡控制、动态闭环换挡控制、离合 器模糊起步控制等处于世界先进水平。1 9 9 8 年8 月吉林工业大学自主开发研制的 桑塔纳2 0 0 0 型a m t 样车通过了由原国家科委、原机械工业部、上海交通大学、 清华大学和上汽集团组成的鉴定委员会的鉴定，与会专家一致认为该研究成果达 到了国际先进水平，这标志着我国a m t 技术的发展已进入到产品化阶段。 1 3 电控机械式自动变速器的原理 1 3 1 电控机械式自动变速器基本原理【1 7 】 电控机械式自动变速器( a m t ) 是在传统同定轴式变速器和千式离合器的基 础上，应用电子技术和自动变速理论，以电子控制单元( e c u ) 为核心，通过液压 车速 i | 丽琢磊 电信号 感觉1 氅声音 叫燃乐瓣 感觉一面矗页! ! 童 意图 加速踏板 t t 厂! j 发动机转速- 一叫中间轴转速_ i l l 一j 【变速器j 离合器 【节气门 执行机构 执行机构 执行机构 一厂一i 变速器- 离台器一 - 节气门| f 发动机 图1 2 电控机械式自动变速器控制原理图 f i g 1 2d i a g r a mo fa u t o m a t e d m a n u a lt r a n s m i s s i o n 重庆大学硕士学位论文1 绪沦 执行系统控制离合器的分离与接合、选换档操作以及发动机节气门的调节，来实 现起步、换档的自动操纵。a m t 控制的基本思想是：根据驾驶员的意图( 加速踏 扳、制动踏板、选择器开关等) 和车辆的状态f 发动机转速、输入轴转速、车速、 档位) ，依据设定的规律( 换档规律、离合器接合规律等) ，借助于相应的执行机构( 供 油控制执行机构、选换档执行机构、离合器分离和接合执行机构) ，对车辆的动力 传动系统f 发动机、离合器、变速器1 进行联合操纵。其原理如图1 2 所示。 1 3 2 电控机械式自动变速器的基本组成 a m t 系统由下列四部分组成【1 8 1 ： 被控对象：包括发动机、离合器和变速器。 执行机构：包括电机、电磁阀( 普通电磁阀和高速电磁阀) ，液压缸( 离合器 作动缸和选、换档油缸) 等。 传感器：包括速度传感器( 发动机转速传感器、输入轴转速传感器、车速 传感器、油门开度传感器、档位传感器等。 电子控制单元( ( e c u ) ：包括c p u ，r a m ，i o 接门等。 1 4 电控机械式自动变速器的执行机构研究状况 电控机械式自动变速器的控制机构有选、换档和离合器执行机构，其结构形 式主要有电一气式、全电式及电一液式三种，由于气体的体积可压缩性，换挡速 ，1 r 】选挡 幔挡 ! 曼ij 墓l 墨 i 学莲爹磐 ! i 22 j - q _ , - i ，+ ，_ 。二学 2 争 由： 重庆人学硕士学位论文1 绪论 度变慢，但对于有气源的车辆u ，以不用再为a m t 增加能源、凋压与蓄能器等设 备，使成本降低是其优点。而全电形式虽在价格、质量上有优势，但调整困难， 还不太适合大量生产。故目前用得最多的仍是电一液执行机构，它不仅可用于高 扭矩范围，有最快的换挡速度而且与其它液压系统可实现最佳配合( 如与液力变矩 器的匹配1 。图1 3 是电控一液压执行机构的原理图【1 8 j 。 变速器换挡执行机构可采用多种方案，下面就两种主要的方案进行介绍【2 l l ： 方案1 ：对变速器换档机构进行改制，增加1 个电机、控制凸轮、摇臂销等。 电脑e c u 发出指令电机动作凸轮转动摇臂销移动( 具有选档和换档双重功 能1 带动拨叉轴移动完成选档和换档动作。 方案2 ：对变速器换档机构不进行任何改动，增加2 个电机和连杆机构，其 中1 个电机负责选档，另1 个电机负责换档，连杆机构与换档杆连接。电脑e c u 发出指令，由执行机构完成选档和换档动作。 1 5 本论文主要研究的内容 本论文主要针对变速器换挡执行机构，在分析比较了现有的电子式和电液式 电控机械自动变速器的优缺点的基础之上，设计出了一种新型数字电液伺服式 a m t 自动变速器换挡执行机构。该机构主要采用电液伺服系统作为操纵系统，分 别采用了由一个步进电机控制的伺服转阀作为机械变速器操作机构的动力源。整 个系统结构简单，且可控性好，换档品质高。 本文主要研究的内容如下： 首先总结分析了现有a m t 自动变速器的优缺点，在此基础上提出了改进 方案，为本文所要详细论述的机械自动变速器改进作基础； 设计了一种变速器自动换档机构数字式伺服转阀，在结构上进行了相 关的设i i 一和计算，并就液压系统做了计算和分析： 分别对上述的数字摆动液压缸的转阀和摆动液压缸建立数学模型，并在此 基础上建立了整个系统的传递函数； 使用m a t l a b 软件对系统的稳定性能和动态特性的进行分析，得出系统 的可行性。 设计了数字伺服转阀的控制系统，选用可编程控制器( p l c ) 作为控制器， 并编写了相关程序； 为了验证程序的可行性，同时也为了使设计更直观化，本文还用组态王作 为上位机监控系统，并用所编制的p l c 程序对组态王进行交互式控制： 蘑庆人学硕十学位论文 2 变速器臼动换挡液压系统的设计 2 变速器自动换挡系统设计 2 1 自动换挡系统的设计 2 1 1 自动换挡系统设计方案的提出 电控机械式自动变速器主要有电子式和电液式两种。 电子式a m t 主要是由电机直接作为变速器操纵机构的动力源。由电机赢接 控制的a m t 可控性好，能够满足接合速度变化的要求。但选择控制电机时，由 于步进电机的矩频特性很差，对负载变化的适应能力差，所以一般选用伺服电机。 而伺服电机价格昂贵，且一个车上至少有两个这样的电机，势必造成整个装车系 统的成本的升高，对于我们所研究的经济型小汽车来说不实惠。另外，由电机直 接控制，对异常情况的处理能力差。 电液式a m t 是在电子式的基础上增加了液压系统作为动力系统，液压系统 主要由一些开关阀和节流阀组成，具有一定的缓冲能力，但系统比较复杂，不能 够满足接合速度变化的要求，换挡不平稳( 凶液压系统中的电磁阀的开启和关闭 速度快且无法控制，还易引起液压冲击，使换挡不平稳) 。 本文在参考了上述两种a m t 自动变速器的基础上，借鉴了电子式a m t 的数 字控制的优点，同时也借鉴了电液式a m t 的液力放大和缓冲性及负载自动卸荷 的长处，设计出了一种新型的数字电液伺服系统数字式伺服转阀。这种数字 式倒服转阀主要由步进电机、转阀和摆动液压缸组成，转阀和摆动液压缸设计为 一体，构成单位反馈伺服系统。将这种数字式伺服转阀分别安装在机械变速器的 选挡杆和换挡杆上，通过控制这种数字式伺服转阀来控制变速器换挡机构动作顺 序及快慢，从而达到控制变速器换挡的结果。装有这种数字式伺服转阀的变速器， 具有如下几个特点：结构简单，因为该系统主要由步进电机，摆动液压缸利转阀 三部分组成，与电液式的相比构件少，且摆动液压缸和转阀被设计成为一体，便 于加工制造；抗干扰能力强，由于步进电机抗干扰能力强，既能实现开环控制， 又能实现闭环控制；换挡平稳，因为这种系统的可控性好，可以通过控制两个步 进电机接收到的脉冲数量和速度来控制系统输出的转角和转速，从而达到控制同 步器结合的速度；能自动处理异常情况，当出现卡死等异常现象时，液压系统检 测到压力升高，自动卸荷。 2 1 2 自动换挡液压系统 本文设计的自动换挡液压伺服系统如图2 1 所示。该系统采用从常流式转向 器的进油口处接一个储能器，将该储能器的油液作为变速器的动力油源，当莆能 器达到要求的压力时，液压泵通过开关阀( 一个两位两通电磁阀) 停止供油，实王儿 重庆人学硕十学位论文2 变速器自动换挡液压系统的设i l 系统的间隔式供油，从而控制了变速器进油量的供给，实现自动变速器的工作过 程和汽车的平稳换挡。另外在回油油路中设有个溢流阎，是为了在选、换过程 中如出现了卡死情况，使油液压力升高时，溢流阀就起卸荷的作用。 摆动油缸2 摆动油缸1 r r i = 、 、 l l 工= _ t 7 ：一 转阀1 【l _ _ ， 掣! 。i 上一皇1 j 一寸一j 转阀2 lj t ，d 广_ 1 g ，p ，i二_ 一 接转 。乏一： 向器 开关阀 图2 1 自动换挡系统液压幽 f i g 2 1h y d r a u l i cd i a g r a mo fa u t o m a t i e c 2 1 3 数字式伺服转阀的组成及结构设计 图2 1 中虚线框的部分被设计成一种数字式伺服转阀，本文所设计的数字式伺 服转阀结构如图2 2 。 重庆大学硕士学位论文 8 2 变速器自动换挡液压系统的设“一 篇暴 器逍裂l肇磐h = 璐；_ 【 臣蕲帮副 n t 相等j = 蟮鲻崔i c t 卜辑君鹾爱蒋取j 暴m议基督取甚匿星辩iq徘屡蜃蜱；均堡垦辑-n是p划龄；【 o三詈奇蠹o-o己o028_【是哥i弓芎宣盘磬一口q鲁芑；丧u11nn瘩 匦晕嚣窨星辑爱晕懈藕nn囤 重庆人学硕士学位论文 2 变速器自动换挡液压系统的设计 数字式伺服转阀主要由步进电机、转阀和摆动液压缸三部分组成，其中步进 电机是运动控制的实施机构，数字式伺服转阀是运动的执行元件。当步进电机1 接收到p l c 控制器发出的数字脉冲信号后，便成比例地转换为转阀阀芯2 的转动 角位移0 ，这时阀芯2 就相对于阀套3 转过0 的角度，于是转阀的进油口打7 i ，同 时便有一个单位体积的液压油通过转阀进入摆动液压缸，推动液压缸转子9 转过 一定的角度，带动负载( 机械变速器的变速杆或叉形拨杆) 转过相同的角度。同 时由于液压缸的轴6 与转阀的阀套3 成固定联结，所阻轴6 的转动也带动阀套3 ， 使其转动且转向与阀芯2 的相同，欲将已打丌的阀口关闭。如此循环动作，便形 成了单位反馈的液压伺服系统，即步进电机转过多少角度，摆动液压缸最终将输 出相同的角度。由于这一特点，我们便可以通过控制步进电机接收的脉冲数，来 控制摆动液压缸的输出转角，从而也就达到了控制变速器的选换挡动作。 在设计数字式伺服转阀过程中，主要考虑了下面三个要素。 控制电机 本文采用步进电机作为数字式伺服转阀的控制电机，是因为步进电机是能用 作开环控制的位置控制电机，且能直接接受数字量输入，适合于微机：直接控制。 步进电机在f 常运行情况下，它转过的总角度和输入脉冲数成正比；连续输入一 定频率的脉冲时，电机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压 波动和负载变化的影响；步进电机只有周期性的误差而无累积误差，所以使用步 进电机控制位置和速度非常简单、方便，且控制精度高。本系统中的步进电机用 于直接控制转阀的转动角度及角速度。由于转阀与摆动液压缸构成了单位伺服系 统，所以步进电机也间接的控制了摆动液压缸的输出转角。利用上述步进电机转 角与输入脉冲数一一一对应的优点，我们可以通过控制步进电机接收到的脉冲数来 控制摆动液压缸的输出转角。 转阀的设计 本文选用转阀作为系统的开关换向阀，是因为步进电机的输出是旋转运动， 如果选用一个三位四通阀，就必须增加转换机构，将直线运动转换为旋转运动， 而转阀可免去了这一环节。这样设计即经济，又节省了空间，对于本文所研究的 经济型轿车来说很适用。 本文设计的转阀是以图2 3 所示的电液伺服转阀的结构为设计基础，因为这种 转阀结构简单，容易制造，价格低廉。 该转阀是三位四通阀的形式，阀内设置四个通油腔，即o 腔回油腔，p 腔压力油腔，a 腔和b 腔控制油腔。阀体1 内设置四个环形通油槽，既 o 腔槽、p 腔槽、a 腔槽和b 腔槽。阀体1 的结合面上相应的开出四个与环形通油 槽相切的通油接口。阀芯3 上对应于o 腔和p 腔处开有两个环形油槽，即回油槽 重庆大学硕士学位论文2 变速器自动换挡液压系统的设计 6 和压力油槽7 。对应于a 腔和b 腔处有2 个相同形状或面积的油槽，油槽之间有 一定宽度的凸肩，用凸肩包油槽隔丌并对称分开，一组为压力油配油槽8 ，另一组 为回油槽9 。在阀：卷3 的端部至少钻两个轴向油孔，使其中一个油孔与压力油配油 槽8 和压力油槽7 相通，而另一个油孔与回油配油槽9 和油槽6 相同。然后在阀 芯端部用丝堵把油孔端部堵死。阀套2 上对应于o 腔和p 腔处对称丌有径向油空。 使阀芯2 上的回油槽6 与o 腔相通、压力油槽7 与p 腔相通。在对应于a 腔和b 腔处各做2 个控制窗v i ，并使a 腔处窗口与b 腔处窗l _ - 互成1 8 0 度，其控制窗口 的大小应小于对应阀芯3 上的凸肩宽度，使其形成正覆盖。 本文设计的转阀主要借鉴了上面数字转阀的油道和油槽的结构，使得阀的各 个方向受力平衡，减少甚至消除了因压力不平衡而引起的偏磨现象。 总之，本文设计的数字式伺服转阀既具有普通阀的开关功能，同时也能起一 个三位四通阀换向的作用。 图2 3 一种数字液压伺服转阀结构幽 f i g 2 3t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fad i g i t a lh y d r a u l i cf o r c es e r v or o t a r y v a l 。 1 一阀体2 一阀套3 一阀芯4 、5 一步进电机6 一旧油槽7 一压力油槽 8 一压力油配油槽9 一回油酉己油槽 1 旷漏油口 1 l端盖 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 变速器白动换挡液压系统的设计 摆动液压缸的设计i ”i 摆动液压缸在液压系统的设计中是不常使用，一是因为它的输出运动是旋转 形式，二是因为摆动液压缸在高压时的泄漏比一般的油缸大，且由于是旋转运动， 所以泄漏不好控制。而在本文设计的系统中，油液的压力要求不高，所以泄漏小， 对整个系统的有效工作影响不大，同时本系统需要旋转运动输出，恰好能运用它 摆动输出的特点，所以本液压系统选用摆动液压缸作为动力源。 摆动液压缸能实现小于3 6 0 。的往复摆动运动，由于它可直接输出扭矩，所 以又称摆动液压马达。它有单叶片形式、双叶片和三叶片形式，单叶片式摆动液 压马达原理如图2 4 所示。若从油口i 通入高压油，叶片2 做顺时针摆动，低压 油从油口1 i 排出。因叶片2 轴连在一起，故输出轴摆动，i j 时输出转矩，克服负 载。 + + + 一 ，、。i 、 每= = 二影l i 一一一一。 鬯_ ；一一1 、 | 1 幽2 4 摆动液压缸原理图 f i g 2 4 d i a g r a mo fh y d r a u l i co s c i l l a t i o nc y l i n d e r 1 一摆动液压缸2 一转子叶片3 一定子叶片i ，1 i 一油液进出i ：1 转阀和摆动液压缸的控制关系 本文将转阀和摆动液压缸设计为一个整体，通过转阀壳体中的油道实现转阀 和摆动液压缸的控制，结构如图2 5 所示。在a a 和b - b 割视图中所打出的两个 油路将转阀和摆动液压缸两部分联系起来。两个油路对于摆动液压缸而言是一个 为进油路，一个为出油路。图中的右视图表明了两个油路在圆柱端面上的位置。 垩垦查堂堡主堂垡堡苎 ! 銮鲨墨鱼垫垫塑鎏垦墨堑塑堡生 鼍 。一t ，p 7 i 。j ? 冬、? 、i l 图2 5 伺服转阀壳体平面剖视蚓 f i g 2 5t h ep l a n ec u t a w a yv i e wo fs e l * v or o t a r yv a l v es h e l l 2 2 液压系统的计算与分析 2 2 1 摆动液压缸结构计算 本文选用小排量、经济型汽车作为研究对象，丰要技术参数。 负载力f = 4 9 n ：换挡杆臂长l = o 0 4 m ；压力油的工作压力p = o 5 m p a ； 工作行程转速n = 2 r s 估计摆动液压缸需要克服的总负载力矩丁 负载扭矩 瓦= f x f = 1 9 6 n m( 2 1 ) 摆动液压缸的总负载力矩，除变速器要求的外负载力矩外，还有缸体本身形 成的负载力矩，这些负载力矩包括缸的摩擦阻力矩、惯性力矩等。 在缸的转子与缸筒，轴与端盖之间都存在摩擦力矩。在转子和启动和停止时 均产生惯性力矩。 这些力矩虽然存在，但在缸的尺寸没有确定之前无法算出，但这些力矩值相 对于外负载来说又小得多，所以令 t = k 五 ( 2 2 ) 式中 z 、要求的负载力矩，为已知； 卜一 w厂，1l。，l 一 _ 亨刊i一-川 一，j 一 重庆人学硕士学位论文2 变速器自动换挡液压系统的设i k 液压缸本身的负载力矩的系数，这里取k = 1 1 ： r 输出力矩。 计算得 r = 1 1 1 9 6 = 2 1 6 n m 计算液压缸的结构尺寸 该摆动设计为单叶片式，设进出口压力分别为p l 干叩：，叶片轴向宽度为6 ) ， 叶片安装轴直径为a ( m ) ，缸体内径为n ( m ) ，则摆动液压缸的输出力矩为： r ：丝! 二趔幽 ( 2 3 ) 8 、。 根据已设计好的结构可以确定d = 2 2 r a m ，d = 4 4 m m ； 义已知p ，= 5 x 1 0 5 p a ，p 2 接回油箱，所以p 2 除了沿程的阻外，儿乎为0 ，所 以 6 ；坚= ：2 3 8 m m 6 。i i i j i 丽2 2 3 8 ”7 ” 为了便于加工，将宽度b 值取为2 4 m m 。 计算液压缸的输出力矩乃 根据( 2 3 ) 式算出矗： ，2 4 x 5 ( 4 4 2 2 2 2 ) x 1 0 4 o r 一 = 2 1 8 n m 计算液压缸所需的流量o 工作流量q 可计算得： q b x ( d 2 1 - d _ z ) 一x n x j z 缸壁的厚6 的计算 式中 p y = 1 5 p ：2 4 x ( 4 4 2 - 2 2 2 ) x 1 0 - 9 x 2 x x 4 ：5 5 1 0 5 m3 s 。p ，d o = 一 2 o 】 ( 2 4 ) 重庆大学硕士学位论文2 变速器自动换挡液压系统的设计 p 工作压力( m p a ) ； 驴一缸的内径； g r 许用应力( m p o ) 。 b 】；堡，其中g r 。为材料的抗拉强度，n 为安全系数，取n = 1 5 ； 本缸体采用4 5 + 钢，查阅机械设计手册得盯= 3 5 5 m p o ，所以计算得出 p 】_ 2 3 7 m p ，6 = 3 5 2 m m ，为了加工方便，将其定为4 m m 。 确定连接摆动液压缸转子与轴的螺钉f 1 4 】 螺钉所受的总的剪切力 f o = 孕 式中 缸的输出力矩； d 缸的小径。 计算得螺钉所受的总的剪切力f o = 1 9 8 n ； 螺钉受的总拉力 p o k o f o ( 2 5 ) n t u 式中 只螺钉受的总拉力； 可靠性系数，此处取值1 1 1 3 ； m 螺钉受力面数，此处为2 ； “接合面间摩擦系数，此处取值o 1 ； 将值代入式( 2 5 ) ，计算得出 e o = 1 0 8 9 n ； 螺钉的小径可由式( 2 6 ) 求得： d 螺2 式中 d 蝶螺钉的小径 ( 2 6 ) 重庆大学硕士学位论文 2 变速器自动换挡液压系统的设计 螺钉的屈服强度，： a j 。，n 为安全系数； 查阅机械设计手册，n 的取值范围在1 0 6 5 之间，所以这里取n = 7 计算得出 口b2 5 0 7 m p , ； 计算得出 d 摆5 9 7 m m ； 取螺钉的截面直径 d 蝶= 6 m m 。 查阅机械没计手册，选用g b t8 1 9 2 1 9 9 7 m 6 x 8 的十字槽沉头螺钉。 2 2 2 压力损失的计算1 6 1 回路中的压力损失包括直管道内的沿程损失和阀门、弯头、接头等处的局部 压力损失。即 卸；卸沿+ 卸局( 2 7 ) 根据公式 r 。；堕 式中 d h 流道过流断面的特征几何尺寸，对圆管来说，d “2d ； v 流体的运动粘度，一般液压系统中，在温度为3 0 6 0 eu 寸，耿值 为l o 3 0 m m2 s ，这里取1 5 r a m2 s ； v 液体流速，这里取为6 m s ： 算得月，：1 6 0 0 2 0 0 0 ，可知流动状态为层流。 所以可根据公式( 2 8 ) 计算卸沿 肇把一a 吉譬 ( 2 8 ) 其中 沿程阻力系数( _ r 6 a ) ； l 管的长度，取最大值5 0 m m ； d 管子内径，3 r a m ； p 液体密度，8 7 0 k g m 3 ； 重庆人学硕： 学位论文 2 变速器r 动换挡液压系统的设训 计算得出 卸沿_ 1 0 1 0 4 p a 局部压力损失可由公式( 2 9 ) 计算 卸局= 亭竿 ( 2 9 ) 其中 亭局部阻力系数，一般由实验求得，可查阅机械设计手册得； v 液体的平均流速，一般情况下均指局部阻力后部的流速。 所以 卸局= 1 2 x 1 0 4 p a 所以 肇= 印沿+ 卸局。2 2 x 1 0 4 p a_ 2 2 3 液压冲击的计算 当由阀类操纵等原因引起流体流动的急剧变化时，这部分流体的运动能就转 变为压力能，产生急剧的压力变化，出现瞬时高压，这种压力以流体中声音的传 播速度相同的速度传送。这种出现瞬时高压的现象称为液压冲击。液压冲击的危 害在于：震动、噪音、连接件松动，严重时会损坏机件与管道【2 2 】。 液压冲击的原因 1 ) 油流动的动量引起 卸= p c v ( 2 1 3 ) 式q p 流体密度； c 冲击波传播速度居) ： v 流体原有流速。 其中 厨 。：! 生： f 。d 。 e k 式中 k 流体体积弹性模量，推荐值为7 0 0 m p a ； d 管径； 6 管的壁厚： 里星丝兰塑堕兰堡垫 ! 壅堕堡垒垫垫塑鎏些至垫堕堡生 卜材料的弹性模量，钢的取值为2 , 1 l o l l p a 。 为了简便计算，本文将管路简化为绝对刚体，可由卜式计算 瓜 “2 1 万 计算得出 卸= 4 6 m p a 2 ) 共振引起： 主要是油泵的压力脉动及其它外界振荡因素引起。共振的原因在于振源的频 率- 与埘：相接近。解决办法可提高系统的固有频率，使其它干扰频率不致。 惯性力产生的动能引起： 由动能产生的压力p = 三，这个压力增加较人，往往需要考虑。 以 4 ) 截面积增压效应。 5 ) 体积弹性增压效应：包括管道的油液体积。 减小压力冲击的措施 1 ) 减小驱动“b b ；2 ) 吸收惯性能；3 ) 用蓄能器或缓冲器。 2 2 4 泄漏的分析 泄漏概述f 1 0 】 泄漏的问题，直接影响到机械的可靠性、经济性与先进性指标。在实际使用 q j ，泄漏将造成机器失灵、运转失常、效率降低、寿命缩短、安全事故、油料浪 费和环境污染等不同程度的危害。 泄漏的主要渠道是间隙，极少部分是小孔隐患与其它缺陷。所以异常磨损与 密封往往是造成不正常泄漏的主要原闪。 泄漏的形式一般分为内泄漏和外泄漏两种。内泄漏是不可避免的，某种情况 下是必要而有益的；外泄漏则应该避免，或者说是应减少到最低程度，尤其是高 压液压系统。 泄漏的原因错综复杂，实际中单墼 f 素与多因素约各占5 0 ，表面原因多位间 隙，管接头密封方面故障；诊断方法一般是压力与运动下降即油的外j 。其它原 囚有管接头与管口连接不当、油液污净不分造成意外磨损与丌裂即不按期维修与 更换原件等。 解决泄漏的方法，主要有堵、导、防与用四种途径。堵，当前对渗漏即固定 部分泄漏是很有效的：导的办法主要是内导法，如泄油管、挡油板等。但最主要 是需要设计合理的液压系统，尽量采用密封性好的元件。 重庆大学硕士学位论文 2 变速器自动换挡液压系统的没计 泄漏的控制 1 ) 间隙控制问题 原始问隙不妥；装配引起间隙畸变；磨损后间隙扩大。 2 ) 液压冲击问题 由液压冲击引起的泄漏，具体原因一般是密封圈损坏，接头与法兰松动，机 件原始强度恶化。液压冲击在液压系统中主要产生于变压、变速、变向或停车的 过程中。从液压系统没计角度出发，缓和液压冲击最有效方法是在油缸进出口管 道上设置蓄能器或灵敏的缓冲溢流阀，其次可用分级减压及用行程减速阀减少驱 动能：用缸内设缓冲器，涧内设节流器，运动部件终点设波纹管等方法吸收惯性 能。 3 ) 温升发热问题 液压系统温升发热引起泄漏，主要是由于油液粘度下降，热冲击引起压力增 加与间隙变化，以及发热使油液变质，密封圈硬化所致。油液温度在1 5 2 0 以 下以及在低温下机器长期停用，密封圈由于硬化而部分或全部失效的泄漏较少， 多数情况的泄漏是由于油温超过6 0 。c 时油液的粘度大大下降与油液变质所引起 的，此时，油温每升高8 。c ，油液寿命要降低一半。2 0 号油由2 0 升至8 0 。c ，由 于粘度降低，使泄漏增加2 1 4 倍，粘度较大的3 0 号油泄漏增加1 3 3 倍。 为了减小发热温升引起的泄漏，以液压系统的设计角度出发，首先要节制热 源，其次要充分散热。除控制外围介质温度，要注意减少气体混入系统的湍流中， 减少压力损失，限制阀内油液速度。 2 2 5 步进电机的计算与选型1 2 7 】 工作条件及要求 负载质量：m = o 1 2 k g 希望的转速：nt2 r s 步距角：卢= 1 - 8 。 希望加速时间：t = 0 5 s 脉冲速率 2 ，：! 塑6 x 2 x 6 0 4 0 0 h z 卢 1 8 负载的转动惯量j ，：生0 1 2 ( 1 0 5 x 1 0 - 3 y ：6 6 1 0s 磁m2 ；6 6 x 1 0 k g 洲z ，= 一= u u 、x ；o 2 2 运行转矩的计算 精确计算转矩是非常复杂的，习惯的作法是根据实际装置实测求取