（车辆工程专业论文）金属带式无级变速器建模、仿真与试验研究.pdf

摘要 摘要 金属带式无级变速器作为一种先进的汽车传动系统，一直是各国学者研究 的重点，近些年也逐渐得到国内外汽车公司的采用。开展金属带式无级变速器 的结构、建模、仿真与试验研究，具有重要的理论和工程实用价值。本文在同 济大学与西门子v d o 公司合作开发无级变速传动系统控制策略的项目资助下， 对金属带式无级变速器的传动机理、匹配原理和控制策略进行了系统深入的动 力学分析和试验研究。具体内容如下： ( 1 ) 通过实物拆解，分析金属带式无级变速器的机械部件与液压控制回路 结构，研究其带传动机构和液压工作阀的工作机理。 ( 2 ) 分析无级变速器匹配发动机的工作原理和控制目标，并公式推导其在 动力性和经济性上比较传统自动变速器的优势。介绍系统控制结构和控制算法， 为后文做理论铺垫。 ( 3 ) 分别建立湿式多片离合器和带传动机构的动力学微分方程，基于 m a t l a b s i m u l i n k 工具箱搭建仿真模型和控制算法，通过仿真结果对比说明先进 的模糊控制策略可以更有效的实现无级变速系统控制。 ( 4 ) 基于s i m u l i n k s i m d r i v e l i n e 传动系统物理建模工具箱，采用已得的先 进速比和离合器结合控制算法搭建整车和传动系统的物理仿真模型，通过车载 转鼓台架试验采集的试验数据跟模型仿真结果对比从而验证了模型准确性。 综上所述，可见采用s i m u li n k s i m d r i v e li n e 传动系统物理建模工具箱既 简化了建模复杂性，又准确描述了系统的动态响应，是汽车电控系统快速原型 开发的必要步骤。同时对比传统p i d 控制方法，添加了模糊自适应控制环节后， 控制参数更加精确化且稳定性提高。 关键词：金属带式无级变速器，台架试验，s i m d r i v e l i n e ，建模，模糊控制 a b s t r a c t t h em e t a lp u s h i n gb e l tc o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ( c v r ) w h i c hi s c o n c e r n e da sa na d v a n c e dp o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t r e s e a r c hi t e m sb ya u t o m o t i v ee x p e r t sa l lo v e rt h ew o r l d ，a n dt h e s ey e a r saf e w a u t o m o t i v ec o m p a n i e sh a sb e e nf i x e di to nt h e i rn e wc a r s t u d yo nt h es t r u c t u r e ， m o d e l i n g ，s i m u l a t i o na n dt e s t o nt h em e t a lp u s h i n gb e l tc v th a di m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n gv a l u e t h ed y n a m i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f t r a n s m i s s i o nw o r k i n gt h e o r y , m a t c h i n ga n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ec v th a v eb e e n c a r d e du n d e rt h ej o i n tp r o j e c tb e t w e e nt o n g j iu n i v e r s i t ya n ds i e m e n sv d o t h e p a p e rc o n t e n ti n c l u d e s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ed i s a s s e m b l yo ft h em e n t a lp u s h i n gb e l tc v t t h e s t r u c t u r e so ft r a n s m i s s i o nm e c h a n i c a ls y s t e ma n dh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma r eb o t h a n a l y z e d t h ew o r k i n gt h e o r yo fv a r i a t o ra n dh y d r a u l i cv a l v e sa r es t u d i e d ( 2 ) t h ep r i n c i p l eo ft h ec v tm a t c h i n ge n g i n ea n dt h ec o n t r o lo b j e c to ft h e c v ta r ea n a l y z e d ，t h e nt h ea d v a n t a g e si nt e r m so ff u e l e c o n o m ya n dp o w e r p e r f o r m a n c eo fc v t a r ed e m o n s t r a t e d t h ew h o l ec v tc o n t r o ls t r a t e g ys t r u c t u r ea n d t h em a t h e m a t i c a lt h e o r yo fc o n t r o la r i t h m e t i ca r ei n t r o d u c e d ( 3 ) t h ek i n e t i ce q u a t i o n sb o t ho fw e tc l u t c hs y s t e ma n dc v tv a r i a t o rs y s t e m a r es t u d i e d ，a n dt h e p o w e r t r a i nm o d e l w i t hc o n t r o la r i t h m e t i ci ss e tu pu s i n g m a t l a b s i m u l i n k a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ti s f o u n dt h a tt h ea d v a n c e d c o n t r o ls t r a t e g ys u c ha sf u z z yl o g i cw i l lc o n t r o lt h ec v ts y s t e mm o r ee f f i c i e n t l y t h a ng e n e r a lp i dc o n t r o ls t r a t e g y ( 4 ) b a s e do nt h ea d v a n c e dr a t i oc o n t r o la n dc l u t c hc o n t r o la r i t h m e t i c ，t h e t r a n s m i s s i o na n dv e h i c l em o d e l sa r es e tu pu s i n gt h en e wm a t l a bp h y s i c a lm o d e l i n g t o o lb o x s i m u l i n k s i m d r i v e l i n e , a n dm o d e l sa r ev a l i d a t e dc o r r e c t l yb yt h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ed a t af r o mt e s to n - b o a r d i nt h e f i n a l i t y ,s e t t i n gu p v e h i c l ea n dt r a n s m i s s i o n m o d e l s b y s i m u l i n k s i m d r i v e l i n ei sc o n s i d e r e dt ob ea l ln e c e s s a r yp r o c e d u r eo fr a p i dc o n t r o l p r o t o t y p i n g ( r c p ) o fa u t o m o t i v ee l e c t r i c a ls y s t e m st h a ti sa b l et on o to n l ys i m p l yt h e i i a b s t r a c t c o m p l e x i t yo ft h em o d e l i n g ，b u ta l s oc o r r e c t l yd e s c r i b et h es y s t e md y n a m i cr e s p o n s e s f u r t h e r m o r e ，c o m p a r e dw i t ht h en o r m a lp i dc o n t r o la r i t h m e t i c ，i ti sf o u n dt h a tw h e n t h ef u z z yl o g i ci sa d d e d ，t h ec o n t r o lp a r a m e t e r sa r em o r ep r e c i s ea n dt h es y s t e mi s m u c hm o r es t e a d y k e yw o r d s ：m e t a lp u s h i n gb e l tc v t , t e s to n - b o a r d ，s i m d r i v e l i n e ，m o d e l i n g ，f u z z y l o g i c i i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 第1 章引言 1 1 课题来源 第1 章引言 本课题来自同济大学与西门子v d o 公司合作开发车用金属带式无级变速器 的控制策略的项目。同济大学自动仿真研究所在传动控制领域作了多年的研究， 成绩显著，曾经独立开发了自动变速器电控单元( t c u ) 以及全部控制策略。作为 合作单位的西门子v d o 公司是全球著名的汽车电子零部件供应商，也是此研究 对象的控制系统硬件开发单位，有着丰富的开发经验。 1 2 无级变速器分类 c v t 根据传动方式的不同可大致分为四类： ( 1 ) 利用柔性介质传动，如利用液体作传动介质的液力传动。该种传动方 式是一种组合传动方式，将中间充满液体的液力变矩器或液力耦合器置于发动 机与变速箱之间，利用液体的柔性可使液力变矩器或液力耦合器的传动比在一 定范围内变化，与有级的变速箱组合可实现相当范围的无级变速。 ( 2 ) 以电磁流为介质的传动，该种变速方式以电机调速为主体，有电磁滑 差式、直流电动机式和交流电动机式。 ( 3 ) 摩擦传动，由于在摩擦传动中，主从动件之间的接触位置可以很容易 的改变，利用这一特点可以连续改变传动比，所以摩擦式无级变速也是目前应 用极为广泛的一种无级变速方式。 ( 4 ) 脉动式无级变速，脉动式无级变速是以组合方式来实现无级变速，以 连杆机构为主体，单向超越离合器为转速过滤装置，过滤出某一范围内的转速， 这一范围之外的转速将不被输出，由于这种输出转速具有脉动性，所以称之为 脉动式无级变速。 装车的机械式无级变速器主要有金属带式无级变速器、金属摆销链式无级 变速器和锥盘滚轮式无级变速器。 至今所有的金属带式无级变速器的带传动结构都是基于v d t 的原型 p u s h i n gb l o c kv - b e l t ( 推力v 型带) 。它由特殊材质制成的金属薄片( 亦称金属 第1 章引言 摩擦片) 和金属带环纽成。如图ll 所示，这蝗金属摩擦 砧满了整条金属带环， 通过摩擦滑动并十h 推进来传递扭矩，并在主、从动轮动锥盘的变化下改变金 属带工作半径从而有效调节速比( 如图l2 ) 。 幽13 摆销链结构 幽】4 锥盘滚轮式无级变谴器 第1 章引言 t o r o i d a lc v t 又名锥盘滚轮式无级变速器，是一种典型的牵引式变速器，它 依靠油膜的剪切力来传动动力，由于避免了金属与金属的直接接触，因而能够 实现快速、稳定和低噪音调速。 1 3 金属带式无级变速器发展历史 金属带式无级变速器从发明到使用近1 2 0 年历史，现在全球的行驶的车辆 的装配量比例已超过5 ，在中国的应用也长达十年的时间。 1 8 8 6 年，卡尔本茨开创性的将v 型橡胶带安装在汽油发动机汽车上，希望 实现无级变速。虽然应用上并没有成功，但为后人提供了一个全新的传动系统 的设计思路。 2 0 世纪2 0 年代，通用公司改进了基于双向环行滚珠牵引原理设计的h a y e s 自动选档装置，并大批量安装在a u s t i ns i x t e e n 汽车上。 1 9 5 8 年，荷兰v d t 公司的奠基人h u bv o nd o o m e 研究开发出采用双橡胶v 型带，名为v a r i o m a t i c 的自动变速装置。经过修改后可以满足1 4 l 发动机的要 求，并实现了5 l k w 功率的无级变速传动。随后橡胶带又被金属带所代替，于是 金属带无级变速器的雏形便诞生了。 1 9 8 2 年，v d t 公司工作人员根据同样的推力传动原理，对原来的v 型带传 动结构进行了改进，用更薄的摩擦片代替原来的摩擦片，并且在摩擦片鞍部、 底部和锥盘母线部分作了新的改进。 1 9 8 7 年，世界各大汽车及零部件公司，例如意大利菲亚特、美国福特、日 本富士重工相继推出了自己的车用金属带无级变速器。 1 9 9 7 年，改进后的金属带无级变速器首次用于匹配大扭矩发动机 ( 3 0 5n m ) ，也结束了c v t 只能应用于中小汽车的历史，为汽车能够大规模运 用金属带无级变速器铺平了道路。 国外各大汽车公司的车型都有c v t 版，例如德国b m w 公司的m i n i 、日本 丰田公司的花冠等。国内生产的安装有无级变速器的车辆主要匹配的也是会属 带无级变速器，例如：广州本田飞度、南京菲亚特派力奥、东风日产天籁、奇 瑞旗云( 无间版) 以及最新上市的海马福美来2 代。 3 第1 章引言 1 4 课题研究目的与意义 目前世界上主要的无级变速器生产厂家有德国的z f 、l u k ，日本的富士重 工、本田、日产，美国的福特、克莱斯勒和意大利菲亚特等。2 0 0 2 年v d t 公司 的金属带专利到期，各大公司进入无级变速器领域的门槛降低了。国内也有部 分企业在从事这方面的产业化研究，在未来的中国市场上必将出现拥有自主品 牌的无级变速器。本课题目的是从金属带式无级变速器的构造、传动机理及控 制策略入手，对无级变速器进行拆解、测量，进行无级变速传动系统的建模、 仿真控制及硬件在环实验研究，为国内研制开发车用无级变速器控制策略提供 理论基础和指导。 汽车变速器是为解决发动机输出转速和转矩与车辆驱动所需转速和转矩之 间的矛盾而设立的。车辆行驶性能的好坏，不仅取决于发动机，而且在很大程 度上还依赖于变速器以及变速器与发动机的匹配。目前，无级变速器( c v t ) 与手 动变速器( m t ) 、自动变速器( a t ) 都已成为汽车上的重要传动装置。无级变速器 与活塞式内燃机相匹配可以构成理想的传动系统供应特性场，它以其结构简单 紧凑、高燃油经济性、低排放和轻便驾驶的特点被认为是未来汽车传动技术发 展进程中的关键性技术之一。同时在计算机技术高速发展的今天，结合电子控 制技术，综合考虑发动机和无级变速器。实现汽车传动系统的综合控制，这将 使无级变速传动的优点得到进一步发挥。 近年来车用无级变速器逐渐受到市场的青睐，也成为各大汽车零部件公司 和科研单位研究的重点。尤其在石油紧缺和环保要求提升的今天，研究的必要 性得到许多专家的认可。因此，对金属带式无级变速传动的基本理论及控制策 略进行深入研究，并结合仿真及实验分析，对我国轿车工业研制和开发无级变 速传动系统具有重大的现实意义。 同时，传统的变速器控制器开发从定义被传动系统的动力学模型开始，反 复进行控制算法仿真和代码编写，将大部分的精力放在编写复杂的硬件目标代 码和调试中，而忽略了控制算法这一核心内容，导致开发周期长、费用高、可 靠性差。为了极大地提高控制系统软件开发效率和开发水平，为此国际上形成 了如图1 5 所示的v 字形开发流程，是一个以多个开发工具构成的封闭的开发链， 并且建立的一个统一规范的软件开发平台使得各个开发阶段间有效地衔接，既 满足传动控制系统的功能设计又可以实时的快速的原型验证。这种方法我们称 4 第l 章引肓 z j , j 快速控制原型( r c p ) 开发模式，具有代表性的是德国d s p a c e 公司开发的 一套基于m a t l a b s i m u l i n k 控制系统开发及测试的工作平台d s p a c e 实时 仿真系统。d s p a c e 实时系统充当控制算法和逻辑代码的硬件运行环境，通过 板与控制对象连接进行研究和实验，验证控制方案的可行性，大人简化了开发 过程提高了开发效率。 恍琏 屠参 t ”i i 此 l 刘l5v 型开发流种示意闰 15 国内外研究现状及展望 金属带式无级变速器的结构、力学分析、传动效率分析等，国外的研究已 经成熟，现在的主要研究热点就是c v t 匹配大功率发动机、c v t 和发动机整体 控制策略、起动控制和电液控制系统的控制策略，如智能p i d 控制、模糊控制 和神经网络最优化控制等。 只本本田公司的f 、l i 讧等人分析了金属带的受力关系、扭矩传递能力与带轮 挤压力的关系，发现在一定的扭矩比条件下，挤压力l l ( q p q s ) z , 速比几乎与带 轮没关系，挤压力比主要取决于速比，为了便于实现电子控制推力比，简化了 其 r 算经验公式。 对0 无级变速传动的控制，美国威斯康新大学的m a d i s o n 教授对金属带进 第1 章引言 行了实验研究，其控制系统是建立在稳定状态，即力、扭矩、传动比一定的情 况下，通过脉宽调制来进行控制，实验证明，采用脉宽调制是最佳的控制方式。 它采用四个变量( f p 、f s 、t 、i ) ，任意两个变量均可由其它两个变量确定，其输 入信号主要由加速踏板决定。 日本学者t o h r u 等对金属带的换档特性进行了实验研究及理论分析。他们在 实验中发现有两种速度变化模式：一种是蠕变模式；另一种是滑移模式。 但在这方面国内研究和试验分析等才刚刚起步。进行研究较早主要有吉林 大学、东北大学、华南理工大学和重庆大学，在无级变速器的力学分析、传动 效率以及传动控制等方面已经进行了实车试验，并取得了不错的成绩。 金属带式无级变速器的试验应包括台架及路况试验，c v t 专用台架技术由 几个大公司垄断，如z f 公司、d o o m e 公司等，而且c v t 的动态实验都能在专 用台架上进行，其成本很高，国内外研究人员基本在普通的传动实验台或是试 验车上配合仿真进行。硬件方面：集中研究传动带一棘轮型式的无级变速器， 其中v a nd o o m e 型式的金属带传动占主流地位，也是今后重要的发展方向；软 件方面：采用电子控制以使变速工况多样化，由于改善了过渡响应特性，从而 进一步提高了车辆操纵性和行驶性；开发模式方面：按照v 型快速原型开发模 式，采用各种开发工具，极大提高c v t 控制系统的开发效率。 1 6 论文主要研究内容 本文对金属带式无级变速器作了应用前景分析、结构分析、仿真分析以及 试验研究，主要内容如下： ( 1 ) 金属带无级变速器应用前景分析，构造和传动机理分析，动力性与经 济性计算分析和发动机匹配分析。 ( 2 ) 推导其传动系统的动力学微分方程组，运用m a t l a b s i m u l i n k 建立车辆 起动离合器控制模型和速比控制模型，总结控制规律。 ( 3 ) 根据拆机构造分析，采用m a t l a b s i m u l i n k 最新的物理建模工具箱 s i m d r i v e r l i n e ，建立发动机、整车以及控制模型，分析其在几种常规工况下的运 行情况。 ( 4 ) 采用d s p a c e 采集c a n 上通讯的车辆转鼓台架试验数据，对比离线 仿真结果，从而修改和完善整车及控制模型，为硬件在环仿真试验做准备。 6 第2 章金属带式无级传动系统研究 第2 章金属带式无级传动系统研究 2 1c v t 结构分析 本课题组通过对研究埘象的拆解，彻底分析了某会届带式c v t 的结构巾局、 功率流，为物理模型的建立提供实物依据：并通过i 维建模汁算出主耍转动部 件的转动惯特，提高了仿真模型的准确性。 2 11 金属带式c v t 总布置 l 一主动轮系2 _ 金属带3 一从动轮系仁娈述器壳体 5 一藉述器6 一卡减速器7 _ 动力辅入轴8 一湿式离台器 图2i 金屈带c v t 机构分却l 刳 第2 章金属带式无级传动系统研究 现代汽车工业为了满足节约空间、节省材料、减少质量和提高回收率的要 求，对于传动系统的设计制造提出了新的难题，新的材料与制造技术使得新型 的变速器更加功能集成化结构复杂化制造精益化。金属带式无级变速器主要包 括以下几个子系统：离合器、带结构传动系统、主减速器以及差速器和变速器 壳体，作为一个变速装置涵盖了从发动机到驱动半轴所有动力输出机构的功能。 经拆解分析如图2 1 所示。 如图2 2 和2 3 所示为研究对象的动力传递过程分析，其中左图为动力正向 输出的传递流，右图为动力反向输出的传递流，方向的改变主要依靠对于两个 离合器的结合控制。两图中深色线路表示动力传递路线，浅色线路表示离合器 或锁止器接合。 动力正向输出模式：前进档离合器接合，倒退档锁止器打开。发动机输出 力矩传递流为：输入轴行星轮支持架一前进档离合器一主动盘一金属带一从 动盘一主减速器一差速器壳一差速器输出轴。 动力反向输出模式：前进档离合器打开，倒退档锁止器接合。发动机输出 力矩传递流为：输入轴一行星轮支持架一行星轮系一倒退档锁止器一行星轮系 一主动盘一金属带一从动盘一主减速器一差速器壳一差速器输出轴。 图2 2c v t 动力传递流( 正向)图2 3c v t 动力传递流( 反向) 2 1 2 湿式离合器 第2 章金属带式无级传动系统研究 在动力接合方面，金属带式c v t 有的采用的是湿式多片离合器，如z f v t l f ；有的采用液力变矩器，如h o n d ac v t ；还有的采用电磁离合器，如 s u b a r ue 2 c v t 。虽然它们的结构不同，但要求的控制技术和解决的问题基本 是一致的。本文的研究对象为湿式多片离合器。 前进档离合器工作原理( 如图2 2 ) ：电磁阀做功，高压油进入活塞腔，随 着油压的逐渐增加，活塞克服回位弹簧的阻力向前运动，同时推动推片前进， 使得离合器摩擦片、从动片做轴向运动并相互结合。同时动力从输入轴进去， 输出轴转动带动行星架同向转动，从而带动摩擦片转动，此时由于从动片静止， 摩擦片与从动片间相对转动，在输入轴上产生与主动力矩反向相反的摩擦力矩。 由于作用力与反作用力，从动片上产生与主动力矩同向的摩擦力矩，该摩擦力 矩转动从动片，经前进离合器传至太阳轮，使得太阳轮系转动，通过太阳轮与 主动轮固定锥盘的花键传到主动轮轴，然后经金属推理带传至从动轴，经从动 轮齿轮、惰轮、输出轴输出。离合器分离时，随着油压的逐渐减少，活塞在同 位弹簧的作用下向右移动，摩擦片与从动片分离。 倒档锁止器工作原理( 如图2 3 ) ：方向阀工作，使得高压油进入倒档活塞 腔，随着油压的逐渐增加，活塞克服弹簧阻力推动推片前进，倒档锁止器接合。 此时倒档离合器从动片不动，倒档锁止器摩擦片固定，齿圈固定。动力从输入 轴进入，输入轴带动行星齿轮随之一起公转，外行星齿轮与齿圈外齿啮合，由 于齿圈固定，使得外行星齿轮产生反向自转。同时外行星齿轮带动内行星齿轮 转动，通过内行星带动太阳轮转动，此时太阳轮与输入轴反向转动，传递到太 阳轮的力矩方向改变，实现倒档。 2 1 3 带传动结构 带传动结构作为无级变速器的精密核心部件，在尺寸设计、材料选择和加 工装配上要求极高。如图2 4 ，金属带安装在两个轴间距固定的v 型带轮中，主、 从动带轮都分为一个通过液压缸控制的动锥盘和一个与传动轴连为一体的定锥 盘。从动轮轴的输出力矩经主减速器、差速器、半轴到达车轮。 其中钢带由两组钢制环形带组成，每组环形带各有1 2 层，并采用大约4 3 5 个钢制构件( 如图2 5 ) 将它们组装在一起。由于钢带是一种选配件，所以其钢 制构件联结件的实际数量可能会有所变化。钢带构件因承受主动带轮和从动带 9 第2 章金属带式无级传动系统研究 轮的运动载倚而被压缩在一起；必须注意的是通过构件爪缩，这利钢带结构将 产生挤压作用，而不像其它车用传动带那样，“生的是拉伸作用，而这种相同特 性的共同效果就是，增加了带轮表面的摩擦力，从而减少了打滑。 嘲四 l 刮2 4 带传动机构实物幽蚓2 s 钢制构什一维幽 2 l4 电液控制系统 机电液一体化控制系统在汽乍底盘再子系统巾得到广泛的使月j ，技术卜分 成热。尤儿址f i 动变速器液压汕路结构复杂，成本高，mjl 埘川性差，需要经 常维护，维修费j = 】也高得m 舒。当采脂电f 方式控制液压汕路，步进电机、f 乜 磁阀直接l 殴代液旭州，就省上了各种复杂的液压控制蚓和控制管路而且控制 办法坐_ ! j l i 智能化。变述器控制系统撒据汽乍的各1 f l | l 状态调整控制参数。从而保 【l j 传动系统高精度、低能耗_ i ：作状态。 木系统可看作是电液伺服系统( 如图2 6 所示，其一p 实线为工作油路，虚线 为控制油蹄) ，i - 要包括离合器控制网路、主动缸控制回蹄、从动缸控制同路、 液压供给叫路和冷却回路。机械齿轮泵直接山发动机输出轴驱动，向整个系统 提供压力油。被堆泵输m 的压力油一部分进入从动轮液压缸，其压力山电磁阀 调节，以控制对金属带的央紧力。另一部分压力油经速比控制阀( 步进电机) 进入t 动轮液压缸以控制传动器速比的无级变化。主压力控制阀阀：卷在弹簧 力、液压泵出口压力及发动机转速信号产生的压力作用下保持力平衡。速比控 制阀在发动机油f 1 联动输入、反馈杆反馈力和发动机转速信号j “尘的压力作用 f 保持力平衡。其中，发动机转速信号产生的雎力山皮托管从与液压泵及主动 轮一起旋转的吲槽中的旋转油液叫1 引出，井作用n ：速比控制阀和t 压力控制阀 阀芯上。 第2 章金属带式无级传动系统研究 一n 霹期i 蛭 型酣 麒 裂誉 燮h 】一离台器l u 磁州2 _ 倒梢lj ：流蒯3 一r 动方向刚仁离台器控制蝴5 一冷卸脚 仁离台器卸爪阀7 油缸、油液滤浦器和齿轮艇8 一从动缸电磁刚扯从动缸控制州 l 忙从动缸卸压阀l l 一士动缸控制刚( 步进电机) 1 2 一供给附1 3 一定压刚 幽2 6液眶控制系统i ：作i i 主动轮油路控制系统由主动轮油缸控制( 如图27 ) 和主动轮步进电机组成， 其中p 口连接到主油路t 口连接到油底壳，a 口连接到主动缸，c c p 口连接 到主动轮上的皮托管，s m 口连接到步进电机。 月 i 到2 7 主动轮油缸控制阀 第2 章金属带式无级传动系统研究 从c p p 口传来的皮托管压力是根据主动轮转速比例变化的，用于平衡因转 速变化带来的油压变化。步进电机横向位移，弹簧压缩或伸张，阀芯位置因而 改变，进而调整控制阀开口来控制主油缸油压，则c v t 速比得到控制。 从动轮油缸控制系统由从动轮油缸控制阀、从动轮电磁阀和从动轮油缸卸 压阀组成( 图2 8 和图2 9 ) ，其中p 口连接主油路( 从动轮油缸油路) ，a 口连 接离合器液压回路，c s 口连接电磁阀油路，t 口连接油底壳，c p e 口连接油泵 皮托管，c c 口连接离合器控制阀开口，c c p 口连接定压阀出口，c p 口连接到 主动轮油缸。c s 口从电磁阀输出的油压使得阀芯横向位置发生改变，从而调节 控制阀开口来控制从油缸油压，则夹紧力得到控制，而卸压阀保证了油路油压 不至于过大。 图2 8 从动轮油缸控制阀 。 图2 9 从动轮油缸卸压阀 离合器液压控制回路主要由倒档止流阀( 图2 1 0 ) 、手动方向阀、离合器控 制阀( 图2 1 1 ) 、离合器电磁阀和离合器卸压阀组成，其中p 口连接到离合器控 制油路，t 口连接到油底壳，c p p 口连接主动轮皮托管，c p e 连接到油泵皮托管， c s 连接到离合器电磁阀油路，c p 口连接离合器卸压阀。一方面手动方向阀，倒 档止流阀实现油路方向的改变；另一方面要调节离合器结合压力，从电磁阀油 路输入的油压控制着离合器油路的开口，从而离合器结合压力得到控制。 图2 1 0 倒档止流阀 1 2 图2 1 1 离合器控制阀 第2 章金属带式无级传动系统研究 油路冷却与辅助系统m 冷却阀( 图2 1 2 ) 、定压阀( 图2 1 3 ) 和供给蝴( 图 2 1 4 ) 组成，其中t 口连接到油底壳，图2 l l l 巾a 口连接到蒸发器，p 口连接 到离合器： 作缸，图21 3 中a 口连接到供给阀入口，p 口连接到油泵m ：l ，图 21 4 中p 口连接到定压阀山口，a 口连接到j 土托管室，c c p 连接到主动轮皮托 管油路，c p e 连接到油泵应托管油路。这三个阎部是保障油路正常工作的重要 部件，冷却阀给整个液压回路降温，定压阀保护油路压力不至于过高，而供给 阀则保证液压回路叫1 有足够的工作压力。 幽2 1 2 冷却旧嘲2 1 3 定压阀削2 1 4 供给瞄 工作汕路能量供给与储备系统油底壳，汕路滤清器( 罔21 5 ) 和齿轮泵 ( 图21 6 ) 组成。所仃的液压系统1 = 作油储笛枉油底党内，滤清器则过滤液他 路中的杂质，偏心齿轮定培泵通过花齿连接安装在c v t 输出轴内输出油压 随发动机转速正向变化。 fo釜芝j 鹕矽 | 圣2 1 5 油路滤消器图2 1 6 齿轮泵 c v t 的液压控制作动器主要有三个部件组成：主动轮液压控制回路中的步 进电机，从动轮液压控制回路中的比例电磁阀( p v c ) 和离合器液压控制回路中 的脉宽调制高速电磁阀( p w m ) 。 步进电机( 如图21 7 ) 是种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进 驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的 角度( 称为“步距角”) ，它的旋转是以固定的角度步一步运行的。可以通过 第2 章盒属带式无级传动系统研究 控制崃冲个数柬控制角位移最，从而达到准确定位的目的；同时r 以通过拄制 脉冲频率束控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可 以作为种控制用的特利电机，利用其没有_ 1 1 累误筹( 精度为1 0 0 ) 的特点， 广泛应用于各种丌环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机( v r ) 、 永磁式步进电机( p m ) 、混合式步进电机( h b ) 和单相式步进电机。 恻2 1 7 卡功拍步进1 u 机l 划2 1 8 离器l u 碰蚶 r b 磁删( 罔21 8 ) 通过i u f 控制单元的控制信号实现快速的片 口1 ，“工作 原邢：l b 碰阀- n 有密闭的腔，在的矸；同位胃丌r 自通孔缚个孔部通向不的油 竹，腔巾f u j 是闽，两m i 足两块电磁铁，o ) g t f t 的磁铁线圈通电闽体就会被l 吐引到 哪边，通过控制阀体的移动) k 档住或漏m 小h 的排_ i | 的孔，而进汕扎足常开的， 液压汕就会进入- b - j 的排汕管，然后通过油的压力求推动汕缸的活枣，活塞x 精动活塞轩，活塞竿带五j l 机械装冠。 2 15c v t 传感器 v t i f 型无级变速器上安装有两个传感嚣，分别是输h 轮的霍尔式轮速传感 器和n t c 热敏电阻油温传感器，对于传感器的研究主要侧重于输入输出特性。 霍尔轮速传感器主要i h 触发齿豳( 与车轮或传动系统旋转元件连在一起) 、 霍尔元件、永久磁铁和电子线路等组成。永久磁铁的磁力线穿过霍尔元件通向 触发齿圈，这时齿圈相当于一个集磁器。当齿轮处于图21 9 状态a 时，磁力线 是分散的，穿过霍尔元件的磁场相对较弱：当齿轮处于罔21 9 状态b 时，磁力 线比较密集，穿过霍尔兀件的磁场较强，这样随着齿轮的转动就引起了氍尔电 压的变化。霍尔，件通过齿刚的运动输出m v 级的交变电压波，若要将它变换 成标准的脉冲电雎，需通过电子线路来实现。当霍尔儿件通过齿圈的运动变化， 第2 章金属带式无级传动系统研究 输出m v 级的交变电压波( u 1 ) ，经放大器放大为v 级的电压( u 2 ) ，送施密特触 发器后输出的为标准的脉冲信号( u 3 ) ，并产生一定回差以提高稳定性，再送输出 级放大输出 u 4 ) 。为了适应汽车在各种温度下工作，霍尔式轮速传感器的结构采 用封闭式( 如图2 1 9c ) ，它将齿圈与传感器密封在一起，这样就保证了在恶劣的 环境中可靠地工作。 一囝虱 5 v 地信号 a 霍尔元件磁场较弱b 霍尔元件磁场较强c 霍尔元件外接线布置 图2 1 9 霍尔式轮速传感器磁路图 表2 1r _ t 对照表 环境温度 7 27 06 66 46 25 95 83 43 23 0 平均电阻q 4 0 34 2 34 6 55 0 55 4 2 6 1 3 6 3 0 1 4 7 11 6 4 7 1 7 9 4 g u 位 理 盟 删 茚 黢 环境温度t ( ) 图2 2 0 试验结果与拟合结果对比图 n t c 热敏电阻温度传感器，主要应用于汽车、拖拉机冷却液系统的温度测 量。n t c 热敏电阻值随环境温度的变化而改变，从而使通过仪表的电流发生变 第2 章盒属带式无级传动系统研究 化，凡小需要任何放大线路，就能直接指示相应的温度值。这种传感器只有无 触点、体积小、可靠、抗无线电1 。扰、寿命k 等优点。i 。ij ：n t c 热敏电阻具有 很好的限温特性，在9 1 , 0 n 电压变化较大的情况r ，输出电流变化h i 大，故不需 稳压屯源就能保证在规定的电难变化范m 内所引起的卅加测温误筹小于5 c 的要求。通过二次试验取n t c 热敏电阻平均电阻值随环境温度变化的对照表( 表 21 ) ，再经过数学拟台的方法计算出线性外特性公式r = 07 t 2 1 叭5 t + 4 1 3 98 。 如图22 0 为试验结果，拟台结果的时j ! 图可知拟合输出值与试验值的误差在 25 以内，拟合公式有效。 2 16 数据测量、计算与三维建模 研究下辆操纵性、动力性等牲乖忭能的方法足建口粘乍动力学模型，进行 动力学分析，这样的多白| j _ i 度模型可以伞而地描述笄个子系统的运动及川祸 f 作1 。分析乍辆的瞬志响应，仿真世一种乱_ 之有效的方法。但蛭缱一壮1 ：功 力学仿真模型，嵩要知道整乍和仃天零部件的质心位霄、质景和转动惯量等诈 多参数，所以存完成刘c v t 拆斛- 1 作之后，接下米马卜是对这u b 关键零挪仲的 特性指柑：的获得。 蚓22 l 著速器壳体 芏i22 2 主动、r 轮艋 设训人员一般无法提供转动惯量，需性能研究人员进行试验、i l 算。那些 形状不规则零部件的转动惯量，可以通过实体造型软件p r o e 计算得到。根据零 件削和装配图，使i f 】p r o e 软件画出各零部件的三维实体模型( 如图22 l 和圈 22 2 ) ，然后输入密度等必要参数，计算各部件转动惯量等。p r o e 可以计算实体 第2 章金属带式无级传动系统研究 模型绕任意指定轴的转动惯量，也可以自动算出绕主轴的转动惯量。主轴是通 过质心的一个三轴正交系，绕主轴的3 个惯性积都是零，在进行动力学分析时， 一般是输入绕主轴的转动惯量。 液压系统中，除去对阀体的两维、三维测绘工作，阀芯的位置和质量测量 工作和阀体弹簧弹性系数分析工作也是十分重要的。表2 2 为从动轮液压缸内回 力弹簧的测量结果。 表2 2 从动轮液压缸同力弹簧测量值列表 卜絮 自由长度弹簧内径 弹簧中径 弹簧节距簧丝直径 数值 风( 衄)d i ( 姗)d 2 ( 姗)p ( m m )d ( m m ) 、 次叭 第1 次 6 4 2 l6 6 4 07 8 6 02 7 0 86 0 4 第2 次 6 4 5 0 6 6 5 0 7 8 4 22 6 5 56 0 5 第3 次 6 4 6 76 6 4 77 8 6 22 6 6 36 0 0 平均值 6 4 4 66 6 4 67 8 5 52 6 7 56 0 3 由公式： 七：一f ：竺：曼 ( 2 1 ) 席= 一= 一= 一 l 么j j 允8 n d ：8 n c 。 计算弹簧弹性系数k = 1 3 6 4n m m ，其中g 为弹簧剪切模量，取值为8 0 ，0 0 0 m p a ；n 为弹簧圈数，取值为2 ；c 为比例参数，取值为1 3 0 。 2 2 带传动机构机理分析 2 2 1 带传动机构几何关系分析 金属带传动机构工作时，由于带轮、金属带的所有几何尺寸是固定的，那 么这个变速机构一定总是遵循物理几何原理的。对于它的几何关系分析，可以 深入认识无级变速传动系统。 根据图2 2 3 ，可得速比关系： i = d r f d n2r d n ir d r ( 2 2 、) 轮边夹角取值： 1 7 第2 章金属带式无级传动系统研究 s i n = 足( f 一1 ) a( f 1 ) 带轮总长约束： ( 万一2 ) 尽d 足+ ( 乃+ 2 # ) r o n + 2 , 4 c o s # = 为简化代数式，需采用近似计算： s i n # 尺血( f i ) a( 矽o ) 同理： c o s 1 一口2 2( o ) 图2 2 3c v t 带轮几何关系图 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 代入公式( 2 4 ) 并整理得： = - z ( i + 1 ) + 4 z 2 ( 面i + 1 面) 2 - 玩4 ( 2 广a - l ) ( i 一- 1 ) z a ( 2 7 ) 其中、分别为主、从动轮节圆半径；彳为轮间距，约为1 5 5m m ；l 为金属带总长，l = 6 0 9m m ( 工作时弹性伸缩引起的长度变化可以忽略不计) ；f 为c v t 传动比；矽为轮边夹角。 验证公式( 2 7 ) 正确性：当i 1 时，s i n # = ( 1 一o a 代入新的链长公式： ( 万+ 2 乎k ) r n r + ( 万一2 矽) r d ，+ 2 a c o s 矽= ( 2 8 ) 得：=-z(i+1)+、z2(而i+1)再2-4百(2a-l一)(1-02a ( 2 9 ) 对于可知( 2 7 ) 、( 2 9 ) 两公式在数值上是一致的。 代入拆解后测量实物参数，经数值计算得简化公式： 第2 章金属带式无级传动系统研究 如= - 7 r ( i + 猫1 ) + x 1 7 磊6 i 2 + 巫4 i + 1 7 、 、 、 四t 速比i 图2 2 4 速比与主、动轮节圆半径关系拟合图 ( 2 1 0 ) m a t l a b 作为一种常用的数学计算软件，可以编程实现公式的拟和( 如图 2 2 4 ) 。当i = 1 时主动轮节圆半径没有数学意义，在数学拟合时，我们采用公式 = r d r = ( l - 2 a ) 2 万的计算值来对应平衡点的主、从动轮节圆半径。 得拟合公式为： r d r = ，( f ) = - - 3 i 2 - - 2 4 i + 5 2 ( 2 1 1 ) 弋。 x 弋 弋z 、0 ：；7 。 ， 尹 z 。 图2 2 5 主动轮包