（光学工程专业论文）回流式无级自动变速传动液压系统参数设计.pdf

the parameter design of cvt hydraulic system with reflux power a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by du liang supervisor: prof. sun dongye major: automobile engineering the college of mechanical engineering chongqing university april 2008 中文摘要 i 摘 要 回流式无级自动变速传动具有超大的速比变化范围和较高的传动效率，在整 个传动比的范围内能够实现连续的无级调速，因此回流式无级自动变速传动具有 广阔的发展前景。 本文在国家自然科学基金项目（批准号：50475066）的资助下，对无级自动 变速液压系统的设计方法进行了研究，具体研究内容如下： 为了分析液压系统对系统主压力和速比的控制过程，探讨了不同类型液压 控制系统的优点，对金属带式无级变速器进行结构与动能分析,确定其液压系统工 作原理与工作流程，并确定了各档位动力传递路线和液压控制策略。 液压系统通过改变主动轮油缸的油量来实现速比变化的功能, 为了分析 cvt 的变速响应特性, 利用 matlab/simulink 进行仿真分析, 为此建立了 cvt 工作特性的动态仿真模型, 以 sc7130 轿车为研究对象， 进行 ece 工况 eudc 工况ftp工况等典型工况的仿真,通过仿真可以得出cvt的变速特性, 也就是速比 和速比变化率的变化特性,作为设计液压系统所需的流量条件模型的基础。 在对金属带无级变速器进行力学分析的基础上, 进行了主，从动带轮夹紧 力计算，进行了 cvt 流量特性分析和压力特性分析，并完成了液压缸与液压泵以 及液压系统中前进倒档离合器的液压参数设计，完成了无级变速器液压系统主要 参数设计计算。 为了分析回流式无级变速汽车相对于金属带无级变速汽车和双状态无级 变速汽车的特点，本文建立了这三种系统的仿真模型。对回流式无级变速汽车和 纯金属带无级变速汽车在不同油门开度下发动机稳态工作点进行仿真对比分析。 对比了回流式无级变速汽车和双状态无级变速汽车在 ece 市区循环行驶工况下的 燃油消耗量，得出了回流式无级自动变速传动相对于其它两种传动系统的优点。 关键词：车辆，无级变速传动，液压系统，参数设计 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract continuously variable transmission (short as cvt) with reflux power is super wide in ratio coverage and rather high in transmission efficiency. moreover, it can continuously regulate speed in its ratio coverage, which leads to engine works at optimum fuel economy curve all along. therefore, cvt with reflux power will be very promising for research and application. carried out by national natural science foundation (nnsf), design method for the system of cvt with reflux power has been studied in this paper. the main contents are following. by discussing characteristics and working conditions of some kinds of electro-hydraulic control system, designing cvt hydraulic control system scheme building hydraulic system flux model, and establishing mathematical model of control valve clamping force, the control process characteristics of hydraulic control system due to system main pressure and speed ratio were analyzed in order to realize the ratio being fast response to satisfy the requirements from driving environment, the dynamic simulation model, which was based on cvts work characteristic, was established. a design flow and method for calculating the rate of ratio for avoiding energy loss caused by flux overrunning in the hydraulic pump was educed by analyzing the distributing law of the rate of the ratio. the rate of the ratio was the integrated result of the simulation by the car sc7130 in the cases of ece city cycle driving, eudc suburb cycle driving, american ftp city and highway cycle driving. the design flow and method established the base for flux model, which is a must for designing hydraulic systems. in order to prevent the metal pushing v-belt skidding and guarantee the engine torque is transmitted efficiently and reliably, by analyzing the forces acting on the metal ring and the metal block, the torque transmitting mode was worked out, and the axial forces acting on driven wheel needed for transmitting torque was calculated. on the purpose of comparison between cvt with reflux power and metal push belt continuously variable transmission and dual-state continuously variable transmission, the simulation models for such three different cvt have been built, with which the advantages of cvt with reflux power were found contrast to the other two kinds of cvt . through simulation contrast analysis on their performance in the cases of 重庆大学硕士学位论文 iv ece city cycle driving and the steady operation point of engine under different working conditions. key words: vehicle, cvt, hydraulic system, parameter design 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 cvt 的发展、现状及趋势的发展、现状及趋势 . 1 1.2 金属带式无级变速传动的技术特点金属带式无级变速传动的技术特点 . 3 1.2.1 金属带基本结构与工作原理 . 3 1.2.2 关键部件 . 3 1.3 cvt 液压系统形式对比分析与研究现状液压系统形式对比分析与研究现状 . 4 1.3.1 机液控制系统的组成和工作原理 . 4 1.3.2 电液控制系统的组成和工作原理 . 5 1.3.3 机、电液控制系统的比较 . 6 1.3.4 cvt 液压控制系统的研究现状 . 6 1.4 回流式无级变速器传动系统回流式无级变速器传动系统 . 7 1.4.1 回流式无级自动变速传动系统的结构组成 . 7 1.4.2 回流式无级自动变速传动的特点 . 7 1.4.3 回流式无级自动变速传动的发展及国内外现状 . 8 1.5 课题来源及意义课题来源及意义 . 9 1.6 本文主要研究内容本文主要研究内容 . 9 2 金属带式无级变速器液压系统分析金属带式无级变速器液压系统分析 . 11 2.1 金属带式无级变速器基本结构金属带式无级变速器基本结构 . 11 2.1.1 钢带与带轮机构 . 12 2.1.2 前进/倒档机构 . 13 2.1.3 起步离合器与驻车机构 . 15 2.2 无级变速器液压系统的两种方案无级变速器液压系统的两种方案 . 16 2.3 无级变速器液压系统工作原理及液压流程无级变速器液压系统工作原理及液压流程 . 17 2.3.1 cvt 液压系统组成 . 17 2.3.2 cvt 液压系统工作原理及液压流程 . 18 2.4 金属带式无级变速器动力传递路线及液压系统控制策略金属带式无级变速器动力传递路线及液压系统控制策略. 25 2.4.1 各档位动力传递路线 . 25 2.4.2 cvt 液压系统控制策略 . 28 2.5 本章小结本章小结 . 29 重庆大学硕士学位论文 vi 3 金属带式无级变速器液压系统仿真分析金属带式无级变速器液压系统仿真分析 . 31 3.1 cvt 传动系统数学模型传动系统数学模型. 31 3.2 车辆典型行驶工况下车辆典型行驶工况下 cvt 系统特性仿真系统特性仿真 . 32 3.3 仿真分析仿真分析 . 42 3.4 本章小结本章小结 . 45 4 金属带式无级变速器液压系统参数设计金属带式无级变速器液压系统参数设计 . 47 4.1 cvt 液压控制系统的力学分析液压控制系统的力学分析 . 47 4.1.1 金属带的传动机理 . 47 4.1.2 金属带传动的运动分析 . 48 4.1.3 带轮轴向夹紧力分析 . 50 4.1.4 金属环的受力分析 . 50 4.1.5 金属块的受力分析 . 51 4.2 主、从动带轮轴向夹紧力的计算主、从动带轮轴向夹紧力的计算 . 53 4.3 金属带传动中主要参数的确定金属带传动中主要参数的确定 . 57 4.4 液压缸参数设计液压缸参数设计 . 59 4.5 液压泵参数设计液压泵参数设计 . 62 4.6 前进倒档离合器液压参数设计前进倒档离合器液压参数设计 . 62 4.7 本章小结本章小结 . 64 5 回流式无级变速汽车的仿真对比分析回流式无级变速汽车的仿真对比分析 . 67 5.1 传动系统的仿真模型传动系统的仿真模型 . 67 5.1.1 仿真模型 . 67 5.1.2 仿真参数 . 68 5.2 双状态无级变速汽车的起步控制策略双状态无级变速汽车的起步控制策略 . 69 5.3 车辆典型行驶工况下的经济性仿真对比分析车辆典型行驶工况下的经济性仿真对比分析 . 70 5.3.1 回流式无级变速汽车的 ece 行驶工况仿真 . 71 5.3.2 双状态无级变速汽车的 ece 行驶工况仿真 . 71 5.3.3 两种汽车的仿真对比分析 . 72 5.4 车辆调速特性的仿真对比分析车辆调速特性的仿真对比分析 . 73 5.5 本章小结本章小结 . 74 6 结结 论论 . 75 致致 谢谢 . 77 参考文献参考文献 . 79 附附 录录 . 83 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 cvt 的发展、现状及趋势 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 器及变速器与发动机的匹配。随着电子技术和自动控制技术的迅速发展，发动机 控制技术的日趋成熟，自动变速器技术越来越完善，形式也多样化。由于汽车行 驶速度的不断变化，要求汽车变速器的变速比要尽量多才能实现发动机与变速器 之间动力的最优匹配，才能实现更好的经济性和动力性及废气排放的进一步降低。 从汽车诞生之日起，人们始终没有放弃寻找理想汽车变速器的努力。我们所熟知 的汽车变速器，无论是手动变速器还是自动变速器，其传动比都是有级的。在从 低档到高档的有级变速过程中，无法使发动机总是工作在高效率区域。当传动比 发生有级变化时，需要发动机时而加速，时而减速，这种在发动机换档过程中的 加速与减速，使工况处于不稳定的状态，油耗和排污增加，并带来动力传动系统 的冲击。要使发动机始终运行在高效率区域，并处于稳定的工作状态，降低燃油 的消耗和废气污染，就必须采用无级变速器12。 汽车无级变速传动器 cvt（continuously variable transmission）36，是一种 新型的车用变速器，它的传动比能在大范围内实现连续变化，因此它可以根据发 动机的输出特性，通过连续调节其速比去适用汽车不断变化的负荷，使发动机工 作在期望的模式下，提高汽车的经济性与动力性，降低排放79。另外，通过使用 cvt 还可以简化驾驶员的操作，减轻驾驶疲劳，提高行驶安全性。cvt 的实际 装车使用只有十几年的时间，但是 cvt 技术的发展已经有 100 多年的历史。早 在 1886 年德国奔驰公司就将 v 型橡胶带式 cvt 安装在该公司生产的汽车上。 发展历程可分为三个阶段： 第一阶段（1886 年1958 年） ：cvt 技术的探索阶段。其标志产品是荷兰的 daf 公司 h.van doorne 博士研制成功的名为 variomatic 的双 v 型橡胶带式 cvt，并装备于 daf 公司制造的 daffodil 轿车上，其销量超过了 100 万辆。但 是此阶段 cvt 采用橡胶带传动， 存在较多的缺陷， 主要表现在： 传递功率有限(输 出转矩局限于 135nm 以下)，离合器工作不稳定，液压泵、传动带和夹紧机构的 能量损失较大，因而没有被汽车行业普遍接受，反而是适合大功率的有级齿轮变 速器占据了主导地位。 第二阶段（1958 年1987 年） ：cvt 技术的发展阶段。其标志产品是 1987 年富士重工（subaru）采用金属带式无级变速器 ecvt 用于 justy 轿车。为克 服 cvt 采用橡胶带传动带来的性能缺陷，汽车技术人员对提高传动带性能和 重庆大学硕士学位论文 2 cvt 传递功率极限进行研究，将液力变矩器集成到 cvt 系统中，主、从动轮的 夹紧力实现电子化控制，在 cvt 中采用节能泵，以及代替传统橡胶带的金属带。 新的技术克服了 cvt 系统原有的技术缺陷，导致了传递转矩容量更大、性能更 优良的第二代 cvt 的面世，汽车无级变速器的应用才取得实质性突破。 第三阶段（1987 年 ） ：cvt 技术的逐渐成熟阶段。进入 20 世纪 90 年 代，汽车界对 cvt 技术的研究开发日益重视，特别是在微型车中，cvt 被认为 是关键技术。全球科技的迅猛发展，使得新的电子技术与自动控制技术不断被采 用到 cvt 中。 1997 年上半年， 日本日产公司开发了使用在 2.0l 汽车上的 cvt。 在此基础上，日产公司又在 1998 年开发了一种为中型轿车设计的包含一个手动 换挡模式的 cvt。新型 cvt 采用一个最新研制的高强度宽钢带和一个高液压控 制系统。通过采用这些先进的技术来获得较大的转矩传递能力，日产公司研究开 发 cvt 的电子控制技术，传动比的改变实行了电子控制，汽车在下坡时可以一 直根据车速控制发动机制动，而且在湿滑路面上能够平顺地增加速比来防止打滑。 1999 年， 美国福特公司和德国 zf 公司合作为福特公司的轿车和轻型载货车生产 cvt。将从 2001 年生产为福特公司设计的、带有电子管理功能的 cft23 型 cvt。zf 公司设计的 cvt 是一种变矩器式变速器，使用为安装横向发动机前轮 驱动汽车生产的钢带。实验表明，与四元件自动变速器相比，cvt 系统能够将加 速性能提高 10%，燃油经济性能提高 10%-15%。当前，全世界各大汽车厂商为了 提高产品的竞争力，都大力进行 cvt 的研发工作。现在 nissan、toyota、 ford、gm、audi 等著名汽车品牌中，都有配备 cvt 变速器的轿车销售，全 世界 cvt 轿车的年产量已达到近 50 万辆。还有一点值得注意的是，装备有 cvt 的汽车市场，由最初的日本、欧洲，已经渗透到北美市场，因此无级变速汽 车是当今汽车发展的主要趋势。我国有巨大的汽车销售市场，汽车工业是国家的 支柱产业。然而目前我国汽车业所需的自动变速器（at）主要依赖进口，这使得 国产汽车配备 at 后，成本增加很大，而装备自行开发生产 cvt 变速器，其成 本提高不大，说明 cvt 的市场前景令人乐观。自“九 五”期间以来，轿车金属带 式无级自动变速器的开发和研制已经被列入国家的重大科技攻关计划，以根据世 界汽车技术的发展开发适合我国国情的汽车。 在无级变速传动器的多种结构形式中，金属带式 cvt 传动效率比较高，传 动功率较大，另外从生产成本、可靠性及使用性能等方面综合考虑，成为车用变 速器的最佳选择。金属带式无级变速器一般是以液压回路作为控制系统，而且生 产出来的 cvt 也以前轮驱动为主。 近些年来， 随着高科技的发展以及市场的需要， 逐渐采用电子控制的无级变速器 ecvt，使汽车的工作质量发生了质的飞跃。生 产出来的无级变速器结构小巧、紧凑，同时对前轮驱动的无级变速器进行结构上 1 绪 论 3 的修改后可用于后轮驱动的汽车上，进一步增强了它的应用范围。越来越多的国 家正逐渐采用 cvt 作为汽车变速装置。世界各国汽车制造商们也在不遗余力的 开发该产品，力求作为拳头产品占领世界市场。 目前，cvt 作为当代最先进的汽车变速器之一，由于它可以使发动机在最经 济区域工作，与自动变速器(at)相比显示出很好的节油效果，成为取代 at 的最佳 传动形式。经过近 20 多年内卓有成效的研究开发，cvt 已经成功应用于如福特， 本田，日产，菲亚特等多种轿车上，目前产量到达 250 万台/年，仅 jatco 公司就 有 150 万台的年产量，预计 3 年内达到 400 万台/年。 1.2 金属带式无级变速传动的技术特点 1.2.1 金属带基本结构与工作原理 图 1.1 为发动机前置前驱动汽车金属传动带式无级变速传动器的结构原理 图。传动器的主、被动工作轮由固定和可动的两部分组成，形成 v 型槽，与金属 传动带啮合。当主、被动工作轮可动部分作轴向移动时，改变了传动带的回转半 径，从而可改变速比。可动轮的轴向移动是根据汽车的使用要求，通过液压控制 系统进行连续地调节，实现无级变速传动10 。 图 1.1 cvt 传动结构与工作原理简图 fig。 1.1 the structure and theory of cvt transmission 1.2.2 关键部件 金属带式无级变速器属于摩擦式无级变速器。它由成 v 型槽的主动锥轮、从 动锥轮，以及金属传动带构成。为实现传动，作用的关键部件包括： 金属传动 带。金属传动带由多个金属片和两组金属环组成。它在两侧工作轮挤压力作用下 传递动力。每组金属环由数条薄环带叠合而成，在动力传递过程中，主要被用来 把金属片约束在一起，并正确地引导金属片的运动。 工作轮。主、被动工作轮 重庆大学硕士学位论文 4 由可动半锥轮和固定半锥轮两部分组成，其工作面大多为直线锥面体。在液压控 制系统的作用下，依靠钢球滑道结构作轴向移动，可连续改变传动带工作半径， 实现无级变速传动。 液压油泵。为 cvt 传动提供控制、冷却和润滑的液压油 源。比较常见的液压油泵主要有齿轮泵和叶片泵。为了提高液压油泵的工作效率， 最近开发的 cvt 传动器多为滚子式叶片泵。 起步离合器。 控制系统。控制 系统是无级变速传动系统的重要组成部分， 用来实现 cvt 系统传动比无级自动变 化。早期的控制系统多采用机液控制系统，随着技术的进步和对汽车性能要求 的不断提高，当前无级变速传动系统均采用电液控制方式。 1.3 cvt 液压系统形式对比分析与研究现状 金属带式无级变速器包括离合器(或液力变矩器)、无级变速传动机构以及前 进或倒车切换机构。其中无级变速传动机构是其核心部分，它的功能是依靠液压 控制系统来实现的。早期无级变速传动系统的液压控制部分多采用机液控制方式。 后来随着技术的进步和人们对汽车性能要求的提高，当前控制系统均采用电子液 压控制方式。 1.3.1 机液控制系统的组成和工作原理11-14 图 1.2 机液控制系统结构简图 fig. 1.2 the structure of cvt mechanical hydraulic control system cvt 机液控制系统如图 1.2 所示， 发动机直接驱动液压泵向系统提供压力油。 液压泵输出的压力油一部分直接进入从动带轮液压缸，其压力由夹紧力控制阀调 节,以控制对金属带的张紧力；另一部分压力油经速比控制阀后进入主动带轮液压 1 绪 论 5 缸，以控制无级变速器传动速比无级变化。发动机转速信号压力由皮托管从与液 压泵及主动带轮一起旋转的集油圆槽中的旋转油液中引出，并作用在速比控制阀 和夹紧力控制阀阀芯上。由皮托管构成的发动机转速信号压力发生器所产生的信 号压力与发动机转速的平方成正比。 速比控制阀的动作是通过加速踏板带动节气门控制凸轮对速比控制阀阀芯 一端施加的作用力，和作用在另一端代表发动机转速信号的皮托压力相平衡的结 果。设计上保证了阀芯位移与节气门的开度对应，代表了在一定节气门开度下的 目标转速，因此速比的控制过程相当于一种闭环反馈控制过程。改变节气门的开 度变速时，阀芯位移发生变化，通过改变速比控制阀开口面积改变速比变化率， 实现速比控制。 主动带轮可动端的轴向移动通过反馈杆和中间机构反馈到夹紧力控制阀上， 并通过弹簧转变为力信号作用在夹紧力控制阀阀芯上，实现力伺服控制。从结构 简图中可以看出，当速比减小时，主动带轮的可动端沿着轴向左移，通过反馈杆 使夹紧力控制阀调压弹簧负载减小，夹紧力控制阀的开启压力也就是系统的主压 力减小，也就是说，当系统加速时，系统压力减小。这样有利于 cvt 装置的寿 命。 1.3.2 电液控制系统的组成和工作原理15-17 图 1.3 电液控制系统结构简图 fig. 1.3 the structure of cvt electro-hydraulic control system 夹紧力控制 速比控制 输入 输出 重庆大学硕士学位论文 6 图 1.3 是电液式控制系统的结构简图，油泵也是由发动机直接驱动向系统提 供液压油，夹紧力控制阀采用的是比例溢流阀，速比控制阀采用电磁换向阀。作 为电子控制单元的输入信号，可以加入发动机转速传感器和扭矩传感器、主动轮 的位移传感器、从动带轮的压力传感器，也可以加入主动带轮转速传感器、从动 带轮转速传感器、车速传感器来作为后备信号17员的意图通过油门信号以及换档 信号， 输入到电子控制系统， 并可以选择动力型(s)或者经济型(e)的最佳换档规律。 根据反馈信号确定施加到系统的主压力， 并由发动机转速(相当于主动带轮的转速) 构成转速反馈控制，根据转速的偏差信号决定速比的控制。 1.3.3 机、电液控制系统的比较 从前面的结构以及原理的分析中看到，在电液控制系统中个参数都是经传感 器反馈给电子控制单元，通过电子控制单元来实现目标压力和目标速比的控制， 而机液控制系统中则是通过机械连杆机构进行反馈，而液压系统的动力元件控 制阀在电液控制系统中采用也不是机械式控制阀，而是比例阀和电磁阀。 机液控制系统的控制方案比较简单，不能很好的适应各种行驶路况，功率不 足，平滑性差；电液控制系统在目标控制的响应速度上明显优于机液控制系统的 反映速度，这可以使动力传动系统实现最理想的工作状态，达到动力性、经济性 和排放之间的最佳折衷16同时，采用电液控制系统后，还可以降低不必要的损失 提高传动系统的工作效率。 1.3.4 cvt 液压控制系统的研究现状 吉林大学(原吉林工业大学) 对无级变速传动的液压控制系统进行了研究,从实 时控制的角度出发,建立了汽车无级变速传动的夹紧力控制、速比控制及整车动态 模型,并基于这一动态模型,仿真计算了汽车在起步与行驶变速时的动态调节过程, 为进一步研究无级变速传动控制规律和进行电控系统设计提供了必要的前提工作 研究。 东北大学对金属带式无级变速传动的摩擦系数进行了实验研究,同时对金属带 式无级变速器液压控制系统原理及其数学模型进行了研究,给出了键合图表示的液 压控制模型,并以状态方程的形式推导出液压控制系统的数学表达式,为进一步对 无级变速传动的液压控制系统进行动态仿真研究及了解金属带式无级变速器的动 态特性奠定了基础。 重庆大学对金属带式无级变速传动进行了深入的研究并且进行了一系列的仿 真,分析了机液控制系统的结构、控制原理和对所要求性能的控制实现过程,为金属 带式无级变速器控制系统的开发奠定了基础。 1 绪 论 7 1.4 回流式无级变速器传动系统 1.4.1 回流式无级自动变速传动系统的结构组成 回流式无级自动变速传动系统是由四个关键部分构成：金属带无级变速装置、 定速比齿轮传动装置、行星排传动装置、和由三个湿式离合器及一个单向离合器 组成的离合器系统18， 其传动结构示意图如图 1.4 所示。 金属带无级变速装置的驱 动轮通过输入轴，一端经减振飞轮与发动机相连，另一端经离合器 1 l与定速比齿 轮的输入轮连接，被驱动轮则同行星排的太阳轮固连；而定速比齿轮的输出轮通 过并联的离合器 2 l和单向离合器 4 l与行星排的行星架连接；输出轴与行星排的齿 圈固连，同时，输出轴经离合器 3 l还与行星排的太阳轮相连。 1.4.2 回流式无级自动变速传动的特点 最初的回流式无级自动变速传动方式是由 macey.j.p 和 vahabzadeh.h 于 1987 年首次提出的，其目的是为了克服普通金属带无级变速传动速比变化范围有限、 传递扭矩偏低的缺陷：首先，对于回流式无级自动变速传动，发动机功率是由齿 轮定速比传动和金属带无级传动两条途径传递，通过离合器的不同组合，可实现 倒车、空档、低速、高速等不同运动状态，整个变速范围划分为混合无级变速和 纯无级变速两部分，从而拓宽了整个无级变速传动系统的速比变化范围，理论上 其速比变化范围为无穷大，改善了车辆的起步加速性能19，从而达到与装有液力 变矩器车辆相近的起步特性；其次，在保持金属带和带轮结构尺寸不变的条件下， 利用混合传动中系统内部循环功率的作用，可显著提高传动系统在低速工况下的 承载能力倍；再次，利用混合传动中行星齿轮的功率分流作用和金属带无级调 速的功能，可实现在不切断发动机动力输出的条件下，保证动力输出轴转速为零 的空档速度，这将使车辆临时停车后的重新起步快捷而平稳。 齿轮传动行星排 金属带 输入 输出 l1 l2 l4 l3 图 1.4 系统结构简图 figure 1.4 the structure of system 重庆大学硕士学位论文 8 1.4.3 回流式无级自动变速传动的发展及国内外现状 在国内，华南理工大学的黄向东教授通过采用一种类似副变速箱的结构实