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东北大学硕士学位论文摘要 无级变速器电液比例系统建模仿真与实际研究 摘要 本文是国家科委“九五”科技攻关项目“汽车金属带式无级变速器研究”的 重要组成部分。 随着汽车工业的发展，汽车变速器也在不断地推陈出新。金属带式无级变速 器是最新的新型车用无级变速器。 本文在分析和消化荷兰v d t 公司生产的p 8 1 l 型金属带式无级变速器的基础 上，对该型变速器的总体结构、液压控制系统的组成及其工作原理进行了深入细 致的分析和研究。 论文介绍了p 8 1 l 型金属带式无级变速器的总体结构，分析了该型变速器各组 成部分的结构和工作原理。同时，分析了机液伺服控制系统的控制原理。 在分析了p 8 l l 型无级变速器基础上，作者设计了金属带式电液比例控制无级 变速器系统( e c v t ) ，用传递函数法建立了数学模型，应用m a t l a b 软件对模型进 行了仿真研究。通过对模糊控制策略和p i d 控制的比较研究，得出采用模糊控制 策略改进了系统性能的结论，为下一步进行实验提供了理论依据。 为了对电液比例系统进行测试，设计了一套实验系统，来验证其合理性。实 验控制系统通过自行设计的单片机系统进行动态检测和实时控制。本文设计了无 级变速器电子控制单片机系统，基本实现了系统所要求的数据输入输出和显示的 目的。最终实验结果表明：数学模型和控制系统的设计方案是正确的。 随着国家科技产业化的发展，此项技术同国内一家公司合作已经实现了产业 化，现在已经开发出第一台实验机。在这次研发中作者负责了液压系统的设计和 安装，通过现场安装、调试c v t 样机，为c v t 的进一步国产化提供了足够的依据。 关键词：无级变速器，机液伺服系统，电液比例控制，模糊控制 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s t l l d ya n dc r e a t i n g - m o d e ls i m u l a t i o n o f e l e c t r o h y 出a u l i cp r o p o r t i o n a ls y s t e mo fc v t a b s 仃a c t t h i sp a p e ri sa ni t l l p 0 i t a mc o m p o s i i l gp a r to f “i k s e a r c hf 1 0 ra u t o m o b i l em 就a l v _ b e l t 聊ec o n t i i l u o l l s l yv i r i a b l et r a n s n l i s s i o n ( c v n ”w l l i c hi s n i n e f i v e s c i 即c e a n dt e c h n o l o g yt a c k l ek e yp r o b l e m sp r o j e c to fn a t i o n a ls c i e n c ea n d 七池l o g y c o m m i t t e e w i t hd e r e l o p 抽g0 fa u t o m o b i l ei n d u s 舡m8 u t o m o b i l e 衄m 剃s s i o ni sc o n d n u o u s l y w e e d i n g m r o u 曲t l l eo l d t ob f i n g 鼬t 1 1 e n e w _ m e t a lv - b e l t t e c v t i s 血e l a t e s t t ”e w l l i c l et r a 皿s m i s s i o nt l l a tw 嬲p 幽go u ti l l 也em o d e mt i i n e b a s eo d 蝴i 1 1 9ap 8 1 l 晰l em e t a iv _ b e l tt y p ec v t ，p r o d u c e db yv d tc o d u t c h ，t 1 1 i sp a p e ra 工l a l 、喝e sa n ds t u d i e st h e 仃趾g r n i s s i o n sg x 东北大学硕士学位论文 第一章结论 1 2 无级变速器的发展 1 2 1 车辆对传动系统的要求 车辆传动系的基本功用是将发动机发出的动力传给驱动车轮，并保证车辆在 运行或作业过程中具有良好的动力性和经济性。 车辆对传动系统的具体要求如下： ( 1 ) 具有减速增扭作用：使驱动轮上具有足够大的驱动力矩，以产生足够的 切线牵引力，从而使得车辆在任何恶劣的行驶条件下，均能克服各项行驶阻力， 顺利起步和正常行驶与作业。 ( 2 ) 具有合适的最大传动比：为使车辆具有能克服最大行驶阻力的切线牵引 力，或使车辆在规定的行驶条件下具有适当大小的最低车速，各型车辆应具有合 适的最大传动比。 ( 3 ) 具有合适的最小传动比：为使车辆在平直良好路面( 或规定行驶条件下) 克服滚动阻力和风阻力，而以所要求的最高车速行驶，各型车辆应具有合适的最 小传动比。 ( 4 ) 变速作用：车辆的使用条件极其复杂：诸如地面坡度、路面好坏程度、 工程车辆行驶作业时的载荷波动、运输车辆的实际载重量以及交通情况等等，这 就需要车辆的切线牵引力和车速能有较大的变化范围，且能保证最及时地适应行 驶条件的变化。并且在使车辆的牵引力和速度及时地经常地符合使用要求而变化 的同时，发动机在工作中的负荷和转速变化范围要尽可能小( 最好能稳定在最佳工 况) ，以保证其动力性和经济性。显然，殷车辆传动系的传动比不能仅有一个最 大值或最小值，而应该能在最大值和最小值之间变化，即要求传动系具有变速作 用。为此，在传动系统中装置有变速器( 箱) 。 ( 5 ) 倒向行驶：车辆在某些情况下，如进入停车场或车库、窄路调头等等常 需倒向行驶。然而，车辆发动机一般都不能倒转工作。故传动系必须有倒车机构， 在发动机旋转方向不变的情况下，使车轮反转。一般是在变速箱内加设倒车档位。 ( 6 ) 平稳起步与有载起步：对于装置机械传动系统的车辆，在起步时，当发 动机启动后，就将变速箱挂上档，车辆是无法起步的，这是因为发动机的最低稳 东北大学硕士学位论文第一章结论 定转速一般是每分钟数百转，起步时转速低于此值发动机将熄火。而车辆起步时， 车速则是从零逐渐增大的。为了解决这一矛盾，向时也为了适应变速箱换档及车 辆制动等方面的需要，在机械式传动系中装置有一个能短暂切断发动机动力的离 合器。 ( 7 ) 差速作用：轮式车辆在转弯时，其外侧车轮滚过的距离总是大于内侧车 轮，如果两侧车轮用一根刚性轴驱动，则二者转速必然相同，因而在车辆转弯时 必然产生车轮与地面滑磨现象。这将使车辆的动力与燃料消耗增加，传动系某些 零件与轮胎的寿命缩短。因此，在左、右两驱动轮之间装有差速器。 ( 8 ) 万向传动：在不少车辆的发动机至驱动桥的整个传动系统中，两相连机 件( 如变速箱输出轴与中央主传动器输入轴、发动机曲轴与变速箱输入轴等等) 的 旋转轴线是不同轴的则需用万恕联轴节来连接。 直以来采用的机械传动的主要缺点有： ( 1 ) 采用人工换档，换档时动力传递要中断。对于汽车，当行驶于交通复杂 的情况下换档频繁，要求驾驶员技术熟练，容易引起紧张、劳累。对于工程车辆。 在行驶作业时，由于车速低、阻力大，换档时间掌握不当常会导致发动机熄火， 迫使驾驶员提前降档，这使得发动机的功率利用差，降低了生产率。 ( 2 ) 在工作阻力急剧变化的工况下，工程车辆的柴油机，常易因过载而熄火。 对于循环作业的车辆，经常要前进、后退及改变车速，换档频繁，这都大为增加 了驾驶员劳动强度。 ( 3 ) 传动系统受到附加冲击力，动载荷大，使得发动机及传动系零件的使用 寿命降低。 ( 4 ) 行驶阻力的变化直接改变发动机的工况，为了充分利用发动机的功率， 要求增加变速箱的档位数( 如载重汽车、拖拉机、工程车辆的变速箱档数都较多) 。 因而使得变速箱结构复杂，并增多驾驶员换档次数。 ( 5 ) 每次换档都要使主离合器分离、接合一次。在接合过程中离合器摩擦都 要经历一个滑磨过程，对于换档频繁的车辆，降低离合器摩擦片的使用寿命，缩 短了更换周期，增加了停车维修时间，从而降低生产率。 以前引进的机液式无级变速器比传统的机械传动变速器有了很大的提高。机 液式无级变速器主要通过机液伺服系统来进行控制，但是经过市场检验，具有以 4 东北大学硕士学位论文第一章结论 下一系列问题： ( 1 ) 传递功率不足； ( 2 ) 在发动时和低速行走时有特别不灵活的感觉，平滑性差； ( 3 ) 急刹车后再发动时，有时会发生不能低速驱动等。 将c v t 结构与全电子控制结合，既继承了以往c v t 的优点，又可以控制高自 由度系统，不仅针对上述的课题，还以下一代的传动装置的姿态进行了新的开发”1 。 1 2 2 金属带式无级变速器的无级变速原理 图1 2 金属带式无级变速器无级变速甄理图 f i 昏1 2n ep 血c i p l ed i a g r a mo f c v t 金属带式无级变速器属于摩擦式无级变速器，其无级传动的原理如图1 2 所 示。它由成v 型槽的主动锥轮，从动锥轮，以及金属传动带构成。主、从动锥轮 均为组合结构，一端固定，另一端可轴向移动。调节两锥轮的轴向作用力，金属 传动带即在主、从动锥轮间径向移动，主、从动锥轮的作用半径发生变化，无级 的改变了传动比唧。 1 2 3 国内外研究动态 汽车变速器是汽车的重要部件之一，它的质量和性能直接影响着整车的品质， 如速度、噪声等。自1 8 8 5 年德国的卡特本茨( c a r tb e n z ) 制成第一辆现代汽车 以来，百余年的汽车发展史也始终贯穿着汽车变速器的发展史。汽车变速器已由 最初的机械固轴式变速器发展到今天的液力机械式变速器、金属带式变速器等多 种型式的无级变速器。“。 无级变速器，简称c v t ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s i s s i o n ) ，通过传动比 东北大学硕士学位论文第一章结论 1 2 无级变速器的发展 1 2 1 车辆对传动系统的要求 车辆传动系的基本功用是将发动机发出的动力传给驱动车轮，并保证车辆在 运行或作业过程中具有良好的动力性和经济性。 车辆对传动系统的具体要求如下： ( 1 ) 具有减速增扭作用：使驱动轮上具有足够大的驱动力矩，以产生足够的 切线牵引力，从而使得车辆在任何恶劣的行驶条件下，均能克服各项行驶阻力， 顺利起步和正常行驶与作业。 ( 2 ) 具有合适的最大传动比：为使车辆具有能克服最大行驶阻力的切线牵引 力，或使车辆在规定的行驶条件下具有适当大小的最低车速，各型车辆应具有合 适的最大传动比。 ( 3 ) 具有合适的最小传动比：为使车辆在平直良好路面( 或规定行驶条件下) 克服滚动阻力和风阻力，而以所要求的最高车速行驶，各型车辆应具有合适的最 小传动比。 ( 4 ) 变速作用：车辆的使用条件极其复杂：诸如地面坡度、路面好坏程度、 工程车辆行驶作业时的载荷波动、运输车辆的实际载重量以及交通情况等等，这 就需要车辆的切线牵引力和车速能有较大的变化范围，且能保证最及时地适应行 驶条件的变化。并且在使车辆的牵引力和速度及时地经常地符合使用要求而变化 的同时，发动机在工作中的负荷和转速变化范围要尽可能小( 最好能稳定在最佳工 况) ，以保证其动力性和经济性。显然，殷车辆传动系的传动比不能仅有一个最 东北大学硕士学位论文第一章结论 的连续变化，使车辆的外界行驶条件与发动机负载实现最佳匹配，使此时的发动 机在高效区运转，燃烧完全、排放污染减少、噪声降低。从而充分发挥了发动机 的潜力，提高了整车的燃料经济性，使汽车具有一个理想的动力性能。 无级变速器传动比的连续改变，无换档跳跃，减缓了汽车变速过程中的换档冲击。显然， 无级变速器适应了汽车经济性、动力性、舒适性的要求。同时，无级变速器也易与当今 先进的计算机技术相结合，构成无级自动变速器。 1 2 3 1 国外车用无级变速器的研究动态 毫无疑问，c v t 在理论上提供了改变汽车动力源和车轮之间速比的最佳方案， 因而差不多每一代汽车设计师都企图把c v t 装到汽车上。第一个企图这样做的人 可以追溯到1 9 世纪末。 1 8 8 6 年b e n z 和d a i m l e r 把一个橡皮v 型传动带的c v t 即氍弹阴疆跹孔墅妻 即氍盏型基彰蒸嚣酣孺掣；d 金著晕篮毯i ；i 自i 鄹霉篝蝉自! 一室删墼醵魁上霎囊篓 雾耋，囊茎薹亭一蚕蠢雾藿鼍萼莛耋囊薹翼霎秀；薹嚣蓉茎篓藿萎霾一萋囊萎器拐 霹晰船驷黏州蛐麴豳日。 靼霸攀侠速侄在满i 醵貅涮斛赴毒障i l g | i ；i i 越鳟鄯驰酮磋。孽h ；= i 薹撵 诬骢粥圈翟剜菀。强艘托靶躺蚝登鄹酗辩憋蜘谨北黧鍪；要盼 ；( 4 ) 实时性 控制算法简单，实时性强；( 5 ) 高效性控制器给出的最大控制量应该使动力机构 的极限拖动能力得以充分的发挥，从而使液压系统具有较高的效率。 1 4 1 经典p i d 控制 在目前一些稳态精度和动态性能要求不很高的控制场合，p d 仍受到欢迎，主 要仍受到欢迎，主要是因为这种控制策略理论简单，用起来方便。传统pm控制器采用线性定常组 x 东北大学硕士学位论文第一章结论 金属带式无级变速器是机械无级变速传动中的佼佼者，它结构简单，传动功 率大，效率高，无级变速实现方便，已成为近年来发达国家汽车变速器研究的重 点。它的研制成功，宣告了无级变速器进入了成熟期“”1 。 目前，德国，日本等国已经开发出了电子控制的无级变速器，也是以金属带 作传动，简称e c v t ( e l e c t r o c 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 ) 。e c v t 代表 着当今汽车用变速器发展的水平和方向。现代中小型轿车上使用的电子控制的无 级变速器，皆以金属三角带作传动。这种变速器的工作原理与摩托车上广泛使用 的橡胶三角带无级变速器相同，只是用金属带代替了橡胶带，以传递更大的功率。 e c v t 的虽大优点是可以实现全程无级变速。电子控制机构可以使e c v t 在各种工作 状态下保持最佳的传动比和圆滑的过度。 在手动变速器的汽车上，只有技术极佳的少数驾驶员在换档时能兼顾汽车的 动力性和经济性，但电子控制的e c v t 则可以使普通的驾驶员也能轻易做到这一点， 即使是在突然加速或下坡制动时也能及时而平顺地选择最佳传动比，使汽车永远 在最佳状态下行驶，因此，对于内燃机发动机而言，e c v t 可以算作是迄今为止最 为理想的变速器“”。 如果说从手动变速器到液力变矩式自动变速器是第一次飞跃，则从液力变矩 式自动变速器到e c v t 可以称之为第二次飞跃。由于e c v t 的出现使汽车的动力性， 经济性和操纵性具体表现在工作质量上，的确发生了一个质的变化。 1 2 3 2 国内汽车变速嚣的研究动态 我国国内目前生产的变速器与国外相比，也同样在向体积小、重量轻方面发展， 并使用全同步变速器，从载重车到轻型车、微型车、小轿车，绝大部分是参照国 外先进的变速器总成而国产化了的。全同步变速器总成操作省力，节省能源，且 可降低噪音，减少环境污染。目前我国轻型车使用的五十铃变速器总成已是日本 产品国产化的较先进的产品。但是，在某种程度上，我们的技术水准还远远赶不 上国外先进技术水平，国内产品仍存在一定的差距。这就给我们提出了一个十分 尖锐的问题，也就是说，我们要在引进先进技术的基础上，充分发挥我们的本身 技术优势，使我们的各种车型的变速器总成在很短的时间内赶上世界先进水平。 查些垄兰塑主兰竺堕查苎二主竺笙 目前，我国所生产的变速器主要是机械手动变速器。手动变速器所要求的性 能除有变速档数、变速比外，还必须具有舒适、经济、维修方便等特点。为了便 于变速操作，还在研究利用液压、气压和负压等装置。目前已出现了微机控制的 变速器，从而进入了自动变速器时代。 国内目前还没有汽车用金属带式无级变速器产品问世，但一些国内主要汽车 生产厂家和科研单位已经开始着手进行该项技术的研究。目前在国内刊物上可以 见到些关于汽车用金属带式无级变速器的译文资料、简介性文章和一些单位的 初期研究成果。 我国的汽车工业目前可以说远远落后于发达国家，国内汽车工业的发展主要靠 自己。在关键技术上，如金属带c v t 的原理、设计、生产，液压系统的设计等方 面，不能单纯从国外引进，在国内要开展这方面的研究，并最终实现产业化。正 因为这样，国家科委对此给予了足够的重视，将此项目的研究列入国家“九五” 重点攻关计划。本论文就是基于攻关计划的几年研究总结而成。如果该项研究获 得成功，将添补我国在该项技术领域的空自，并将极大地促进我国汽车工业的发 展，为我国的汽车工业迎头赶上世界发达国家的水平奠定基础 1 9 1 。 1 3 金属带式无级变速系统建模方法简介 作为实现自动控制的重要手段，系统建模理论从问世之初就与控制理论的发 展息息相关。在传统建模方法中，有适合于液压系统的键合图法，以及转换而来 的状态空间法和传递函数法，利用古典控制理论对系统的诸如稳定性、动态响应 等特性进行分析，并通过模拟电路实现对系统的校正。这些理论方法从液压阀的 节流特性、执行机构的物理特性以及管路动特性等各个方面出发对系统模型进行 分析，建模过程中可以方便地考虑各种因素的影响，使得到的模型尽可能准确， 因而在伺服系统设计中已有许多成功的应用，但其缺点在于系统的物理参数需要 检测，而这通常是很困难的。而随着计算机技术的发展，现在发展通过系统辨识 来间接建模。但在本文的基础实验中，系统辨识的条件不具备，作者仍采用传统 建模方法。 8 东北大学硕士学位论文 第一章结论 合方案，难于协调快速性和稳态特性之间的矛盾，在具有参数变化和外干扰的情 况下其鲁棒性也不够好。随着对系统性能要求的不断提高，传统的p i d 控制往往 不能满足要求。 通过离散化，p i d 控制器可以由微处理器来实现。目前，工业过程控制大多采 用p d 控制，其中p i 控制的应用较多。1 9 9 0 年的一个调查报告指出，至今在过程 控制中用的8 4 仍是纯p d 控制器，若改进型p i d 控制器也包含在内则超过9 0 。 为了改进p j d 控制器的不足之处，提高p i d 的鲁棒性。很多学者对传统p m 进行了改造，各种复合形式的p i d 控制器纷纷出现，包括非线性p d 【2 0 】、模糊 p i d 【2 1 以5 1 、神经网络p i d 【2 6 】等，使其适应系统性能的要求。 1 4 2 模糊滑模自适应控制 模糊直接自适应控制是直接利用模糊逻辑系统作为控制器，它把模糊规则直 接结合到控制器本身。所谓模糊滑模控制是模糊逻辑与一般滑模控制的结合，利 用模糊控制本身所具有的语言变量的特性，采用不精确的手段，来代替一般滑模 中的非连续部分，使得控制信号平滑。 1 5 本课题的研究内容 本课题的任务是建立无级变速器的液压系统模型并进行仿真，设计比例液压 系统及其控制系统，安装在无级变速箱上实现对无级变速的驱动，并综合应用传 感器技术、单片机技术、计算机技术和模糊控制技术设计实现对液压系统进行方 便、有效的控制。 无级变速器液压系统的研究在国内是一个暂新的课题，通过对无级变速器理论与 实验的研究，拟完成以下几方面的工作： ( 1 )详细剖析金属带式无级变速器液压系统的结构和原理： ( 2 ) 分析原有纯机械液压系统所存在的缺陷，找出解决方案。 ( 3 )设计电液比例液压控制系统，建立系统的数学模型并应用姒t l a b 对其 进行仿真分析； ( 4 ) 依据变速器尺寸和性能的要求选择合适液压阀，设计液压管路和润滑 1 0 东北大学硕士学位论文第一章结论 系统。 ( 5 )建立比例控制实验室模拟系统，通过m c s 一5 1 单片机应用系统对整个系 统进行实验模拟。对前面设计出的电液比例控制模拟试验台进行实验验证， 并将实验所得的结果与理论分析及仿真结果进行分析比较，得出结论。 ( 6 ) 安装液压系统并上实验台进行调试，测出实验数据，分析系统的性能。 查! ! 垄堂堡主兰垒垒查 苎三芏垄塾奎查墨：垦堡丝塑垦坚墨垫垦墨第二章无级变速器总体结构及液压系统原理 2 1 剖析p 8 1 1 无级变速器的原因 世界上cvt做的最好的是荷兰，p811型金属带式无级变速器是十分典型cvt， 所以对p811有全面的了解，对于建立我们自己的液压控制系统有着十分重要的意义。2 2c v t 的设计要素c v t 设计时应考虑的要素如下。”： ( 1 ) 率一定的情况下，发动机在任何可能的条件下具有最小的燃油消耗。 ( 2 ) 在c v t 速比变化范围有限的情器骡；孽饕薹鹱羹褥酬融“扬裁妊酾。 崩；幞爆磺瑁圈爆梆i斟毫粳矿茸引咖翻f蓠烈薯裂型i；叁|i。磐掣 强爹影哪甑鳓弱鞠目! i 锤餮蚕臻坚匿瑟鳃把骚卿丛碧藿| 簸。 ；自；邈嗄嚣露靼螳磐露丛动锤。i l i 翟矍囊揎疆醐薛硼j 可动端沿轴向移动使蔷；蒙酬掣攀型叠藉， ： 端异向布置，既若主动锥轮左端固定，右端可动，贝f j 从动锥轮右端固 定，左端可动。主、从动锥轮形成v 型槽，当锥轮的可动端沿轴向移动使v 型槽 的宽度发生变化时，金属带在主、从动锥轮间径向移动，主、从动锥轮的作用半 径发生变化，传动比随之连续变化。主、从动锥轮的可动端带有液压缸，其轴向 移动由液压系统控制。 2 3 2 前进后退转换结构 前进，后退转换结构由双 x 查苎查兰塑主兰竺丝查苎三主垂墨壅兰墨兰堡丝塑墨塞竺墨丝墨墨 齿轮、驱动半轴等将动力传至驱动轮等部分。由外啮合齿轮泵供给液压控制系统 压力油并保证各运动副的润滑。变速器的主要组成部件包括：变速结构、前进后 退转换结构、齿轮传动结构、换档结构、液压泵和液压集成阀块控制系统等。液 压泵、主动锥轮和前进后退转换结构在一条轴线上，液压泵由发动机直接驱动。 图2 1 中可看到除前进后退转换结构外的大部分结构的组成及其安装位置关系。 2 3 1 变速结构 变速结构由主动锥轮、从动锥轮和金属传动带构成，如图2 2 所示。主、从动 图2 2p 8 l l 型盒属带式光级变遮器的变速结构 f i 昏2 2 1 1 1 eg h i f i 窖曲rs 衄曲胎0 f 钾e p 8 1 1c v t 锥轮均为组合结构，一端固定在传动轴上，另一端可在传动轴上移动。主、从动 锥轮的匿定端异向布置，既若主动锥轮左端固定，右端可动，贝f j 从动锥轮右端固 定，左端可动。主、从动锥轮形成v 型槽，当锥轮的可动端沿轴向移动使v 型槽 的宽度发生变化时，金属带在主、从动锥轮间径向移动，主、从动锥轮的作用半 径发生变化，传动比随之连续变化。主、从动锥轮的可动端带有液压缸，其轴向 移动由液压系统控制。 2 3 2 前进后退转换结构 前进，后退转换结构由双重小行星齿轮、前进用离合器和后退用制动器构成。 1 4 东北大学硕士学位论文第二章无级变速器总体结构及液压系统原理 前进离合器与后退制动器均为金属片与非金属摩擦片问置的多片式结构，由液压 系统控制。前进档离合器中的非金属摩擦片与前进档离合器外导向键啮合，金属 片固定在主动锥轮可动端液压缸活塞上的导向槽中；后退制动器中的非金属摩擦 片与内齿圈的外导向键啮合，金属片固定在箱体上的导向槽中。 空挡时，前进档离合器和倒档制动器都不通压力油，因而都松开，以切断发 动机扭矩的传递。此时由发动机驱动旋转的行星架带动双重小行星齿轮绕太阳齿 轮旋转，由双重小行星齿轮轴带动旋转的前进档离合器外导向键和与双重小行星 齿轮外层小行星齿轮啮合旋转的内齿圈的外导向键分别带动前进档离合器和倒档 制动器多片式结构中的非金属摩擦片空转。因为此时太阳齿轮不转动，与太阳齿 轮内齿圈啮合的主动锥轮轴不转动，发动机的扭矩传递被切断。 前进时，前进档离台器结合。倒档制动器松开。此时前进档离合器通压力油， 倒档制动器不通压力油。压力油将前进档离合器中的非金属摩擦片与金属片压紧 在一起，使其不能相对转动，因而主动锥轮可动端液压缸活塞被带动旋转，因为 太阳齿轮与主动锥轮可动端液压缸活塞焊接在一起，故太阳齿轮旋转，并带动与 之啮合的主动锥轮轴正向旋转，使汽车前进。 后退时，前进档离合器松开，倒档制动器结合。此时前进离合器不通压力油， 倒档制动器通压力油。压力油将倒档制动器中的非金属摩擦片与金属片压紧在一 起，使其不能相对转动，因而将内齿圈固定不动，双重小行星结构使太阳齿轮逆 转，主动锥轮随之逆转。 2 。3 。3 齿轮传动结构 齿轮传动结构由中间减速齿轮和主减速齿轮及差速齿轮组成。齿轮传动结构 为二级减速。第一级减速是通过从动锥轮轴上的齿轮与中间减速齿轮的啮合传动， 将从动锥轮轴输出的转速和动力传递到中间齿轮轴上；第二级减速是通过中间齿 轮轴上的另外一个中间齿轮与主减速齿轮的啮合传动将转速和动力传递到驱动 桥，驱动车轮转动。当汽车转弯时，差速齿轮起作用，满足汽车转弯时内、外车 轮转速不同的要求。 1 5 东北大学硕士学位论文第二章无级变速器总体结构及液压系统原理 2 3 4 换档结构 换档结构由换档手柄、棘齿销轴、弹簧锁片、拉杆和棘轮棘爪组成。当司机 扳动换档手柄时，换档手柄带动棘齿销轴转动，同时棘齿销轴拨动选档阀阀芯， 使其改变位置；当到达指定档位时，弹簧锁片将棘齿销轴锁定，选档阀的工作位 置亦被锁定。除了上述动作外，棘齿销轴在转动时还带动拉杆动作。当司机将换 能旋转，如图2 3 所示。 图2 3 换档结构 f i g 2 3 t h eg h l l c n h eo f s h i 彤n gs p e e d 2 。4p 8 l l 型金属带式无级变速器液压控制系统分析 2 4 1 液压控制系统的组成结构 p 8 1 1 型金属带式无级变速器的液压控制系统由液压泵和集成液压阀块构成。 如图3 1 和图3 2 所示，液压系统的油路非常复杂，由箱体上的油道和集成液压阀 块上的油道两部分组成。而集成液压阀块上的油道又有阀块正面的油道和阀块背 面的油道之分。箱体上的油道与集成液压阀块背面的油道之间有一块配油板，由 配油板上的油孔来决定箱体上的油道中的油液与集成液压阀块上的油道中的油液 之间的通流关系。阀块正面的油道与阀块背面的油道之间由集成液压阀块上的一 1 6 - 查些查兰翌主兰堡垒墨苎三主垄墨奎垫墨墨堡丝塑垦坚墨丝堡垩 些孔道或通过液压控制阀的控制阀口连接起来。由于采用了上述技术，系统中几 乎看不到一根油管，大大地节省了液压系统所需占用的空间。 2 4 1 1 液压泵 根据工作腔的容积变化而进行吸油和排油是液压泵的共同特点，因而这种泵 也称为容积泵。 齿轮泵是一种常用的液压泵。它的主要优点是：结构简单，制造方便，造价 低；重量轻；外形尺寸小；自吸性能好；对油的污染不敏感；工作可靠；由于齿 轮泵是轴对称的旋转体，故允许转速较高。其缺点是流量脉动和困油现象比较突 出，噪声高，齿轮泵的排量不可变。 低压齿轮泵的工作压力为2 5 m p a ；中高压齿轮泵的工作压力为1 6 2 0 m p a ； 某些高压齿轮泵的工作压力己达3 2 m p a 。齿轮泵的最高转速一般可达3 0 0 0 r n l i n 左 右，在个别情况下( 如飞机用齿轮泵) 最高转速可达8 0 0 0 r 肺i i l 。其低速性能较差， 一般不适于低速运行。当泵的转速低于2 0 0 3 0 蛐j 主警二纛雾一二蒌璧薹溶囊 蓥铲稻鳓； 睛隗型婪嚣彰鲰趟雾垫荟藤鞲二蓥| 影踅i 嘲瑙同淫凑冀裂麟鬟竿台蘸，跫 纛鼠鲶挂甏氇导刀! 1 醒奥芙菩臻俚象孽华番。雌照酗靶鹪野曩 x 东北大学硕士学位论文第二章无级变速器总体结构及液压系统原理 图2 5 阀块正面的油路 f i g 2 5 t h e o i l m a d s o n t h e 肋n t a l v 小e m o c k 本文所研究的车用金属带式无级变速器液压控制系统所用的液压泵为低压外 啮合齿轮泵。装在泵体中的一对齿轮由传动轴驱动。当传动轴正方向转动时，在 泵的吸油腔中酶齿逐渐退出啮合，使吸油腔容积增加而吸油；在排油腔，主动齿 轮的齿挤入被动齿轮的齿间，使排油腔容积减小，通过排油口排油。该液压泵与 主动锥轮、前进后退转换机构和发动机在同一轴线上，由发动机直接驱动旋转。 因为变速器的结构非常紧凑，所以液压泵上也分配了一些油路，即液压系统中的 某些油路从液压泵体上通过。 2 4 1 2 集成液压控制f 眯央 p 8 1 l 型金属带式无级变速器采用了集成阀块技术，将系统所需的各种控制阀 的主要控制部分( 控制阀芯) 集中装在一个特殊加工的阀块内。采用集成阀块技术 减小了液压控制系统所需的空闻，从而减小了变速器的体积。 p 8 1 1 型金属带式无级变速器的液压控制阀块的结构如图2 6 所示。 1 8 东北大学硕士学位论文 第二章元级变速嚣总体结构及液压系统原理 图& 6 集成液压控制阎块结构剡视图 f i g 2 6t h es t r u c t u r ec u t 钾a yv i e wo fi n t e g r a t ev a l v eb l o c ku n d e rh y d r a u l i c c o n t r 0 1 通过对液压控制集成阀块控制原理的研究，控制阀块主要有以下几个控制阀 组成，如图2 5 ( 1 ) 速比控制阀 ( 2 ) 域压阌 ( 3 ) 主调压阀 ( 4 ) 卸荷阀 ( 5 ) 二次调压闼 ( 6 ) 阀6 和阀7 ( 7 ) 倒档阀 ( 8 ) 信号压力耀 ( 9 ) 选挡阀 ( 1 0 ) 活塞的结构 一1 9 东北大学硕士学位论文第二章无叛变速器总体结构及液压系统原理 集油圆槽2 和旋转零件3 一起旋转，毕托管l 固定在变速箱壁或隔板上。管 口伸入圆环状油液中，其方向朝向该处油液圆周速度方向。当环状油液和集油圆 槽以相同转速n 旋转时，油液中产生离心压力，其值可通过计算求得。 取液面内任一半径r 处的一个微分环形体积，它的质量为： 咖= 2 寇旧冠搬 式中：p 油的密度。 这一质量所产生的离心力使油液沿半径方向产生一个微分增量，即： 以：掣：础搬 陋，织一! ! ! ：f 丝1 职搬( 2 1 ) 2 被6l6 0j 。 、7 积分得： 昂= ( 刳2 艘艘= 2 p 华 ， 当毕托管离油液表面的深度一定，即r l 为常数，则由上式可知： 0 = 砌2( 2 - 3 ) 式中：卜常数，故信号油压和油液转速丹的平方成比例。 当集油圆槽转速急剧变化时，由于油液的惯性，其转速变化往往滞后于集油 圆槽转速的变化，其信号变化灵敏度较差。 2 4 2 液压控制系统的工作原理 本节将介绍金属带式无级变速器液压控制系统的工作原理，在说明金属 - 2 1 东北大学硕士学位论文第二章无级变速器总体结构及液压系统原理 为了使传动具有较高的效率，从动锥轮对金属带应有适当的夹紧力。夹紧力 过大将导致不必要的功率损失，并缩短关键零部件的使用寿命；夹紧力过小则导 致金属带不能传递足够的转矩，金属带在带轮上打滑造成功率损失，同时还会加 速金属带与锥轮之间的磨损【l 】。 设发动机转矩为，传递转矩的储备系数为，则从动锥轮液压缸的期望的 压力可由下式确定： 只。：型塑兰( 2 8 ) “2 肚主 、 式中：口转矩储备系数，一般取值为1 2 1 3 ； 4 。从动锥轮液压缸的作用面积。 由上式可见，从动锥轮的工作压力( 液压泵出口压力) 由发动机输入扭矩t 、主 动锥轮作用半径r + 及摩擦系数一确定。在相同条件下，提高摩擦系数可减小锥 轮夹紧力，从而提高传动效率。摩擦系数取决于无级变速系中所用的润滑油， 它既要满足金属带与锥轮之间有足够大的摩擦系数，又要满足传动系统中诸如轴 承、齿轮等的润滑要求。所以能够实现的掣不能太大，通常在o 0 6 o 0 8 之间。 2 4 2 3p 8 1 1 型金曩带式无级变速器液压控制系统的工作原理 液压伺服系统是控制领域中的一个重要组成部分嘲。它是在液压传动和自动 控制技术基础上发展起来的一门较新的科学技术，在各个领域得到了广泛的应用。 液压伺服系统也称为液压随动系统，在这个系统中，输出量( 如位移、速度、力等) 能自动地、快速而准确地跟随输入量( 相应物理量的期望值或给定值) 而变化，与 此同时，输出功率被大幅度地放大啪1 蛆船1 。 2 3 东北大学硕士学位论文第二章无级变速器总体结构及液压系统原理 向移动通过反馈杆反馈到速比控制阀和主调压阀上，并通过弹簧转变为力信号作 用在速比控制阀和主调压阀阀芯上，控制阀芯移动，实现位置伺服控制。由图3 2 2 我们可以看出，在速比减小的时候主动锥轮可动端沿轴向右移，通过反馈杆使主 调压阀弹簧负载减小，主调压阀开启压力( 泵出口压力) 随之减小。也就是说，该 系统为减压增速，这样有利于提高金属传动带的寿命。汽车行驶阻力突变时，在 发动机油门不变的情况下，液压控制系统通过速比调节保持发动机转速不变，保 证发动机稳定在稳定工况范围内。 2 4 3 液压控制系统的控制过程 2 4 3 1 液压控制系统的功能 液压控制系统是金属带式无级变速器的一个基本组成部分，它的功能可概括 为如下几个方面： ( 1 ) 控制锥轮可动端和金属带的移动，对速比进行控制。 ( 2 ) 对金属带进行张力控制。 ( 3 ) 对前进离合器和倒退制动器进行控制。 ( 4 ) 保证无级变速器传动部件的润滑和冷却。 2 4 3 2 液压控制系统的控制过程 图2 9 所示为p 8 1 1 型金属带式无级变速器液压控制系统的机械连接部分。图 中椭圆形半透明区域中的连杆装置是主动锥轮位置反馈系统。由图中可清晰地看 到棘齿销轴机构上有五个棘齿齿缝，分别对应着选档阀的五个不同的工作位置， 图中所示为选档阀处于前进档2 时的情况。若扳动选档手柄使棘齿销轴转动一个 齿位，则弹簧锁片将锁住第二个档位，此时，选档阀将在前进档1 位置工作。依 次扳动选档手柄，使棘齿销轴每次转动一个齿位，则选档阀将依次工作在空档位 置、倒档位置和停车驻留档位置o ”。 2 5 东北大学硕士学位论文第二章无级变速器总体结构及液压系统原理 烧最充分，废气排放最少。在动力模式下，汽车发动机工作在最大功率附近，此 时发动机发出的功率最大，汽车牵引力最大。在汽车行驶的大部分时间内，汽车 工作在经济模式下。当汽车需要克服较大的阻力时，如在崎岖道路上行驶或上坡 时，汽车工作在动力模式下。 2 5 小结 本章通过对荷兰v d t 公司生产的p 8 1 l 型金属带式无级变速器的拆卸剖析，弄 清了p 8 1 1 型c v t 的变速结构和换档结构及各组成部分的工作原理，掌握了液压系 统所要完成的控制机能。 同时，为了对液压系统有一个进一步的了解，我们对液压系统的每一个部分 都做了全面分析和研究，最终得出了p 8 1 l 型c v t 的液压控制方式和原理，为我们 进行下一步的改进打下了良好的基础。 3 1 查苎查茎壁主堂堡垒圭璺三主皇垄型垄塾奎垄墨! ! ! ! ! ! 第三章电子控制无级变速器? 萋嘉蓄旦l 琵彗嚣? 争耋毳雩i 童鐾姜磊塑萋薹囊善 差；喜童兰芗_ ? 萋善薯雩 ；移l 曼擘箩墓薹尊亨氡芗羹薹藿季誊j 善三薹喜量薹蓁! 耋要? 誊；茎季 量羹j主；芗童薰前王壅冀蠢善薹囊萋鬻誊蒹瓢；淄灌专型喹滋滚懑缬涛露囊旺 辑戆菰戤塑璧需鹱瑟奠雾搂鏊辇鞫i 鬻豢蝌藿茹b o u t r o t a l es p e e d s o f t l l e en g i i l e 锄d t f l e d r i v e n c o n ew l m e l 在行驶阻力较小的情况下，汽车起动之后，驾驶员将油门踩到某一开度，由 于牵引力大于行驶阻力，随着发动机转速增加，输出转速先沿最大速比增加；随 着发动机转速继续增加，速比缓慢减小，同时输出转速继续增加。当发动机转速 达到该油门开度下的特定转速时，发动机转速不变，速比减小，输出转速增加。 达到最小速比之后，若此时发动机仍有后备功率，即牵引力仍大于行驶阻力，则 随着发动机转速的继续增加，从动锥轮转速沿最小速比继续增加，直到发动机输 出功率与负载匹配为止。在行驶阻力相同的情况下，油门开度越大，汽车加速越 快。由图3 2 6 可见，在油门较小的情况下，发动机转速到达特定转速前，随着发 动机转速的增加，速比变化较快，速毖变化曲线较陡；油门越大，发动机转速到 达特定转速前，随着发动机转速的增加，速比变化越缓慢，速比变化曲线越平缓。 汽车在某一车速下行驶，若突然加速，如超车，驾驶员猛踩油门，此时车速 几乎不变，发动机转速迅速增加，在此过程中，速比增大；当发动机达到新的油 门开度对应下的特定转速时，发动机转速不变，速比开始减小，输出转速增加。 达到最小速比之后，若此时发动机仍有后备功率，则随着发动机转速的继续增加， 从动锥轮转速沿最小速比继续增加，直到发动机输出功率与负载匹配为止。该速 比变化过程可用液压控制系统解释为：驾驶员猛踩油门时，油门联动装置使速比 控制阀所受的弹簧力增大，速比控制阀的主阀芯在弹簧力的作用下移动，使回油 2 9 一 一唧oli 艿牡闪龃螅俦瓤刂品闹鞣驹诘闪淖饔孟乱贫够赜 29一一唧oli 东北大学硕士学位论文第三章电子控制无级变速器( b c v t ) 反馈。另外还有一些称为全程电反馈类型的比例阀，也可构成小闭环。是否带内 闭环控制，所选用的比例放大器是不同的。 电液比例控制系统按实际控制信号产生的方式不同，也即采用的编程器的编 程方式不同而分成三种控制形式。 ( 1 ) 手动编程控制方式。 也称手动比例控制，主要用在各种现场作业机械上。 ( 2 ) 预编程的过程控制方式。 主要用于有相当一部分工作为重复循环的工业机械上。 ( 3 ) 自编程控制方式。 自编程控制方式是指带实际值反馈的闭环控制。由于自编程控制构成了 闭环系统，因而使系统对各种干扰变得不敏感。在这类系统中，真正的控制 量是给定值与实际反馈值之差，这个差与输出量有关。这种控制方式中，为 了检测被控量，需要选用适当的传感器和设计外反馈通道的电子线路，对实 际进行电测和反馈，以便与给定值一起进行运算和处理。 3 1 3 电液比例系统的设计 在上两个章节中，我们详细剖析了p 8 11 液压控制系统的控制机理和控 x 东北大学硕士学位论文第三章电子控制无级变速器( b c v t ) 反馈。另外还有一些称为全程电反馈类型的比例阀，也可构成小闭环。是否带内 闭环控制，所选用的比例放大器是不同的。 电液比例控制系统按实际控制信号产生的方式不同，也即采用的编程器的编 程方式不同而分成三种控制形式。 ( 1 ) 手动编程控制方式。 也称手动比例控制，主要用在各种现场作业机械上。 ( 2 ) 预编程的过程控制方式。 主要用于有相当一部分工作为重复循环的工业机械上。 ( 3 ) 自编程控制方式。 自编程控制方式是指带实际值反馈的闭环控制。由于自编程控制构成了 闭环系统，因而使系统对各种干扰变得不敏感。在这类系统中，真正的控制 量是给定值与实际反馈值之差，这个差与输出量有关。这种控制方式中，为 了检测被控量，需要选用适当的传感器和设计外反馈通道的电子线路，对实 际进行电测和反馈，以便与给定值一起进行运算和处理。 3 1 3 电液比例系统的设计 在上两个章节中，我们详细剖析了p 8 11 液压控制系统的控制机理和控制方式， 参照国外流行c v t 的液压系统，把理论与实际相结合。针对本课题对p 8 1 l 型金属 带式无级变速器设计了电液比例控制系统，见图3 2 。 3 4 东北大学硕士学位论文 第三章电子控制无级变速器( b c v t ) 尉3 2 控制原理图 f i 9 3 2p 皿c i p l ed i a g r a mo f c o n 仃d l 系统采用的电液控制系统为单压力液压回路，即速比控制和夹紧力采用同一 压力源。为了保证对速比的可控性，则要求主动轮油缸的面积必须大于被动轮油 缸的面积。本系统主要由两个比例压力阀、油泵、主被动轮油缸和电子控制块组 成。作为电子控制的输入信号，使用发动机转速传感器和转矩传感器，主动带轮 的位移传感器，被动带轮的压力传感器，也可以加入主动带轮旋转传感器、被动 带轮旋转传感器、车速传感器来作为后备信号。通过测量发动机的转速来调整速 比，从而控制发动机转速满足要求。控制输出是控制变速控制、侧压控制的输出， 用来控制系统所需的压力和流量【1 3 】【1 4 1 。 3 2 液压系统数学模型的建立 本课题利用传递函数框图法来建立液压系统的数学模型。本课题中，有一个 3 5 东北大学硕士学位论文第三章电子控制无级变速器( e c v t ) 不可克服的因素没有发动机，这样就不能用传感器来获得发动机在工作状态 时所具有的许多参数，如转矩、转速等。丽这两个参数在系统中是作为两个必需 的输入参数来加以考虑的，为了解决这个问题，在课题的实际研究中采用预先给 出这两个参数的模拟曲线作为系统的输入。相应地，系统原理图也将随之改变如 图3 - 3 所示。假设金属带与锥盘问没有滑差是剐性的，这样主动缸和从动缸就可以 被认为是一个液压缸中的两个腔。主动缸为无杆腔，从动缸为有杆腔，它们的有 效面积比值接近2 ，即 4 ：4 2 图3 _ 3 液压系统简化原理图 f 蟾3 - 3t h es i m p l ep r i n c i p l ed r 椭go f h y d r a u l i cs y g t e m 虽然本实验系统无法真实、形象地描述无级变速器液压系统中液压缸锥盘的 旋转过程和金属带受挤压后的上下移动改变速比的过程，但由于其与实际系统的 原理相同，故用它来验证设计的正确性与否是可以的。 3 2 1 电液比例控制器的传递函数 电液比例控制器是一个能对弱电的控制信号进行整形、运算和功率放大的电 子控制装置。它是比例系统能达到预期功能不可缺少的