（光学工程专业论文）无级变速器电液控制系统设计.pdf

t 程硕i j 学似论文 摘要 电液控制是c v t 传动系统的关键技术，直接影响到汽车变速品质、经济性以 及动力性。本文围绕金属带式无级变速器的电液控制系统的设计丌发等问题进行 了深入的研究。首先讨论了金属带式无级变速传动的特点、丌发的意义和发展趋 势，分析了会属带式c v t 的基本结构和变速原理。在详细分析了金属带式无级 变速器的传动系统与电液控制系统之后，建立了金属带式无级变速器的动力传动 系统模型和液压系统模型，阐述了c v t 速比、央紧力和起步综合控制技术，为进 一步设计开发c v t 的电子控制装置提供了理论基础。 然后根据c v t 电液控制系统的控制目标，提出了以英飞凌x e l6 7 单片机作 为c v t 电子控制单元处理器的总体方案，并完成了c v t 电子控制单元的传感器 信号处理电路和输入输出接口电路的设计。接下来以减小p c b 印刷电路板尺寸和 提高电子控制装置的稳定性、抗干扰能力为目标，设计了p c b 板。 最后编写了电子控制单元的软件。设计了央紧力控制系统和速比控制系统的 控制器。由于金属带式无级变速器特殊的传动机理，使得夹紧力和速比的控制相 互影响。所以对夹紧力控制系统设计了模糊p i d 复合控制器，对速比控制系统设 计了模糊控制器。 在试验台上对设计开发的电液控制系统进行验证和改进设计后，把电控系统 移植到汽车上对c v t 的电控系统进行整车道路试验。典型工况的性能试验结果表 明，所设计的电液控制系统能够满足无级变速器的控制要求，试验过程和控制结 果基本上反映了金属带式无级变速器电液控制系统的主要特征，为进一步研究和 改进打下了基础。 关键词：无级变速器；电液控制系统；控制技术；电子控制单元；传动机理 尢级变速器l 乜液拎：恻系统设计 a b s t r a c t t h ee l e c t r o n i ch y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mi st h ek e yp a r to fc v t ，t h et h e s i sm a i n l y f o c u s e so nt h es t u d yo fe l e c t r o n i ch y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo fc v t a tf i r s t ，t h e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h er e s e a r c hp u r p o s ea n dt h ed e v e l o pt e n d e n c yo ft h em e t a lb e l tc v t a r et a l k e d t h es t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec v t a r ep r o v i d e d b a s e d o nt h ea n a l y s i sa n ds t u d yo nt h ee l e c t r o n i ch y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo fc v t ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so fc v ta r ee s t a b l i s h e d ，t h et e c h n o l o g yo ft h ec l a m p ，r a t i oa n d s y n t h e t i cc o n t r o la ts t a n d i n gs t a r ta r ei n t r o d u c e d ，w h i c hi st h et h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o r c v tc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lt a r g e t so fc v t ，t h eg e n e r a ls o l u t i o no ft c u f o rc v t w h i c hi sb a s e do nx e16 7a sm i c r o p r o c e s s o ri sp u tf o r w a r d f i r s t l y ，t h es i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i to fs e n s o r sf o rt c u i sd e s i g n e d t h e n ，i n t e r f a c ec i r c u i tw h i c hi s c o n n e c t e de x t e r n a ls i g n a lo ra c t u a t o rw i t hm i c r o p r o c e s s o r i s a n a l y z e d a f t e r a c c o m p l i s h i n gt h el o g i c a ld e s i g no ft h et c u ，p r i n t i n gc i r c u i tb o a r d ( p c b ) i sd e v i s e d i no r d e rt od e c r e a s et h es i z eo fp c ba n di n c r e a s et h es t a b i l i t yo fp c b ，t h ea u t h o r a d o p t sas e r i e so fm e a s u r e st or e a l i z et h et a r g e t sa b o v e 。 b e s i d e s ，t h ep r o g r a mo ft h et c ui sd e v e l o p e d t h et h e s i sd e s i g n e dt h ec l a m p a n dr a t i oc o n t r o l l e r sr e s p e c t i v e l y d u et ot h es p e c i a ld e l i v e r yo ft h em e t a lb e l tc v t ，a f u z z y p i dc o n t r o l l e ra n daf u z z yc o n t r o l l e ri si n t r o d u c et ot h el i n ep r e s s u r ec o n t r o l s y s t e ma n dt h er a t i oc o n t r o ls y s t e mr e s p e c t i v e l y a f t e rt h ed e v e l o p e de l e c t r i c a lh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo fc v ti st e s t e da n d i m p r o v e do nt h et e s t - b e d ，a l lt h ec o n t r o ls y s t e mi m p l e m e n t e do n t h ev e h i c l e t h et e s t r e s u l t so ft y p i c a ld r i v i n gc o n d i t i o ns h o wt h a tt h ed e v e l o p e de l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e mc a nm e e tt h ed e m a n do fc v tc o n t r o l ，a n dt h es y s t e mi sa p p l i c a b l ei np r a c t i c a l s y s t e m 。 k e yw o r d s ：m e t a lv - b 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 ；e l e c t r o n i ch y d r a u l i c c o n t r o ls y s t e m ；c o n t r o lt e c h n o l o g y ；e l e c t r o n i c c o n t r o l u n i t ； t r a n s m is s i o nm e c h a n is m 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：刃留， 吼沙户岁月调 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密酿 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：乃窖， 导师签名纸胁谚 参3 卞 ，v ij 矿一7 1 日期：w 。7 年3 , e i 7 歹日 醐。夕 年歹月日 t 程颂i ：学位论文 第1 章绪论 1 1 无级变速器的发展 1 1 1 自动变速器的演变和发展 1 8 8 6 年，世界上诞生的第一辆汽车的并未装有变速器，直到1 9 0 2 年才由法 国人造出了第一部装有变速器的汽车【lj 。 1 9 1 4 年德国奔驰公司生产出第1 台自动变速器，但不是现代的电液控制的变 速器，只是皮带传动的机械式无级变速器。 1 9 2 6 年别克汽车第一次将液力偶合器和手动变速器装在一起，产生了第一代 液力变速器，但是换挡时还需踩离合器，以中断动力传递。 1 9 4 0 年美国奥兹莫比尔汽车上装上了第一台现代意义的自动变速器。这是一 种串联式行星齿轮机构的液控变速器，并于2 0 世纪5 0 年代在起美国3 大汽车公 司开始批量生产。 1 9 6 8 年法国雷诺公司第一次在自动变速器上使用了电器元件，向自动变速器 电气化迈出了第一步。到1 9 7 8 年城市运输车辆使用自动变速器的在美国占8 0 ， 在西欧占5 0 i 2 。 1 9 8 2 年丰田公司生产出第一台由微机控制的电控自动变速器，它是装配在佳 美四缸机上的a 一1 4 0 e 自动变速器。 1 9 8 4 年美国奥兹莫比尔汽车装上了t h m 4 4 0 一t 4 型自动变速器，这也是美国汽 车史上的第一台电控自动变速器，到2 0 世纪8 0 年代术美国3 大公司都分别推出 了2 种以上的电控自动变速器。a - 14 0 e 和t h m 4 4 0 一t 4 变速器上都只有1 个电磁阀。 19 9 2 年以前生产的电控自动变速器的执行器一一电磁阀最多的也只有2 个。1 个 负责变矩器锁止，1 个负责d 位上第4 挡的升降。在这一阶段电控还处于辅助阶 段。 19 9 2 19 9 4 年是电控变速器飞速发展的阶段。电磁阀特别是换挡电磁阀数量 的增加，使得换挡电磁阀已完全取消了节气门油压和速度油压对d 位上升降挡的 控制。双锁止电磁阀则对变矩器锁止工况控制得更加精确。主油压电磁阀明显减 轻了主调压阀的工作负担。超越离合器电磁阀，正时电磁阀、倒挡电磁阀、扭力 转换电磁阀、扭力缓冲电磁阀、强制降挡电磁阀和车速脉冲发生器等的大量涌现， 使电控系统对变速器的控制面进一步拓宽。 光擐变速辫b 挂挣制筑戬计 经济模拟、运动模拟、雪地驾驶模拟这些控制系统的出现使汽车的驾驶更力 随心所欲。增加了巡航控制4 三速超过4 0 k m h 时，按f 控制丌关，就不用踩油门 了，电脑直接对节气，r 度控制使车速稳定在设定的速度区域内。 1 9 9 5 年以后自动变速器己发展到一个崭新的阶段。原来的换挡电磁阀主要是 控制d 位上挡的升降1 9 9 5 年后某些变速器的换挡电磁阀对d 位挡、手动挡、倒 挡全部都负责，所以被称为全电子控制自动变速器( 实际还是电控液动自动变速 器) 。 c v t 取得里程碑式的突破是在上个世纪6 0 年代中期p l 。当时，v d t 公司的 研究人员在荷兰丌始进行调查研究，目的是研制结构更紧凑、更简捷的c v t 。使 它能和较大马力的发动机匹配。他们研制出了名为“p u s h i n g - b l o c k v b c l t ”的 金属v 型带式无级变速器，它具有更高的传动功率、效率指数值，甚至比当时有 级的自动变速器更好。之后，c v t 取得了长足的发展，被丰m 、福特、i = l 产等世 界各大汽车厂采用。 最后出现的是双离合器式自动变速器一d c t 【4j 。1 9 8 5 年，奥迪将双离合器技 术应用于赛车场上，当时被命名为“a u d is p o r tq u a t t r os l 赛车配合双离台器 技术”。双离合器技术使奥迪赛车驰骋于当时的各大越野赛场，获得多项赛事的 胜利。博格华纳公司通过使用新的电子液压元件使d c t 变成了实用性很强的变速 器。2 0 0 2 年，z f 公司开发的7 档d c t ( 图11 ) 应用在德国大众高尔夫r 3 2 和奥 迪t tv 6 上。2 0 0 9 年其相继推广到高尔夫等其他车型上。2 0 0 4 年，d c t 在德国 大众途安( t o u r a n ) 车型上首次与t d i 柴油发动机匹配。 图11z f 公司的7 档d c t i 瞧“- i 学位论尘 1 12 无级变速器的发展动态 在汽乍早期发展的所史巾，人们就已认识到在发动机1 j 传动系2 问文现无级 ，叟速调节爿能使汽乍达到理想的行驶工况。k 期以束，人们直进行着能传递大 功率、维持高效率、高舟命的机械式无级变速器的研究1 ：作。近年柬，由于材料、 润滑油、微机控制及加1 二技术的进步，c v t 有了搬大发腱。撮早应用丁汽车的无 绒变速传动是v 型橡胶带式无级自动变速传动，它出现在l886 年由德囡d a i m l ar b enz 公司生产的汽油机汽车上。而后，荷兰d a f 公司h v a n d o o r n e 博士 于1 9 5 8 年研制成功了双v 型橡胶带式无级自动变速器，并装备于d a f 公司的小 型轿车上。在2 0 世纪六卜年代中期，v d t 公司的研究人员在荷兰研制h 能传递 功率容量大，效半高，结构紧凑的无级自动变速器c v t ，使金属带式无级变速器 取得突破性进展。1 9 8 7 年v d t 公司的台属带式无级变速器进入商品化阶段 这年，福特汽车公司首次在市场上推出装用这种金属带的c v t 。本富士重工 也t 同年研制成功装备于j u s t e 车l 二( 排量1 12 l ) 电子控制c v t 。之后，井 亚特、福特、n 产等汽车公司鄙在公司生产的一膻1 2 1 6l 排量轿车卜装备 这种变速器。 九十年代，在总结八1 1 年代产品开发和使用经验的基础上，v d t 公司研制成 功了传动转距大，性能更佳的第二代c v t 传动器。到1 9 9 5 年，装有c v t 的汽车 产量己达到1 0 0 万多辆。目前主要有以下的c v t 生产厂商：f h i 、subaru 、 t o y o t a 、f o r d 、f ia t 、n issa 1 1 等。其中欧洲f o r d 公司c v t 产量为1 5 万 年，f h ic v t 产量为2 0 万年。到2 0 0 0 年以后，同产汽车更推出了装备了j a t c 0 生产的匹配排量达到3 5 l 发动机的t e a n a 等车型的新代x - t r o n i cc v t ( 图 1 2 ) ，使得c v t 的传递扭矩达到了空前的3 3 0 牛米。 图12 日本d a t e 0 公司的x - t r o n i cc v t 尤级变速器l 【! 液拎制系统设计 1 2 无级变速器的研究方向 目前，对c v t 的前瞻性研究内容包括如下三个方面：基本理论、动力传动系 统的综合控制、混合动力系统1 6 j 。 ( 1 ) 基本理论 v 型会属带具有独特的结构特征，因此v 型金属带的传动机理与普通的v 型 橡胶带的传动机理不同，v 型金属带传动机理非常复杂。金属带式无级变速传动 机理是其传动与控制的理论基础。为了尽可能的挖掘会属带式无级变速传动的潜 力，提高系统的传动效率，延长带的使用寿命和精确评估变速器传递转矩的能力， 丌发出优良的控制系统，有必要深入细致地研究金属带式无级变速传动机理。以 改善余属带一带轮传动副的结构和性能，提高金属带的承载能力与传动效率；给 出可以用于实时控制的带传动力学模型。 ( 2 ) 动力传动系统的综合控制 c v t 动力系统的综合控制是当前研究的主要方向。尽管已经有不同的c v t 批量生产，但依然存在着许多控制方面的问题。即使是设计合理、制造精度高的 c v t ，如果没有有效的控制系统，其性能也不能得到充分的发挥。为解决这些控 制问题，现在普遍采用的方法是充分利用车速和发动机转速的相互独立性，优化 c v t 传动系统的特性，从而实现对发动机和c v t 的综合控制。例如n i s s a n 公 司丌发的控制系统，根据目标转矩、车速和燃油消耗率的关系来确定发动机目标 转速，在获得目标转矩的同时，使发动机燃油消耗达到最少。试验数据表明，采 用综合控制策略的汽车比采用常规的控制策略汽车的燃油经济性提高1 。尽管 提高不是很多，但是这种控制策略很好是下一代动力传动系统控制的基本方针。 ( 3 ) 混合动力系统( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 简称h e v ) 由于c v t 的使用有效地缓解了内燃机汽车的负面影响，因此只要是内燃机汽 车就一定可以使用c v t 。目前，许多公司都在着手研究由发动机一电动机一c v t 或发动机一惯性飞轮一c v t 相结合组成的混合动力汽车，以达到进一步节能和降 低排放( 甚至实现零排放) 目的。在h e v 上使用c v t 是非常有利的，因为有电 动机的存在，避免了c v t 在低速工况下产生的问题，使发动机始终在最佳工作区 工作，提高了燃油经济性。 1 3 无级变速器的基本原理及技术优势 1 3 1 无级变速器结构特点和工作原理 图1 3 为金属传动带式无级变速变速机构工作原理图。形式上与v 型橡胶带 式无级变速传动相类似。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 4 1 ：程顺i 学位论文 变了传动带的回转半径，从而可改变传动比。可动轮的轴向移动是根据汽车使用 要求，通过液压控制系统进行连续地调节实现无缴变速传动。 132 无级变速器的技术优势 “n ；n 日# ；n j f m 目“n i “nj f l 目“ q * 囤l3 金属带式c ：v t 工作原理围 ( 1 ) 动力性 汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速能力。汽车的后备功率愈大， 汽车的动力性愈好。就传统的m t 和a t 变速器来说，档数越多，发动机发挥最大 功率附近的高功率的机会也就越大，汽车的加速和爬坡能力即动力性也就越强。 但是当档位数超过5 个( 前进档) 时，就会使变速器的结构和操纵机构大为复杂。 由于c v t 的无级变速特性，能够获得后备功率最大的传动比，所以c v t 的动力性 能明显优于m t 和 t ；并且相比较起来，c v t 的结构更为简单紧凑。 ( 2 ) 经济性 c v t 可以在一定范围内可以拥有无数个传动比，能自由控制发动机的工作点， 协调汽车路面行驶阻力与发动机负载，从而麸得传动系与发动机工况的最佳匹配， 使汽车按最佳燃料经济工作线工作成为可能，提高整车的燃油经济性。 ( 3 ) 平顺性、舒适性 由于c v t 在起步和加减速过程中不会像m t 和a t 变速器那样出现换档时的速 比跳变，因此使用c v t 的汽车行驶更加平顺，乘坐也更加舒适。 ( 4 ) 操纵性 由于c v t 在变速过程中无须中断动力传输，再结合一些电子控制装置，可以 犬幅减轻驾驶员的劳动强度，提高了汽车的操纵性，同时也提高了行车安全性。 ( 5 ) 排放 蠢 交彩萝一 鸯。 、鸯 无级变速器i u 液挣制系统设汁 由于c v t 能够根据需要控制发动机的工作点，使发动机能最大限度地被控制 在最佳工作点附近，使得气缸燃烧室内混合气体燃烧充分，大大降低了尾气中有 害气体和粉尘的排放。在相同条件下，c v t 变速器与a t 变速器进行同比试验得出： 使用c v t 的汽车比使用a t 变速器的汽车尾气中有害气体的排放减少了大约l o 。 简而言之，由于金属带式无级变速器的结构简单，关键零部件采用高强度优 质材料与无限寿命设计方法进行产品设计和制造。因此该系统质量高，使用可靠， 与汽车具有相同的寿命。 1 4 论文主要研究内容 1 4 1 课题研究意义 随着电子技术、材料及加工技术的发展，c v t 正朝着以下几个方面发展： ( 1 ) 向3 升以上排量的汽车上发展，以实现更广泛的应用； ( 2 ) 更加优越的控制及快捷的反应； ( 3 ) 更低廉的价格。 由于采用c v t 可以得到传动系与发动机工况的最好匹配，提高整车的燃油 经济性和动力性，并可以提高操纵方便性和舒适性，有效地降低了排放污染，且 综合性能优于a t 、a m t 系统。一些主要的汽车厂开始液力机械自动变速器过渡 到c v t 系统；或者直接发展c v t 系统；或两者兼有之。 近几年来，随着高科技的发展及市场需要，c v t 的机一液式控制系统己逐步 被电一液式控制系统所取代，从而实现无级变速传动装置与发动机的灵活匹配， 以满足多种控制模式的要求。对各种工况的控制策略也j 下在作更加深入的研究， 以使c v t 的优越性更大限度地发挥出来。目前，c v t 的电子控制又进一步向智 能化方向发展，如对湿式离合器的接合采用模糊控制来改善汽车的起动性能等。 同时无级变速器的结构也越来越小巧和紧凑，加上对前轮驱动的无级变速器进行 结构上的修改，使其可用于后轮驱动的汽车上，进一步增强了c v t 的应用范围。 由于无级变速传动能使速比连续变化，通过控制软件的标定使发动机经常在 理想区域内处于稳定运转状态，减少了发动机在不稳定工况工作的时间，从而减 少废气中有害物质的排放量，减轻了对环境的污染，同时通过对发动机的精确匹 配，使得发动机经常工作在最低燃油消耗区而达到节约燃油消耗的效果。符合国 家节能减排的产业政策，在我国生产此种变速器将是历史发展的必然趋势。所以 本课题通过攻克c v t 传动器设计的理论与电夜控制等关键技术，对掌握汽车研发 的核心技术、缩短与发达国家的技术差距具有重要的现实意义。对发展c v t 产业 乃至汽车产业的进步起到重要作用，并能带来巨大的社会效益和经济效益。 6 t 程硕卜学位论文 1 4 2 论文主要研究内容 ( 1 ) 阐述了国内外自动变速器尤其是无级变速器的发展历程及动念，分析了 开发无级变速器电液控制系统的意义。 ( 2 ) 本文分析研究了金属带市无级变速器的工作原理，建立了金属带式无级 变速的电液控制系统的仿真模型。并在此基础上分析了电液控制系统的特性。 ( 3 ) 针对经济型轿车c v t ，设计丌发了电液控制系统，对控制阀的特性进行 了研究，设计了用于变矩器锁止、湿式离合器、速比及央紧力控制的软件及硬件 电路，并进行了验证。 ( 4 ) 将所设计的电子控制装置软、硬件系统进行了台架模拟试验，验证了夹 紧力和速比控制的可行性。 7 无级变速i 器i u 液拎制系统改汁 第2 章无级变速器的工作原理和控制技术 对于金属带式无级变速器，简单地况，就是将来自发动机的动力经液力变矩 器及换向机构传递到主动带轮，靠主动带轮与金属片问摩擦力传递到金属片上， 然后再通过金属片间的相瓦推挤力、会属环的张力及金属片与被动带轮问的摩擦 力传递到被动带轮上，最后通过主减速齿轮及差速器输出到车轮以驱动汽车运动。 要开发设计出性能满足要求的电液控制系统，就必须了解c v t 的结构及工作的原 理，并掌握控制c v t 的方法。 2 1 金属带式无级变速器的基本结构 金属带式无级变速器主要是由液力变矩器、前进倒档离合器、行星齿轮机构、 无级变速机构、控制系统和中| 、日j 减速机构构成，如图2 1 所示。该c v t 为发动机 前置前驱动金属传动带式无级变速器。形式上与v 形橡胶带式无级变速传动相类 似。传动装置的主、被动工作轮由固定和可动的两部分组成，形成v 形槽，与会 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，从而改变了传动比。可动轮的轴向移动是根据汽车使用要求，通过液压控 制系统进行连续的调节，从而实现无级变速传动1 7 l 。 c v t 主要结构介绍如下： ( 1 ) 液力变矩器 液力变矩器靠液体循环流动过程中动能的变化传递动力。并能根据汽车的行 驶阻力，在一定的范围内自动地、无级地改变传动比和速比。c v t 采用液力变矩 器，具有以下优点： 1 ) 汽车起步更加平顺，能吸收和衰减振动与冲击，从而提高乘坐的舒适性。 2 ) 能一很低的车速稳定行驶，可提高车辆在坏路面的通过性。 3 ) 能自动适应行驶阻力的变化，在一定的范围内实现无缴变速，增大速比范 围。 4 ) 由于工作介质是液体，能使传动系的动载荷大为减轻，可提高有关零部件 的使用寿命。 ( 2 ) 前进倒档离合器 前进倒档离合器的主要作用是控制行星齿轮的分离及结合，并使汽车平顺地 传递到主动带轮，在必要时也可切断动力传递。 ( 3 ) 行星齿轮机构 8 t 程硕f ：学化论文 图2 1 金属带式无级变速器结构示意图 1 一主动带轮2 一行星齿轮机构3 一液压油泵4 一液力变矩器5 一被动带轮 6 一金属带7 一中间减速器 无级变速器还是需要使用行星齿轮机构来实现某种特定的功能。无级变速器 的行星齿轮机构采用双行星齿轮机构，行星架上固定有内、外行星齿轮和右支架， 其中右支架是通过螺栓固定在行星架上，外行星齿轮和齿圈啮合，内行星齿轮和 太阳轮啮合。它们可以实现前进和倒档。 ( 4 ) 无级变速机构 无级变速机构由金属传动带和主、被动工作轮组成，其结构图如图2 2 所示。 金属传动带由两百多个金属片和两组金属环组成，每个金属片的厚度为1 4 m m ， 在两侧工作轮挤压力作用下传递动力。每组金属环由9 或1 2 片厚度为0 1 8 m m 的 带环叠合而成，金属环的功用是提供预紧力，在动力传递过程中，支撑和引导金 属片的运动，有时承担部分转矩的传递。主、被动工作轮由可动和不动锥轮两部 分组成。 ( 5 ) 控制系统 无级变速器能够实现自动变速，因此其控制系统是无级变速器的核心部分。无级 变速器系统中，采用机一液控制系统或电一液控制系统。它主要由油泵( 齿 9 蹙建* 【u 4 $ 缱； 图22 金摧青轭蛆及舍辅焉的结一q 图 轮泵和滚子叶片泵) 、液压调节阀( 速比和带与轮日j 眶紧力的调节) 、传感器( 油 门和发动机转速) 和主、从工作轮的液压缸及油路组成，实现传动无级变速的调 节。速比控制、央紧力控制和起步离合器的控制是无级变速控制系统的关键。 ( 6 ) 中问减速机构 由于无级变速机构可提供的速比变化范围为26 04 4 5 左右，不能完全满足 整车传动比变化范围的要求，故设有中间减速机构，其速比也叫做二级减速比。 液力变矩器与c v t 系统合理匹配，可使汽车以足够大的牵引力平顺的起步 提高驾驶舒适型。当发动机转速高时，闭锁离合器将泵轮与涡轮锁住，成为整体 传动，提高了系统效率。因此，在第二代c v t 中常被采用，但成本较高。为降低 汽车传动装置的生产成本研究人员一直在致力于应用电控技术，在电磁离合器 或湿式多片离合器上实现液力变矩器的传递特性。 2 2 无级变速器工作原理 金属带式无级变速器c v t 的核心原理就是改变传动部分的节圆半径，其变速 原理如图2 3 所示。c v t 核心部件由两组带轮和金属带构成。每组带轮由可动部 分( 图中阴影部分) 和固定部分组成，固定和可动两部分形成v 形槽，与金属传 送带啮合，两个带轮轴问的距离是固定的，传动带的总长也是固定不变的。在低 速时，通过增大驱动滑轮的宽度，减小其工作半径，同时减小被动滑轮的宽度， 而增大工作半径，从而增大传动比。高速时，驱动轮的宽度减小，被动轮的宽度 增加，从而减小传动比。该系统的驱动轮与被动轮的活动部分分别位于相反一侧 所以变速时传动带只需作平行移动，不会发生扭曲。 速比即被动带轮的工作半径与主动带轮的工作半径之比。在速比变化过程中， 由于工作半径变化是连续的，所以速比也是连续变化的。 c v t 连续改变其速比的数学过程如下： 当主动轮缸缸径发生变化时，由于传动带长度固定，迫使被动轮缸缸径发生 t 稃硕i j 学位论文 变化，成而改变传动比i 即 主动带轮 硬动带罕已 速比i = 1速比i 1 图2 3 无级变速器的变速原理图 f - 生( 2 1 ) r p 式中，砟为主动轮缸半径；r s 为被动轮缸半径。 由图2 4 可知，传动带长度为定值，主动、被动轮缸间距为定值m ，由几何 知识可得： m c o s o s = r s 一郡 ( 2 2 ) 2 0 s ( r p + r ) 一r p 万+ m s i n 熊= ( 2 3 ) 由公式( 2 1 ) 公式( 2 3 ) 可知，传动比f 可表示为主动轮半径r ，的一元 函数。因此传动比f 可随着主动轮缸缸径的变化而连续变化，从而实现传动比连 续变化的无级传动【8 1 。 金属片金属环 图2 4c v t 传动模型 在金属带的传动过程中，速比不断变化。速比的变化使金属带在带轮的工作 面上不但有沿带轮圆周切线方向的运动，也有沿带轮径向半径的运动，因此，除 允级变速器l i ! 液杯制系统改汁 了金属带与带轮之f n j 的圆周切线的摩擦力之外，还有沿带轮工作面径向方向所产 生的摩擦力的径向分量。由于会属带的复杂结构特征，金属片之间接触点及金属 片和金属环之间也存在相对运动，造成金属带内部复杂的力的相互作用，使金属 带和带轮的接触点存在着弹性变形，增加了金属带和带轮之问的磨损。 2 3 无级变速器传动系统动力学模型 汽车动力传动系统的模型如图2 5 所示【9 】。驱动力由发动机经离合器传递到 c v t 的主动带轮，经过无级变速传动机构传递到被动带轮，经差速器和传动轴传 动到车轮。建立发动机和金属带式无级变速传动系统模型及对其特性的分析，是 研究无级变速系统匹配策略与控制规律的重要基础。在建模过程中我们感兴趣的 部件为发动机、无级变速器、传动系、车轮和整车动力学模型。在建模过程中假 设离合器已经结合或者液力变矩器已经闭锁，则发动机的转速和c v t 的主动带轮 转速相同。 图2 5 汽车动力传动系统的简化模型 发动机的角加速度为： ，。西。= r e l c v t 输出轴角加速度为： is 面s = t 。| 一t i o i ，t t o u = t m 。l r l i ，t = e | ( c ) s 面e = 面x i c 。+ ( 0 sd i c 。, ? d l 式中，z 一发动机的输出转矩，n m ； t , - - c v t 传动器主动带轮输入转矩，n i l l ； 瓦小一c v t 输出转矩，n 。m ； z 一作用在车轮上的等效阻力矩，n m ； 1 2 车轮 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) t 程硕i j 学位论文 j 。飞轮和主动带轮在c v t 输入轴上的等价转动惯量，k g m 2 ； ，。被动带轮和主减速器在c v t 被动轴上的等价转动惯量，k g m 2 ； o 带传动速比； f 0 一主减速器速比； 缈。一为发动机转速，r a d s ； 国。为被动带轮转速，r a d s ； 刁一为金属带传动效率； 将上述各式合并整理得到无级变速动力传动系统的动力学方程： 驴一百d i c v t 再( - d e i e + 麓 汜9 ， 根据式( 2 9 ) 可以得到，速比变化率华对汽车加速度具有负的作用效果， d t 因此在汽车加速过程中，若速比变化率过大，在汽车加速的初始阶段反而会出现 负加速度现象，尤其在发动机转矩较小时，这种现象会更加明显。相反，如果逐 渐加大发动机功率，同时对无级变速装置作用以负的速比变化率，汽车的加速度 会立刻增加。 由以上的分析可以看出，无级变速系统的速比变化率对汽车的动态响应效果 具有决定性影响，并且决定c v t 在发动机输出功率和汽车行驶阻力功率之间的动 态匹配关系。而速比变化率由液压控制系统确定，是需要控制的参数，因此必 须对液压控制系统进行分析，以获得速比变化率的控制方法。 2 4 液压控制系统模型 无级变速器电液控制系统，包含一系列执行机构和起控制作用的液压阀。无 级变速器电液控制系统根据功能可以划分为三个子系统：离合器控制系统，夹紧 力控制系统和速比控制系统。由于起步离合器只在汽车起步时起作用，对另两个 系统的影响不大，可以单独考虑。对液压系统特性进行理论分析时，可以将液压 系统简化为由一些基本的液压元件组成的系统。由此，典型的c v t 液压系统可以 简化为如图2 6 所示的模型。 在液压系统图中，油泵出口的压力由夹紧力控制阀调节，直接作用于被动轮 油缸。另一路则经速比控制阀的调节进入到主动轮油缸，实现速比的调节。所以 液压控制系统可以简化为夹紧力控制系统和速比控制系统。为了对c v t 液压控制 系统的特性进行研究，必须建立系统的数学模型【l i 12 1 。 垄塑篓矍堑! ! 些垒竺垂量堡兰 d r a - 图26c v t 液压控制系统 在离台器结合后，c v t 系统进入变速过程。在变速过程中央紧力控制阀和 速比控制阀根据电子控制单元的指令丌始工作。在液压系统的建模过程中，将其 看作是一个分布参数系统。般来晚系统中的央紧力控制阀是电液比例溢流阀 而速比控制阀是流量控制阀，通常情况下为高速开关阀。速比控制阔的出口压力 与流量是通过控制高速开关阀的占空比来实现的。 油泵的流量与输入转速近似成线性关系，由于制造和设计等方面的原因，油 泵自身存在泄漏，油泵出1 ：3 的压力越高，泄漏量越太，由此可以得到油泵的模型： q o = q q c 2c ( 2 1 0 ) 式中，q 0 油泵的流量，l m i m g 一油泵每转的排量，m l r ： ”。发动机转速，r m ir l ； c ，一油泵的泄漏系数； p 一兴紧力控制阀的调节压力，m p a ； 进入到夹紧力控制系统的流量g 。t 由质量守恒定律得： q 蛐= q o q “一瓯 ( 21 i ) 式中，如夹紧力控制阀排出流量，l m i m q 。一进入速比控制系统的流量，l m i r a 对于夹紧力拄制系统，由液压系统的连续性方程、能量方程呵以得到： 警= 群专慨。一c 叫挚 耻只一扣。叩警争 ， 式中，正一液体的体积弹性模量，m p a ； t 币口顺卜学位论文 c 。被动轮油缸泄漏系数； 只。一被动轮油缸内的压力，m p a ； a ，被动轮油缸的面积，m 2 ； 旷一被动轮油缸的容积，r n 3 ； x 。被动轮油缸位移，r n ； a 厂油管的横截面积，m 2 ； ，厂油管的长度，m ； c ，一油管的泄漏系数； p 一液体密度，k g m 3 ； 同样，对于速比控制系统，由液压系统的连续性方程、能量方程可以得到： d p ，q d tv p + ap xp ( q ，。c ，p j 。一4 ，d x ) ( 2 1 4 ) ( q p m c p 巴。一4 ，。孑) ( 2 e p o = e p 一击q p i n p 鲁笔 式中，c 。一主动轮油缸泄漏系数； 只。一主动轮油缸内的压力，m p a ； 么。一主动轮油缸的面积，m 2 ； 矿。主动轮油缸的容积，r n 3 ； x 。一主动轮油缸位移，m ； 么，油管的横截面积，r n 2 ； q p m - 进入到主动轮油缸内的流量，l m i n ； ，扩一油管的长度，m ； 在式( 2 1 4 ) 中，a 。咚表示山于主动轮的轴向运动造成的油缸内的流量的 变化。这种变化与主动带轮的轴向移动速度有关，而轴向移动速度的大小由c v t 的换档特性决定。 主动缸轴向运动方程为： m p xp + bp j ：p + kp xp = p 哟ap f 。p t 2 、6 ) 式中，m 。一主动缸、金属带及被动缸的等效总质量，k g ； b 。一主动缸、被动缸的等效阻尼系数； k 。一主动缸、被动缸的等效刚度系数； ，p 一被动轮的央紧力转换到主动缸的轴向负荷，n ； 无级变速传动的速比由主、被动轮的节圆半径确定。如图2 7 所示，是主、 被动轮节圆变化的约束条件。当被动轮位于最小节圆半径，主动轮为最大节圆半 径，传动得到最小传动比：f 商。= r d 椭r 珊。，此值通常为o 5 左右。当被动轮 无级变速器i t i 液拧：州系统设；i 位于最大节圆半径，主动轮为最小节圆半径，传动得到最大传动比： f 。i 。= r 删。戤r ，婀。i 。，此值通常为2 5 左右。金属带式无级变速装置的速比变化范 围通常为2 5 0 5 。 图2 7 主被动轮节圆变化的约束条件 主动缸的轴向位移引起主动轮节圆半径的变化由下式确定： 月脚= r d r 。i 。+ x 。2 t g a ( 2 1 7 ) 式中，口一带轮锥角，通常为1 1 。左右； x 一主动轮油缸位移，m ； 取值范围：0 x 。2 ( r 脯一一r d 栅。k 口 ( 2 18 ) 在变速过程中，由于金属带的长度可视为定值( 弹性变形引起长度变化很 小，可以忽略) ，所以主动轮的节圆半径确定之后，c v t 的速比就随之确定。根 据主被动轮节圆变化的约束条件可得： p + 2 0 ) r ，娟+ b 一2 0 ) r o n + 2 dc o s 0 = l ( 2 19 ) 式中，p 一金属带与两传动轴中心的连线的央角，r a d ； 三一带的长度，m ； d 一两传动轴中心距离，m ； 由式( 2 1 9 ) 可得速比和主动轮半径之间的近似计算公式为： f _ 二堡! 垒二兰丝竺( 2 2 0 ) z = 一 kz z u ， 2 么 热，= 等； a ：坠： d b ：万一生： d c ：万+ 坠+ 旦一土： d r f ) rr d r 通过对c v t 液压系统和主、被动轮节圆变化的几何约束条件的分析可以得 到：在c v t 电液控制系统中，通过控制夹紧力控制阀和速比控制阀的工作状态， 调节液压系统的压力和流量，引起主动缸的轴向移动，从而改变了c v t 被动轮的 1 6 夹紧力、c v t 的速比及速比变化率。 2 5 无级变速器控制技术 c v t 传动系的两个主要任务是：( 1 ) 把发动机输出功率可靠地传递到驱动轮， 并尽可能减小功率损失。( 2 ) 根据汽车的运行条件，按驾驶员选定的工作模式， 自动改变传动速比，使发动机工作在理想的工作点。( 3 ) 实现汽车平顺的起步及停 车。由此决定c v t 控制问题可归结为如下三个目标： 金属带夹紧力控制为了使变速机构的传动效率最高，必须合理控制对金属带 的夹紧力。如夹紧力过小，则金属带在轮上滑转，这不仅降低传动效率，还加快 金属带与轮的磨损，是的金属带过早失效。而央紧力过大，因为除带的节园层外， 带与轮之i 日j 必然存在滑动，将增加不必要的摩擦损失，不仅会降低传动系的效率， 还会带来不必要的温升，最后的结果同样是降低金属带的使用寿命。因此，必须 根据汽车的运行条件，始终把央紧力控制在目标值的小范围内。 速比控制在汽车的所有运行工况，为了满足它的经济性和动力性要求，应 使传动系的速比在汽车的行驶阻力和发动机输出功率之间，按驾驶员的意图自动 实现动态最佳匹配，把汽车的经济性、动力性发挥到最好。同时要控制速比平稳 的变化，以达到汽车平顺行驶的效果。 起步综合控制本文所研究的变速器由于采用了带锁止功能的液力变矩器， 被称之为双状态无级变速l l 引，因此，要根据驾驶员的意图，在不同使用条件使汽 车快速、平稳起步，就需要良好的起步控制策略。 只有这三个方面的控制都达到最佳状态，才能充分发挥无级变速的优势。c v t 传动装置从形式上看类似于三角皮带传动，但由于金属带特殊的结构和不同于传 统带传动的原理，使精确实现速比和央紧力的控制变得十分复杂。首先足因为夹 紧力与速比控制存在耦合效应，夹紧力控制与速比控制互相影响。其次是不能用 解析式精确描述它们期单的控制目，故现有的c v t 变速器产品，都是基于各大公司 的产品特点和相应的技术优势，通过大量的试验研究，各自确定夹紧力、速比及 起步离合器的控制规律。现分述这三个方面的控制问题。 2 5 1 速比控制 ( 1 ) c v t 的速比定义 传动装置的速比定义为主动轮的转速与被动轮的转速之比，即： f - 塑 ( 2 2 1 ) n 1 ) n 式中，门脚主动轮输入转速； 1 7 尢级变速： ； f u 液摔制系统设计 门d 一被动轮输出转速； 它也可用主被动轮的节园半径比表示。当被动轮处在最大节园，主动轮处在最小 节半径，得到最大传动比： f m 。= 瓦