CVT自动变速器电液控制系统设计

摘要汽车金属带式无级变速器CVT（ContinuouslyVariableTransmission）是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的区域工作，与有级自动变速器（AT）相比显示出惊人的节油效果，成为取代AT的最佳传动形式。传动系是车辆中较为重要、复杂的系统之一。以前人们把发动机和变速器分开来研究，变速器是以适应发动机和整车参数要求来设计的。CVT的出现使人们必须把发动机和CVT作为一个完整的动力总成来看待，用控制器把二者有机地联系起来，实现最优工作状态。电液控制系统是金属带式无级变速器的核心部分。它不论是控制原理还是控制过程都与液力式控制系统有很大的不同，其控制内容也很丰富。它最突出的优点是：可以改变自动变速器的换档规律；控制更加精确，结构更加紧密；具有故障自诊断和失效保护功能。本文围绕金属带式无级变速器的电液控制系统进行了设计。分析了电液控制系统的特性并设计CVT电液控制系统，分析了控制阀的特性并设计夹紧力控制系统与速比控制系统的控制器。关键词：金属带式无级变速器，电液控制系统，夹紧力控制，速比控制1目录摘要.2第一章绪论.41.1金属带式无级变速器.41.2金属带式无级变速传动的基本原理.41.2.1金属带式无级变速器的基本组成及传动原理.41.2.2金属带式无级变速传动的几何关系和基本参数.61.3金属带的受力分析.71.3.1金属环的张力分析.91.3.2金属片的受力分析.101.3.3金属带的受力分析.12第二章金属带式无级变速器电液控制系统分析.152.1CVT液压控制系统方案讨论.152.1.1机液控制系统特点.152.1.2电液控制系统.162.2CVT传动控制系统.172.2.1CVT夹紧力控制.172.2.2CVT速比控制.18第三章CVT电液控制系统设计.193.1CVT液压控制系统设计.193.1.1CVT控制系统的功能.193.1.2CVT液压控制系统设计.203.2CVT电子控制系统设计.223.2.1电子控制系统的结构.223.2.2电控系统接口电路设计.243.3CVT控制器设计.263.3.1夹紧力控制系统控制器的设计.263.3.2速比控制系统控制器的设计.28第四章结论.31参考文献.32致谢.332第一章绪论1.1金属带式无级变速器无级变速器(CVT)可以使发动机在最佳状态下工作，依靠变速器无级调速来适应汽车的各种速度，因此可以使发动机燃烧最好，排气污染最小，达到节油的目的。金属带式无级变速器是荷兰VDT公司的工程师VanDoorne发明的，用金属带代替了胶带，大幅度提高了传动的效率、可靠性、功率和寿命，经过3040年的研究，开发已经成熟，并在汽车传动领域占有重要的地位。金属带式无级变速器的核心元件是金属带组件。金属带组件由两组9-12层的钢环组和350-400片左右的摩擦片组成，其中钢环组的材料、尤其是制造工艺是最难的，要实现强度高，各层带环之间“无间隙”配合。金属带式无级变速器的主、从动两对锥盘夹持金属带，靠摩擦力传递运动和转矩。主、从动边的动锥盘的轴向移动，使金属带径向工作半径发生无级变化，从而实现传动比的无级变化，即无级变速。金属带式无级变速器采用带锁止离合器的液力变矩器作为起步离合器使用，液压泵提供锥盘加压、传动与调速系统用高压油，高压油通过液压缸、活塞作用于主、从动两对锥盘，夹持金属带，产生摩擦力传递运动和转矩，后面是齿轮传动和差速器传动。1.2金属带式无级变速传动的基本原理1.2.1金属带式无级变速器的基本组成及传动原理金属带式CVT主要由金属传动带、油泵、工作轮、起步离合器、中间减速机构以及控制系统组成。（1）金属传动带金属传动带有两组金属环和多个金属片组成。如图11所示，每个金属片的厚度为1.4mm，在两侧工作轮的挤压力作用下传递动力；每组金属环由数条厚为0.18mm的环带叠合而成，金属环功用是提供预紧力，在动力传递过程中，约束和引导金属片的运动，有时承担部分转矩传递。3图11金属传动带的结构1.金属片2.金属环（2）油泵为CVT传动系统提供控制、冷却和润滑的液压油源。常用的液压油泵有齿轮泵和叶片泵。为了提高液压油泵的工作效率，在最近开发的CVT传动器中采用滚子式叶片泵。（3）工作轮主从动轮由可动与不动的半锥轮组成。如图2-2所示，其工作面大多为直线锥面体。在液压控制系统作用下，依靠钢球滑道结构作轴向移动，可连续的改变传动带轮工作半径，实现无级变速传动。（4）起步离合器目前，汽车起步离合器包括湿式多片离合器、电磁离和器和液力变矩器三种。液力变矩器与CVT系统合理匹配，可使汽车以足够大的牵引力平顺的起步，提高驾驶舒适性。当发动机转速高时，闭锁离合器将泵轮与涡轮锁住，成为整机传动，提高了传动效率。但成本较高，为降低成本，研究人员一直在致力于引用电控技术，在电磁离合器或多片湿式离合器上实现液力变矩器的传递特性。（5）中间减速机构由于无级变速机构可提供的传动比（即速比，输出带轮的工作半径与输入带轮工作半径之比）范围为0.4452.6左右,不能完全满足整车传动比变化范围的要求,因而设有中间减速机构。（6）控制系统控制系统是用来实现CVT系统传动速比无级自动变化的VDTCVT控制系统，分机液控制系统和电液控制系统。机液控制系统主要有油泵、液压调节阀（速比和带与轮间压紧力的调节）、传感器（油门和发动机转速）和主、从工作轮的液压4缸及管道组成。日本的本田公司开发的CVT中，采用是电液控制系统，系统可以利用电子控制系统容易实现控制算法的优点，对系统进行精确的控制。而采用液压执行机构可以利用液压系统翻印快的特点。CVT初期产品多采用机液控制系统，近期一般采用电液控制系统，但电液控制系统成本高。CVT的工作原理如图12所示。传动器的主、被动轮由固定和可动的两部分组成，形成V型槽，与金属带啮合。当输入工作带轮的可动部分沿轴向外移动，输出工作轮的可动部分沿轴向内移动，使得输入带轮工作半径变小，而输出带轮半径变大，输出与输入带轮的工作半径之比变大，即传动比变大，反之，传动比将变小，由于工作半径大小变化是连续的，所以称之为无级变速。图12CVT工作原理图1.2.2金属带式无级变速传动的几何关系和基本参数由金属带的独特结构所决定，摩擦片的摆棱在两个锥盘的包角上是连续接触的。因为摩擦片很薄，在带轮的包角部分摆棱的连线近似于圆弧。根据金属带的运动状态，可将整条金属带划分为四个区段，即为主动轮包角ab、主动轮出口至从动轮入口的直线部分bc、从动轮包角cd、从动轮出口至主动轮入口的直线部分da。摩擦片摆棱的线速度b在主动轮包角ab和主动轮出口至从动轮入口的直线部分bc上是连续的，忽略摩擦片在主动轮上的滑动。摩擦片摆棱的线速度b可表示为bAxR1BxR2则金属带传动的理论传动比i为iA/BR2/R1式中A、B主、从动带轮角速度（rad/s）；R1、R2主、从动带轮节圆半径（mm）。当从动轮工作在最大节圆半径，主动轮工作在最小节圆半径时，传动比最大，5为imaxR2max/R1min。当主动轮工作在最大节圆半径，从动轮工作在最小节圆半径时，传动比最小为iminR2min/R1max。变速器的最大传动比imax和最小传动比imin之比定义为变速器的变速比Rb，也称为变速器的变速范围，即Rbimax/iminR2maxxR1max/R1minxR2min。变速比Rb的大小取决于主、从带轮的最大工作半径和最小工作半径。最大工作半径受两个带轮中心距的限制，最小工作半径受主、从带轮轴径的限制。变速器增速与减速对称分布时，主、从动轮尺寸相同，变速比Rb为Rb（R2max/R1min）（R1max/R2min）。在带轮轴径和中心距一定的情况下，增速与减速对称分布，可获得最大变速比。金属带传动的传动比为i时，主、从动轮的节圆半径可由下列公式确定。L=(R1+h)A+(R2+h)B+2Acossin=R2-R1/Ai=R2/R1式中R1、R2主、从动带轮节圆半径（mm）；h摩擦片摆棱至鞍面的距离（mm）；A、B主、从动带轮包角；L金属带工作长度，取金属带金属环内环周长（mm）；A金属带传动中心距（mm）。1.3金属带的受力分析金属带传动于普通的橡胶带、混合带和链传动不同，它主要是通过金属片之间的推力与环的张力一起来传递转矩的。由于存在初始间隙，在整个带长范围内，有的区域金属片之间有推力的存在，而有的区域，金属片之间则没有推力存在。图13所示为在低档下，当传递较大转矩时，金属片在整个带长范围内的分布。6图13金属带传动示意图在主动带轮入口之前(B区)，金属片之间有间隙存在；当金属片运转到主动带轮上时（P区），由推力的作用导致金属片相互挤压。在主动带轮出口到从动带轮的入口处（A区），金属片被挤压在一起；在从动带轮的入口到出口处，金属片间的压力逐渐减小，直至消失（S区）。在传递转矩的过程中，由于金属片与带轮之间，金属片与金属环之间以及内层和外层的金属环之间都存在相对滑动,因此金属带的受力非常复杂。为便于分析，作如下假设：1、带轮与金属片之间、金属环与金属片之间以及金属环之间的摩擦系数为常数。2、由于金属片的横向刚度高，金属带在带轮的圆形轨道上运行，沿带轮包角圆弧的中心与带轮中心重合。3、由于单个金属片的厚度为1.4mm，这与带轮包角上金属带的总长度相比很小，因此可以把金属片之间相互作用的挤压力视为是连续的。4、把金属带中叠置在一起的金属环近似看作一条钢带，不考虑各层金属环之间的摩擦，它所受的周向张力沿带轮包角上的分布满足欧拉公式。5、在速比变化过程中，不考虑两带轮上金属带的中心线的偏差。6、设带轮为刚体，不考虑带轮的变形。为以下计算分析的需要，把金属带整个周长划分为四个区间，并建立坐标系。主动带轮以带轮入口处为坐标起点，方向与带轮转动方向相同；从动带轮以带轮入口为坐标起点，方向与带轮转动方向相同。金属带在主动带轮包角范围内为P区；主动带轮的出口到从动带轮的入口之间为A区；金属带在从动带轮包角范围内为S区；从动带轮的出口到主动带轮的入口之间的直线部分为B区。下面以传动比i1时进行7分析。1.3.1金属环的张力分析图14金属环的受力分析如图14所示，在带轮包角上任取金属环上的微小单元d,受力分析如下：X方向：（1-3-1）Y方向：（1-3-2）式中：l金属环与金属片之间的摩擦系数；dP单位金属环上，金属片对金属环的作用力；Cr金属环的离心力由（1-3-1）、（1-3-2）式，得金属环张力T的微分方程，（1-3-3）对（1-3-3）式积分，可以得到沿带轮包角任意位置金属环张力T()的表达式，（1-3-4）式中，C积分常数带入边界条件，可得金属环在带轮上的张力分布方程。对主动带轮，当=0时，T(0)=Ta（1-3-5）所以在主动带轮上，沿带轮包角金属环的张力分布方程,（1-3-6）8在从动带轮上，沿带轮包角金属环的张力分布方程，（1-3-7）式中TaA区金属环的张力；P、S在主、从带轮上的坐标；P、S金属带在主、从动带轮上的包角。lP、lS主、从动带轮上金属环与金属片间的摩擦系数由于金属环的张力在整个包角范围内是连续变化的，所以金属环在主动带轮出口处的张力与从动带轮入口处的张力相等，由式（1-3-6）和式（1-3-7），可以确定上述假设成立应满足的条件，（1-3-8）1.3.2金属片的受力分析由假设可知在带轮包角上，金属片所受的推力Q是连续的，如果对带轮包角上处于动弧上任意位置金属片取微小的单元d，如图15所示，则金属片的受力分析如下：X方向：（1-3-9）Y方向：（1-3-10）式中dN单位金属片上，带轮对金属片的作用力，dN=Nrd；金属片与带轮之间的摩擦系数；摩擦角；Ce金属片的离心力；9图15金属片的受力分析由式（1-3-1）、（1-3-2）、（1-3-9）、（1-3-10）可得沿带轮包角金属片推力Q的微分方程(1-3-11)式中，（1-3-12）当量摩擦系数表示金属带与带轮接触点处切向摩擦力与径向摩擦力之比时，它是摩擦角的函数。定传动比时金属带没有径向运动，则式（1-3-12）可以简化为，（1-3-13）这与普通三角带的切向摩擦系数是一致的。若忽略金属带运动过程中产生的离心力的影响，则式（1-3-11）可简化为，（1-3-14）对式（1-3-14）积分，并代入边界条件，分别得到金属片的压力在主、从带轮包角上的分布方程。在主动带轮上金属片的推力分布方程，10（1-3-15）在从动带轮上金属片的推力分布方程，（1-3-16）式中，P、S主、从动带轮上金属片与带轮间的当量摩擦系数。由图可以确定，在主动带轮的出口处与从动带轮的入口处，金属片的夹紧力相等Q=Q0。由式（1-3-15），当=P时，（1-3-17）由式（1-3-16），当=S时，（1-3-18）所以，由式（1-3-17）与式（2-2-18）相等，由此得到（1-3-19）从式（1-3-19）可以看出，主、从动带轮上的的动弧P、S之间不是独立的，P随S变化。当传递的转矩渐渐增大时，在主从动带轮上，金属带的动弧也随之增大。所以可以认为S是P的函数，满足式（1-3-19）。1.3.3金属带的受力分析根据以上分析，可以确定在不同传动比时，金属环张力和金属片推力方程。由此可以确定在整个带长范围内的金属带的力分布。在相同条件下：转矩比（或称输入转矩比，是带轮在一定条件下，即传动比和主、从动带轮的间夹紧力保持不变时，把输入的转矩TP与该条件下传递的极限转矩TPM的比值定义为转矩比）=0.5，金属环最大张力为T=1000N,=l=0.1时，进行了计算。计算结果如图16所示。图中所示为计算得到的金属环的张力和金属片的推力的比较图。纵坐标显示金属环11张力和金属片推力的数值大小；横坐标表示金属带沿整个带长的分布。图16金属片的推力和金属环的张力分布由图中可见，在相同条件下，在传动比不同时，金属片的推力、金属环张力的大小以及在整个带长范围内的分布是不同的，且相差很大。根据图15所示的计算结果，当传动比i1时，金属环张力的分布形式与普通平带在传递动力时相同，在主动带轮上，从入口到出口渐渐减小，在从动带轮上则是从入口到出口逐渐增加。然而，在i=0.5时，在主动带轮上张力从入口到出口逐渐增大，而在从动带轮上，张力从入口到出口则逐渐减小。这是由于金属带的特殊结构造成的。如图11所示，金属环与金属片的节圆半径之间相差dr。由于存在偏差，在小半径带轮上，金属环的速度比金属片的速度低，在小半径带轮上金属片推动金属环。由金属环的张力分布方程（1-3-6）、（1-3-7）可见，在一定速比条件下，金属环的张力大小与分布形式和输入转矩无关。在主动带轮上，金属环传递的转矩Tring大小如下，（1-3-20）当无级变速传动处于低档i1.0时，由于作用在B区的金属环张力Tb大于在A区的金属环张力Ta，所以在主动带轮上，金属环从入口到出口传递正的转矩，即Tring0，说明金属环的张力有助于转矩的传递，他承受的转矩的大小为Tring。由式（1-3-15）和（1-3-16）可见，在一定速比条件下，金属片的推力大小与12输入转矩有关。金属环的张力承受的转矩的大小是不变的，因此当输入转矩大于或者小于金属环转矩时，必将引起金属片推力分布形式的变化。在其他条件不变的情况下，当输入转矩比不同时，金属环的张力与金属片的推力在带长范围内的分布如图2.7所示。图17低档时金属片推力与金属环张力分布由图中可以看出，当输入转矩不同时，金属片的推力大小与分布形式发生很大的变化。当转矩比=0.7时，输入转矩大于金属环传递的转矩，即TinTring，那么作用在金属片上的推力为，Q=(TinTring)/rP0，且金属片之间的推力作用在带轮的上面Qa。如果输入的转矩小于金属环传递的转矩TinTring时，作用在金属环上的推力为Q=(TinTring)/rl0，这表明在主动带轮上，不是在出口侧，而是在入口侧存在金属片间的推力Qb。也就是说，当传动比i1,当Tin1.0）时，金属带的受力分布如图18所示。13图18金属带的受力分布（i1.0）在高档（i0，但金属环张力传递的转矩始终为负，金属片推力首先克服金属环的张力产生的转矩，才能够传递转矩，且作用在带轮的上侧。随着输入转矩的增大，金属片的推力的大小发生变化，但始终作用在带轮的上侧，如图19所示。因此，在高档传递转矩时，金属带的受力分布只有一种形式，如图110。14图19高档时金属片推力与金属环张力分布图110金属带受力分布（i1.0）15第二章金属带式无级变速器电液控制系统分析2.1CVT液压控制系统方案讨论2.1.1机液控制系统特点CVT控制有机液控制和电液控制两种方案。通过驾驶员控制加速踏板的位移大小，来改变发动机节气门开度，汽车的行驶状态由驾驶员来控制。汽车加速踏板的位移固定在控制凸轮的形状上。当汽车起步时,控制凸轮绕固定的支点转动，驱动速比控制杠杆绕可动支点转动，通过传动杠杆使速比阀移动。主动缸与回油路相通，主动轮的可动部分与固定部分的距离增大，可使金属带沿带轮表面滑动至最大速比处，以获得最大的起步加速度。在变速过程中随着速比的不断增大，反馈杠杆绕固定支点摆动，压缩夹紧力控制阀的弹簧使被动缸的油压增加。同时传动杆的水平移动使速比控制杠杆向起步时相反的方向转动，速比控制阀的输入位移减小。随着发动机转速升高，在离心力作用下插在主动轮U形槽中的皮托管压力升高。由皮托管感应的压力分成两路：一路引入到速比阀的右端，克服速比阀弹簧的张力，又使阀芯向右移动，逐渐增加主动缸的压力。这样一来，主动轮随着发动机转速升高右移，速比减小。而另一路皮托管的压力引入到夹紧力控制阀的右端，迫使夹紧力控制阀芯向左移动，被动缸的油压随发动机转速升高逐渐降低。通过与油泵出口相连接的压力阀调节系统的主压力，它直接作用在从动轮油缸内，在一定速比下它的大小决定着金属带的转矩传递能力。机液控制系统可用较少的液压阀就可实现系统的速比及压力控制。，但存在如下的问题：不能对主、从动油缸的压力进行独立的控制，它仅能根据固定的变化关系控制，控制策略单一，不能满足不同行驶工况的要求，因此很难实现夹紧力和速比的任意控制；CVT液压控制系统的工作压力高，不能实现速比和夹紧力的精确控制，造成系统的液压损失增大；控制系统的可移植性差，一种控制系统只能针对一种车型，不能适用别的车型，只要传动系和汽车参数变化，都必须改变控制系统的结构尺寸。2.1.2电液控制系统采用电液控制系统可以克服机液控制系统的缺陷，如主、从动带轮的油缸压力可以独立控制，从而可能使传动器按驾驶员选定的工作模式达到最佳匹配。利用精16确测量的发动机与从动轮的转速信号，可实现对CVT传动器速比和夹紧力的精确控制。通过增加工作模式选择开关，使汽车在不同的行驶条件下把经济性和动力性发挥到最佳状态。所以电液控制系统在经济性、动力性、舒适性和操纵性等方面都得到了明显的改善。在无级变速电液控制系统中，包含一系列执行机构和起辅助作用的液压阀，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。在对液压系统特性进行理论分析时，将液压系统简化为一些基本的液压元件。为便于对CVT的液压系统的特性进行分析，本文做如下简化：1、起步合器只是在汽车低速起步时结合，此时无级变速系统保持最大速比，还没有进行变速，所以不考虑离合器控制阀对变速系统的影响；2、只考虑起直接作用的电磁阀，忽略其它起辅助作用的阀；3、不计系统管路弯曲和接头处的局部损失。由此，典型的CVT液压系统可以简化为如图21所示。在液压系统图中，油泵出口的压力由夹紧力控制阀调节，直接作用于从动轮油缸。另一路经速比阀的调节进入到主动轮油缸，实现速比的变化。所以液压控制系统可以相应的分为夹紧力控制系统和速比控制系统。在CVT电液控制系统中，控制阀由电磁铁操纵，实现压力和流量的调节。在离合器结合后，系统进入变速过程。在变速过程中，夹紧力控制阀和速比控制阀根据控制单元的指令开始工作。在液压系统的建模过程中，将其看作是一个分布参数系统。一般来说，系统中的夹紧力控制阀是溢流阀，而速比控制阀是方向控制阀（流量控制阀）。速比控制阀的出口压力与流量是通过控制节流口的面积来实现的。图21CVT电液控制系统172.2CVT传动控制系统在无级变速控制系统中，系统的主压力由与油泵出口相连的夹紧力控制阀节，它直接作用在从动轮油缸内。在一定速比下，它的大小决定着金属带转矩传递的能力。由于夹紧力控制阀直接关系到系统的传递效率和转矩的安全传递，因此必须实现对系统夹紧力的精确控制。2.2.1CVT夹紧力控制CVT的夹紧力控制是被动缸压力的控制，由油门开度和行驶模式确定发动机的输出转矩，将理想夹紧力与实际夹紧力之差输入控制器，控制夹紧力控制阀（比例溢流阀），如图22所示。图22夹紧力控制CVT传动中夹紧力控制决定系统的传递效率、零部件的寿命。如夹紧力过小，金属带在带轮上打滑，这不仅降低传了动效率，还加快金属带与轮的磨损，缩短了带与带轮的使用寿命。金属带与带轮的径向接触有一宽度，而夹紧力大小按节圆半径计算，传动过程中，除节圆层外，带与轮之间必然存在滑动，故夹紧力过大也将增加不必要的摩擦损失，降低传递效率。同时还会导致金属带张力过大，缩短带的使用寿命。由于金属带的长度为一定值，夹紧力控制和速比控制是相互耦合的，即夹紧力的变化必然要引起速比的变化。2.2.2CVT速比控制无级变速器的速比特性如图23所示，其工作范围是由直线I、II、III、IV所包围的区域。在这个区域内可实现速比的连续变化，根据油门的开度和汽车的行驶阻力自动达到最佳匹配。当发动机在某一给定油门下工作时，可以通过调节无级变速器的速比使发动机以最低油耗点或最大功率点的转速工作。无级变速系统中相应地存在两种控制模式经济控制模式和动力控制模式。18图23速比变化图为获得期望的速比变化率，采用如下的控制策略：式中：Np主动轮转速，离合器完全结合以后，Np=ne（r/pm）；Ki速比影响系数；P*p理想主动缸平衡压力（MPa）；Pp主动缸实际工作压力（MPa）。速比控制采用脉宽调制控制换向阀，控制器的输入为实际速比与目标速比的偏差及偏差变化率，策略图如图24所示图24速比控制策略将油门开度和车速输入发动机模型，根据所选的行驶模式，输出目标速比，实际速比为主从动轮转速之比，将目标速比和实际速比之差输入控制器控制器，输出为电磁阀控制电压。19第三章CVT电液控制系统设计3.1CVT液压控制系统设计3.1.1CVT控制系统的功能CVT传动器的主要任务是：把发动机输出功率可靠的传递到驱动轮，并尽可能减小功率损失。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比使发动机维持在理想的工作点。根据驾驶员的要求在不同的使用条件下均能使汽车平稳起步，并且能在必要时切断动力的传递。由此决定了CVT控制系统的功能应该主要有以下三个方面：1、夹紧力控制为了提高传动效率，必须合理控制对金属带的夹紧力。如果夹紧力过小，则金属带在带轮上滑转。这不仅降低传动效率，还加快金属带与带轮的磨损，缩短带与轮的使用寿命。而夹紧力过大也将增加不必要的摩擦损失，同样也会降低传动系的效率。同时还会导致金属带的张力过大，缩短带的使用寿命。根据汽车的运行条件，始终把夹紧力控制在目标值的小范围内，是CVT传动系的第一个控制问题。2、速比控制在汽车的所有运行工况条件下，为满足它的燃油经济性和动力性的要求，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、动力性发挥到最佳状态。3、起步离合器控制根据驾驶员的意图，在不同使用条件均能使汽车平稳起步，并能充分发挥汽车起步时的动力性。3.1.2CVT液压控制系统设计控制系统的三个功能，相应的液压控制系统分为三个子系统：夹紧力控制系统、速比控制系统和起步离合器控制系统。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。一般情况下，CVT的控制是通过控制一个带轮轴向夹紧力来保证要求的转矩容量，实现不打滑的夹紧力，同时通过对另一个带轮位置的控制实现速比控制，两个带轮20的控制同步进行。在进行控制的过程中，基于控制目标的不同，有两种可能的实现方案：一、力压力（主动缸）控制，二、位置流量（主动缸）控制。在方案一中，主动缸采用有压力反馈的压力控制阀，主从动带轮缸中的压力控制基于平衡状态下主从动带轮的夹紧力比。夹紧力的控制根据平衡状态下夹紧力的关系来确定，控制主动带轮上的夹紧力，从而实现速比控制，而主动轮缸内的压力是通过压力调节阀来实现的。在这种控制方式中，要实现速比的精确控制，必须使主动缸内的压力直接作为反馈。而方案二中，主动轮缸采用方向控制阀，通过控制流入或流出主动轮缸的流量，使主动带轮在金属带的约束下沿轴向移动以实现位置控制。这种速比控制的实现方式也是以主、从动带轮夹紧力的平衡条件为前提的，因为从动轮的压力可以根据传递的最大转矩确定，调节主动带轮油缸的充油量，则主动带轮的位置发生变化。当达到平衡状态时，主、从动带轮的夹紧力的大小必然满足力的平衡条件。由于每个控制子系统的工作压力不同，这样在不同工况下，随着控制阀的开启和关闭，就会造成系统液压油的流向和分配发生变化，不可避免的造成系统压力波动。为了减少不同控制系统之间的相互影响，在设计液压控制系统时，理想的状态是每个子系统都有一个单独的油泵供油。很显然，这会增加系统的复杂程度，给设计制造带来很大麻烦，增加系统的成本。由于CVT只有一个油泵，主、从动轮油缸的压力都必须从油泵的供油压力处获得，这就需要一些控制阀按一定的布置方式来调节，以满足系统的需要。当前实际应用中，根据控制阀的布置形式不同，金属带式无级变速传动器的液压控制系统的结构多种多样，从阀的布置形式和控制阀的种类上相差很大，因而系统的复杂程度和实际的控制效果也不同。从原理上来说，分为两种形式：主、从式和并行式。主、从式采用不等面积的油缸，通过控制从动带轮油缸压力实现转矩容量的控制，并通过控制主动轮油缸压力实现速比控制。并行式采用等面积的油缸，由液压系统产生高、低油压，通过电控换向阀分别给主、从动轮油缸施加高、低压力，一般向变宽的带轮油缸加低压保证转矩传递容量，向另一个油缸加高压实现变速。在设计液压控制系统时，在实现系统的设计功能的前提下，应考虑系统的成本、可靠性等方面的限制。由于系统只能通过一个油泵供油，为了使系统结构简单，选用的阀应该尽可能少，阀的结构尽量简单，抗干扰能力尽可能强，对液压系统的杂质污染和自身的磨损不敏感。同时在选择阀和系统的结构形式时，应该使不同功能子系统之间的影响达到最小。另外，由于阀自身会造成对系统的压降，为了减少沿程损失，控制阀应该靠近工作油缸。在CVT液压控制系统中，为保证发动机转矩安全传递，从动轮油缸的压力最高，21因而夹紧力控制对系统的效率有很大的影响；其次是主动轮油缸的压力；最后是离合器油缸压力和润滑、冷却系统。因此根据压力的高低不同，可以考虑将CVT液压控制系统分为三个等级的控制系统，如图31所示。在控制多级压力组成的系统时，不同系统之间由于液压油的分配和其它原因，使系统间的压力有很大的耦合效应。因此研究不同工况下的系统的响应是非常重要的，这是保证系统可靠工作的前提。图31控制系统框图3.2CVT电子控制系统设计液压系统必须在相应的电控系统的控制下，才能按照一定规律动作，实现系统的功能。同时电控系统通过一系列的传感器，监测系统当前的状态，对控制系统的输出进行修正。因此必须设计CVT电控系统。3.2.1电子控制系统的结构在进行CVT控制系统整体设计中，首先应确定系统的输入、输出通道及其处理方式。具体讲，应考虑以下几点：确定需要检测哪些开关量、哪些模拟量；根据检测参数，选择检测元件或仪表；确定需要系统提供哪些开关量、哪些模拟量及数字量输出；确定输入输出通道采用何种通讯方式、处理方式。其次，选择计算机系统。这可以有多种方案，一般来说，采用标准的功能模块产品进行配置。再次，选择及设计执行机构。针对CVT的特性，采用液压比例控制系统作为执行22机构。其中，液压系统本身就是复杂的控制系统，对它的设计要按液压系统的特点和CVT系统的要求来详细考虑，这在前面的章节中进行了介绍。然后进行过程通道及接口的简单设计。由于所购买的模板是为通用目的设计的，可能无法完全满足特定的要求，所以需要进行改进和扩充。接着进行可靠性措施的设计，最后进行系统的调试和修改。如图32为CVT控制系统的原理图。它主要由传感器、输入接口电路、电控单元（ECU）、输出接口电路和执行器构成。另外还有电源电路、通讯电路等。其中控制器是核心，它具有储存程序、接收信息和发出控制指令的功能。为了使系统工作稳定，消除不必要的因素干扰的目的，鉴于程序开发方便等原因，首先选用工控机，再移植到单片机上。传感器的作用是用来获得车辆行驶过程中的各种信息，并将这些信息传递给电控单元。表31给出了目前CVT电控系统所装有的传感器及类型。电控单元根据这些信息来识别驾驶员的意图，判断运行工况，发出相应的控制指令。发动机转速、CVT输入轴转速和输出轴转速的测量采用磁电传感器，加速踏板传感器和制动踏板传感器采用位置传感器，机油温度传感器采用热电偶。这些传感器的输出模拟信号经输入接口电路的放大、处理，在经过A/D转换，最后进入到ECU。档位选择开关和运动模式选择开关通过I/O进入到ECU，系统根据当前档位信号和运行模式值，进行逻辑判断，以决定当前的运动状态。系统采集当前的输入信号进行处理，根据控制策略计算得到当前的油门开度，经步进电机驱动电路，到发动机节气门控制器，使节气门达到目标值。ECU计算得到当前的压力值，转化为电信号输出到电磁阀驱动电路，控制电磁阀的动作。23传感器输入接口电路控制器输出接口电路执行机构图32CVT控制系统硬件原理图CVT输入轴转速传感器CVT输出轴转速传感器主动轮缸压力传感器从动轮缸压力传感器离合器压力传感器加速踏板传感器制动踏板传感器离合器位置传感器机油温度传感器档位（DPRNM）动力/经济模式选择自检开关发动机转速传感器转速测量电路模拟量输入电路I/O输入电路电控单元（ECU）电磁阀驱动电路步进电机驱动电路显示驱动电路CVT夹紧力控制阀离合器控制阀CVT速比控制阀显示仪表节气门控制器24表31CVT系统传感器传感器信号种类传感器形式数量发动机转速传感器脉冲磁电式1CVT输入轴转速传感器脉冲磁电式1CVT输出轴转速传感器脉冲磁电式1加速踏板传感器模拟电位计1制动踏板传感器模拟电位计1离合器位置传感器模拟电位计1离合器压力传感器模拟压电式1主动缸压力传感器模拟压电式1从动缸压力传感器模拟压电式1温度传感器模拟热电偶1档位信号传感器接点加压式接点5工作模式选择传感器接点加压式接点23.2.2电控系统接口电路设计在CVT电控系统中，测量信号和输出信号需要经过接口电路的处理，转化为计算机能够识别和处理的信号，或者经过放大驱动执行机构。下面分别就转速测量电路和电磁阀驱动电路进行介绍。1、转速测量电路在车辆上，转速传感器目前广泛应用磁电式转速传感器。他是由旋转的齿圈和固定的电磁感应式传感器两部分构成。当齿圈转动时，齿圈的齿顶与齿隙就交替地与传感器磁芯端部相对，传感器感应线圈周围的磁场随之发生强弱交替变化，在感应线圈中就会产生类似正弦波的交变电压，交变电压的频率与齿数和转速成正比。这种交变电压经整形电路（如图33）的变换后，可以生成标准的方波信号。齿圈和传感器感应头之间的相对位置、传感信号和整形信号的相互关系，如图34所示。25图33转速处理电路图34脉冲转速测量工作原理经过整形电路处理后的转速方波，放大后输入到控制器的定时/计数器上。控制器根据方波信号的每个上升和下降沿的发生时间来计算回转速度。有两种方法可以测量转速，一种是周期法，一种是频率法。两种方法各有利弊，周期法在低速时测量较准确，而频率法适合高速。2、电磁阀驱动电路电控单元根据当前的工况经过计算得到当前的压力值，根据一定的算法转换成电信号经D/A输出。D/A输出电压低（-5+5V）,不能够直接驱动电磁阀，必须经过电磁阀的驱动电路放大，输出到电磁阀上。电磁阀驱动电路如图35所示。图35电磁阀驱动电路263.3CVT控制器设计3.3.1夹紧力控制系统控制器的设计夹紧力控制的目的：保证转矩的安全传递，防止金属带在带轮上打滑；提高液压控制系统的效率；减少速比控制对夹紧力控制的影响。一般的说，在金属带式无级变速传动系统中，夹紧力的目标值是根据当前传递的转矩和速比计算得到的，再输入到夹紧力控制系统中。因此，夹紧力控制的目的是跟随目标压力的变化而变化，所以为了提高液压系统的效率，超调量尽可能的小，且系统的响应时间要尽可能的短。在液压控制系统中，经常遇到的情况是，在不同的工作条件下，执行元件的特性有很大的差异。通过以上分析的夹紧力控制阀的特性可以看到，夹紧力控制阀表现出很大的非线性，其工作特性与输入转速和PWM信号的占空比有很大的关系。在一定工作条件下，夹紧力控制阀随着输入信号的变化不起作用，达到饱和，因此控制阀可以抽象为一个饱和环节。图36积分器作用终止现象说明27一个有积分作用的控制器与一个变成饱和的执行机构组合起来可能带来不良的影响。如图36所示，为一个带有饱和环节的控制系统仿真结果。由于初始误差信号es太大，积分器的输出i很大，使得控制器输出信号e很快达到执行机构的限值。在t1时刻，当被控系统的输出y达到输入目标值时，误差信号es变成为负值。但由于积分器的输出i过大，控制器的输出信号仍然在饱和非线性的限幅边界上，使得系统的输出y继续增加，输入误差信号继续向负的方向增大，直到t2时刻到达负的误差信号才开始发生作用，控制器的输出信号减小，系统的输出才能够减小。因此，饱和环节的存在，使得系统不稳定，需要很长的时间才能使系统输出达到目标值。这种作用称为积分器回绕（或积分器作用终止）。由于夹紧力控制阀存在着这种特性，所以必须采取措施防止积分器作用终止，即必须使夹紧力控制阀始终在可控范围内工作。这样显然不能用常规的控制方法来解决。在控制系统的设计中，防止积分器回绕作用的方法很多，本文采用的是带有前馈抗回绕PID控制器。图37具有防止积分作用终止的PID控制器如图37所示，这个系统中提供了一个附加前馈通道。控制器测量执行机构模型的输出并形成了一个误差信号（es），es是执行机构的输出（e）和控制器输出（v）之间的差，并把这个误差通过增益1/Tt反馈到积分器。当执行机构没饱和时该误差信号es为零，当执行机构饱和时附加反馈通道试图使误差信号等于零。这意味着积分器复位，使控制器输出处在饱和极限。于是积分器以时间常数Tt(称为跟踪时间常数)复位到一个适当的值。为了减少系统的超调，加入一个前馈通道。前馈通道的加入能使控制器的初始输出很大，且能减少积分环节的影响，使系统的响应加快。只有当误差把控制器的输出控制在饱和非线性元件的线性区间内时，积分器才起作用。这样控制器输出的描述如下：28（3-2-1）式中，i.c表示积分器的初始值，f表示前馈通道的输出值。如图38为夹紧力控制系统框图。由于夹紧力控制阀的有效PWM信号的占空比在不同的转速下有差异，所以可以把对应不同转速下的有效占空比作成一个数表，这样在不同的转速下可以通过插值确定饱和极限的占空比。所以针对夹紧力控制系统设计的抗回绕PID控制器的实际输入有三个：系统设定的目标值，夹紧力控制阀的输出反馈值和当前系统的输入转速。控制器首先根据输入转速确定该转速下夹紧力控制阀的饱和区间的极限值，然后根据目标值与系统的反馈的偏差进行控制。图38夹紧力控制系统框图3.3.2速比控制系统控制器的设计速比控制的目的是根据系统设定值的变化，通过调节