金属带式无级变速器电液控制系统的试验研究

1、2003090金属带式无级变速器电液控制系统的试验研究 3付铁军 周云山 张宝生(吉林大学 , 长春 摘要 。 设计了金属带式无级变速器电 -, , 设计了控制器 。 , 取得了较好的效果 。叙词 :, , Experiment Study on Electro 2hydraulic ControlSystem of Metal V 2belt Type CV TFu Tiejun , Zhou Yunshan &Zhang B aoshengJili n U niversity , Changchun 130025 Abstract The electro 2hydraulic co

2、ntrol system of metal V 2belt type CV T can be divided into clampingcontrol system and ratio control system through its functionality analysis 1Based on the study of the control valves characteristics , controllers for the clamping and ratio are designed respectively ,and then the whole elec 2tro 2h

3、ydraulic control system is realized. Road test on vehicle is also done with the developed control system ,and satisfied result is obtained.K eyw ords :MetalV 2belt type ,CVT, Electro 2hydraulic control 3国家科委 “ 九五” 科技攻关项目 (96-A05-04-03 、 吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室基金 (2000108 资助 。原稿收到日期为 2002年 12月 10日 , 修改稿收到日

4、期为 2003年 1月 20日 。1 前言无级变速传动 (CV T 是汽车理想的传动方式 之一 。 金属带式无级变速传动是迄今为止应用成功 的车辆无级变速传动 。大量实践表明 , 装有金属带 式无级变速器的汽车 , 其经济性 、 动力性及排放比装 有液力自动变速器和手动机械变速器的汽车更佳 。 因此 , 金属带式 CV T 自 1987年首次装车以来 , 在短 短的十几年间 , 获得了广泛的应用 。人们预测在 21世纪 , 必将获得更大的发展 。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 、 主减速器及前进和倒车切 换机构 。 其中 , 无级变速传动机构是其核心部分

5、, 它 的功能是通过液压控制系统实现的 。 早期的无级变 速传动的控制系统多采用机液控制方式 。 随着技术 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 。 采用电液控制方式一方 面可以提高无级变速传动系统的效率 , 降低不必要 的损失 , 提高关键零部件的使用寿命 ; 另一方面可以 使汽车动力传动系统实现理想的工作状态 , 达到动 力性 、 经济性和排放之间的最佳折衷 。此文以金属带式无级变速液压控制系统为研究 对象 , 对该系统进行深入 、 细致的分析 , 设计了电液 控制系统 , 并进行了试验验证 。2 控制系统功能金属 带 式 无 级 变 速 器 控 制 系

6、统 的 主 要 功 能 1,2: 把发动机的输出功率可靠地传递到驱动 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 。 因此无级变速器的控 制按其功能分为夹紧力控制和速比控制 。 为了提高2003年 (第 25卷 第 4期 汽 车 工 程Automotive Engineering 2003(Vol. 25 No. 4传动效率 , 必须合理控制金属带的夹紧力 。夹紧力 过小或者过大 , 都会增加不必要的摩擦损失 , 缩短关 键零部件的使用寿命 , 降低动力传动系统的传递效 率 。 因此根据汽车的运行条件

7、 , 始终把夹紧力控制 在目标值的小范围内 , 是 CV T 传动系统的第一个 控制问题 ; CV T 的另一个控制问题是速比控制 , 速 比控制的目的是控制发动机在最佳工作点工作 , 使 动力传动系统速比按驾驶员的意图在汽车的行驶阻 , 以充分发挥汽车的经济性或动力性输入 (行驶阻力和车速 确 定目标夹紧力 3s i 3cvt , 这是通过 CV T 动 力传动系统的匹配策略来确定的 ; 然后控制系统确 定的目标值 (目标夹紧力 F 3s 和目标速比 i 3cvt 输入 到执行机构 (液压控制系统 , 通过执行机构的调节 使控制参数达到目标值 。在控制系统的两个层次 中 , 第一个控制层次通

8、过软件来实现 , 属于高级控制 层次 。 另一个则通过实际的硬件 (控制阀等 实现 , 属于低级控制层次 。 此文讨论的是金属带式级无变 速控制系统中较低的控制层 硬件部分的设计与 控制方法 。3 液压控制系统设计311 CVT 速比控制形式 一般情况下 ,CV T 的控制系统是通过控制从动 轮的轴向夹紧力来保证要求的转矩容量 , 实现夹紧 力控制 , 同时通过对主动带轮的控制实现速比控制 。 两个带轮的控制同步进行 。如表 1所示 , 在进行控 制的过程中 , 基于控制目标不同 , 有两种可行的实现 方案 。 在方案 1中 , 速比是通过控制主动带轮的夹 紧力 (主动轮缸压力 实现的 。 主

9、动轮缸采用带有压 力反馈的压力控制阀 , 主 、 从动带轮油缸中的压力控 制基于平衡状态下主 、 从动带轮的夹紧力比来确定 。 通过控制主动带轮油缸中的压力 , 实现速比控制 。 而主动带轮油缸内的压力是通过控制压力调节阀实 现的 。 在这种控制方式中 , 要实现速比的精确控制 ,表 1 CVT 速比控制形式从动带轮 主动带轮 可行性 方案 1夹紧力 夹紧力 可行方案 2夹紧力 位置 可行方案 3位置 位置 不可行 必须使主动带轮油缸内的压力直接作为反馈 。 在方 案 2中 , 速比是通过控制主动带轮的位置 (主动缸流 量 实现的 。 主动带轮油缸采用方向控制阀 , 通过控 制流入或流出主动带

10、轮油缸的油量 , 使主动带轮在 。 这种速 ,。 当达到平衡状态时 , 主 、 从 。 312 CVT 液压控制系统实现方式在 CV T 系统中 , 一般只有一个油泵 , 因此主 、 从动轮油缸的压力都必须从同一个油泵获得 。 由于 每个控制子系统的工作压力不同 , 这就需要一些控 制阀按一定的布置方式来调节 , 以满足需要 。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 , 不可避免地造 成系统压力波动 。因此在设计液压控制系统时 , 应 使不同功能子系统之间的影响达到最小 , 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

11、等因素 。在实际应用中 , 金属带式无级变速传动系的液 压控制系统的结构多种多样 3,4, 控制阀的布置形 式和类型相差很大 , 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 ,CV T 液压控制系 统实现方式有两种形式 :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

12、 。313 CVT 液压控制系统设计为 EQ6480汽车 CV T 设计的电液控制系统 , 其 结构简图如图 1所示 。系统采用主 、 从控制方式 。 对于速比控制采用控制方案 2, 即对主动带轮油缸 进行位置控制 。油泵位于变速器的输入轴上 , 在离 合器的前端 , 因而转速与发动机转速一致 。夹紧力 控制阀采用比例溢流阀 。 比例溢流阀根据输入的电 流大小 , 调节油泵出口压力 , 即从动轮油缸的压力 , 实现夹紧力的控制 。在 P 点 , 一路经速比控制阀进 入主动轮油缸 。速比控制阀采用电磁换向阀 , 电磁 换向阀通过控制液压油进入或流出主动轮油缸 , 控 5832003年 (第 25

13、卷 第 4期 汽 车 工 程制主动轮可动带轮的轴向运动 , 实现速比的控制 。 1 汽车 T 电液控制系统 4 控制器设计411控制阀的工作特性在 液 压 控 制 系 统中 , 经常遇到的一种情 况是 , 在不同的工作条 件下 , 控制阀的特性有 很大的差异 , 而控制阀制 效 果 影 此 , 特性 , 有针对性的设计控制算法 。在 CV T 液压控 制系统中 , 夹紧力控制阀和速比控制阀是控制对象 , 必须对其特性进行试验分析 。 夹紧力控制阀和速比 控制阀的特性如图 2所示 。图 2 控制阀稳态输出压力与输入的关系 由图 2(a 中可见 , 对于夹紧力控制阀而言 , 其 输出压力与输入信号

14、的占空比和发动机的输入转速 有很大关系 。 在同一转速下 , 随着输入信号的占空 比增加 , 控制阀的调节压力在一定范围内线性变化 ; 当占空比低于某一值时 , 由于控制阀存在死区 , 不能 调节压力 ; 当高于某一值时 , 控制阀的调节能力达到 饱和 , 也不起作用 。 在同一占空比时 , 随着发动机转 速变化 , 控制阀的调节压力也有很大的变化 , 这是由 于比例控制阀的自身工作特性引起的 5 。另外 , 由 于变速器为定量泵 , 随着发动机的转速变化 , 油泵的 流量发生变化 , 因而引起电磁阀的压力调节范围发 生变化 。 因此 , 在不同的转速下 , 夹紧力控制阀的可 控占空比是不同的

15、 。 这说明油泵排量和控制阀的特 性是影响 CV T 液压控制系统性能的重要因素 。速比控制阀的工作特性与开关频率和 PWM 调 制信号的占空比有关 。 由于普通电磁换向阀在实施 PWM 压力控制时 , 不能响应高频低占空比 , 且对于不同的开关频率 , 阀的有效占空比范围不相同 。为了减少系统的压力脉动 , 开关频率越高越好 。但频率越高 , 有效占空比范围也越小 。 因此 , 阀的开关频 率不可能太高 。图 2(b 为电磁换向阀在某一开关 频率时 , 它的输出压力与 PWM 信号占空比的关系 , 由图中可见 , 它的工作区间在 01 16之间 。 412 , 信号的占空比有很 , 夹紧力控

16、制阀和速 , 因此 可以把控制阀抽象为一个饱和环节 。在实际应用中 , 经常采用的控制器一般是 PID 控制器 。 而具有积分作用的控制器与具有饱和特性 的执行机构组合起来会产生不良的影响 6,7。这是 由于饱和环节会使系统不稳定 , 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 。 由于控制阀存在着这种特 性 , 所以必须采取措施防止积分器回绕 , 即必须使夹 紧力控制阀始终在可能范围内工作 。 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 , 现以夹紧力控制 系统为例进行说明 。图 3 具有防止积

17、分回绕的 PID 控制器 采用的抗回绕 PID 控制器如图 3所示 。控制器测量执行机构模型的输出并形成一个误差信号 e s (e s 是执行机构的输出 c 和控制器输出 v 之间的 差 , 并把这个误差通过增益 1/T t 反馈到积分器 。 当 执行机构没饱和时误差信号 e s 为零 ; 当执行结构饱 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 T t (称为跟踪时间常数 复位到一 个适当的值 。 执行机构的模型是预先通过试验确定 的 , 它的输出可近似看作实际执行机构输出的值 。 为了减少系统的超调 , 加

18、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 683 汽 车 工 程 2003年 (第 25卷 第 4期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为 :c =c minv min e <0Pe + Ie |i 1c 1=min -f +De +f v c min e 0Pe + Ie |i 1c 1=c max-f +De +fv c max e 0cmaxv max(1式中 p 为比例系数 ; I 为积分系数 ; D 为微分系数 ; e为偏差 ; v 为控

19、制器输出 ; c i 1c 1 为积分器的初始值 ; f 。图 4 夹紧力控制系统 夹紧力控制系统框图如图 4所示 。 由于夹紧力控制阀有效 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 。 因此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 目标值与系统反馈的偏差进行控制 。 速比控制阀与夹紧力控制阀有相似

20、的特性 , 所 以也可以设计基于压力反馈的速比控制系统 , 设计 抗回绕 PID 控制器 。由于液压控制系统对速比采 用的是力 2位置控制方案 , 因此直接以当前速比作为 反馈 , 由此建立的速比控制系统的结构如图 5所示 。 速比控制的目的是根据系统设定值的变化 , 通过调 节主动带轮油缸内的压力来实现系统的实际速比对目标速比 i 3cvt 的跟随 。目标值根据当前的工况确 定 。 系统测量得到的当前速比经滤波后 , 与目标图 5 速比模糊控制系统值形成偏差 。偏差经过 PID 控制器的处理 , 输出到。速, 调节主动带轮油缸 实现主动带轮的轴向移动 , 从而实现速比 的变化 。5 试验分析

21、为了验证 CV T 电液控制系统和所设计的控制 器 , 把整个控制系统移植到汽车上 , 控制器的参数通 过试验进行了调整 。 汽车加速过程的结果如图 6所示 。图 6 汽车加速进程试验结果在 t 1时刻 , 汽车在一定节气门开度输入下加 速 。 控制系统根据当前的节气门开度和车速 , 确定 目标夹紧力和目标速比 。 目标值分别输入到夹紧力 控制系统和速比控制系统 。 夹紧力控制系统和速比 控制系统分别根据实际夹紧力和速比反馈测量值与 目标值的偏差 , 输出信号到夹紧力控制阀和速比控 制阀 , 控制主 、 从动轮缸的压力变化 , 使实际速比向目标速比变化 , 汽车速度增加 。从各参数的变化过 程

22、可以看出 , 实际速比能够很好地跟随目标速比变783 2003年 (第 25卷 第 4期 汽 车 工 程化 , 在达到稳态时 , 实际速比和夹紧力能够稳定在相应的目标值附近 。试验结果表明 , 控制系统能够按 照行驶工况的要求调节速比 , 能够满足实际需要 。 6 结束语在分 析 电 液 控 制 系 统 功 能 的 基 础 上 , 针 对EQ6480汽车 CV T 设计了电液控制系统 。由于系 统采用定量油泵供油 , 主 、 从控制方式 , ; 作特性 。 PID 。 , 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

23、统的主要特征 , 这为自主开发金属带 式无级变速器提供了理论和试验依据 , 为进一步开 发 CV T 的电控系统奠定了良好的基础 。参考文献1 周云山 , . . 北京 :北京理工,19992 等 . -液控制系统的研究 . (53 1van der Laan and Veldpaus F E 1Altemative Con 2Hydraulic CV T Control ,AV EC 98365454 Talcheol K im , Hyunsoo K im ,Jaeshin Y i and Heebock Cho 1RatioControl of Metal Belt CV T ,SAE

24、2000-01-08425 路通祥 , 胡大 . 电液比例控制技术 . 北京 :机械工业出版社 ,19986 K arl J 1Astrom ,Bjom Wittenmark. Computer -Controlled SystemsTheory and Design (Third Edition . Publishing House of Electronic Industry ,20017 薛定宇 . 反馈控制系统设计与分析 -MATLAB 语言应用 . 北京 :清华大学出版社 ,2000(上接第 417页 表 1 几种氢源在燃料电池汽车上应用实例汽车公司车型 /示范年代燃料电池类型功率

25、/kW最大时速行驶里程氢源 戴 2克 N ECAR2/1996PEMFC 50110km/h 250km 压缩氢气 戴 2克 N ECAR4/1999PEMFC 70145km/h 450km 液态氢气 通用 Precept FCEV/2000PEMFC 100193km/h 800km 金属氢化物储氢 戴 2克 Natrium/2001PEMFC 5480mph 483km 硼氢化钠制氢 戴 2克 N ECAR5/2000PEMFC 75150km/h 450km 甲醇催化重整制氢 通用ChevyS -10/2001PEMFC2570mile/h525mile 汽油催化重整制氢参考文献1 Cacciola G , Antonucci V