答辩论文课件

金属带式无级变速器液压系统功率匹配控制与仿真研究硕士生：吴光登指导教师：杨阳副教授专业：机械电子工程二00四年六月二日重庆大学硕士学位论文重庆大学机械传动国家重点实验室金属带式无级变速器液压系统功率硕士生：吴光登指导教师：杨阳1绪论2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配原则3CVT液压系统功率特性的动态建模与仿真分析4CVT液压系统功率匹配控制的方案设计5CVT液压系统功率匹配控制的建模与仿真分析6结论金属带式无级变速器液压系统功率匹配控制与仿真研究1绪论2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配3C课题的来源、背景和意义

本课题是FORD-NSFC中国研究与发展基金资目《汽车自动变速系统动态建模及动力性和经济型的匹配研究》(批准号：50122151)研究内容的组成部分。目前就已装备金属带式无级变速器

(CVT)

的车辆而言，燃油经济性并没有达到预期目标，主要原因在于CVT本身的效率还不够高，其中液压系统和金属带摩擦传动的损耗大是其主要原因。目前，国内外针对减少金属带摩擦传动损耗的研究比较多，并取得了一定的成效，然而关于CVT液压系统功率特性及其节能控制这方面的研究，国内外尚未具体的公开文献报道。课题的来源、背景和意义本课题是FORD-NSF

本课题以CVT液压系统为研究对象，对车辆典型行驶工况和循环行驶工况下的液压系统的功率特性进行了建模、仿真和匹配分析，在此基础上，进行液压系统功率匹配控制及仿真研究，这对提高CVT液压系统效率和CVT传动效率具有重要的意义。本课题以CVT液压系统为研究对象，对车辆典型1绪论2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配原则3CVT液压系统功率特性的动态建模与仿真分析4CVT液压系统功率匹配控制的方案设计5CVT液压系统功率匹配控制的建模与仿真分析6结论金属带式无级变速器液压系统功率匹配控制与仿真研究1绪论2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配3C

从动轮油缸压力由发动机

输入转矩、主动带轮半径及摩擦系数确定的。

在从动轮油缸压力所产生的轴向夹紧力作用下，通过金属带在主动轮油缸产生使系统平衡的压力：CVT液压系统压力特性从动轮油缸压力由发动机输入转矩主、从动轮油缸压力与传递转矩、CVT传动速比有关。主、动轮油缸压力与传递转矩、速比关系图主动轮油缸压力从动轮油缸压力iCVTTe(N·m)p

(Mpa)主、从动轮油缸压力与传递转矩、CVT传动速比有关。主、动轮油CVT液压系统结构简图主动轮CVT液压系统流量特性

在液压系统的建模过程中，可将其看作是一个分布参数系统。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)。

QrsQcQpQaQs液压泵从动轮金属带手动操纵阀

压力控制阀润滑冷却系统前进倒车空档夹紧力控制阀速比控制阀主动轮CVT液压系统结构简图主动轮CVT液压系统流量特性液压系统供油流量等于负载流量、夹紧力控制阀的溢流量、系统的泄漏量三者之和：

目前CVT液压系统的供油泵大多采用由发动机直接驱动的定量泵，液压泵输出流量即液压系统的供油流量为：液压系统供油流量等于负载流量、夹紧力控制

负载流量等于润滑冷却系统流量、离合器液压系统流量、带轮油缸的流量之和。

当CVT速比增大时，负载流量为：

当CVT速比减小时，负载流量为：

负载流量等于润滑冷却系统流量、离合器CVT液压系统功率特性液压系统输出功率即负载功率为：液压泵的输出功率即液压系统输入功率为：

液压系统的效率为：

CVT液压系统功率特性液压系统输出功率即负载功率为：液压泵CVT液压系统能量损失分析液压系统的损失功率为：

0液压系统过剩流量示意图0液压系统损失功率示意图CVT液压系统能量损失分析液压系统的损失功率为：0液压系提高CVT液压系统效率与功率匹配原则根据车辆参数、行驶工况等要求来正确设计液压系统的供油流量，采取相应的措施对稳态和瞬态提供不同的供油流量，以及对液压系统的工作压力进行优化控制等措施是提高液压系统效率和功率匹配的原则。提高CVT液压系统效率与功率匹配原则根据车辆参1绪论2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配原则3CVT液压系统功率特性的动态建模与仿真分析4CVT液压系统功率匹配控制的方案设计5CVT液压系统功率匹配控制的建模与仿真分析6结论金属带式无级变速器液压系统功率匹配控制与仿真研究1绪论2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配3CCVT液压系统功率特性动态模型的建立无级变速传动系统简化模型

驱动系统简化为一个集中质量弹性系统，在模型中考虑了输出轴上的相对扭转刚度及粘性阻尼，模拟的车辆惯性力由连接系统输出轴的惯性飞轮提供。

CVT液压系统功率特性动态模型的建立无级变速传动系统简化模VehiclespeedDriverTeEngineClutchTinCVTtransmissionsystemEnginespeedOptimumfueleconomycurveofengineRatiocontrolsystemPowermodelofhydraulicsystemCVT液压系统功率特性动态仿真模型QcpsTpumpQLPLPcTbrakeVehiclespeedDriverTeEngineClu

主要仿真参数参数数值参数数值汽车质量1190kg齿轮泵的容积效率0.98轮胎半径0.274m带轮槽角22°主减速比5.9934泄漏系数1.25x10-3L/MPa滚动阻力系数0.018主动轮油缸作用面积0.0148m2风阻系数0.32从动轮油缸作用面积0.007735m2迎风面积2.19m2主动轮工作半径27.4304~65.0944mm齿轮泵的机械效率0.98从动轮工作半径32.4170~68.6308mm仿真模型中以长安SC7101羚羊轿车的动力传动系统为原型，发动机型号为JL474Q1，CVT型号P821型，液压泵为定量式外啮合齿轮泵，起步离合器为电磁离合器，发动机工作模式为最佳经济性工作模式。主要仿真参数参数数值参数数值汽车质量119车辆典型行驶工况下CVT液压系统功率特性仿真与分析①全油门起车行驶工况仿真

②紧急加速行驶工况仿真③紧急刹车行驶工况仿真车辆典型行驶工况下CVT液压系统功率①全油门起车行驶工况仿真020300α(%)10020406080102030t(s)2040806010012014016000V(km/h)01020300123-1-0.500.5t(s)1.52.50.5iCVTdiCVT/dt01020300t(s)0.5122.533.544.51.5ps(Mpa)iCVTdiCVT/dt010203000.6QcQLt(s)0.50.40.30.20.1QL、Qc(L/s)01020302PcPL1.81.61.41.20.80.60.4010.2t(s)PL、Pc(kw)t(s)①全油门起车行驶工况仿真液压系统的供油流量为负载流量的5～6倍，工作压力很大，使得输入功率远大于负载功率，产生了很大的功率损失。10020300α(%)1002040608010203001015200t(s)100806040205α(%)0101520t(s)1008011040512060507090V(km/h)051015202.5t(s)diCVT/dt21.510.502.5210.501.5-0.53iCVTiCVTdiCVT/dt51015203.5t(s)032.521.510.50ps(MPa)51015200t(s)QLQc00.10.20.30.40.50.6QL、Qc(L/s)051015200Pct(s)PL0.20.40.60.81.21.411.61.82PL、Pc(kw)②紧急加速行驶工况仿真在紧急加速工况下，虽然负载功率很大，但是输入功率仍然远大于负载功率。01015200t(s)100806040205α(%)04780100806040202α(%)t(s)13560478801601401201002t(s(km/h)iCVTdiCVT/dt123456780130-203-1122.521.50.5diCVT/dtiCVTt(s)1234567800.8021.61.20.4t(s)ps(MPa)0123456780.10.20.30.40.50.60QcQLQL、Qc(L/s)t(s)0123456780.810.60.40.20PLPcPL、Pc(kw)t(s)在紧急刹车工况下，负载流量非常大，但由于工作压力很小，故负载功率以及输入功率都很小。③紧急刹车行驶工况仿真18004780100806040202α(%)t(s)135ECE和EUDC行驶循环工况下CVT液压系统功率特性仿真与分析①ECE循环工况仿真②EUDC循环工况仿真③仿真结果的分析与比较ECE和EUDC行驶循环工况下CVT液压系统①ECE循环工020406010012016018005101520253080195t(s)α(%)1400204060801001201401601800102030405060195t(s)V(km/h)ActualspeedTargetspeed0204060801001201401601802.5321.510.50195t(s)iCVT

02040608010012014016018010.50-0.5-1-1.5195t(s)diCVT/dt020406010012014016018000.511.522.53195t(s)ps(MPa)02040608010012014016018000.050.10.150.20.250.3195t(s)QLQcQL、Qc(L/s)02040608010012014016018019500.10.20.30.40.50.60.70.8t(s)PcPLPL、Pc(kw)①ECE循环工况仿真800204060100120160180051015202530501001502002503003504000102030405060t(s)α(%)050100150200250300350400020406080100120140t(s)V(km/h)ActualspeedTargetspeed05010015020025030035040000.511.522.53iCVT

t(s)050100150200250300350400-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81t(s)diCVT/dt05010015020025030035040000.511.522.5ps(MPa)t(s)05010015020025030035040000.20.40.60.811.21.4t(s)PL、Pc(kw)PcPL②EUDC循环工况仿真

05010015020025030035040000.050.10.150.20.250.30.350.40.450.50.550.6t(s)QL、Qc(L/s)QcQL050100150200250300350400010203仿真结果的主要数据指标工况ECE工况EUDC工况平均负载功率(kw)0.04330.0672平均输入功率(kw)0.13690.3253最大负载功率(kw)0.21350.2323最大输入功率(kw)0.70421.2816平均液压系统效率(%)31.6320.66③仿真结果的分析与比较液压系统无论是在车辆等速行驶和变速行驶，供油流量相对于负载流量均有较大的过剩，使得液压系统输入功率和负载功率匹配程度很差，产生较大的功率损失（溢流损失）。仿真结果的主要数据指标1绪论2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配原则3CVT液压系统功率特性的动态建模与仿真分析4CVT液压系统功率匹配控制的方案设计5CVT液压系统功率匹配控制的建模与仿真分析6结论金属带式无级变速器液压系统功率匹配控制与仿真研究1绪论2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配3CCVT液压系统功率匹配控制的方案设计（1）双联泵功率匹配控制系统（2）电动泵功率匹配控制系统CVT液压系统功率匹配控制的方案设计（1）双联泵功率匹配控制（1）双联泵功率匹配控制系统车载ECU单片机PWMCVT液压系统双联泵组合供油的原理图双联泵高速开关阀

驱动电路油箱①双联泵供油系统（1）双联泵功率匹配控制系统车载单PWMCVT液压系统双联泵②摆线内啮合双联泵摆线内啮合双联泵结构吸油口系统采用摆线内啮合双联泵，为减小泵的轴向尺寸进行了结构设计。排油口1排油口2②摆线内啮合双联泵摆线内啮合双联泵结构吸油口系②PWM高速开关阀的特性研究高速开关阀的模型方块图Rs+RLEs②PWM高速开关阀的特性研究高速开关阀的模型方块图Rs+R控制高速开关阀的占空比就可以控制CVT液压系统的供油流量，一定程度上实现功率的匹配。在不考虑高速开关阀的滞后时间给控制系统带来的非线性因素下，在理想情况下，一个周期内，CVT液压系统的供油流量为:控制高速开关阀的占空比就可以控制CVT液①电机驱动调速系统车载ECUHSO.0HSO.1ACH.7HSI.1=1PG电源+—C泵升电压限制VD1VD2VT1VT2霍尔电流传感器+74LS125单片机驱动保护单元（2）电动泵功率匹配控制系统驱动保护单元—电机直流电机全数字双闭环脉宽调制（PWM）驱动调速系统①电机驱动调速系统车载HSO.0HSO.1ACH.7HSI.电源+－C电机+－VD1VD2VT2VT11423调速系统主电路②调速系统的主电路主电路是具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的调速系统，有较好的静、动态性能。直流电机选用控制精度较高，价格适中的永磁直流电机，电源电压由车辆蓄电器(42V)提供。电源+－C电机+－VD1VD2VT2VT11423调速系统主③IGBT的驱动与保护

Ub1tonTtUb2tdttdtdtd00脉冲逻辑延时示意图

为防止和上下两管直通情况发生，从硬件和软件上采取双重保护措施。硬件上采用74LS125实现对两组脉冲的互锁。软件上两管驱动脉冲之间设置逻辑延时。③IGBT的驱动与保护Ub1tonTtUb2tdttdt④泵升电压限制电路

为防止电动机停车或减速时产生

过高的泵升电压，系统采用由

分流电阻和开关元件组成

的泵升电压限制电路。泵升电压限制电路UsC过电压信号+－分流电阻开关元件为防止电动机停车或减速时产生过高的泵升⑤调速系统控制器的设计速度环采用模糊控制，电流环采用PI控制。调速系统控制框图+模糊控制器反馈转速-目标转速反馈电流PI控制器+-微分直流电机PWM负载转矩电机转速⑤调速系统控制器的设计速度环采用模糊控制，电电机的速度阶跃响应仿真结果表明，电机速度控制精度和动态响应特性都达到良好的效果。电机速度阶跃响应00.10.20.30.40.50.60.70.80.910200400600800100012001400t(s)n(rev/m)TargetmotorspeedMotorspeed电机的速度阶跃响应仿真结果表明，电机速度控制精1绪论2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配原则3CVT液压系统功率特性的动态建模与仿真分析4CVT液压系统功率匹配控制的方案设计5CVT液压系统功率匹配控制的建模与仿真分析6结论金属带式无级变速器液压系统功率匹配控制与仿真研究1绪论2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配3CCVT液压系统功率匹配控制的建模与仿真分析（1）基于双联泵控制的CVT液压系统功率匹配特

性的建模与仿真分析（2）基于电动泵控制的CVT液压系统功率匹配特

性的建模与仿真分析（3）液压系统采用双联泵控制和电动泵控制的功

率匹配特性的比较及评价CVT液压系统功率匹配控制的建模与仿真分析（1）基于双联泵控基于双联泵控制的CVT液压系统功率匹配特性的建模与仿真分析①双联泵功率匹配控制的动态仿真模型的建立

当双联泵单泵供油时，供油流量为：当双联泵双泵组合供油时，供油流量为：液压系统的输入功率为:基于双联泵控制的CVT液压系统功率匹配特性的①双联泵功率匹配双联泵单泵供油或双泵供油的判断条件是：

夹紧力控制阀许用最小流量，取额定流量的10％。

ps’pkpTQNQrsminQp溢流阀的开启特性双联泵单泵供油或双泵供油的判断条件是：夹紧力控制阀许用最小双联泵功率匹配控制系统的动态仿真模型VehiclespeedDriverTeEngineClutchTinTransmissionsystemOptimumfueleconomycurveofengineRatiocontrolsystemQcpsTpumpPcTbreakRunningmodePower-matchingcontrolsystemofDB双联泵功率匹配控制系统的动态仿真模型Vehiclespee0204060801001201401601800102030405060195t(s)V(km/h)ActualspeedTargetspeed020406010012014016018000.511.522.53195t(s)ps(MPa)0204060801001201401601801950.060.080.100.120.140.160.180.200.220.240.26Qc(single-pumpsystem)Qc’(double-pumpsystem)Qc、Qc

‘(L/s)t(s)02040608010012014016018019500.100.200.300.400.500.600.700.80t(s)Pc’(double-pumpsystem)Pc(single-pumpsystem)Pc、Pc’(kw)②ECE循环工况仿真80020406080100120140160180010203指标系统双联泵功率匹配控制系统原单泵供油系统液压系统平均负载功率(kw)0.04330.0433液压系统平均输入功率(kw)0.10550.1369供油系统的平均输入功率(kw)0.10770.1397平均液压系统效率(%)41.0631.63供油系统的平均效率(%)40.2030.99ECE循环工况仿真结果的主要数据液压系统平均负载功率(kw)0.04330.0433液压系统③EUDC循环工况仿真050100150200250300350400020406080100120140t(s)V(km/h)ActualspeedTargetspeed05010015020025030035040000.511.522.5ps(MPa)t(s)0501001502002503003504000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.55Qc、Qc

'(L/s)t(s)Qc(single-pumpsystem)Qc’(double-pumpsystem)05010015020025030035040000.200.400.600.801.001.201.40Pc、Pc'(kw)Pc(single-pumpsystem)Pc'(double-pumpsystem)t(s)③EUDC循环工况仿真050100150200250300系统指标双联泵匹配控制系统原单泵供油系统液压系统平均负载功率(kw)0.06720.0672液压系统平均输入功率(kw)0.17850.3253系统平均输入功率(kw)0.18210.3319平均液压系统效率(%)37.6520.66系统的平均效率(%)36.9020.25EUDC循环工况仿真结果的主要数据系统液压系采用

双联泵功率

匹配控制后，液压系统的

效率得到了一定程度地提高(ECE工况下提高了9.34%,EUDC工况下提高了16.99%)。在EUDC工况下，发动机的转速较高，大部分时间内采用单泵供油，故其效率提高程度要比ECE工况下来得大。

④ECE和EUDC仿真结果的分析与比较④ECE和EUDC仿真结果的分析与比较(2)基于电动泵控制的CVT液压系统功率匹配特性的建模与仿真

①电动泵功率匹配控制的动态仿真模型的建立

车辆行驶中，液压系统的所需的最小输入流量为：电机的目标转速为：电动泵的输出功率即液压系统的输入功率为：

(2)基于电动泵控制的CVT液压系统功率匹配①电动泵功率匹配电动泵功率匹配控制系统的动态仿真模型电动泵功率匹配控制系统的动态仿真模型0204060801001201401601801951200140016001800200022002400260028003000t(s)n,n*(rpm)n*(Targetmotorspeed)n(Targetmotorspeed)0204060801001201401601801950.060.080.100.120.140.160.180.200.220.240.26Qc(single-pumpsystem)Qcm(elec-pumpsystem)Qc、Qcm

(L/s)t(s)02040608010012014016018019500.100.200.300.400.500.600.700.80t(s)Pcm(elec-pumpsystem)Pc(single-pumpsystem)Pc、Pcm(kw)02040608010012014016018019500.100.200.300.400.500.600.700.80t(s)Pmotor(elec-pumpsystem)Pb(single-pumpsystem)Pb、Pmotor(kw)②ECE行驶循环工况仿真020406080100120140160180195120系统指标电动泵匹配控制系统原单泵供油系统液压系统平均负载功率(kw)0.04330.0433液压系统平均输入功率(kw)0.06960.1369系统的平均输入功率(kw)0.07330.1397平均液压系统效率(%)62.2131.63系统的平均效率(%)59.0730.99ECE循环工况仿真结果的主要数据

05010015020025030035040012001400160018002000220024002600280030003200n*nn,n*(rpm)t(s)0501001502002503003504000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.55Qc、Qcm

(L/s)t(s)Qc(single-pumpsystem)Qcm(elec-pumpsystem)05010015020025030035040000.200.400.600.801.001.201.40Pc、Pcm(kw)Pc(single-pumpsystem)Pcm(elec-pumpsystem)t(s)05010015020025030035040000.200.400.600.801.001.201.40Pb、Pmotor(kw)Pb(single-pumpsystem)Pmotor(elec-pumpsystem)t(s)③EUDC行驶循环工况050100150200250300350400120014系统指标电动泵匹配控制系统原单泵供油系统液压系统平均负载功率(kw)0.06720.0672液压系统平均输入功率(kw)0.11460.3253系统平均输入功率(kw)0.12060.3319平均液压系统效率(%)58.6420.66系统平均效率(%)55.7220.25EUDC循环工况仿真结果的主要数据系统液压

采用电动泵功率匹配控制后，液压系统的效率得到了显著的提高(ECE工况下提高了30.58%,EUDC工况下提高了37.98%)，较好了实现了液压系统功率的匹配。④ECE和EUDC仿真结果的分析与比较：采用电动泵功率匹配控制后，液压系由于

双