無級變速器電液控制系統(tǒng)研究開發(fā)畢業(yè)論文(文件)

　

【正文】 向左運動打開，進油口關(guān)閉，回油口打開，工作油從工作油口進入，經(jīng)回油口流回油箱”“。PWM控制信號的脈沖周期T是一個固定的常數(shù)值，而每個周期內(nèi)高、低電平的寬度大小t。用脈寬信號對連續(xù)信號進行調(diào)制，從而將連續(xù)信號調(diào)制成脈寬信號，以實現(xiàn)對目標壓力的跟蹤。并且闡述了高速開關(guān)閥在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。針對數(shù)字比例技術(shù)和傳統(tǒng)的開關(guān)閥、伺服閥和電磁比例閥相比較具有的優(yōu)勢，本文將數(shù)字比例技術(shù)應(yīng)用到CVT電液控制系統(tǒng)中，設(shè)計了數(shù)字電液控制系統(tǒng)。一般取高電平信號作為有效開通信號，通常將每個周期內(nèi)高電平寬度t。●謦‘。如圖3．9所示為常用的兩位三通高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)簡圖。由于CVT的離合器控制及變速控制要求響應(yīng)時間很短，因此采用高頻特性好的高速開關(guān)閥非常適合。高速開關(guān)數(shù)字閥中液壓閥的結(jié)構(gòu)與其他閥不同，它是一個快速切換的開關(guān)，只有全開和全閉兩種工作狀態(tài)：電氣一機械轉(zhuǎn)換器主要是各種電磁鐵。(2)脈寬調(diào)制式數(shù)字閥脈寬調(diào)制式數(shù)字閥的控制信號是一系列幅值相等、而在每一周期內(nèi)寬度不同的脈沖信號。增量控制方式是由脈沖數(shù)字調(diào)制法演變而成的一種數(shù)字元件，根據(jù)增量控制方式工作。(1)增量式數(shù)字閥增量式數(shù)字閥是采用由脈沖數(shù)字調(diào)制演變而成的增量控制方式，以步進電機作為電氣機械轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動液壓閥芯工作，因此又稱步進式數(shù)字閥。與電液伺服閥和比例閥相比，數(shù)字閥的突出特點是，可直接與計算機接口，不需D／A轉(zhuǎn)換器，結(jié)構(gòu)簡單， 功耗小，控制靈活可靠。但是傳統(tǒng)的電液比例閥只能接牧連續(xù)變化的電壓或電流模擬信號，而計算機只能輸出數(shù)字信號。20世紀60年代出現(xiàn)的電液比例控制閥是介于普通液壓閥和電液伺服閥之間的一種液壓控制閥。靠地由脈沖頻率或脈寬調(diào)節(jié)控制，抗干擾能力強，呵得到較高的開環(huán)控制精度。圖3．6速比專家PID控制系統(tǒng)3．3數(shù)字比例控制技術(shù)CVT的使用要求是傳動效率高、改善汽車排放、減少廢氣污染、運行平穩(wěn)無沖擊，能使汽車有較好的燃油經(jīng)濟性和動力性以及低的使用維護成本。CVT的實際速比通過測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速和CVT輸出軸轉(zhuǎn)速可以得到。考慮到無級變速傳動系統(tǒng)的非線性特性、液壓控制系統(tǒng)和速比控制閥特性這三個因素，我們設(shè)計了專家PID控制器。“。本文設(shè)計的CVT夾緊力控制系統(tǒng)框圖如圖3．5所示，本系統(tǒng)采用了數(shù)字式調(diào)壓閥作為夾緊力控制閥。98“”’L] ．|驅(qū)筆毳L I動力，經(jīng)濟模式選擇L_上I／0；路} 圖3．4 CVT控制系統(tǒng)硬件框圖尤級蹙遠器電液控制系統(tǒng)研咒開發(fā)3．2 CVT變速控制策略3．2．1夾緊力控制式(2．4)是用最簡單的解析表達式描述金屬帶夾緊力與最大傳遞轉(zhuǎn)矩的關(guān)系， 只是傳動效率偏低。加速踏板傳感器和制動踏板傳感器采用位置傳感器，機油溫度傳感器采用熱電偶，通過采樣電路進入控制器o ”。它由旋轉(zhuǎn)的齒圈和固定的電磁感應(yīng)式傳感器兩部分構(gòu)成。疊窘疆幅tl 鬟絮力擰麟一圖3．3 CVT數(shù)字電液控制系統(tǒng)碩士學位論文3．1．3 CVT電控系統(tǒng)CVT控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3．4所示。主調(diào)壓閥和夾緊力控制閥共同調(diào)節(jié)油泵出口壓力，即從動輪油缸的壓力，使從動輪產(chǎn)生適當?shù)膴A緊力，確保金屬帶的夾緊力在合適的范圍內(nèi)。在控制多級壓力組成的系統(tǒng)時，不同系統(tǒng)之間由于液壓油的分配和其它原因，使系統(tǒng)問的壓力有很大的耦合效應(yīng)。同時在選擇閥和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式時，應(yīng)該使不同功能子系統(tǒng)之間的影響達到最小。在該CVT電液控制系統(tǒng)中，為了避免系統(tǒng)的復雜程度，降低系統(tǒng)成本，動力源為一個齒輪泵，控制機構(gòu)為各種液壓控制閥，如用于夾緊力控制的數(shù)字調(diào)壓閥、用于速比控制和離合器控制的高速開關(guān)閥，執(zhí)行機構(gòu)是液壓缸和活塞，輔助機構(gòu)有油箱、濾油器、儲能器等。利用精確測量的發(fā)動機與從動輪的轉(zhuǎn)速信號，可實現(xiàn)對CVT傳動器速比和夾緊力的精確控制。而另一路皮托管的壓力引入到夾緊力控制閥的右端，迫使夾緊力控制閥芯向左移動，被動缸的油壓隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高逐漸降低。同時，傳動桿的水平移動使速比控制杠桿向起步時相反的方向轉(zhuǎn)動，速比控制閥的輸入位移減小。通過駕駛員控制加速踏板的位移大小來改變發(fā)動機節(jié)氣門開度，汽車的行駛狀態(tài)由駕駛員來控制，汽車的加速踏板的位移固定在控制凸輪的形狀上。在各種條件下，它能保證汽車起步平順，發(fā)動機不熄火，因而在自動變速汽車以及手動變速汽車上都得到廣18泛的應(yīng)用。但是由于這種策略在結(jié)合過程中只考慮發(fā)動機轉(zhuǎn)速這一信息，而沒有考慮加速踏板的信息，所以小油門時往往失敗”“，并且對于固定的初始起步壓力和固定的壓力變化率，這種策略不能很好地滿足汽車在各種條件下的起步要求””。由于離合器接合過程中的滑磨功與片間正壓力有關(guān)。因此，在離合器剛剛接合階段，主、從動盤之間存在滑轉(zhuǎn)，此時離合器是一個兩自由度的力學系統(tǒng)。由此可見，起步平穩(wěn)和離無級變速器電液控制系統(tǒng)研究開發(fā)合器滑磨是兩個矛盾的指標，如何使這兩個指標都能達到令人滿意的效果是離合器控制的關(guān)鍵o”。16圖2．9最佳經(jīng)濟性目標速比圖∞ 80 圖2．10最佳動力性目標速比圖2．2．3起步離合器控制起步離合器一直是困擾自動離合器的難題。從圖2．6發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性曲線可知，無論是最佳經(jīng)濟性還是最佳動力性， 在任意節(jié)氣門開度下，都能確定相應(yīng)的發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速。0 4500 A最大速比線； B最小速比線； C最高車速限制． 圖2．8無級變透透比工作范圍理論上，無級變速傳動系統(tǒng)最小速比越小，發(fā)動機的最經(jīng)濟油耗區(qū)的使用范圍越寬。=1500rpm，這樣發(fā)動機理想經(jīng)濟工作線包括兩條線，一條線是真正的經(jīng)濟工作線，其功率水平在發(fā)動機額定功率的20％以上。由于汽車尾氣對大氣的污染，人們在環(huán)保意識方面的覺醒，世界各國政府和組織對汽車的排放提出了愈來愈嚴格的標準，不久的將來CVT定會出現(xiàn)一種新的模式一一最低排放模式。這兩條曲線對應(yīng)無級變速器兩種常用的不同工作模式。對應(yīng)每一個節(jié)氣門開度，都存在發(fā)動機在該條件下的最佳經(jīng)濟點(最低耗油率點)和最大功率點。在不同的條件下，發(fā)動機的性能，如燃油消耗率、發(fā)動機輸出功率也存在著差異。=乏(2．8) 該比值一般為0．5。一從動輪輸出轉(zhuǎn)速。式(2．4)雖然簡單地給出了金屬帶夾緊力的計算依據(jù)，但精度較低。但是過大的傳動余量，會使金屬帶過度張緊，結(jié)果不僅使金屬帶的壽命縮短，也會使CVT變速器的效率降低。從動輪圖2．5主、從動缸推理平衡關(guān)系主、從動輪的符號相反，因為金屬帶長度一定。由受力分析可得主動輪的推力為： ‰：筆竺掣業(yè)‰ (2．1) ‘Sill“p∥m COS“ 從動輪的夾緊力為： QDⅣ一S—O c．osa．TPoNn sintr 8刪(2．2) 2sina177。當在從動缸施加的夾緊力為QDⅣ，則在楔面的楔力作用下，使帶向外移動，于是在帶內(nèi)產(chǎn)生張緊力。而夾緊力過大，因為除帶的節(jié)圓層外，帶與輪之間必然存在滑動， 故夾緊力過大也將增加不必要的摩擦損失，同樣也會降低傳動系的效率。可見解決CVT控制問題，首要的不是算法問題，而是相關(guān)系統(tǒng)的動力學模型問題。前進離合器和倒車離合器可采用脈寬調(diào)制電磁閥來控制其接合和分離。由此決定了CVT控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括三個方面： ①夾緊力控制：為了提高傳動效率，必須合理控制金屬帶的夾緊力。即：通過控制主被動輪的可動部分的軸向移動，來改變傳動帶的回轉(zhuǎn)半徑，從而得到連續(xù)的傳動比“’。每個帶輪都由帶有斜面的半個帶輪而組成一體，其中一個半輪是固定的，另一個半輪是可以通過液壓伺服油缸來控制其移動。當主、被動工作輪可動部分作軸向移動時，改變了傳送帶的回轉(zhuǎn)半徑，從而改變傳動比。為了提高油泵的工作效率，近年來多采用葉片泵。它主要由油泵(齒輪泵和滾子葉片泵)、液壓調(diào)節(jié)閥(速比和帶與輪間壓緊力的調(diào)節(jié))、傳感器(油門和發(fā)動機轉(zhuǎn)速)和主、從工作輪的液壓缸及管道組成，實現(xiàn)傳動無級變速的調(diào)節(jié)。主、被動工作輪由可動和不動錐盤兩部分組成。(2)行星齒輪機構(gòu)無級變速器的行星齒輪機構(gòu)采用雙行星齒輪機構(gòu)，行星架上固定有內(nèi)、外行星齒輪和右支架，其中右支架是通過螺栓固定在行星架上，外行星齒輪和齒圈嚙合，內(nèi)行星齒輪和太陽輪嚙合，它們可以實現(xiàn)前進和倒檔。③液力變矩器(Hydraulic torque converter)：液力變矩器與CVT系統(tǒng)的合理匹配， 可使汽車以足夠大的牽引力平順起步，提高駕駛舒適性。為了提高汽車的起步性能和行使平順性，在CVT前面和發(fā)動機之間通常要加裝液力變矩器等。所以研究和開發(fā)能應(yīng)用于CVT電液控制的數(shù)字比例閥有重要的意義。電磁比例閥是模擬量控制，對工作環(huán)境要求極為嚴格， 而且國內(nèi)磁性材料還存在許多問題，因而液壓閥會產(chǎn)生嚴重的非線性特性，直接導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復性差，因此很難提高控制精度，確保CVT變速器的傳動效率。(5)對數(shù)字調(diào)壓閥進行了特性試驗，并將數(shù)字調(diào)壓閥應(yīng)用到CVT電液控制系統(tǒng)中，在現(xiàn)有的試驗條件下進行了臺架試驗，試驗結(jié)果表明，該電液控制系統(tǒng)效果良好，具有一定的可行性，但由于試驗條件的限制，未能進行實車試驗。只有這三方面的控制都達到最佳狀態(tài)，才能充分發(fā)揮汽車的各項性能指標。隨著計算機技術(shù)、傳感技術(shù)及電測技術(shù)的發(fā)展，以前看似無法實現(xiàn)的控制策略和控制方法必將重新發(fā)揮其自身的優(yōu)越性，會越來越受到重視。在無級變速液壓系統(tǒng)中，作為執(zhí)行機構(gòu)的液壓缸和液壓閥以及作為其動力源的液壓泵的特性對系統(tǒng)的性能及控制品質(zhì)有著重要的影響。主要是： (1)CVT變速傳動機理問題。所以，汽車排放中廢氣有害物含量高，污染環(huán)境嚴重。簡而言之，由于金屬帶式無級變速器的結(jié)構(gòu)簡單，關(guān)鍵零部件采用高強度優(yōu)質(zhì)材料、精密制造技術(shù)與無限壽命設(shè)計方法進行產(chǎn)品設(shè)計和制造。表1．3 Chrysler Voyager裝用不同變速器經(jīng)濟性、動力性試驗改善工況4AT P884型CVT (％) 市區(qū)15．8(L／100 Km) 13．1(L／100 Km) 17 郊區(qū)公路12．7(L／100 Km) 11．1(L／100 Km) 13 經(jīng)濟性90(Km／h)等速9．9(L／100 Km) 9．3(L／100 Km) 6 120(Km／h)等速13．0(L／100 Km) 13．5(L／100 Km) —4 0—30(Km／h) 2．5 S 2．5 S 0 動力性0—100(Km／h) 13．2 S 12．2 S 7．5 最大加速度4．8 m／s2 4．8 m／S2 O (3)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高產(chǎn)品成本與可靠性依賴于產(chǎn)品的技術(shù)含量、材料，制造工藝等因素。表1．1不同檔位^T的傳動效率表1．2不同類型OVT的傳動效率檔位傳動效率1 60～85％ 2 60～90％ 3 85～95％ 4 90～95％ 5 85～94％ CVT類型傳動效率Rubber Belts 85～95％ Steel Belts 90～97％ Toroidal Traction 70～94％ Nutating Traction 75～96％ Variable Geometry 85～93％ 在動力性方面，CVT汽車加速性能(0100 Km／h)比AT汽車的加速性能最少提高7．5～11．5％，速度較高時加速性優(yōu)于MT汽車。(2)提高燃油經(jīng)濟性和動力性首先看下面兩個表，表1．1所示為一個典型的5檔自動變速器AT在各個檔位時的傳動效率，表1．2為幾種不同的無級變速器傳動效率的變化范圍。在理論上，由于在換檔過程中不會引起發(fā)動機速度波動，并且發(fā)動機始終工作在理想的工作區(qū)域，因此，無級變速傳動能夠延長發(fā)動機的使用壽命，改善汽車的燃油經(jīng)濟性和動力性。對各種工況的控制策略也正在作更加深入的研究， 以使CVT的優(yōu)越性更大限度的發(fā)揮出來。1．2．2無級變速器的發(fā)展前景隨著電子技術(shù)、材料及加工技術(shù)的發(fā)展，CvT正朝著以下幾個方面發(fā)展： (1)向3升以上排量的汽車上發(fā)展，以實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用； (2)更加優(yōu)越的控制及快捷的反應(yīng)； (3)更低廉的價格。課題組基于引進樣品P81l無級變速器，設(shè)計了集成液壓控制模塊、電子控制裝置及發(fā)動機與無級自動變速器動態(tài)匹配的工程化軟件，成功地把原P81l 機械無級自動變速器改造成電子控制的無級自動變速器。據(jù)有關(guān)試驗研究，采用CVT的混和動力汽車的燃油經(jīng)濟性可以提高30％，排放可以降低50％左右。1999年德國奧迪公司聯(lián)合LUK公司和Temie公司，開發(fā)完成了FF縱置式CVTMultitronie，成功地裝在輸出轉(zhuǎn)矩310Nm、排量2．8L的奧迪A6／A4和保時捷跑車上，并于2002年11月投放到中國市場。繼Subaru后，歐洲的Ford和Fiat也將VDTCVT(P811型1裝備于排量1．1～1．6L轎車上，并投入市場。1995年9月，Honda公司開發(fā)了新一代金屬帶式CVT即Honda Multi Matic，它實現(xiàn)了離合器、換擋和夾緊力的全電子控制“1。CVT首次裝車并投放市場是1987年。1972年，H，Van Doorne博士與DAF公司脫離，成立了自己的公司，即“Van Doorne’S Transmissie B．V”公司(簡稱VDT公司)，專門生產(chǎn)CVT， 所生產(chǎn)的CVT通稱為VDTCVT，從而開始了CVT的新時代。但在這同時，帶傳動式CVT也取得了很大的發(fā)展，包括金屬鏈式CVT如圖1．2和金屬帶式CVT如圖1．3。無級變速器電液控制系統(tǒng)研究開發(fā)1．2金屬帶式無級變速器發(fā)展和現(xiàn)狀1．2．1無級變速器發(fā)展歷史簡述無級變速的發(fā)展已經(jīng)有很長的歷史，早在1886年，德國的Daimlar Benz公司就已經(jīng)將其應(yīng)用在汽車上了，只是它是摩擦式無級變速器，是靠皮革或纖維制的圓盤和金屬圓盤的摩擦力來工作的，因而磨損十分嚴重，壽命很低，但其原理