無(wú)級(jí)變速器電液控制系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)畢業(yè)論文-預(yù)覽頁(yè)

　

【正文】 論文的復(fù)印件和電予版，允許論文被查閱和借閱。(請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”) 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 日期： 月月陽(yáng)角叩7碩士學(xué)位論文1．1前言第1章緒論隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，人類生活節(jié)奏的加快，活動(dòng)空間的迅速增加，汽車已經(jīng)深入到人類社會(huì)的各個(gè)方面，成為現(xiàn)代化文明社會(huì)不可缺少的東西。節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為人類發(fā)展的主題。我國(guó)政府也正式頒布了控制汽車排放的標(biāo)準(zhǔn)，自2001年9月1同起全面停止了化油器汽車的銷售，2002年出廠車輛排放須達(dá)歐I標(biāo)準(zhǔn)，2003年車輛排放須達(dá)歐II標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)級(jí)變速技術(shù)采用傳動(dòng)帶和工作直徑可變的主、從動(dòng)輪相配合傳遞動(dòng)力。由此可見(jiàn)，無(wú)級(jí)變速汽車是當(dāng)今汽車發(fā)展的主要趨勢(shì)”‘.。由于在技術(shù)上要開(kāi)發(fā)能夠承受這樣大滾壓力的軸承及能C2’磐薅扶荔(b)升這技杰圖I．1 ToroidaI OVT的工作原理夠承受這樣大面壓的材料和特殊液體，包括通用在內(nèi)的許多公司最終放棄了這種CVT的開(kāi)發(fā)。由于橡膠帶的傳遞容量小、效率低、壽命短，H．Van Doorne博士于60年代圖1．2金屬鏈?zhǔn)紺VT 2 圖1．3金屬帶式CVT末又成功研制出了傳遞容量大、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的金屬帶式CVT，稱之為“Transmatic”。第二代產(chǎn)品主要做了如下改迸：采用了新型金屬帶，以液力變矩器作為起步裝置，用雙級(jí)滾子葉片泵代替了齒輪泵，采用全電子控制系統(tǒng)，因而它們的性能指標(biāo)超過(guò)了液力機(jī)械自動(dòng)變速器(AT)㈨。日本本田汽車公司(Honda)也是世界上較早開(kāi)發(fā)生產(chǎn)CVT的著名公司之一。與此同時(shí)，歐美的通用(GM)、福特(Ford)、菲亞特(Fiat)、大眾(VW)、圖1．4裝在Honda Ci ViC轎車上的MuItiMati C CVT無(wú)級(jí)變速器電液控制系統(tǒng)研，Z開(kāi)發(fā)奧迪及ZF等公司也在致力于CVT的開(kāi)發(fā)。1994年4月，ZF又開(kāi)發(fā)了更大容量的CFT25 CVT，它的最大傳遞轉(zhuǎn)矩可達(dá)270Nm。而由于無(wú)級(jí)變速技術(shù)允許發(fā)動(dòng)機(jī)處于某一恒定理想工作點(diǎn)，這樣在動(dòng)力的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)備中可以最大限度地降低動(dòng)力損耗、減少排放和提高效率。吉林大學(xué)汽車系的CVT課題組對(duì)無(wú)級(jí)變速器進(jìn)行了深入的研究與實(shí)驗(yàn)，取得了很大成效。雖然通過(guò)各方努力，國(guó)內(nèi)無(wú)級(jí)變速器水平不斷4碩士學(xué)位論文提高，但產(chǎn)業(yè)化還需要一定時(shí)間。近幾年來(lái)，隨著高科技的發(fā)展及市場(chǎng)需要，CVT的機(jī)一液式控制系統(tǒng)己逐步被電一液式控制系統(tǒng)所取代，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)的靈活匹配， 以滿足多種控制模式的要求。1．3無(wú)級(jí)變速器的優(yōu)點(diǎn)及尚待解決的問(wèn)題13．1無(wú)級(jí)變速器的優(yōu)點(diǎn)金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的速比是在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)連續(xù)變化的，從而使駕駛員在駕駛汽車時(shí)避免了有級(jí)式變速器換檔沖擊的困擾。使汽車易于駕駛，有利于汽車的普遍使用。1，比同類型的AT汽車可提高10～15％。表1．3為Chrysler Voyager 裝備不同的變速器時(shí)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較。為了提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力，VDT公司近幾年在金屬帶零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和加工工藝上都進(jìn)行了合理改進(jìn)，產(chǎn)品價(jià)格已經(jīng)大幅度降低“““3。而有級(jí)式機(jī)械傳動(dòng)，速比變化量由人工操作完成，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍較大，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于非穩(wěn)態(tài)工況。1．3．2尚待解決的問(wèn)題盡管CVT有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但還有很多值得研究的問(wèn)題，致使CVT的潛能還沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)，限制了它的應(yīng)用。(2)CVT電控液壓系統(tǒng)的研究。其中，離合器控制和變速控制是CVT控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題。控制問(wèn)題是金屬帶式CVT的主要研究問(wèn)題，它包括三個(gè)方面：夾緊力控制、速比控制和起步離合器的控制。(4)自主研制了步進(jìn)式數(shù)字式調(diào)壓閥，建立了數(shù)學(xué)調(diào)壓閥的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了仿真分析，得到了各種參數(shù)對(duì)系統(tǒng)壓力的的影響規(guī)律。早期的CVT采用液壓伺服控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、對(duì)油液污染敏感，使得CVT成本較高。與比例電磁閥相比，數(shù)字閥的滯環(huán)和重復(fù)精度都有很大程度的提高，開(kāi)環(huán)控制時(shí)也能滿足工程精度的要求。為滿足汽車使用的實(shí)際需要，在其后面還要配有中間齒輪傳動(dòng)副，其速比范圍為i=1．3～1．4，與其相配的主傳動(dòng)器速比范圍為i=3．85～4．35，最后得到無(wú)級(jí)變速器的總傳動(dòng)比為i=2．227～15．834。②電磁離合器(E1ectromagnetic clutch)：反應(yīng)動(dòng)作較快，壽命較長(zhǎng)。為了降低汽車傳動(dòng)器的生產(chǎn)成本，研究人員一直致力于應(yīng)用電控技術(shù)，在電磁離合器或多片濕式離合器上實(shí)現(xiàn)液力變矩器的傳遞特性。每組金屬環(huán)由9或12片厚度為0．1 8mm的帶環(huán)疊合而成，金屬環(huán)的功用是提供預(yù)緊力，在動(dòng)力傳遞過(guò)程中，支撐和弓I導(dǎo)金屬片的運(yùn)動(dòng)，有時(shí)承擔(dān)部分轉(zhuǎn)矩的傳遞。在無(wú)級(jí)變速器系統(tǒng)中，采用機(jī)一液控制系統(tǒng)或電一液控制系統(tǒng)。常用的液壓油泵有兩種形式，即齒輪泵和葉片泵。傳動(dòng)器的主、被動(dòng)工作輪的固定和可動(dòng)兩部分形成V形槽，與金屬傳送帶嚙合。變速部分由主動(dòng)帶輪(初級(jí)輪)、V型金屬帶和被動(dòng)帶輪(次級(jí)輪)所組成。通過(guò)控制rl和r2的連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)變速。(3)根據(jù)駕駛員的要求在不同的使用條件下均能使汽車平穩(wěn)起步，并且能在必要時(shí)切斷動(dòng)力的傳遞。③起步離合器控制：起步離合器控制系統(tǒng)應(yīng)能按照駕駛員的意圖來(lái)控制離合器的接合方式。對(duì)汽車電子控制系統(tǒng)，普遍采用的多為PID調(diào)節(jié)器，控制算法都比較簡(jiǎn)單。如果夾緊力過(guò)小，則金屬帶在輪上滑轉(zhuǎn)，這不僅降低傳動(dòng)效率，還加快金屬帶與輪的磨損，縮短帶與輪的使用壽命。由于金屬帶的長(zhǎng)度為一定值，夾緊力控制和速比控制是相互耦合的，即夾緊力變化必然要引起速比的變化。其受力圖如圖2．5所示。一主、從動(dòng)輪徑向摩擦系數(shù)。“n味8DN 通過(guò)理論分析可以得出，當(dāng)被動(dòng)輪的夾緊力給定以后， 轉(zhuǎn)矩為： ． (2．3) 金屬帶能傳遞的最大乙+：—2QON／z—oRRoR (2．4) 如果實(shí)際傳遞的轉(zhuǎn)矩瓦，它與可能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩L‘之比定義為轉(zhuǎn)矩比： ，一每?jī)|印一般地，只要金屬帶傳遞的轉(zhuǎn)矩比滿足，l，金屬帶就不會(huì)出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)損失。為了精確控制金屬帶的傳遞能力恰好與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一致，最直接最有效的方法是在各種條件下，通過(guò)試驗(yàn)精確標(biāo)定CVT變速器的傳動(dòng)效率與金屬帶夾無(wú)級(jí)變速器也液控制系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)緊力之間的關(guān)系，并把試驗(yàn)結(jié)果整理成數(shù)據(jù)MAP圖。lDlr一從動(dòng)輪輸出轉(zhuǎn)速； pie發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速； 玎。在最小節(jié)圓半徑時(shí)，得最小傳動(dòng)比為當(dāng)從動(dòng)輪處在最大節(jié)圓半徑、主動(dòng)(2．7) 當(dāng)主動(dòng)輪在最大節(jié)圓半徑、從動(dòng)輪。o／n2k (2．9) k，甩eO／n2k 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開(kāi)度給定以后，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨汽車的行駛阻力變化。如果希望在每一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開(kāi)度下發(fā)動(dòng)機(jī)均能在發(fā)出最大功率的轉(zhuǎn)速下工作，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開(kāi)度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系則為最佳動(dòng)力性轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性。它們分別表示發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開(kāi)度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)最佳動(dòng)力性、最佳經(jīng)濟(jì)性的調(diào)節(jié)特性曲線。在E、S模式之間進(jìn)行折衷， 就是近在車上使用的D一模式(驅(qū)動(dòng)模式)，其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性介于E和s兩者之間。為防止發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低引起輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，設(shè)定了一個(gè)實(shí)用的最低使用轉(zhuǎn)速限值玎。由發(fā)動(dòng)機(jī)的最低最高轉(zhuǎn)速，CVT傳動(dòng)系統(tǒng)的最大最小速比及汽車的最高限速得到CVT變速器的工作范圍，如圖2．8所160 140 一{120 莖孚100 80 60 40 209 ne L‘pm J 圖2．7發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖0 1500 30。因此，金屬帶常用的最小傳動(dòng)比為O．445，最大傳動(dòng)比為2．6。根據(jù)汽車的行駛情況，通過(guò)控制無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)比，就可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)汽車的最佳經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行和最佳動(dòng)力性運(yùn)行。如果離合器接合過(guò)猛，不但造成起步?jīng)_擊，而且引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較大的波動(dòng)，反之，為了要求起步平穩(wěn)而過(guò)分降低離合器的接合速度，將增加滑磨功，從而降低了使用壽命。離合器工作時(shí)，主動(dòng)盤通過(guò)摩擦力(與主、從動(dòng)盤之間施加的正壓力成正比)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。從離合器的工作過(guò)程可以看出：離合器的控制問(wèn)題實(shí)際上歸結(jié)為離合器主、從動(dòng)盤之間的正壓力控制。喇歸———+五_——一圖2．11離合器示意圖目前CVT起步離合器廣泛采用的是比例控制策略。還有模擬控制技術(shù)我們也經(jīng)常用在起步離合器上，眾所周知，迄今為止，液力變矩器仍被公認(rèn)為是汽車最佳的起步裝置。19第3章金屬帶式CVT電液系統(tǒng)分析3．1 CVT電液控制系統(tǒng)3．1．1 CvT機(jī)一液控制系統(tǒng)特點(diǎn)早期的金屬帶式無(wú)級(jí)變速器控制系統(tǒng)為機(jī)一液控制方案，如圖3．1所示“”。在變速過(guò)程中，隨著速比的不斷增大，反饋杠桿繞固定支點(diǎn)擺動(dòng)，壓縮夾緊力控制閥的彈簧，使被動(dòng)缸的油壓增加。這樣一來(lái)，主動(dòng)輪可動(dòng)一側(cè)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高右移，速比減小。3．1．2 CVT電一液控制系統(tǒng)采用電液控制系統(tǒng)可以克服機(jī)液控制系統(tǒng)的固有缺陷，如主、從動(dòng)帶輪油缸的壓力可以獨(dú)立控制，因而可能使傳動(dòng)器按照駕駛員選定的工作模式達(dá)到最佳匹配。本文設(shè)計(jì)的液壓控制系統(tǒng)由動(dòng)力源、控制機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)組成。由于系統(tǒng)只能通過(guò)一個(gè)油泵供油，為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，選用的閥應(yīng)該盡可能少，閥的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，抗干擾能力盡可能強(qiáng)，對(duì)液壓系統(tǒng)的雜質(zhì)污染和自身的磨損不敏感。因此根據(jù)壓力的高低不同，可以考慮將CVT液壓控制系統(tǒng)分為三個(gè)等級(jí)的控制系統(tǒng)，如圖3．2所示。油泵位于變速器的輸入軸上，在離合器的前端，轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一致，提供整個(gè)液壓系統(tǒng)所需要的壓力。主調(diào)壓閥的作用是保證系統(tǒng)的安全，防止系統(tǒng)的壓力過(guò)大陋3’州。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、CVT主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速的測(cè)試，我們采用電磁感應(yīng)式傳感器。計(jì)算機(jī)利用定時(shí)器確定兩次中斷的時(shí)間間隔，從而計(jì)算出回轉(zhuǎn)速度。霎黧l Ai丑一煮‰l 一篇篇}r Lv錒擁符堰住西l 漿『l Lv_m刪轉(zhuǎn)理傳毋墨l主動(dòng)輪缸壓力估燎器L l從動(dòng)輪虹壓力傳瞎囂L l離合器壓力傳瘟器L 加速踏板傳蓐器}一 一觳臻} 電控單元一慕外制動(dòng)踏板傳婷器L (ECU) 嵩臺(tái)器位置傳感器L一機(jī)油溫度怙感器L— l檔位‘。在實(shí)際應(yīng)用中，由于所采用的控制閥的不同，其實(shí)現(xiàn)也有所不同。此外，數(shù)字閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性比普通比例電磁閥好，具有較高的開(kāi)環(huán)控制精度，抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠性高，不需要非線性補(bǔ)償、反饋控制等輔助控制。但在實(shí)際車輛行駛過(guò)程中，加速踏板瞬態(tài)的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)會(huì)偏離穩(wěn)態(tài)工作線，控制發(fā)動(dòng)機(jī)跟隨到目標(biāo)工作點(diǎn)處工作就是速比控制的目標(biāo)，速頓卜學(xué)位論丘比控制的過(guò)程：按照駕駛員的意圖，通過(guò)調(diào)節(jié)主動(dòng)帶輪油缸內(nèi)的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際速比對(duì)目標(biāo)速比的跟蹤。目標(biāo)速比根據(jù)車輛的工作模式(動(dòng)力／經(jīng)濟(jì)模式)、節(jié)氣門的開(kāi)度以及CVT輸出軸轉(zhuǎn)速確定。由于CVT速比可以連續(xù)無(wú)級(jí)地變化，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠始終處于選定的工作線上工作，從而達(dá)到選定的駕駛模式。與電液伺服閥和比例閥相比，數(shù)字閥的突出特點(diǎn)是，可直接與計(jì)算機(jī)接口， 不需D／A轉(zhuǎn)換器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；抗污染能力強(qiáng)，操作維護(hù)更簡(jiǎn)單；而且數(shù)字閥的輸出量準(zhǔn)確、叫。現(xiàn)有的電液伺服閥具有輸入信號(hào)功率{Itd,(通常僅有幾十毫瓦)，功率放大系數(shù)高；精度高、響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求嚴(yán)格，對(duì)污染敏感，維修困難，使用成本高，因而除了航空航天及航海等領(lǐng)域有所應(yīng)用外，不宜應(yīng)用在汽車等一般工業(yè)領(lǐng)域。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，用計(jì)算機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。電液數(shù)字控制閥是用數(shù)字信號(hào)直接控制液流的壓力、流量和方向的閥類。表3．1電液數(shù)字閥與電液伺服閥、電液比例髑的比較項(xiàng)目電液數(shù)字閥電液伺服閥電液比例溷控制功率(w) 5～10 0．05～5 10—之5 線性度較高高較高重復(fù)精度(％) o．I 0．5～1 0．51 滯環(huán)(％) 0．1卸．5 3 過(guò)濾要求(pm) 25 15 25 頻寬(Hz) 5 60^也OO ，0 遮蓋(死區(qū)) 有無(wú)有執(zhí)行器開(kāi)環(huán)或執(zhí)行器閉環(huán)控執(zhí)行器開(kāi)環(huán)或閉應(yīng)用類型閉環(huán)控制制環(huán)控制碩士學(xué)位論文3．3．2數(shù)字閥的分類根據(jù)控制方式的不同，電液數(shù)字閥可分為增量式數(shù)字閥和脈寬調(diào)制(PWM)式高速開(kāi)關(guān)數(shù)字閥兩大類。步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)數(shù)字元件，根據(jù)增量控制方式工作。!.|.L一一..一..一一廠一一怛.......一..一圖3．7步進(jìn)式數(shù)字閥控制系統(tǒng)工作原理框圖本文采用的是直線式步進(jìn)電機(jī)，與旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)相比，省去了與液壓閥之間的機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，結(jié)構(gòu)更加緊湊，并且步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且即使不用費(fèi)耗能量就可維持穩(wěn)定位置不變，這樣在液壓系統(tǒng)不要求有流量或壓力方面的變化時(shí)就不必消耗能量，在位置控制系統(tǒng)精度要求不高、需控制成本的汽車上更適合使用。由于作用于閥上的信號(hào)為一系列脈沖，因此液壓閥只有與之相對(duì)應(yīng)的快速切換的開(kāi)和關(guān)兩種狀態(tài)，而以開(kāi)啟時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制流量或壓力。圖3．8脈寬調(diào)制式數(shù)字閥控制系統(tǒng)工作原理框圖3．4高速開(kāi)關(guān)閥在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用量高速電磁開(kāi)關(guān)閥是液壓控制系統(tǒng)中的新技術(shù)，與比例電磁閥相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作可靠、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在車輛電子控制系統(tǒng)中(如ABS、AMT、主動(dòng)懸架等)都得到廣泛應(yīng)用。由于開(kāi)關(guān)器件具有較高的頻率響應(yīng)特性，因此， 當(dāng)控制脈沖的周期頻率達(dá)到一定程度時(shí)，高頻脈沖輸出信號(hào)就可以近似等于模擬輸出量。1，It i．1Ul，．_器I，lIl_。、tofr是可變的，如圖3．10所示。3．5本章小結(jié)本章詳細(xì)分析了CVT電液控制系統(tǒng)的組成和速比、夾緊力、起步離合器及液力變矩器的技術(shù)。第4章數(shù)字調(diào)壓閥的設(shè)計(jì)和仿真4．1數(shù)字調(diào)壓閥的理論基礎(chǔ)4．1．1液阻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)概述大多數(shù)液壓控制閥通過(guò)改變閥口流量面積來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)壓力或流量