無級變速器電液控制系統研究開發畢業論文-文庫吧在線文庫

　　

【正文】 專家PID控制系統如圖3．6所示。根據試驗驗證，數字調壓閥可以實現比較精確的開環控制，無需對從動輪油缸壓力進行實測反饋，因此直接發送脈沖信號控制步進電機就可以實現我們需要達到的控制油壓。在控制過程中，系統根據得到的檔位，接合相應的離合器，然后對輸入信號采集和處理，根據控制策略計算得到相應的傳動比，然后，ECU輸出相應的數字信號，經接口電路直接驅動速比和夾緊力控制閥來調節離合器或主從動輪油缸的壓力，進而調節夾緊力和速比，使得汽車按照駕駛員的操作模式行駛。ECU輸入信號有壓力或位移模擬信號、轉速數字信號和I／O邏輯信號，其中模擬信號要經過A／D轉換才能被ECu接受。圖3．2控制系統框圖基于以上的液壓系統的設計原則，本文采用了如圖3．3所示的液壓控制系統。在設計液壓控制系統時，在實現系統的設計功能的前提下，應考慮系統的成本、可靠性等方面的限制。圖3．1金屬帶式無級變速機械一液壓控制系統20這種機液控制系統用較少的液壓閥就可實現系統的速比及壓力控制，但存在如下的問題：不能對主、從動油缸的壓力進行獨立的控制，它僅能根據固定的變化關系控制，控制策略單一，不能滿足不同行駛工況的要求，因此很難實現夾緊力和速比的任意控制；CVT液壓控制系統的工作壓力高，不能實現速比和夾緊力的精確控制，造成系統的液壓損失增大；控制系統的可移植性差，一種控制系統只能針對一種車型，不能適用別的車型，只要傳動系和汽車參數變化，都必須改變控制系統的結構尺寸。主動缸與回油路相通，主動輪的可動部分與固定部分的距離增大，使金屬帶沿帶輪表面滑動至最大速比處，以獲得最大的起步加速度。模糊控制離合器系統作為裝備無級變速汽車的起步離合器，結構簡單、緊湊，可靠性好，并能正確估計駕駛員的意圖和汽車起步條件。當主、從動盤達到同步轉速時，則被鎖定為一體，成為單自由度的力學系統。起步時離合器控制目標是提高起步過程離合器的平穩性，延長離合器的使用壽命，減小發動機轉速的波動，以降低噪聲和排放、提高經濟性。由于受傳動器最大結構尺寸的限制，最小速比越小就意味著金屬帶的工作半徑越小，過小的金屬帶工作半徑會在金屬帶中會產生極大的彎曲應力和張力，使金屬帶的使用壽命大大地降低。在發動機理想經濟工作線上，發動機節氣門開度與轉速和轉矩的關系是一一對應的。把這兩條曲線在兩維平面上繪制出來，就得到發動機最佳動力線s和最佳經濟線E(見圖2．6)。o／n2，i,m胛。2．2．2速比控制CVT的速比可以定義為主動輪和從動輪的轉速之比，即： f：墮：旦(2．6) 擰nⅣ 珂Ⅲ 式中：HDR～主動輪輸入轉速： l39。由上面兩式得金屬帶無負載時，主、從動輪推力之比為： 紐：塑竺圭坐堂!王坐幽塑竺壘QaN 、Tj“ANRtana切na177。為使金屬帶維持在穩定的節圓位置上，必須在主動缸上作用一個推力，使它與從動缸的推力通過金屬帶在主動輪上產生的軸向負荷相平衡。2．2．1目標夾緊力控制為了提高傳動效率，必須合理控制對金屬帶的夾緊力。②速比控制：在汽車的所有運行工況條件下，為滿足它的燃油經濟性和動力性的要求，應使傳動系的速比在汽車的阻力和發動機輸出功率之間，按駕駛員的意圖自動實現動態最佳匹配，把汽車經濟性、動力性發揮到最佳狀態，這就是CVT 傳動系的第二個控制目標。反之，相當于高檔行使。2．1．2無級變速器的傳動原理無級變速器的變速原理很簡單，但也很巧妙。圖2．2金屬帶結構匿2．3主動軸鋼球滑道結構(4)控制系統控制系統是用來實現無級變速器系統傳動比無級自動變化的。所以，在CVT 中常被采用，但成本較高。一般無級變速傳動所形成的傳動比變化范圍是i=0．445～2．6。特別是從1997年荷蘭VDT公司和BOSCH公司合并后，CVT傳動技術正在以更快的速度在歐洲并向世界各國迅速擴展，引起越來越多的汽車制造廠家的關注。(2)分析了金屬帶式CVT的基本結構和變速原理，詳細闡述了其關鍵零部件。這主要包括瞬態情況下主從動帶輪的受力情況、傳動帶的滑轉和傳遞容量及傳遞效率、速比變化率的影響因素等，因為這些問題對改進帶的結構參數、延長帶的使用壽命及開發性能優良的變速控制系統都是至關重要的““。(4)改善汽車尾氣排放汽車行駛時所排出的有害物質含量與發動機工作狀態有關，當發動機在非穩態工況時，它所排出廢氣中的有害物質含量高。HONDA公司Civic型汽車的對比試驗也驗證了以上結論：裝備傳統AT的Civic平均燃油消耗率為28／35mpg(城市／公路循環工況)，同一型號的汽車在裝CVT后為34／38mpg(城市／公路循環工況)。同時簡化了汽車行駛過程中的操作，減輕駕駛員的勞動強度，提高行車的安全性。一些主要的汽車廠開始從液力機械自動變速器過渡到CVT系統，或者直接發展CVT系統，或兩者兼有之。其中東北大學在金屬帶的設計研究方面卓有成效。最早開發的用于轎車的CVT產品是KWGl5， 它的轉矩容量為130Nm；稍后又開發了幾種不同的樣機，如用于發動機前置前驅(FF)轎車的ZFCFTl3等系列CVT，以及用于發動機前置后驅(FR)轎車的ZFCRT20 和用于發動機縱向前置前驅的ZFCTT25。該CVT的夾緊力和換擋控制仍然是采用VDT全液壓控制，不同之處是采用了電磁離合器作為起步裝置，從而起步離合器實現了電子控制，因而稱之為ECVT。1958年，荷蘭DAF公司H．Van Doorne博士成功開發出了雙v型橡膠帶CVT(Variomatic)，并裝備在DAF公司的小型轎車上面。世界上很多汽車制造商都加大了對無級變速傳動系統的開發力度，相繼推出了自己的產品。如歐洲早已提出了限制排放的歐III標準。不保密口。垂堡竺童堊皇童壘!：i!絲墼壘至壘，一，一。(3)針對日益廣泛應用的比例控制技術提出了改進的電液控制系統，從而將數字比例控制技術應用至tlCVT中。金屬帶式CVT具有較大的功率傳遞容量、較高的傳動效率、較長的壽命等特點，是目前世界上應用最廣泛的無級變速器。r是必然趨勢。(5)對數字調壓閥進行了特性試驗，并將數字調壓閥應用至IJCVT電液控制系統中，在現有的試驗條件下進行了臺架試驗，試驗結果表明，該電液控制系統效果良好，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。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。因此汽車的發展歷史，間接的記錄了科學技術的發展，社會背景的改變和人類不斷實現完美追求的歷史。因此采取措施，應用新技術，降低汽車能源消耗和減少廢氣排放已成為汽車的發展方向之一。1935年，GM Buick發明了一種被稱為全圓環型(Full Toroidal)CVT，人們稱這種變速器為牽引傳動式(Traction Drive)CVT，它的變速原理如圖1．1所示“1。VDTCVT主要有P8ll、P82l、P88P901等四種類型，其中P811和P821是第一代產品，P884 和P901是第二代產品。所不同的是將起步離合器裝在了從動軸上，這不僅能夠在急剎車時使金屬帶回到最低檔， 而且還可最大效地保護金屬帶，如圖1．4所示。該變速器以金屬鏈取代金屬帶，融合了當今CVT的最新技術，與現有金屬帶式CVT相比，除結構做了重大改進外，電液控制系統和控制策略也有了很大改變，如圖1．5所示”1。結合Jetta轎車，對其連接裝置進行了改進設計，最后裝備了無級自動變速器的試驗車Jetta轎車一輛。目前，CVT的電子控制又進一步向智能化方向發展，如對濕式離合器的結合采用模糊控制柬改善汽車的起動性能等。AT的平均效率為86％，與MT的97％的傳動效率相去甚遠。金屬帶式無級變速器結構簡單，主要由金屬帶一工作帶輪組和控制系統構成，傳動零件數(約300個)遠少于自動變速器(約500個)，因此變速器的重量輕，體積小。對于CVT變速器，可控制發動機經常處于經濟轉速區域內運轉，也就是在較小污染排放的轉速范圍內工作， 從而降低了排氣污染。因此，這些液壓元件的優化設計以及液壓系統的集成對取得較高的效率、較輕的質量及較好的可控性是非常必要的。(3)針對日益廣泛應用的比例控制技術提出了改進的電液控制系統，從而將數字比例控制技術應用到CVT中。隨著IT技術的高速發展，采用計算機直接控制變速器是必然趨勢。圖2．1 CVT結構簡圖CVT由以下關鍵部件組成‘1 5】： (1)起步離合器目前，用作汽車起步離合器的有下列三種： ①濕式多片離合器(Multi—disc wet clutch)：現在人們在多片濕式離合器上采用電子控制技術來模擬液力變矩器已取得很大進展。(3)無級變速機構無級變速機構由金屬傳動帶和主、被動工作輪組成。速比控制、夾緊力控制和起步離合器的控制是無級變速控制系統的關鍵。可動輪的軸向移動是根據汽車的使用要求，通過液壓控制系統進行連續地調節，實現無級變速傳動。主動帶輪圖2．4無級變速器的變速原理圖2．2無級變速器的控制技術CVT傳動器的主要任務是： (1)把發動機輸出功率可靠的傳遞到驅動輪，并盡可能減少功率損失。根據駕駛員的意圖，在不同使用條件下使汽車平穩起步，并能充分發揮汽車起步時的動力性。同時， 還會導致金屬帶的張力過大，縮短帶的使用壽命。扯ⅫCOSa碩士學位論文式中： 甌～金屬帶張力； 盯一錐輪錐角； ‰，‰一金屬帶在主、從動輪上的包角； ∥。精確控制金屬帶傳遞轉矩比r，并使，趨近于l， 這就是金屬帶夾緊力控制的基本思想，式(2．4)即為金屬帶央緊力控制的最粗略依據。它也可用主、從動輪的節圓半徑比表示。CVT 速比控制規律的基本思路就是當汽車的行駛阻力變化時，CVT變速器通過連續改變速比使發動機的工作點保持穩定。如當節氣門的開度連續變化時，通過無級變速器自動改變速比使發動機的轉速按E線滑動，這就是CVT的所謂E一模式(經濟模式)。另一條則是最小轉速限制線。為保證汽車以不同車速在任意道路阻力下行駛，并維持發動機在期望的工作點運行，由目標速比的公式(2．7)就可確定無級變速傳動器關于油門開度、車速(口，K)的目標速比MAP圖。按汽車行駛要求，起步離合器應滿足下列功能： (1)接合動力平順，分離動力徹底； (2)接合時發動機不停車、不空轉； (3)接合速度能隨駕駛員意圖變化，并給成員的感覺保持不變； (4)上坡起步不滑坡，發動機不熄火； (5)具有可靠的低速爬行功能，幫助汽車平穩越障； (6)限制傳遞最大的轉矩。而沖擊度與片間正壓力的變化率有關，因而合理地控制離合器片間正壓力及其變化率是實現離合器平穩快速起步的關鍵。但液力變矩器生產成本高，結構復雜，限制了它的使用。隨著發動機轉速升高，在離心力作用下，插在主動輪U形槽中的皮托管壓力升高。又通過增加工作模式選擇開關，可使汽車在不同行駛條件下把它的經濟性和動力性恰當的發揮到最佳狀態。另外，由于閥自身會造成對系統的壓降， 為了減少沿程損失，控制閥應該靠近工作油缸。速比控制回路由速比控制閥給主動輪油缸充油或放油實現控制變速器的速比，使發動機的輸出功率和汽車的行駛阻力功率按經濟性、動力性和排放性要求，實現最佳的動態匹配。當齒圈轉動時，齒圈的齒頂與齒隙就交替地與傳感器磁芯端部相對應，傳感器感應線圈周圍的磁場也隨之發生強弱交替變化，在感應線圈中就會產生類似正弦波的交變電壓。在沒有試驗數據作為支持的情況下，則式(2．4)是較為可靠的估計。司蛋曰,Tc 圖3．5夾緊力控制系統框圖在實時控制時，首先根據當前節氣門開度a、發動機轉速Ne、車速及駕駛員選定的運行模式，確定發動機的目標轉矩Te和目標速比i，確定從動帶輪的夾緊力QDⅣ，即QDⅣ=_Te_cosa=f(Te，0 (3．1) Z,UOR／．【DR 此作為目標壓力，轉換為需要的脈沖數N，以脈沖調節(PWM)的方式驅動步進電機，控制數字調壓閥來得到目標壓力。實際速比與目標速比的偏差值，經過專家PID控制器的處理，輸出到PWM信號產生器形成速比控制閥的控制信號。為此，本文采用步迸電機驅動的增量式數字調壓閥。用計算機控制必須進行數．模轉換，是整個系統復雜，成本提高，可靠性降低。增量式數字閥控制系統工作原理框圖如圖3．7所示。脈寬調制式數字閥控制系統的工作原理框圖如下圖3．8所示。對離合器進行控制，采用調制脈寬的方式對其進行控制。aJttfl 圖3．9高速開關閥結構原理圖離合器執行機構的高頻響應性能很大程度上取決于高速開關閥的開關特性， 一般高速開關閥采用脈寬調制(PWM)信號控制，其控制參數為占空比。數字比例控制元件能和計算機直接連接，能實現更精確的控制控制并有更高的可靠性，可以滿足CVT的控制要求，采用數字控制技術的優勢還有可以降低CVT的成本。占整個脈沖周期寬度T的百分比稱為占空比，即； ， T=乞+toy，f(％)=等x100％ (3，2) 電平圖3．10脈沖信號盡管這樣做會給系統帶來一個與PWM信號頻率相同的壓力脈沖干擾，但通過低通濾波可以消弱此壓力脈動。當線圈通電時，銜鐵1產生的電磁推力通過導桿5使供油球閥6向右運動，工作油從進油口進入， 經工作油口流出到工作油缸。計算機發出需要的脈沖序列進入到脈寬調制放大器，然后信號到達高速開關閥，通過控制開關閥開啟時間的長短來控制油液壓力或流量。增量控制方式由脈沖數字調制法演變而成的一種數字控制方法，是在脈沖數字信號的基礎上，使每個采樣周期的步數在前一采樣周期的步數上，增加或減少一些步數， 而達到需要的幅值；步進電機的轉角或位移與輸入的脈沖數成比例，步進電機每得到一個脈沖信號，便得到與輸入脈沖數成比例的轉角，每個脈沖使步進電機沿給定方向轉動一固定的步距角，再通過機械轉換器使轉角轉換為軸向位移，使閥口獲得一相應開度，從而獲得與輸入脈