無級變速器電液控制系統研究開發畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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)結構簡單，成本低，可靠性高產品成本與可靠性依賴于產品的技術含量、材料，制造工藝等因素。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。6碩上學位論文核心部件金屬帶由荷蘭VDT公司生產，以前價格比較昂貴(在1995年約占CVT 成本的30％)。為了提高產品的競爭能力，VDT公司近幾年在金屬帶零部件的結構設計、材料和加工工藝上都進行了合理改進，產品價格已經大幅度降低“““3。簡而言之，由于金屬帶式無級變速器的結構簡單，關鍵零部件采用高強度優質材料、精密制造技術與無限壽命設計方法進行產品設計和制造。因此該系統質量高，使用可靠，與汽車具有相同的壽命。(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。而有級式機械傳動，速比變化量由人工操作完成，導致發動機轉速變化范圍較大，使發動機處于非穩態工況。所以，汽車排放中廢氣有害物含量高，污染環境嚴重。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。據資料介紹，在裝備有CVT汽車與5檔手動變速箱的汽車道路上作對比試驗時，裝有CVT車的燃油消耗少11．5％，碳氫化合物的排量少33％， CO的排放量少20％““。1．3．2尚待解決的問題盡管CVT有著諸多優點，但還有很多值得研究的問題，致使CVT的潛能還沒有充分發揮出來，限制了它的應用。主要是： (1)CVT變速傳動機理問題。國內外的學者在這方面做的研究成果大都是在穩態情況下取得的，而會屬帶絕大多數情況是工作在瞬態情況下。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““。(2)CVT電控液壓系統的研究。在無級變速液壓系統中，作為執行機構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的性能及控制品質有著重要的影響。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)CVT動力傳動系統的綜合控制策略““。其中，離合器控制和變速控制是CVT控制系統的核心問題。隨著計算機技術、傳感技術及電測技術的發展，以前看似無法實現的控制策略和控制方法必將重新發揮其自身的優越性，會越來越受到重視。無級變速器電液控制系統研究開發1．4論文主要研究內容及研究意義1．4．1本文主要研究內容(1)在參閱了國內外大量文獻的基礎上，系統地介紹了金屬帶式無級變速器的發展歷史、當前的技術狀況以及發展前景，對金屬帶式無級變速器與其它類型的變速器的優、缺點進行了比較。(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。控制問題是金屬帶式CVT的主要研究問題，它包括三個方面：夾緊力控制、速比控制和起步離合器的控制。只有這三方面的控制都達到最佳狀態，才能充分發揮汽車的各項性能指標。(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。并且介紹了高速開關閥的結構和工作原理。(4)自主研制了步進式數字式調壓閥，建立了數學調壓閥的數學模型并進行了仿真分析，得到了各種參數對系統壓力的的影響規律。(5)對數字調壓閥進行了特性試驗，并將數字調壓閥應用到CVT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。1．4．2課題的意義無級變速傳動技術在汽車變速傳動裝置發展史上具有變革意義，無級變速傳動技術作為21世紀汽車的主要研究方向之一，在當前倍受各國汽車制造廠商的重視。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。早期的CVT采用液壓伺服控制系統，其結構復雜、制造困難、對油液污染敏感，使得CVT成本較高。電磁比例閥是模擬量控制，對工作環境要求極為嚴格， 而且國內磁性材料還存在許多問題，因而液壓閥會產生嚴重的非線性特性，直接導致系統的穩定性和重復性差，因此很難提高控制精度，確保CVT變速器的傳動效率。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。用數字閥替代電磁比例閥，不僅簡化了液壓模塊，還克服了液壓系統諸多非線性因素導致控制系統出現不穩定波動的技術問題““。與比例電磁閥相比，數字閥的滯環和重復精度都有很大程度的提高，開環控制時也能滿足工程精度的要求。所以研究和開發能應用于CVT電液控制的數字比例閥有重要的意義。8碩十學位論文第2章金屬帶式無級變速器工作機理2．1金屬帶式無級變速器結構和傳動原理2．1．1金屬帶式無級變速器的結構組成如圖2．1所示為典型的金屬帶CVT結構組成，發動機動力由行星機構、前進或倒檔離合器傳送到主動輪、金屬帶、從動輪，再由中間過輪或傳動軸輸出到主減速器、差速器、等速萬向節或半軸，最終到達驅動輪。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。為滿足汽車使用的實際需要，在其后面還要配有中間齒輪傳動副，其速比范圍為i=1．3～1．4，與其相配的主傳動器速比范圍為i=3．85～4．35，最后得到無級變速器的總傳動比為i=2．227～15．834。為了提高汽車的起步性能和行使平順性，在CVT前面和發動機之間通常要加裝液力變矩器等。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。鑒于其更高的效率和更低的價格，已漸漸被使用(如Honda Civic)，預期有較好的前景。②電磁離合器(E1ectromagnetic clutch)：反應動作較快，壽命較長。③液力變矩器(Hydraulic torque converter)：液力變矩器與CVT系統的合理匹配， 可使汽車以足夠大的牽引力平順起步，提高駕駛舒適性。當發動機轉速高時，閉9無級變速器I乜液控制系統研究開發鎖離合器將泵輪與渦輪鎖住，成為整機傳動，提高了傳動效率。所以，在CVT 中常被采用，但成本較高。為了降低汽車傳動器的生產成本，研究人員一直致力于應用電控技術，在電磁離合器或多片濕式離合器上實現液力變矩器的傳遞特性。(2)行星齒輪機構無級變速器的行星齒輪機構采用雙行星齒輪機構，行星架上固定有內、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，內行星齒輪和太陽輪嚙合，它們可以實現前進和倒檔。(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。金屬傳動帶由兩百多個金屬片和兩組金屬環組成，每個金屬片的厚度為1．4mm，在兩側工作輪擠壓力作用下傳遞動力。每組金屬環由9或12片厚度為0．1 8mm的帶環疊合而成，金屬環的功用是提供預緊力，在動力傳遞過程中，支撐和弓I導金屬片的運動，有時承擔部分轉矩的傳遞。主、被動工作輪由可動和不動錐盤兩部分組成。金屬帶結構和帶輪結構如圖2．2和圖2．3所示。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。在無級變速器系統中，采用機一液控制系統或電一液控制系統。它主要由油泵(齒輪泵和滾子葉片泵)、液壓調節閥(速比和帶與輪間壓緊力的調節)、傳感器(油門和發動機轉速)和主、從工作輪的液壓缸及管道組成，實現傳動無級變速的調節。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。(5)液壓泵為CVT傳動系提供控制、冷卻和潤滑的液壓油源。常用的液壓油泵有兩種形式，即齒輪泵和葉片泵。為了提高油泵的工作效率，近年來多采用葉片泵。齒10輪泵由于適用轉速范圍寬，結構簡單，成本低，因而也有廣泛的使用。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。傳動器的主、被動工作輪的固定和可動兩部分形成V形槽，與金屬傳送帶嚙合。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半徑，從而改變傳動比。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。金屬帶式無級變速器的變速原理如圖2．4所示。變速部分由主動帶輪(初級輪)、V型金屬帶和被動帶輪(次級輪)所組成。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。半輪間的軸向相對位移可以通過控制機構來改變；兩個帶輪軸間的距離是固定的，傳動帶的周長是固定不變的，所以形成傳動比為當主動輪的半徑rl處于較小半徑時(半輪間的距離較寬)，被動輪的半徑r2處于較大半徑時(半輪間的距離較窄)，傳動系的傳動比較大，相當于汽車低檔行使。反之，相當于高檔行使。通過控制rl和r2的連續變化，實現了無級變速。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半徑，從而得到連續的傳動比“’。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。(2)根據汽車的運行條件，按駕駛員選定的工作模式自動改變傳動比使發動機維持在理想工作點。(3)根據駕駛員的要求在不同的使用條件下均能使汽車平穩起步，并且能在必要時切斷動力的傳遞。由此決定了CVT控制系統的關鍵技術包括三個方面： 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。始終把夾緊力控制在目標值的小范圍內，是CVT傳動系的第一個控制問題。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。③起步離合器控制：起步離合器控制系統應能按照駕駛員的意圖來控制離合器的接合方式。前進離合器和倒車離合器可采用脈寬調制電磁閥來控制其接合和分離。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。只有這三個方面的控制都達到最佳狀態，才能充分發揮汽車的各項性能指標。對汽車電子控制系統，普遍采用的多為PID調節器，控制算法都比較簡單。可見解決CVT控制問題，首要的不是算法問題，而是相關系統的動力學模型問題。由于CVT傳動是一個復雜而多變的過程，根本找不到一種解析方法可精確描述CVT 的整個工作過程，故現有的CVT變速器產品，都是基于各大公司的產品特點和相應的技術優勢，通過大量的試驗研究，來確定夾緊力、速比及起步離合器的控制規律““。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。如果夾緊力過小，則金屬帶在輪上滑轉，這不僅降低傳動效率，還加快金屬帶與輪的磨損，縮短帶與輪的使用壽命。而夾緊力過大，因為除帶的節圓層外，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。同時， 還會導致金屬帶的張力過大，縮短帶的使用壽命。根據汽車的運行條件，始終把夾緊力控制在目標值的最小范圍內是CVT傳動系的另一個控制問題““。由于金屬帶的長度為一定值，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。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，于是在帶內產生張緊力。在主動輪上，被張緊的金屬帶產生向里運動的趨勢。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。其受力圖如圖2．5所示。由受力分析可得主動輪的推力為： ‰：筆竺掣業‰ (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。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； ∥。，∥。一主、從動輪徑向摩擦系數。從動輪圖2．5主、從動缸推理平衡關系主、從動輪的符號相反，因為金屬帶長度一定。如會屬帶在主動輪上向外滑動，則它在從動輪上必向里滑動。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。“n味8DN 通過理論分析可以得出，當被動輪的夾緊力給定以后， 轉矩為： ． (2．3) 金屬帶能傳遞的最大乙+：—2QON／z—oRRoR (2．4) 如果實際傳遞的轉矩瓦，它與可能傳遞的最大轉矩L‘之比定義為轉矩比： ，一每億印一般地，只要金屬帶傳遞的轉矩比滿足，l，金屬帶就不會出現滑轉損失。但是過大的傳動余量，會使金屬帶過度張緊，結果不僅使金屬帶的壽命縮短，也會使CVT變速器的效率降低。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，