金屬帶式無級變速器電液控制系統(tǒng)的試驗研究

1、2003090金屬帶式無級變速器電液控制系統(tǒng)的試驗研究 3付鐵軍 周云山 張寶生(吉林大學(xué) , 長春 摘要 。 設(shè)計了金屬帶式無級變速器電 -, , 設(shè)計了控制器 。 , 取得了較好的效果 。敘詞 :, , Experiment Study on Electro 2hydraulic ControlSystem of Metal V 2belt Type CV TFu Tiejun , Zhou Yunshan &Zhang B aoshengJili n U niversity , Changchun 130025 Abstract The electro 2hydraulic co

2、ntrol system of metal V 2belt type CV T can be divided into clampingcontrol system and ratio control system through its functionality analysis 1Based on the study of the control valves characteristics , controllers for the clamping and ratio are designed respectively ,and then the whole elec 2tro 2h

3、ydraulic control system is realized. Road test on vehicle is also done with the developed control system ,and satisfied result is obtained.K eyw ords :MetalV 2belt type ,CVT, Electro 2hydraulic control 3國家科委 “ 九五” 科技攻關(guān)項目 (96-A05-04-03 、 吉林大學(xué)汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室基金 (2000108 資助 。原稿收到日期為 2002年 12月 10日 , 修改稿收到日

4、期為 2003年 1月 20日 。1 前言無級變速傳動 (CV T 是汽車理想的傳動方式 之一 。 金屬帶式無級變速傳動是迄今為止應(yīng)用成功 的車輛無級變速傳動 。大量實踐表明 , 裝有金屬帶 式無級變速器的汽車 , 其經(jīng)濟性 、 動力性及排放比裝 有液力自動變速器和手動機械變速器的汽車更佳 。 因此 , 金屬帶式 CV T 自 1987年首次裝車以來 , 在短 短的十幾年間 , 獲得了廣泛的應(yīng)用 。人們預(yù)測在 21世紀 , 必將獲得更大的發(fā)展 。金屬帶式無級變速器包括離合器 (或液力變矩 器 、 無級變速傳動機構(gòu) 、 主減速器及前進和倒車切 換機構(gòu) 。 其中 , 無級變速傳動機構(gòu)是其核心部分

5、, 它 的功能是通過液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)的 。 早期的無級變 速傳動的控制系統(tǒng)多采用機液控制方式 。 隨著技術(shù) 進步和人們對汽車性能要求的提高 , 當(dāng)前控制系統(tǒng)均采用電子液壓控制方式 。 采用電液控制方式一方 面可以提高無級變速傳動系統(tǒng)的效率 , 降低不必要 的損失 , 提高關(guān)鍵零部件的使用壽命 ; 另一方面可以 使汽車動力傳動系統(tǒng)實現(xiàn)理想的工作狀態(tài) , 達到動 力性 、 經(jīng)濟性和排放之間的最佳折衷 。此文以金屬帶式無級變速液壓控制系統(tǒng)為研究 對象 , 對該系統(tǒng)進行深入 、 細致的分析 , 設(shè)計了電液 控制系統(tǒng) , 并進行了試驗驗證 。2 控制系統(tǒng)功能金屬 帶 式 無 級 變 速 器 控 制 系

6、統(tǒng) 的 主 要 功 能 1,2: 把發(fā)動機的輸出功率可靠地傳遞到驅(qū)動 輪 , 并盡可能減小功率損失 ; 根據(jù)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(fā)動機維持在理想的工作點 。 因此無級變速器的控 制按其功能分為夾緊力控制和速比控制 。 為了提高2003年 (第 25卷 第 4期 汽 車 工 程Automotive Engineering 2003(Vol. 25 No. 4傳動效率 , 必須合理控制金屬帶的夾緊力 。夾緊力 過小或者過大 , 都會增加不必要的摩擦損失 , 縮短關(guān) 鍵零部件的使用壽命 , 降低動力傳動系統(tǒng)的傳遞效 率 。 因此根據(jù)汽車的運行條件

7、 , 始終把夾緊力控制 在目標值的小范圍內(nèi) , 是 CV T 傳動系統(tǒng)的第一個 控制問題 ; CV T 的另一個控制問題是速比控制 , 速 比控制的目的是控制發(fā)動機在最佳工作點工作 , 使 動力傳動系統(tǒng)速比按駕駛員的意圖在汽車的行駛阻 , 以充分發(fā)揮汽車的經(jīng)濟性或動力性輸入 (行駛阻力和車速 確 定目標夾緊力 3s i 3cvt , 這是通過 CV T 動 力傳動系統(tǒng)的匹配策略來確定的 ; 然后控制系統(tǒng)確 定的目標值 (目標夾緊力 F 3s 和目標速比 i 3cvt 輸入 到執(zhí)行機構(gòu) (液壓控制系統(tǒng) , 通過執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié) 使控制參數(shù)達到目標值 。在控制系統(tǒng)的兩個層次 中 , 第一個控制層次通

8、過軟件來實現(xiàn) , 屬于高級控制 層次 。 另一個則通過實際的硬件 (控制閥等 實現(xiàn) , 屬于低級控制層次 。 此文討論的是金屬帶式級無變 速控制系統(tǒng)中較低的控制層 硬件部分的設(shè)計與 控制方法 。3 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計311 CVT 速比控制形式 一般情況下 ,CV T 的控制系統(tǒng)是通過控制從動 輪的軸向夾緊力來保證要求的轉(zhuǎn)矩容量 , 實現(xiàn)夾緊 力控制 , 同時通過對主動帶輪的控制實現(xiàn)速比控制 。 兩個帶輪的控制同步進行 。如表 1所示 , 在進行控 制的過程中 , 基于控制目標不同 , 有兩種可行的實現(xiàn) 方案 。 在方案 1中 , 速比是通過控制主動帶輪的夾 緊力 (主動輪缸壓力 實現(xiàn)的 。 主

9、動輪缸采用帶有壓 力反饋的壓力控制閥 , 主 、 從動帶輪油缸中的壓力控 制基于平衡狀態(tài)下主 、 從動帶輪的夾緊力比來確定 。 通過控制主動帶輪油缸中的壓力 , 實現(xiàn)速比控制 。 而主動帶輪油缸內(nèi)的壓力是通過控制壓力調(diào)節(jié)閥實 現(xiàn)的 。 在這種控制方式中 , 要實現(xiàn)速比的精確控制 ,表 1 CVT 速比控制形式從動帶輪 主動帶輪 可行性 方案 1夾緊力 夾緊力 可行方案 2夾緊力 位置 可行方案 3位置 位置 不可行 必須使主動帶輪油缸內(nèi)的壓力直接作為反饋 。 在方 案 2中 , 速比是通過控制主動帶輪的位置 (主動缸流 量 實現(xiàn)的 。 主動帶輪油缸采用方向控制閥 , 通過控 制流入或流出主動帶

10、輪油缸的油量 , 使主動帶輪在 。 這種速 ,。 當(dāng)達到平衡狀態(tài)時 , 主 、 從 。 312 CVT 液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)方式在 CV T 系統(tǒng)中 , 一般只有一個油泵 , 因此主 、 從動輪油缸的壓力都必須從同一個油泵獲得 。 由于 每個控制子系統(tǒng)的工作壓力不同 , 這就需要一些控 制閥按一定的布置方式來調(diào)節(jié) , 以滿足需要 。這樣 在不同工況下 , 隨著控制閥的開啟和關(guān)閉 , 就會造成 系統(tǒng)液壓油的流向和分配發(fā)生變化 , 不可避免地造 成系統(tǒng)壓力波動 。因此在設(shè)計液壓控制系統(tǒng)時 , 應(yīng) 使不同功能子系統(tǒng)之間的影響達到最小 , 在實現(xiàn)系 統(tǒng)的設(shè)計功能的前提下 , 應(yīng)考慮系統(tǒng)的成本 、 可靠性

11、等因素 。在實際應(yīng)用中 , 金屬帶式無級變速傳動系的液 壓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)多種多樣 3,4, 控制閥的布置形 式和類型相差很大 , 因而系統(tǒng)的復(fù)雜程度和實際的 控制效果也不同 。 從原理上來說 ,CV T 液壓控制系 統(tǒng)實現(xiàn)方式有兩種形式 :主 、 從式和并行式 。 主 、 從式采用不等面積的油缸 , 通過控制從動帶輪油缸 壓力實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩容量的控制 , 并通過控制主動輪油缸 壓力實現(xiàn)速比控制 。 并行式采用等面積的油缸 , 由液壓系統(tǒng)產(chǎn)生高 、 低油壓 , 通過電控換向閥分別給 主 、 從動輪油缸施加高 、 低壓力 , 一般向變寬的帶輪 油缸加低壓保證轉(zhuǎn)矩傳遞容量 , 向另一個油缸加高 壓實現(xiàn)變速

12、 。313 CVT 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計為 EQ6480汽車 CV T 設(shè)計的電液控制系統(tǒng) , 其 結(jié)構(gòu)簡圖如圖 1所示 。系統(tǒng)采用主 、 從控制方式 。 對于速比控制采用控制方案 2, 即對主動帶輪油缸 進行位置控制 。油泵位于變速器的輸入軸上 , 在離 合器的前端 , 因而轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速一致 。夾緊力 控制閥采用比例溢流閥 。 比例溢流閥根據(jù)輸入的電 流大小 , 調(diào)節(jié)油泵出口壓力 , 即從動輪油缸的壓力 , 實現(xiàn)夾緊力的控制 。在 P 點 , 一路經(jīng)速比控制閥進 入主動輪油缸 。速比控制閥采用電磁換向閥 , 電磁 換向閥通過控制液壓油進入或流出主動輪油缸 , 控 5832003年 (第 25

13、卷 第 4期 汽 車 工 程制主動輪可動帶輪的軸向運動 , 實現(xiàn)速比的控制 。 1 汽車 T 電液控制系統(tǒng) 4 控制器設(shè)計411控制閥的工作特性在 液 壓 控 制 系 統(tǒng)中 , 經(jīng)常遇到的一種情 況是 , 在不同的工作條 件下 , 控制閥的特性有 很大的差異 , 而控制閥制 效 果 影 此 , 特性 , 有針對性的設(shè)計控制算法 。在 CV T 液壓控 制系統(tǒng)中 , 夾緊力控制閥和速比控制閥是控制對象 , 必須對其特性進行試驗分析 。 夾緊力控制閥和速比 控制閥的特性如圖 2所示 。圖 2 控制閥穩(wěn)態(tài)輸出壓力與輸入的關(guān)系 由圖 2(a 中可見 , 對于夾緊力控制閥而言 , 其 輸出壓力與輸入信號

14、的占空比和發(fā)動機的輸入轉(zhuǎn)速 有很大關(guān)系 。 在同一轉(zhuǎn)速下 , 隨著輸入信號的占空 比增加 , 控制閥的調(diào)節(jié)壓力在一定范圍內(nèi)線性變化 ; 當(dāng)占空比低于某一值時 , 由于控制閥存在死區(qū) , 不能 調(diào)節(jié)壓力 ; 當(dāng)高于某一值時 , 控制閥的調(diào)節(jié)能力達到 飽和 , 也不起作用 。 在同一占空比時 , 隨著發(fā)動機轉(zhuǎn) 速變化 , 控制閥的調(diào)節(jié)壓力也有很大的變化 , 這是由 于比例控制閥的自身工作特性引起的 5 。另外 , 由 于變速器為定量泵 , 隨著發(fā)動機的轉(zhuǎn)速變化 , 油泵的 流量發(fā)生變化 , 因而引起電磁閥的壓力調(diào)節(jié)范圍發(fā) 生變化 。 因此 , 在不同的轉(zhuǎn)速下 , 夾緊力控制閥的可 控占空比是不同的

15、 。 這說明油泵排量和控制閥的特 性是影響 CV T 液壓控制系統(tǒng)性能的重要因素 。速比控制閥的工作特性與開關(guān)頻率和 PWM 調(diào) 制信號的占空比有關(guān) 。 由于普通電磁換向閥在實施 PWM 壓力控制時 , 不能響應(yīng)高頻低占空比 , 且對于不同的開關(guān)頻率 , 閥的有效占空比范圍不相同 。為了減少系統(tǒng)的壓力脈動 , 開關(guān)頻率越高越好 。但頻率越高 , 有效占空比范圍也越小 。 因此 , 閥的開關(guān)頻 率不可能太高 。圖 2(b 為電磁換向閥在某一開關(guān) 頻率時 , 它的輸出壓力與 PWM 信號占空比的關(guān)系 , 由圖中可見 , 它的工作區(qū)間在 01 16之間 。 412 , 信號的占空比有很 , 夾緊力控

16、制閥和速 , 因此 可以把控制閥抽象為一個飽和環(huán)節(jié) 。在實際應(yīng)用中 , 經(jīng)常采用的控制器一般是 PID 控制器 。 而具有積分作用的控制器與具有飽和特性 的執(zhí)行機構(gòu)組合起來會產(chǎn)生不良的影響 6,7。這是 由于飽和環(huán)節(jié)會使系統(tǒng)不穩(wěn)定 , 需要很長的時間才 能使系統(tǒng)輸出達到目標值 , 這種作用稱為積分器回 繞 (或積分器作用終止 。 由于控制閥存在著這種特 性 , 所以必須采取措施防止積分器回繞 , 即必須使夾 緊力控制閥始終在可能范圍內(nèi)工作 。 這樣顯然不能 用常規(guī)的控制方法來解決 。在控制系統(tǒng)的設(shè)計中 , 防止積分器回繞作用的方法很多 , 現(xiàn)以夾緊力控制 系統(tǒng)為例進行說明 。圖 3 具有防止積

17、分回繞的 PID 控制器 采用的抗回繞 PID 控制器如圖 3所示 ?？刂破鳒y量執(zhí)行機構(gòu)模型的輸出并形成一個誤差信號 e s (e s 是執(zhí)行機構(gòu)的輸出 c 和控制器輸出 v 之間的 差 , 并把這個誤差通過增益 1/T t 反饋到積分器 。 當(dāng) 執(zhí)行機構(gòu)沒飽和時誤差信號 e s 為零 ; 當(dāng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)飽 和時附加反饋通道 , 試圖使誤差信號等于零 。 這意味 著積分器復(fù)位 , 使控制器輸出處在飽和極限 。 于是積 分器以時間常數(shù) T t (稱為跟蹤時間常數(shù) 復(fù)位到一 個適當(dāng)?shù)闹?。 執(zhí)行機構(gòu)的模型是預(yù)先通過試驗確定 的 , 它的輸出可近似看作實際執(zhí)行機構(gòu)輸出的值 。 為了減少系統(tǒng)的超調(diào) , 加

18、入一個前饋通道 。前饋通 道的加入能使控制器的初始輸出很大 , 且能減少積 分環(huán)節(jié)的影響 , 使系統(tǒng)的響應(yīng)加快 。只有當(dāng)誤差把 683 汽 車 工 程 2003年 (第 25卷 第 4期控制器的輸出控制在飽和非線性元件的線性區(qū)間內(nèi)時 , 積分器才起作用 。 這樣控制器輸出的描述為 :c =c minv min e <0Pe + Ie |i 1c 1=min -f +De +f v c min e 0Pe + Ie |i 1c 1=c max-f +De +fv c max e 0cmaxv max(1式中 p 為比例系數(shù) ; I 為積分系數(shù) ; D 為微分系數(shù) ; e為偏差 ; v 為控

19、制器輸出 ; c i 1c 1 為積分器的初始值 ; f 。圖 4 夾緊力控制系統(tǒng) 夾緊力控制系統(tǒng)框圖如圖 4所示 。 由于夾緊力控制閥有效 PWM 信號的占空比在不同的轉(zhuǎn)速下有 差異 , 所以可以把對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速下的有效占空比作 成一個數(shù)表 , 這樣在不同的轉(zhuǎn)速下可以通過插值確 定飽和極限的占空比 。 因此針對夾緊力控制系統(tǒng)設(shè) 計的抗回繞 PID 控制器的實際輸入有三個 :系統(tǒng)設(shè) 定的目標值 、 夾緊力控制閥的輸出反饋值和當(dāng)前系 統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)速 。 控制器首先根據(jù)輸入轉(zhuǎn)速確定該轉(zhuǎn) 速下夾緊力控制閥的飽和區(qū)間的極限值 , 然后根據(jù) 目標值與系統(tǒng)反饋的偏差進行控制 。 速比控制閥與夾緊力控制閥有相似

20、的特性 , 所 以也可以設(shè)計基于壓力反饋的速比控制系統(tǒng) , 設(shè)計 抗回繞 PID 控制器 。由于液壓控制系統(tǒng)對速比采 用的是力 2位置控制方案 , 因此直接以當(dāng)前速比作為 反饋 , 由此建立的速比控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 5所示 。 速比控制的目的是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定值的變化 , 通過調(diào) 節(jié)主動帶輪油缸內(nèi)的壓力來實現(xiàn)系統(tǒng)的實際速比對目標速比 i 3cvt 的跟隨 。目標值根據(jù)當(dāng)前的工況確 定 。 系統(tǒng)測量得到的當(dāng)前速比經(jīng)濾波后 , 與目標圖 5 速比模糊控制系統(tǒng)值形成偏差 。偏差經(jīng)過 PID 控制器的處理 , 輸出到。速, 調(diào)節(jié)主動帶輪油缸 實現(xiàn)主動帶輪的軸向移動 , 從而實現(xiàn)速比 的變化 。5 試驗分析

21、為了驗證 CV T 電液控制系統(tǒng)和所設(shè)計的控制 器 , 把整個控制系統(tǒng)移植到汽車上 , 控制器的參數(shù)通 過試驗進行了調(diào)整 。 汽車加速過程的結(jié)果如圖 6所示 。圖 6 汽車加速進程試驗結(jié)果在 t 1時刻 , 汽車在一定節(jié)氣門開度輸入下加 速 。 控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的節(jié)氣門開度和車速 , 確定 目標夾緊力和目標速比 。 目標值分別輸入到夾緊力 控制系統(tǒng)和速比控制系統(tǒng) 。 夾緊力控制系統(tǒng)和速比 控制系統(tǒng)分別根據(jù)實際夾緊力和速比反饋測量值與 目標值的偏差 , 輸出信號到夾緊力控制閥和速比控 制閥 , 控制主 、 從動輪缸的壓力變化 , 使實際速比向目標速比變化 , 汽車速度增加 。從各參數(shù)的變化過 程

22、可以看出 , 實際速比能夠很好地跟隨目標速比變783 2003年 (第 25卷 第 4期 汽 車 工 程化 , 在達到穩(wěn)態(tài)時 , 實際速比和夾緊力能夠穩(wěn)定在相應(yīng)的目標值附近 。試驗結(jié)果表明 , 控制系統(tǒng)能夠按 照行駛工況的要求調(diào)節(jié)速比 , 能夠滿足實際需要 。 6 結(jié)束語在分 析 電 液 控 制 系 統(tǒng) 功 能 的 基 礎(chǔ) 上 , 針 對EQ6480汽車 CV T 設(shè)計了電液控制系統(tǒng) 。由于系 統(tǒng)采用定量油泵供油 , 主 、 從控制方式 , ; 作特性 。 PID 。 , 所設(shè)計的電 -液控制系統(tǒng)能夠滿足無級變速器的控制要求 。 試驗 過程和控制結(jié)果基本上反映了金屬帶式無級變速器電 -液控制系

23、統(tǒng)的主要特征 , 這為自主開發(fā)金屬帶 式無級變速器提供了理論和試驗依據(jù) , 為進一步開 發(fā) CV T 的電控系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ) 。參考文獻1 周云山 , . . 北京 :北京理工,19992 等 . -液控制系統(tǒng)的研究 . (53 1van der Laan and Veldpaus F E 1Altemative Con 2Hydraulic CV T Control ,AV EC 98365454 Talcheol K im , Hyunsoo K im ,Jaeshin Y i and Heebock Cho 1RatioControl of Metal Belt CV T ,SAE

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25、/kW最大時速行駛里程氫源 戴 2克 N ECAR2/1996PEMFC 50110km/h 250km 壓縮氫氣 戴 2克 N ECAR4/1999PEMFC 70145km/h 450km 液態(tài)氫氣 通用 Precept FCEV/2000PEMFC 100193km/h 800km 金屬氫化物儲氫 戴 2克 Natrium/2001PEMFC 5480mph 483km 硼氫化鈉制氫 戴 2克 N ECAR5/2000PEMFC 75150km/h 450km 甲醇催化重整制氫 通用ChevyS -10/2001PEMFC2570mile/h525mile 汽油催化重整制氫參考文獻1 Cacciola G , Antonucci V