CVT自动变速器电液控制系统设计Word文档格式.docx

CVT自动变速器电液控制系统设计Word文档格式.docx

《CVT自动变速器电液控制系统设计Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CVT自动变速器电液控制系统设计Word文档格式.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

金属带式无级变速器的核心元件是金属带组件。

金属带组件由两组9-12层的钢环组和350-400片左右的摩擦片组成，其中钢环组的材料、尤其是制造工艺是最难的，要实现强度高，各层带环之间“无间隙〞配合。

金属带式无级变速器的主、从动两对锥盘夹持金属带，靠摩擦力传递运动和转矩。

主、从动边的动锥盘的轴向移动，使金属带径向工作半径发生无级变化，从而实现传动比的无级变化，即无级变速。

金属带式无级变速器采用带锁止离合器的液力变矩器作为起步离合器使用，液压泵提供锥盘加压、传动与调速系统用高压油，高压油通过液压缸、活塞作用于主、从动两对锥盘，夹持金属带，产生摩擦力传递运动和转矩，后面是齿轮传动和差速器传动。

1.2金属带式无级变速传动的根本原理

金属带式CVT主要由金属传动带、油泵、工作轮、起步离合器、中间减速机构以及控制系统组成。

〔1〕金属传动带

金属传动带有两组金属环和多个金属片组成。

如图1－1所示，每个金属片的厚度为1.4mm，在两侧工作轮的挤压力作用下传递动力；

每组金属环由数条厚为0.18mm的环带叠合而成，金属环功用是提供预紧力，在动力传递过程中，约束和引导金属片的运动，有时承当局部转矩传递。

图1－1金属传动带的构造

1.金属片2.金属环

〔2〕油泵

为CVT传动系统提供控制、冷却和润滑的液压油源。

常用的液压油泵有齿轮泵和叶片泵。

为了提高液压油泵的工作效率，在最近开发的CVT传动器中采用滚子式叶片泵。

〔3〕工作轮

主从动轮由可动与不动的半锥轮组成。

如图2-2所示，其工作面大多为直线锥面体。

在液压控制系统作用下，依靠钢球—滑道构造作轴向移动，可连续的改变传动带轮工作半径，实现无级变速传动。

〔4〕起步离合器

目前，汽车起步离合器包括湿式多片离合器、电磁离和器和液力变矩器三种。

液力变矩器与CVT系统合理匹配，可使汽车以足够大的牵引力平顺的起步，提高驾驶舒适性。

当发动机转速高时，闭锁离合器将泵轮与涡轮锁住，成为整机传动，提高了传动效率。

但本钱较高，为降低本钱，研究人员一直在致力于引用电控技术，在电磁离合器或多片湿式离合器上实现液力变矩器的传递特性。

〔5〕中间减速机构

由于无级变速机构可提供的传动比〔即速比，输出带轮的工作半径与输入带轮工作半径之比〕范围为0.445～2.6左右,不能完全满足整车传动比变化范围的要求,因而设有中间减速机构。

〔6〕控制系统

控制系统是用来实现CVT系统传动速比无级自动变化的VDT—CVT控制系统，分机—液控制系统和电—液控制系统。

机液控制系统主要有油泵、液压调节阀〔速比和带与轮间压紧力的调节〕、传感器〔油门和发动机转速〕和主、从工作轮的液压缸及管道组成。

日本的本田公司开发的CVT中，采用是电—液控制系统，系统可以利用电子控制系统容易实现控制算法的优点，对系统进展准确的控制。

而采用液压执行机构可以利用液压系统翻印快的特点。

CVT初期产品多采用机—液控制系统，近期一般采用电—液控制系统，但电—液控制系统本钱高。

CVT的工作原理如图1－2所示。

传动器的主、被动轮由固定和可动的两局部组成，形成V型槽，与金属带啮合。

当输入工作带轮的可动局部沿轴向外移动，输出工作轮的可动局部沿轴向内移动，使得输入带轮工作半径变小，而输出带轮半径变大，输出与输入带轮的工作半径之比变大，即传动比变大，反之，传动比将变小，由于工作半径大小变化是连续的，所以称之为无级变速。

图1－2CVT工作原理图

由金属带的独特构造所决定，摩擦片的摆棱在两个锥盘的包角上是连续接触的。

因为摩擦片很薄，在带轮的包角局部摆棱的连线近似于圆弧。

根据金属带的运动状态，可将整条金属带划分为四个区段，即为主动轮包角ab、主动轮出口至从动轮入口的直线局部bc、从动轮包角cd、从动轮出口至主动轮入口的直线局部da。

摩擦片摆棱的线速度υb在主动轮包角ab和主动轮出口至从动轮入口的直线局部bc上是连续的，忽略摩擦片在主动轮上的滑动。

摩擦片摆棱的线速度υb可表示为υb＝ωAxR1＝ωBxR2

那么金属带传动的理论传动比i为i＝ωA/ωB＝R2/R1

式中ωA、ωB——主、从动带轮角速度〔rad/s〕；

R1、R2——主、从动带轮节圆半径〔mm〕。

当从动轮工作在最大节圆半径，主动轮工作在最小节圆半径时，传动比最大，为imax＝R2max/R1min。

当主动轮工作在最大节圆半径，从动轮工作在最小节圆半径时，传动比最小为imin＝R2min/R1max。

变速器的最大传动比imax和最小传动比imin之比定义为变速器的变速比Rb，也称为变速器的变速范围，即Rb＝imax/imin＝R2maxxR1max/R1minxR2min。

变速比Rb的大小取决于主、从带轮的最大工作半径和最小工作半径。

最大工作半径受两个带轮中心距的限制，最小工作半径受主、从带轮轴径的限制。

变速器增速与减速对称分布时，主、从动轮尺寸一样，变速比Rb为Rb＝〔R2max/R1min〕＝〔R1max/R2min〕。

在带轮轴径和中心距一定的情况下，增速与减速对称分布，可获得最大变速比。

金属带传动的传动比为i时，主、从动轮的节圆半径可由以下公式确定。

L=（R1+△h）αA+（R2+△h）αB+2Acosλ

sinλ=R2-R1/A

i=R2/R1

式中R1、R2——主、从动带轮节圆半径〔mm〕；

△h——摩擦片摆棱至鞍面的距离〔mm〕；

αA、αB——主、从动带轮包角；

L——金属带工作长度，取金属带金属环内环周长〔mm〕；

A——金属带传动中心距〔mm〕。

1.3金属带的受力分析

金属带传动于普通的橡胶带、混合带和链传动不同，它主要是通过金属片之间的推力与环的X力一起来传递转矩的。

由于存在初始间隙，在整个带长范围内，有的区域金属片之间有推力的存在，而有的区域，金属片之间那么没有推力存在。

图1－3所示为在低档下，当传递较大转矩时，金属片在整个带长范围内的分布。

图1－3金属带传动示意图

在主动带轮入口之前（B区），金属片之间有间隙存在；

当金属片运转到主动带轮上时〔P区〕，由推力的作用导致金属片相互挤压。

在主动带轮出口到从动带轮的入口处〔A区〕，金属片被挤压在一起；

在从动带轮的入口到出口处，金属片间的压力逐渐减小，直至消失〔S区〕。

在传递转矩的过程中，由于金属片与带轮之间，金属片与金属环之间以及内层和外层的金属环之间都存在相对滑动,因此金属带的受力非常复杂。

为便于分析，作如下假设：

1、带轮与金属片之间、金属环与金属片之间以及金属环之间的摩擦系数为常数。

2、由于金属片的横向刚度高，金属带在带轮的圆形轨道上运行，沿带轮包角圆弧的中心与带轮中心重合。

3、由于单个金属片的厚度为1.4mm，这与带轮包角上金属带的总长度相比很小，因此可以把金属片之间相互作用的挤压力视为是连续的。

4、把金属带中叠置在一起的金属环近似看作一条钢带，不考虑各层金属环之间的摩擦，它所受的周向X力沿带轮包角上的分布满足欧拉公式。

5、在速比变化过程中，不考虑两带轮上金属带的中心线的偏差。

6、设带轮为刚体，不考虑带轮的变形。

为以下计算分析的需要，把金属带整个周长划分为四个区间，并建立坐标系。

主动带轮以带轮入口处为坐标起点，方向与带轮转动方向一样；

从动带轮以带轮入口为坐标起点，方向与带轮转动方向一样。

金属带在主动带轮包角范围内为P区；

主动带轮的出口到从动带轮的入口之间为A区；

金属带在从动带轮包角范围内为S区；

从动带轮的出口到主动带轮的入口之间的直线局部为B区。

下面以传动比i〉1时进展分析。

图1－4金属环的受力分析

如图1－4所示，在带轮包角上任取金属环上的微小单元dθ,受力分析如下：

X方向：

〔1-3-1〕

Y方向：

〔1-3-2〕

式中：

μl——金属环与金属片之间的摩擦系数；

dP——单位金属环上，金属片对金属环的作用力；

Cr——金属环的离心力

由〔1-3-1〕、〔1-3-2〕式，得金属环X力T的微分方程，

〔1-3-3〕

对〔1-3-3〕式积分，可以得到沿带轮包角任意位置金属环X力T（θ）的表达式，

〔1-3-4〕

式中，C——积分常数

带入边界条件，可得金属环在带轮上的X力分布方程。

对主动带轮，当θ=0时，T（0）=Ta〔1-3-5〕

所以在主动带轮上，沿带轮包角金属环的X力分布方程,

〔1-3-6〕

在从动带轮上，沿带轮包角金属环的X力分布方程，

〔1-3-7〕

式中Ta——A区金属环的X力；

θP、θS——在主、从带轮上的坐标；

φP、φS——金属带在主、从动带轮上的包角。

μlP、μlS——主、从动带轮上金属环与金属片间的摩擦系数

由于金属环的X力在整个包角范围内是连续变化的，所以金属环在主动带

轮出口处的X力与从动带轮入口处的X力相等，由式〔1-3-6〕和式〔1-3-7〕，

可以确定上述假设成立应满足的条件，

〔1-3-8〕

由假设可知在带轮包角上，金属片所受的推力Q是连续的，如果对带轮包角上处于动弧上任意位置金属片取微小的单元dθ，如图1－5所示，那么金属片的受力分析如下：

〔1-3-9〕

〔1-3-10〕

式中dN——单位金属片上，带轮对金属片的作用力，dN=N⋅rdθ；

μ——金属片与带轮之间的摩擦系数；

γ——摩擦角；

Ce——金属片的离心力；

图1－5金属片的受力分析

由式〔1-3-1〕、〔1-3-2〕、〔1-3-9〕、〔1-3-10〕可得沿带轮包角金属片推力Q的微分方程

（1-3-11）

式中，

〔1-3-12〕

当量摩擦系数μ′表示金属带与带轮接触点处切向摩擦力与径向摩擦力之比时，它是摩擦角γ的函数。

定传动比时金属带没有径向运动，那么式〔1-3-12〕可以简化为，

〔1-3-13〕

这与普通三角带的切向摩擦系数是一致的。

假设忽略金属带运动过程中产生的离心力的影响，那么式〔1-3-11〕可简化为，

〔1-3-14〕

对式〔1-3-14〕积分，并代入边界条件，分别得到金属片的压力在主、从带轮包角上的分布方程。

在主动带轮上金属片的推力分布方程，

〔1-3-15〕

在从动带轮上金属片的推力分布方程，

〔1-3-16〕

式中，μ′P、μ′S——主、从动带轮上金属片与带轮间的当量摩擦系数。

由图可以确定，在主动带轮的出口处与从动带轮的入口处，金属片的夹紧力相等Q=Q0。

由式〔1-3-15〕，当θ=φP时，

〔1-3-17〕

由式〔1-3-16〕，当θ=βS时，

〔1-3-18〕

所以，由式〔1-3-17〕与式〔2-2-18〕相等，由此得到

〔1-3-19〕

从式〔1-3-19〕可以看出，主、从动带轮上的的动弧βP、βS之间不是独立的，βP随βS变化。

当传递的转矩渐渐增大时，在主从动带轮上，金属带的动弧也随之增大。

所以可以认为βS是βP的函数，满足式〔1-3-19〕。

根据以上分析，可以确定在不同传动比时，金属环X力和金属片推力方程。

由此可以确定在整个带长范围内的金属带的力分布。

在一样条件下：

转矩比〔或称输入转矩比，是带轮在一定条件下，即传动比和主、从动带轮的间夹紧力保持不变时，把输入的转矩TP与该条件下传递的极限转矩TPM的比值定义为转矩比τ〕τ=0.5，金属环最大X力为T=1000N,μ=μl=0.1时，进展了计算。

计算结果如图1－6所示。

图中所示为计算得到的金属环的X力和金属片的推力的比拟图。

纵坐标显示金属环X力和金属片推力的数值大小；

横坐标表示金属带沿整个带长的分布。

图1－6金属片的推力和金属环的X力分布

由图中可见，在一样条件下，在传动比不同时，金属片的推力、金属环X力的大小以及在整个带长范围内的分布是不同的，且相差很大。

根据图1－5所示的计算结果，当传动比i≥1时，金属环X力的分布形式与普通平带在传递动力时一样，在主动带轮上，从入口到出口渐渐减小，在从动带轮上那么是从入口到出口逐渐增加。

然而，在i=0.5时，在主动带轮上X力从入口到出口逐渐增大，而在从动带轮上，X力从入口到出口那么逐渐减小。

这是由于金属带的特殊构造造成的。

如图1－1所示，金属环与金属片的节圆半径之间相差dr。

由于存在偏差，在小半径带轮上，金属环的速度比金属片的速度低，在小半径带轮上金属片推动金属环。

由金属环的X力分布方程〔1-3-6〕、〔1-3-7〕可见，在一定速比条件下，金属环的X力大小与分布形式和输入转矩无关。

在主动带轮上，金属环传递的转矩Tring

大小如下，

〔1-3-20〕

当无级变速传动处于低档i≥1.0时，由于作用在B区的金属环X力Tb大于在A区的金属环X力Ta，所以在主动带轮上，金属环从入口到出口传递正的转矩，即Tring≥0，说明金属环的X力有助于转矩的传递，他承受的转矩的大小为Tring。

由式〔1-3-15〕和〔1-3-16〕可见，在一定速比条件下，金属片的推力大小与输入转矩有关。

金属环的X力承受的转矩的大小是不变的，因此当输入转矩大于或者小于金属环转矩时，必将引起金属片推力分布形式的变化。

在其他条件不变的情况下，当输入转矩比τ不同时，金属环的X力与金属片的推力在带长范围内的分布如图2.7所示。

图1－7低档时金属片推力与金属环X力分布

由图中可以看出，当输入转矩不同时，金属片的推力大小与分布形式发生很大的变化。

当转矩比τ=0.7时，输入转矩大于金属环传递的转矩，即Tin≥Tring，那么作用在金属片上的推力为，Q=（Tin−Tring）/rP≥0，且金属片之间的推力作用在带轮的上面Qa。

如果输入的转矩小于金属环传递的转矩Tin≤Tring时，作用在金属环上的推力为Q=（Tin−Tring）/rl≤0，这说明在主动带轮上，不是在出口侧，而是在入口侧存在金属片间的推力Qb。

也就是说，当传动比i>

1,当Tin<

Tring时，金属片受到金属环向后的摩擦力，在入口处，金属片之间有（Tin/rP−T0）的压力存在。

其结果，处于主动带轮出口到从动带轮入口之间的金属片有间隙存在。

而处于从动带轮出口到主动带轮入口之间的金属片有压力存在，压力大小为Qb。

在低档〔i>

1.0〕时，金属带的受力分布如图1－8所示。

图1－8金属带的受力分布〔i>

1.0〕

在高档〔i<

1.0〕时，由于从动带轮侧成为小半径带轮，金属环的X力在从动带轮上满足欧拉分布。

作用在B区的金属环X力Tb小于在A区的金属环X力Ta。

在主动带轮上金属环从入口到出口传递负的转矩Tring<

0，说明金属环的X力阻碍金属带转矩的传递。

这说明在传递转矩的过程中，金属片的推力首先克制金属环的X力，才能传递转矩，由于金属环的X力而产生的金属片的推力作用在带轮上面，大小为Tring<

rP。

当输入转矩时，金属片传递的转矩应当为输入转矩Tin与金属环X力传递转矩Tring之和，金属片的推力为Qa=（Tin+Tring）/rP，且作用在带轮的上侧。

因此在高档时，虽然传递的转矩Tin>

0，但金属环X力传递的转矩始终为负，金属片推力首先克制金属环的X力产生的转矩，才能够传递转矩，且作用在带轮的上侧。

随着输入转矩的增大，金属片的推力的大小发生变化，但始终作用在带轮的上侧，如图1－9所示。

因此，在高档传递转矩时，金属带的受力分布只有一种形式，如图1－10。

图1－9高档时金属片推力与金属环X力分布

图1－10金属带受力分布〔i<

第二章金属带式无级变速器电液控制系统分析

2.1CVT液压控制系统方案讨论

—液控制系统特点

CVT控制有机液控制和电液控制两种方案。

通过驾驶员控制加速踏板的位移大小，来改变发动机节气门开度，汽车的行驶状态由驾驶员来控制。

汽车加速踏板的位移固定在控制凸轮的形状上。

当汽车起步时,控制凸轮绕固定的支点转动，驱动速比控制杠杆绕可动支点转动，通过传动杠杆使速比阀移动。

主动缸与回油路相通，主动轮的可动局部与固定局部的距离增大，可使金属带沿带轮外表滑动至最大速比处，以获得最大的起步加速度。

在变速过程中随着速比的不断增大，反应杠杆绕固定支点摆动，压缩夹紧力控制阀的弹簧使被动缸的油压增加。

同时传动杆的水平移动使速比控制杠杆向起步时相反的方向转动，速比控制阀的输入位移减小。

随着发动机转速升高，在离心力作用下插在主动轮U形槽中的皮托管压力升高。

由皮托管感应的压力分成两路：

一路引入到速比阀的右端，克制速比阀弹簧的X力，又使阀芯向右移动，逐渐增加主动缸的压力。

这样一来，主动轮随着发动机转速升高右移，速比减小。

而另一路皮托管的压力引入到夹紧力控制阀的右端，迫使夹紧力控制阀芯向左移动，被动缸的油压随发动机转速升高逐渐降低。

通过与油泵出口相连接的压力阀调节系统的主压力，它直接作用在从动轮油缸内，在一定速比下它的大小决定着金属带的转矩传递能力。

机液控制系统可用较少的液压阀就可实现系统的速比及压力控制。

，但存在如下的问题：

不能对主、从动油缸的压力进展独立的控制，它仅能根据固定的变化关系控制，控制策略单一，不能满足不同行驶工况的要求，因此很难实现夹紧力和速比的任意控制；

CVT液压控制系统的工作压力高，不能实现速比和夹紧力的准确控制，造成系统的液压损失增大；

控制系统的可移植性差，一种控制系统只能针对一种车型，不能适用别的车型，只要传动系和汽车参数变化，都必须改变控制系统的构造尺寸。

—液控制系统

采用电液控制系统可以克制机液控制系统的缺陷，如主、从动带轮的油缸压力可以独立控制，从而可能使传动器按驾驶员选定的工作模式到达最正确匹配。

利用准确测量的发动机与从动轮的转速信号，可实现对CVT传动器速比和夹紧力的准确控制。

通过增加工作模式选择开关，使汽车在不同的行驶条件下把经济性和动力性发挥到最正确状态。

所以电液控制系统在经济性、动力性、舒适性和操纵性等方面都得到了明显的改善。

在无级变速电液控制系统中，包含一系列执行机构和起辅助作用的液压阀，根据功能可以划分为三个子系统：

离合器控制系统，夹紧力控制系统和速比控制系统。

在对液压系统特性进展理论分析时，将液压系统简化为一些根本的液压元件。

为便于对CVT的液压系统的特性进展分析，本文做如下简化：

1、起步合器只是在汽车低速起步时结合，此时无级变速系统保持最大速比，还没有进展变速，所以不考虑离合器控制阀对变速系统的影响；

2、只考虑起直接作用的电磁阀，忽略其它起辅助作用的阀；

3、不计系统管路弯曲和接头处的局部损失。

由此，典型的CVT液压系统可以简化为如图2－1所示。

在液压系统图中，油泵出口的压力由夹紧力控制阀调节，直接作用于从动轮油缸。

另一路经速比阀的调节进入到主动轮油缸，实现速比的变化。

所以液压控制系统可以相应的分为夹紧力控制系统和速比控制系统。

在CVT电液控制系统中，控制阀由电磁铁操纵，实现压力和流量的调节。

在离合器结合后，系统进入变速过程。

在变速过程中，夹紧力控制阀和速比控制阀根据控制单元的指令开场工作。

在液压系统的建模过程中，将其看作是一个分布参数系统。

一般来说，系统中的夹紧力控制阀是溢流阀，而速比控制阀是方向控制阀〔流量控制阀〕。

速比控制阀的出口压力与流量是通过控制节流口的面积来实现的。

图2－1CVT电液控制系统

2.2CVT传动控制系统

在无级变速控制系统中，系统的主压力由与油泵出口相连的夹紧力控制阀节，它直接作用在从动轮油缸内。

在一定速比下，它的大小决定着金属带转矩传递的能力。

由于夹紧力控制阀直接关系到系统的传递效率和转矩的平安传递，因此必须实现对系统夹紧力的准确控制。

CVT的夹紧力控制是被动缸压力的控制，由油门开度和行驶模式确定发动机的输出转矩，将理想夹紧力与实际夹紧力之差输入控制器，控制夹紧力控制阀〔比例溢流阀〕，如图2－2所示。

图2－2夹紧力控制

CVT传动中夹紧力控制决定系统的传递效率、零部件的寿命。

如夹紧力过小，金属带在带轮上打滑，这不仅降低传了动效率，还加快金属带与轮的磨损，缩短了带与带轮的使用寿命。

金属带与带轮的径向接触有一宽度，而夹紧力大小按节圆半径计算，传动过程中，除节圆层外，带与轮之间必然存在滑动，故夹紧力过大也将增加不必要的摩擦损失，降低传递效率。

同时还会导致金属带X力过大，缩短带的使用寿命。

由于金属带的长度为一定值，夹紧力控制和速比控制是相互耦合的，即夹紧力的变化必然要引起速比的变化。

无级变速器的速比特性如图2－3所示，其工作范围是由直线I、II、III、IV所包围的区域。

在这个区域内可实现速比的连续变化，根据油门的开度和汽车的行驶阻力自动到达最正确匹配。

当发动机在某一给定油门下工作时，可以通过调节无级变速器的速比使发动机以最低油耗点或最大功率点的转速工作。

无级变速系统中相应地存在两种控制模式——经济控制模式和动力控制模式。

图2－3速比变化图

为获得期望的速比变化率，采用如下的控制策略：

式中：

Np——主动轮转速，离合器完全结合以后，Np=ne〔r/pm〕；

Ki——速比影响系数；

P*p——理想主动缸平衡压力〔MPa〕；

Pp——主动缸实际工作压力〔MPa〕。

速比控制采用脉宽调制控制换向阀，控制器的输入为实际速比与目标速比的偏差及偏差变化率，策略图如图2－4所示

图2－4速比控制策略

将油门开度和车速输入发动机模型，根据所选的行驶模式，输出目标速比，实际速比为主从动轮转速之比，将目标速比和实际速比之差输入控制器控制器，输出为电磁阀控制电压。

第三章CVT电液控制系统设计

3.1CVT液压控制系统设计

C