基于液压传动的无级自动变速器模型分析.pdf

2 0 1 3年 1 0月 第4 1 卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I C S Oc t ． 2 0 1 3 Vo 1 ． 41 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1～ 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 0 ． 0 3 3 基于液压传动的无级自动变速器模型分析 赵 家文 南京工业职业技术学院机械 工程学院，江苏南京 2 1 0 0 2 3 摘要汽车自动变速器逐步向多挡位方向发展，但挡位愈多，结构愈复杂，体积和质量也会增大；而传统无级变速器 工作时效率较低，传动功率较小，且控制系统较复杂，能耗较大。以变量泵与变量马达组成的容积调速回路为基础，建立 液压传动的无级自动变速器模型，可有效解决 自动变速器与传统无级变速器存在的问题 ，使变速器的调速特性与发动机特 性吻合，为汽车无级 自动变速提供一种有效的解决方案。 ． 关键词无级自动变速器；液压传动；容积调速回路 中图分类号 1 3 7 ． 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 01 0 33 M o de l Ana l y s i s f o r S t e pl e s s Aut o ma t i c Tr a ns mi s s i o n Ba s e d o n Hy dr a u l i c Te c hn o l o g y Z HA0 J i a we n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，N a n j i n g I n s t i t u t e o f I n d u s t r y T e c h n o l o g y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 2 3 ，C h i n a A b s t r a c t A u t o mo t i v e a u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n A Ti s d e v e l o p e d g r a d u a l l y t o mu l t i s t al l d i r e c t i o n ， b u t i t l e a d s t o mo r e c o m p l e x s t r u c t u r e，mo r e b i g g e r v o l u me a n d we i g h t ．I n a d d i t i o n ，CV T wo r k s wi t h s ma l l p o we r ，l e s s t r a n s mi s s i o n p o we r ，mo r e c o mp l e x c o n t r o l s y s t e m a n d l a r g e e n e r g y c o n s u mp t i o n ．Ba s e d o n v o l u me s p e e d c o n t r o l l o o p c o mp o s e d w i t h v a r i a b l e p u mp a n d v a r i a b l e mo t o r ，t h e h y d r a u l i c s t e p l e s s a u t o ma t i c t r a n s mi s s i o n mo d e l wa s e s t a b l i s h e d ，S O t h e p r o b l e ms o f AT a n d C VT c o u l d b e e f f e c t i v e l y s o l v e d，t h e t r a n s mi s s i o n s p e e d r e g u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s me t wi t h e n g i n e c h a r a c t e r i s t i c s ．I t p r o v i d e s a n e f f e c t i v e s o l u t i o n f o r a u t o mo t i v e a u t o ma t i c t r a n s mi s s i on． Ke y wo r d s S t e p l e s s a u t o ma t i c t r a n s mi s s i o n ；Hy d r a u l i c t r a n s mi s s i o n；Vo l u me s p e e d c o n t r o l l o o p 变速器是汽车 的重要组成部分 ，通过变速器 ，可 以实现汽车运动方 向和速度 的控制 。 目前汽车上使用 的变速器都是机械变速器，其中大部分为有级变速 器 ，在发动机转速一定 时 ，有级 变速器 只有有 限的几 个定值传动 比供选择 ，例如5个前进挡和一个倒车 挡 。 变速器可 分为 2大类 手 动变 速器 和 自动变 速 器。手动变速器换挡靠人工操作 ，自动变速器换挡依 赖于液压 和 电子 系统 控 制 ，它是 汽 车发 展 的一个 方 向。 目前 ，汽车 自动变速 器逐步 向多 挡位方 向发展 ， 已出现6挡甚至 8挡自动变速器。挡位多使变速器具 有更 大的速 比范 围和更 细密的挡位速 比分配 ，从而可 以改善汽车的动力性、燃油经济性和换挡平顺性；但 挡位 愈多 ，变速器结构愈复杂 ，执行元件和齿轮数 目 会随之增加，不但成本提高，体积和质量也随之增 大 ，对于前轮驱动的汽车而言还会加大动力传动系统 布置 的难度 。 为了解决多挡位带来的结构上的问题，汽车传动 系统 中出现 了无 级变 速器 C V T 。无级 变速器是 在 一 定的传动 比范围内，有无数多个传动比可供选择， 其换挡性 能 、舒适性能和安全性能更好 。目前 ，汽 车 无级变速器多采用金属带和摩擦轮来实现变速，它仍 属机械变速器，控制则采用液压电子技术。这种控制 技术成熟 ，但系统较复杂 ，且能耗较 大 ，影 响了装备 无级变速器车辆的经济性 ，工作效率较低，传动功率 较小 。 1 容积调速回路及调速特性 在液压传动中，有许多回路可用于调速，其中双 向变量泵和双 向变量马达组成的容积调 速回路具有 良 好 的调速性能 。回路 的组成见 图 1 ，它包括 主回路 和 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 2 8 基金项目江苏省精密制造工程技术研究开发中心开放基金项目 Z K 1 1 0 1 0 5 作者简介赵家文 1 9 5 6 一 ，男 ，学士，副教授，主要从事液压传动技术方面的科研和教学工作。E ma i l z h a o j w 3 0 3 0 1 6 3．e o m。 1 0 4 机床与液压 第4 1 卷 补油 回路 。 主回路是双向变量泵和双向变量马达组成的闭式 回路 ，溢流阀 3作为安全阀 ，通过单 向阀 7或 8保证 始终与泵的出 口相连 ，从而在双向变量泵 的两个方向 都能起过载保护作用 。补油 回路用于补充 主回路 的泄 漏 ，由单 向定量 泵 4与溢流 阀 5组成 ，单 向阀 6与 9 保证始终 通过泵 的进 15补油 。 。 图1 容积调速回路 由于补油 回路 的存在 ，在分析 调速特性 时可不 考虑主 回路 的泄漏 ，因此可 以认 为泵 的输 出流量 g 等于马达的输入流量 g ，并可得到变量马达 的转速 M 1 式 中 。， 为泵的排量 ； 为马达的排量 ； n 为泵 的转速 。 调节变量泵的排量 或变量马达的排量 ，都 可改变马达的转速 n 。 同理 ，在不考虑泄漏的情况下 ，马达 的输入功率 P 等于泵的输出功率 P PMP P p P。 g P p P t2 P 2 在 不考虑 马达容积损失和机械损失 的情况下 ，其 输出功率2 r r n T 应等于输入功率P g 3 2 一 r rnM 一2 ,r r 系统工 作 时 ，先 将 变量 马达 的排 量 调 为 最 大 ，变量泵 的排量 调为最小 ，此 时马达的转速 n 最低 。保持 不变 ，逐渐将泵 的排量 调大 ，马达 转速 n 随之升高，其输出功率 P 亦线性增加，当 调至最大时，输出功率 P 亦达到最大。在此过程 中马达的输出转矩 保持不变且为最大，马达工作 在恒转矩状态 。若要将马达 的转速进一步提高 ，则可 保持 l ， P 最 大且不变 ，将马达的排量 由最 大逐步调 小 ，马达转速 n 进一步升高 ，此时其输 出转矩 随 之降低，而输出功率 P 保持最大不变 ，此时马达工 作在恒功率状态 。调速特性曲线见 图 2 。 图2 容积调速回路调速特性 2 液压传动无级 自动变速器模型的建立 汽车发动机工作时，在低速情况下要求输出较大 的转矩，高速时则要求输出较大的功率 ，见图3 。 P 丁 图3 发动机的外特性曲线 比较 图 2和图 3 可知 ，变量泵和变量 马达组成 的 容积调速回路 的调速特性 与发动机 的性能 基本 吻合 在低速段实 现恒转 矩调 速 ，在 高速段 实 现恒 功率 调 速 。因此可以此为基础 ，建立液压传动无级 自动变速 器模型 。 无级 自动变速器模型包括 自动变速模块 和控制模 块 ，见 图4 。 l 一双 向变量 泵2 一 双 向变 量 马达卜 减 压 阀 单 向定 量泵 5 _ _ 限压 阀6 、7、8 、9 _ _ 单 向阙l O 、l 】 一 电液 伺服 机 构 图4 液压无级 自动变速器模型 自动变速模块 以传统双 向变量泵 和变量马达组成 阀 向 泵马 单 量量 一 阔泵阀 向 向 全 油 压 双双安补限 2 卜 卜 卜 ．L 控制 模 块 一 自 动 调 速 模 块 第 2 0期 赵家文 基于液压传动的无级 自动变速器模型分析 1 0 5 的容积调速 回路为核心 ，由阀控式电液伺 服机构分别 调节变量泵和变量马达的排量 ，液压泵泵轴为无级 自 动变速器的输入端 ，液压马达轴为无级 自动变速器的 输出端。根据式 1 可得无级 自动变速器输出转速 n 。 与输入转速 n ； 的关系 。 v p n 4 。 i 斗 式 中v p 为泵 的排量 ， 一 ≤ ≤ ； 为马达 的排量 ， ≤ ≤ 一。 双 向变量泵的调节范 围为正 向最大排量至反 向最 大排量 ；双 向变量马达 的转 向取决于双 向变量泵 的油 液输 出方 向 ，所 以其排量调节范 围为 同向最小排量至 最 大排量。 双向变量泵的动力来 自于发动机 ，所 以无 级 自动 变速器的输入转速 n 和方向均取决于发动机。无级 自动变速器输出转速 。 则取决于双向变量泵排量 及双向变量马达排量 ，当改变 或 ，或同时改 变二者时 ，输出转速 n 随之改变，从而实现汽车的 无级调速 。而无级 自动变速器输 出转 向则取决于变量 泵偏心的方向，当通过阀控式电液伺服机构改变双向 变量 泵偏 心的方向从而改变油液输出方 向时 ，双向变 量马达的转 向以及 由此决定的无级 自动变速器输出转 向随之改变，实现汽车的前进和倒车。 挡位控制器与传统 自动挡汽车类 同，包括 驻车 挡 、倒车挡、空挡和前进挡等。当其处于驻车挡时或 空挡 时 ，双向变量 泵排量 0 ，双 向变量 马达排 量 v MV M ，此时变速器输 出转速 n 。 0 ；当挡位控 制 器处 于倒 车 挡时 ，双 向变量 泵排 量 V p 一 ～ ，双 向变量 马达排 量在 和 i 之 间变化 ，此 时变 速 器 的输 出转 速 n ， 在反 向 n im i n 和 n im a x 之 问变化 ，使汽车 可 以在一定 速度 范围内进行倒 车 ；当挡位控制器处于 前进 挡时 ，双 向变量 泵 的排 量在 和 最大 之 间调节 ，双 向变量 马达 的排 量在 一和 之 间调 节 ，使变速 器 的输 出转 速 在 正 向 n ⋯ 和 n 之 间 变 化 ，满足汽 车前进 时的速度变化 。 单向定量泵除通过减压阀3和单向阀6和 7向主 回路补油外 ，还作 为电液伺服 阀的的动力源 。 控制模 块 的核 心为 电控 单元 E C U，其 输 入端 分 别与挡位控制器 、节气门传感器 、车速传感器 、发动 机转速传感器、水温传感器、液压油温度传感器和液 压油压力传感器相连 ，输出端分别控制双向变量泵 排量 调节装 置和双 向变量 马达排 量调节装 置。 节气门传感器将检测的节气门开度大小信号 、车 速传感器将检测的车速信号、挡位控制器将挡位信号 输入电控单元 E C U，计算 出汽车速度及车行方向所 对应的无级 自动变速器输出的转速大小和旋转方向， 经处理后通过阀控式电液伺服机构 自动调节双向变量 泵和双 向变量马达 的排量 以及双向变量泵油液 的输 出 方 向。 压力传感器用于检测双向变量泵的工作压力 ，当 负载引起液压系统工作压力变化时，压力传感器检测 的压力信号经电控单元处理后可根据控制策略分别或 同时调节双 向变量泵和双 向变量马达的排量 ，改变车 速以便与负载匹配。当工作压力因负载过大超过最高 限制压力时 ，可逐步减小双 向变量泵的排量 ，使变速 器输出转速减小直至r b 0 ，以保护液压系统的安 全 。 3结论 采用液压传动技术的无级 自动变 速器有 以下几个 特点 1 调速范围广 ，可 以实现无级调速 。 2 与传统的有级 自动变速器 A T 相 比，液 压传动无级 自动变速器体积小、质量轻 、噪声小，变 速 时不会 出现跳挡 、乱挡 、换挡冲击 等现象 。 3 与现有 无 级 自动变 速器 C V T 比较 ，液 压传动无级 自动变速器传动效率高，制造工艺相对简 单成熟 。 参考文献 【 1 】 盛英泰， 张蕾． 自动变速器技术的应用及其发展趋势 [ J ] ． 机电工程技术， 2 0 1 0 ， 3 9 ， 7 1 1 31 1 5 ． 【 2 】杨新桦， 蒋强， 程越， 等． 电机控制的金属带式无级变速 器速比变化特性的仿真研究 [ J ] ． 汽车工程， 2 0 1 2 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