混合动力变速箱液压系统设计与动态仿真.pdf

机械 设 计 与制造 l 1 6 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t ur e 第 8 期 2 0 1 1 年 8月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 8 一 O l 1 6 - 0 3 混合动力变速箱液压 系统设计与动态仿真 倪金 鹏 韩 兵 - 江苏大学 汽车与交通学院， 镇江 2 1 2 0 1 3 上海华普汽车有限公司， 上海 2 0 1 5 0 1 De s i g n an d d y n a mi c s i mu l a t i o n o f h y d r a u l i c s y s t e m o f t r an s mi s s i o n f o r h y b r i d p o we r NI J i n - p e n g |- ． HAN B i n g ’ 。 S c h o o l o f A u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a S h a n g h a i Ma p l e Au t o mo b i l e Co ． ， L t d ， S h a n g h a i 2 0 1 5 0 1 ， C h i n a 【 摘要】 针对某款混合动力汽车变速箱设计出一个液压系统。以液压系统功能要求作为依据， 经理论计算得到各个阀体的参数。 根据液压系统设计方案原理图， 采用模块化思想在仿真软件 I T I S i m u l a t i o n X环境下建立液压 系统的动 态仿真模型， 并对每个阀体元件进行 了动态性能仿真。通过仿 真， 验证 了理论计算的正确性 ； 同时对液压 系统的供油调压和流量控制 系统 、 制动器元件操控 系统、 冷 却和润滑系统的压力和流量进行 了动态分析。研究方法与结果可应用于混合动力汽车变速箱液压 系 统 的设计 。 关键词 混合动力汽车变速箱； 液压系统； 动态仿真 【 A b s t r a c t 】 e c ifi c t o t h e t r a n s m is s i o n s t r u c t u r e Q 厂 H y b r i d E le c t r i c V e h i c l e H E V ， a h y d r a u l ic s y s t e m W O o 3 d e s i g n e d ． I n t h e l i g h t off u n c t i o n al r e q u i r e m e n t s o ／ ’ h y d r a u l i c s y s t e m , p a r a me t e r s o f e a c h v a l v e c a n b e o b t a i n e d t h r o u g h t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n ． O n t h e b a s i s o f t h e d e s i g n s c h e m e ， h y d r a u l i c s y s t e m m o d e l c a r t b e s i m u l ate d i n t h e s q f t w are S i m u l a t i o n X b y a d o p t i n g m o d u l a r d e s i g n i d e a a n d d y n a mi c s i mu l ati o n f o r e a c h v alv e c o m p o n e n t w a s c a r r i e d o u t ． w h i c h ms u h s c o n fin t h e c o r r e c t n e ． o f t h e o r e t i c al c al c u l a t i o n ． Me a n w h i l e ， d y n a mi c a n al y s i s i n p r e s s u r e r e g u l ati n g r o i l s u p p l y i n g of t h e h y d r a u l i c s y s t e m a n d flo w c o n t r o l s y s t e m． b r a k e c o n t r o l s y s t e m w e l l p r e s s u r e a n d flo w o fc o o l a n t a n d l u b r i c ati o n s y s t e m h a v e b e e n c Ⅱ r r i e d o u t ． T h e a l l al y s i s m e t h o d a n d r e s u h s c a n b e a p p l i e d t o d e s i g n ofh y d r a u l i c s y s t e m o fH E V ． Ke y wo r ds Tr a ns m i s s i o n o f HEV； Hyd r a ul i c s y s t e m ； Dyn ami c s i m ul a t i on 中图分类号 T HI 6 ， U 4 6 3 ． 2 文献标识码 A j L一 1 日 U舌 混合动力和燃料电池在技术上取得了一系列重大突破 ， 是 汽车近、 中期发展的重点l l 。混合动力车辆 H E V 按照能量合成 方式不同， 可以分为串联式 、 并联式和混联式 3种不同的结构方 式p I ． 混联式一般采用行星齿轮来连接发动机、 电动机和驱动轴， 实现无级变速和转矩分配。发动机、 电动机和发电机通过行星齿 女来稿 日期 2 0 1 0 1 0 0 5 5结论 采用具有 D S P功能的 I 6位单片机 S P C E 0 6 1 A作为核心处 理器，以松下数字式交流伺服电机及配套驱动器为控制对象， 设 计了一款经济实用的脉冲式多轴运动控制器， 町同时对四个伺服 或步进电机进行控制。 采用 S P C E 0 6 1 A单片机是考虑到它不仅具 有较大的存储容量， 更重要的是它的工作频率可达到 5 0 M H z ， 具 有很强的数据运算能力， 避免 _r 采用D S P所带来的较高成本。 硬 件设计时为了能实现绝对位置计数， 在参考部分市场上成熟计数 器产品的基础上，设计了3 2 位可逆计数器及计数值锁存控制电 路， 试验结果表明， 计数器工作稳定可靠， 达到了设计目标。只是 若改用可编程逻辑器件可大大缩小电路板的体积， 进一步完善其 轮机构构成的电子无级变速机构一方面可以通过调节发电机、 电 动机的扭矩来实现传统无级变速器的功能， 另一方面利用蓄电池 减轻车辆行驶状况对发动机运行工况的影响， 使车辆的燃油经济 性和排放性能得到大幅度提高14 1。 某款混合动力汽车变速箱采用行星齿轮机构构成的电子无 级变速机构。 在分析该结构方案的基础上， 设计出一种混合动力汽 控制功能， 再加上低廉的开发成本， 将使其进一步实用化。 参考文献 [ 1 ] 康华光． 电子技术基础[ M] ． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 8 7 ． 1 2 j K ．S ． L o w K ．W． L i ra， M． F ． R a h me n ， A mi c r o p r o c e s s o r b a s e d f u l l y d i g i t a l AC s e lN o d r i v e ． Mi c r o p r o c e s s o r s a n d Mi e r o s y s t e ms ． 1 9 9 7 2 0 4 2 9 4 3 6 [ 3 ] E 晓明l 电动机的单片机控制[ M] 一 E 京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 3 9 ． [ 4 ] 杨金岩， 等． 8 0 5 1 单片机数据传输扩展技术与应用实例[ M] 一 E 京 人 民邮电出版社， 2 O O 5 1 ． 1 5 j J a me s C a r v a j a l ， G u a n r o n g C h e n ， H a l u k O g me n ．F u z z y P I D c o n t r o l l e r ． De s i g n ， p e r f o r ma n e e e v a l u a t i o n ， a n d s t a b i l i t y a n a l y s i s j n f r ma t i 0 n S c i n c e s ， 2 0 0 0 1 2 3 2 4 9 _ _ 2 7 0 ． [ 6 ] 罗亚非． 凌阳 1 6 位单片机应用基础[ MI ．北京 北京 航空航天大学出 版社， 2 0 o 5 5 ． 第 8 期 倪金鹏等 混合动力变速箱液压系统设计与动态仿真 1 1 7 车变速箱液压系统。 对液压系统动态性能的分析， 可掌握每个元件 的动态变化过程 ， 为液压系统的设计和参数优化奠定基础。以 Ma t h c a d 软件为基础，通过理论计算方法可以确定阀体的结构和 尺寸等主要参数； 以动态仿真软件 I T I - S i m u l a t i o n X软件为基础， 建立液压系统模型， 对液压系统的压力和流量进行动态性能仿真。 仿真结果满足理论设计要求， 验证了理论的正确性和有效性。 2液压系统功能要求 混合动力汽车变速箱以行星齿轮作为动力复合装置的基本 构架， 包括两个电机 ￡ 、 。 其中， 两个电机既可以做发电机 ， 又可 做电动机。两个电机功率损失的绝大部分将转化为热量， 因此需 要液压系统对变速器中两个电机进行强制冷却； 同时对变速器中 的齿轮和轴承进行润滑； 此外在满足一定的条件下， 制动器 曰 ． 、 曰 分别锁止电机E 和发动机。 通过理论计算， 电机E 、 E 峰值需求流量分别是 4 U m i n 、 5 ．5 U mi n ； 整个冷却润滑系统需求流量是 1 4 U mi n 。 在对湿式制动器进行 设计后， 确定制动压力为0 ．6 MP a 。 3液压系统工作原理 此混合动力汽车变速箱液压系统分为 3 个部分 1 供油油压和流量控制系统； 2 制动器元件操控系统； 3 冷却和润滑系统。 3 ． 1供油油压和流量控制系统 供油油压和流量控制系统由油泵、 溢流阀 o r C V 、 压力调节 阀 r e c v 、 蓄能减振器 D 组成。主要功用是调节主油路的油压 以及进人冷却润滑系的流量。油泵是液压系统的油源， 采用电机 驱动。根据设计要求， 制动油路压力需要达到 0 ．6 MP a ， 因此设计 的液压系统的供油油压稳定在0 ． 6 MP a 。 溢流阀起到调节系统压力的作用。当系统压力过高或油泵 流量过大时， 油液经过溢流阀回到油底壳， 从而起到了稳定压力 的作用。设定当溢流阀位移达到最大时， 冷却润滑系的油路压力 为 0 ． 4 5 MP a 。压力调节阀调节主油路压力， 同时控制进入冷却润 滑系的流量， 实现大、 小电机的冷却、 轴承的润滑。在主油路中设 置一蓄能减振器 D ， 吸收主油路的压力冲击， 尽量避免油路压力 的振荡。 3 ． 2制动器元件操控系统 制动器元件操控系统由减压阀、 电磁阀、 电磁阀主控阀、 蓄 能减振器 D 组成。 在纯电动模式下锁止发动机以避免发动机倒 拖 ， 减少功率损失。当整车运行在高速工况时 1 0 0 - 1 4 0 k r d h锁 止电机 E 。 ， 避免电机E 频繁的正反转， 提高效率。 主油路压力稳定在 O ． 6 M P a ， 而电磁阀最大控制压力是 0 ． 4 M P a ， 因此在主油路和电磁阀控制油路之间设计一个减压阀保 证制动油路的正常工作； 减压阀采用入口减压方式。 在电磁阀控制油路中， 采用线性 比例电磁阀控制电磁阀主 阀的通断， 从而控制制动器的分离与接合。电磁阀为两位两通型 式。由于电磁阀的流通流量小， 如果完全靠电磁阀的通断直接控 制进入制动油路的流量， 无法满足制动时间的要求， 因此需要一 一 个电磁阀主控阀产生大流量和更高的压力来实现制动器的控制。 当电磁阀 S E C V 通电， 电磁阀出口通路关闭， 控制油路的油 液推动电磁阀主阀阀芯移动， 使得主油路与制动油路接通； 制动 油缸迅速充油， 制动器元件接合以实现锁止功能。当电磁阀 SE c v 断电， 制动油缸中的部分油液经过单向阀泄油回到油底 壳； 控制油路的油液经过电磁阀泄油孔回到油底壳。在控制油路 中设置蓄能减振器 D ， 其作用与蓄能减振器 D 相同。 3 ．3冷却和润滑系统 冷却润滑系统由冷却器、 单向阀等组成。 冷却润滑系统负责 对两个电机的冷却、 行星排齿轮、 电机轴轴承的润滑。 油液经过冷 却器后进入到冷却润滑支路中， 一路通过管路进入电机顶部， 通 过顶端分布的节流孑 L 喷到电机的定子线圈上； 一路通过管路到达 轴承位置， 通过节流孔流至润滑部位。当冷却系压力突然增大且 高于O ． 2 7 MP a时， 大部分油液经过安全阀直接进入冷却润滑系， 尽量减小对冷却器的压力冲击， 延长使用寿命。混合动力汽车变 速箱液压系统原理图， 如图 1 所示。 图 l混合动力汽军变速箱液压系统原理图 4液压系统模型动态仿真 4 ． 1动态建模 通过阀体边缘的流量公式 Q c d ．A ． 、 ／ I 式中 一流量系数； 4 一通过截面积； △ p一压降； p 一流体密度。 计算节流孔流黄公式 Q C l A o 、 ／ 2 式中 ～流量系数； A 。 一节流孔通过截面积。 4 ． 2仿真模型 根据文献16 1 的建模方法和使用 Ma t h c a d软件的静态计算结 果建立动态仿真模型。使用德国I T l S i m u l a t i o n X多学科系统动 力学仿真软件进行建模。运用面向对象的建模语言Mo d e l i c a ， 通 过编写算法来描述非标准阀体的动态特性和功能。 通过以上所述 的建模方法 ， 利用 I T I S i m u l a t i o n X建立液压系统的仿真模型。 4 ．3仿真参数 电机泵是液压系统的油源， 转速 0 ～ 3 0 0 0 r p m， 采用脉宽调 制 P wM 控制方式。 排量 7 e ra3 , 效率为 8 0 ％。液压系统工作温度 l 1 8 机械 设 计 与制 造 No ． 8 Au g ． 2 01 1 为 一 2 O ～ 1 2 0 ℃， 系统主油路压力稳定在 0 ． 6 M P a ， 在此情况下得 出仿真结果。制动元件参数， 如表 1 所示。 表 1制动元件参数 5仿真结果分析 液压系统各油路压力变化曲线， 如图 2 所示。主油路压力稳 定在 0 ．6 M P a 左右，在电磁阀上电的短时间内压力会有短暂的波 动。 无论电磁阀通电与否， 冷却润滑系压力基本维持在 0 ． 2 7 M P a ， 从而保证液压系统正常而稳定的工作。 电磁阀最高控制压力是 0 ．4 MP a ，此时电磁阀产生的最大电 流是 1 A 。电磁阀产生的电磁力与油液在电磁阀进口处产生的液 压力相平衡。 当电磁阀电流减小， 产生的电磁力减小， 电磁阀流通 面积增大， 因此主控阀开度减小。 仿真时， 当电磁阀上电后电流迅 速由0增大至 1 A， 电磁阀控制压力随之迅速增大。 制动器接合后 电磁阀电流保持在 1 A 。电磁阀断开后电流迅速减小至 0 。 0 8 0 6 至 。 一4 0 ． 2 0 ． 0 ● 一 主油路压 力 一一 冷 却 润 滑 压 力 l ⋯ 电磁阀控制压 力 ’ ⋯’ 一 l 厂⋯] 一一一一一一 一一一一一 一一一 一 一一一 ～ 一 ． ． l I O 1 O 1 5 2 O 时间， S 图2液压系统各油路压力变化曲线 制动器压力曲线， 如图 3所示。当电磁阀上电后， 制动油路 油压迅速增大至 0 ． 6 MP a 。 按照设计要求， 制动器最大闭合时间是 0 ． 7 s 。仿真结果满足设计要求。 O 8 0 6 要 0 ．4 O ． 2 0 ．0 O 0 1 5 2 0 时间， s 图 3制动器压力曲线 冷却润滑系流量曲线， 如图4 所示。 冷却润滑系流量基本保 持在 1 6 L ／ mi n ， 电机 E ． 、 E 流量分别为 4 l J mi n ， 5 ． 8 L ／ m i n ， 满足了冷 却润滑系统的设计要求。 仿真曲线中冷却润滑流量有两次出现瞬 时降低的情况， 这是因为制动油缸迅速充油引起了冷却润滑系流 量瞬时的下降。制动器接合后冷却润滑系流量恢复正常。因为制 动油缸充油的时间很短， 对冷却润滑系几乎没有影响。 图4冷却润滑系流量曲线 Q g a ． 冷却润滑系流量 O 一 s t a t o r ．冷却电机 E ． 的流量 Q E z s t a t o r ．冷却电机 E 的流量 Q E ．- r o t o r ．E 轴轴承润滑流量 9 一 匠一 r o t o r ． E 2 轴轴承润滑流量 电磁阀S E c v 通电， 制动器 。 工作； 电磁阀 S E _ s v 通电， 制动 器 工作。 从图5中可以看出， 流人制动器的流量能够非常迅速地 充满制动油缸， 制动流量符合设计要求。 电磁阀断电后， 制动油缸也 能迅速地泄油， 使摩擦片分离。 由于泄油回 路中 存在单向阀， 这样可 以 保证通往制动器的油路中始终有油液， 一方面可以保证制动器工 作时能够迅速充满油缸， 另一方面也可以避免气蚀现象。 时问／ s 图 5制动器流量 曲线 6结论 1 设计了一} 昆 合动力汽车变速箱液压系统。根据变速箱结 构方案设计出一种液压系统， 对主油路、 控制油路、 制动油路的压 力以及冷却润滑系的流量进行了理论计算， 确定了各元件的具体 参数； 2 对整个液压系统进行了动态性能分析，包括主油路、 控 制油路 、 冷却润滑油路、 制动油路的压力、 流量的仿真分析， 仿真 结果满足设计要求。 通过改变模型中元件的参数可以改变液压系 统的动态特眭。研究结果可用于液压系统的设计与优化。 参考文献 [ 1 ] S c h i n i c h i A b e ， T o y o t a P r i u s B e s t E n g i n e e r e d C a r o f 2 0 0 1 ， A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g I n t e r n a t i o n a l [ J ] ， 2 0 0 1 3 1 o - 1 1 ． [ 2 ] F U K U O K ， F U J I M U R A A ， S A I T O M， e t a 1 ．D e v e l o p m e n t o f t h e u l t r a - l o w f u e l ～ c o n s u m p t i o n h y b r i d e a r I N S I G H T J ] ． J S A E R e v i e w ． 2 0 0 1 ， 2 2 4 9 5 1 03 ． [ 3 ] 邓元望， 王耀南， 陈洁平．混合动力驱动系统及其在越野车中的应用 [ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 6 ， 3 7 1 0 3 8 - 4 1 ． [ 4 ] 陈礼蹯， 吴晓栋， 杜爱民． 混合动力汽车电子无极变速机构设计方法 初探[ J ] ．汽车技术， 2 0 0 2 1 1 9 - 1 0 ． [ 5 ] 沈兴全， 吴秀玲 ， 等． 液压传动与控制[ M ] ．北京 国防工业出版社， 2 0 0 5 1 3 6 3 8 ． 1 6 j Wa n g S h u h a n ， X u X i a n g - y a n g ， L i u Ya n - f a n g ， e t a 1 ．D y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s i m u l a t i o n o f A T H y d r a u l i e s y s t e m [ R ] S A E I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 8 2 0 1 2 1 6 8 3 ， 2 00 8 ．