等差式液压机械无级变速器的速比控制理论与试验研究.pdf

第 4 7卷第 1 6期 2 0 1 1 年8 月 机械工程学报 J OURNAL 0F M ECHANI CAL ENGI NEERI NG Vb 1 ． 4 7 Aug． N 0． 1 6 2 0 1 1 DoI 1 0 ． 3 9 0 1 ／ J M E． 2 0 1 1 ． 1 6 ． 1 0 1 等差式液压机械无级变速器的速 比控制 理论与试验研究水 魏 超 苑士华 胡纪滨 宋卫群 2 1 ．北京理工大学车辆传动 国家重点实验室北京1 0 0 0 8 1 ； 2 ．中国人民解放军驻 3 1 8厂军事代表室北京1 0 0 0 5 3 摘要速比跟踪控制是车辆无级变速器控制系统的核心，以等差式液压机械无级变速器为对象开展速比控制理论研究，提出 适合于液压机械无级变速器使用的速比控制方法。 分析等差式液压机械无级变速器的组成原理，推导出等差式液压机械无级 变速器速比关系的一般表达式，获得等差式无级变速器的段位组成方式；结合研究对象具体结构，研究换段时各执行元件的 转速关系，提出换段条件；构建速比控制系统的设计框图，分析得到控制器的传递函数，给出控制算法设计方法；对等差两 段式液压机械无级变速器进行速比跟踪控制试验，试验结果表明通过对液压机械无级变速器实施速比控制，能够实现对 目 标速比的跟踪；当跟踪阶跃速比时不存在稳态误差，跟踪斜坡速比时存在稳态误差。 关键词液压机械无级变速器速比控制换段 中图分类号T H1 3 7 The o r e t i c a l a nd Ex pe r i me n t a l I n v e s t i g a t i o n o f Sp e e d Ra t i o Fo l l o w u p Co n t r o l S y s t e m o n Ge o m e t r i c Ty pe Hy d r o m e c ha n i c a l Tr a n s m i s s i o n W EI Ch a o YUAN S h i h u a HU J i b i n SONG W e i q u n 1 ． Na t i o n a l Ke y L a b o r a t o r y o f V e h i c u l a r T r a n s mi s s i o n ， B e ij i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 ； 2 ． A r mo r e d F o r c e Mi l i t a ry R e p r e s e n t a t i v e B u r e a u i n F a c t o ry No ． 3 1 8 ， P L A， B e i j i n g 1 0 0 0 5 3 Ab s t r a c t S p e e d r a t i o f o l l o w- u p c o n t r o l i s t h e c o r e o f c o n t i n u o u s l y v a r i a b l e tr a n s mi s s i o n C VT c o n tr o l s y s t e m o f v e h i c l e ． T h e o r y o n s p e e d r a t i o c o n tr o l o f a r i t h me t i c t y p e h y d r o me c h an i c a l CVT i s s t u d i e d a n d the s p e e d r a t i o c o n tro l me tho d s u i t a b l e f o r h y dro me c h a n i c a l CVT i s p r o p o s e d ． T h e c o mp o s i t i o n p ri n c i p l e o f a r i t hm e t i c t y p e h y d r o - me c h a n i c a l CVT i s a n a l y z e d ． Th e g e n e r a l s p e e d r a t i o e x p r e s s i o n o f a ri t h me t i c t y p e h y d r o - me c h ani c a l CVT i s d e d u c e d ， and t h e r ang e c o mp o s i t i o n mo d e o f a r i t hm e ti c CVT i s o b t a i n e d ． R e f e r r i n g t o t h e s p e c i fi c s t r u c t u r e o f r e s e a r c h o b j e c t ， t h e s p e e d r e l a t i o n s h i p a mo n g t h e a c t u a t o r s d u ri n g r a n g e s h i f t i s r e s e arc h e d and t h e r an g e s h i f t c o n d i t i o n i s fou n d ．B y e s t a b l i s h i n g t h e d e s i g n d i a g r a m o f s p e e d r a t i o c o n tro l s y s t e m， the tran s r f u n c tio n o f c o n tro l l e r i s a n a l y z e d and t h e d e s i gn i n g me t h o d o f c o n tro l a l g o rit hm i s g i v e n ． T h e t e s t s o f s p e e d r a t i o f o l l o w u p c o n t r o l a r e c a r r i e d o u t o n t h e t wo r a n g e a r i t h m e t i c t y p e h y dr o me c h a ni c a l CV T e s t r e s u l t s h o ws th a t t h r o u g h t h e c o n t r o l o f t h e s p e e d r a t i o o f h y dro - me c h a n i c a l C VY , t a r g e t s p e e d r a t i o f o l l o w- u p c a n b e r e a l i z e d ． T h e r e i s n o s t e a d y - s t a t e e r r o r i n s t e p s p e e d r a t i o f o l l o w- u p， b u t t h e r e i s s t e a d y - s tat e e r r o r i n s l o p e s p e e d r a t i o f o l l o w- u p ． Ke y wo r d s Hy d r o me c h a n i c a l c o n t i n u o u s l y v a r i a b l e t r a n s mi s s i o n S p e e d r a t i o c o n tr o l S h i ft 0 前言 液压机械无级变速器是一种可实现大功率传 递的复合型无级变速器 ， 它由液压路与机械路构成 ， } 国家部委基础科研资助项 目 A 2 2 2 0 0 6 0 0 2 9 。2 0 1 1 0 1 1 2收到初稿 2 0 1 1 0 6 1 5收到修改稿 液压路主要用于实现无级变速 ，机械路主要用于传 递功率与扩大变速范围 [ 1 -4 ] 。与带式无级变速器 C o n t i n u o u s l y v a r ia b le tr a n s mis s i o n ，C V T 的控制方 式一样， 液压机械无级变速器能够根据车速和节气门 的变化情况，通过连续控制速比实现对发动机工作转 速的调节，从而达到提高车辆动力性或经济性的目 的 [5 -7 ] o液压机械无级变速器是依靠车速一目标速比 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 7卷第 1 6期 曲线进行速比调节的，因此，速比跟踪控制是整个庞 大控制系统的核心， 研究速比跟踪控制是非常有意义 和必要的。目 前，国内外学者对液压机械无级变速器 的研究多集中在方案优化、换段策略以及动态特性仿 真分析上，对液压机械无级变速器速比跟踪理论的研 究相对较少L 8 ” 。本文以等差式液压机械无级变速器 为对象，开展速比跟踪控制理论与试验研究，其必将 会促进液压机械无级变速器的推广应用。 1 液压机械无级变速器的速 比特性 1 ． 1 等差式液压机械无级变速器的通用速比关系式 等差式液压机械无级变速器每段的开始与末 尾输出速度的差值相等。等差式液压机械无级变速 器的组成环节可 以用图 1 表示。 通常存在以下三种工况。 1 纯液压工况 H工况 。 输入功率经过固定传 动 比 f D 、液压调速系统传动比 f v 对应变量液压元件 的排量 比 。 从 0 变到 1 及正相位汇流排 的液压路传 动比 f h v - ，功率由液压路单独传递，输出轴转速和 速 比分别为 b _ _ 1 ol p l y l h y 1 一 一 f 2 no l’ of p f y ／ h y l l‘b 图 1 等差式液压机械无级变速器组成框图 输入传动比 fp 液压路定传动比 广正相位机械路传动比 i i f 反相位机械路传动比妒一 液压调速系统传动比 一 正相位汇流排机械路速 比f h f 反相位汇流排机械路速 比 l 正相位汇流排液压路传动比 厂反相位汇流排液压路传动比 输出传动 比 2 反相位液压机械工况 H Mf 工况 。 反相位工 况指变速器的速 比随着液压路速比的减小而增大的 工况。系统 的输入功率先分流 ，一路经反相位机械 路传动比 f { f 及反相位汇流排机械路传动比 i h f 传递 ； 另一路经固定传动比 、液压调速系统传动比 对 应变排量液压元件的排量比 从 1变到 0再到一 1 及反相位汇流排液压路传动 比 正、 反相位汇 流排的液压路传动比满足关系l’h v 一 i h 】 传递。两 路功率在汇流排处汇流输出。输 出轴转速和速 比分 别为 一 no no I p l y i h y 2l ol j f l h f l b l o l p l／ h y 2 ／ b l o l b h f I p l t h y 2] y f ／l 3 f f 一 l 4 n o l o l b ／ j f ／ h f l p l y h y 1 3 正相位液压机械工况 H M 工况 。 正相位工 况指变速器的速比随着液压路速比的增大而增大的 工况。系统的输入功率先分流，一路经正相位机械 路传动比i j 及汇流排正向机械路传动比i 传递； 另 一 路经固定传动比f n 、液压调速系统传动 比i y 对应 变排量液压元件的排量比 s 从一 l变到 0再到 1 及 汇流排液压路传动比f h v 1 传递。两路功率在汇流排 处汇流输出。输出轴转速和速比分别为 ， ， ． ． 、 0_ I L i z o j z l h z l b 1 o l p z y ／ h y l ／ b l o I b j z l h z l p l y l h y l ／ l n ___Eb 1 ／ 1 1lolb lpl ／hy1] ’llz y J 5 6 从式 2 、 4 、 6 可以看出，液压机械无级变 速器的速 比由机械路速比与液压路速比叠加而成 。 纯液压工况 H工况 只在初始阶段使用，之后进 入相应的正相位 H M 工况 或反相位 HMf 工况 工 况 。而正相位和反相位工况则可能一次或多次轮流 连续使用，直至达到所设计的最高段为止。等差式 无级变速器三个工况 的衔接方式有 以下两种 ⋯ HM z 2 卜 HM f 1 HMz l H HMz 1 HMf 1 _ HMz ⋯ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 8月 魏超等等差式液压机械无级变速器的速 比控制理论与试验研究 1 0 3 ⋯ HM * - - HM z 1 HMn 卜 H HM n - HMz l _ HM f 2 ⋯ 1 ． 2 等差两段式液压机械无级变速器速 比特性 图 2为本文研究对象等差两段式液压机械 无级变速器 的传动简图。该变速器只有纯液压工况 与反相位液压机械工况 ，而没有正相位工况当 T1 制动器接合、 T 2 制动器分离时， 系统工作于纯液压 工况；当 T 2制动器接合、T 1 制动器分离时，系统 工作于反相位液压机械工况。 图2 等差两段式液压机械无级变速器传动简图 应用通用速 比模型，将参数 i p 0 ． 9 4 5 8 ，f 。 1 ， i y 0 ． 7 8 7 4 ～ 一，i h y l 3 ． 6 5 ，i b l代入式 2 可得纯 液压工况的速比变化范 围i 0 0 ． 2 8 3 。 将结构参数 i h f 0 ． 7 8 5 8 ，f {f 1 ． 7 8 9 2 ， i h y 2 3 ． 6 5 ， i v 0 ． 7 8 7 4 ～ o o U-- o o ～- 0 ． 7 8 7 4 以及 i o 1 ， 1 ， g 0 ．9 4 5 8代入式 4 可得反相位液压机械工况的速 比变化范围 i O ． 2 8 3 0 ． 8 5 0 。图 3给出了等差两段 式液压机械无级变速器的速 比特性 ，由图 3可见 ， 各段之间实现了速 比的连续变化，且每一段最大与 最小速 比之差均为 O ． 2 8 3 。 r 一 ／ l 02 8 3 ＼ ／ ＼ ＼ ＼ 1 。 ＼ 一 1 ／ 0 1 O ＼ 一 l q 、 ／ ／ 倒 退 前 进 图 3 等差两段式液压机械无级变速器速比特性 一 排量比j卜 变速器速比如一液压路速 2 换段条件分析 由于液压路的速 比受负载影响较大，所 以不 同 负载下，变速器换段时的液压路速比也应不同，其 意味着必须通过对换段条件的实时判断来确定换段 时的液压元件排量比。 2 ． 1 HH Mf 换段条件 变速 器从纯液压段换到液压机械段时要求 T 1 分离、T 2结合，因此，速比衔接条件就是 T 2 制动器 的主、被动边速差 K 3行星排的齿圈转速 n q 3 为零 。 因为 7 最c j ㈣ ■ 赢【H 赢j 所 以 一 壤 9 式中，刀 I 、 1 分别为 K1 行星排的太阳轮转速和行 星架转速 ； n 小 n j 2 、n q 2 分别为 K 2行星排的太阳轮、 行星架和齿圈转速； H t 3 、n j 3 、， z q 3 分别为 K3行星 排的太阳轮、行星架和齿圈转速；k l 、k ， 和 分别 为 K1 、I 和 K 3排的特性参数；n 。 为变速器输入 端转速；i ， 为变速器输入端到 K 3排太阳轮轴的传 动比；所 以 HHMf 的换段条件为 I Intl 一 式中， △ ， z 为允许速差值 。 2 ． 2 HMf - - H换段条件 变速器从液压机械段换到纯液压段时要求 T 2 分离、T 1结合 ，因此 ，速 比衔接条件是 T l制动器 主、被动边速差 K1行星排的齿圈转速 n q 1 为零 。 因为 1 1 n q l 一 1 2 j 2 一 t 2 2 一 所以 1 2 H Mf 叫 的换段条件为 ● 一 一 如 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 8月 魏超等等差式液压机械无级变速器的速比控制理论与试验研究 1 0 5 制电压的变化过程与图 7 a中定排量液压元件转速相 似，其中电压 1 控制变排量液压元件的正向旋转， 电压 己 ， p 2 控制变排量液压元件的反向旋转。从图 7 b 可 以分析出，系统在跟踪斜坡信号时，总体跟踪效 果较好 ，但存在稳态跟踪误差 ，误差值为 0 ． 0 2 。 8 0 0 三 6 0 0 t - 4 0 0 幽2 0 0 辞 O 瑙 变速器输 定排量液 一 一 八广 ■ 蒜 秘 时间 t fs a 转速 曲线 之 4 3 警z 霹1 0 时间 f ／ s b 速比曲线 5 结论 1 O 2 O 3 O 4 0 5 O 6 O 时间 r ／ S c 伺服系统控制电压与段位标识曲线 图7 斜坡速比跟踪 曲线 1 本文推导的等差式液压机械无级变速器速 比关系式具有一般性，其适用于不同结构形式的等 差式液压机械无级变速器 。 2 根据液压机械无级变速器段与段之间的速 比衔接条件，提出了从纯液压段到液压机械段以及 从液压机械段到纯液压段 的换段条件 ，该条件能有 效减 小换段后 的速 比波 动 ，提高 了车辆 的行驶舒 适性 。 3 给出了液压机械无级变速器速比跟踪控制 系统的设计方法，利用该方法可实现控制系统的算 法设计 。 参考文献 [ 1 ]P I C H A R D J ，B E S S O N B ．H y d r o s t a t i c p o we r s p l i t t i n g t r a n s mi s s i o n d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n e x a mp l e s [ J ] ． AS ME J o u r n a l o f E n g i n e e ri n g f o r P o we r , 1 9 8 1 ， 8 7 3 1 6 8 - 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b e l t t y p e C VT s y s t e m[ J ] ． J o u r n a l o f C h o n g q i n g Un i v e r s i t y , 2 0 0 1 ， 2 4 6 1 2 1 7 ． [ 6 】K E I J U A， MAS A Y UKI K． De v e l o p me n t o f a n e w me tal b e l t C V T for h i g h t o r q u e e n g i n e s [ J ] ． S A E ， 2 0 0 0 0 1 0 8 2 9 ， 2 0 0 0 ． [ 7 ]P F I F F NE R R ， G U Z Z E L L A L ， O ND E R C H ． F u e l o p t i ma l c o n tr o l o f C V T p o we r t r a i n s [ J ] ．C o n t r o l E n g i n e e ri n g P r a c t i c e ， 2 0 0 3 ， 1 1 3 3 2 9 3 3 6 ． [ 8 ]X U L i y o u ， Z H OU Z h i l i ， Z H A NG Mi n g z h u ， e t a 1 ． D e s i gn o f h y dro me c h a n i c a l c o n t i n u o u s l y v a r i a b l e tr a n s mi s s i o n o f t r a c t o r [ J ] ．T r ans a c ti o n s o f the C h i n e s e S o c i e t y for Ag r i c u l t u r a l Ma c h i n e r y , 2 0 0 6 7 6 - 1 0 ． [ 9 ]C AO F u y i ， WANG J u n ． P o we r a n a l y s i s o f h y dro - me c h an i c a l d i ffe r e n t i a l t u r n i n g me c h a n i s m o f Do n g f a n g h o n g 1 3 0 2 R t r a c t o r [ J ] ． T r ans a c t i o n s o f T h e C h i n e s e S o c i e t y o f A g r i c u l t u r a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 3 9 9 1 0 4 ． [ 1 0 ]L I NA RE S ME NDE N C A T A L A N H． D e s i gn p a r a me t e r s for c o n t i n u o u s l y v a r i a b l e p o we r - s p l i t tr ans mi s s i o n s u s i n g p l ane t a r i e s wj t h 3 a c t i v e s h a f t s[ J ] ． J o u rna l o f T e r r a me c h ani c s ， 2 0 1 0 ， 4 7 5 3 2 3 3 3 5 ． [ 1 1 】H U J i h i n ， WE I C h a o ， Y UAN S h i h u a ． C h a r a c t e ri s t i c s o n h y dro - me c h ani c a l tr a n s mi s s i o n in p o we r s h i ft p r o c e s s【 J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g ine e ri n g ， 2 0 0 9 ， 2 2 1 50 ． 56． 作者简介魏超，男，1 9 8 0 年出生，讲师 ，硕士研究生导师 。主要研究 方向为车辆传动技术。 E ma i l we i p e t e r l b i t ．e d u ． c n 苑士华，男，1 9 5 8年出生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为车 辆传动技术、液压传动与控制。 E ma i l y u a n s h i h u a b i t ．e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m