（车辆工程专业论文）无级变速器电液控制系统研究开发.pdf

摘要 自第一辆汽车问世以来，人们就致力于改善汽车变速器的性能。c v t 变速器 能够实现传动速比的自动连续变化，满足驾驶者的各种驾驶意图，有利于实现汽 车传动系统与发动机的最佳匹配与控制，具有操纵简便、驾驶舒适、平顺、性能 良好等特点，是理想的汽车变速装置。金属带式c v t 具有较大的功率传递容量、 较高的传动效率、较长的寿命等特点，是目前世界上应用最广泛的无级变速器。 早期的c v t 均采用电液伺服控制系统，该系统结构复杂，对油质要求十分严格， 控制损失较大，可移植性差，致使价格昂贵，限制了它的普及应用。随着计算机 的发展，采用数字技术控$ l j c v r 是必然趋势。因此针对c v t 电液控制系统研究和开 发数字比例控制元件对于提高c v t 控制性能和降低成本有很好的经济和社会效益。 本文正是从上述需求出发，针对金属带式无级变速器的电液控制系统，探讨 了c v t 的控制原理和数字比例控制技术在c v t 上的应用。本文共分为五章，主要内 容如下： ( 1 ) 在参阅了国内外大量文献的基础上，系统地介绍了金属带式无级变速器 的发展历史、当的的技术状况以及发展前景。 ( 2 ) 分析了金属带式c v t 的基本结构和变速原理，详细阐述了其关键零部件， 并且对会属带式c v t 的控制问题做了研究。 ( 3 ) 针对日益广泛应用的比例控制技术提出了改进的电液控制系统，从而将 数字比例控制技术应用至t l c v t 中。并介绍了高速开关阀的结构承1 工作原理。 ( 4 ) 自主研制了步进式数字调压阀，建立了数字调压阀的数学模型并进行了 仿真分析，锝到了各静参数对系统压力的影响规律。 ( 5 ) 对数字调压阀进行了特性试验，并将数字调压阀应用至i j c v t 电液控制系 统中，在现有的试验条件下进行了台架试验，试验结果表明，该电液控制系统效 果良好，具有一定的可行性，但由于试验条件的限制，未能进行实车试验。 本文的主要创新之处在于通过仿真分析和试验，设计开发了适用于c v t 电液控 制系统的数字调压阀，从而将数字比例控制技术应用于c v t 电液控制系统中。试 验表明，数字调压阀有较高的控制精度和可靠性，数字比例控制技术能降低c v t 电液控制系统的成本，提高产品质量，从而提高c v t 的竞争力，因而数字比例控 制的发展前景十分广阔。 关键词：金属带式无级变速器；c v r ；电液控制系统：数字比例控制；数字阀 ，。，。 ! 。，。，垂堡竺童垩皇童垒! ：i ! 丝墼垒至垒，一，一。，： a b s t r a c t f r o mt h ea p p e a r a n c eo ft h ea u t o m o b i l e ，p e o p l eh a v em a d eg r e a te f f o r t st o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fa u t o m o t i v e t r a n s m i s s i o n t h e c o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ( c v t ) c a nc h a n g es p e e dr a t i oa u t o m a t i c a l l ya n dc o n t i n u o u s l y ，s a r i s f yt h e d r i v e r se v e r yd r i v i n gp u r p o s e ，p r o p i t i o u st oa c h i e v et h eo p t i m a lm a t c h i n ga n dc o n t r o l o fp o w e rt r a i n ，a n di ti s r e g a r d e da s t h ei d e a la u t o m o b i l et r a n s m i s s i o n w i t ht h e a d v a n t a g e s o f e a s yo p e r a t i o n ，c o m f o r t a b l e a n ds m o o t h d r i v i n g ，e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e m e t a lv b e l tt y p ec v th a ss u c hm e r i t sa sb i g g e rp o w e rt r a n s f e r r i n g c a p a c i t y ，t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n dl o n g e rl i f e ，s oi th a s b e e nt h em o s tw i d e l yu s e d e a r l y c v tw a s a l w a y s c o n t r o l l e db yt h em e c h a n i c a l h y d r a u l i c s e r v o t e c h n o l o g y ，i t sr e s p o n s ei sq u i c ka n di t sp r e c i s i o nh i g h ，b u ti t sc o n t r o l l i n gm o d u l e c o m p l i c a t e da n dp o w e rl o s sb i g b e s i d e s ，i t i ss e n s i b l eo fo i l p o l l u t i o n ，a n dn e e d s d e v e l o p i n gf o ra c e r t a i nt y p ea si tc a n tb ea p p l i e dt oo t h e rc v t ，t h ed e v e l o p m e n to f s u c hc o n t r o l l i n gm o d u l ei ss oe x p e n s i v et h a ti th a s n tb e e nw i d e l yu s e d i ti si n e v i t a b l e f o rc v tt o a d o p td i g i t a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e c o m p u t e r d i g i t a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y c o m b i n e sb o t ht h e s u p e r i o r i t y o fb i g h y d r a u l i cp o w e r w e i g h tr a t i oa n d f l e x i b l ee l e c t r o n i c c o m p u t e rc o n t r o l l i n g ，s oi t d e v e l o p sq u i c k l yi na l li n d u s t r yf i e l d s d i g i t a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to fd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c eo fc v t ，a n dh a ss u c hm e r i t sa sl o w c o s t ，s t r o n ga n t i p o l l u t i o na b i l i t y ，h a n d l i n gp e r f o r m a n c e ，e a s ya u t o m o b i l e ，s i m p l e s t r u c t u r ea n dl o we n e r g yc o n s u m p t i o n o nt h ew h o l e ，i ti sb e n e f i c i a lt or e s e a r c ha n d d e v e l o pt h ed i g i t a le l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l l i n gm o d u l et oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o fc v ta n dr e d u c ei t sc o s tf o re c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t b a s e do nt h ed e m a n d sa b o v ea n da i m i n ga te l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l l i n gs y s t e m o fm e t a lb e l tc v t ，t h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h ec o n t r o l l i n gt h e o r ya n dd i g i t a l p r o p o r t i o n a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yo nc v t t h i sp a p e rh a s f i v ec h a p r e r s ，a n dt h e m a i nc o n t e n t sa r ef o l l o w i n g ： ( 1 )b a s e do nl o t so fp r o f e s s i o n a ld o c u m e n t s ，t h ed i s s e r t a t i o nr e v i e w st h e d e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dt h et e c h n i q u eo fc v tb r i e f l y t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n w i t ho t h e rt r a n s m i s s i o n ，s h o w i n gt h a tt h em e t a lp u s h i n gv b e l tt y p ec v tc a n m e e tt h ec u r r e n t l yd e m a n do fd r i v a b i l i t y ，e c o n o m i c sa n de m i s s i o ne t c ，a n ds t a t i n g t h a tt h ec v ti st h ei d e a lt r a n s m i s s i o nw h i c hw i l lb et h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yf o r t h et r a n s m i s s i o no fp a s s e n g e rc a r i nt h ep a p e rt h eb a c k g r o u n da n dt h en e c e s s i t y 硕士学位论文 o ft h i st h e m ei ns c i e n c ea n dp r a c t i c ea r eg i v e n ( 2 ) t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fo p e r a t i o no fc v tw e r ei n t r o d u c e d t h ek e y s e c t i o n so ft h et r a n s m i s s i o na r ei n t r o d u c e d t h em a i nr e s e a r c hi s s u ei st h ec o n t r o l m e t h o dt h a ti n c l u d et h r e ep o i n t ：t h ec l a m pf o r c ec o n t r o l ，t h er a t i oc o n t r o la n dt h e c l u t c hc o n t r 0 1 o n l yw h e nt h et h r e ea s p e c t sa r ea l li no p t i m u ms t a t et h ev e h i c l e f u n c t i o nq u o t ac a ne l a b o r a t ec o m p l e t e l y ( 3 ) t h ea d v a n c e dd i g i t a lp r o p o r t i o n a le l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y w a sa p p l i e do nc v tt oi m p r o v et h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo fc v t t h es t r u c t u r ea n d p r i n c i p l eo fh i g h - s p e e do n o f fv a l v ew e r ei n t r o d u c e d ( 4 ) t h e d i g i t a lv a l v ew e r ed e s i g n e d ，a n dt h em a t hm o d e lo ft h ed i g i t a lv a l v eb u i l t a n da n a l y z e dt h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o nw i t hm a t l a b t h ea n a l y s i ss h o w st h a t t h ed i g i t a lv a l v eh a sf i n ep e r f o r m a n c eo nd y n a m i ca n ds t a t i cs t a t e ，a n da st h e r e s u l t ，i tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fe l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l l i n gs y s t e mo fc v t ( 5 ) d e s i g n o fe x p e r i m e n tw a sa p p l i e do nt h ea p p l i c a t i o np a r a m e t e r so ft h ed i g i t a l v a l v eo w i n gt ot h ef l u c t u a t i o no fh y d r a u l i cp r e s s u r e i nt h ee n d ，w ed i db e n c ht e s t u n d e rt h et e s tc o n d i t i o nw eh a v et od e m o n s t r a t et h ec o n t r o l t h e o r yr i g h to rn o t t h et e s ti n c l u d e dc o n s t a n ts p e e dr a t i of o l l o wa n ds t e ps p e e dr a t i of o l l o w ，f r o m t h et e s tr e s u l ew ec a ns e et h i sc o n t r o ls y s t e me f f e c ta l lr i g h ta n dp o s s e s sd e f i n i t e f e a s i b i l i t y ，b u to w i n gt ol i m i t a t i o no ft e s tc o n d i t i o n ，w ec a n tp r o c e e dt h en e x t b e n c ht e s ta n da u t o - t e s t t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed i g i t a lv a l v ec a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to fr a t i oc o n t r o l l i n go fc v t t h em o s t l yi n n o v a t i o no ft h ep a p e ri st od e v e l o pas t e pm o t o rc o n t r o l l e dd i g i t a l v a l v es u i t a b l ef o re l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l l i n gs y s t e mo fc v ta n da p p l yd i g i t a l p r o p o r t i o n a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yt oc v t t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h ed i g i t a l v a l v eh a sh i g h c o n t r o l l i n ga c c u r a c y a n dr e l i a b i l i t y ，a n dt h a t d i g i t a lp r o p o r t i o n a l c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yc a nr e d u c et h ec o s to fe l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l l i n gs y s t e m a t t h es a m et i m e ，i tc a ni m p r o v et h eq u a l i t ya n dt h ec o m p e t i t i v e n e s so fc v t ，s ot h e d i g i t a lp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yh a sab r i g h tf u t u r e k e yw o r d s ：m e t a l b e l t v - t y p ec o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o n ；c v t ； e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l l i n gs y s t e m ；d i g i t a lp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y ：d i g i t a l v a l v e 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：丧牝 日期：叼年3 月膀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期： 日期：阳角月月 叩7 硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 随着工业技术的进步，人类生活节奏的加快，活动空间的迅速增加，汽车已 经深入到人类社会的各个方面，成为现代化文明社会不可缺少的东西。汽车工业 历经百余年取得了巨大的发展，究其原因，主要有两点：首先是科学技术的不断 进步，给汽车工业的发展提供了必要的物质条件；其次是汽车工业本身为了不断 适应各个时期的社会背景( 能源危机和环境污染等) ，满足人们对汽车使用性能 的更高要求，在技术上不断改革、创新。因此汽车的发展历史，间接的记录了科 学技术的发展，社会背景的改变和人类不断实现完美追求的历史。汽车是人类文 明发展的标志，它的发展必须符合人类社会的发展要求。 节约能源，保护环境已经成为人类发展的主题。而全球数以千万计的汽车已 经成为能源消耗和环境污染的一个主要的因素。迫于能源危机和环境污染的压力， 世界许多国家或地区都制定了严格的法规，力图降低汽车的排放和提高燃油经济 性。如欧洲早已提出了限制排放的欧i i i 标准。我国政府也正式颁布了控制汽车排 放的标准，自2 0 0 1 年9 月1 同起全面停止了化油器汽车的销售，2 0 0 2 年出厂车 辆排放须达欧i 标准，2 0 0 3 年车辆排放须达欧i i 标准。这些来自国家政府机构以 及社会各个方面的压力，迫使汽车生产商采取措施以满足这些法规的要求。 因此采取措施，应用新技术，降低汽车能源消耗和减少废气排放已成为汽车 的发展方向之一。汽车传动系设计性能的好坏直接关系到整车主要的性能指标， 所以，为了达到节能与降低排放的目的，研究与改进汽车传动系统，大力发展和应 用速比能够连续变化且具有等功率供应特性的无级变速传动系统( c v t ) 将不失 为一种理想的选择。 无级变速技术采用传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合传递动力。由 于c v t 可以实现传动比的连续改变，从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配， 提高整车的燃油经济性和动力性，改善驾驶员的操纵方便性和乘员的乘坐舒适性， 所以它是理想的汽车传动装置。随着科学技术的发展，过去困扰无级变速传动系 统推广和应用的关键技术相继得到解决，无级变速传动系统最近得到了迅速发展。 世界上很多汽车制造商都加大了对无级变速传动系统的开发力度，相继推出了自 己的产品。由此可见，无级变速汽车是当今汽车发展的主要趋势”。 无级变速器电液控制系统研究开发 1 2 金属带式无级变速器发展和现状 1 2 1 无级变速器发展历史简述 无级变速的发展已经有很长的历史，早在1 8 8 6 年，德国的d a i m l a rb e n z 公 司就已经将其应用在汽车上了，只是它是摩擦式无级变速器，是靠皮革或纤维制 的圆盘和金属圆盘的摩擦力来工作的，因而磨损十分严重，寿命很低，但其原理 为后来所采用，这就是带传动式( b e l td r i v e ) 或链传动式( c h a i n d r i v e ) c v t 的前 身。1 9 3 5 年，g mb u i c k 发明了一种被称为全圆环型( f u l lt o r o i d a l ) c v t ，人们 称这种变速器为牵引传动式( t r a c t i o nd r i v e ) c v t ，它的变速原理如图1 1 所示“1 。 当可移动的圆环面沿轴向移动时，两环面问的辊子沿曲面滑动，改变与传动轴的 夹角，实现速比的变化。由于在技术上要开发能够承受这样大滚压力的轴承及能 c 2 磐薅扶荔( b ) 升这技杰 图i 1t o r o i d a io v t 的工作原理 够承受这样大面压的材料和特殊液体，包括通用在内的许多公司最终放弃了这种 c v t 的开发。但在这同时，带传动式c v t 也取得了很大的发展，包括金属链式 c v t 如图1 2 和金属带式c v t 如图1 3 。v 型橡胶带式c v t 最早出现在德国 d a i m l a rb e n z 公司的汽油机汽车上。1 9 5 8 年，荷兰d a f 公司h v a nd o o r n e 博士 成功开发出了双v 型橡胶带c v t ( v a r i o m a t i c ) ，并装备在d a f 公司的小型轿车上 面。由于橡胶带的传递容量小、效率低、寿命短，h v a nd o o r n e 博士于6 0 年代 图1 2 金属链式c v t 2 图1 3 金属带式c v t 末又成功研制出了传递容量大、效率高、结构紧凑的金属带式c v t ，称之为 “t r a n s m a t i c ”。1 9 7 2 年，h ，v a nd o o r n e 博士与d a f 公司脱离，成立了自己的公 司，即“v a nd o o r n e st r a n s m i s s i eb v ”公司( 简称v d t 公司) ，专门生产c v t ， 所生产的c v t 通称为v d t - c v t ，从而开始了c v t 的新时代。v d t - c v t 主要有 p 8 l l 、p 8 2 l 、p 8 8 4 、p 9 0 1 等四种类型，其中p 8 1 1 和p 8 2 1 是第一代产品，p 8 8 4 和p 9 0 1 是第二代产品。p 8 1 1 是以湿式多片离合器作为起步装置，采用机液控制 系统，而p 8 2 1 是以电磁离合器作为起步装置，采用电液控制系统，两者都是以 外啮合齿轮泵作为液压源，并采用单回路液压系统。第二代产品主要做了如下改 迸：采用了新型金属带，以液力变矩器作为起步装置，用双级滚子叶片泵代替了 齿轮泵，采用全电子控制系统，因而它们的性能指标超过了液力机械自动变速器 ( a t ) 。 c v t 首次装车并投放市场是1 9 8 7 年。当时，日本富士重工公司( f h i ：f u j i h e a v yi n d u s t r i e sl i d ) 从v d t 公司购买了金属带，并得到了v d t 公司的技术指 导，生产了面向1 o l 轿车的c v t ( 与p 8 2 1 相当) ，并装在s u b a r uj u s t y 轿车上( 排 量1 0 升，1 9 8 4 年上市) 。该c v t 的夹紧力和换挡控制仍然是采用v d t 全液压控 制，不同之处是采用了电磁离合器作为起步装置，从而起步离合器实现了电子控 制，因而称之为e c v t 。日本本田汽车公司( h o n d a ) 也是世界上较早开发生产 c v t 的著名公司之一。1 9 9 5 年9 月，h o n d a 公司开发了新一代金属带式c v t 即 h o n d am u l t im a t i c ，它实现了离合器、换挡和夹紧力的全电子控制“1 。所不同的 是将起步离合器装在了从动轴上，这不仅能够在急刹车时使金属带回到最低档， 而且还可最大效地保护金属带，如图1 4 所示。该变速器装在了带有1 6 升发动 机9 6 款的h o n d ac i v i c 系列轿车上，并取得了成功。 与此同时，欧美的通用( g m ) 、福特( f o r d ) 、菲亚特( f i a t ) 、大众( v w ) 、 图1 4 装在h o n d ac iv i c 轿车上的m u i t i m a t icc v t 无级变速器电液控制系统研，z 开发 奥迪及z f 等公司也在致力于c v t 的开发。继s u b a r u 后，欧洲的f o r d 和f i a t 也 将v d t - c v t ( p 8 1 1 型1 装备于排量1 1 1 6 l 轿车上，并投入市场。早在七十年代， z f 公司就潜心从事c v t 的开发。最早开发的用于轿车的c v t 产品是k w g l 5 ， 它的转矩容量为1 3 0 n m ；稍后又开发了几种不同的样机，如用于发动机前置前驱 ( f f ) 轿车的z f c f t l 3 等系列c v t ，以及用于发动机前置后驱( f r ) 轿车的z f c r t 2 0 和用于发动机纵向前置前驱的z f c t t 2 5 。1 9 9 4 年4 月，z f 又开发了更大容量的 c f t 2 5c v t ，它的最大传递转矩可达2 7 0 n m 。1 9 9 9 年德国奥迪公司联合l u k 公 司和t e m i e 公司，开发完成了f f 纵置式c v t - - m u l t i t r o n i e ，成功地装在输出转矩 3 1 0 n m 、排量2 8 l 的奥迪a 6 a 4 和保时捷跑车上，并于2 0 0 2 年1 1 月投放到中 国市场。该变速器以金属链取代金属带，融合了当今c v t 的最新技术，与现有金 属带式c v t 相比，除结构做了重大改进外，电液控制系统和控制策略也有了很大 改变，如图1 5 所示”1 。近年来，混和动力汽车在日本取得了很大的发展。而由 于无级变速技术允许发动机处于某一恒定理想工作点，这样在动力的转换和储备 中可以最大限度地降低动力损耗、减少排放和提高效率。据有关试验研究，采用 c v t 的混和动力汽车的燃油经济性可以提高3 0 ，排放可以降低5 0 左右。 图1 5 奥迪m u i t i t r o n i c 链式0 v t 在我国，c v t 的研究工作起步较晚，且主要集中在大专院校，尚处在研究开 发阶段，并多以理论研究为主。其中东北大学在金属带的设计研究方面卓有成效。 吉林大学汽车系的c v t 课题组对无级变速器进行了深入的研究与实验，取得了很 大成效。课题组基于引进样品p 8 1 l 无级变速器，设计了集成液压控制模块、电 子控制装置及发动机与无级自动变速器动态匹配的工程化软件，成功地把原p 8 1 l 机械无级自动变速器改造成电子控制的无级自动变速器。结合j e t t a 轿车，对其连 接装置进行了改进设计，最后装备了无级自动变速器的试验车j e t t a 轿车一辆。台 架与路面试验进一步证实，所设计的电子控制系统、液压模块及工程化软件完全 满足汽车的各项使用性能要求”1 。虽然通过各方努力，国内无级变速器水平不断 4 硕士学位论文 提高，但产业化还需要一定时间。 1 2 2 无级变速器的发展前景 随着电子技术、材料及加工技术的发展，c v t 正朝着以下几个方面发展： ( 1 ) 向3 升以上排量的汽车上发展，以实现更广泛的应用； ( 2 ) 更加优越的控制及快捷的反应； ( 3 ) 更低廉的价格。 由于采用c v t 可以达到传动系与发动机工况的最好匹配，提高整车的燃油经 济型和动力性，并可以提高操纵方便性和舒适性，有效地降低了排放污染，且综 合性能优于a t 、a m t 系统。一些主要的汽车厂开始从液力机械自动变速器过渡 到c v t 系统，或者直接发展c v t 系统，或两者兼有之。 近几年来，随着高科技的发展及市场需要，c v t 的机一液式控制系统己逐步 被电一液式控制系统所取代，从而实现无级变速传动装置与发动机的灵活匹配， 以满足多种控制模式的要求。对各种工况的控制策略也正在作更加深入的研究， 以使c v t 的优越性更大限度的发挥出来。目前，c v t 的电子控制又进一步向智 能化方向发展，如对湿式离合器的结合采用模糊控制柬改善汽车的起动性能等。 同时无级变速器的结构也越来越小巧和紧凑，加上对前轮驱动的无级变速器进行 结构上的修改，使其可用于后轮驱动的汽车上，进一步增强了c v t 的应用范围”1 。 1 3 无级变速器的优点及尚待解决的问题 1 3 1 无级变速器的优点 金属带式无级变速器的速比是在设计范围内连续变化的，从而使驾驶员在驾 驶汽车时避免了有级式变速器换档冲击的困扰。在理论上，由于在换档过程中不 会引起发动机速度波动，并且发动机始终工作在理想的工作区域，因此，无级变 速传动能够延长发动机的使用寿命，改善汽车的燃油经济性和动力性。无级变速 传动的优点可归纳为： ( 1 ) 整车具有更好的驾驶性 驾驶员无需考虑换档，消除了人为换档技术的影响，使汽车驾驶平顺、舒适。 同时简化了汽车行驶过程中的操作，减轻驾驶员的劳动强度，提高行车的安全性。 使汽车易于驾驶，有利于汽车的普遍使用。 ( 2 ) 提高燃油经济性和动力性 首先看下面两个表，表1 1 所示为一个典型的5 档自动变速器a t 在各个档位 时的传动效率，表1 2 为几种不同的无级变速器传动效率的变化范围。a t 的平均 效率为8 6 ，与m t 的9 7 的传动效率相去甚远。在几种无级变速器中，金属带 式无级变速器效率最高，平均效率达到了9 0 以上，略低于m t ，但是由于采用 无级变速器的汽车能够控制发动机始终在最经济工作区工作，因此燃油经济性方 面有了很大的提高。1 ，比同类型的a t 汽车可提高1 0 1 5 。 表1 1 不同档位 t 的传动效率表1 2 不同类型o v t 的传动效率 档位传动效率 16 0 8 5 26 0 9 0 3 8 5 9 5 4 9 0 9 5 58 5 9 4 c v t 类型传动效率 r u b b e rb e l t s8 5 9 5 s t e e lb e l t s 9 0 9 7 t o r o i d a lt r a c t i o n 7 0 9 4 n u t a t i n gt r a c t i o n 7 5 9 6 v a r i a b l eg e o m e t r y8 5 9 3 在动力性方面，c v t 汽车加速性能( 0 - 1 0 0k m h ) 比a t 汽车的加速性能最少提 高7 5 1 1 5 ，速度较高时加速性优于m t 汽车。几年前，z f 公司进行了对比试 验，结果表明：在美国环境保护局城市和公路循环工况下，装备c v t 的汽车比4 档a t 汽车燃油经济性提高1 0 ；o 6 0m p h 加速试验中，装备c v t 的汽车比a t 汽车少用1 秒多。h o n d a 公司c i v i c 型汽车的对比试验也验证了以上结论：装备 传统a t 的c i v i c 平均燃油消耗率为2 8 3 5 m p g ( 城市公路循环工况) ，同一型号 的汽车在装c v t 后为3 4 3 8 m p g ( 城市公路循环工况) 。表1 3 为c h r y s l e rv o y a g e r 装备不同的变速器时的经济性、动力性试验数据比较。 表1 3c h r y s l e rv o y a g e r 装用不同变速器经济性、动力性试验 改善 工况 4 - a t p 8 8 4 型c v t ( ) 市区 1 5 8 ( l 1 0 0k m ) 1 3 1 ( l 1 0 0k m )1 7 郊区公路1 2 7 ( l 1 0 0k m )1 1 1 ( l 1 0 0k m ) 1 3 经济性 9 0 ( k m h ) 等速9 9 ( l 1 0 0k m )9 3 ( l 1 0 0k m )6 1 2 0 ( k m h ) 等速 1 3 0 ( l 1 0 0k m )1 3 5 ( l 1 0 0k m )4 0 3 0 ( k m h )2 5s 2 5s0 动力性0 1 0 0 ( k m h ) 1 3 2s1 2 2s7 5 最大加速度 4 8m s 24 8m s 2o ( 3 ) 结构简单，成本低，可靠性高 产品成本与可靠性依赖于产品的技术含量、材料，制造工艺等因素。金属带 式无级变速器结构简单，主要由金属带一工作带轮组和控制系统构成，传动零件 数( 约3 0 0 个) 远少于自动变速器( 约5 0 0 个) ，因此变速器的重量轻，体积小。 6 硕上学位论文 核心部件金属带由荷兰v d t 公司生产，以前价格比较昂贵( 在1 9 9 5 年约占c v t 成本的3 0 ) 。为了提高产品的竞争能力，v d t 公司近几年在金属带零部件的结构 设计、材料和加工工艺上都进行了合理改进，产品价格已经大幅度降低“3 。 简而言之，由于金属带式无级变速器的结构简单，关键零部件采用高强度优 质材料、精密制造技术与无限寿命设计方法进行产品设计和制造。因此该系统质 量高，使用可靠，与汽车具有相同的寿命。 ( 4 ) 改善汽车尾气排放 汽车行驶时所排出的有害物质含量与发动机工作状态有关，当发动机在非稳 态工况时，它所排出废气中的有害物质含量高。而有级式机械传动，速比变化量 由人工操作完成，导致发动机转速变化范围较大，使发动机处于非稳态工况。所 以，汽车排放中废气有害物含量高，污染环境严重。对于c v t 变速器，可控制发 动机经常处于经济转速区域内运转，也就是在较小污染排放的转速范围内工作， 从而降低了排气污染。据资料介绍，在装备有c v t 汽车与5 档手动变速箱的汽车 道路上作对比试验时，装有c v t 车的燃油消耗少1 1 5 ，碳氢化合物的排量少3 3 ， c o 的排放量少2 0 “。 1 3 2 尚待解决的问题 尽管c v t 有着诸多优点，但还有很多值得研究的问题，致使c v t 的潜能还 没有充分发挥出来，限制了它的应用。主要是： ( 1 ) c v t 变速传动机理问题。国内外的学者在这方面做的研究成果大都是 在稳态情况下取得的，而会属带绝大多数情况是工作在瞬态情况下。这主要包括 瞬态情况下主从动带轮的受力情况、传动带的滑转和传递容量及传递效率、速比 变化率的影响因素等，因为这些问题对改进带的结构参数、延长带的使用寿命及 开发性能优良的变速控制系统都是至关重要的“。 ( 2 ) c v t 电控液压系统的研究。在无级变速液压系统中，作为执行机构的 液压缸和液压阀以及作为其动力源的液压泵的特性对系统的性能及控制品质有着 重要的影响。因此，这些液压元件的优化设计以及液压系统的集成对取得较高的 效率、较轻的质量及较好的可控性是非常必要的。 ( 3 ) c v t 动力传动系统的综合控制策略“。其中，离合器控制和变速控制 是c v t 控制系统的核心问题。随着计算机技术、传感技术及电测技术的发展，以 前看似无法实现的控制策略和控制方法必将重新发挥其自身的优越性，会越来越 受到重视。 无级变速器电液控制系统研究开发 1 4 论文主要研究内容及研究意义 1 4 1 本文主要研究内容 ( 1 ) 在参阅了国内外大量文献的基础上，系统地介绍了金属带式无级变速器 的发展历史、当前的技术状况以及发展前景，对金属带式无级变速器与其它类型 的变速器的优、缺点进行了比较。 ( 2 ) 分析了金属带式c v t 的基本结构和变速原理，详细阐述了其关键零部 件。控制问题是金属带式c v t 的主要研究问题，它包括三个方面：夹紧力控制、 速比控制和起步离合器的控制。只有这三方面的控制都达到最佳状态，才能充分 发挥汽车的各项性能指标。 ( 3 ) 针对日益广泛应用的比例控制技术提出了改进的电液控制系统，从而将 数字比例控制技术应用到c v t 中。并且介绍了高速开关阀的结构和工作原理。 ( 4 ) 自主研制了步进式数字式调压阀，建立了数学调压阀的数学模型并进行 了仿真分析，得到了各种参数对系统压力的的影响规律。 ( 5 ) 对数字调压阀进行了特性试验，并将数字调压阀应用到c v t 电液控制 系统中，在现有的试验条件下进行了台架试验，试验结果表明，该电液控制系统 效果良好，具有一定的可行性，但由于试验条件的限制，未能进行实车试验。 1 4 2 课题的意义 无级变速传动技术在汽车变速传动装置发展史上具有变革意义，无级变速传 动技术作为2 1 世纪汽车的主要研究方向之一，在当前倍受各国汽车制造厂商的重 视。特别是从1 9 9 7 年荷兰v d t 公司和b o s c h 公司合并后，c v t 传动技术正在 以更快的速度在欧洲并向世界各国迅速扩展，引起越来越多的汽车制造厂家的关 注。 早期的c v t 采用液压伺服控制系统，其结构复杂、制造困难、对油液污染敏 感，使得c v t 成本较高。电磁比例阀是模拟量控制，对工作环境要求极为严格， 而且国内磁性材料还存在许多问题，因而液压阀会产生严重的非线性特性，直接 导致系统的稳定性和重复性差，因此很难提高控制精度，确保c v t 变速器的传动 效率。随着i t 技术的高速发展，采用计算机直接控制变速器是必然趋势。用数字 阀替代电磁比例阀，不仅简化了液压模块，还克服了液压系统诸多非线性因素导 致控制系统出现不稳定波动的技术问题“。与比例电磁阀相比，数字阀的滞环和 重复精度都有很大程度的提高，开环控制时也能满足工程精度的要求。所以研究 和开发能应用于c v t 电液控制的数字比例阀有重要的意义。 8 硕十学位论文 第2 章金属带式无级变速器工作机理 2 1 金属带式无级变速器结构和传动原理 2 1 1 金属带式无级变速器的结构组成 如图2 1 所示为典型的金属带c v t 结构组成，发动机动力由行星机构、前进 或倒档离合器传送到主动轮、金属带、从动轮，再由中间过轮或传动轴输出到主 减速器、差速器、等速万向节或半轴，