金属带式无级变速器液压控制系统

1、文章编号:1002-378X(200003-0014-06收稿日期:1999-12-21基金项目:国家/九五0科技攻关资助项目(96-A05-04-03作者简介:方泳龙(1949-,男,吉林延吉人,吉林工业大学副教授金属带式无级变速器液压控制系统方泳龙,张伯英,董秀国,周云山,裘熙定(吉林工业大学汽车工程学院,吉林长春 130025摘 要:以典型的金属带式无级变速器的液压控制系统为例,详细分析了液压机械式控制系统的工作原理和控制方式。在实验台上对金属带式无级变速传动装置的动态特性和液压控制系统进行了试验,试验结果与理论分析的结果基本一致。关键词:无级变速传动;液压控制系统;夹紧力控制;速比控制

2、;离合器控制中图分类号:U4631212 文献标识码:A无级变速传动是汽车理想的传动方式,目前世界上广泛使用的金属带式无级变速器,除了具有无级变速传动的优点外,还具有功率传递容量大、传动效率高、使用寿命长等特点1,2。控制系统是金属带式无级变速传动的重要组成部分。根据控制方式和执行机构的不同,在金属带式无级变速传动系统中采用了机-液控制系统或电-液控制系统2。本文通过对液压机械式控制系统的剖析,采用理论与试验方法,详细说明了控制系统各部件的动作关系和工作原理,了解了无级变速传动系统在汽车各种运行工况下的控制特征,为今后开发控制系统奠定了基础。1 控制系统分析图1 金属带式无级变速传动装置结构简

3、图Fig.1 M echanic structur e of typical CV T 1-发动机飞轮;2-行星排机构;3-起步离合器;4-主动轮液压缸;5-主动轮组;6-金属带;7-从动轮组;8-主减速器与差速器;9-中间减速器金属带式无级变速传动装置结构如图1所示,主要由4个部分构成:控制前进、倒退和空档的离合器及行星排机构;主、从动带轮和金属带的无级变速传动机构;减速齿轮和差速装置的主传动机构;液压泵和多个控制阀的液压控制系统。动力由发动机飞轮传入,经行星排机构和离合器传至主动轮组,在主动轮和从动轮之间通过推力式金属带来传递,最后经中间减速器和差速机构传递到车轮。在变速器中,无级变速传动

4、机构是核心部分,在液压控制系统作用下,主、从动轮副中可移动锥轮产生轴向位移,进而改变金属带在带轮上的工作半径,实现传动比的连续变化。金属带式无级变速器的机-液控制系统如图2所示。主要由液压泵、速比控制阀、带夹紧力控制阀、起步离合器和倒档制动器控制阀(图中未示出等组成。发动机直第30卷 第3期吉林工业大学自然科学学报 Vol.30 No.32000年7月Natur al Science Jour nal of Jilin U niv ersity of T echnology July 2000 图2 液压控制系统简图Fig.2 Schematic diag ram of the hy drau

5、lic contr ol system接驱动液压泵,为整个系统提供流量和压力足够的液压油。由与液压泵出口相连接的压力控制阀调节的系统主压力,直接作用在从动轮液压缸内,在一定速比下,主压力的大小决定着金属带的转矩传递能力。带传动的速比是通过速比控制阀调节主动轮液压缸内的压力,经金属带与从动轮液压缸内的压力达到新的平衡状态,从而改变主动轮的轴向位置来实现的。通过金属带的制约,主动轮缸内的压力与从动轮缸内的压力始终处于一种动平衡状态。现将控制系统中关键部分的主要特征与技术分述如下。111 夹紧力控制在金属带式无级变速传动装置中由从动轮的可动部分的轴向压力产生带的夹紧力。这个轴向压力是由变速器控制单元

6、控制夹紧力控制阀在该轮的动作缸中产生的/次级压力0来调节的。夹紧力控制阀如图3所示。为了保证传动器工作可靠、传动效率高和工作元件使用寿命长,要求带的夹紧力的大小必须适当。通常从动轮液压缸的夹紧力是发动机的输入转矩与带传动比的函数,其工作过程为:发动机驱动齿轮液压泵为系统提供一定压力和充足流量的液压油。从动轮液压缸压力口2与液压泵压力腔连通,主动轮液压缸的轴向位移通过传动杆b 、反馈杠杆a 传至夹紧力控制阀的左端,压缩左侧的弹簧K ,使其产生预紧力且与控制阀芯右侧作用的从动轮缸压力、发动机皮托管压力相平衡,使从动轮液压缸的压力与变速器速比按近似线性的关系变化。同时在控制阀的左侧还引入了节气门压力

7、(与该油门开度下发动机的最大输入转矩成比例,使从动轮液压缸的压力近似与节气门压力(即与发动机油门在任一位置时的最大输入转矩 成比例。图3 夹紧力控制阀F ig.3 Schematic of the clamping force control valve1-发动机皮托压力口;2-从动缸压力口;3-起步离合器压力口;4-节气门压力口;5-回油口图4 节气门压力控制阀Fig.4 T hro ttle pressure control valve 1-节气门压力口;2-起步离合器压力口;3-回油口;a -油门踏板;b -联动凸轮节气门压力控制阀如图4所示。到离合器的压力油进入节气门压力控制阀经减压后

8、的压力便是节气门压力。当节气门压力与节气门弹簧的预紧力平衡时,节气门处于稳态。联动凸轮的形状恰好可以#15#第3期方泳龙等:金属带式无级变速器液压控制系统使节流阀的输出压力与发动机油门在任一位置时的最大转矩成比例。在图3中夹紧力控制阀的最右端引入的是随发动机转速增长的皮托管压力,其目的是为了防止从动缸的夹紧力随发动机转速的变化而变化,皮托管压力可以起到补偿作用。112 速比控制图5 速比变化图Fig.5 CV T operating range无级变速传动器的速比特性如图5所示,其工作范围是由直线Ñ、Ò、Ó、Ô所包围的区域。在这个区域内可实现速比的连续变

9、化,根据油门的开度和汽车的行驶阻力自动达到最佳匹配。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。在无级变速传动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。对于机-液控制系统,一般控制发动机沿最佳经济线工作。由于节气门位置不变,转速恒定,发动机输出固定功率,可通过调节转速使其在最低油耗点工作,即使发动机具有最低的比油耗量。只有在很大的油门开度时,才偏离最小油耗点而提高发动机转速,满足提高车速和加速度所需的发动机功率。当汽车以给定的油门开度起步时,传动比首先在最大速比线上滑动,直至发动机转速升至目标转速(如P 点,然后调节速比

10、,使汽车在恒定的发动机转速下加速。速比调节线一直垂直上升到图中Q 点,如达到Q 点后发动机仍有剩余功率,汽车将以固定速比一直加速到行驶阻力与驱动力相平衡。 当以较大的油门开度起步时,调节速比不在目标转速上,而是从较低的转速开始,以变化的转速调节到目标转速(例如图5中的V y S 段,然后在恒定的转速下调节速比达到功率平衡。这样避免了大油门起步时的冲击,满足动力性、平顺性和低噪声的要求。上述速比调节过程主要是借助于速比控制阀(见图6来进行的。该阀与节气门压力控制阀一样 ,图6 速比控制阀F ig.6 Ratio control valvea -与油门踏板联动齿轮;b -强制换档控制活塞;1-被动

11、缸压力口;2-主动缸压力口;3-主动轮皮托压力口;4-强制换档控制口也有一个与油门踏板联动的凸轮机构。踩下油门踏板,可通过联动凸轮使速比阀的预紧弹簧压缩。当踏板行程较小时,凸轮的升程使速比阀外侧较软的弹簧压缩(内侧的弹簧不起作用,产生的预紧力与主动轮皮托管压力口3引入的皮托管压力平衡。此时主动轮液压缸保持较低的压力,对应主动轮低工作速度范围。如果皮托压力(或转速足够大,使阀芯改变其正常位置,这样可以接通被动缸压力口1和主动缸压力口2,同时关闭主动缸压力口2与回油口5,即打开了初级阀,变速装置的速比处于极限值之间,因而强制发动机达到一定的转速。其调节过程为:当油门踏板不动,如行驶阻力增加使发动机

12、转速#16#吉林工业大学自然科学学报第30卷下降,则主动轮皮托管压力下降,弹簧力失去平衡,阀向右运动,使主动缸压力口2与回油口5相通,主动液压缸排油,主动轮可动部分向外移动,夹紧力控制阀通过位置反馈测得当前的位置变化,调节机构控制从动轮的动作,经过二者协调作用,使传动的速比增加,相当于变速器换入低档。当发动机的转速升高时,调节过程与上述相反,控制阀芯向左移动,使被动缸压力口1与主动缸压力口2连通,主动轮液压缸充油,传动器速比减小,相当于变速器换入高档。当转速恒定不变时,如被动缸压力口1与主动缸压力口2相通,则传动器速比垂直向上变化直至到达最小值(如图5中的T 至R ,P 至Q ,垂直线随油门的

13、不同位置在TR 线和PQ 线之间的区域变化。在大油门开度时,与油门相连的活塞M 行程较大,使内弹簧Q 承受一个预紧力。预紧力的大小不仅与活塞M 的行程有关,而且与活塞N 的位置(其位置随着次级压力造成的向右的力的大小而变化有关,因而得到了油门开度与传动比之间的关系。传动比和次级压力愈小,弹簧T 与活塞N 愈向左移,则弹簧力Q 愈大,因而调整的主动轮转速越高,达到了图中V y S 段的调整效果,且调节速比不从预定的转速点开始,而是从较低的发动机速度开始逐渐改变。当发动机转速升至期望值后,传动器在恒定的输入转速下调速。汽车在行驶时突然加大油门,首先是恒车速调节传动器速比很快至最大传动比,如图5中的

14、R -S 直线。若在行驶过程中突然减小油门,调节过程与此相反,速比将从当前速比沿直线变动到最小速比。在制动或停车时就是这种工况,传动器首先由当前速比向最小速比移动,然后沿R -T 线使速比由i min 到i max ,以增加发动机的制动阻力矩。强制低档的工作原理是将高压油(进入离合器动作缸的油引入阀前腔的小活塞,强制驱动速比控制端至最右端位置,使主动轮液压缸与回油路相通,把传动器速比强制变到i max ,目的是使汽车在下坡时发动机减速(称之为L 档。113 起步离合器控制系统无级变速传动系统中的起步离合器采用的是湿式多片离合器,目的是使汽车能以足够大的牵引力平顺地起步,提高驾驶舒适性,必要时切

15、断动力传递。起步离合器的控制系统如图7所示。通过手动操纵阀来选择起步离合器或制动器。控制阀组控制离合器液压缸或制动器液压缸内的压力。图7 离合器控制阀组Fig.7 Clutch contro l system起步离合器的控制策略如图8所示。离合器在起步时,因为离合器动作缸中没有压力,皮托管压力使图7中油路a 关闭,离合器压力阀输出最低压力,离合器传递的转矩能使汽车蠕动,即为图8中的A#17#第3期方泳龙等:金属带式无级变速器液压控制系统 图8 离合器控制策略F ig.8 Clutch control str ategy段。当液压缸充油后,动作缸中油压使分离阀把发动机皮托管的液压油与油路a 接通

16、,此时进入离合器动作缸的压力p K (如图8中的B 段、发动机转矩T M和离合器传递的转矩T K 的变化曲线如图8所示。初始阶段T M >T K ,离合器为滑动摩擦,使汽车平顺起步;随发动机转速的提高,由于皮托管压力随发动机转速平方增加,故进入液压缸的压力迅速增加,T K 迅速上升,在S 点时T M =T K ,离合器完全结合,此后,T K继续增大。为防止进入离合器动作缸的压力过高、加大功率消耗和产生其它不必要的功率损失,在系统中设有限压阀。限压阀的上腔接节气门压力,它与发动机的输入转矩成比例。当进入离合器油路的压力高于节气门油压时,限压阀向上运动,多余的液压油流回油箱,进入离合器油路的

17、压力被限制到节气门压力(与节气门压力成一定比例,图8中的C 段。在强制低档,控制进入速比控制阀上腔的强制活塞油路,强制传动器变到最大速比。为防止汽车在前进速度较高时换入倒档,在控制系统中加了一个倒档禁止阀。由于皮托管特殊的安装角度,它仅在车辆前进时才感应出压力信号。所以当主动轮皮托管压力较高时,其压力作用在倒档禁止阀的上腔,使阀芯向下运动,把进入倒档制动器动作缸的油路隔断。保证汽车仅在速度很低时,倒档禁止阀允许倒档操作。2 控制系统的试验分析为了进一步全面地了解金属带式无级变速传动装置的动态特性及其与发动机的匹配规律,探索出金属带式无级变速传动装置的液压控制系统的控制规律,为今后控制系统的开发

18、提供理论依据,对无级变速传动系统进行了台架试验。图9所示为在一定的初始速度下,在一定的油门开度加速时的发动机输出转速和无级变速传动装图9 加速过程中速度变化曲线F ig.9 V ehicle speed and eng ine speed changing in acceleration 置输出转速变化过程的试验曲线。从图中可见,发动机的转速升高,达到一定值后,可认为发动机处于理想工况,无级变速传动装置调节传动比连续地由低档位置向高档位置变化,汽车速度不断升高,直至汽车行驶时的阻力功率与发动机发出的功率平衡时,无级变速传动装置达到理想速比。图10所示为按给定的油门开度加速过程中主、被动液压缸的

19、压力变化曲线。在无级变速传动装置中,被动轮液压缸的压力是保证发动机转矩可靠传递的夹紧力,由夹紧力控制阀调节;主动轮液压缸的压力变化控制速比变化,由速比控制阀调节。进一步验证了其正确性。图11为金属带式无级变速传动装置变速特性图。表明在一定初速、一定的油门开度下加速行驶时,无级变速传动装置的速比跃向低档位置,即速比变到最大位置,发动机稳定在一定的转速,速比向高档位置连续变化,输出转速相应的增加。当到达极限位置时,速比稳定在最小位置,输出转速继续增大。#18#吉林工业大学自然科学学报第30卷第3期 方泳龙等: 金属带式无级变速器液压控制系统 # 19 # 图 10 F ig. 10 主、 被动轮缸

20、压力变化 图 11 金属带式无级变速传动装置变速特性图 F ig. 11 Speed char acteristics of CVT Pressur e changing of the primary and secondary cylinder in acceleration 参考文献: 1 2 周云山, 裘熙定, 王红岩 1 汽车无级变速传动( CV T 建模与 仿真 J 1 汽车工程, 1998, 20( 5 : 285 289. Nor t Liebrand. Future potent ial fo r CV T technology A . SA E 9636295 C , 1995. Analysis of the Hydraulic Control System for Metal Type CVT FA N G Yong -long, ZH AN G Bo ing , DON G Xi u -y -guo, ZH