金屬帶式無級變速器液壓控制系統(tǒng)

1、文章編號:1002-378X(200003-0014-06收稿日期:1999-12-21基金項目:國家/九五0科技攻關(guān)資助項目(96-A05-04-03作者簡介:方泳龍(1949-,男,吉林延吉人,吉林工業(yè)大學副教授金屬帶式無級變速器液壓控制系統(tǒng)方泳龍,張伯英,董秀國,周云山,裘熙定(吉林工業(yè)大學汽車工程學院,吉林長春 130025摘 要:以典型的金屬帶式無級變速器的液壓控制系統(tǒng)為例,詳細分析了液壓機械式控制系統(tǒng)的工作原理和控制方式。在實驗臺上對金屬帶式無級變速傳動裝置的動態(tài)特性和液壓控制系統(tǒng)進行了試驗,試驗結(jié)果與理論分析的結(jié)果基本一致。關(guān)鍵詞:無級變速傳動;液壓控制系統(tǒng);夾緊力控制;速比控制

2、;離合器控制中圖分類號:U4631212 文獻標識碼:A無級變速傳動是汽車理想的傳動方式,目前世界上廣泛使用的金屬帶式無級變速器,除了具有無級變速傳動的優(yōu)點外,還具有功率傳遞容量大、傳動效率高、使用壽命長等特點1,2?？刂葡到y(tǒng)是金屬帶式無級變速傳動的重要組成部分。根據(jù)控制方式和執(zhí)行機構(gòu)的不同,在金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)中采用了機-液控制系統(tǒng)或電-液控制系統(tǒng)2。本文通過對液壓機械式控制系統(tǒng)的剖析,采用理論與試驗方法,詳細說明了控制系統(tǒng)各部件的動作關(guān)系和工作原理,了解了無級變速傳動系統(tǒng)在汽車各種運行工況下的控制特征,為今后開發(fā)控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。1 控制系統(tǒng)分析圖1 金屬帶式無級變速傳動裝置結(jié)構(gòu)簡

3、圖Fig.1 M echanic structur e of typical CV T 1-發(fā)動機飛輪;2-行星排機構(gòu);3-起步離合器;4-主動輪液壓缸;5-主動輪組;6-金屬帶;7-從動輪組;8-主減速器與差速器;9-中間減速器金屬帶式無級變速傳動裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由4個部分構(gòu)成:控制前進、倒退和空檔的離合器及行星排機構(gòu);主、從動帶輪和金屬帶的無級變速傳動機構(gòu);減速齒輪和差速裝置的主傳動機構(gòu);液壓泵和多個控制閥的液壓控制系統(tǒng)。動力由發(fā)動機飛輪傳入,經(jīng)行星排機構(gòu)和離合器傳至主動輪組,在主動輪和從動輪之間通過推力式金屬帶來傳遞,最后經(jīng)中間減速器和差速機構(gòu)傳遞到車輪。在變速器中,無級變速傳動

4、機構(gòu)是核心部分,在液壓控制系統(tǒng)作用下,主、從動輪副中可移動錐輪產(chǎn)生軸向位移,進而改變金屬帶在帶輪上的工作半徑,實現(xiàn)傳動比的連續(xù)變化。金屬帶式無級變速器的機-液控制系統(tǒng)如圖2所示。主要由液壓泵、速比控制閥、帶夾緊力控制閥、起步離合器和倒檔制動器控制閥(圖中未示出等組成。發(fā)動機直第30卷 第3期吉林工業(yè)大學自然科學學報 Vol.30 No.32000年7月Natur al Science Jour nal of Jilin U niv ersity of T echnology July 2000 圖2 液壓控制系統(tǒng)簡圖Fig.2 Schematic diag ram of the hy drau

5、lic contr ol system接驅(qū)動液壓泵,為整個系統(tǒng)提供流量和壓力足夠的液壓油。由與液壓泵出口相連接的壓力控制閥調(diào)節(jié)的系統(tǒng)主壓力,直接作用在從動輪液壓缸內(nèi),在一定速比下,主壓力的大小決定著金屬帶的轉(zhuǎn)矩傳遞能力。帶傳動的速比是通過速比控制閥調(diào)節(jié)主動輪液壓缸內(nèi)的壓力,經(jīng)金屬帶與從動輪液壓缸內(nèi)的壓力達到新的平衡狀態(tài),從而改變主動輪的軸向位置來實現(xiàn)的。通過金屬帶的制約,主動輪缸內(nèi)的壓力與從動輪缸內(nèi)的壓力始終處于一種動平衡狀態(tài)?，F(xiàn)將控制系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的主要特征與技術(shù)分述如下。111 夾緊力控制在金屬帶式無級變速傳動裝置中由從動輪的可動部分的軸向壓力產(chǎn)生帶的夾緊力。這個軸向壓力是由變速器控制單元

6、控制夾緊力控制閥在該輪的動作缸中產(chǎn)生的/次級壓力0來調(diào)節(jié)的。夾緊力控制閥如圖3所示。為了保證傳動器工作可靠、傳動效率高和工作元件使用壽命長,要求帶的夾緊力的大小必須適當。通常從動輪液壓缸的夾緊力是發(fā)動機的輸入轉(zhuǎn)矩與帶傳動比的函數(shù),其工作過程為:發(fā)動機驅(qū)動齒輪液壓泵為系統(tǒng)提供一定壓力和充足流量的液壓油。從動輪液壓缸壓力口2與液壓泵壓力腔連通,主動輪液壓缸的軸向位移通過傳動桿b 、反饋杠桿a 傳至夾緊力控制閥的左端,壓縮左側(cè)的彈簧K ,使其產(chǎn)生預緊力且與控制閥芯右側(cè)作用的從動輪缸壓力、發(fā)動機皮托管壓力相平衡,使從動輪液壓缸的壓力與變速器速比按近似線性的關(guān)系變化。同時在控制閥的左側(cè)還引入了節(jié)氣門壓力

7、(與該油門開度下發(fā)動機的最大輸入轉(zhuǎn)矩成比例,使從動輪液壓缸的壓力近似與節(jié)氣門壓力(即與發(fā)動機油門在任一位置時的最大輸入轉(zhuǎn)矩 成比例。圖3 夾緊力控制閥F ig.3 Schematic of the clamping force control valve1-發(fā)動機皮托壓力口;2-從動缸壓力口;3-起步離合器壓力口;4-節(jié)氣門壓力口;5-回油口圖4 節(jié)氣門壓力控制閥Fig.4 T hro ttle pressure control valve 1-節(jié)氣門壓力口;2-起步離合器壓力口;3-回油口;a -油門踏板;b -聯(lián)動凸輪節(jié)氣門壓力控制閥如圖4所示。到離合器的壓力油進入節(jié)氣門壓力控制閥經(jīng)減壓后

8、的壓力便是節(jié)氣門壓力。當節(jié)氣門壓力與節(jié)氣門彈簧的預緊力平衡時,節(jié)氣門處于穩(wěn)態(tài)。聯(lián)動凸輪的形狀恰好可以#15#第3期方泳龍等:金屬帶式無級變速器液壓控制系統(tǒng)使節(jié)流閥的輸出壓力與發(fā)動機油門在任一位置時的最大轉(zhuǎn)矩成比例。在圖3中夾緊力控制閥的最右端引入的是隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速增長的皮托管壓力,其目的是為了防止從動缸的夾緊力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化,皮托管壓力可以起到補償作用。112 速比控制圖5 速比變化圖Fig.5 CV T operating range無級變速傳動器的速比特性如圖5所示,其工作范圍是由直線Ñ、Ò、Ó、Ô所包圍的區(qū)域。在這個區(qū)域內(nèi)可實現(xiàn)速比的連續(xù)變

9、化,根據(jù)油門的開度和汽車的行駛阻力自動達到最佳匹配。當發(fā)動機在某一給定油門下工作時,可以通過調(diào)節(jié)無級變速器的速比使發(fā)動機以最低油耗點或最大功率點的轉(zhuǎn)速工作。在無級變速傳動系統(tǒng)中相應(yīng)地存在兩種控制模式經(jīng)濟控制模式和動力控制模式。對于機-液控制系統(tǒng),一般控制發(fā)動機沿最佳經(jīng)濟線工作。由于節(jié)氣門位置不變,轉(zhuǎn)速恒定,發(fā)動機輸出固定功率,可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使其在最低油耗點工作,即使發(fā)動機具有最低的比油耗量。只有在很大的油門開度時,才偏離最小油耗點而提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速,滿足提高車速和加速度所需的發(fā)動機功率。當汽車以給定的油門開度起步時,傳動比首先在最大速比線上滑動,直至發(fā)動機轉(zhuǎn)速升至目標轉(zhuǎn)速(如P 點,然后調(diào)節(jié)速比

10、,使汽車在恒定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下加速。速比調(diào)節(jié)線一直垂直上升到圖中Q 點,如達到Q 點后發(fā)動機仍有剩余功率,汽車將以固定速比一直加速到行駛阻力與驅(qū)動力相平衡。 當以較大的油門開度起步時,調(diào)節(jié)速比不在目標轉(zhuǎn)速上,而是從較低的轉(zhuǎn)速開始,以變化的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到目標轉(zhuǎn)速(例如圖5中的V y S 段,然后在恒定的轉(zhuǎn)速下調(diào)節(jié)速比達到功率平衡。這樣避免了大油門起步時的沖擊,滿足動力性、平順性和低噪聲的要求。上述速比調(diào)節(jié)過程主要是借助于速比控制閥(見圖6來進行的。該閥與節(jié)氣門壓力控制閥一樣 ,圖6 速比控制閥F ig.6 Ratio control valvea -與油門踏板聯(lián)動齒輪;b -強制換檔控制活塞;1-被動

11、缸壓力口;2-主動缸壓力口;3-主動輪皮托壓力口;4-強制換檔控制口也有一個與油門踏板聯(lián)動的凸輪機構(gòu)。踩下油門踏板,可通過聯(lián)動凸輪使速比閥的預緊彈簧壓縮。當踏板行程較小時,凸輪的升程使速比閥外側(cè)較軟的彈簧壓縮(內(nèi)側(cè)的彈簧不起作用,產(chǎn)生的預緊力與主動輪皮托管壓力口3引入的皮托管壓力平衡。此時主動輪液壓缸保持較低的壓力,對應(yīng)主動輪低工作速度范圍。如果皮托壓力(或轉(zhuǎn)速足夠大,使閥芯改變其正常位置,這樣可以接通被動缸壓力口1和主動缸壓力口2,同時關(guān)閉主動缸壓力口2與回油口5,即打開了初級閥,變速裝置的速比處于極限值之間,因而強制發(fā)動機達到一定的轉(zhuǎn)速。其調(diào)節(jié)過程為:當油門踏板不動,如行駛阻力增加使發(fā)動機

12、轉(zhuǎn)速#16#吉林工業(yè)大學自然科學學報第30卷下降,則主動輪皮托管壓力下降,彈簧力失去平衡,閥向右運動,使主動缸壓力口2與回油口5相通,主動液壓缸排油,主動輪可動部分向外移動,夾緊力控制閥通過位置反饋測得當前的位置變化,調(diào)節(jié)機構(gòu)控制從動輪的動作,經(jīng)過二者協(xié)調(diào)作用,使傳動的速比增加,相當于變速器換入低檔。當發(fā)動機的轉(zhuǎn)速升高時,調(diào)節(jié)過程與上述相反,控制閥芯向左移動,使被動缸壓力口1與主動缸壓力口2連通,主動輪液壓缸充油,傳動器速比減小,相當于變速器換入高檔。當轉(zhuǎn)速恒定不變時,如被動缸壓力口1與主動缸壓力口2相通,則傳動器速比垂直向上變化直至到達最小值(如圖5中的T 至R ,P 至Q ,垂直線隨油門的

13、不同位置在TR 線和PQ 線之間的區(qū)域變化。在大油門開度時,與油門相連的活塞M 行程較大,使內(nèi)彈簧Q 承受一個預緊力。預緊力的大小不僅與活塞M 的行程有關(guān),而且與活塞N 的位置(其位置隨著次級壓力造成的向右的力的大小而變化有關(guān),因而得到了油門開度與傳動比之間的關(guān)系。傳動比和次級壓力愈小,彈簧T 與活塞N 愈向左移,則彈簧力Q 愈大,因而調(diào)整的主動輪轉(zhuǎn)速越高,達到了圖中V y S 段的調(diào)整效果,且調(diào)節(jié)速比不從預定的轉(zhuǎn)速點開始,而是從較低的發(fā)動機速度開始逐漸改變。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速升至期望值后,傳動器在恒定的輸入轉(zhuǎn)速下調(diào)速。汽車在行駛時突然加大油門,首先是恒車速調(diào)節(jié)傳動器速比很快至最大傳動比,如圖5中的

14、R -S 直線。若在行駛過程中突然減小油門,調(diào)節(jié)過程與此相反,速比將從當前速比沿直線變動到最小速比。在制動或停車時就是這種工況,傳動器首先由當前速比向最小速比移動,然后沿R -T 線使速比由i min 到i max ,以增加發(fā)動機的制動阻力矩。強制低檔的工作原理是將高壓油(進入離合器動作缸的油引入閥前腔的小活塞,強制驅(qū)動速比控制端至最右端位置,使主動輪液壓缸與回油路相通,把傳動器速比強制變到i max ,目的是使汽車在下坡時發(fā)動機減速(稱之為L 檔。113 起步離合器控制系統(tǒng)無級變速傳動系統(tǒng)中的起步離合器采用的是濕式多片離合器,目的是使汽車能以足夠大的牽引力平順地起步,提高駕駛舒適性,必要時切

15、斷動力傳遞。起步離合器的控制系統(tǒng)如圖7所示。通過手動操縱閥來選擇起步離合器或制動器?？刂崎y組控制離合器液壓缸或制動器液壓缸內(nèi)的壓力。圖7 離合器控制閥組Fig.7 Clutch contro l system起步離合器的控制策略如圖8所示。離合器在起步時,因為離合器動作缸中沒有壓力,皮托管壓力使圖7中油路a 關(guān)閉,離合器壓力閥輸出最低壓力,離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩能使汽車蠕動,即為圖8中的A#17#第3期方泳龍等:金屬帶式無級變速器液壓控制系統(tǒng) 圖8 離合器控制策略F ig.8 Clutch control str ategy段。當液壓缸充油后,動作缸中油壓使分離閥把發(fā)動機皮托管的液壓油與油路a 接通

16、,此時進入離合器動作缸的壓力p K (如圖8中的B 段、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩T M和離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩T K 的變化曲線如圖8所示。初始階段T M >T K ,離合器為滑動摩擦,使汽車平順起步;隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高,由于皮托管壓力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速平方增加,故進入液壓缸的壓力迅速增加,T K 迅速上升,在S 點時T M =T K ,離合器完全結(jié)合,此后,T K繼續(xù)增大。為防止進入離合器動作缸的壓力過高、加大功率消耗和產(chǎn)生其它不必要的功率損失,在系統(tǒng)中設(shè)有限壓閥。限壓閥的上腔接節(jié)氣門壓力,它與發(fā)動機的輸入轉(zhuǎn)矩成比例。當進入離合器油路的壓力高于節(jié)氣門油壓時,限壓閥向上運動,多余的液壓油流回油箱,進入離合器油路的

17、壓力被限制到節(jié)氣門壓力(與節(jié)氣門壓力成一定比例,圖8中的C 段。在強制低檔,控制進入速比控制閥上腔的強制活塞油路,強制傳動器變到最大速比。為防止汽車在前進速度較高時換入倒檔,在控制系統(tǒng)中加了一個倒檔禁止閥。由于皮托管特殊的安裝角度,它僅在車輛前進時才感應(yīng)出壓力信號。所以當主動輪皮托管壓力較高時,其壓力作用在倒檔禁止閥的上腔,使閥芯向下運動,把進入倒檔制動器動作缸的油路隔斷。保證汽車僅在速度很低時,倒檔禁止閥允許倒檔操作。2 控制系統(tǒng)的試驗分析為了進一步全面地了解金屬帶式無級變速傳動裝置的動態(tài)特性及其與發(fā)動機的匹配規(guī)律,探索出金屬帶式無級變速傳動裝置的液壓控制系統(tǒng)的控制規(guī)律,為今后控制系統(tǒng)的開發(fā)

18、提供理論依據(jù),對無級變速傳動系統(tǒng)進行了臺架試驗。圖9所示為在一定的初始速度下,在一定的油門開度加速時的發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速和無級變速傳動裝圖9 加速過程中速度變化曲線F ig.9 V ehicle speed and eng ine speed changing in acceleration 置輸出轉(zhuǎn)速變化過程的試驗曲線。從圖中可見,發(fā)動機的轉(zhuǎn)速升高,達到一定值后,可認為發(fā)動機處于理想工況,無級變速傳動裝置調(diào)節(jié)傳動比連續(xù)地由低檔位置向高檔位置變化,汽車速度不斷升高,直至汽車行駛時的阻力功率與發(fā)動機發(fā)出的功率平衡時,無級變速傳動裝置達到理想速比。圖10所示為按給定的油門開度加速過程中主、被動液壓缸的

19、壓力變化曲線。在無級變速傳動裝置中,被動輪液壓缸的壓力是保證發(fā)動機轉(zhuǎn)矩可靠傳遞的夾緊力,由夾緊力控制閥調(diào)節(jié);主動輪液壓缸的壓力變化控制速比變化,由速比控制閥調(diào)節(jié)。進一步驗證了其正確性。圖11為金屬帶式無級變速傳動裝置變速特性圖。表明在一定初速、一定的油門開度下加速行駛時,無級變速傳動裝置的速比躍向低檔位置,即速比變到最大位置,發(fā)動機穩(wěn)定在一定的轉(zhuǎn)速,速比向高檔位置連續(xù)變化,輸出轉(zhuǎn)速相應(yīng)的增加。當?shù)竭_極限位置時,速比穩(wěn)定在最小位置,輸出轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大。#18#吉林工業(yè)大學自然科學學報第30卷第3期 方泳龍等: 金屬帶式無級變速器液壓控制系統(tǒng) # 19 # 圖 10 F ig. 10 主、 被動輪缸

20、壓力變化 圖 11 金屬帶式無級變速傳動裝置變速特性圖 F ig. 11 Speed char acteristics of CVT Pressur e changing of the primary and secondary cylinder in acceleration 參考文獻: 1 2 周云山, 裘熙定, 王紅巖 1 汽車無級變速傳動( CV T 建模與 仿真 J 1 汽車工程, 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