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1、重庆理工大学硕士学位论文CVT闭式液压控制系统研究姓名:吕威申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:郝建军2011-05-28摘要 I摘 要 无极变速器(CVT)可以说是汽车理想的传动方式,目前汽车金属带式 CVT 绝大部分采用电子液压系统控制,然而电液控制系统 CVT 泵和液压系统耗能严重。本课题研究的重点就是要通过设计一套新的闭式液压系统来降低 CVT 能耗。本文系统的研究了 CVT 闭式液压控制系统的理论基础;探讨了 CVT 闭式液压系统模型,对 CVT 闭式液压系统进行了仿真;设计了 CVT 闭式液压叠加阀系统,选取适合系统需求的传感器、电机、液压泵、液压阀。本文还设计了 CVT
2、 闭式液压电控系统,系统包含硬件设计和软件设计。硬件系统划分为压力传感器电路、速度传感器电路、油温传感器电路、报警电路、位移传感器电路、电源模块、单片机核心板、直流电机驱动模块、高速开关电磁阀驱动、液晶显示屏接口电路。在定义了各系统功能的基础上,中央处理单元选用飞思卡尔公司的 MC9S12DG128,这一汽车专用处理器为在复杂多变的车身系统里的稳定安全运行提供了保障;软件设计建立在硬件的基础上,对系统各个模块编程,提出总体控制方案,并且制定控制算法。在确定了实现系统功能所需要的各个硬件模块基础上,绘制了主控板硬件电路原理图,制出了 PCB 板,焊接完成了主控电路实物板,成功调试了主控板的电源、
3、串口、直流电机驱动模块、液晶显示模块,完成直流电机 PWM 调速实验,实验结果合乎系统设计的需求。CVT 闭式液压控制系统的研究和开发符合汽车朝提高燃油经济性和动力性、降低有害排放方向发展的需求,本文在传动比、速度、压力更快的、更精确的控制,保证变速器更好的调节方面做出了探讨。随着这一系统不断完善和深入研究,对于使得汽车油耗和排放的进一步降低具有应用前景和经济前景。关键词:汽车;CVT;闭式液压;控制系统;仿真;叠加阀;直流电机ABSTRACT IIIABSTRACT Continuously Variable Transmission is the ideal transmission of
4、 vehicle.At present,most of metal V-belt continuously variable transmissions is using electro-hydraulic control system.However,the pump and hydraulic system in electro-hydraulic control system of CVT has highly energy-wasting.the focus of this research is improving the CVT fuel economy purposes thro
5、ugh a new set of hydraulic systems.This paper studied the theory of CVT Closed-circuit hydraulic systematic.This paper discussed the CVT Closed-circuit hydraulic model.And simulation on CVT Closed-circuit hydraulic systematic.designed the Superposition valve system of CVT Closed-circuit hydraulic,Se
6、lected the appropriate system requirements,sensors,motors,hydraulic pumps,hydraulic valves.This article designed electro-hydraulic control system of Closed-circuit hydraulic of CVT.It contains the hardware and software design.Hardware system is divided into Pressure sensor interface circuit、Speed Se
7、nsor Interface Circuit、Oil temperature sensor interface circuit、warning circuit、Displacement sensor circuit、Power module circuit、Microcontroller core circuit board、DC motor drive circuit、Solenoid Valve Driver Circuit、LCD interface circuit。The definition of the system function is on the basis of the
8、main control unit subsystem and front location Selected Freescales MC9S12DG128,a dedicated processor for complex and unstable system which could provides safe operation.Software built on the basis of hardware,Programming the system modules,the overall control scheme proposed,and to develop control a
9、lgorithms.This paper identified system functions to finish the hardware system and software system,designed and drew hardware circuit,main board system and made the PCB board.Then Successfully commissioning of the control boards power supply,serial port,DC motor drive module,LCD display module.Compl
10、eted the speed experimental of PWM DC motor,The results meet design requirements.CVT Closed-circuit hydraulic control system consistent with the research and devel-opment toward improving vehicle fuel economy and power,reduce harmful emissions from the direction of development needs,this paper discu
11、ssed transmison ratio,speed,pressure how to be faster,more precise control,to ensure better transmission of the regul-ation.With the continuous improvement of the system and in-depth research,for making 重庆理工大学硕士论文 IV cars to further reduce fuel consumption and emissions with prospects and economic o
12、utlook.Key words:Automobile CVT Closed-circuit hydraulic control system simulation overlapped valve DC motor I重庆理工大学重庆理工大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除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集体和个人,均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律后果。作者签名:日期:年 月 日 学位论文使用授权声明学位论文使
13、用授权声明 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子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆理工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(请在以下相应方框内打“”):1.保密,在 年解密后适用本授权书。2.不保密。作者签名:日期:年 月 日 导师签名:日期:年 月 日 1绪论 1第一章 绪论 1.1 引言 金属带式无级自动变速器(CVT)能根据车辆行驶条件自动连续的变化速比,使发动机按最佳动力性曲线或最佳燃油经济性曲线工作。无级变速传动
14、可以说是一种理想的传动方式,自汽车诞生以来一直是人们追求的目标。它与常规变速传动相比,具有可以明显提高汽车的燃油经济性,改善汽车的动力性和乘坐舒适性,降低发动机的污染排放等优点。CVT 近 20 年受到普遍重视,各国竞相研制,投入批量生产,并在近几年得到进一步的发展,成为汽车变速传动发展的主要方向之一。目前汽车金属带式无级变速器普遍采用电子液压系统控制的方案,这种方案的优点在于:基本全部采用成熟技术,除了金属带传动是全新技术以外,可行性好。但有一个重要的弱点:液压伺服系统耗能严重。其中泵和液压系统占总输入能量的 27%(按照日本 10-15 循环计算)或 16.7%(按照欧洲 NEDC 循环计
15、算),也正是这个能量损耗湮没了 CVT 的使发动机在最佳工作状态下节油的优势,仅取得和 MT 油耗相当的成绩1。各类汽车 CVT 竞争的重要项目就是燃油经济性,各国都在努力研究,试图用实时控制夹紧力(即控制油泵压力)、提高泵的效率等方案来实现提高 CVT 燃油经济性。本课题研究的重点就是要通过设计一套新的液压系统达到提高 CVT 燃油经济性的目的。在学术上和工程上都具有非常重要的意义。1.2 无级变速器的发展现状 1.2.1 国外无级变速器的发展现状 自从1896年由美国人H.G.Spanlding发明的传动带式无级变速器,而后荷兰H.Van.Doorne博士于1958年研制成功了双V型胶带式
16、无级自动变速器,并装于DAF公司的小型汽车上,后经改进,于1975年装备于volvo340系列轿车上。据统计,此后装备了Variomatic无级自动变速器的轿车约有120万辆。二十世纪六十年代中期是无级自动变速器取得里程碑的突破时代。VDT公司的研究人员在荷兰首先研制出了“pushing-block-V-belt”金属V型带(即推进式摩擦片V型带)。这种金属带CVT结构更紧凑、更简洁,能与较大马力的发动机匹重庆理工大学硕士论文 2配。与其他的刚性摩擦体CVT,如金属V型链、合成V型带CV相比,这种类型的金属带CVT具有更高的传动效率,甚至超过了有级自动变速器。1987年,VDT公司的金属带式无
17、级变速器进入了商品化阶段。接着日本富士重工成功研制出了电子控制CVT,并装备在Juste车(排量11.2L)上,它在传统机械液压CVT的基础上增加了电子控制系统,当时被称为ECVT。之后,菲亚特、福特和日产等汽车公司都在一些1.21.6L排量的轿车上装备ECVT。近些年来,CVT作为汽车自动变速装置得到越来越多的国家的采用,世界上的主要汽车生产公司都在积极开发CVT系统,实用化发展势头发展良好。目前国内外CVT的实际应用情况如下:VDT-CVT在国际上以欧洲和日本发展最快。1995年,装有VDT-CVT的汽车产量已达到100万多辆。目前CVT生产商主要有以下:FHI、Subaru、Justy、
18、Ford、Fiat、Nissan等。其中欧洲Ford公司年产CVT 15万套,FHI公司年产CVT 20万套。应特别指出的是1997年美国福特公司取得了历史性的突破,生产出可用于3.8L(扭矩为305N.m)大扭矩发动机的CVT,并成功安装在Winstar minivan汽车上。结束了CVT只能应用于小排量汽车上的历史,为CVT的大规模应用开辟了道路。德国奥迪公司在1999年成功研制Multitronic无级变速/手动一体化变速器,并装在AudiA6轿车上,获得了很大成功。欧洲与日本从1984年就着手研制CVT,所开发的电子控制自动变速器ECVT(Electro Continuously Va
19、riable Transmission),与欧洲普遍使用的CVT相比,日本以电磁离合器作为起动部件,这样可以方便地自动控制发动机、离合器、变速器,而欧洲则多采用液力变矩器;在前进、倒挡选择机构中,欧洲采用行星齿轮系,而日本采用啮合式齿轮系。20世纪九十年代在总结八十年代产品开发和使用经验的基础上,VDT公司研制成功了性能更佳,传递转矩容量大的第二代VDT-CVT变速器。第二代产品主要设计技术指标具有更好的经济性和操纵平顺性,已经远远超过了目前最先进的液力机械自动变速器。第二代产品在结构上作了较多改进,如:(1)采用了新型金属传动带;(2)采用了双级滚子叶片泵;(3)采用了全电子控制系统2。1.
20、2.2 国内无级变速器的发展现状 在国内吉林大学张伯英、裘熙定、周云山、张宝生等对无级变速传动的液压控制系统进行了研究,从实时控制的平台出发,建立了汽车无级变速传动的速比控制、夹紧力控制及整车动态模型,并在这一动态模型基础上,仿真计算了汽车在起步与行驶变速时的动态调节过程,为进一步研究无级变速传动控制规律和进行电控系统设计奠定了基础。东北大学的程乃士等人对金属带式无级变速传动的金属带式无级变速器液压控制系统原理及其数学模型进行了研究,同时对摩擦系数进行了实验研究,给出了键合图液压控制模型,并以状态方程的形式推导出液1绪论 3压系统的数学表达式,为进一步对无级变速传动的液压控制系统进行动态仿真研
21、究及了解金属带式无级变速器的动态特性提供了研究基础。重庆大学王红岩对金属带式无级变速传动进行了较深入的研究并且进行了一系列的理论仿真,分析了机液控制系统的控制实现过程、结构、控制原理,为国产金属带式无级变速器控制系统的开发奠定了基础。2002 年 11 月我国下线的奥迪 A6 2.8L 轿车是国内率先使用 CVT 的第一款国产轿车,2005 年上海国际汽车展上可以看到很多车型开始装备 CVT。目前,国内已有奥迪 A4、奥迪 A6、南京菲亚特、派力奥和西耶那、广本飞度以及奇瑞旗云等车型使用 CVT2。金属带式无级变速器是汽车理想的传动装置,它可改善汽车的动力性,提高汽车的经济性,便于操作,是汽车
22、的核心技术之一。目前金属带式无级变速器的结构、受力情况、变速原理等已经研究成熟,但国内 CVT 的关键技术电液伺服系统控制方法的研究尚处于起步阶段,甚至国外研究得也不成熟。目前 CVT 研究的热点是CVT控制策略的研究,随着CVT控制策略研究的深入,金属带式无级变速器国产化的日子将指日可待。1.3 目前国内外的 CVT 控制系统的形式、组成及工作原理 1.3.1 机液控制系统 CVT 简介 金属带式无级变速器由金属传动带以及成V型槽的主动锥轮、从动锥轮构成,主、从动锥轮一端固定,另一端可轴向移动。它的作用原理是利用液压调节两带轮可动端的轴向作用力,控制金属传动带在主、从动锥轮间径向移动,使金属
23、带间的主、从动锥轮的作用半径发生变化,从而无级地改变了传动比。在液压轴向力的作用下,金属带在两带轮构成的 V 型槽内沿径向滑动,从而实现传动比在规定范围内从最大到最小变化。在轴向力的作用下,当从动带轮的可动部分沿轴向向外移动,而主动带轮的可动部分沿轴向向内移动时,传动比即从动带轮的工作半径与主动带轮的工作半径之比将增大,反之速比则减小。在传动比的变化过程中,由于工作半径变化是连续的,因此传动比也是连续的。1.3.2 电液控制系统 CVT 简介 图 1-1 是电液式控制系统的结构简图,油泵是由发动机直接驱动向液压系统提供液压油,速比控制阀采用电磁换向阀,夹紧力控制阀采用的是比例溢流阀。电子控制单
24、元的输入信号由发动机转速传感器和扭矩传感器、主动轮的位移传感重庆理工大学硕士论文 4器、从动带轮的压力传感器,也可以加入主动带轮转速传感器、从动带轮转速传感器、车速传感器信号组成。驾驶员的意图通过换档信号以及油门信号输入到电子控制系统,并可以选择动力型(S)或者经济型(E)的最佳换档规律。根据反馈信号系统确定施加到系统的主压力(即夹紧力),并由主动带轮的转速构成转速反馈控制,根据转速的偏差信号决定速比值。图 1-1 电液控制系统结构简图 1.3.3 机械电子控制金属带式无级变速器EM-CVT 目前,全世界各大汽车公司生产出来的CVT最主要的耗能零部件有5个部分,泵和液压单元(阀、油缸和管路)、
25、金属带传动和变速机构、液力变矩器、前进与倒挡机构、齿轮减速器。程乃士等人“独辟蹊径”实现大幅度提高 CVT 的燃油经济性。图 1-2 为 EM-CVT 结构示意图。泵、液压系统和液力变矩器是 CVT 的最大能量损耗部分,消耗了总输入能量的 27%(按照日本 10-15 循环计算)或 16.7%(按照欧洲 NEDC 循环计算)。EM-CVT放弃这两个耗能大户,在同样功能和可靠性不变的情况下,采用低能耗的元件、单元和系统,将会获得极好的燃油经济性。我们可以看到,在这个 CVT 系统中没有液力变矩器和液压系统,弹簧加压系统能量消耗很小,从而避免了泵、液压系统和液力变矩器的能量消耗。成本也因为避开了价
26、格较高的液压元件而大幅度降低。1绪论 5发动机 输入1.离合器(电 磁或 磁粉)2.主动定 锥盘轴3.金属带4.主动动 锥盘5.加压弹 簧6.调速电 机7.调速减 速器8.调速螺 杆9.调速螺 母10.从动 定锥盘轴11.同步 器1234567891011发动机输入输 出到差 速器输出到差速器 图 1-2 无液压泵的汽车金属带式无级变速传动装置(EM-CVT)该变速器没有液压泵,装置上带有与发动机相连的离合器,离合器安装在主动定锥盘轴上,主动定锥盘轴通过金属带式传动结构连至从动定锥盘轴,从动定锥盘轴通过同步器齿轮换向机构连至差速器。该装置放弃液力变矩器和液压伺服系统,将避免大量能量损失,实现更
27、加节油的目标,解决了现有技术中液压伺服系统和液力变矩器耗能等问题1。1.4 本文研究的意义和主要研究内容 1.4.1 研究的目的 设计并研究一种节能、高效、低成本、可靠性高的CVT闭式液压控制系统。1.4.2 研究的意义 燃油经济性是各类汽车自动变速器尤其是 CVT 竞争的重要项目,大家都在努力研究,试图提高 CVT 燃油经济性。本课题研究的重点就是要通过设计一套新的液压系统达到提高 CVT 燃油经济性的目的。在学术上和工程上都具有非常重要的意义。重庆理工大学硕士论文 61.4.3 本论文的主要内容 本文利用 MATLAB 软件 SIMULINK 仿真,建立 CVT 闭式液压控制系统数学模型,
28、设计了一个叠加阀夜压系统,并搭建了一个 CVT 闭式液压电控系统,为后续的控制器样板与样机连线试验研究打下了坚实的基础。具体内容如下:(1)参阅机械原理、机械设计以及有关闭式液压的资料,结合整车参数,对CVT闭式液压系统的结构进行了初步设计,并对其原理进行了理论分析。(2)对 CVT 闭式液压控制系统数学建模并MATLAB仿真验证,发现 CVT 闭式液压控制系统动态响应特性良好,能够满足 CVT 对速比的控制要求,同时系统的稳定性好,稳态误差小。(3)通过计算分析对 CVT 闭式液压系统中的阀类元件及电机等进行选取,并设计了一个叠加阀液压系统,这种由叠加阀组成的液压系统无管连接,消除了因油管和
29、管接头等引起的漏油、振动和噪声。(4)搭建 CVT 闭式液压电控系统,并制作出控制器样板,样板核心由飞思卡尔 MC9S12DG128 单片机芯片组成,包括直流电动机驱动电路、1602 液晶显示屏、键盘、油温传感器接口、速度传感器接口、压力传感器接口、位移传感器接口、高速开关电磁阀驱动电路、电源电路。(5)为 CVT 闭式液压电控系统进行了软件设计,整个电控软件主要由传感器信号采集及信号处理模块、直流电机驱动控制模块、高速开关电磁阀驱动控制模块、速比控制模块、压力控制模块、通信模块组成。对各个模块进行了编程,并给出程序流程图,对 CVT 速比、夹紧力控制制定了算法。对软件的抗干扰和可靠性做了一点
30、阐述。(6)对 CVT 闭式液压电控系统主控板、串口、液晶显示、直流电机等进行了调试。经过调试,电控系统能够正常工作。做了直流电机 PWM 调速实验,得到了占空比与转速的关系曲线,为速比的精确控制奠定了基础。2CVT 闭式液压控制系统特点及原理分析 7第 2 章 CVT 闭式液压控制系统特点及原理分析 最初开发的无级变速器(CVT)为机液控制系统,其缺点是不能对主从动带轮油缸的压力单独控制,难以实现速比和夹紧力的任意调节3。如今普遍采用的电液伺服系统能够克服上述缺点,而且具有响应速度快、控制精度高、承载能力大、自动化程度高等优点。但是电液伺服系统控制阀价格较贵、耗能严重、对油液污染比较敏感、控
31、制策略繁复和成本较高。本文提出了一种节能可靠性高、抗污能力强、成本低但又不失电液伺服系统控制精度的闭式液压控制 CVT。闭式液压控制是用电机、可双向转动的定量泵取代电液伺服系统中的电液伺服阀和变量泵,该系统的最大特点是充分发挥电机的特性而不用电液伺服阀。电动机驱动可双向转动的定量泵,定量泵直接驱动液压缸。通过改变电动机的正反转、电动机的速度和运转时间来控制主动轮液压缸的正反向、液压缸的速度快慢和位置,从而实现目标速比的调节。2.1 系统结构及工作原理 CVT 闭式液压控制系统采用闭式液压的原理,闭式液压电液伺服系统是伺服电动机技术和液压技术相结合的产物,是近十年来交叉学科相结合的技术成果。这种
32、电液伺服系统具有电动机控制的灵活性和液压大出力的双重优点,在一定的场合下,它可替代使用电液伺服阀的电液伺服系统,闭式液压电液伺服系统是靠改变定量泵的转速来改变其输出流量,达到调节执行元件速度的目的。工作时,伺服电动机始终处于高效的工作状态,其节能效果十分显著,采用伺服电动机后的系统综合节电通常可达 30以上,同时,它还能简化液压回路,减少液压系统的能量损失,而且可选用价格低廉,可靠性高的定量泵,提高了系统的可靠性并降低了系统的成本60-62 闭式液压控制电液伺服系统是用伺服电动机、可双向转动的定量泵取代了电液伺服系统中的电液伺服阀和变量泵,该系统的最大特点是充分发挥伺服电动机的特性而不用电液伺
33、服阀,伺服电动机驱动可双向转动的定量泵,定量泵直接驱动液压缸(作动器)。通过改变电动机的正反转、电动机的速度和运转时间来控制液压缸(作动器)的正反向、液压缸(作动器)的速度快慢和位置63。本文借鉴闭式液压控制电液伺服系统的原理,对原有闭式液压控制电液伺服系统进行改进,采用在汽车上可以实行的直流电机驱动液压系统,通过控制直流电机的正反转、速度和运转时间来控制 CVT 速比和夹紧力。CVT 闭式液压控制系统结构原理如图 2-1 所示,其液压回路包括速比调节的重庆理工大学硕士论文 8主液压回路和夹紧力控制回路。1直流电机 I;2油泵 I;3梭阀;4双向液压锁;5单向阀;6蓄能器;7油泵 II;8直流
34、电机 II;9高速开关电磁阀;10安全阀;11压力传感器;12主动轮液压缸;13从动轮液压缸 图 2-1 CVT 闭式液压控制系统原理图 由图 2-1 所示,速比控制回路由直流电动机 I、双向液压泵、梭阀、双向液压锁、主从动轮液压缸、负载、油箱和液压连接管路等共同组成。其中主、从动轮两个液压缸面积相等。双向液压泵、双向液压锁、双高速开关电磁阀和主、从动轮液压缸组成闭式油路,由直流电动机 I 向液压泵 I 提供动力,直流电机 I的转速、方向和运行时间由单片机控制,形成 PWM 调速式闭式液压系统。当电机正转时,主、从动轮液压缸向右移,且移动距离相等,这样主动轮工作半径变大,动轮工作半径变小,速比
35、增加。当速比增加到目标速比时,单片机控制直流电机I 停止运转,此后速比就保持在当前目标速比下,直到下次需要变速时电机重新开始运转才发生改变。同理当电机反转时速比减小,速比减小的量也是由电机的运转时间确定。另外 PWM 脉宽调制占空比越高,电机转动的速度就越大,这样液压缸运动的速度就越快,速比调节响应就越快。系统中梭阀的作用是使闭式油路无论速比增加还是减小均能给系统补充油液,防止双向液压泵的吸油口吸空。安全阀的作用是保证回路中的油压不超过系统设定的最大值。夹紧力控制回路由直流电机 II、油泵 II、蓄能器、单向阀、高速开关电磁阀、压力传感器、安全阀和主、从动轮液压缸组成。夹紧力控制回路主要是控制
36、金属带夹紧力的大小,来高效的传递扭矩。具体的实施是通过控制高速开关电磁阀的脉冲宽度调制(PWM)技术来调节的。系统中的两个高速开关电磁阀属于二位2CVT 闭式液压控制系统特点及原理分析 9二通阀,分别连着主回路和油箱,当电磁阀通电时(即电磁阀开)主回路与油箱接通。需要进行压力控制时,高速开关电磁阀的控制口进行开和关的交替动作,此时回路的流量以及油压的增量将与阀的变调率成正比。若要使控制回路压力升高,就延长电磁阀关的时间(占空比减小);反之,若要回路压力降低则延长电磁阀开的时间(占空比增加)。控制口压力的值通过压力传感器反馈至控制器,控制器将反馈值与目标值比较后,将相应的控制信号经放大器送到高速
37、开关电磁阀,根据脉宽调制工作方式,调整高速开关电磁阀开关的时间长短不同(即通过的平均流量不同),从而达到控制压力高低的目的。高速开关电磁阀阀采用锥阀结构,对油液清洁度要求低,泄漏量也比较小。回路中蓄能器可有效的稳定液压回路的压力波动。2.2 CVT 闭式液压控制系统特点 与现行的液压回路系统比较,这种新型的 CVT 控制系统具有如下突出的特点。(1)节能效果显著。由于用直流电机驱动液压泵工作从而避免了节流损耗和溢流、卸荷损耗。经初步计算一般情况下 CVT 传递 150NM 扭矩速比调节时直流电机消耗的最大功率不到 300 瓦。另外电动机与执行元件的液压缸可做到较为理想的功率匹配。(2)提高了系
38、统的寿命和可靠性,有效降低生产成本。由于用价格低廉、可靠性高的定量泵和锥阀(图中所有用到的阀)取代价格贵、精度要求高的滑阀(比例阀),克服了滑阀成本高,易受磨损,抗污染能力差,低负荷下运行时经济性差的缺点。(3)体积小、重量轻、效率高,可以实现高度集成一体化。2.3 本章小结 本章是 CVT 闭式液压控制系统基本理论的介绍,首先是闭式液压电液伺服系统介绍,其次是 CVT 闭式液压控制系统基本工作原理的叙述,其中包括 CVT 闭式液压控制系统基本结构、液压回路工作原理分析。最后介绍了 CVT 闭式液压控制系统的特点,通过本节对 CVT 闭式液压控制系统有了一个基本了解,为 CVT 闭式液压控制系
39、统的各方面性能的研究提供了理论基础。3CVT 闭式液压系统建模与仿真 10第 3 章 CVT 闭式液压系统建模与仿真 3.1 液压系统建模 3.1.1 CVT 闭式液压控制系统的简化 为了建立CVT闭式液压控制系统的数学模型,首先应对系统进行必要的简化。当夹紧力一定时,直流电机 I 调节泵 I 变速时,由于主动缸和从动缸面积相等,体积相同,假设金属带与锥盘间没有滑差,这样主动缸和从动缸就可以看做是对称缸结构,省略原系统中的非主要元件,液压系统模型可简化为一个泵控缸系统4,如图 3-1 所示。位移传感器负载补油系统M直流电机I直流电机控制器计算机控制系统液压缸 图 3-1 CVT 闭式液压控制系
40、统简化模型 3.1.2 直流电机的数学模型 由直流电机的电气方程和机械方程可求得直流电机转速相对于输入电压的传递函数模型为 H(S)=)()(sUsap=112+STSTTCmamc 式中:p直流电机 I 的输出角速度;cC 电机电势系数;mT 机械时间常数;aT 电气时间常数。重庆理工大学硕士论文 113.1.3 泵控对称缸系统的数学模型 CVT 闭式液压控制系统的主动缸和从动缸大小相等,假设工作油液的体积弹性模量为恒值;忽略管道压力损失、流体质量效应和管道动态的影响;液压泵和液压缸泄漏流动状态为层流;忽略补油系统的影响。根据流量连续方程和活塞力平衡方程建立动力机构的数学模型,活塞正向运动的
41、位移为:Y(s)=)12()()21()(222+ssssFsVAAsDhhhLetpp 式中:pD泵的排量,rm3;A活塞有效面积,2m;泄露系数,sm3;tV缸的总容积,3m;e液压缸油的体积弹性模量,2mN;LF外负载力,N;h液压固有频率,srad;h液压阻尼比。3.1.4 位移传感器数学模型 系统中采用的位移传感器是光电编码器,其频响远高于系统信号频率,而且线性度较好,所以,可以看作一个比例环节:bbKsYsU=)()(式中:bK为位移传感器增益,Vm。3.1.5 CVT 闭式液压液压系统综合数学模型 CVT 闭式液压系统数学模型经过简化可得到如图 3-2 所示的系统传递函数方图,其
42、中控制算法采用 PID 算法。PID(比例、积分和微分)控制以经典控制理论为基础。它是一种工业控制过程中应用较为广泛的一种控制算法,它具有原理简单,易于实现,稳定性好,适用范围广,控制参数易于整定等优点。PID 控制不需了解被控对象的数学模型,只要根据经验调整控制器参数,便可获得满意的结果。其中比例系数pK对系统的快慢、灵敏度和调节速度有直接影响,选择太小系统动作缓慢,增大后可提高系统动作灵敏度和调节速速,但是如果选择太大,容易引起系统振荡,使系统变得不稳定。积分时间系数Ti对系统的稳定性和系统稳态误差有直接影响,选择太小,容易诱发系统振荡;选择太大对系统影响削弱且不能减小稳态误差。微分时间常
43、数Td对系统稳定性的主要作用是减少超调量、缩短调节时间、容许加强比例控制,从而减小稳态误差,提高控制精度和改善动态特性等。但Td选择偏大偏小时,反而会诱发超调量增加和加长调节时间。只3CVT 闭式液压系统建模与仿真 12有选择适合时才可以获得比较满意的过渡过程。可见,不同的控制规律各有特点,对于相同的控制对象选择不同的pK、Ti和Td值,将会产生不同的控制效果1。图 3-2 CVT 闭式液压控制系统传递函数方框图 系统对给定输入信号的开环传递函数为:G(s)=)12)(1(22+sssTTsACDKhhhamcppid 3.2 系统的仿真 3.2.1 系统仿真参数的选取和计算 系统采用内啮合齿
44、轮泵,型号为 CB-B4B。泵流量为:Q=4minL,最大转速:n=1450minr,工作压力为 2.5Mpa。直流电机功率为 300W,电动机最大转速为1500minr。缸的直径为:D=125mm,缸的杠径为:d=70mm,缸的行程为:L=20mm(系统中的参数都是通过计算和样机要求最终确定的)。根据 CVT 闭式液压控制系统原理样机的实际结构,主要仿真参数为pidK=2;cC=0.003radSV;mT=0.02S;aT=0.01S;pD=2.76610rm3;A=8.423102m;e=700M 2mN;1311)(106=Pasm;tV=1.684103m;m=25kg;h=401.5
45、srad;h=0.15;LF=150N.重庆理工大学硕士论文 13CVT 闭式液压控制系统的开环传递函数为:G(s)=SSSS834000016600017011840012234+3.2.2 系统对不同信号响应的计算机仿真 在 MATLAB 的 SIMULINK 模块下建立系统的仿真模型,给系统输入不同的信号,并经过 PID 校正后得到系统的响应曲线,如图 3-3 所示。图中曲线 1 为给定输入信号,曲线 2 为响应曲线。图 3-3a 为系统对阶跃信号响应的仿真曲线,图 3-3b 是系统对斜坡信号响应的仿真曲线。图 3-3a 阶跃响应仿真曲线 图 3-3b 斜坡信号响应仿真曲线 3.2.3
46、仿真结果分析 从图 3-3a 可以看出当模型中活塞位移从零到最大位移 20mm 时即是 CVT速比从最小增加到最大传动比,时间在 2 秒之内,动态响应特性良好,这比目前普通 CVT 的调速性能要优良许多。从图 3-3b 可以看出系统对斜坡响应跟踪有一点点滞后,这可能是因为系统推动负载变速时,油液的压缩时间会增长造成信号跟踪滞后,以后的研究中通过优化控制算法可以消除。通过对系统的仿真分析,可以知道 CVT 闭式液压控制系统的快速性较好。3.3 本章小结 本章对 CVT 闭式液压系统进行了建模仿真,通过仿真分析,该系统能够快速准确的实现 CVT 目标速比。能够满足 CVT 对速比的控制要求,同时系
47、统的稳定性好,稳态误差小。4CVT 闭式叠加阀液压系统设计 14第 4 章 闭式叠加阀液压系统设计 汽车上 CVT 液压系统一般是插装阀结构,但是目前本系统还处在研发阶段,还不适合装车实验。为了便于实验,基于在现有试验台进行相对简单的改造,本文 CVT 闭式液压系统采用叠加阀设计。4.1 叠加阀简介 叠加阀是在板式阀集成化的基础上演化过来的,它不需要另外的连接体,而是以阀体自身作为连接体叠加而成。同一通径的叠加阀其油口和螺栓孔的大小、位置及数量都与相匹配的板式换向阀相对应。只要将相同通径的叠加阀按一定次序、一定规则叠加起来,再加上电磁阀或电液换向阀,然后,用螺母和螺栓紧固,即可组成所需要的液压
48、系统。叠加阀与普通液压阀在工作原理上差别不大,但在连接方式和具体结构上有其特点,因而它自成体系。叠加阀的分类与普通液压阀相同,按功用的不同分为流量控制阀、方向控制阀和压力控制阀。由叠加阀组成的液压系统特点:设计、生产周期短;结构紧凑、体积小;配置灵活、安装维护方便;标准化、通用化、集成化程度高;叠加阀可集中配置在液压站上,也可分散安装在设备上;当系统改变时可很方便地更换或增减叠加阀;使用安全可靠,外形整齐美观等特点;压力损失小,系统稳定性高;由于无管连接,消除了因油管和管接头等引起的漏油、振动和噪声 9。4.2 CVT 闭式液压叠加阀设计 通过对 CVT 闭式液压系统基本液压回路的分析以及叠加
49、阀、液压执行元件的选择,设计 CVT 闭式液压叠加阀回路,液压叠加回路图是已有液压系统原理图(图2-1)的一个等效转换。将选定的叠加阀,按一定规律设计成系统的液压叠回路图,各个叠加阀要用点化线画出,绘制叠加阀回路时一般应注意以下事项:(1)叠加阀、换向阀、基块之间的通径和连接尺寸应严格一致,并符合国家标准的规定。(2)液压泵、执行器、油箱等通过管接头和油管,与基块下底面或侧面的通油孔道相连接。板式主换向阀应布置在叠加阀组的最上面,兼做顶盖用,所有叠加阀应布置在主换向阀与底板块之间。(3)压力传感器应紧靠基块,否则,很难测出各点压力。重庆理工大学硕士论文 15(6)叠加阀原则上应垂直装,以避免水
50、平安装时因重力作用使连接螺栓发生拉伸和弯曲变形,叠加阀间产生向外渗油现象。(5)对于复杂的多执行器液压系统,为了避免阀体摞得过高,可使用多联基块连接出多摞阀。(4)回油路上的节流阀和调速阀等元件,应安装在紧靠主换向阀的位置,以减小这些元件后的背压,使回油或泄油畅通6。根据以上原则,设计出叠加阀原理图如图 4-1 所示:图 4-1 CVT 闭式液压叠加阀原理图 4.3 液压元件的计算与选取 4.3.1 系统工作压力的选择 系统工作压力的选择要根据设备类型和载荷大小而定,还要考虑执行元件的经济条件、装配空间及元件供应情况等。在载荷一定的情况下,工作压力太低,势必要加大执行元件的结构尺寸,从材料消耗