【正文】 ，間接的記錄了科學技術的發(fā)展，社會背景的改變和人類不斷實現(xiàn)完美追求的歷史。本學位論文屬于保密口，在年解密后適用本授權書。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。!。(5)對數(shù)字調壓閥進行了特性試驗，并將數(shù)字調壓閥應用至IJCVT電液控制系統(tǒng)中，在現(xiàn)有的試驗條件下進行了臺架試驗，試驗結果表明，該電液控制系統(tǒng)效果良好，具有一定的可行性，但由于試驗條件的限制，未能進行實車試驗。(2)分析了金屬帶式CVT的基本結構和變速原理，詳細闡述了其關鍵零部件， 并且對會屬帶式CVT的控制問題做了研究。r是必然趨勢。CVT變速器能夠實現(xiàn)傳動速比的自動連續(xù)變化，滿足駕駛者的各種駕駛意圖，有利于實現(xiàn)汽車傳動系統(tǒng)與發(fā)動機的最佳匹配與控制，具有操縱簡便、駕駛舒適、平順、性能良好等特點，是理想的汽車變速裝置。金屬帶式CVT具有較大的功率傳遞容量、較高的傳動效率、較長的壽命等特點，是目前世界上應用最廣泛的無級變速器。因此針對CVT電液控制系統(tǒng)研究和開發(fā)數(shù)字比例控制元件對于提高CVT控制性能和降低成本有很好的經濟和社會效益。(3)針對日益廣泛應用的比例控制技術提出了改進的電液控制系統(tǒng)，從而將數(shù)字比例控制技術應用至tlCVT中。本文的主要創(chuàng)新之處在于通過仿真分析和試驗，設計開發(fā)了適用于CVT電液控制系統(tǒng)的數(shù)字調壓閥，從而將數(shù)字比例控制技術應用于CVT電液控制系統(tǒng)中。垂堡竺童堊皇童壘!：i!絲墼壘至壘，一，一。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。不保密口。汽車是人類文明發(fā)展的標志，它的發(fā)展必須符合人類社會的發(fā)展要求。如歐洲早已提出了限制排放的歐III標準。汽車傳動系設計性能的好壞直接關系到整車主要的性能指標， 所以，為了達到節(jié)能與降低排放的目的，研究與改進汽車傳動系統(tǒng)，大力發(fā)展和應用速比能夠連續(xù)變化且具有等功率供應特性的無級變速傳動系統(tǒng)(CVT)將不失為一種理想的選擇。世界上很多汽車制造商都加大了對無級變速傳動系統(tǒng)的開發(fā)力度，相繼推出了自己的產品。當可移動的圓環(huán)面沿軸向移動時，兩環(huán)面問的輥子沿曲面滑動，改變與傳動軸的夾角，實現(xiàn)速比的變化。1958年，荷蘭DAF公司H．Van Doorne博士成功開發(fā)出了雙v型橡膠帶CVT(Variomatic)，并裝備在DAF公司的小型轎車上面。P811是以濕式多片離合器作為起步裝置，采用機液控制系統(tǒng)，而P821是以電磁離合器作為起步裝置，采用電液控制系統(tǒng)，兩者都是以外嚙合齒輪泵作為液壓源，并采用單回路液壓系統(tǒng)。該CVT的夾緊力和換擋控制仍然是采用VDT全液壓控制，不同之處是采用了電磁離合器作為起步裝置，從而起步離合器實現(xiàn)了電子控制，因而稱之為ECVT。該變速器裝在了帶有1．6升發(fā)動機96款的Honda Civic系列轎車上，并取得了成功。最早開發(fā)的用于轎車的CVT產品是KWGl5， 它的轉矩容量為130Nm；稍后又開發(fā)了幾種不同的樣機，如用于發(fā)動機前置前驅(FF)轎車的ZFCFTl3等系列CVT，以及用于發(fā)動機前置后驅(FR)轎車的ZFCRT20 和用于發(fā)動機縱向前置前驅的ZFCTT25。近年來，混和動力汽車在日本取得了很大的發(fā)展。其中東北大學在金屬帶的設計研究方面卓有成效。臺架與路面試驗進一步證實，所設計的電子控制系統(tǒng)、液壓模塊及工程化軟件完全滿足汽車的各項使用性能要求”1。一些主要的汽車廠開始從液力機械自動變速器過渡到CVT系統(tǒng)，或者直接發(fā)展CVT系統(tǒng)，或兩者兼有之。同時無級變速器的結構也越來越小巧和緊湊，加上對前輪驅動的無級變速器進行結構上的修改，使其可用于后輪驅動的汽車上，進一步增強了CVT的應用范圍”1。同時簡化了汽車行駛過程中的操作，減輕駕駛員的勞動強度，提高行車的安全性。在幾種無級變速器中，金屬帶式無級變速器效率最高，平均效率達到了90％以上，略低于MT，但是由于采用無級變速器的汽車能夠控制發(fā)動機始終在最經濟工作區(qū)工作，因此燃油經濟性方面有了很大的提高。HONDA公司Civic型汽車的對比試驗也驗證了以上結論：裝備傳統(tǒng)AT的Civic平均燃油消耗率為28／35mpg(城市／公路循環(huán)工況)，同一型號的汽車在裝CVT后為34／38mpg(城市／公路循環(huán)工況)。6碩上學位論文核心部件金屬帶由荷蘭VDT公司生產，以前價格比較昂貴(在1995年約占CVT 成本的30％)。(4)改善汽車尾氣排放汽車行駛時所排出的有害物質含量與發(fā)動機工作狀態(tài)有關，當發(fā)動機在非穩(wěn)態(tài)工況時，它所排出廢氣中的有害物質含量高。據(jù)資料介紹，在裝備有CVT汽車與5檔手動變速箱的汽車道路上作對比試驗時，裝有CVT車的燃油消耗少11．5％，碳氫化合物的排量少33％， CO的排放量少20％““。這主要包括瞬態(tài)情況下主從動帶輪的受力情況、傳動帶的滑轉和傳遞容量及傳遞效率、速比變化率的影響因素等，因為這些問題對改進帶的結構參數(shù)、延長帶的使用壽命及開發(fā)性能優(yōu)良的變速控制系統(tǒng)都是至關重要的““。(3)CVT動力傳動系統(tǒng)的綜合控制策略““。(2)分析了金屬帶式CVT的基本結構和變速原理，詳細闡述了其關鍵零部件。并且介紹了高速開關閥的結構和工作原理。特別是從1997年荷蘭VDT公司和BOSCH公司合并后，CVT傳動技術正在以更快的速度在歐洲并向世界各國迅速擴展，引起越來越多的汽車制造廠家的關注。用數(shù)字閥替代電磁比例閥，不僅簡化了液壓模塊，還克服了液壓系統(tǒng)諸多非線性因素導致控制系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定波動的技術問題““。一般無級變速傳動所形成的傳動比變化范圍是i=0．445～2．6。鑒于其更高的效率和更低的價格，已漸漸被使用(如Honda Civic)，預期有較好的前景。所以，在CVT 中常被采用，但成本較高。金屬傳動帶由兩百多個金屬片和兩組金屬環(huán)組成，每個金屬片的厚度為1．4mm，在兩側工作輪擠壓力作用下傳遞動力。圖2．2金屬帶結構匿2．3主動軸鋼球滑道結構(4)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是用來實現(xiàn)無級變速器系統(tǒng)傳動比無級自動變化的。(5)液壓泵為CVT傳動系提供控制、冷卻和潤滑的液壓油源。2．1．2無級變速器的傳動原理無級變速器的變速原理很簡單，但也很巧妙。金屬帶式無級變速器的變速原理如圖2．4所示。反之，相當于高檔行使。(2)根據(jù)汽車的運行條件，按駕駛員選定的工作模式自動改變傳動比使發(fā)動機維持在理想工作點。②速比控制：在汽車的所有運行工況條件下，為滿足它的燃油經濟性和動力性的要求，應使傳動系的速比在汽車的阻力和發(fā)動機輸出功率之間，按駕駛員的意圖自動實現(xiàn)動態(tài)最佳匹配，把汽車經濟性、動力性發(fā)揮到最佳狀態(tài)，這就是CVT 傳動系的第二個控制目標。只有這三個方面的控制都達到最佳狀態(tài)，才能充分發(fā)揮汽車的各項性能指標。2．2．1目標夾緊力控制為了提高傳動效率，必須合理控制對金屬帶的夾緊力。根據(jù)汽車的運行條件，始終把夾緊力控制在目標值的最小范圍內是CVT傳動系的另一個控制問題““。為使金屬帶維持在穩(wěn)定的節(jié)圓位置上，必須在主動缸上作用一個推力，使它與從動缸的推力通過金屬帶在主動輪上產生的軸向負荷相平衡?！?。由上面兩式得金屬帶無負載時，主、從動輪推力之比為： 紐：塑竺圭坐堂!王坐幽塑竺壘QaN 、Tj“ANRtana切na177。實際上，當被動缸的壓力給定以后，金屬帶能傳遞的最大轉矩取決于許多因素。2．2．2速比控制CVT的速比可以定義為主動輪和從動輪的轉速之比，即： f：墮：旦(2．6) 擰nⅣ 珂Ⅲ 式中：HDR～主動輪輸入轉速： l39。輪處在最小節(jié)圓半徑時，得到最大傳動比k=芒通常CVT傳動裝置的最大傳動比為2．5。o／n2，i,m胛。如要求將發(fā)動機輸出功率都保持在最低油耗的轉速下工作，則可以實現(xiàn)發(fā)動機按最小燃油消耗工況運行，此時發(fā)動機節(jié)氣門14開度與發(fā)動機轉速的關系即為發(fā)動機最佳經濟性轉速調節(jié)特性。把這兩條曲線在兩維平面上繪制出來，就得到發(fā)動機最佳動力線s和最佳經濟線E(見圖2．6)。同理，當節(jié)氣門的開度連續(xù)變化時，通過無級變速器自動改變速比使發(fā)動機的轉速按S線滑動，這就是CVT的所謂S一模式(動力模式)。在發(fā)動機理想經濟工作線上，發(fā)動機節(jié)氣門開度與轉速和轉矩的關系是一一對應的。發(fā)動機的最佳動力性曲線也標在圖2．7中。由于受傳動器最大結構尺寸的限制，最小速比越小就意味著金屬帶的工作半徑越小，過小的金屬帶工作半徑會在金屬帶中會產生極大的彎曲應力和張力，使金屬帶的使用壽命大大地降低。圖2．9和圖2．10分別給出了發(fā)動機最佳經濟性和最佳動力性的目標速比圖，它可以存儲在傳動系控制器記憶單元中作為目標速比““”1。起步時離合器控制目標是提高起步過程離合器的平穩(wěn)性，延長離合器的使用壽命，減小發(fā)動機轉速的波動，以降低噪聲和排放、提高經濟性。離合器的結構形式多種多樣，但它們的工作原理可由示意圖2．11表示。當主、從動盤達到同步轉速時，則被鎖定為一體，成為單自由度的力學系統(tǒng)。也就是說，合理地確定起步過程中離合器片間正壓力，是實現(xiàn)離合器平穩(wěn)迅速起步并降低其壽命的關鍵。模糊控制離合器系統(tǒng)作為裝備無級變速汽車的起步離合器，結構簡單、緊湊，可靠性好，并能正確估計駕駛員的意圖和汽車起步條件。2．3本章小結本章對CVT的結構進行了簡要分析，簡單介紹TCVT的主要組成零部件以及如何實現(xiàn)速比的連續(xù)變化；詳細分析了CVT的核心控制問題即速比控制和夾緊力控制的原理以及起步離合器控制的關鍵點，包括了目標速比的確定，根據(jù)受力分析得出了目標夾緊力的計算公式，這為CVT電液控制系統(tǒng)的設計和速比及夾緊力的控制奠定了理論基礎。主動缸與回油路相通，主動輪的可動部分與固定部分的距離增大，使金屬帶沿帶輪表面滑動至最大速比處，以獲得最大的起步加速度。由皮托管感應的壓力分成兩路： 一路引入到速比閥的右端，克服速比閥彈簧的張力，又使閥芯向右移動，逐漸增加主動缸的壓力。圖3．1金屬帶式無級變速機械一液壓控制系統(tǒng)20這種機液控制系統(tǒng)用較少的液壓閥就可實現(xiàn)系統(tǒng)的速比及壓力控制，但存在如下的問題：不能對主、從動油缸的壓力進行獨立的控制，它僅能根據(jù)固定的變化關系控制，控制策略單一，不能滿足不同行駛工況的要求，因此很難實現(xiàn)夾緊力和速比的任意控制；CVT液壓控制系統(tǒng)的工作壓力高，不能實現(xiàn)速比和夾緊力的精確控制，造成系統(tǒng)的液壓損失增大；控制系統(tǒng)的可移植性差，一種控制系統(tǒng)只能針對一種車型，不能適用別的車型，只要傳動系和汽車參數(shù)變化，都必須改變控制系統(tǒng)的結構尺寸。所以電液控制系統(tǒng)比機液控制系統(tǒng)在汽車的經濟性、動力性、舒適性、和操縱性等方面都得到明顯的改善。在設計液壓控制系統(tǒng)時，在實現(xiàn)系統(tǒng)的設計功能的前提下，應考慮系統(tǒng)的成本、可靠性等方面的限制。在CVT液壓控制系統(tǒng)中，為保證發(fā)動機轉矩安全傳遞，從動輪油缸的壓力最高，因而夾緊力控制對系統(tǒng)的效率有很大的影響：其次是主動輪油缸的壓力；最后是離合器油缸壓力和潤滑及冷卻系統(tǒng)。圖3．2控制系統(tǒng)框圖基于以上的液壓系統(tǒng)的設計原則，本文采用了如圖3．3所示的液壓控制系統(tǒng)。離合器控制回路由離合器調壓閥(高速開關閥)控制離合器油缸壓力，經過離合器控制閥，進入到前進離合器或倒檔離合器，實現(xiàn)汽車的起步。ECU輸入信號有壓力或位移模擬信號、轉速數(shù)字信號和I／O邏輯信號，其中模擬信號要經過A／D轉換才能被ECu接受。這種交變電壓經過整形電路處理后形成方波信號，放大后輸入到計算機的中斷信號端。在控制過程中，系統(tǒng)根據(jù)得到的檔位，接合相應的離合器，然后對輸入信號采集和處理，根據(jù)控制策略計算得到相應的傳動比，然后，ECU輸出相應的數(shù)字信號，經接口電路直接驅動速比和夾緊力控制閥來調節(jié)離合器或主從動輪油缸的壓力，進而調節(jié)夾緊力和速比，使得汽車按照駕駛員的操作模式行駛。當目標夾緊力確定以后，剩下的問題是通過液壓驅動機構實現(xiàn)目標夾緊力的變化規(guī)律。根據(jù)試驗驗證，數(shù)字調壓閥可以實現(xiàn)比較精確的開環(huán)控制，無需對從動輪油缸壓力進行實測反饋，因此直接發(fā)送脈沖信號控制步進電機就可以實現(xiàn)我們需要達到的控制油壓。3．2．2速比控制策略發(fā)動機的最佳經濟性或動力性工作線代表了穩(wěn)態(tài)或恒功率運行時的匹配策略，通過控制發(fā)動機節(jié)氣門開度和速比可以控制穩(wěn)態(tài)時發(fā)動機沿著駕駛員選定的工作線工作。速比專家PID控制系統(tǒng)如圖3．6所示。速比控制閥根據(jù)控制信號的變化，調節(jié)主動帶輪油缸內的壓力， 實現(xiàn)速比的變化。已有的電磁比例閥靠電磁力推動調壓彈簧來調壓，由于閥心上的作用力有瞬態(tài)及穩(wěn)念液動力、閥芯與閥套問的摩擦力和液壓卡緊力等不確定力，導致閥在往復工作過程中有較大的滯環(huán)，使得壓力控制精度較低，平穩(wěn)性差。3．3．1數(shù)字比例技術的發(fā)展電液伺服控制閥是一種自動控制閻，它既是電液轉換元件，義足功率放大元鬻仨亨} 印_ 同中件，其功用是將小功率的電信號輸入轉換為大功率液壓能輸出，從而實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)執(zhí)行器位移、速度、加速度和力的控制。電液比例閥多用于開環(huán)液壓系統(tǒng)中，實現(xiàn)對液壓參數(shù)的遙控，也可以作為信號轉換與放大元件用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。在這種技術要求下，20世紀80年代初出現(xiàn)了電液數(shù)字控制閥。如下表3．1所示為幾種閥的性能比較““圳。計算機發(fā)出脈沖序列經驅動器放大后使步進電機工作。有時，閥中還設置用以提高閥的重復精度的零位子傳感器和用以顯示被控制量的顯示裝置”.。計算機輸出的數(shù)字信號通過脈寬調制放大器調制放大后使電氣一機械轉換器工作，從而驅動液壓閥工作。.。PWM脈寬調制原理：脈寬調制全稱為脈沖寬度調制PWM(Pluse Width Modulation)，是一種通過調節(jié)控制方波信號的占空比大小，即有效脈沖信號的寬度的方法，來實現(xiàn)對輸出開關量導通時間及導通順序的控制，以達到調節(jié)輸出的目的”“。當線圈斷電時，供油球閥6在供油口和控制口壓差的作用下向左運動，使回油球閥4