CVT闭式液压系统研究.doc

ＣＶＴ闭式液压控制系统研究
郝建军 吕威 卫建伟
（重庆理工大学 汽车零部件制造及检测技术教育部关键试验室, 重庆400050）

摘要: 提出了一个新型CVT液压控制系统, 介绍了该系统组成、 原理和特点, 并对其进行了相关理论分析和计算机仿真。结果表明, 这种新型CVT控制系统含有节能高效、 成本低廉、 可靠性高等很多优点。
关键词: 闭式液压 ; CVT; 建模; 仿真分析

Research on Closed Hydraulic Control System for CVT
Hao Jianjun Lv Wei Wei Jianwei
(ChongQing University of Technology, ChongQing 400050)
Abstract: A new type of Hydraulic Control System is presented ,the form 、 principle and characteristic for this System was introduced. Theoretics analysis and simulation of computer are also implemented. The results show that this new type of CVT control system has many advantages.For example,it can reduce the energy consumption and has the feature of high efficiency, low cost and high reliability.
Key words: closed hydraulic; continuously variable transmission; modeling; simulation and analyse

0 引言
最初开发CVT（无级变速器）为机液控制系统,其缺点是不能对主从动带轮油缸压力单独控制,难以实现夹紧力和速比任意调整【1】。现在普遍采取电液伺服系统能够克服上述缺点, 而且含有控制精度高、 响应速度快、 承载能力大、 自动化程度高等优点。不过电液伺服系统耗能严重、 控制阀价格较贵、 对油液污染比较敏感、 控制策略繁复和成本较高。本文提出了一个节能可靠性高、 抗污能力强、 成本低但又不失电液伺服系统控制精度闭式液压控制CVT。闭式液压控制是用电机、 可双向转动定量泵替换电液伺服系统中电液伺服阀和变量泵, 该系统最大特点是充足发挥电机特征而不用电液伺服阀。电动机驱动可双向转动定量泵, 定量泵直接驱动液压缸。经过改变电动机正反转、 电动机速度和运转时间来控制主动轮液压缸正反向、 液压缸速度快慢和位置, 从而实现目标速比调整。

1系统结构及工作原理
CVT闭式液压控制系统结构原理如图1所表示, 其液压回路包含速比调整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1 CVT闭式液压控制系统原理图

由图1所表示, 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, 这么主动轮工作半径变大, 从动轮工作半径变小, 速比增加。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, 以后速比就保持在目前目标速比下, 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, 速比减小量也是由电机运转时间确定。另外PWM脉宽调制占空比越高, 电机转动速度就越大, 这么液压缸运动速度就越快, 速比调整响应就越快。系统中梭阀作用是使闭式油路不管速比增加还是减小均能给系统补充油液, 预防双向液压泵吸油口吸空。安全阀作用是确保回路中油压不超出系统设定最大值。
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。夹紧力控制回路关键是控制金属带夹紧力大小, 来高效传输扭矩。具体实施是经过控制高速开关电磁阀脉冲宽度调制(PWM)技术来调整。系统中两个高速开关电磁阀属于二位二通阀, 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,高速开关电磁阀控制口进行开和关交替动作, 此时回路流量以及油压增量将与阀变调率成正比。若要使控制回路压力升高,就延长电磁阀关时间（占空比减小）;反之,若要回路压力降低则延长电磁阀开时间（占空比增加）。控制口压力值经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,将对应控制信号经放大器送到高速开关电磁阀,依据脉宽调制工作方法,调整高速开关电磁阀开关时间长短不一样(即经过平均流量不一样),从而达成控制压力高低目。高速开关电磁阀阀采取锥阀结构, 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稳定液压回路压力波动。
与现行液压回路系统比较, 这种新型CVT控制系统含有以下突出特点。
（1）节能效果显著。因为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。另外电动机与实施元件液压缸可做到较为理想功率匹配。
（2）提升了系统寿命和可靠性, 有效降低生产成本。因为用价格低廉、 可靠性高定量泵和锥阀（图中全部用到阀）替换价格贵、 精度要求高滑阀（百分比阀）, 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缺点。
（3）体积小、 重量轻、 效率高, 能够实现高度集成一体化。

2 液压系统建模与仿真
2 .1 CVT闭式液压控制系统简化
为了建立CVT闭式液压控制系统数学模型, 首先应对系统进行必需简化。当夹紧力一定时, 直流电机I调整泵I变速时, 因为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, 这么主动缸和从动缸就能够看做是对称缸结构, 省略原系统中非关键元件, 液压系统模型可简化为一个泵控缸系统, 如图2所表示。

图2 CVT闭式液压控制系统简化模型

2.2 直流电机数学模型
由直流电机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传输函数模型为H（S）==
式中: —直流电机I输出角速度; —电机电势系数; —机械时间常数; —电气时间常数。
2.3 泵控对称缸系统数学模型
CVT闭式液压控制系统主动缸和从动缸大小相等, 能够看成对称缸。假设工作油液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影响; 液压泵和液压缸泄漏流动状态为层流; 忽略补油系统影响。依据流量连续方程和活塞力平衡方程建立动力机构数学模型, 活塞正向运动位移为:
Y(s)=
式中: —泵排量, ;A—活塞有效面积, ; —泄露系数, ; —缸总容积, ; —液压缸油体积弹性模量, ; —外负载力, N; —液压固有频率, ; —液压阻尼比。

2.4 位移传感器数学模型
系统中采取位移传感器是光电编码器, 其频响远高于系统信号频率, 而且线性度很好, 所以, 能够看作一个百分比步骤:

式中: 为位移传感器增益, V／m。
2.5 CVT闭式液压液压系统数学模型
CVT闭式液压系统数学模型经过简化可得到如图3所表示系统传输函数方图, 其中控制算法用PID算法控制。

图3 CVT闭式液压控制系统传输函数方框图
系统对给定输入信号开环传输函数为:
G(s)=
3 系统仿真
3.1系统仿真参数选择和计算
系统采取内啮合齿轮泵, 型号为CB-B4B。泵流量为: Q =4, 最大转速: n=1450,工作压力为2.5Mpa。直流电机功率为300W, 电动机最大转速为1500。缸直径为: D=125mm, 缸杠径为:d=70mm,缸行程为: L=20mm。
依据CVT闭式液压控制系统原理样机实际结构, 关键仿真参数为=2; =0.003; =0.02S; =0.01S; =2.76; A=8.42;=700M ; ; =1.68;m=25kg; =401.5; =0.15; =150N.
CVT闭式液压控制系统开环传输函数为:
G(s)=

3.2 系统对不一样信号响应计算机仿真分析
在MATLABSIMULINK模块下建立系统仿真模型, 给系统输入不一样信号, 并经过PID校正后得到系统响应曲线, 如图4～5所表示。
图中曲线1为给定输入信号, 曲线2为响应曲线。图4为系统对阶跃信号响应仿真曲线, 图4是系统对斜坡信号响应仿真曲线。

2
1

图4 阶跃响应仿真曲线 图5 斜坡信号响应仿真曲线

从图4能够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, 动态响应特征良好, 这比现在一般CVT调速性能要优良很多。从图5能够看出系统对斜坡响应跟踪有一点点滞后, 这可能是因为负载引发系统油液泄露; 同时推进负载变速时, 油液压缩时间也会增加造成信号跟踪滞后, 以后研究中经过优化控制算法能够消除。
经过对系统仿真分析, 能够知道CVT闭式液压控制系统快速性很好, 能够满足CVT对速比控制要求, 同时系统稳定性好, 稳态误差小。

4 结论:
提出了一个新型CVT液压控制系统, 经过仿真分析, 该系统能够快速正确实现CVT目标速比。因为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, 通常情况下传输150NM扭矩速比调整时直流电机消耗最大功率不到300瓦。所以能最大程度节省燃油, 经济性好。

参考文件
[1] 贺林, 等.金属带式无级变速器电液控制系统[J].汽车工程, , 30（5） : 429-433
[2]
附:
作者介绍: 郝建军 男, 19——年生, 博士, 副教授, 山西大同人。身份证: 418173X(郭师兄身份证号)
研究方向: 机械传动 汽车测试技术
单位: 重庆理工大学
电话:
通讯地址: 重庆市九龙坡区杨家平兴胜路4号重庆理工大学269信箱