泵控CVT液压系统设计与仿真研究

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金属带式无级变速器(CVT)可以实现传动比的连续变化，更容易实现动力传动系的综合控制，故能充分地发挥发动机的特性，更好地提高汽车的燃油经济性、动力性、排放性能、驾驶舒适性及行驶平顺性，被认为是汽车的理想传动形式。此外，安装有 CVT的汽车，可使发动机在最佳的区域工作，因此可以达到节油的目的。但油耗与采用 MT的汽车持平 J，其主要因为就在于 CVT液压加压系统耗能，如能避免较多的能量损耗，就可以更好地达到节油的目的。因此，在此基础上提出了-种改进的泵控液压闭式回路系统，利用双向液压泵控制速比，省去大昂贵的换向阀，避免了电液控制系统中速比控制和夹紧力控制存在互相牵扯、干扰的缺陷，油压回路和速比回路的液压泵动力源均采用直流电机，整个 CVT动力系统便能更好地得到控制；由于阀控系统都是开式回路，油液使用量大，处理废油时会产生环境污染问题，附加的冷却装置也进-步增大了系统装机功率和成本，发热也是造成液压系统发生故障的主要原因之- 。利用闭式双向液压泵则大大改善了液压系统的发热问题。目前，国内对液压升降机、船舶舵机、液压机等直驱式泵控液压系统进行了较为深入的研究，都取得了实质性的成果 ]。

在国外，对 CVT液压系统的研究主要集中存新型 CVT液压系统的设计开发和减少功率损失上面1. 者Bbradley等人采用伺服泵控液压缸取代阀控液 缸结构，减少了能耗，提高了速比的控制精度 。 此，冉驱式泵控技术可以成为 CVT液压系统新的发展趋势。

1 液压回路及其数学模型如图 1所示为泵控 CVT液压系统的原理 .其中，主、从动轮缸大/bN等。系统是-个典型的容积渊速的闭式液压回路。由定量泵供油并给主、从动缸提供夹紧力，双向液压泵控制速比；执行机构包含有两个直流电机。双向液压泵选用内啮合齿轮泵，因为它与叶片泵相比，转速.流量特性曲线非常线性，冈此特别适用于系统闭环控制[61。该泵控回路系统还有 -个特点是用-个低压蓄能器通过两个单向阀对主 、从动液压缸两腔预压紧，提高了泵控系统固有频率和负载刚性，使系统具有与阀控原理类似的特性，同时也向两收稿日期：2012-06-25基金项目：重庆市科技攻关计划项目资助(cstc201lggB60010)；重庆市教委项目资助(Kjzhl02l 1)作者简介：郝建军 (1963- )，男，山两晋中人 ，副教授， ：主要从事液压传动与汽车测试技术研究工作。

2013年第l期 液压与气动 23侧油路补充流量，而液压泵的泄漏也引到低压油箱。

系统结构简单 ，阀类零件较少，因此控制简单、成本低廉。

1.直流电机 I 2.液压泵 3.蓄能器 4.单向 5.双向液压泉6.直流电机 II 7a.主动轮液压缸压力传感器7b.从动轮液压缸压力传感器 8.主动轮液压缸 9.从动轮液压缸图 1 泵控 CVT液压回路原理图1.1 径向摩擦力对推力比的影响图2为泵控液压变速回路的简化模型。由于金属带在变速过程中，与锥盘有较大的摩擦力。因此在建模过程中必须考虑其摩擦力。图 3、图4为滑块受力分析图，其 中摩擦阻力主要 以径 向摩擦力 F 为主。

图2 泵控 CVT液压回路简化模型图3 增、减传动比时主、从动轮摩擦力分析图4 金属块、金属环受力情况假定在空载条件下，由于此时金属带传递的转矩为零，则金属带在运动的切向方向传递的力为零，于是在径向方向的当量摩擦因数达到最大值。

当传动比减小时，主动轮摩擦力沿锥盘向内，从动轮沿锥盘向外。忽略推块压缩力 E和离心力的影响列出平衡方程：主动轮：FDRNDR(c0s DRsina)RDR0DR (1)C F NDR(sina- DRcos ) (2)厶 从动轮：FDNNDN(cos - DNsin)RDN0DN (3)F NDN(sina DNcos ) (4)二式中：N。 N。 -- 主、从动带轮法向力，N、F -- 主、从动带轮总推力，N0。 、0。 -- 金属带在主、从动轮上的包角。 、 。 - - 主、从动轮径向当量摩擦因素在空载条件下，金属带内的张紧力处处相等。带对轮的正压力在主、从动轮上的接触弧上也相等l 。

在接触弧上取-微元(如图4右)，则张紧力 5对正压力 SF之间的关系可以简化为：SF苦 (5)由式(1)～(5)可得金属带空载时，主、从动轮推力之比为：FDRFDN1 DRtana tana DN 0DRtana- DR 1- DNtan 0DN (6)同理，当传动比增大时，主动轮摩擦力沿锥盘向外，从动轮摩擦力沿锥盘向内，主、从动轮推力比为：F DR 1- DRtana tana ～ DN 0DR，1、 )由此可以看出：推力比不仅与包角成比例，且始终受到摩擦系数的影响。假设摩擦因数为常数，由式(6)、(7)可得空载时推力比 与传动比i的关系如图5∩知，传动比在增大过程与传动比减小过程中推力比与传动比曲线并不重合。在两条曲线问，主、从擐.匿暴靶图5 推力比与传动比的关系24 液压与气动 2013年第 1期动带轮在摩擦力的作用下处于某-定传动比状态，且在不I司传动比下摩擦力随之变化。

1.2 直流电机 系统模型于汽车上的电源主要以直流为主，所以选用直流电机作为动力源。直流电机是-个二阶系统，以转速 曰 和电枢电流 i作为状态变量，电枢电压 作为控制输入，则根据直流电机电压平衡方程和动力学方程叮得系统的状态空问方程 ：f - iR-Kl 可 .， 可 -式中：可 -- 直流电机 II的输 角速度71.-- 负载转矩- - 转矩系数K. -- 反电动势系数，J-- 电枢电感./-- 电机及负载转动惯量- - 粘滞系数R-- 点数电阻1.3 泵控缸 系统模型1)泵控缸流量方程 ：，f1 D。，-c (Pl-p2)-C (Pl-P )V(pl- ) 式中：，fl-- 泵的转速，rad/sD -- 泵的排量，Il /radC.，-- 泵与缸内部泄露系数和，(m /s)/PaC -- 液压缸外部泄漏系数，液 缸外部几乎无外泄漏，凶此忽略不计，(nl /s)/Pa..- - 系统的有效体积弹性模数(包括液体 、连接管道和T作腔的机械柔度)，取值700 MPap -- 主动轮液压腔的压力，PaP，-- 从动轮液压腔的压力，Pa- - 高压液压腔容积，m。

设 V y式中 ，为高压腔平衡点的容积；A为高压腔有效 l 作面积； 为缸的位移，求导可得： A22)采控缸力平衡方程系统存初始状态下主、从动轮液压缸都有施加了等大小的 强来保证缸对钢带的夹紧力，其压强大小影响着摩擦力的大小 因此，在缸移动时，受到摩擦阻力作用。

当传动比减/J，m：m B，yKsY(J1) APl-当传动比增大时：，n B yKsYJ)IAP2-/式中：m-- 缸及系统总质量，kgB . - - 系统粘性阻尼系数，N·s/m- - 系统的弹簧刚度，N/m厂-- 库伦摩擦力，NQnR-- 为被动轮的夹紧力转换钊丰动轮油缶J的轴向负荷，Q。 -却 ，，vQ -- 为主动轮的夹紧力转换到从动轮油缸的轴向负荷，Q。 -却 ， 。

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，rJ以看作-个比例环节：，Y (s1 -式巾：K.、为位移传感器增益，V/m。

2 夹紧力控制系统设计同前大多数研究的夹紧力控制和速比控制是相可耦合的，即夹紧力变化必然要引起速比的变化 埘j传统的 CVT液压回路，若夹紧力不町控，对汽/：能源的损耗将会增加 5% -10%。然而，夹紧力和速比控制相互耦合 ，使其控制复杂。为使控制简单，H能尽越减少汽车的耗能。本液压回路系统采用定夹紧 的力式，始终保证两端液压缸在大转矩 F所需的最行紧力，保证其钢带在传递扭矩过程中不会打滑以致磨损对于该液压回路，定夹紧力系统使整个系统变得更加节能，如图6所示。

图 6 夹紧力控制系统3 速比控制系统设计泵控 CVT的控制单元单片机通过获得驾驶 意图(包括加速踏板 、制动踏板等)以及车辆的运行状态(包括发动机转速、车速、节气门位置 、冷却水温度等)。根据设定的控制规律，单 片机控制单死确定川：驾驶员的意图及路面情况，采用相应的控制策略斤发控制指令2013年第1期 液压与气动 25图7 速比模糊控制系统由于 CVT传动系统的非线性特性、电机控制特性和液压控制系统，采用参数自整定模糊控制器控制速比效果较为理想。通过模糊控制器调节主动轮油缸位移，跟随目标速比的变化∝制器的输人是 目标位移与实际位移的偏差和偏差的变化率，输出是控制位移直流电机的占空比，如图7所示。

4 仿真及结果分析该系统采用 内啮合齿轮泵，型号为 CB-B4B。泵流量为：Q4 L/min，最大转速：n1450 r/min，最低工作压力为 3 MPa。直流电机功率为 250 W，电动机最大转速 1500 r/min。缸的直径为：D125 IBm，缸的杠径为：d70 mil，缸的总行程为：L20 mnl。

根据 CVT液压控制系统原理样机的实际结构，主要仿真参数为；D 2.76×10 in。/r； 8.42×10in ； 。 700 MPa；Ci。 6 × 10。。 in /s·Pa～； 1.68× 10- in ：m25 kg。利用 Matlab软件建立采用参数 自整定模糊PID控制算法的仿真模型。在输入端给目标值为 10 mm的-个位移信号得出的曲线图如图8所示：时间/1O.8丑 0.6稃迎 0.40.20时间/s图8 CVT各参数响应值由图8可以看出，泵控回路系统具有较好稳态性，但位移控制量存在-定的误差 ，这是由于受到径向摩擦力变化的影响，传动比减小过程中，径向摩擦力处于增加状态，而位移的偏差和偏差的变化率逐渐减小的缘故，但总体精度较高，满足目前设计要求。主动缸在0.4 S左右压力达到5.3 MPa，之后趋于稳定。此时主从动轮压力比为 1.76，与图4计算结果相近。因此，径向摩擦力对推力比存在重要影响，不可忽略。

通过对系统的仿真分析，泵控 CVT液压系统的快速性较好，能够满足 CVT对速 比的控制要求，同时系统的稳定性好，稳态误差校5 总结(1)针对 目前的 CVT液压回路系统存在的问题，设计了由双向液压泵控制速比回路，单向液压泵控制夹紧力回路的泵控 CVT液压控制系统；(2)泵控电液控制系统在节能、降低噪声、提高精度和稳定性等方面均优于传统液压系统。此外，如果能开发专用伺服泵，改善其低速性能并提高速比，对泵控 CVT系统性能的提高具有重要的意义；(3)系统整体设计合理、结构严谨、便于维护，故障的处理也得到简化，具有进行更深入研究的价值。