CVT闭式液压系统研究.docx

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重点实验室，重庆400050 ）摘要：提出了一种新型的CVT液压控制系统，介绍了该系统的组成、原理和 特点，并对其进行了相关的理论分析和计算机仿真结果表明，这种新型的CVT 控制系统具有节能高效、成本低廉、可靠性高等诸多优点关键词：闭式液压；CVT;建模；仿真分析Research on Closed Hydraulic Control System for CVTHao 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 analyseo引言最初开发的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汕缸的压力 单独控制,难以实现夹紧力和速比的任意调节［，1。

如今普遍采用的电液伺服系统能够克服上 述缺点，而且具有控制精度高、响应速度快、承载能力大、自动化程度高等优点但是电液 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 文提出了一种节能可靠性高、抗污能力强、成木低但乂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 阀和变暈泵，该系统的最人特点是充分发挥电机的特性而不川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 时间來控制主动轮液压缸的止反向、液压缸的速度快慢和位置，从而实现目标速比的调节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所示，其液压回路包括速比调节的主液压回路 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—蒂能器；7—油泵II ； 8—直 流电机II ; 9—高速开关电磁阀；1（1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所示，速比控制回路由直流电动机1、双向液压泵、梭阀、双向液压锁、主从动 轮液压缸、负载、油箱和液压连接筲路等共同组成。

其中主从动轮两个液压缸面积相等双 向液床泵、双向液压锁、双高速开关电磁阀和主、从动轮液床缸组成闭式油路，山ft流电动 机1向液压泵I提供动力，直流电机I的转速、方向和运行时间山单片机控制，形成PWM 调速式闭式液压系统当电机正转吋，主、从动轮液压缸向右移，H移动距离相等，这样主 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吋，单片机控 制直流电机I停止运转，此后速比就保持在当前口标速比下，直到卞次需要变速吋电机重新 开始运转才发牛改变同理当电机反转时速比减小，速比减小的量也是市电机的运转时间确 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川是使闭式汕路无论速比增加还是减小均能给系 统补充油液，防止双向液床泵的吸油I I吸空安全阀的作用是保证冋路中的油床不超过系统 设定的最人值夹紧力控制回路由直流电机II、油泵II、蒂能器、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冋路主要是控制金属带夹紧力的大小， 來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）技术來调 节的。

系统中的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）主冋路与汕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，此时冋路的流量以及汕压的增最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）；反乙,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吋间长短不同（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•漏量也比鮫小回路中 蒂能器可有效的稳定液压回路的压力波动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） 节能效果显著山于用直流电机驱动液床泵工作从而避免了节流损耗和溢流、卸荷 损耗另外电动机与执行元件的液压缸可做到较为理想的功率匹配2） 提肓了系统的寿命和可靠性，有效降低生产成本由于川价格低廉、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），克服了消阀 成木高，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液压系统建模与仿真2 .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对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，如图2所示液压缸图2 CVT闭式液压控制系统简化模型2.2直流电机的数学模型由直流电机的电气方稈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)=恥)一 1/C匕⑴gsps + i流电机I的输出角速度；电机电势系数；佥一机械时间常数；乙一电2.3泵移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人小相等，可以看成对称缸假设工作油液的体 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，活塞正向运动的位移为：Y(s)=A A2C2 占Hr+ 2d + i)3( 3h式中：D厂泵的排量，加7厂;A—活塞有效面积，m2； >1-泄露系数，m3/s :匕一缸的总容积，m3 ； Q—液压缸油的体积弹性模呈，N/ m2 ； Fl—外负载力，N； coh—液压固冇频率，radj s ；仏一 液压阻尼比。

2.4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，对以看作一个比例环节：r（5） “式中：K”为位移传感器增益，V/m2.5 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所示的系统传递函数方图，其中控制算 法用PID算法控制图3 CVT闭式液床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) =50C2 zfAC>(7；7> + l)(「+ 2^s + l) 吋 53系统的仿真3.1系统仿真参数的选取和计算系统采用内啮合齿轮泵，型号为CB-B4Bo泵流量为：Q =4 L/min，最大转速：n=l450r/min , 工作圧力为2.5Mpac直流电机功率为300W,电动机最大转速为1500r/min 0缸的丸径为: D= 125mm,缸的社径为:d=70mm,缸的行程为:L=20mmo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Kpid =2 :C（ =0.003 V • S/rad ; Tm =0.02S; Ta =0.0IS; Dp =2.76 xl0“ m3/r ; A=8.42 xlO"3 m2 ; J3c =70（）M N/ m2 ； zl = 6x10"（加/$）• Pd"; 匕= 1.68x10"加\m=25kg; coh=40\.5 rad/ s；乙=0.15; FL=150N.CVT闭式液压控制系统的开环传递函数为：G(s)二11840012S4 +170S3 +166000S2 +83400003.2系统对不同信号响应的计算机仿真分析在MATLAB的S1MUL1NK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4〜5所示。

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的仿真曲线, 图4是系统对斜坡信号响应的仿真曲线图5斜坡信号响应仿真曲线图4阶跃响应仿真曲线从图4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 増加到最大传动比，时间在2秒之，内，动态响应特性良好，这比H前普通CVT的调速 性能要优良许多从图5町以看出系统对斜坡响应跟踪有一点点滞示，这可能是因为 负载引起的系统汕液泄露；同时推动负载变速时，汕液的压缩时间也会增长造成信号 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，能够满 足CVT对速比的控制要求，同时系统的稳定忖^了，稳态误差小4结论：提出了一种新型的CVT液压控制系统，通过仿真分析，该系统能够的快速准确的实现 CVT H标速比由丁•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， 一般情况下传递150NM扭矩速比调节时直流电机消耗的最大功率不到300瓦因此能最大限 度的节省燃油，经济性好参考文献[1] 贺林，等.金属带式无级变速器电液控制系统[J].汽车工程，2008 , 30 (5) : 429-433[2]附：作者简介：郝建军男，19——年生，I専士，副教授，山西大同人。

身份证：14060219830418173X(郭师兄的身份证号)研究方向:机械传动汽车测试技术单位：垂庆理工大学：02368667370通讯地址：重庆市丿L龙坡区杨家平兴胜路4号重庆理工人学269信箱。