汽车无级变速器液压系统的建模与分析

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20 0 8年 2月

机床与液压MACHI OOL& HYDRAUL CS NE T I

Fb 20 e.0 8 V0. 6 No 2 13 .

第3 6卷第 2期

汽车无级变速器液压系统的建模与分析熊新，王玮玲，王琪，李书伟，吕红明(盐城工学院机械工程学院，江苏盐城 24 0 ) 2 03摘要：通过对汽车无级变速器液压系统的结构分析，采用了传递函数法与灰箱建模法相结合的办法，建立其数学模型，并进行了稳定性分析和其它动态特性分析，证明了建模理论的可行性，为同类液压系统分析提供了一定的理论依据。 关键词：无级变速器；液压系统；建模中图分类号：T 17 3 H 3.3文献标识码：A 文章编号：10—38 (0 8 0 1 8 1 20 )2— 8 3 0 3—

M o e i g a d Ana y i f Hy r ul y t m fAu o o l d ln n l sso d a i S s e o t m bi CVT c e

XO GXn I N i,WA G We ig N in,WA G Q,L h w i V H nmig l N i IS u e,L o g n ( c ol f c a i l nier g a ce gIstt o eh o g,Y n hn i gu2 4 0,C ia S ho o Meh n a E g ei,Y n h n ntue f c nl y a c egJ n s 2 0 3 hn ) c n n i T o aA s at h t cueo.o t uul vr bet nm si ( V bt c:T es utr f ni os ai l r s i o C T)o u m b ew saa zd cm iigtem t do r r c n y a a sn fat o i a nl e, o bnn eh f o l y h ot n￣rf n t n wi r y b x mo ei g t e mo e a o sr c e, te sa i t d oh rd n mi p r r n c s wee a ay e . r s c i t g e— o d l, h d l W c n t t d h t l y a te y a c ef ma e r n ls d a u o h n s u b i n o h d l s p o e e n e,a d i p v d ss me t e r t a a i o e a ay i o h i lrh d a l y tm. T e mo e a r v d r a

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Kew rs o t uul vr l t nm si ( V ) y od:C ni os ai e r s i o C T;H dal yt n y b a a sn yrui ss m;M e n c e d i o lg

通常的建模方法如解析法、功率键合图法和传递函数法等，只要方程的系数确定了，模型便确定了，这就要求对所研究的系统的结构、尺寸和性能等作全

1汽车金属带式无级变速器液压系统简介 汽车金属带式无级变速器及液压系统结构如图 2所示，由 呈 V型槽的主动轮、 从动轮和金属带组成，它的作用原理是利用液压控制系统调

面的了解，即将系统视为“白箱”,才能准确地确定出其数学模型。在汽车金属带式无级变速器液压系统的建模过程中，为了解决数学模型的准确性问题，我们引入一种新的建模方法——“箱”建模法与传灰递函数相结合的方法。一

“灰箱”建模法是一种理论与实验辨识相结合的种建模方法。其步骤是，首先利用数学分析方法根

据元件在系统中的功能和作用建立元件 (或子系统 ) 的数学模型，然后根据系统拓扑结构分析、节点特征和元件作用、节点拓扑约束条件和边界约束条件将子系统模型组成液压大系统模型…。如图 1所示。利用灰箱建模的中间结果，进行传递函数建模，将会取得较合理的结果。

节两带轮可动端的轴向作用力，控制金属带在主、从动轮间径图 2汽车金属带式无级变向移动，使主、从动速器液压系统示意图轮的作用半径发生变

化，实现传动比的无级变化。其液压控制系统示意图 如图 1所示，该系统可以看成一个液压伺服系统，液压泵直接由发动机驱动向系统提供压力油，液压泵输出的压力油一部分直接进入从动轮液压缸，其压力由 夹紧力控制阀调节，以控制金属带的夹紧力，另一部分压力油经速比控制阀后进入主动轮液压缸，以控制无级变速器传动速比无级变化的建立

。

2汽车金属带式无级变速器液压系统数学子模型2 1液压系统拓扑结构图的建立 .图 1汽车金属带式无级变速器液压

系统“灰箱”建模法的步骤收稿日期：2 0 0 0

0 7— 4— 9

利用“箱”建模法对汽车金属带式无级变速灰器液压系统进行建模，通过对该系统进行功能分析和拓扑结构分析，可以建立与原液压系统等价的用节点

作者简介：熊新，男，汉族，盐城工学院机械工程学院讲师，研究方向：汽车电器与液压。电话：0 1 5 5—33 2 2 196,1 9 1 91 7 3 6 9 3 8。 E—ma l in xn 9 6 1 6 c m。 i:xo g i l 7@ 2 . o

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第3 6卷

和元件 (系统 )表示子的液压系统拓扑结构图， 如图3所示。图中符号意义如下：

q 2 z D+Ap D+ =A z G z z D

( 6)

式中：q晓为进人主动油缸的流量。

D为动力元件，此。处指液压泵。

S、S为控制元件。。:

其中 s。为速比控制阀 (压伺服阀 ),为夹液；S

图 3汽车金属带式无级变速器液压系统拓扑结构图

紧力控制阀 (比例控制阀 )。:为系统内节点，。N、N其中 N为三通口，N为双通口节点。。: B一 B为外节点 (界条件 )。 边；其中 B为系统。与油箱连接节点，由边界条件知 P=。(油箱压。 P为力 );

式中：P。 为作用在速比控制阀阀芯的液体压力；F 为指令控制力；F。。为弹簧预紧力；m。 为速比控制阀阀芯质量；。 为速比控制阀阀芯位移；口为节流 I。= I

ql s=K。 s— 1)+K ( l s ) ( l s 0 P—Pl 0

() 8

式中：K。为速比控制阀流量增益系数；K为流量一压力系数；XO s为工作点阀芯位移；P l舯为阀工作

B为速比控制阀控制信号，: 为夹紧力控制阀控制信号。 G、G为执行元件，其中 G为从动轮油缸，G :。:为主动轮油缸。

2 2各元件 (系统 )的数学模型 .子( )D液压泵 ) I。( 流量连续方程为：I/

K s鸵

( 9)

式中：m为夹紧力控制阀阀芯质量；() 1

为夹紧力控

制阀阀芯位移；B为夹紧力控制阀阻尼系数；K为夹 l

ql qn一△ I= o Q一J、

紧力控制阀刚度；A为为阀芯作用面积；F为弹簧鸵 o预紧力；P为油液密度，取 9 8

k / . 1g m s;口为节流 I= I

式中：gI I为油泵的实际流量；q。为发动机每转一周的排量；r为发动机转速；P为泵的出口油压；A , l。 Q

为泵的泄漏量；V为泵出口容积；K为油液体积弹性模量。 泵内的压力平衡方程为：P= q￡ l R+由 () 2

q2 S=K。戈 (鸵一X2)+K ( G—p2) S 0 Pl s 0

(0 1)

式中：K为流量增益；为流量压力系数。。 ql q】 G I s+q l ql鸵 I=q ( 1 1) ( 2) 1

式中：R为液阻，￡为液感，q为泄漏油量。 ( )G从动锥轮 ):( 2,(、G主动锥轮油缸)

对于从动锥轮油缸来说，运动方程为：AcP D=mc蕾D+BxD—FL Dc Dc c ( 3)

q2 q G= s

( 3 1)

式中：m。为从动轮系统质量；XD C为从动锥轮轴向位移；为从动锥轮环形面积；B为活塞和负载的粘 A。性阻尼系数；F为系统负载力。 流量方程为：q l:Ac c G D D+A p D+— cC

3参数辨识需要进行辨识的参数有 G、K。

,通过取定

某一工作点，测出泵进 I处油压 (近于 0。= I接 )P、泵出I处油压 P、测出实际流量、算出理论流量后可= I。计算出 G=6 64 X1 m P/,K l . 1 0 a s=8X1。 0,K=。

c D

( 4)

2×1 4 0-

。

J

式中：q。为进入从动油缸的流量；A为缸的泄漏系 数。

4汽车金属带式无级变速器液压系统的数学模型 4 1建立夹紧力控制系统数学模型 .由式 ( ) 2 1、( )经拉氏变化得油泵传递函数为：

对于主动锥轮油缸来说，运动方程为：A Dz zP D=mz蕾D+Bx D+FL Dz z () 5

式中：m。为主动轮系统质量；XD主动锥轮轴向位 Z为移；A。 为主动锥轮环形面积；B为活塞和负载的粘性阻尼系数；F为主动锥轮负载力。 流量方程为：

一

K’

K

由式 ( ) 1 )经拉氏变换并简化后得夹紧力 9、(0

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第 2期

熊新等：汽车无级变速器液压系统的建模与分析

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由 M u b工具可 aa

丽

求的式 ( 4的阶跃

1)响应曲线如图 4所示。。= 由图 4可知，系统对单位阶跃输入的瞬态鞲

式中：B为等效阻力系数，B=B+ LK;K为等 p。 效弹簧刚度；K为系数，K= LK。 p。 由式 ( ) 4、 ( 1 3、( ) 1 )经拉氏变换，设负载未

变化，则得从动轮油缸传递函数为：P D c(I CD— J.

X ( )一 s

.

响应指标：上升时间约 2,峰值时间约 s

±V mc c o

7最超量 图…‘曲 ls大调约’一一’ 0, .% 5 跃应线 4阶响一6结论

m+ 2B)警+ A o() 1 4

因此，代人初始参数，并进行简化后可得一个三阶系统函数如下：

通过以上分析表明，运用灰箱建模法和传递函数相结合的方法，解决了系统参数不容易确定的弊端，

叫： 口+S: -。o l口+ ( O+S,口，寿 n S式中：= K K d;a 0= 1

综合了两种方法的优点，忽略了一些次要因素，也为液压系统建模提供了最为简便和直观的方法，通过仿真证明所建立的函数是稳定的，也是基本符合实际情况的。

参考文献KL +RVo Bm+ B。 c A m D—

+ ]

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口2=

专[ (+A) A c P c。+ A B+ D amD] 衄 m+ n A

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m m cD

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[ 2+BB+ Amc]+日A。 A 。 c

( 7:9 9 . 1 ) 4— 6

【】李洪人 .液压控制系统[ 4 M].国防工业出版社，

【c+ n 2B￥c A eo c A

+卜警

1 981 .

42建立速比控制系统数学模型 .同理，由式 ( ) ( ) 1 )拉氏变化并简化 5一 8、( 3经

(接第 8上 2页 )本文对缓冲气控腔流场特性进行的分析表明，缓冲气控腔内压力呈环状分布；该腔内有涡流产生。缓冲气控腔气体入口位置接近压力输出平面时，缓冲气控腔流场特性优

于气体入口位置远离压力输出平面时的情况。

后，求得速比控制系统传递函数为：G H2= =

具体过程略。

5特性分析( )稳定性 1

参考文献【】荒木献次 . l压缩气体的高压化[]于亚非，译 . J.液压与气动，19 ( ) 3— 5 9 0 2:5 5 .

以 P 2型 C T为例，结构尺寸包含： 81 V 主动锥盘外径： 1 5 m,最大工作半径为 6m 7 .m 2 5 m,最小工作半径为 2 . m 6 7 m,轴径为 4m 5 m,从动锥盘外径为 1 2 m,最大工作半径 6m为7m 5 m,最小工作半径为 3 mm,轴径 2 m 3 5 m,可动锥盘的最大位移为 2 mm,泵排量 5 7 L r 5 . m/, 主动带轮工作面积为 0 0 57 . 3 m;从动带轮工作面积为 0 0 56 . 3 m。

【】杨钢，郭浩，宝仁 . 2李高压气动容腔缓冲调压控制的研究[] J .机床与液压，2 0 ( ) 1 0 6 8:l9—1 1 2.

【】李建藩 . 3气压传动系统动力学[ M].州：华南理广工大学出版社，19 . 91

【】L Bo n hn uf g i hagm oen n 4 i ar,ZegY n n,L ZunyxMdlgad e a iS muai g I v siain fr a C mp iae n u t y tm i l t n e t t o o l td P e ma c sse n g o c i

[ C]. e i:Nw A hee etadIeli F i Pw r B in j g e ci m ns asn l d o e v n d uE gn ei g 19 n i e rn, 9 7:3 6—3 9 5 5.

由式 ( 4 1 )知，通过传递函数特征方程可知， 为一个三阶方程，由于系数均为正，因此系统稳定。

【】李宝仁，杨钢，杜经民.高压随动压力控制阀动态性 5能的仿真研究[].华中理工大学学报，19,2 J 98 6( ) 4— 6 7:2 2 .

( )阶跃响应分析 2

【】F U N 6 1 s 'G i M F etn. 6 L E T . Ues u e[]. l n I r d u e

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