CVT自动变速器电液控制系统设计
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摘要汽车金属带式无级变速器——CVT（Continuously Variable Transmission）是当代最先进的汽车变速器之一。
由于它可以使发动机在最经济的区域工作，与有级自动变速器（AT）相比显示出惊人的节油效果，成为取代AT的最佳传动形式。
传动系是车辆中较为重要、复杂的系统之一。
以前人们把发动机和变速器分开来研究，变速器是以适应发动机和整车参数要求来设计的。
CVT的出现使人们必须把发动机和CVT作为一个完整的动力总成来看待，用控制器把二者有机地联系起来，实现最优工作状态。
电液控制系统是金属带式无级变速器的核心部分。
它不论是控制原理还是控制过程都与液力式控制系统有很大的不同，其控制内容也很丰富。
它最突出的优点是：①可以改变自动变速器的换档规律；②控制更加精确，结构更加紧密；③具有故障自诊断和失效保护功能。
本文围绕金属带式无级变速器的电液控制系统进行了设计。
分析了电液控制系统的特性并设计CVT电液控制系统，分析了控制阀的特性并设计夹紧力控制系统与速比控制系统的控制器。
关键词：金属带式无级变速器，电液控制系统，夹紧力控制，速比控制目录摘要 0第一章绪论 (2)1.1 金属带式无级变速器 (2)1.2 金属带式无级变速传动的基本原理 (2)1.2.1 金属带式无级变速器的基本组成及传动原理 (2)1.2.2 金属带式无级变速传动的几何关系和基本参数 (4)1.3 金属带的受力分析 (5)1.3.1 金属环的张力分析 (7)1.3.2 金属片的受力分析 (8)1.3.3 金属带的受力分析 (10)第二章金属带式无级变速器电液控制系统分析 (13)2.1 CVT 液压控制系统方案讨论 (13)2.1.1 机—液控制系统特点 (13)2.1.2 电—液控制系统 (14)2.2 CVT传动控制系统 (15)2.2.1 CVT夹紧力控制 (15)2.2.2 CVT速比控制 (16)第三章CVT电液控制系统设计 (17)3.1 CVT液压控制系统设计 (17)3.1.1 CVT控制系统的功能 (17)3.1.2 CVT液压控制系统设计 (18)3.2 CVT电子控制系统设计 (20)3.2.1 电子控制系统的结构 (20)3.2.2 电控系统接口电路设计 (22)3.3 CVT控制器设计 (24)3.3.1 夹紧力控制系统控制器的设计 (24)3.3.2 速比控制系统控制器的设计 (26)第四章结论 (29)参考文献 (30)致谢 (31)第一章绪论1.1 金属带式无级变速器无级变速器(CVT)可以使发动机在最佳状态下工作，依靠变速器无级调速来适应汽车的各种速度，因此可以使发动机燃烧最好，排气污染最小，达到节油的目的。
金属带式无级变速器是荷兰VDT公司的工程师Van Doorne发明的，用金属带代替了胶带，大幅度提高了传动的效率、可靠性、功率和寿命，经过30～40年的研究，开发已经成熟，并在汽车传动领域占有重要的地位。
金属带式无级变速器的核心元件是金属带组件。
金属带组件由两组9-12层的钢环组和350-400片左右的摩擦片组成，其中钢环组的材料、尤其是制造工艺是最难的，要实现强度高，各层带环之间“无间隙”配合。
金属带式无级变速器的主、从动两对锥盘夹持金属带，靠摩擦力传递运动和转矩。
主、从动边的动锥盘的轴向移动，使金属带径向工作半径发生无级变化，从而实现传动比的无级变化，即无级变速。
金属带式无级变速器采用带锁止离合器的液力变矩器作为起步离合器使用，液压泵提供锥盘加压、传动与调速系统用高压油，高压油通过液压缸、活塞作用于主、从动两对锥盘，夹持金属带，产生摩擦力传递运动和转矩，后面是齿轮传动和差速器传动。
1.2 金属带式无级变速传动的基本原理1.2.1 金属带式无级变速器的基本组成及传动原理金属带式CVT主要由金属传动带、油泵、工作轮、起步离合器、中间减速机构以及控制系统组成。
（1）金属传动带金属传动带有两组金属环和多个金属片组成。
如图1－1所示，每个金属片的厚度为 1.4mm，在两侧工作轮的挤压力作用下传递动力；每组金属环由数条厚为0.18mm的环带叠合而成，金属环功用是提供预紧力，在动力传递过程中，约束和引导金属片的运动，有时承担部分转矩传递。
图1－1金属传动带的结构1.金属片2.金属环（2）油泵为 CVT 传动系统提供控制、冷却和润滑的液压油源。
常用的液压油泵有齿轮泵和叶片泵。
为了提高液压油泵的工作效率，在最近开发的CVT传动器中采用滚子式叶片泵。
（3）工作轮主从动轮由可动与不动的半锥轮组成。
如图2-2 所示，其工作面大多为直线锥面体。
在液压控制系统作用下，依靠钢球—滑道结构作轴向移动，可连续的改变传动带轮工作半径，实现无级变速传动。
（4）起步离合器目前，汽车起步离合器包括湿式多片离合器、电磁离和器和液力变矩器三种。
液力变矩器与CVT 系统合理匹配，可使汽车以足够大的牵引力平顺的起步，提高驾驶舒适性。
当发动机转速高时，闭锁离合器将泵轮与涡轮锁住，成为整机传动，提高了传动效率。
但成本较高，为降低成本，研究人员一直在致力于引用电控技术，在电磁离合器或多片湿式离合器上实现液力变矩器的传递特性。
（5）中间减速机构由于无级变速机构可提供的传动比（即速比，输出带轮的工作半径与输入带轮工作半径之比）范围为0.445～2.6 左右,不能完全满足整车传动比变化范围的要求,因而设有中间减速机构。
（6）控制系统控制系统是用来实现 CVT系统传动速比无级自动变化的VDT—CVT控制系统，分机—液控制系统和电—液控制系统。
机液控制系统主要有油泵、液压调节阀（速比和带与轮间压紧力的调节）、传感器（油门和发动机转速）和主、从工作轮的液压缸及管道组成。
日本的本田公司开发的CVT中，采用是电—液控制系统，系统可以利用电子控制系统容易实现控制算法的优点，对系统进行精确的控制。
而采用液压执行机构可以利用液压系统翻印快的特点。
CVT初期产品多采用机—液控制系统，近期一般采用电—液控制系统，但电—液控制系统成本高。
CVT的工作原理如图1－2所示。
传动器的主、被动轮由固定和可动的两部分组成，形成V 型槽，与金属带啮合。
当输入工作带轮的可动部分沿轴向外移动，输出工作轮的可动部分沿轴向内移动，使得输入带轮工作半径变小，而输出带轮半径变大，输出与输入带轮的工作半径之比变大，即传动比变大，反之，传动比将变小，由于工作半径大小变化是连续的，所以称之为无级变速。
图1－2 CVT工作原理图1.2.2 金属带式无级变速传动的几何关系和基本参数由金属带的独特结构所决定，摩擦片的摆棱在两个锥盘的包角上是连续接触的。
因为摩擦片很薄，在带轮的包角部分摆棱的连线近似于圆弧。
根据金属带的运动状态，可将整条金属带划分为四个区段，即为主动轮包角ab、主动轮出口至从动轮入口的直线部分bc、从动轮包角cd、从动轮出口至主动轮入口的直线部分da。
摩擦片摆棱的线速度υb在主动轮包角ab和主动轮出口至从动轮入口的直线部分bc上是连续的，忽略摩擦片在主动轮上的滑动。
摩擦片摆棱的线速度υb可表示为υb＝ωA x R1＝ωB x R2则金属带传动的理论传动比i为i＝ωA /ωB ＝R2 /R1式中ωA 、ωB——主、从动带轮角速度（rad/s）；R1、R2——主、从动带轮节圆半径（mm）。
当从动轮工作在最大节圆半径，主动轮工作在最小节圆半径时，传动比最大，为i max＝R2max /R1min 。
当主动轮工作在最大节圆半径，从动轮工作在最小节圆半径时，传动比最小为i min＝R2min /R1max 。
变速器的最大传动比i max和最小传动比i min之比定义为变速器的变速比R b，也称为变速器的变速范围，即R b＝i max /i min＝R2max x R1max /R1min x R2min 。
变速比R b的大小取决于主、从带轮的最大工作半径和最小工作半径。
最大工作半径受两个带轮中心距的限制，最小工作半径受主、从带轮轴径的限制。
变速器增速与减速对称分布时，主、从动轮尺寸相同，变速比R b为R b＝（R2max /R1min）＝（R1max /R2min）。
在带轮轴径和中心距一定的情况下，增速与减速对称分布，可获得最大变速比。
金属带传动的传动比为i时，主、从动轮的节圆半径可由下列公式确定。
L=(R1+△h)α A +(R2+△h)α B + 2Acosλsinλ=R2 -R1 / Ai=R2 /R1式中R1、R2——主、从动带轮节圆半径（mm）；△h——摩擦片摆棱至鞍面的距离（mm）；α A 、αB——主、从动带轮包角；L——金属带工作长度，取金属带金属环内环周长（mm）；A——金属带传动中心距（mm）。
1.3 金属带的受力分析金属带传动于普通的橡胶带、混合带和链传动不同，它主要是通过金属片之间的推力与环的张力一起来传递转矩的。
由于存在初始间隙，在整个带长范围内，有的区域金属片之间有推力的存在，而有的区域，金属片之间则没有推力存在。
图1－3所示为在低档下，当传递较大转矩时，金属片在整个带长范围内的分布。
图 1－3 金属带传动示意图在主动带轮入口之前(B区)，金属片之间有间隙存在；当金属片运转到主动带轮上时（P区），由推力的作用导致金属片相互挤压。
在主动带轮出口到从动带轮的入口处（A区），金属片被挤压在一起；在从动带轮的入口到出口处，金属片间的压力逐渐减小，直至消失（S区）。
在传递转矩的过程中，由于金属片与带轮之间，金属片与金属环之间以及内层和外层的金属环之间都存在相对滑动,因此金属带的受力非常复杂。
为便于分析，作如下假设：1、带轮与金属片之间、金属环与金属片之间以及金属环之间的摩擦系数为常数。
2、由于金属片的横向刚度高，金属带在带轮的圆形轨道上运行，沿带轮包角圆弧的中心与带轮中心重合。
3、由于单个金属片的厚度为1.4mm，这与带轮包角上金属带的总长度相比很小，因此可以把金属片之间相互作用的挤压力视为是连续的。
4、把金属带中叠置在一起的金属环近似看作一条钢带，不考虑各层金属环之间的摩擦，它所受的周向张力沿带轮包角上的分布满足欧拉公式。
5、在速比变化过程中，不考虑两带轮上金属带的中心线的偏差。
6、设带轮为刚体，不考虑带轮的变形。
为以下计算分析的需要，把金属带整个周长划分为四个区间，并建立坐标系。
主动带轮以带轮入口处为坐标起点，方向与带轮转动方向相同；从动带轮以带轮入口为坐标起点，方向与带轮转动方向相同。
金属带在主动带轮包角范围内为P区；主动带轮的出口到从动带轮的入口之间为A区；金属带在从动带轮包角范围内为S区；从动带轮的出口到主动带轮的入口之间的直线部分为B区。
下面以传动比i〉1时进行分析。
1.3.1 金属环的张力分析图1－4 金属环的受力分析如图 1－4 所示，在带轮包角上任取金属环上的微小单元dθ ,受力分析如下：X 方向：（1-3-1）Y 方向：（1-3-2）式中：μl——金属环与金属片之间的摩擦系数；dP ——单位金属环上，金属片对金属环的作用力；C r——金属环的离心力由（1-3-1）、（1-3-2）式，得金属环张力T 的微分方程，（1-3-3）对（1-3-3）式积分，可以得到沿带轮包角任意位置金属环张力T(θ)的表达式，（1-3-4）式中，C——积分常数带入边界条件，可得金属环在带轮上的张力分布方程。
