自动变速器换挡控制液压系统的研究.pdf

2 0 1 5年 2月 第 4 3卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I C S F e b． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 4 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 4 3 自动变速器换挡控制液压系统的研究 百合提努 尔 新疆交通职业技术学院，新疆乌鲁木齐 8 3 1 4 0 1 摘要对 自动变速器换挡控制液压系统进行深入分析，在此基础上介绍直接主动换挡控制系统的优缺点 ，并研究了主 动控制系统采用的比例控制电磁阀的动力学特性，对所采用的系统进行实验比较分析。分析结果不论对于液压系统的改进 还是电子控制系统的改进都有非常重要的参考和指导意义。 关键词自动变速器；换挡控制；液压系统；比例控制电磁阀 中图分类号U 4 6 7 ． 3 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 4 1 3 6 3 Re s e a r c h o n Hy d r a ul i c S ys t e m o f Au t o ma t i c Tr a ns mi s s i o n S hi f t Co nt r o l B a k t e n u r J u raa l y X i n j i a n g V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e o f C o m mu n i c a t i o n s ，U r u mq i X i n j i a n g 8 3 1 4 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Au t o ma t i c t r a n s mi s s i o n s h i ft c o n t r o l h y d r a u l i c s y s t e m wa s a n a l y z e d i n d e p t h ． T h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f d i r e c t a c t i v e s h i ft c o n t r o l s y s t e m we r e i n t r o d u c e d a n d t h e d y n a mi c s o f p r o p o r t i o n al c o n t r o l s o l e n o i d v a l v e u s e d i n a c t i v e c o n t r o l s y s t e m wa s s t u d i e d ． F i n a l l y，c o mp a r a t i v e a n a l y s e s w e r e ma d e t o t h e s y s t e m b y e x p e r i me n t s ． T h e e x p e r i me n t s a n aly s i s r e s u l t s p r o v i d e i mp o r t a n t r e f e r e n c e f o r t h e i mpr o v e me nt o f h y d r a u l i c s y s t e m o r e l e c t r o ni c c o n t r o l s y s t e m． Ke y wo r d s Au t o ma t i c t r a n s mi s s i o n；S h i ft c o n t r o l ；Hy d r a u l i c s y s t e m ；P r o p o r t i o n a l s o l e n o i d v a l v e 早 期 的 自动变 速器采 用 全液压 系统 进行 自动换 挡。随着电液控制系统在 自动变速器的应用，使得 换挡更加柔和、燃油经济性 明显提高。是 因为电液 控制系统 的电磁 阀执行器具有压力高、流量大、尺 寸小、成本低等优点。 首先简要介绍了 自动变速器液压 系统的各种结 构及其控制特点；其次研究 了全电子控制 自动变速 器 采用的 比例 电磁 阀控 制 的 主动 直接 换挡 控制 系 统 及其性能；最后，通过实验分析 了主动直接换挡控 制系统的性能等。 1 换挡控制系统的分析 1 ． 1 全 液压机 械控 制 系统 全液压控制 自动变速器 的节气 门被机械地连接 到加速踏板上 ，并按发动机输出的扭矩来确定系统 油压 图 1 。 图 1 全液压机械控制系统 自动变速器输出轴上安装的调速器压力油推动换 挡阀并将油压施加给离合器从而实现换挡动作。为了 避免换挡冲击 ，蓄压器起 到升压或降压中缓冲作用 。 1 ． 2 电液 控制 系统 电子控制单元 电脑引入到汽车控制系统以 后，电液控制系统代替了液压机械控制系统 。随着电 子技术的不断发展，执行器与传感器越来越便宜，而 且这些先进的电子控制元件的使用 ，使得整个 系统 结构从被动控制迈 向主动控制 。 1 ． 2 ． 1 被 动换挡控制 电液 控 制 自动 变 速 器 起 初 采 用 开 关 型 电 磁 阀 图2 代替了调速器功能，并且根据电脑检测的输 出轴角速度确定换挡正时。同时蓄压器油压作用 到 每个摩擦元件 ，完成最佳的换挡。但是这种换挡模式 仍属于被动换挡控制 ，因为 电脑 只能起到换挡正时 控制的作用。 离合器1 离合器2 1 1 离合器3 l l 离合器4 I 京 矗赢 换挡 阀 节气 门 卜 _ 调压阀 I 至 l 图 2 电液被动换挡控制系统 1 ． 2 ． 2 半主动换挡控制 自动变速器采用 电子控制 电磁阀替代了机械连 接的加速踏板。电脑根据节气门的开度和不 同传感 收稿 日期 2 0 1 4 0 卜 1 3 作者简介百合提努尔 1 9 7 2 一 ，男，副教授，研究方向为汽车电子控制系统 、液压控制系统和新能源汽车。E ma i l 5 9 37 51 81 8 qq ． c o n。 第 4期 百合提努尔自动变速器换挡控制液压系统的研究 1 3 7 器输入的车速信号来确定换挡正时，以便控制施加 给摩擦元件 的油压 ，从 而获取较好 的换挡 手感 。 在 3速 、4速和 5速 自动 变速器 中广泛使 用 了改 进型 的半 主 动 电液控 制 系统 。其 中有 些蓄 压 器 的背 压由系统油压按照发动机的扭矩来控制 ，但是换挡 性能主要 取决 于 蓄压 器 的特 性 和节 流孔 ，而 其油 压 不能被电脑主动控制 ，所以这种控制模式属于半主 动控制系统 图 3 。 吾 丽 重墨墨 l 董 墨 } 蓄压 磁 阀2 磁 阀1 换 挡 阀 些 堡 皇 ▲ 图 3 电液半主动换挡控制系统 1 ． 2 ． 3 主动换挡控制 主动换挡控制系统如图4所示，系统中开关型电 磁阀如同半主动换挡控制一样完成换挡正时的控制 ， 但是采用脉宽调制电磁阀或者比例控制 电磁 阀控制 摩擦元件 的油 压 。在 大 多数 情 况下 ，电磁 阀 的输 出 只限制油压和流量 ，因此必须使用二级 阀芯和油压 控制阀 。这种模式在 电液控 制系统 中是 比较先 进 的。 在 自动变速 器 进行 换 挡时 ，需 要 同 时控 制 至少 两个 摩擦 元件 。因此 ，采 用 被动 液压 元 件 控制 一 个 主 动 执行器和一个元件，要使换挡柔和需要包含单向阀。 图 4 电液主动换挡控制系统 1 ． 3 全 电子控 制 系统 对 自动 变速 器液 压 控 制 系统 而 言 ，全 电 子控 制 指的是采用电脑独立控制每一个摩擦元件。随着先 进电子技术的不断运用 ，系统的成本降低 了，可靠 性大大提高 了。 1 ． 3 ． 1 间接半主动换挡控制 主动电液控制系统 由电磁阀和扩展到每个摩擦 元件 的二级滑 阀组成 。系统如图 5 所示 ，为 自动变速 器控制提 供 了最 大 的 自由度 。这种 系 统对 离 合器 到 离合器的换挡控制与鲁棒控制算法相结合是有效的。 但是每个摩擦元件的控制系统由许多装置组成 ，要 设计满足性能要求的系统很难。另外 ，加上液压系 统中有 很多 压力 控 制 阀和 蓄压 器 ，整 个 系统成 本 昂 贵 、尺 寸大。因此 ，这种控 制方式对 5 速 或多速 自动 变速器 来说是 不合理的 。 脉宽调制电 调 压 阀 油 泵 图5 电液间接半主动换挡控制系统 1 ． 3 ． 2 直接半主动换挡控制 直接半 主动控制系统 是 比较先进 的控 制系统 图 6 。这种控制系统是在间接控制系统的基础上对 执行器进 行很 大 的 改进 而形 成 的。其 控制 回路 比较 简单 ，但需要大容量的执行器，所以采用特制的高容 量 的脉 宽调 制 电磁 阀用 作执 行 器。为 了减 少压 力 波 动 ，使用了蓄压器。另外 ，脉宽调制电磁阀主要控制 流量 ，不需要压力补偿调节，但是它没有附加传感 器 ，很难控制系统压力以便达到最佳燃油经济性。 I 离合器1 l l 离合器2 匿面 电 磁 阀 竺 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．J．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． l 至 J 图6 电液直接半主动换挡控制系统 2 直接主动换挡控制 2 ． 1 直接主 动换 挡控 制 直接主动 换挡 控 制用 于 带 比例控 制 电磁 阀 的全 电子控制 的 自动变 速器 图 7 。给 每一个 摩擦 元 件 只使用一个 比例控制 电磁 阀。它是一种单级控制系 统 ，具有如下优点 1 现代控 制 理论 的运 用 ，使 全 电子 控制 系 统 具备了高的自由度； 2 无二级阀芯和蓄压器，因此液压系统 的质 量轻 、尺寸小 、成本低 。 比 例控制电 磁阀1 l 比 例控制电 磁阀 2 J 比 例控制电 磁阀3 I 比 例控制电 磁阀4 千 十 千 千 图 7 全电子控制直接主动换挡控制系统 1 3 8 机床与液压 第 4 3卷 2 ． 2执 行 器的 类型 一 般 自动变速 器采用 电子 控制 电磁 阀控 制油 压。 其 中脉宽调制 电磁 阀和 比例控制电磁 阀应用 广泛。下 面主要介绍比例控制电磁阀，它具有如下优点 1 不管施加压力如何变化 、比例控制 电磁阀 精确地控制压 力与输 入电流成比例 ； 2 环境扰 动 如油 温发 生变 化 等 时 ，比例 控制电磁阀的健壮性好 ； 3 比例控制 电磁阀的压力波动和工作噪声很小 。 当然 ，它 也有一些 缺点 1 需要 更 为复杂 的 电气硬 件来 驱动反 馈 电流 通过 比例控制 电磁阀 ； 2 比例控 制 电磁 阀结构 非常 复 杂 ，对 油 的污 染很 敏感 ； 3 比例控制电磁阀的成本 比脉宽调制 电磁阀高。 2 ． 3 执 行 器性 能 比例控制 电磁阀具有如下特性 1 常开型电磁 阀 电流 与压力有反 比关 系 ； 2 滑 阀型 比例 控制 电磁 阀电磁 阀与 三通 减 压型滑 阀制成一体 ； 3 闭环控 制 系统 对 阀芯受 压 部分 的压力 之 差进行 内部反馈并补偿输 出压力 。 比例控制 电磁 阀的动力学特性如 图 8所示 。 5 芝 1 s 0 0 20 40 6 0 80 1 00 占空 比， ％ a 稳 态特 性 篓 囊 匡翟 图 8 比例控制 电磁 阀的特性 3实验研 究 3 ． 1 阶跃 响应 的 比较 分析 为评估直接主动换挡控制系统 ，选择 了离合器 到离合器 换 挡 的间接 半 主动 系统 。这样 对 动力 传 动 系统不做 任何 修 改 ，只改变 液压 系 统就 会 获取 阶跃 响应 ，实验结果如 图 9所示 。 7 ／ _l} _ 。 ≯⋯ 0． 0 0 ． 1 0． 2 0． 3 0． 4 0． 5 时 间， s a 离合 器 结合 _ 1 塞 3 0 0 鸟 时 间， s b 离 合器 分离 图 9 阶跃 响应 的 比较 实验表明 当离合 器 结合 或 者 分离 时 直接 主 动 系统的响应 比间接半 主动 系统快 ；在 半 主动系统 中， 蓄压器起到限制系统响应的作用，采用蓄压器不但 减轻 油压 波动 ，而且 能减 小 系统 频带 宽 度 ；直 接 主 动系统 的起 始 响应 延迟 的主要 原 因是 反馈 电 流 的电 路引起 的 ，需 要对电路进行 改进。 3 ． 2 开环 压 力控 制 的分 析 为 了比较 分析 自动变 速器 液 压 系统 的性 能 ，在 同样条件下 ，对 1 2挡 进行 升 挡实 验 。首 先 ，在 一 定条件下 ，测试了半 主动系统 在升挡 时 的压力分 布 ； 然后 ，在 同样条件下 ，改变直接主动换挡控制系统 的 参数进行测 试 ，获取 了 占空 比和 压力分 布 ，如 图 l 0 所示 。测试结果表明 直接主动换挡控制系统的工作 比较好 ，但是在施加压力时 ，时间 的延迟较大 ，这就 导致整个 换挡 时 间 比半 主 动 系统要 长 。主要 原 因是 比例控制 电磁 阀的流 量小 而造 成 的 ，因此 需 要对 比 例控制 电磁 阀的流量进行改进 。 l 一 加压 3 ～ 占空比控制时 2 -- 泄压 4 一 占空比不控制时 l 一 加压卜占空比控制时 丑 时 同／ s 时 间／ s a 间接半主 动系统 b 直 接主动 系统 图 1 0 升挡 比较 4结论 1 文 中分析 了全 液压 机械 控制 系统 到全 电子 控制系统 的换挡 控 制模 式 。分 析结 果 不论 对 于液 压 系统的改进还是电子控制系统 的改进都有非常重要 的参考和指导意义 ； 2 介 绍 了直 接 主 动换 挡 控 制 系统 的优 缺 点 ， 并研究了 比例控制 电磁 阀的动力学特性 ； 3 实验研 究表 明直 接主 动换 挡 控制 系 统具 有 比较合 理 的性能 ，但 需 要 改进 由于 电路 引起 的延 时和 比例控制 电磁 阀的流量 问题 。 参考文献 [ 1 ]李兴华， 何国旗， 焦建雄， 等． 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