新型eCVT的湿式制动器液压系统的设计及控制

2015年9月机床与液压Sep.2015第43卷第17期MACHINETOOL3HYDRAULICSVol.43No.17DOI:10.3969/j.issn.1001-3881.2015.17.029新型eCVT的湿式制动器液压系统的设计及控制袁喜悦\赵治国\王晨i2,代显军1(1.同济大学汽车学院，上海201804$2.吉利罗佑发动机有限公司，浙江慈溪315300)摘要：针对新型复合功率分流装置，对其湿式制动器的液压系统进行了设计，探讨了其位置伺服控制算法。考虑到液压系统的非线性特性，运用AMESim软件对其液压系统进行物理建模，使用Malb软件搭建湿式制动器数学模型和增量PD压力控制策略模型，并进行了联合仿真。结果表明：所搭建的制动器液压系统模型是有效的，增量PID伺服控制策略具有较高的跟踪精度。关键词：行星齿轮；混合动力变速箱；多片湿式制动器；液压系统；联合仿真中图分类号：TH16文献标志码：A文章编号：1001-3881(2015)17-118-3ControlandDesignofHydraulicSystemofWetBrakeforNovelElectricContinuousVariableTransmissionYUANXiyue1，ZHAOZhiguo1，WANGChen1，2，DAIXianjun1(1.SchoolofAutomotiveStudies，TongjiUniversity，Shanghai201804，China；2.GeelyLuoyouEngineCo.，Ltd.，CixiZhejiang315300,China)Abstract：Aimedatthienovelcompositepowersplitdevice，thehydraulicsystemofitswetbrakewasdesigned.Itspositionservocontrolalgorithmwasdiscussed.Byconsideringthecharacteristicsofnon-linearityofhydraulicsystem，theAMESimsoftwarewasusedtoestablishphysicalmodelofthehydraulicsystem.ThenthemathematicalmodelsofwetbrakeswerebuiltandforthestrategicmodelsofincrementalPIDcontrollerwithiusingofMatlabsoftware，andwhichwereco-simulated.Theresultsshowthatthemodelbuiltofthehydraulicsystemiseffective，andtheaccuracyoftheincrementalPIDservocontrolstrategytotrackthetrajectoryofthebrakepistonisquitehigh.Keywords：Planetarygear；Hybridtransmission；Multi-p)latewetbrake；Hydraulicsystem；Co-simulation〇前言基于行星排变速的混联式混合动力汽车不仅集成了串联式和并联式混合动力方案的优点，能更好地适应车辆各种行驶路况，而且能实现整车的电子无级变速。同时由于行星轮系具有多自由度、输入输出灵活可控的特点，并且结构紧凑、体积小、速比大，已成为国际主流深度混合动力系统的解决方案[1_2]。制动器（离合器）制动力矩的精确控制对ElectricContin­uousVariableTransmission(e-CVT)模式切换的平顺性具有重要意义。韩兵[3]对湿式制动器液压系统进行了设计，并未对制动器液压缸的压力进行闭环控制，仿真和实车试验的结果均不理想。文中针对一款具有双行星排、双电机和双制动器的新型复合功率分流装置，对其用湿式制动器的液压系统进行了设计，探讨了其位置伺服控制算法。考虑到液压系统的非线性，运用AMESim软件对其液压系统进行物理建模，使用Matlab软件搭建湿式制动器数学模型和增量PID压力控制策略模型，并进行了联合仿真，初步验证了所搭收稿日期：2014-07-02基金项目：国家自然科学基金资助项目（51275355)作者简介：袁喜悦（1992—)，女，硕士，主要从事混合动力变速箱液压系统方面研究。E-mail:[e-mail]。建的制动器液压系统模型的有效性和增量PID伺服控制策略跟踪制动器活塞运动轨迹的能力。1单模复合功率分流混合动力变速箱结构1.1行星排结构新型功率分流装置[4]的行星排结构如图1所示。短（粗）行星轮；S2为后排轮系太阳轮；P2为后排轮系长（细）行星轮；C1为前、后排行星轮系共用的行星支架；R1为前、后排轮系共用的齿圈。其啮第17期袁喜悦等！新型eCVT的湿式制动器液压系统的设计及控制•119•合关系为！前排行星轮系S1-P1-R1，后排行星轮系！S2-P2-P1-R1&1.2混合动力变速箱结构为了避免变速箱出现内部电功率獅，使变速箱的传动效率始终维持在较高水平，增设了两个湿式制动器B1和B2&在较低车速下，制动器B1锁止行星架，发动机不工作，以纯电动模式运行；在高传动比区域，制动器B2锁止前排小太阳轮S1，以超速档发动机直传模式运行。混合动力变速箱结构图如图2所示。图2混合动力变速箱结构2液压系统设计及AMESim软件建模2.1液压系统设计液压系统需要实现3个功能：对两个电机强制冷却；对变速器中的齿轮和轴承润滑；在模式切换过程中，制动器B1(B2锁止电机E1和发动机。通过设计计算，冷却、润滑系统的需求压力约为0.3MPa，整个冷却润滑系统需求流量为14L/min，制动器的最大需求压力约为0.8MPa。为此，设计如图3所示的液压系统，其可分为3个部分：主油路供油油压和流量控制系统；制动器压力调节子系统；冷却和润滑系统。主油路供油油压和流量控制系统由溢流阀RV、单向阀CV和压力调节阀PCV构成。溢流阀起到稳定系统压力的作用，设定溢流阀的最大压力为1.1MPa。单向阀的作用是防止油液回流。压力调节阀的作用是调节主油路的压力，当制动器不工作时，压力调节阀可调节主油路的压力在0.3MPa，满足冷却润滑需求；当制动器工作时，同过反馈油路，压力调节阀可调节主油路压力在0.3〜1.1MPa变化。制动器压力调节子系统由减压阀PRV2、两位三通开关阀SV、两个PWM高速开关阀PWMV1、PWMV2构成。主油路压力稳定在1.1MPa而PWM阀最大控制压力为0.8MPa，因此设计一个减压阀，减压阀的作用是保证制动油路正常工作。采用PWM高速开关阀完成制动器油缸充油压力的控制，结合ECU的设计组成闭环控制系统，实现制动力矩的跟踪控制。冷却润滑系统由减压阀、冷却器构成，当主油路系统的压力超出0.3MPa时，由减压阀调节至0.3MPa，尽量减小对冷却器的压力冲击，延长其使用寿命。2.2液压系统AMESim建模根据液压系统的工作原理，利用AMESim软件的HCD库、Hydraulic库和Mechanical库分别对液压系统的主油路供油油压和流量控制系统、制动器压力调节子系统、冷却润滑系统和液压缸系统进行建模，建立的模型如图4所示。设置好仿真参数进行仿真，验证液压系统的功能验证。图5所示为PWM高速开关阀PWM1的输出压力，调节占空比&可得到不同的输出压力。如图5所示为系统主油路压力，第1s内制动器不工作，系统压力保持在0.3MPa左右，当第2〜4s内制动器工作后系统主油路压力会随着制动器压力调节子系统压力的变化而变化。第1.5〜2s，调节PWM高速开关阀占空比&=0.5,主油路压力迅速升至0.5MPa左右；第2〜3s，调节PWM高速开关阀占空比&=0.7,主油路压力迅速升至0.7MPa并保持；第3〜4s，调节PWM高速开关阀占空比&=1，主油路压力升至0.9MPa并保持。•120•机床与液压第43卷3制动器及其液压系统闭环控制3.1制动器数学建模制动器的结合过程可以分为3个阶段：第一个阶段是液压活塞缸充油阶段；第二个阶段是各摩擦片工作压力增长阶段；第三个阶段是结合完成后保持一定压力的阶段。这里研究第一个阶段制动器的建模与液压缸压力控制。液压缸充油过程中活塞运动模型可以用图6表示。如果忽略制动器油缸和油路的泄漏和损失，并且假设充油过程中油液温度不变，根据流体力学理论[3]，制动器活塞运动过程中，制动器油缸的流体连续性方程为：Uc-)_/+)d@y(1)/d7产(@-@y)(2)fd)槡P式中：U为制动器油缸液压油输入流量；）为活塞截面积；为活塞位移；y/为液压油有效体积弹性模量；/为制动器油缸初始体积和制动器供油管路体积之和；Cd为流量系数；）为液压缸进油口节流面积；@为液压缸进油口压力；@y为液压缸内部油压。活塞的运动方程为：+%(+。）=!(3)式中：这活塞质量；'为活塞和油缸之间的黏性摩擦系数；％为制动器油缸回位弹簧的刚度因数;。为制动器油缸回位弹簧初始被压缩量；！为液压油作用在活塞上的力，在结合过程中，如不考虑油道0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05时间/s图8活塞位移跟踪曲线(下转第142页)阻力和内漏的影响，则！=)@y。3.2闭环控制策略设计活基缸充油阶段，在指定的时间&内活基要运动到指定的行程F与制动器组件结合，活塞的速度最终达到0,活塞腔内的液压力要大于等于弹簧的压缩力。考虑到系统响应的速度和经济性，以活塞的位移为控制对象，选取状态空间变量为：尤2二尤：3=@y根据式⑴、⑵、⑶，则有：1=2=—[)(3--0)-'•-%(+0)]⑷(5)(6)'d)/2(*--3)P，2(7)联合仿真及闭环控制器设计原理如图7所示。图7制动器液压系统的闭环控制以制动器活塞的位移为控制目示，设计增量P-控制器1，参数设置为：尸50、€=10、F=2.1、c=200000,计算出活塞缸的目示油压，目标油压如图7所示。将目示油压作为液压系统AMESim模型的输入，设计增量P-控制器2,控制器2输出PWM高速开关阀的占空信号控制高速开关阀以达到目示输出压力。3.3仿真结果及分析图8所示为活塞位移跟踪仿真结果，可以看出目示轨迹与实际轨迹基本吻合，说明位置跟踪算法是有效的。增量PID控制器15((S'OT)/渔赵•142+机床与液压第43卷(上接第120页）图％为得到的优化液压缸目示油压，为下一步研究液压缸目示油压的控制得到控制目示。图9液压缸目标油压&结论考虑到液压系统的非线性，运用AMESim软件对其液压系统进行物理建模，使用Matlab软件搭建湿式制动器数学模型和增量P-压力控制策略模型，并进行了联合仿真，仿真结果表明：所搭建的制动器液压系统模型是有效性，所提出的制动器增量P-伺服控制策略具有较高的跟踪精度。参考文献：)1]ZHANGXiao^vu，LIChiaoing，KUMDongsuk，etal.Prius+andVolt-:ConfigurationAnalysisofPower-iSplitHybridVehiclesWitliaSinglePlanetaryGear[C].IEEETransac­tionsonVehicularTechnology，2008，16(6)：3544-3552.[2]ILLENEUVEArnaud.DualModeElectricInfinitelyVaria­bleTransmission[C]//InternationalCVTandHybridTransmissionCongress.2004-04CVT-19.[3]韩兵.单模复合动力分流混合动力系统开发及热平衡技术研究[D].江苏:江苏大学，2011.[4]李书福，杨健，张彤，余为，等.双行星排四轴混合动力传动装置：中国，101992