液力机械变速器换挡压力控制设计与实现

液力机械变速器换挡压力控制设计与实现

发表时间：2018-12-26T14:00:38.843Z 来源：《防护工程》2018年第28期作者：毛建平张秋贵陆晓平[导读] 在经过实验验证之后发现，此次设计的控制系统能够满足液力变速器换挡平顺需求。

浙江万里扬股份有限公司浙江金华 321025 摘要：液力机械变速器在换挡时所遭受的冲击主要是由于速比变化所导致的传递转矩变化，所以在换挡时应当有效控制离合器鼓的充油和放油时机及压力等，这样可以确保动力传递平衡性能。此次研究主要是对液力机械变速器换挡压力控制实施优化设计，首先需要设计出调节动力换挡时的压力控制系统，利用档位逻辑阀优化组合对液压比例调压阀实施调节，及时控制变速器换挡时的充油和放油。在经过

实验验证之后发现，此次设计的控制系统能够满足液力变速器换挡平顺需求。

关键词：液力机械变速器；换挡；压力控制

工程机械电力传动系统属于液力机械变速器，其主要是由机械变速器与液力变矩器串联而成，因此具备两者的性能优势。在应用期间为了降低液力变矩器的传动效率损失，可以利用三元件单级变矩器制造液力机械变速器，并且利用动力换挡实现变速变扭。在对液力机械变速器换挡品质进行评价时可以通过冲击度指标实现。在换挡时变速器中影响冲击度的因素主要包含湿式离合器鼓的充油和放油时机和充油压力。

此次研究所设计的压力控制系统主要借助于电液比例控制技术，这样可以确保发动机动力不中断基础之上，按照液力变速器各个档位控制离合器的充油和放油时机，还能够有效控制充油压力，在一定程度上减小机械变速器换挡冲击磨损，还能够降低不合理换挡时机所导致的传动效率损失情况。

1、液力机械变速器动力换挡工程分析

下图为变速器传动原理图。图中KV和K1离合器鼓充油时，变速器位置1档位，此时离合器会利用齿轮啮合作用输出动力。变速器在切换档位时离合器KV不变，此时K2充油，K1放油；在切换到2档位时可以借助离合器主动摩擦片在液压作用下将动力传输到从动摩擦片，之后利用齿轮啮合作用将动力输出。

液力机械变速器从换挡开始至结束过程中，离合器鼓摩擦片转矩传递方程中的各项关系式如下：

从（1）（2）式能够看出，换挡冲击度与液力机械变速器传递转矩的变化率成正比，由（3）式能够看出，冲击度与油压变化和摩擦系数有关，然而对于选定离合器来说则已经明确摩擦系数，因此只能对油压变化控制试下冲击度调节。

在升档时，当切入档位对应的离合器鼓充油和摘除档位对应离合器鼓放油动作同时进行，则会导致输出转矩中断，导致车辆在行驶期间产生抖动。如果充油超前于放油，会使充油与放油之间形成重叠区域，有效缩短转矩输出中断时间。当与充油压力控制结合时能够在较大程度上降低由于输出转矩中断所导致的车辆冲击，然而此时重叠时间不宜过长，避免加剧离合器鼓摩擦片磨损情况。

图1 变速器传递原理图 2、设计液力机械变速器换挡压力控制系统

控制系统成部分主要包括油路系统和电路系统。换挡压力控制系统能够按照输入转速，车速以及油门信号等在档位基础之上明确需求档位。当目标档位出现变化时，驱动电路会向档位逻辑阀输出逻辑信号，此时还能够向压力控制比例阀输出信号，有效控制离合器充油压力和充油放油时机。

2.1油路系统

油路系统的主要构成部件为比例调压阀和档位逻辑阀组。其中档位逻辑阀组由四通阀1-4组成，其中3阀和4阀门连接于离合器鼓KV与离合器鼓KR，这样能够随时切换前进档和后退档；1阀与2阀与比例调压阀协调控制离合器鼓K1、K2、K3的充油压力和充油和放油时机。

（1）PWM控制：该控制主要是基于一定频率下利用改变周期内加载在调压阀线圈上恒压直流信号通断时间情况实现。其中恒压直流信号通断时间能够改变线圈内平均电流值，对电磁阀弹簧力线圈电磁力起到抑制作用。

（2）比例调压特性测试：此次设计主要是采用电比例先导式调压阀，将PWM占空比控制在36%左右，输入压力控制在1.8MPa，阀线圈阻力值为27.4欧姆，频率控制在200Hz，对其占空比压力调节特性进行测试。按照测试结果能够看出，比例调节阀在40%占空比范围内，输出压力曲线斜率与固定值比较接近。

2.2电路系统

控制系统的电路系统主要是由驱动电路和控制电路组成。其中中央处理器时控制电路的核心，能够对离合器充油放油时机进行判断，并且对充油压力进行计算，将控制信号输出。由于中央处理器所输出的控制信息无法对比例减压阀线圈和档位逻辑阀起到驱动作用，因此需要借助驱动电路放大控制信号。

（1）中央控制器：此次设计所选取的处理器为高速处理器，具备32位浮点处理单元，并且具备多路PWM手粗，12位16通道ADC，存储器内容量能够达到256K，一个总线接口，两个接口模块，一个RAM（34K），六个事件捕捉单元。处理器中的芯片可以满足换挡压力控制需求。

（2）驱动电路：此次设计的驱动电路是以BTS724作为驱动芯片，电路功能主要表现在断路诊断、短路诊断以及过流保护等方面。其线圈为感性负载，因此要加装反向持续流二极管，避免电磁阀线圈在切换信号时产生反向电流，损坏电路系统。

2.3设计控制软件

在换挡压力控制期间，各个档位在切换时会产生不同的转矩改变大小，因此会对应不同的离合器鼓充油升压曲线，因此在调试系统时需要按照档位标定的充油升压曲线实施。

3、换挡压力控制效果分析

为了验证此次设计的变速器压力控制系统的实际效果，研究对该控制系统实施装车测试，下图为测试之后所得到的变速器换挡时不同档位压力变化曲线。从图中我们可以看出，变速器在将前进1挡变化为前进2挡时，A处测试曲线表明控制系统实现了离合器K1放油污和离合器K2充油的重叠，并且离合器K2充油升压0.2MPa，并且根据预设时间内的压力关系缓慢上升，此时从动摩擦片和离合器摩擦片出现滑动摩擦。两者之间的滑动摩擦可以有效降低转矩突变所导致的冲击，在满足控制目标之后可以极速上升到供油压力值，离合器摩擦片与从动摩擦片之间不存在滑动摩擦，能够彻底结合离合器。从图中可以看出，B处的前进2挡换到前进1挡能够有效延长K1充电时机，并且与K1升压曲线配合降低降档冲击力。

4、结束语

综上所述，此次研究主要是介绍了液力机械变速器动力换挡的工作原理，在此基础之上分析了换挡冲击的产生原因。为了全面优化换挡性能，此次研究设计了液力变速器换挡压力控制系统，该控制系统能够通过液压比例PWM控制技术实现，利用档位逻辑阀优化组合对液压比例调压阀实施调节，及时控制变速器换挡时的充油和放油，还能够控制充油压力。在经过装车实验和台架测试之后，验证了该控制系统的换挡性能能够实现液力变速器平顺换挡，满足设计要求。

参考文献：

[1]万磊.新时代下的液力传动产业发展——访北京理工大学机械与车辆学院闫清东教授[J].液压气动与密封，2018，38（03）：90-94.

[2]李东，岑海堂.一种应用于全液压型风力发电机组的液力变速器[J].液压气动与密封，2018，38（02）：140-142+145.

[3]许佳音，楚红岩.Dana Rexroth在CeMAT 2014展出R2液力机械变速器[J].工程机械，2014，45（07）：71-74+79.