J. Cent. South Univ. Technol. (2009) 16: 0697minus;0701

DOI: 10.1007/s11771minus;009minus;0115minus;2

Design and dynamic simulation of hydraulic system of a new automatic transmission

WANG Shu-han(王书翰)1, XU Xiang-yang(徐向阳)1, LIU Yan-fang(刘艳芳)1,

DAI Zhen-kun(戴振坤)1, TENBERGE P2, QU Wei(曲 巍)2

(1. School of Transportation Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China;

2. Institute for Engineering Design and Powertrain Technologies, Chemnitz University of Technology, Chemnitz 09107, Germany)

Abstract: A new hydraulic system of a novel automatic transmission (AT) was designed. The dimension and structure of valves and cylinders were designed by theoretical calculation. The dynamic simulation model of hydraulic system of AT was established by ITI-SimulationX. Simulation results and theoretical design results were compared to confirm the simulation model. Based on the confirmed simulation model, the simulation results of pressure and flow of the hydraulic system were analyzed. The dynamic simulation method is very helpful for designing and analyzing the performance of hydraulic system and further optimization design. The theoretical design method and dynamic simulation model are feasible for the real industrial applications. The research results can be used in hydraulic system design and optimization.

Key words: automatic transmission; hydraulic system; dynamic simulation

1 Introduction

The hydraulic system of automatic transmission (AT) is a very important part of the powertrain. Its function is to ensure normal work of transmission system, to control shifting and the shifting process of transmission system [1minus;2]. To match the characteristics of oil pressure and volume flow can not only prolong the working life of shift elements and AT, but also effectively decrease the power loss of the shifting process to ensure the acceleration performance of the car, as well ensure the quality of shifting [3]. By analyzing the dynamic process of hydraulic system, every kinematic and kinetic process of each element in the hydraulic system can be known [4].

The dynamic simulation of hydraulic system of AT and optimization of main parameters were mainly presented in Refs.[1minus;3]. But these references do not describe how to design hydraulic system of AT. OSHIMA et al [4] and MIYATA et al [5] presented improved solution of hydraulic system of AT briefly, which did not include the detailed design and simulation conclusions. MA [6] and FENG et al [7] studied the dynamic characteristics of power shift clutch in charge process. They only considered one clutch in AT, and did not consider shift process of the whole hydraulic system of AT. PAN and MOSKWA [8], MARTIN et al [9],

OHASHI et al [10], and YANG and HE [11] presented the whole AT, and introduced the functions of hydraulic system of AT simply. LEE et al [12], JIANG et al [13], and LI et al [14] investigated optimization and improvement of special valve in hydraulic system of AT, but the whole hydraulic system was not simulated. According to the previous references, it can be concluded that the design method and process of hydraulic system of AT are not perfect technologies. The hydraulic system of AT designed needs to be optimized and modified step by step. Static design plays a main role. The dynamic simulation will be done after the production is designed, long development period and high development cost. In this work, a new design method of hydraulic system of AT was discussed. The more excellent hydraulic system of AT would be exploited in short period by the whole design and dynamic simulation for hydraulic system of AT.

2 Design and operating principle of hydraulic system

Table 1 lists the shifting logic of the transmission. There are only five shifting elements realizing eight well stepped forward gears and one reverse gear. As shown in Fig.1, five solenoid valves that control five shifting elements are electronic proportional control valves (EPCV). One EPCV controls close pressure of one

Foundation item: Project(911901204) supported by Youth Innovation Foundation of Beijing University of Aeronautics and Astronautics

Received date: 2008minus;09minus;28; Accepted date: 2008minus;11minus;06

Corresponding author: WANG Shu-han, Doctoral candidate; Tel: 86minus;10minus;82338121; E-mail: buaawsh@hotmail.com

698

Table 1 Shifting logic of transmission

Closed clutches or brake

J. Cent. South Univ. Technol. (2009) 16: 0697minus;0701

is on D gear which can only be 5-gear, shifting elements of K1, K2 and K4 will be closed, which is also called as lsquo;Limp homersquo; gear.

The pressure in pipe lsquo;grsquo; is decrease

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新型自动变速器液压系统的设计与动态仿真

王书汉1，徐向阳1，刘艳芳1，

戴振坤1，TENBERGE P2，曲巍2

（1.北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京100083;

2.开姆尼茨工业大学工程设计与动力总成技术研究所，德国，开姆尼斯09107）

摘要：设计了一种新型自动变速器（AT）的液压系统。 通过理论计算设计了阀门和气缸的尺寸和结构。 AT液压系统的动态仿真模型由ITI-SimulationX建立。 仿真结果与理论设计结果进行了比较，验证了仿真模型。 基于确定的仿真模型，分析了液压系统压力和流量的模拟结果。 动态仿真方法对液压系统性能的设计分析和进一步优化设计非常有帮助。 理论设计方法和动态仿真模型对实际工业应用是可行的。 研究结果可用于液压系统设计和优化。

关键词：自动变速器; 液压系统; 动态模拟

1介绍

自动变速器（AT）的液压系统是动力总成的重要组成部分。其功能是确保传输系统的正常工作，控制变速和变速系统的换档过程[1-2]。为了匹配油压和体积流量的特点，不仅可以延长换档元件和AT的使用寿命，而且有效降低换档过程的功率损耗，保证车辆的加速性能，同时保证换档质量。 [3]。通过分析液压系统的动态过程，可以知道液压系统中每个元件的每个运动学和动力学过程[4]。

参考文献[1-3]主要介绍了AT液压系统的动态模拟和主要参数优化。但这些参考文献没有描述如何设计AT的液压系统。 OSHIMA等[4]和MIYATA等[5]简要介绍了AT液压系统的改进方案，其中不包括详细的设计和仿真结论。 MA [6]和FENG等[7]研究了充电过程中动力换挡离合器的动态特性。他们只考虑了AT中的一个离合器，并没有考虑整个液压系统的换档过程。 PAN和MOSKWA [8]，MARTIN等[9]

OHASHI等[10]和杨和HE [11]提出了整个AT，简单介绍了液压系统的功能。 LEE等[12]，JIANG等[13]和LI等[14]研究了AT液压系统专用阀的优化和改进，但整个液压系统未被模拟。根据以前的参考资料，可以得出结论，AT的液压系统的设计方法和过程不是完美的技术。 AT设计的液压系统需要逐步优化和修改。静态设计起主要作用。动态仿真将在生产设计完成后，开发周期长，开发成本高。在此工作中，讨论了AT液压系统的新设计方法。 AT的液压系统的整体设计和动态仿真将在短时间内开发出更优秀的液压系统。

2液压系统设计与工作原理

表1列出了变速器的变速逻辑。 只有五个变速元件实现八个良好的前进档和一个倒档。 如图1所示，控制五个变速元件的五个电磁阀是电子比例控制阀（EPCV）。 一个EPCV控制一个移动元件的紧密压力。 液压系统采用纯电子压力控制。 压力由变速箱控制单元（TCU）根据发动机扭矩输出控制。 通过使用螺线管单独控制每个变速元件，实现快速响应和高质量换档。

手动阀通过管道“X”中的压力移动到正确的位置。 当手动阀处于该位置时，可调节的压力可以操作换档元件。 当EPCV失效时，管道“X”的压力将消失。 由于弹簧力，手动阀将移动到左侧位置。 换档压力由手动换档阀（MSV）在此位置控制。 如果有五个控制元件的EPCV的任何一个都失败，则所有的EPCV将被关闭，应急程序将被启动。

换档杆与MSV连接。 当变速杆位于R档时，B1，K2和K4的换档元件将关闭。 当变速杆位于N档时，只有K2和K4的换档元件才会关闭。 当变速杆处于只能是5档的D档时，K1，K2和K4的换档元件将被关闭，这也被称为“Limp家”档。

当电磁阀失效的时候,管路x中的压力将消失.手动阀受弹簧力作用将移动到左位.在这个位置上,通过手动控制阀msv来控制换挡压力(操纵杆).如果5个控制换挡元件的电磁阀中的一个出现了故障,全部电磁阀将全部关闭,紧急程序启动.操纵杆在倒挡R的时候,换挡元件B1,K2,K4闭合.当操纵杆在前进挡D的时候,前进挡这时只能为5挡,K1,K2,K4闭合.这个挡位也叫回家挡.表1为换挡逻辑表.

管道g中的压力通过减压阀（prv_gq）降低为0.5MPa，用于打开变速元件。 制动器（B1）的气缸使用碟形弹簧打开。

液力变矩器供油闭锁控制和冷却润滑系统由限压阀(plv_f)、液力变矩器控制阀(tccv)、闭锁离合器控制阀(lucv)、电磁阀(EPCV_tc)背压阀组成.当电磁阀断电时,通过系统压力阀调节后的一部分液压油进入低压管路(管路a),管路a的低压通过管路b流向闭锁离合器打开的方向,使液压油流经液力变矩器.lucv通过弹簧预紧力保持在初始位置,液力变矩器流出的液流通过管路c以近乎无节流的情况下流过该阀,然后通过管路e,tccv,管路d和背压阀后流入冷却器.该背压阀保证液力变矩器回路里的最小压力.当电磁阀通电时,通过EPCV_tc调节其出口控制压力,通过TCU预先给定的控制压力来控制闭锁离合器阀和变矩器控制阀的阀心移动.tccv的a口关闭,lucv的e口关闭.低压管路a和管路c连接.液力变矩器通过管路c供油,这时液力变矩器液流反向流动.这时管路b和油箱相连,管路b的压力远远小于管路c的压力,液力变矩器的内部压力作用在闭锁离合器上并使其闭合

3液压系统动态仿真模型

3.1数学方法

阀门边缘和孔口的流程描述如图1所示

1是其中alpha;是流量系数，A是横截面面积Delta;p是压力损失，rho;是流量密度。

柱塞缸的流量由活塞面积AA，活塞速度vpiston以及外部泄漏流量QleA决定：

差压缸端口A和B的流量由活塞面积AA和AB，活塞速度vpiston以及内部和外部泄漏流量Qli和QleA决定：

使用德国ITI2SimulationX多学科系统动力学仿真软件进行建模.运用面向对象的建模语言Modelica,通过编写算法来描述非标准阀体的动态特性和功能.将封装后的非标准阀体模型可以加入到标准库中,便于以后的直接调用.通过以上所述的建模方法,利用ITI2SimulationX建立8挡自动变速器液压系统的仿真模型

3.2模拟模型

根据参考文献[1]的模型， 并采用MATHCAD静态计算结果，建立动态仿真模型。 ITI-SimulationX是来自ITI GmbH的动态模拟软件，用于构建AT液压系统的模型。

3.3模拟参数

液压系统的主油压由恒流泵提供。 系统温度为-30〜150℃，主油压为0.8〜2.0MPa，泵转速为0-5 700 r / min，位移为0.01L / r，理想位移为70％。

将显示改变转速和锁定时间的模拟结果。 同时，温度设定为90℃，齿轮根据齿轮的顺序设定。 参数的变化如图2和图3所示。表2列出了每个控制单元的参数。

从图2看出,当液力变矩器没有闭锁的时候,系统的主油压保持在1.7MPa左右,低压回路中的油压保持在1.3MPa左右,管路i中的油压保持在0.2MPa.当液力变矩器闭锁的时候,系统主油压上升到2.1MPa.低压回路中的油压保持在1.7MPa左右,管路i中的油压保持在0.35MPa.由于系统压力升高,阀芯向上移动过多,导致过多的液压油从r口导向泵油口.不能保证润滑系统的液压油流量.因此这时通过k口的油压来抵消一部分向上的压力,使阀芯保持在一个合理的位置上.k口的油压保持在0.25MPa左右.

从图3看出,当油泵提供的流量(p1口)不管怎样变化,流入低压管路的流量总是保持在15L/min左右.符合低压系统的流量设计要求.当8AT

换挡时,流入高压管路(j口)的流量能够迅速的充满换挡油缸,所需流量符合设计要求.r口的流量随着总流量的变化而变化.很好的调节了高压回路和低压回路的流量需求

如图4所示，可以看出，动态模拟结果ITI-SimulationX很好地符合Mathcad的计算结果，公差控制在5％以内。 阀门边缘流量的动态变化是容差的主要原因。 Prv_pg可以从动态和静态结果控制0.8和2.0 MPa之间的主压力。 这确认离合器摩擦片在每个工作条件下都不能滑动。 为了减小摩擦片的压力，延长离合器的使用寿命，主压力可能会降低。 AT的液压系统中的每个阀门也采用相同的方法，这证实了每个阀门的正确性。 每个阀门满足设计要求后，将进行整个动态仿真。

4模拟结果分析

4.1比较静态结果和动态结果

由液压系统的减压阀（prv_pg）控制的主要压力在于0.8和2.0MPa。 prv_pg的控制压力由名为EPCV_g的电磁阀提供。 进入换档气缸的压力由换档元件的每个EPCV_C控制。

如图4所示，可以看出，动态模拟结果ITI-SimulationX很好地符合Mathcad的计算结果，公差控制在5％以内。 阀门边缘流量的动态变化是容差的主要原因。 Prv_pg可以从动态和静态结果控制0.8和2.0 MPa之间的主压力。 这确认离合器摩擦片在每个工作条件下都不能滑动。 为了减小摩擦片的压力，延长离合器的使用寿命，主压力可能会降低。 AT的液压系统中的每个阀门也采用相同的方法，这证实了每个阀门的正确性。 每个阀门满足设计要求后，将进行整个动态仿真。

图4和图5为液力变矩器闭锁离合器打开和闭锁动态压力变化曲线和流量变化曲线.当液力变矩器闭锁离合器打开的时候,压力保持在0.3MPa左右,避免气蚀现象.流过液力变矩器的流量保持在15L/min,此流量不但满足了液力变矩器的冷却用油,而且满足了润滑系统的冷却用油.当液力变矩器闭锁离合器关闭时,液力变矩器的控制压力由PLV_F来控制,压力在0.7MPa左右.保证了液力变矩器闭锁的压力,同时通过PLV_F为润滑系统提供冷却用油.图6和图7是润滑系统动态压力和流量变化曲线.润滑系统的压力保持在0.1MPa左右,流量保持在14L/min左右,满足了润滑系统的设计要求.

4.2动态结果分析

如图5所示，当移动元件关闭时，可调压力保持在1.7和2.0MPa之间。 C1的压降明显。 同时，C1开了。 然后C2的压力增加导致C2关闭。 关闭C2的时间约为0.4秒。 C2的充油过程有三个阶段：（1）快速充油，（2）气缸和离合器排气阶段，（3）压力增加迅速的阶段。 根据动态分析，换档压力和换档过程满足设计要求。

燃油经济性,低排放以及舒适性已经成为现代传动系统发展的主要驱动力[1].变速器是传动系统中核心的组成部件.变速器正沿着高效率,高性能,低重量,自动换挡的方向发展.自动变速器 AT(AutomaticTransmission)汇集了上面所提到的优点与一身.通过控制策略完全能够实现上面所有目标[2].

自动变速器的液压系统是综合传动装置的重要组成部分,其功能是保证传动系统正常工作,控制车辆的换挡工况转换,同时对传动系统的换挡过程进行控制.合理地匹配和控制换挡过程中的油压和流量特性,不但能够延长换挡离合器以及整个变速器的使用寿命,而且可以有效地减少换挡过程中的动力损失,保证车辆的加速性能,使换挡过程平稳过度,保证车辆的换挡品质[3].对车辆自动变速器换挡液压系统的动态变化过程的分析,可以掌握换挡液压系统中每个操纵件运动学和动力学的变化过程,这对车辆换挡液压系统的

从图6可以清楚地看到C2的充油流量与C1的释放油之间的关系。 根据动态分析，当换档时，进入高压回路（流量“g”）的流量可以快速灌装油缸。 所需流量满足设计要求。 油释放的气缸也可以快速释放油分离换挡元件。

4.3主要动态参数分析

改变syspv的弹簧刚度等于改变最小开启压力。 如图7所示，当开启压力为0.15-0.18MPa时，主回路的动态流动大大改变。 主回路的动态流量可直接影响AT加速性能，换档质量和AT冷却和润滑。 配合弹簧刚度有助于提高AT液压系统的性能。主要参数可通过仿真来调整，满足AT液压系统的设计要求。

通过动态仿真调整系统压力阀的主要参数(弹簧刚度,阀芯直径,节流孔直径等),满足液压系统设计要求.在本文建立液压系统模型中可以改变一个或者多个参数来改变液压系统的动态特性.这些参数的改变直接影响到液压系统的动态性能.当设计和优化液压系统时候,动态仿真方法是非常有用的.

5.结论

（1）通过对变速逻辑和换档特性的分析，提出了AT液压系统的新设计。

（2）每个阀门的动态模型由ITI-SimulationX软件模拟。 将动态结果与静态结果进行比较。 公差控制在5％以内。 然后建立了整个动态仿真模型。 分析压力和流量的动态特性。 分析影响系统压力和流量的系统要素参数。

（3）下一步，将组装基本机器。 将进行台架试验，以测试AT液压系统的正确性。 将提出控制策略来编制TCU控制程序。

参考文献

[1]王树汉，许向阳，刘阳芳，戴振坤。 AT液压系统的动态特性仿真[C] // 2008 SAE世界大会。上海，2008：2008-01-1683。

[2] SOHL G A，BOBROW J E.液压伺服系统非线性控制实验与仿真[J]。 IEEE Transactions on Control systems Technology，2006,7（1）：238-247。

[3] MEGLI T W，HAGHGOOIE M，COLVIN D S.变速特性的4速自动变速器[C] // JURGEN R K.电子变速箱控制。 Warrendale：Society of Automotive Engineers Inc，2000：277-289。

[4] OSHIMA K，KIMURA H，MIYATA H，MATSUMOTO S.Control

用于新型丰田FWD 6速变速器的大流量小型线性电磁阀的系统开发[C] //

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