无级变速器电液控制系统试验分析及故障检测

韩 玲， 张立斌， 安 颖， ANWAR Sohel

（1.吉林大学交通学院，吉林长春130022；2.湖南大学汽车学院，湖南长沙410000；3.美国普渡大学机械工程学院，印第安纳州46202）

无级变速器电液控制系统试验分析及故障检测

韩 玲1， 张立斌1， 安 颖2， ANWAR Sohel3

（1.吉林大学交通学院，吉林长春130022；2.湖南大学汽车学院，湖南长沙410000；3.美国普渡大学机械工程学院，印第安纳州46202）

为验证无级变速器电液控制模块性能是否达到国家统一标准，以液压控制原理与MATLAB仿真技术相结合对电液控制模块的压力水平、调压曲线、重复精度以及阶跃响应的快速性进行分析，并构建台架及整车试验后开发了一套液压控制模块专用试验系统。同时采用油液光谱分析与免疫算法相结合的方式，通过计算零件油液中金属元素浓度含量指标，对无级变速器零部件早期故障进行定位.试验结果表明电液模块速比、压力跟踪的准确性和快速性及热平衡流量均能满足国标要求，故障零件定位精度可达95.3%.

无级变速器；电液控制系统；汽车工程；油液光谱分析；免疫算法

无级变速器测试尤其是综合耐久测试时，频繁拆解CVT（continuously variable transmission）总成不仅工作量大，影响试验效率，而且在拆解后很多零部件无法重复使用必须进行更换，因此，耐久性测试失去意义［1-6］.在CVT各零部件尚未发生重大失效的情况下，发现CVT零部件早期失效，对监控样机的测试过程具有重大意义.

本文尝试使用油液分析技术与免疫原理相结合的方法，诊断CVT的早期零件失效.在CVT测试过程中，定期对油液进行采样，并进行油液光谱分析，可以得到CVT专用油CVTF（continuously variable transmission fluid）中种各金属元素的浓度和比例值［7-10］.CVT工作过程中发生的很多故障，都会在CVT油液光谱分析的结果中有所体现.根据CVT内部零部件的材料成分，本文选择Fe、Cr、Mn元素的浓度指标作为判断依据［11-15］.本文在完成电液控制系统设计后，开展了大量试验验证工作，包括液压系统测试和整车级别的测试.针对液压系统的测试内容包括静态压力测试，稳态调压测试以及阶跃响应测试等，整车级别的测试主要针对紧急制动、急加速以及综合使用工况，目的是为了测试电液控制系统能否满足车辆动力总成的使用需求，从最终的试验曲线来看，试验结果均能满足设计和使用要求.

1 测试系统的开发

为方便测试，电液控制模块测试系统需要完成信号的自动采集与处理，以及按照测试要求实现液压控制模块的自动控制.为实现以上目标，本文设计的液压控制模块测试系统主要包括软件系统、硬件系统和机械系统3部分.图1所示为CVT电液控制模块测试系统示意图，其中流量计1用于测量润滑与冷却流量，节流阀用于模拟润滑孔阻尼与散热器的阻尼，流量计2用于测量从流量控制阀返回的流量，其余控制口只检测输出压力.

图1 CVT电液控制模块测试系统构成示意图Fig.1 Configuration schematic of electro-hydraulic control module test system

软件系统主要包括上位机软件，提供数据处理、数据存储、数据显示、试验设置、操作命令发送等功能.电控硬件系统主要包括电磁阀驱动模块与数据采集模块，包含相应的主处理芯片、驱动电路／变换电路、通讯模块等，根据上位机的指令输出对电磁阀的控制量并完成对数据的采集.

测试系统包括油泵、油泵驱动电机及变频控制器、温控装置、安全卸荷装置以及必要的流量和压力传感器等.通过控制油泵驱动电机的转速调节油泵的输出流量.机械系统主要为被测电液控制模块提供满足测试条件要求的工作油液，以及为被测电液控制模块与附属硬件提供支撑环境.

为减少油品差异带来的影响，使之更接近CVT电液控制系统实际的工作环境，测试系统使用了专用的CVTF作为工作液.CVTF不仅要有良好的润滑性能以减少摩擦磨损，而且要有适当的钢对钢的摩擦系数，保证金属带和带轮之间有足够的摩擦力来传递转矩.CVTF的性能参数需要在牵引性能和润滑性能之间寻找恰当的平衡，使CVT变速器工作特性达到最大优化.表1给出了CVTF的主要参数.

表1 CVTF主要参数Tab.1 Main parameters of CVTF

为使测试条件更接近CVT正常运行的实际情况，本文设定测试条件为：整个电液控制模块的总供油流量为22～26 L／min，油温保持在75～85℃.

通过进行静态压力测试，考察电液控制模块的各项压力性能指标是否达到设计目标.从测试的结果得出，其中，用于流量控制的单向阀造成油泵1压力与系统压力之间的压降，而系统压力与从动缸压力之间的压降则由夹紧力控制阀与沿程损失造成.这3个压力均稳定在5.60～5.75 MPa范围内，两处压降均处于较低水平，达到系统设计要求.

表2列出了CVT液压控制模块的静态压力实际测试值与设计目标值，从表2可以看出，测试值满足设计目标要求.

稳态调压试验是通过连续控制电磁阀的电流变化来采集压力输出口的压力.稳态调压特性包括的主要评价参数有：

（1）死区.使控制口压力自初始值开始发生变化的最小控制电流值称为死区.

（2）滞环.在稳态特性曲线上，对应压力相同时，正反向行程的控制电流的最大差值与额定电流之比称为滞环，以百分率计.

（3）最大与最小工作压力.全控制电流范围内阀稳定调节压力的最大值与最小值.

（4）比例区间.阀调节压力与控制电流呈现比例关系的范围.

表2 电液控制模块的稳态压力与设计目标Tab.2 Steady-state pressures of the electro-hydraulic control module and the design target valuesMPa

阶跃响应特性包括的主要评价参数有：

（1）控制口压力上升时间.指控制电流阶跃变化后，控制口压力第1次达到最终稳定压力时间.

（2）过渡时间.控制电流阶跃变化后，控制口压力过渡到最终稳定压力的时间.

通过上述稳定调压关系，可以得到稳态调压时各电磁阀的驱动信号随时间的变化关系，以及系统压力的调压特性与阶跃响应特性在可控范围内的最大工作压力、最小工作压力、过渡时间等参数.随着系统压力控制阀口开度的增大，卸荷流量增加，润滑压力也升高，油泵1通过流量控制阀卸荷.在整个调压过程中，电磁阀供油压力的稳定性也反映出流量波动导致的电磁阀供油压力波动，其结果将直接影响到各电磁阀输出压力的精确性.然而，从试验得到的结果可以看到，在整个调压过程中，电磁阀供油压力保持稳定，波动幅值小于0.02 MPa，满足设计要求.

2 CVT电液控制模块的整车试验

作为CVT的关键分系统，仅完成台架上的电液控制模块测试是不够的，必须与CVT其他分系统组成完整的CVT系统进行整车相关测试，考察其在整个动力总成系统中是否满足要求，以及是否达到设计目标.为此，本文开发了整车数据采集系统，对整车试验过程中的试验数据进行记录与分析.其主要构成类似于电液控制模块测试系统，如图2所示.图2中，控制器ECU、TCU、ABS和BCM分别负责根据驾驶员的操作意图实现对CVT总成的控制，并将相关目标数据、测量数据发送至CAN总线，DAQ负责采集CVT总成测试传感器的数据，并将其发送至CAN总线，用上位机软件实现CAN总线相关数据的读取、储存、显示、分类与分析等功能.

图2 整车试验数据采集系统示意图Fig.2 Data acquisition system for the integral vehicle test

为进一步验证开发的电液控制系统的实车控制效果，进行了典型工况下的转鼓和道路实车试验，以及部分整车平台下的CVT耐久试验.试验平台为CVT整车，整车的典型试验工况包括：离合器响应；紧急制动工况下的CVT速比以及夹紧力响应；急加速工况下CVT的速比和夹紧力响应；极限工况下的CVT热平衡情况.

在车辆大油门加速工况下，CVT变速机构以较大的速比变化率从大速比位置快速向小速比位置转移，同时发动机转速升高，扭矩以较大的变化梯度增加，需增加从动缸压力提升夹紧力来保证CVT金属带不会产生打滑.

在车辆紧急制动工况下，CVT的变速机构以最大的速比变化率从小速比位置快速向大速比位置移动，CVT系统对电液控制的流量及从动缸压力的需求增大，但因紧急制动时，发动机转速迅速降低，油泵输出流量减少，所以在该工况下，对从动缸压力响应、油泵设计均提出了较高的要求.因此，在以上两种工况下，CVT电液控制系统处于最苛刻的工作环境.

在极限工况下的热平衡验证了CVT电液控制系统中润滑冷却流量设计的合理性.热平衡试验可以在整车行驶条件相对稳定的转鼓试验台上进行，与整车高温地域的标定试验相比，更利于在同等条件下得到不同设计参数对CVT热平衡的影响.

图3～6为紧急制动工况下夹紧力安全系数的倒数、CVT的速比响应、从动缸压力响应以及整车相关测试数据.从图3～6分析可知，从动缸压力响应及时，在确保夹紧力安全系数大于1的条件下，速比能够快速响应跟随目标速比达到最大速比.

图3 紧急制动工况下夹紧力安全系数的倒数Fig.3 Reciprocal of the safety coefficient of clamping force

图4 紧急制动工况下的速比响应Fig.4 Ratio of response in emergency braking conditions

图5 紧急制动工况下的从动缸压力响应Fig.5 Pressure response of the slave cylinder in emergency braking conditions

图6 紧急制动工况下的转速Fig.6 Rotational speed in emergency braking conditions

图7～10为急加速工况下车辆相关参数、从动缸压力响应、速比响应以及夹紧力系数的倒数.

分析图7～10可知，在急加速工况下，开发的CVT电液控制系统的从动缸压力响应、速比响应以及夹紧力均能满足急加速工况的要求.

除了整车典型工况的测试，本文还进行了CVT的部分综合耐久性能测试，结果见图11～12.

在综合测试工况中，CVT电液控制系统的从动缸压力响应与速比响应，以及部分夹紧力安全系数的倒数和整车部分运行数据（速比跟踪响应、压力跟踪响应），均达到整车运行工况的设计目标.

图7 急加速工况下的转速Fig.7 Rotational speed in urgent acceleration condition

图8 加速工况下的压力跟踪Fig.8 Pressure tracking in acceleration condition

图9 加速工况下的速比跟踪Fig.9 Speed ratio tracking in acceleration condition

图10 加速工况下安全系数的倒数Fig.10 Reciprocal of the safety coefficient in acceleration condition

图11 压力跟踪（综合工况）Fig.11 Pressure tracking in mixed condition

图12 速比跟踪（综合工况）Fig.12 Speed ratio tracking in mixed condition

3 CVT早期故障诊断

在CVT样车3万km疲劳寿命试验过程中，定期对润滑油进行抽样检测.抽取油底壳中层的润滑油，使用光谱仪进行油液光谱分析，以监测CVT的运转状态.本文对正常工作状态下几台样车的CVT油样光谱分析，得到了一组表征CVT正常工作状态的数据，见表3.

表3 CVT正常运转状态油液光谱分析数据Tab.3 Oil spectral analysis data in normal operation condition of CVT g／cm3

分别对出现金属带异常磨损故障的CVTF和出现油泵叶片和定子磨损故障的CVTF进行油液光谱分析，各金属元素的浓度指标见表4.磨损后的零部件如图13所示.

利用免疫原理中的阴性选择法，随机选取500个样本，生成一组状态向量空间ψ1（即初始检测器），引入正常状态下CVT的油液光谱分析数据，并逐一计算状态向量与正常状态向量的匹配程度，剔除掉与正常状态向量匹配的个体（用随机生成的向量进行补充），并对具有一定匹配程度的个体进行变异，直至状态空间中的所有向量都与正常状态向量不匹配，称之为进化成熟后的向量状态空间ψ2.

表4 CVT金属带和油泵异常磨损的故障状态油液光谱分析数据Tab.4 Oil spectral analysis data in failure state caused by abnormal wear between CVT metal belt and oil pump g／cm3

图13 磨损后的零部件Fig.13 Worn metal parts

利用进化成熟后的状态向量组，将故障数据引入ψ2对其进行刺激，刺激过程中同样进行匹配度计算，如果ψ2的某状态向量与故障状态向量匹配度较高则保留ψ2的该状态向量，匹配度过低则去除该状态向量，否则对其进行变异.经过刺激后，形成具有两个聚类中心的状态空间ψ3，分别对应两种故障类型.ψ3的聚类中心，表明该状态空间包含一种或多种特别抗体（油液中金属浓度）.记录聚类中心及其对应故障.利用状态空间ψ2对表5故障数据进行分析，分析结果表明，该诊断方法精确度可达95.3%.表5中第1、4、5组数据对应的CVT样机经过拆解后，发现油泵已经出现磨损拉伤现象；第2、3组数据对应的CVT拆解后，发现金属带与锥面磨出现磨损（图13）.拆解结果表明，诊断结果均与检测结果一致，这表明该免疫检测方法具有较好的故障识别能力.

表5 CVT故障诊断应用实例Tab.5 Application examples of CVT fault diagnosisg／cm3

4 结束语

对电液控制系统进行了整车试验，试验工况包括紧急制动、急加速以及综合测试工况，测试结果表明，压力和速比的跟踪状态良好，系统响应迅速，说明液压系统设计满足车辆极限工况的使用要求.在转鼓测试台上，对CVT热平衡能力进行了试验，结果表明，系统的润滑冷却流量设计合理，能够满足车辆各行驶工况对CVT的热平衡要求.针对CVT测试过程中的早期故障，设计基于油液光谱分析与免疫原理相结合的故障诊断法，能够有效辨别CVT内部零件的典型磨损故障，对CVT运行和试验中发现早期零件的异常磨损具有实用价值.

［1］ 杨凯.金属带式CVT夹紧力控制基液压控制系统的仿真分析［D］.长沙：湖南大学，2012.

［2］ 高帅.无级变速器电液控制系统开发及关键技术研究［D］.长春：吉林大学，2012.

［3］ TOGAI K，TAMAKIH.Humandrivingbehavior analysisandmodelrepresentationwithexpertise acquiringprocessforcontrollerrapidprototyping［C／OL］∥SAE Technical Paper.2011，2011-01-0051，doi：10.4271／2011-01-0051.

［4］ 周萍，聂晋，孙跃东.基于模糊PID控制的CVT速比仿真研究［J］.机械传动，2011，35（8）：25-8.ZHOU Ping，NIE Jin，SUN Yuedong.Simulation study of CVT speed ratio based on fuzzy-PID control theory［J］.Journal of Mechanical Transmission，2011，35（8）：25-8.

［5］ SAITO T，MIYAMOTO K.Prediction of CVT transmission efficiency by metal V-belt and pulley behavior with feedback control［C／OL］∥SAE Technical Paper 2010-01-0855，doi：10.4271／2010-01-0855.

［6］ ABUASAKER S，SOMIOTTI A.Drivability analysis of heavy goods vehicles［J］.SAE Int.J.Commer.Veh.，2010，3（1）：195-215.

［7］ 刘佳.油缸再制造技术分析及应用研究［D］.济南：山东大学，2012.

［8］ 田勇，廉书林，陈闽杰.油液污染分析在机械磨损检测中的研究进展［J］.液压气动与密封，2013，7（1）：1-4.TIAN Yong，LIAN Shulin，CHEN Minjie，Oil pollution analysis research progress in th detection of mechanical wear［J］.Hydraulics Pneumatics and Seal，2013，7（1）：1-4.

［9］ 毛国强，李艳军.基于数字图像与XRF技术的发动机油液综合分析系统［J］.机械工程与自动化，2009，4（1）：128-130.MAO Guoqiang，LI Yanjun.Based on the technology of digital image and XRF comprehensive analysis of the engine oil system［J］.Mechanical Engineering and Automation，2009，4（1）：128-130.

［10］ 王曦，刘志刚，林卫国.基于智能化多目标优化的空压机油液故障诊断研究［J］.中国农机化学报，2014，35（2）：306-309，322.WANG Xi，LIU Zhigang，LIN Weiguo.Study on oil synthetic fault diagnosis of air compressor based on intelligent multi-objective optimization［J］.Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2014，35（2）：306-309，322.

［11］ PRASSADM，SARDARA，MUBASHIRS.Transmission technologies：an Indian perspective［C／OL］∥SAE Technical Paper 2011-26-0083，doi：10.4271／2011-26-0083.

［12］ MANYALA J.Gearshift actuator dynamics predictions in adualclutchtransmission［J］.SAEInt.J.Commer.Veh.，2013，6（2）：589-597.

［13］ MINJE P，DAEBONG J，MINJAE K，et al.Study on the improvement in continuously variable transmission efficiency with a thermal management system［J］.Applied Thermal Engineering，2013，61（2）：11-19.

［14］ SHRESTHA K，KOTA I，TAKAHIRO N，et al.Nextgeneration fluid technology for CVT and AT［C／OL］∥SAE Technical Paper 2011-01-2122，doi：10.4271／2011-01-2122.

［15］ KAMIJO S，TOMOMATSU H，SAWADA M，et al.Development of iQ with CVT for USA［J］.SAE Int.J.Engines，2011，4（1）：2142-2147.

（中文编辑：秦萍玲 英文编辑：兰俊思）

Electric-Hydraulic System for Continuously Variable Transmission：Test Analysis and Fault Detection

HAN Ling1， ZHANG Libin1， AN Ying2， ANWAR Sohel3
（1.College of Vehicle Operation Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China；2.College of Automotive Engineering，Hunan University，Changsha 410000，China；3.College of Mechanical Engineering，Purdue University，Indiana 46202，USA）

To determine if the performance of the electro hydraulic control module for continuously variable transmission could match the national standards of China，the stress level，pressure regulating curve，repeat accuracy，and speed of step response of the electro-hydraulic control module were analyzed by the hydraulic pressure control principle and Matlab simulation method.An exclusive test system for the hydraulic control module was developed after establishment of a test bench and integral vehicle tests.In the meantime，early faults of the CVT parts were positioned by calculation of the metallic element concentration in the hydraulic oil，using the oil spectrum analysis and immune algorithm.Test results show that the speed ratio of the electro-hydraulic module，the accuracy and speed of pressure tracking，and the thermal equilibrium flow all meet the national standards and the positioning accuracy of the fault parts is above 95.3%.

continuously variable transmission；electric-hydraulic control system；automotive engineering；oil spectrum analysis；immune algorithm

U472.9

：A

0258-2724（2014）06-1078-06

10.3969／j.issn.0258-2724.2014.06.021

2013-12-24

韩玲（1984－），女，博士研究生，研究方向为载运工具运用工程，E-mail：66914576＠qq.com

张立斌（1971），男，教授，博士生导师，E-mail：zlb＠jlu.edu.cn.com

韩玲，张立斌，安颖，等.无级变速器电液控制系统试验分析及故障检测［J］.西南交通大学学报，2014，49（6）：1078-1083.