CN109469723A - 变速箱热平衡分压调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于发动机的变速箱热平衡分压调控系统。该系统包括使机油在发动机的变速箱箱体(GB)和变速箱恒温稳压油箱(1)之间循环的交换调压油路(11)，并且利用PID控制算法来控制交换调压油路(11)中的油压。交换调压油路(11)包括串联在变速箱恒温稳压油箱(1)和变速箱箱体(GB)之间的无级变速式油压调控器(4)。无级变速式油压调控器(4)借助设置于其中的无级变速式增压泵(41)和蝴蝶式泄压阀(43)来实施PID控制算法。该系统不仅精确维持变速箱换挡时的工作油压，以减少变速箱齿轮间的磨损、延长使用寿命，还能够使变速箱快速达到最佳工作油温，从而提高传动性能，减少发动机输出的扭矩损耗并增强车辆动力性能。

Description

变速箱热平衡分压调控系统

技术领域

本发明涉及一种热平衡分压调控系统。更具体地说，涉及一种用于发动机的变速箱热平衡分压调控系统。

背景技术

变速箱由变速传动机构和操纵机构组成。在需要时，还可以加装动力输出器。变速箱具有以下技术效果：改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的车辆行驶条件，同时使发动机在有利工况下工作；在发动机旋转方向不变的情况下，使车辆能倒退行驶；利用空挡中断动力传递，使发动机能够起动、变速，并便于变速器换档或进行动力输出。

变速箱在工作时需要机油进行润滑。但是，实际运行过程中需要对变速箱的油温进行控制。当变速箱油温过低时会产生如下缺点：

(i)变速箱润滑油在低温时变得粘稠，润滑系数降低。此时，变速箱换挡阻力增大，各个齿轮间的摩擦系数较高，增加了变速箱的扭矩损耗。

(ii)变速箱的油温是变速箱控制单元(TCU)识别负载情况的重要信号。在凉车状态下，自动变速箱的换挡点存在一定程度的滞后。此时，换挡转速与变速箱标定换挡转速不匹配，在换挡时会对变速箱产生一定的冲击，时间长了就会减少变速箱的使用寿命。

(iii)变速箱运行时只能通过内部齿轮或轴承间的摩擦来产生热量，升温速度慢、效率较低。

另一方面，当变速箱油温过高时会产生如下缺点：

当变速箱温度提升后，若温度过高，变速箱油开始氧化变质。高温会破坏变速箱油的质量和摩擦特性，同时，内部部件(如阀体)会产生油泥，导致变速箱的工作受到干扰。如果温度超过120℃，橡胶密封材料会开始变硬，最后导致渗漏、液压降低。

此外，变速箱在换挡时不同档位的需求油压是不同的。在换挡瞬间，变速箱油压有时会无法快速上升到标准值，因而无法将柱塞保持在正确位置，造成换挡冲击。因此，在使变速箱油温达到最佳工作状态并精确维持的同时，稳定变速箱油压也是非常重要的。

为此，期望在尽可能短的时间内使变速箱油温维持在80℃至85℃之间并且确保变速箱油压稳定，可以大大地减少变速箱中各齿轮之间的磨损，保护变速箱并延长其寿命，提高变速箱的传动性能，减少发动机输出的扭矩损耗，以达到增强动力同时降低油耗的目的。

例如，在中国专利申请CN102087165A中公开了一种变速箱油温控制系统。该系统包括控制器、变速箱、温度传感器、循环油泵、能量交换槽、加热单元及冷却单元。控制器用于设定控制的目标油温，温度传感器测量变速箱的油温。变速箱通过箱体内的内部油泵、冷却管路的进出油口与能量交换槽构成第一循环回路，并且通过箱体上的加油口、抽油口与外部循环油泵、能量交换槽构成第二循环回路。

该专利申请的技术方案实现了在不同油温下对变速箱性能的快速测试能力。但是，变速箱温控能量来源完全是依靠外部电力单元来实现的，并不能达到充分利用车辆闲置资源的效果，其仅仅适用于实验室测试，并不具有装备在整车中量产的可能。另一方面，该专利申请仅仅提出了一种温度控制方法，并不涉及变速箱换挡油压的调控，且缺乏计算变速箱在当前工况下的所需油压的有效手段。

又比如，中国实用新型专利CN205503940U提供了一种变速箱油温控制系统。该油温控制系统包括：变速箱，变速箱内设置有用于检测变速箱油温的温度传感器；散热器，散热器内设置有电热元件，用于容纳变速箱油的第一管路，以及用于容纳发动机冷却液的第二管路，第一管路的入口与变速箱的出油口连接，第一管路的出口与变速箱的入油口连接，第二管路的入口与发动机冷却液出口连接，第二管路的出口与发动机冷却液入口连接；变速箱控制器，变速箱控制器分别与温度传感器和电热元件电连接。

该专利能够有效保持变速箱油温处于合适的范围内，而且安装布置简单方便。但是，由于需要利用发动机的冷却液温度来对变速箱进行降温的热交换，这种方法能耗高、加热效率慢，热交换速度受发动机冷却水温和外界温度影响大，导致车辆动力系统无法快速地进入最佳的工作温度。另外，如果利用电阻丝进行变速箱油的加热，该方法对车辆运行中的电气负载影响大，会造成发动机扭矩输出降低、影响驾驶性。

另一方面，与前述现有技术相同，该专利仅仅提出一种温度控制方法，没有涉及到变速箱换挡油压的调控，因此缺乏计算变速箱在当前工况下的所需油压的有效手段。

因此，目前需要研制一种精确维持变速箱换挡时的工作油压的变速箱热平衡分压调控系统，以减少变速箱齿轮间的磨损、延长使用寿命。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种精确维持变速箱换挡时的工作油压的变速箱热平衡分压调控系统，以减少变速箱齿轮间的磨损、延长使用寿命。

本发明的另一个目的在于提供一种使变速箱快速达到最佳工作油温的变速箱热平衡分压调控系统，从而提高传动性能，减少发动机输出的扭矩损耗并增强车辆动力性能。

本发明的第一方面涉及一种用于发动机的变速箱热平衡分压调控系统，该系统包括使机油在发动机的变速箱箱体和变速箱恒温稳压油箱之间循环的交换调压油路，并且利用PID控制算法来控制交换调压油路中的油压。

在一个较佳实施例中，交换调压油路可以包括串联在变速箱恒温稳压油箱和变速箱箱体之间的无级变速式油压调控器。

更佳的是，无级变速式油压调控器可以借助设置于其中的P分执行器和I 分执行器来实施PID控制算法，其中，P分执行器最佳地为无级变速式增压泵，I分执行器最佳地为蝴蝶式泄压阀。

在另一个较佳实施例中，无级变速式油压调控器还可以包括防止油压超调的电磁限压阀。

在又一个较佳实施例中，交换调压油路还可以设有泄压油路，泄压油路连接变速箱恒温稳压油箱和无级变速式油压调控器，以供机油返回变速箱恒温稳压油箱。

除了交换调压油路之外，系统还可以包括利用车辆排放的高温尾气对机油进行加热的加热循环油路。

较佳的是，加热循环油路可以将热交换器与变速箱恒温稳压油箱串联在一起，热交换器还与发动机排气管连接，以使热交换器内部的机油与来自发动机排气管的高温尾气进行热量交换。

除了交换调压油路之外，系统还可以包括利用车辆发动机的冷却风扇对机油进行降温的冷却循环油路。

较佳的是，冷却循环油路可以将冷交换器与变速箱恒温稳压油箱串联在一起，冷交换器设置在冷却风扇附近，以使冷交换器内部的机油与冷却风扇吹出的冷却风进行热量交换。

本发明的变速箱热平衡分压调控系统能够获得以下技术效果：

(i)能够在维持变速箱热平衡状态的同时维持换挡油压。添加的无极变速式油压调控器可以实现油压的增压、限压和泄压，ECU通过PID控制算法来精确地控制油压的输出并进行反馈补正，从而获得快速提升油压、防止油压超调、消除油压稳态误差的效果。

(ii)通过添加三条油路(即：加热循环油路、冷却循环油路、交换调压油路)来实现油温热平衡，从而一方面利用高温尾气对机油进行加热，另一方面利用冷却风对机油进行降温，充分利用了车辆的闲置资源。

附图说明

为了进一步说明根据本发明的变速箱热平衡分压调控系统的结构和工作流程，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，其中：

图1是根据本发明的变速箱热平衡分压调控系统与发动机的排气管、冷却风扇和变速箱相关联的示意图；

图2以放大的方式示出了图1中的用于变速箱热平衡分压调控系统的无级变速式油压调控器的结构；

图3是根据本发明的变速箱热平衡分压调控系统的工作流程图；以及

图4示出了流经无级变速式油压调控器的电流值、目标油压和实际油压在增压、限压和泄压三种不同条件下的变化情况。

附图标记

1 变速箱恒温稳压油箱

2 热交换器

3 冷交换器

4 无级变速式油压调控器

11 交换调压油路

12 加热循环油路

13 冷却循环油路

14 泄压油路

41 无级变速式增压泵

411 电机

412 链条

42 电磁限压阀

43 蝴蝶式泄压阀

P1 第一泵

P2 第二泵

V1 第一单向阀

V2 第二单向阀

V3 第三单向阀

V 阀门

S1 变速箱油温压力传感器

S2 油路压力传感器

S3 恒温油箱温度传感器

GB 变速箱箱体

F 发动机冷却风扇

VP 排气管

M 触媒

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的变速箱热平衡分压调控系统的结构及其工作流程，其中，相同的部件由相同的附图标记进行标示。

如图1所示，该图示出了将本发明的变速箱热平衡分压调控系统安装在发动机内的简要示意图。为方便起见，该图省略了发动机的绝大部分构件，仅保留了与变速箱热平衡分压调控系统相关的发动机排气管VP、冷却风扇F和变速箱GB。

另外，图2是图1中的用于变速箱热平衡分压调控系统的无级变速式油压调控器4的放大示意图。

可以看到，根据本发明的变速箱热平衡分压调控系统主要由使机油在变速箱箱体GB和变速箱恒温稳压油箱1之间循环的交换调压油路11、利用车辆排放的高温尾气对机油进行加热的加热循环油路12以及利用车辆发动机的冷却风扇F对机油进行降温的冷却循环油路12构成。下面将依次描述上述油路的具体构造。

交换调压油路11将变速箱恒温稳压油箱1、无级变速式油压调控器4 和变速箱箱体GB依次串联在一起。在变速箱箱体GB内设置有变速箱油温压力传感器S1以检测变速箱内的机油压力，在交换调压油路11内设置有油路压力传感器S2以检测油路内的机油压力。

在本发明中，无级变速式油压调控器4利用PID控制算法来精确地控制油压的输出并对其进行补正，从而实现交换调压油路11的准确循环。

请参见图2，其中示出了无级变速式油压调控器4的具体构造。可以看到，无级变速式油压调控器4由无级变速式增压泵41、电磁限压阀42 和蝴蝶式泄压阀43构成。

如图2所示，无级变速式增压泵41由链条412连接到交换调压油路 11，而链条412则由电动机411驱动。无级变速式增压泵41的作用是：对交换调压油路11进行增压，其压力变化平稳、快速，能够减小变速箱恒温稳压油箱1与变速箱箱体GB之间的换挡冲击。换句话说，无级变速式增压泵41相当于PID控制算法中使用的“P分执行器”，其技术效果主要体现为“比例控制”和“快速平稳提升油压”。

电磁限压阀42的作用是：在换挡时，只有当交换调压油路11满足当前换挡压力时才允许机油通过该电磁限压阀42。电磁限压阀42利用具有多个孔径的计量孔来限制当前换挡工况时交换调压油路11内的油压，以便在无级变速式增压泵41进行增压或降压操作时起到限制调节的作用，防止超调。每个计量孔都由一个电磁阀及其针阀组成。当电磁限压阀42通电时，电枢便被磁铁吸向上方，使计量孔开启，从而达到了内部精确限制升档和降档瞬间的油压的效果。

蝴蝶阀式泄压阀43的作用是：在换挡瞬间出现油压超调时，蝴蝶阀式泄压阀43根据油压超调量的反馈值，调节蝴蝶阀的开度大小以进行油压的分压操作，从而消除油压的稳态误差。换句话说，蝴蝶阀式泄压阀43相当于PID控制算法中使用的“I分执行器”，其技术效果主要体现为“消除稳态后油压的误差”。

当然，本领域的普通技术人员易于理解的是，出于实现大致等同或略差的技术效果的目的，也可以用其它类型的部件来替代组成无级变速式油压调控器的无级变速式增压泵41、电磁限压阀42和蝴蝶式泄压阀43。这样的变型都将落在本申请所要求的保护范围之内。

此外，交换调压油路11中还设有泄压油路14。该泄压油路14连接变速箱恒温稳压油箱1和无级变速式油压调控器4，以供来自无级变速式油压调控器4的机油返回变速箱恒温稳压油箱1之用。

在交换调压油路11中，在无级变速式油压调控器4和变速箱箱体GB之间的部分还设有第一单向阀V1。在通常情况下，该第一单向阀V1保持常开状态。只有在系统发生故障的情况下，第一单向阀V1才会闭合以中断变速箱恒温稳压油箱1与变速箱箱体GB之间的机油交换。

变速箱当前工况所需油压Po可通过以下等式进行计算：

Po＝K1×T_oil+K2×VSP+K3×Act_Gear+K4×HNACT+α

其中，T_oil为变速箱油温，K1为变速箱油温补正系数；

VSP为车辆行驶速度，K2为车速补正系数；

Act_Gear为变速箱档位，K3为档位补正系数；

HNACT为变速箱转速，K4为变速箱转速补正系数；

Α为油压补正系数。

而当前变速箱内的实际油压P1可由变速箱油压传感器测得。

因此，机油压力补正量为ΔP＝Po－P1。

油压调控器4由此根据ΔP来调节变速箱内机油循环时油路压力的大小并进行机油压力的补正。

具体地说，若ΔP>0，表明变速箱实际油压过低，油压调控器4由此进行增压操作；

若ΔP<0，说明变速箱实际油压过低，油压调控器4由此进行降压操作；

若ΔP＝0，说明变速箱实际油压平衡，油压调控器4则不进行变压操作。

如图4中的图表所示，可以看到流经无级变速式油压调控器4的电流值、目标油压Po和实际油压P1在增压、限压和泄压三种不同条件下的变化情况。可以看到，实际油压P1在增压阶段压力始终上升，在限压阶段压力由上升转而下降，在泄压阶段基本上处于目标油压Po的水平，其差值不超过5％。

加热循环油路12将变速箱恒温稳压油箱1和热交换器2串联在一起，而热交换器2则通过分支支路与发动机排气管VP连接。这样，当加热循环油路12根据ECU发出的信号而导通时，变速箱恒温稳压油箱1中的机油沿加热循环油路12流动到热交换器2，与来自发动机排气管VP的高温尾气在热交换器2内部进行热交换，并且在吸收了高温尾气的热量之后流回到变速箱恒温稳压油箱1。由此，使得变速箱恒温稳压油箱1中的机油温度升高。

在加热循环油路12中，从变速箱恒温稳压油箱1到热交换器2的部分设有第一泵P1，以加快机油从变速箱恒温稳压油箱1流动到热交换器2的速度。另外，在从热交换器2到变速箱恒温稳压油箱1的部分设有第二单向阀V2，以根据ECU发出的信号导通或截断加热循环油路12。

此外，在发动机排气管VP中，还可以为热交换器2设置阀门V，以在必要时切断热交换器2与发动机排气管VP之间的分支支路，从而使高温尾气不经过热交换器2而之间经由触媒M进入大气。

冷却循环油路13将变速箱恒温稳压油箱1和冷交换器3串联在一起，而冷交换器3设置在发动机冷却风扇F附近。这样，当冷却循环油路13根据ECU发出的信号而导通时，变速箱恒温稳压油箱1中的机油沿冷却循环油路13流动到冷交换器3，利用冷却风扇F吹出的冷却风在冷交换器2内部进行热交换，并且在释放热量之后流回到变速箱恒温稳压油箱1。由此，使得变速箱恒温稳压油箱1中的机油温度降低。

在冷却循环油路13中，从变速箱恒温稳压油箱1到冷交换器3的部分设有第二泵P2，以加快机油从变速箱恒温稳压油箱1流动到冷交换器3的速度。另外，在从冷交换器2到变速箱恒温稳压油箱1的部分设有第三单向阀V3，以根据ECU发出的信号导通或截断冷却循环油路13。

变速箱恒温稳压油箱1上安装有恒温油箱温度传感器S3。该恒温油箱温度传感器测量变速箱恒温稳压油箱内的机油的温度，并且将测量到的温度发送到ECU。ECU则根据该温度值确定导通或截断加热循环油路12或冷却循环油路13，从而在精确维持变速箱换挡时的最佳油压的同时使变速箱油温保持为最佳工作温度。

在一个示例中，假定恒温油箱温度传感器S3所测量到的温度低于80℃，则将ECU设定为使阀门V上置、第二单向阀V2打开、第三单向阀V3闭合、第一泵P1启动且第二泵P2不启动。此时，加热循环油路12导通，变速箱恒温稳压油箱1中的机油沿加热循环油路12流动到热交换器2，与来自发动机排气管VP的高温尾气在热交换器2内部进行热交换，并且在吸收了高温尾气的热量之后流回到变速箱恒温稳压油箱1。由此，使得变速箱恒温稳压油箱1中的机油温度升高。

假定恒温油箱温度传感器S3所测量到的温度在80℃至85℃之间，则将 ECU设定为使阀门V下置、第二单向阀V2和第三单向阀V3均闭合并且第一泵P1和第二泵P2均不启动。此时，加热循环油路12和冷却循环油路 13均截断，高温尾气从发动机排气管VP排出，并经由触媒M进入大气。

假定恒温油箱温度传感器S3所测量到的温度高于85℃，则将ECU设定为使阀门V下置、第二单向阀V2闭合、第三单向阀V3打开、第一泵P1 不启动且第二泵P2启动。此时，冷却循环油路13导通，变速箱恒温稳压油箱1中的机油沿冷却循环油路13流动到冷交换器3，与冷却风扇F吹出的冷却风在冷交换器3内部进行热交换，并且在释放了热量之后流回到变速箱恒温稳压油箱1。由此，使得变速箱恒温稳压油箱1中的机油温度降低。

当然，也可以根据实际情况将上述两个临界温度(80℃和85℃)设定为其它适当温度，这对于本领域的普通技术人员来说是易于理解的，因此这些变型都将落入在本发明所要求保护的范围之内。

图3示出了根据本发明的变速箱热平衡分压调控系统的工作流程图。如图所示，在车辆启动之后，首先进行停机判断，其次检测VSP是否大于零。当VSP大于零时，ECU控制无级变速式油压调控器4通电、无级变速式增压泵41启动且第一单向阀V1打开。此时，交换调压油路连通并开始循环，变速箱油温压力传感器S1和油路压力传感器S2开始工作。否则，使阀门V下置并关闭第一泵P1和第二泵P2，油压调控器4也相应断电关闭，并重新返回到停机判断程序。当车辆进行换挡时，ECU根据检测到的各项数据确定变速箱当前工况所需的油压Po并进行补正，随后对副油箱的温度进行测量。当温度低于80℃时，则使阀门V上置、第二单向阀V2打开、第三单向阀V3闭合、第一泵P1启动且第二泵P2不启动。此时，加热循环油路12导通，变速箱恒温稳压油箱1中的机油流动到热交换器2，与来自发动机排气管VP的高温尾气在热交换器2内部进行热交换。当温度在 80℃至85℃之间时，则使阀门V下置、第二单向阀V2和第三单向阀V3 均闭合并且第一泵P1和第二泵P2均不启动。此时，加热循环油路12和冷却循环油路13均截断，高温尾气从发动机排气管VP排出，并经由触媒M 进入大气。当温度高于85℃时，则使阀门V下置、第二单向阀V2闭合、第三单向阀V3打开、第一泵P1不启动且第二泵P2启动。此时，冷却循环油路13导通，变速箱恒温稳压油箱1中的机油流动到冷交换器3，与冷却风扇F吹出的冷却风在冷交换器3内部进行热交换。最后，各流程均返回到停机判断程序，并且在判断停机时进行停机作业。

虽然以上结合了较佳实施例对本发明的变速箱热平衡分压调控系统及其运行方法进行了说明，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行修改和变型，这些修改和变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于发动机的变速箱热平衡分压调控系统，其特征在于，所述系统包括使机油在所述发动机的变速箱箱体(GB)和变速箱恒温稳压油箱(1)之间循环的交换调压油路(11)，并且利用PID控制算法来控制所述交换调压油路(11)中的油压。

2.如权利要求1所述的变速箱热平衡分压调控系统，其特征在于，所述交换调压油路(11)包括串联在所述变速箱恒温稳压油箱(1)和所述变速箱箱体(GB)之间的无级变速式油压调控器(4)。

3.如权利要求2所述的变速箱热平衡分压调控系统，其特征在于，所述无级变速式油压调控器(4)借助设置于其中的P分执行器和I分执行器来实施PID控制算法。

4.如权利要求3所述的变速箱热平衡分压调控系统，其特征在于，所述P分执行器为无级变速式增压泵(41)，所述I分执行器为蝴蝶式泄压阀(43)。

5.如权利要求3所述的变速箱热平衡分压调控系统，其特征在于，所述无级变速式油压调控器(4)还包括防止油压超调的电磁限压阀(42)。

6.如权利要求1所述的变速箱热平衡分压调控系统，其特征在于，所述交换调压油路(11)还设有泄压油路(14)，所述泄压油路(14)连接所述变速箱恒温稳压油箱(1)和所述无级变速式油压调控器(4)，以供机油返回所述变速箱恒温稳压油箱(1)。

7.如权利要求1所述的变速箱热平衡分压调控系统，其特征在于，所述系统还包括利用车辆排放的高温尾气对机油进行加热的加热循环油路(12)。

8.如权利要求7所述的变速箱热平衡分压调控系统，其特征在于，所述加热循环油路(12)将热交换器(2)与所述变速箱恒温稳压油箱(1)串联在一起，所述热交换器(2)还与发动机排气管(VP)连接，以使所述热交换器(2)内部的机油与来自所述发动机排气管(VP)的高温尾气进行热量交换。

9.如权利要求1所述的变速箱热平衡分压调控系统，其特征在于，所述系统还包括利用车辆发动机的冷却风扇(F)对机油进行降温的冷却循环油路(13)。

10.如权利要求9所述的变速箱热平衡分压调控系统，其特征在于，所述冷却循环油路(13)将冷交换器(3)与所述变速箱恒温稳压油箱(1)串联在一起，所述冷交换器(2)设置在所述冷却风扇(F)附近，以使所述冷交换器(2)内部的机油与所述冷却风扇(F)吹出的冷却风进行热量交换。