Analiza bloku elektrohydraulicznego samochodu Nissan Micra w części dotyczącej wypracowania ciśnień do siłowników przekładni CVT

Transkrypt

1 RADZYMIŃSKI Bartosz 1 GOSZCZAK Jarosław 2 WERNER Andrzej 3 PAWELSKI Zbigniew 4 Analiza bloku elektrohydraulicznego samochodu Nissan Micra w części dotyczącej wypracowania ciśnień do siłowników przekładni CVT WSTĘP Automatyczne skrzynie biegów, aby mogły zrealizować zadane przełożenie, oprócz elektronicznej jednostki sterującej potrzebują jeszcze elementów wykonawczych (sprzęgieł i hamulców w przekładniach planetarnych, siłowników kół pasowych wariatorów) oraz elementów sprawdzających (czujniki). Elementy wykonawcze najczęściej sterowane są ciśnieniem oleju uzyskiwanym poprzez odpowiednie wysterowanie elektrozaworu kierującego olej do tego elementu, często za pośrednictwem wzmacniacza hydraulicznego. 1. ANALIZOWANY BLOK ELEKTROHYDRAULICZNY Przedmiotem analiz opisanych w artykule był blok elektrohydrauliczny bezstopniowej skrzyni biegów samochodu Nissan Micra K12 wyposażonej w pas pchający (pushbelt). Zdjęcie badanego bloku przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1.Badany blok elektrohydrauliczny W niniejszym materiale na rysunkach oraz w tekście użyto następujących oznaczeń: 1. EV# elektrozawór nr # 2. C# sztywność sprężyny tłoczka numer # 1 Politechnika Łódzka, Wydział mechaniczny, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, Łódź; ul. Żeromskiego 116, bartosz.radzyminski@p.lodz.pl 2 Politechnika Łódzka, Wydział mechaniczny, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, Łódź; ul. Żeromskiego 116, jaroslaw.goszczak@p.lodz.pl 3 Politechnika Łódzka, Wydział mechaniczny, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, Łódź; ul. Żeromskiego 116, andrzej.werner@guest.p.lodz.pl 4 Politechnika Łódzka, Wydział mechaniczny, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, Łódź; ul. Żeromskiego 116, zbigniew.pawelski@p.lodz.pl 4109

2 P [bar] 3. L#sw długość swobodna sprężyny tłoczka numer # 4. L#m długość montażowa sprężyny tłoczka numer # (bez zasilania w olej) 5. X# wychylenie tłoczka numer # z pozycji spoczynkowej (bez zasilania w olej) 6. P#z ciśnienie zasilające tłoczek numer # 7. P#w ciśnienie wyjściowe z tłoczka numer # 8. P#sz ciśnienie wyjściowe będące ciśnieniem sprzężenia zwrotnego tłoczka numer # 9. P#s ciśnienie sterujące tłoczkiem numer # W rozwiązaniu zastosowanym w bezstopniowej skrzyni biegów użytej w samochodzie Nissan Micra K12 blok elektrohydrauliczny zasilany jest olejem przez pompę łopatkową, której prędkość obrotowa narzucona jest poprzez zmienną prędkość obrotowa silnika spalinowego. Z powodu tej zmienności, występuje nie jedna charakterystyka, a ich rodzina, w której każda krzywa opisana jest daną prędkością obrotową silnika. Ciśnienie tłoczenia pompy wynika z charakterystyki odbiornika przyłączonego do jej króćca wylotowego i dlatego, jeżeli chce się utrzymać stałe ciśnienie w bloku elektrohydraulicznym, trzeba zmieniać opór odbiornika (krzywe R na rysunku 2) n1 n2 n3 n4 R1 R2 R3 R4 P2 Pmax Q [dm3/min] Rys. 2.Przykładowa rodzina charakterystyk pompy oleju wraz z charakterystykami odbiorników Na rysunku 3 przedstawiającym w sposób schematyczny stanowisko badawcze samej pompy, odbiornikiem tym jest zawór, którego otwarcie zmienia wspomniany opór. W bloku zaworowym rolę tego zaworu przejmują odpowiednie zawory suwakowe. 4110

3 Rys. 3.Schemat stanowiska badawczego pompy oleju: 1 zbiornik oleju; 2 falownik; 3 silnik elektryczny; 4 pompa oleju; 5 manometr; 6 zawór Schemat fragmentu bloku elektrohydraulicznego przedstawionego na rysunku 4 (wraz z komponentami), odpowiedzialnego za wypracowanie i utrzymanie przełożenia, smarowanie przekładni bezstopniowej oraz schłodzenie oleju uzyskano poprzez dokładną analizę połączeń oraz wymiarów kanałów po demontażu i rozłożeniu bloku elektrohydraulicznego. Rys. 4.Badany fragment bloku elektrohydraulicznego odpowiedzialnego za wypracowanie i utrzymanie przełożenia, smarowanie przekładni bezstopniowej oraz schłodzenie oleju; A odbiorniki odpowiedzialne za smarowanie przekładni pasowej i chłodzenie oleju; P1 ciśnienie w siłowniku wejściowego koła pasowego; P2 ciśnienie w siłowniku wyjściowego koła pasowego Zawory suwakowe 1, 2, 4 i 7 są zaworami redukcyjnymi. Ich zadaniem jest stabilizacja ciśnienia cieczy (na stałym poziomie, a dla zaworów 4 oraz 7 na poziomie wynikającym z ciśnienia sterowania) opuszczającej zawór, niezależnie od zmian ciśnienia cieczy zasilającej zawór, przy czym wartość ciśnienia stabilizowanego jest mniejsza lub równa ciśnieniu zasilania. 4111

4 1.1. Zawór suwakowy 4 Zawór suwakowy 4 służy do regulacji maksymalnego ciśnienia panującego w bloku elektrohydraulicznym będącego jednocześnie ciśnieniem kierowanym do siłownika wyjściowego koła pasowego przekładni bezstopniowej ciśnienia P2. Opis działania Olej z pompy kierowany jest do komory roboczej. Regulacja ciśnienia w tej komorze odbywa się poprzez otwarcie odpływu oleju do kanału 4.3 prowadzącego do linii smarowania. Ciśnienie w linii smarowania regulowane jest z kolei przez zawór suwakowy 2 na poziomie 5 bar, co opisane będzie w dalszej części. Jeżeli to działanie jest niewystarczające i P4z nadal jest zbyt wysokie, sprzężenie zwrotne pcha suwak w prawo powodując w ten sposób otwarcie kanału spustowego X4.2. W stanie ustalonym położenie kół pasowych przekładni bezstopniowej jest stałe, co przekłada się na zanik przepływu oleju do i z siłownika wyjściowego koła pasowego. Rys. 5. Suwak 4 w położeniu pracy Siły działające na suwak Na zawór suwakowy 4 działają dwie siły parcia na dwie powierzchnie. Pierwszą jest siła pochodząca od ciśnienia P4s (kanał 4.4) generowanego przez elektrozawór EV1 sygnałem PWM w sposób ciągły w zakresie od 0 do 19,3 bar będąca zmienną wejściową oddziałującą na powierzchnię o średnicy 16mm, pchającą suwak w lewą stronę. Drugą jest siła pochodząca od ciśnienia P4sz (kanał 4.1) będącego zmienną wyjściową działającą na powierzchnię o średnicy 9,3mm pchającą suwak w prawo. Poprzez działanie tej ostatniej siły realizowane jest sprzężenie zwrotne. Trzecią siłą jest siła pochodząca od sprężyny, skierowana w lewo. Ta siła decyduje o przesunięciu o 4,9 bar początku charakterystyki pokazanej na rysunku 6. Nachylenie charakterystyki wynika ze stosunku powierzchni, 4112

5 P4z [bar] na które działają ciśnienia. Parcia wypadkowe w innych komorach są zerowe z powodu zerowego ciśnienia panującego w danej komorze lub z powodu działania niezerowego ciśnienia na dwie jednakowe powierzchnie znajdujące się naprzeciw siebie. (1) P4s [bar] Rys.6. Charakterystyka zaworu suwakowego 4 przedstawiająca wartość wypracowanego ciśnienia w funkcji wartości ciśnienia sterowania pochodzącego od elektrozaworu EV Zawór suwakowy 7 Zawór suwakowy 7 służy do regulacji ciśnienia panującego w siłowniku wejściowego koła pasowego przekładni bezstopniowej P1. Jest on wzmacniaczem ciśnienia i przepływu. Opis działania Na rysunku 7 suwak pokazany jest w położeniu pracy, w którym niewielkie przesunięcie w prawo spowoduje otwarcie okna zasilającego 7.3, a małe przesunięcie w lewo otwarcie kanału spustowego X7.1. Rys. 7. Zawór suwakowy 7 w położeniu pracy 4113

6 P7w [bar] Siły działające na suwak Na zawór ten działają dwie siły parcia na dwie powierzchnie. Pierwszą jest siła pochodząca od ciśnienia P7s (kanał 7.1) generowanego przez elektrozawór EV4 w sposób ciągły w zakresie od 0 do 19,3 bar (elektrozawory EV1 i EV4 są jednakowe) będąca zmienną wejściową oddziałującą na powierzchnię o średnicy 14mm, pchającą suwak w prawą stronę. Drugą jest siła pochodząca od ciśnienia P7sz (kanał 7.4) będącego zmienną wyjściową działającą na powierzchnię o średnicy 11 mm pchającą suwak w lewo. Poprzez działanie tej ostatniej siły realizowane jest sprzężenie zwrotne. Trzecią siłą jest siła pochodząca od sprężyny, skierowana w prawo. Działanie tej siły powoduje przesunięcie charakterystyki przedstawionej na rysunku 7 o 0,44 bar. Nachylenie charakterystyki wynika ze stosunku powierzchni, na które działają ciśnienia. (2) P7s [bar] Rys.8. Charakterystyka zaworu suwakowego 7 przedstawiająca wartość ciśnienia wyjściowego w funkcji wartości ciśnienia sterowania pochodzącego od elektrozaworu EV Zawór suwakowy 1 Zawór suwakowy 1 służy do wypracowania ciśnienia zasilającego elektrozawory EV1 oraz EV4. Jest on zaworem redukcyjnym stabilizującym ciśnienie cieczy opuszczającej zawór. Opis działania Na rysunku 9 suwak pokazany jest w położeniu pracy, w którym niewielkie przesunięcie w lewo spowoduje otwarcie okna zasilającego 1.2, a małe przesunięcie w prawo otwarcie kanału spustowego X

7 P1w [bar] Rys. 9. Zawór suwakowy 1 w położeniu pracy Siły działające na suwak Działają na niego dwie siły - siła pochodząca od sprężyny pchająca zawór suwakowy w lewo oraz równoważąca ją siła pchająca suwak w prawo, pochodzącą od ciśnienia sprzężenia zwrotnego P1sz (kanał 1.1) działająca na powierzchnię o średnicy 6,7 mm. Przesunięcie tłoczka z pozycji spoczynkowej (bez zasilania olejem) do pozycji, w której zostaje odcięte zasilanie to X 1 =2,2 mm, więc maksymalne ciśnienie wyjściowe wynosi: Jeżeli ciśnienie P1z jest poniżej 19,3 bar suwak znajduje się w lewym skrajnym położeniu (sprężyna działa silniej niż sprzężenie zwrotne) i P1w=P1z<19,3 bar. To tłumaczy kształt charakterystyki zaworu suwakowego. (3) P1z [bar] Rys.10. Charakterystyka zaworu suwakowego

8 1.4. Zawór suwakowy 2 Zawór suwakowy 2 służy do przygotowania oleju o ustalonym ciśnieniu 5 5,5 bar potrzebnego do wypełnienia przekładni hydrokinetycznej, blokowania wirników pompy i turbiny przekładni hydrokinetycznej oraz do smarowaniu pasa przekładni bezstopniowej po uprzednim skierowaniu oleju do chłodnicy i filtra. Opis działania W celu regulacji ciśnienia wystarczy odpowiednio spuszczać w sposób ciągły dostarczany olej. W tym przypadku następuje to dwustopniowo. Rys. 1. Zawór suwakowy 2 w położeniu pracy; A odbiorniki odpowiedzialne za smarowanie przekładni pasowej i chłodzenie oleju. Siły działające na suwak W położeniu pracy na suwak działa prawie stała siła skierowana w lewo pochodząca od sprężyny oraz siła pochodząca od działania ciśnienia P2sz (kanał 2.1) na powierzchnię o średnicy 15 mm skierowana w prawo. Przy przesunięciu suwaka o X 2 =0,6mm od położenia spoczynkowego (tego bez zasilania w olej) zawór otwiera przepływ oleju do kanału 2.3 (do linii smarowania). Jeżeli to nie wystarcza, to po przesunięciu suwaka o X 2 =2.4mm zostaje otwarty kanał spustowy x2.1. (4) WNIOSKI 1. W układzie hydraulicznym zastosowanym przez firmę Nissan zdecydowano, że maksymalnym ciśnieniem panującym w całym układzie hydraulicznym jest zmienne ciśnienie występujące w siłowniku wyjściowego koła pasowego P2. Decyzja ta związana jest z faktem, iż na wyjściowym kole pasowym utrzymywana jest siła powodująca naciąg pasa. Aby móc zrealizować taki układ, w siłowniku wyjściowego koła pasowego zastosowano około dwukrotnie mniejszą powierzchnię niż na kole wejściowym, na którąw konsekwencji musi działać większe ciśnienie. 2. Zastosowano sterowanie z ciśnieniem pośrednim (elektrozawór 1 wraz z zaworem suwakowym 4 oraz elektrozawór 4 wraz z zaworem suwakowym 7). Ten sposób sterowania polega na doprowadzeniu do zaworów suwakowych generujących duże ciśnienia (w przypadku zaworu 4116

9 suwakowego 4 nawet 53 bar) sygnałów sterujących o małych ciśnieniach (do 19,3 bar) dopuszczalnych dla zastosowanych elektrozaworów. 3. Doświadczenia i spostrzeżenia zebrane podczas analizy bloku elektrohydraulicznego wykorzystane zostały podczas projektowania układu napędowego prototypowego samochodu osobowego. 4. Przeprowadzona analiza wykorzystana zostanie podczas robienia modelu symulującego algorytmy sterujące pracą układu napędowego hybrydowego samochodu osobowego. Streszczenie Dokonano analizy części bloku elektrohydraulicznego samochodu Nissan Micra odpowiedzialnej za wypracowanie ciśnień na siłownikach kół stożkowych bezstopniowej skrzyni biegów CVT i ciśnienia smarowania. Rozpoczęto od rozmontowania bloku zaworowego, określeniu dróg obiegu oleju, uzyskaniu charakterystyk sprężyn, wymiarów cylinderków i suwaków, po czym rozpisano odpowiednie równania dla poszczególnych zaworów. Omówiono cel zastosowania, sposób działania i charakterystyki zaworów. Wyjaśniono sens decyzji o tym, że ciśnienie kierowane na siłownik koła wyjściowego CVT jest ciśnieniem maksymalnym w układzie i jako takie jest ciśnieniem zasilania dla innych zaworów. Do wypracowania ciśnień kierowanych na siłowniki obu kół stożkowych Nissan stosuje dwustopniowe wzmocnienie, w związku z czym w układzie generowane jest ciśnienie zasilania elektrozaworów. Słowa kluczowe: Analiza, CVT, skrzynia biegów, sterownik elektrohydrauliczny. Analysis of a Nissan Micra electro-hydraulic control block in the part concerning pressure control for two CVT pulley actuators Abstract A Nissan Micra electro-hydraulic control block in the part responsible for generating control pressures for the CVT and controlling lube oil pressure has been analysed. After having disassembled the block, all the oil canals have been found, spring characteristics and the cylinder and pistons dimensions measured. Thus, function describing equations could be determined. Application purpose, operation mode and characteristics of hydraulic distributers have been discussed. An explication has been found to the manufacturer decision why pressure applicated to the secondary pulley actuator is the maximum pressure in whole the system and it is used as supply pressure for other distributers. Nissan uses for generating CVT control pressures the two-stage amplification scheme what results in the need of generating an intermediary pressure. Keywords: Analysis, CVT, gearbox, control valve assy. BIBLIOGRAFIA 1. BOSCH, Elektroniczne sterowanie skrzynką biegów ESG. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności Pawelski Z., Pałczyński T., Procedura budowy map sterowania układem napędowym z przekładnią bezstopniową CVT. Mechanika, Wyd. Politechniki Krakowskiej, z.6, str