汽车无级变速器传动性能评价系统研究

发布时间:2021-08-01 03:59:35

2007 年 (第 29 卷 )第 12 期

汽  车  工  程 Automotive Engineering

2007 (Vol . 29) No. 12

2007251

汽车无级变速器传动性能评价系统研究
张飞铁 ,周云山 ,薛殿伦 ,蔡源春
(湖南大学 ,汽车车身先进设计制造国家重点实验室 ,长沙  410082)

[摘要 ]   根据无级变速器电子控制单元的控制算法 , 结合试验数据 , 建立了无级变速器 ( CVT) 性能评价系统

中的驾驶员模型 、 发动机模型 、 无级变速器模型与整车动力学模型 。同时给出了各个模型在 Sim ulink 中具体的建模 方法 。最后 ,针对具体车型 ,建立了该车型的 CVT传动性能的评价系统 。

关键词 : 无级变速器 ; 传动性能 ; 评价系统 ; 数学模型

A Study on Evaluation System for the Transm ission Performance of Vehicle CVT
Zhang Fe itie, Zhou Y un shan, Xue D ian lun & Ca i Y uanchun
Hunan U n iversity, S ta te Key L aboratory of A dvanced D esign and M anufacture for V ehicle B ody, Changsha  410082

[ Abstract]  B ased on the control algorithm for control unit and the test data of continuously variable trans m is2 sion ( CVT) for passenger cars, the models for driver, engine, CVT and the vehicle dynam ics model in CVT per2 for m ance evaluation system are established w ith their modeling m ethods given. Then the CVT transm ission perform 2 ance evaluation system is set up for specific car model . Keywords: CVT; Tran sm ission performance; Eva lua tion system; M a th m odel

前言
目前 ,国内在无级变速器控制技术的研究相对 落后 。因此 , 为了快速开发 CVT 的控制算法 , 系统 *兰壅敌阅 , 减少电子控制单元控制算法的研 发时间 , CVT动力传动的性能评价系统还须建立 。 文中在深入理解无级变速器传动系统与大量试 验的基础上 , 建立了其评价系统的数学模型 , 借助 M atlab / Sim ulink,建立了动力传动评价系统 , 为了验 证该系统的正确性 , 使用了已经研发成功的金属带 式 CVT样车的试验数据与该系统的预测数据进行 比较 。

车性能的基础上 ,对装有 CVT的汽车动力传动系统 进行必要的简化 。无级变速器汽车传动系统模型如 图 1 所示 ,包括驾驶员模型 、 发动机模型 、 离合器模 型、 带式 CVT模型 、 整车动力学模型 。与之相对应 , 所建立的评价系统的整体结构如图 2 所示 。

图 1  无级变速器汽车传动系统模型

1  动力传动评价系统模型
装有金属带式的无级变速器 ( CVT)的汽车传动 系统是一个复杂的非线性动态系统 。为了满足工程 实用性与建立数学模型的可行性 , 在不影响评价汽    原稿收到日期为 2006 年 11 月 15 日 ,修改稿收到日期为 2007 年 3 月 15 日 。

图 2  动力性能评价系统

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张飞铁 ,等 : 汽车无级变速器传动性能评价系统研究

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111   驾驶员模型

驾驶员模型由节气门开度模型与制动模型组 成 。制动模型可简单地用 1 与 0 表示制动与不制 动 。节气门开度模型根据研究对象的不同 , 又可细 分为开环控制模型与闭环控制模型 。开环控制模型 可测试不同驾驶员意图下的速比跟踪 、 夹紧力变化 情况 ; 闭环控制模型可使汽车按事先设定的车速行 驶而自动调节节气门开度与制动状态 。试验车的节 气门体内部结构是通过踏板带动一电 位器 旋转 , TCU 测量变化后的电压来计算节气门开度 。开环控 制中节气门开度用数学公式的描述如下 : α = Δ αd t Δ α <Δ α max
0 ≤α ≤ 100 % ( 1)

图 4  发动机模型

机动态转矩的一阶滞后 , k为动态型拟合系数 。 113   金属带式 CVT模型 金属带式 CVT 主要包括主动带轮 、 从动带轮 、 金属带以及与其变速密切相关的主从带轮的压力控 制系统 。在这里只研究 CVT的匹配性能 , 关注的是 主动带轮与从动带轮的夹紧力及其之间的关系 , 没 有考虑离合器的影响 ,因而此处省略掉离合器模型 。 车辆在行驶的过程中 ,车的负载随时变化 ,此时 CVT 传递的转矩也相应变化 , 为了使 CVT以最高的传动 效率工作 ,须调整从动缸对金属带的夹紧力 。夹紧 力太大 ,会降低系统的整体效率 ; 夹紧力太小 , 不仅 不能完全传递当前的转矩 ,金属带还会打滑 ,造成金 属带与锥轮的磨损 ,当磨损到一定程度 ,金属环就 会断裂 , 同 时 会 在 锥 轮 上 某 一 速 比 位 置 形 成 约 0128mm 深的凹痕 (深度根据磨损程度的不一样而 会不同 ,轻微的用手触摸可以感觉到 ) 。根据理论计 算与试验测试 ,从动缸的目标压力可由下式确定 : δ Teλco s ( 3) PDN = μRDR ADN 2 式中 : Te 为发动机输出转矩 ,δ 为带轮锥角 , 样车 δ= λ λ 11 ° , 为压力安全系数 , = 111 ~113, RDR为主动轮 半径 , ADN为从动缸面积 ,μ 为带轮摩擦因数 , 取值范 [2 ] 围是 0106 ~0108 , 受润 滑油的黏度 、 锥轮与带的 摩擦因数 、 金属带包角的 影响 , μ随速比的变化见 μ的变化范围 图 5  图 5。 从动缸的压力确定以后 , 主动缸的压力随速比 而变化 ,主动缸的压力可根据系统几何关系计算 ,由 于有动压力的存在 , 需根据试验修正 。当在给定的 从动缸压力下 , 实际传递的转矩与最大转矩之比大 [3 - 5] 于 018 的情况下 , 根据参考资料 提供的理论计 算公式如下 :
[1]



Δ α分别为节气门开度与开度的变化量 。 式中 α 、 在闭环控制模型中 , 节气门开度模型用数学公 式的描述如下 : Δv = vobj - v0 α = KpΔv + Ki Δvd t + Kd
0 ≤α ≤α m ax



Δv d
dt

( 2)

式中 : vobj 、 v0 分别为目标车速与当前实际车速 , α为 节气门开度 , Kp 、 Ki 、 Kd 为 P I D 参数 。
112   发动机模型

发动机模型是根据试验车 F I A T SIENA 使用的
113L 发动机建立的 ,模型考虑了其动态过程 。发动

机模型用稳态试验数据作为其稳态输出转矩 , 用动 力学方程描述其动态特性 。发动机稳态模型的输入 参数考虑了油门开度以及发动机的转速 , 稳态转矩 如图 3, Sim ulink 模型如图 4 所示 。

图 3  发动机稳态转矩图

图 4中 τ 1 是电子节气门的一阶滞后 , τ 2 是发动

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汽  车  工  程

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PDR =

μ co t (σ + a rc tan 1 )θ DR
4
B
2

Fs +

Te RDR

( 4)

Fs = B +

- 4AC / 2A

( 5)

式中 : Rw 为车轮滚动半径 , Fb 为制动力 , M 为整车质 量 , Jw 为车轮转动惯量 ,υ veh为车速 ,γ为路面坡度 , β 为风阻系数 , Fr 为汽车滚动阻力 。

式中 : A =θ DN
B =σ

δ Te sin
RDRμ

+

Te

2  试验验证
θ σ+ DN - 4 tan (
1Tmax Te

RDR

μ arctan 2 )
C =σ

δ Te cos μ 2arctan 2 RDR
2

试验车为装备了 RD CVT 150 变速器的 F I AT 车 ,主要参数见表 1。 表 1  试验车参数表
参    数
CVT主减速比 i0

δ Te sin
2 μ

RDR

数  值
51128 21034 1112 31151 ~71136 29153 ~70112 01288 1 534

θ 式中 : θ DR 、 DN 分别为金属 带在主 、 从动轮上的包角 , μ μ 1、 2 为修正的摩擦因数 , σ = 2129。 试验得到的数据为主 动缸 与 从 动 缸 压 力 之 比 f ( i) = PDR / PDN ,见图 6。 CVT模型主要考虑其 动力学模型和力的*衡关 系 ,借以计算出发动机转速与 CVT输出轴转速之间 的关系 :
Te - Tin = Ieωe Tin icvtη - Tout / i0 = Isωs
? ?

主从动缸面积比 iA
) 带轮锥角 δ/ ( °

从动轮半径范围 RDR /mm 主动轮半径范围 RDN /mm 车轮动半径 Rw /m 整车质量 M / kg

图 6  主动缸与从 动缸压力比

采集试验车测试时的发动机节气门数据与车速 数据 ,如图 7 所示 。输入到评价系统中 ,检验速比跟 踪、 从动缸夹紧力跟踪情况 。经过参数的细微调整 , 试验车的数据与评价系统的结果进行对比 , 速比见 图 8,燃油消耗见图 9,变速器效率见图 10。结果表 明 ,速比跟踪的最大误差不超过 012, 这些最大误差 只在某几个点出现 ,完全能满足工程应用 ,燃油消耗 量的实测是 56g,误差只有 3g,传动效率误差最大只 有 0102,也能满足要求 。

( 6) ( 7)

由 ωs =ωe / icvt对时间 t求导 : ωe icvt - ωe d icvt / d t ωs = 2
? ?

icvt

( 8)

由式 ( 6 ) ~ 式 ( 8 )得 : ωs Ie +
?

Is i
2 cvt

= Te -

Tout i0 icvt

+

Isωe d i / d t icvt
3

( 9)

式中 :ωe 为发动机角速度 , Te 为发动机输出转矩 , Ie 为发动机转动惯量 , Tin为 CVT 主动轴转矩 , Is 为从 动带轮和主减速器在 CVT 从动轴上的等价转动惯 量 ,ωs 为从动带轮角速度 , i0 为主减速器减速比 , Tin 为 CVT主动轴转矩 , Tout为 CVT 输出轴转矩 , icvt为
CVT的速比 。 114   整车模型
图 7  节气门开度与车速

对汽车燃油经济性 、 效率 、 排放等性能进行评价 的时候 ,只需考虑汽车的纵向动力学特性 ,假设汽车 正常行驶中 , 车轮不打滑 , 差速器没有产生差速动 作 。整车动力学模型表示如下 : 2 ? Tout / Rw - Fl - Fb = (M + Jw / Rw )υ veh γ +β υ Fl =M g sin
2 veh

在验证了评价系统的正确性后 , 使用它对该车 型进行城市循环 , 一个基本城市循环见图 11, 效率 与燃油消耗预测结果分别如图 12、 图 13 所示 。

3  结论
( 10 ) ( 11 )

+ Fr

通过对评价系统的预测数据与试验车采集到的

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图 11   一个基本城市循环图

图 13   一个基本城市循环工况燃油消耗图
[ 3 ]   Fujii Toru, et al . Study on Forces Transm itting Between Pulleys and Bolocks of a B lock2Type CVT Belt[ C ]. SAE 921746. [ 4 ]  Fujii T, et al . A Study of a Metal Pushing V 2 Belt Type CVT Part 1: Relation Between Transm itted Torque and Pulley Thrust [ C ]. SAE 930666. [ 5 ]  Fujii T, et al . A Study of a Metal Pushing V 2 Belt Type CVT Part 2: Comp ression Force Betw een SAE930Metal B locks and R ing Tension[ C ]. SAE 930667.

数据进行比较 , 结果表明动力传动评价系统能够准 确地预测试验车的试验数据 。因此 , 使用该评价系 统能对电控单元的控制算法进行研究 。 参考文献
[1]  周云山 ,于秀敏 . 汽车电控系统理论与设计 [M ]. 北京 : 北京理

工大学出版社 , 1999.
[2]  周云山 ,裘熙定 , 王红岩 . 汽车无级变速器 ( CVT) 建模与仿真 [ J ]. 汽车工程 , 1998 ( 5) : 285 - 289.


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