汽车无级变速传动_CVT_建模与仿真

年 第 卷 第 期 汽 车 工 程 货 毗 汽车无级变速传动 建模与仿真 吉林工业大学 周云 山 裘熙定 王红岩 杨志华 〔摘要 〕从实时控制的角度出发 , 建立了汽车的无级变速传动 璐 、乞 璐 , 咖 , 夹紧力控制 、 速 比控制及整车动态模型 , 基于这一动态模型 , 仿真计算了汽车在起 步与行驶阻力变化时的动态调节过程 , 为进一步研究无级变速传动控制规律和进行 电控系统设 计提供必要的前期工作基础 。 叙词 汽车 无级变速 电子控制 模型 叹由 , 面 , 肠由 肠日侣落印 次彻少 雌 ℃ 而“ , 心 ‘ 谊 团 , , 心 企对 侧犯九 。沈 ‘ 回 价卿 川 旧 妞 柱 份 加次盯止目。 以为旧川 。臼习 前 言 无级变速器是车用理想的传动装置 。 由于金属带的出现和电子技术的在车上的应用 , 导致 轿车无级变速器的迅速发展 。 这种传动装置投放市场不到 年 , 在国际市场的竞争能力已超过 具有 年历史的 有级式 自动变速器 变速器和 多年历史 的 手动变 速 器 变 速 器 〔刀 因此 , 只要 内燃机仍作为车用发动机 , 开发无级变速传动将是必然趋势 。 为此 , 本 文建立了无级变速传动整车的动力学模型 , 对汽车在起步工况及行驶阻力突变时进行了仿真 研究 , 为下一步进行夹紧力与速 比控制系统的提供必要的理论基础 。 传动装置的模型 无级变速传动速比 国家科委 “ 九五 ” 重点科技攻关课 。 原稿收到 日期为 卯 年 月 巧 日 , 修改稿收到 日期为 年 月 日 。 汽 车 工 程 无级变速传动的速 比由主 、 被动轮的节圆半径确定 图 卯 年 第 为卷 第 期 当被动轮位于 最小节 圆 、产、、了二勺白了、了吸半径 , 主动轮为最大节圆半径 , 传动得到最小传动比 此值通常为 左右 。 最大速 比为 锰 面 此值为 左右 。 金属带无级变速传动装置的速比 变化范围通常为 一 。 在变速过程 中 , 、由于金属带的长度 可视为定 值 弹性变形引起长度变化很小 , 故有 兀 。 伍 一 。、 “ 式中 一 凡启 , 为传动轴中心距离 。 锰 凡脑 凡 由式 得速 比和主动轮半径之间的近似计算公式为 图 主被动轮节圆变化的约束条件 一 丫护一 式 中 洲沂 。 , 。 二 一 。 北 。 。 一 乙沂 。 主 、 被动轮的轴向夹紧力 ⋯传动装置能传递的最大转矩与被动轮油缸的轴向夹紧力之间的关系为 〔 〕 。、 不心中 戏料 刃 式中 “ 为带轮锥角 , 通常为 “左右 井 为带与带轮之间的摩擦系数 。 为主动轮节圆 半径 。 为了使传动具有较高的效率 , 被动轮对金属带应有合适的夹紧力 。 如夹紧力过大将导致 不必要功率损失 , 并缩短关键零部件的使用寿命 而夹紧力过小则导致金属带不能传递足够 的转矩 , 在带轮上打滑造成功率损失 , 同时还会加快带与轮之间的磨损 。 设发动机转矩为 双 , 传递转矩的储备系数为 刀, 则被动轮缸的期望压力可由下式确定 凡 、 刀 “ 料 。 。、 式中 刀为转矩储备系数 , 一般取值为 一 为被动轮油缸面积 。 可见 , 被动轮缸的工作压力 或油泵出 口压力 由发动机输人转矩 、 主动轮半径 凡 及摩 擦系数 拜 确定 在相同条件下 , 提高摩擦系数 拜 可减小带轮夹紧力 , 提高传动效率 。 而摩擦 系数 料 取决于无级变速系中所用的润滑油 , 它即要满足金属带与带轮之间有足够大的摩擦系 数 , 又要满足传动系统中诸如轴承 、 齿轮的润滑要求 。 所以 拼 不能太大 , 通常在 一 当被动轮的工作压力 轴向夹紧力 确定以后 , 通过主动油缸改变传动速比就归结为 被动 轮的夹紧力通过金属带转化为主动轮缸的轴向负荷 , 在金属带为定长的约束条件下 , 连续改变 主动轮的节圆半径从而实现传动速 比无级变化 。 当传动系达到动态平衡时 , 主 、 被动缸轴向负荷之间的关系为 〔共 五只窦水 。 十 禹 里户 代 只 ‘ 凡 十丫尸一 式中 氏 。一半决 争 、 、一 。。黑互 卜今尸 ‘ 、 双 ‘ 、 ‘尸 声 、 二 一墨‘潇尸 、、、、、、 速比 图 主 、 被动缸夹紧力之 比与速比 变化曲线 卯 年 第 为卷 第 期 汽 车 工 程 式 中符号 、 。 , 分 别为金属 带在 主 、 被 动轮上 的包 角 群 、 为 当金属带在带轮上 的包角大于 时 , 分别在 主 、 被动带轮上的修正摩擦系数 二 为一常数 。 主被动轮轴向夹紧力之 比随速比的变化关系如图 所示 。 当 二 时 , 主 、 被动轮轴向夹紧力 比值为 , 到达最大值 。 为 图 了满足可控性条件 , 要求主动缸的面积应大于等于缸的 , 倍 。 传动装置数学模型 由图 得 , 传动装置主动轴的运动方程为 九 , 叽 双一 天 被动轴的运动方程为 几神 。 凡声 。 一 几 、、、 丫 , 传动装置简图 式中 几 、 几 分别为主动轴与转化到被动轴的等效转动惯量 凡 , 、 凡 、 分别为主动轴和转 化到被动轴的等效阻尼系数 为金属带传递的转矩 、 几 分别为发动机转矩及汽车行 驶阻力转换到被动轴上的阻力矩 。 忽略轮与带之间的滑动 , 则主 、 被动轮的转速满足条件 。 。 , 。、 由式 和式 可求得在此条件下金属带传递的转矩为 几, 几 凡 一氏刃 丸 、 双 了认田 双 不加兀 田。丑 止屿 帆 一叭 , 瑞 叽 特 叱 了、 一一双 沪 如‘ 主 、 被动轮无滑转时的等茹运动方程为 几 几泄 山 。 , 凡月八和 。 , 双一 几声 由式 式 表示 , 传动装置的数学模型 , 具有一个类似于离合器的结合过程 , 因而计算量较大 。 但它可研究 , 在起动时的滑转过程 , 及被动轮夹紧力对传动效率的影 响 。 当夹紧力足够 , 在稳态时它的等效运动方程由式 描述 , 该模型简单 , 计算量少 , 比 较适用于研究发动机与 的匹配规律 。 发动机特性的数学模型 发动机的输出特性与多种因素有关 , 但对研究 的动态特性和控制规律 , 并不涉及 发动机的控制问题 , 因而可把发动机当作一个固定特性的动力装置 。 为描述发动机的输出特 性 , 最常用的就是根据发动机的试验数据 , 采用多项式拟合发动机的稳态转矩与转速之 间的关系曲线 。 一般采用三次多项式就可达到满意的精度 , 其公式为 兀 内 。 助若 刃言 式中 , 一 为转矩与转速关系拟合系数 , 与油 门的开度有关 。 为发动机转速 为 发动机静态转矩 。 在最大转速附近的调速区间 , 静态转矩式 可近似由线性方式表示 · · 汽 车 工 程 卯 年 第 加卷 第 期 。 。 式 中 ‘ , 为转矩转速关系在最大转速区的拟合系数 当发动机的油门从一个位置变动到另一个位置时 , 它的输出特性并不能随着油门的变化 瞬时从一个稳态输出变到另一个稳态输出 , 中间有一动态响应过程 。 一般将动态特性简化为 带迟后的一阶惯性环节为 双双 一“ 月 巧 式中 为迟后时间 ‘ 为动态型拟合系数 。 , 传动电液控制系统 当前在轿车上采用的电液控制系统有两种不同方 案 一 种 为荷 兰 一 ⋯公 司 的单压力液 压 回 路 , 即速 比控制和夹紧力控制采用同一压力源 。 为了 保证对速 比的可控性 , 则要求主动缸的面积必须大于 被 动缸 的面 积 。 另 一 种 为双压力 高 低 回路 , 即 速 比控制和夹紧力控制采用不同的压力油源 , 并通过 换档阀实现高 低压力切换 , 以满足夹紧力和速比控制 的要求 采用的就是用这种双压力回路 川 , 铃铃铃 燕燕燕 位置伺服阀 压力调 丁阀 图 的电流控制系统原理图 该的主被动缸通常做成相 同的尺 寸 。 基 于 引进 的样机 荷 兰 一 , 公 司 的 传动器 , 拟采用单液压回路 见图 , 它主要 由两个 比例控制阀 、 限压阀 、 油 泵及 主 、 被 动缸组成 。 传动系统仿真 系统主要参数 汽车质量 。二 主减速 比 几 滚动阻力系数 车轮半径 ‘ 风阻系数 ” 迎风面积 、 二 耐 被动轮折算转动惯量 几 二 · 时 主动轴转动惯量 · 耐 带轮摩擦系数 拼 带轮锥角 详 。 主动轮半径 。 一 卫 被动轮半径 。、 一 仿真模型 斌 一 式 得到 一人一, 勺 , 的仿真结构 如图 。 它 由发动机 、 传动装置 、 夹 紧力控制和速比控制四部分 组成 夹紧力控制系统期望 的工作压力 由式 确定 , 通过比例压力阀调节油泵的 出 口 压力 按期望 的压力变 化 。 传动器 速 比控制 的 目 一竺今 吵琅 发动机 模 型 主动缸 压 力 速比控制 传动装 动 力 学 夹紧力 计 算 习二 一 僵嘎挤 巧 风阻 路面阻 力扰动 “ 为油门开度 为工作模式选择 图 传动装置仿真结果框图 卯 年 第 卷 第 期 汽 车 工 程 标是改变传动比 , 使发动机的转速稳定在选定的工作点 如燃油消耗率最低点 。 , 传动系统仿真 设速比控制规律为 一“ 。 一户·“石黑兴 ·“丁一 , 式中 , 为发动机期望 的工作转速 、 , 和 。分别为 比例 、 微分与积分系数 。 不考虑起步离合器的特性 , 则发动机在最低稳定转速突然加速起步的动态调节过程如 图 。 汽车行驶阻力突变时 , 在发动机油门不变的情况下 , 通过速 比调节保持发动机转速 不变的动态响应过程如图 所示 。 乒乒乒 架架兰兰主主动缸缸 石 户 卜 占 ‘‘曰 毛 户 斗 一一一 蓬驾 ⋯ 月聋 ’瞥掣 蠢 姜“ 型竺竺 里 ’ 才 ’ 甲 炙 ‘匕几一一一一二一一一 科一 逻主动缸 时间 时 司 芝只日据尽摧招 。 履、国其宾拐弼 时间 时间 ,一饰,一尸一﹃日,乙、、 刁 等即丫俐习山洲 ︸馨 又又 一一 喜 时间 图 时间 寸间 寸间 传动起步过程 图 行驶阻力与速 比的动态匹配过程 结 论 以金属带的定长作为约束条件建立主 、 被动轮之 间的运动关系 , 省去 了被动轮的 运动方程 , 既简化了无级变速传动的数学模型 , 又消除了同时用运动方程描述主 、 被动轮在 不满足约束条件时可能产生的不稳定因素 。 把无级变速传动控制系统按压力调节系统和位置伺服 系统进行建模 , 使主 、 被动 轮相互藕合的控制问题转化为两个单一 目标的压力调节系统 夹紧力控制 和位置伺服系统 速 比控制 , 简化了控制问题 。 通过仿真研究了汽车起步和行驶阻力突变时 速比的动态调节过程 。 由于 速 比 连续地变化 , 汽车可迅速平稳起步 。 当汽车行驶阻力变化时 , 传动装置能 自动调节速 比 , 保证发动机输出功率和路面行驶阻力达到动态匹配 , 维持发动机的工作点不变 因此 , 装备 的汽车可提高燃油经济性 、 动力性并减小有害气体的排放 。 参 考 文 献 , 山幻 界 坦 , 岁 一 几 叮 口 眼 。留 旧 一 , 一 二 , 祀吧 ”怡而 闰此 助 卜山 了比出 肠肠