汽车无级变速器原理与控制

示为主动轮 缸半径 #%的一元函数。因此传动比 ! 可随着主动轮缸缸 径的变化而连续变化，从而实现传动比连续改变的无级 传动。 #, !$ 无级变速器的发展和应用 #-./ 年，荷兰 0, 12) 3&&4)5博士发明了 124(&627(%双 1型橡胶带式无级变速器，并将其应用于 389公司的小型 轿车 32::&;(<上。据统计，此后约有 #!= 万辆轿车装备了 124(&627(%无级变速器［!］。0, 12) 3&&4)5 博士从 >= 年代 开始研究能够传递较大功率、效率更高的无级变速器，提 出了用金属带代替橡胶带的想法，从而发明了金属带式无 级变速器。图 * 所示为金属带示意图。 图 *$ 金属带示意图 #-/?年，日本 @AB24A 汽车厂首次将电子控制的金属 带式无级变速器应用于大规模的汽车生产中。由于电子 控制的无级变速器能够根据汽车工况精确地连续改变传 动比，使得发动机可以工作在传动比有效范围内的任意工 况下。控制算法可以保证发动机工作在发动机万有曲线 图上的最佳经济线、动力线或排放最优曲线上。因此，无 级变速器不仅在舒适性方面具有明显的优势，而且在动力 性、经济性和尾气排放等方面也不逊于普遍使用的手动变 速器或自动变速器。 由于金属带的加工工艺要求很高，因此其价格不菲，所 以人们考虑使用金属链条来代替金属带完成动力传递工 作。目前汽车无级变速器的代表产品是使用金属链条的 CA<7(74&)(%，如图 "所示。它是德国大众公司研发的无级变 速器，装备于 8A;( 8> !, /，其最大传动功率为 #"! DE，最大 传动转矩为 !/= F·6。CA<7(74&)(%代表着当前无级变速器 的最高水平，除了价格因素外，其它各个方面的指标都赶上 或超过了传统的自动变速器和手动变速器。在动力性方 面，装备 CA<7(74&)(%的 8A;( 8> !, / 在 = + #== D6G H 的加速 时间要比自动变速器快 #, * ’，甚至要比经过优化的 . 档手动变速器快 =, # ’；在经济性方面，根据欧洲燃油消耗标 准进行的测试显示，它的百公里油耗要比自动变速器少 =, - I，比 .档手动变速器少 =, ! I。因此我们有理由相信，无级 变速器取代手动变速器和自动变速器只是时间的问题。 图 "$ CA<7(74&)(%无级变速器示意图 !$ 基于无级变速器的汽车动力传动系的控制研究 无级变速器控制技术的核心是传动比的控制。国内 外的很多学者和研究人员对基于无级变速器的汽车动力 传动系进行了大量的研究工作，包括建模和控制算法。 !, #$ 建模 图 .$ 汽车动力传动系模型简图 建模是控制研究的基 础，因此有许多研究人员对 汽车动力传动系的模型进 行研究［* + ?］。理想传动模 型如图 . 所示，汽车动力系 统被分为 * 个部分，每个部 分之间假定为刚性连接，不 存在滑动、摩擦，当然也没有功率损失。图 . 中：+,为发动 机惯量和无级变速器输入端惯量之和，+-为车身惯量和无 级变速器输出端惯量之和，",为发动机转速，"-为驱动轴 "!" 万方数据 第 ! 期 高" 路等：汽车无级变速器原理与控制 转速，!"为发动机输出转矩，!#为驱动轴上的等效阻力矩。 由此可推导出汽车动力传动系的理想模型，即 #!# #$ % & #’ #$· ("·!" ("·’ $ ) (# ) !"·’ & !# ("·’ $ ) (# （!） " " 由公式（!）可知，在加速过程中，如果传动比变化率突 然增大，会导致汽车加速度出现负值，也就是汽车在加速 过程中会出现减速现象。为了在汽车动力性与驾驶平顺 性之间取得平衡，传动的无级变速器控制传动比一般采用 %&（比例微分）控制算法，即 #’ #$ % *’（ ’$ & ’）) *$ #’$ #$ （(） 式中：’$为目标速比；’ 为实际速比；*’为比例系数；*$为微 分系数。 $) $" 控制算法介绍 早期无级变速器控制的主要目标是汽车动力性和平 顺性，这是因为当时对于经济性的问题重视不足。随着能 源危机的出现以及可持续发展理念的大行其道，汽车的经 济性成为了重要的指标。如何使发动机工作在最经济工 况成为无级变速器的核心研究问题。在这种情况下，出现 了一些新的控制算法［* ，+］，其主要依据就是发动机外有特 性曲线图。 图 ," 发动机外有特性曲线图 图 , 中，上、下两条粗实线为最大、最小发动机输出转 矩曲线，细实线为等效率曲线（等燃油消耗率曲线），虚线 为等功率曲线，" 为最小燃油消耗曲线（半稳态最经济曲 线），#为最大传动比曲线，$为稳态最经济曲线。 $) $) ’" 稳态工况 稳态的定义：汽车动力传动系的所有参数皆为常量，如 发动机油门开度、转速、转矩，车轮转速、迎风阻力（车轮阻 力矩），路面坡度等等。基于稳态的无级变速器控制相对简 单。当汽车处于稳态工况下，无级变速器控制的主要目标 是通过调节传动比，使得发动机处于稳态最经济曲线 $上。 如图 , 所示，$ 曲线由 "和 # 曲线的虚线部分组成。 由于受传动比的限制，发动机不可能稳定工作于 #曲线的 上方区域。设汽车匀速行驶，发动机功率为 +，由图 , 可得 ’ % !# !" % !" !# （,） + % !"·!" % !#·!# （-） " " 假设发动机工况从 # 曲线与等功率曲线的交点沿等 功率曲线上升，则发动机转速下降，转矩上升。当汽车匀 速时，行驶阻力为车速的函数，并且随着车速的增加而增 加［’.］。因此在等功率情况下，汽车车速为定值。由于车 速和行驶阻力皆为定值，因此要想稳定地工作在 #曲线上 方，传动比 ’必须变大。由于 # 为最大传动比曲线，传动 比 ’不能增大，因此 # 曲线上方为非稳态工作区域，下方 则为稳态工作区域。由图 , 可知，在发动机转速较低时，# 曲线为稳态最经济曲线，而当发动机转速较高时，" 曲线 为稳态最经济曲线，因此由 #和 "曲线的虚线部分所组成 的 $曲线为稳态工况下的最经济曲线，即在稳态工况下， 无级变速器的控制目标曲线。 $) $) $" 半稳态工况 当汽车处在加速或减速工况下，驾驶员保持油门踏板 位置恒定，即目标输出功率恒定，此时汽车动力传动系进 入半稳态工况。 一般来说，半稳态是作为不同的稳态工况之间的过渡， 其控制目标是在满足驾驶员要求的同时，最大化的节省燃 油消耗。通常的控制算法是将驾驶员的踏板位置转化为相 应的发动机目标功率值，通过连续地调节传动比，将发动机 的运行工况控制在 "曲线上，并沿着 "曲线前进，直到达到 发动机目标功率曲线，然后再沿着等功率曲线下降到相应 的稳态工作点，从而完成从半稳态到稳态的转换［’’］。 $) $) /" 瞬态工况 图 -" 0122# 34526712曲线图 最具有代表性的瞬态 工况的无级变速器控制算 法 是 0122# 34526712［’$］。 这一控制算法被应用于 874#9 的 :;6<= :9<=> 无级 变速器，该变速器在 ’++, 年 874#9生产的 ?=5=>系列 车型上使用，其主要工作原 理如图 - 所示。 如图 - 所示，上边界曲 线是油门全开（最佳动力性）曲线，下边界是油门全闭（最 佳经济性）曲线。在这两条曲线之间就是由许多条油门开 度曲线组成的二维平面。对于给定的车速，发动机转速可 以近似为油门开度的线性函数。当发动机转速靠近上边 界时，汽车处于动力模式，反之则处于经济模式。一般情 况下，无级变速器控制器根据油门开度、车速等参数来调 节传动比，从而使发动机转速朝动力线或经济线移动。 $) /" 先进控制理论的应用 在基于无级变速器的动力传动系控制中，控制方法的 基础大多是台架试验和查表插值。通过发动机台架试验， 测得发动机万有特性曲线图，并将这张图转换成的形 式存储在电子控制单元中。在实际运行中，传感器将各种 信号传递给电子控制单元后，电子控制单元根据所获得的 参数，采用查表插值的方法找到所需的控制结果，反馈给 ($! 万方数据 机 械 科 学 与 技 术 第 !" 卷 执行单元。 为了追求更好的控制效果，得到更好的动力性、经济 性和排放指标，一些新兴的、先进的控制理论被应用于汽 车动力传动系的控制中［#$ % #&］，其中的代表就是模糊 控制［#’，#(］。 在 )*+,-提出了模糊集的理论之后，模糊控制在各个 领域得到了广泛的应用。一些研究人员将模糊控制引入 到汽车动力传动系的控制中，其控制结构如图 . 所示。 图 ./ 模糊控制结构示意图 在汽车动力传动系中应用模糊控制主要有 $ 个原因： 一是模糊控制能够很好地辨别汽车的运行工况或是驾驶 员的驾驶意图；二是模糊控制是基于语义和规则的控制理 论，应用于汽车动力传动系这样的强非线性系统具有很好 的抗干扰效果；三是模糊控制具有很好的连接作用，可以 将不同的控制算法结合起来，从而达到最优的控制效果。 $/ 结束语 出于对能源和环保的考虑，各个国家对于汽车燃油经 济性和排放的要求越来越严格。在 #00( 年的京都会议 上，欧盟主张发达国家在 !1#1 年时，温室气体排放量要比 #001年减少 #&2。作为现代社会的重要污染源之一，降 低能耗和排放成为汽车行业当前最重要的任务，因此大量 的新技术（主要是电子控制技术）被应用于汽车中，无级变 速器就是其中之一。 与传动的变速器相比，无级变速器能够通过连续调节 传动比，保证发动机工作在最优工况，从而在最大程度上 减少燃油消耗和尾气排放。同时，经过了长期研究的传统 变速器，其可挖掘的潜力基本上所剩无几，因此面对越来 越苛刻的政策法规显得无能为力。而作为一个新的发展 方向，无级变速器无论是制造工艺还是设计方法，或者是 控制算法都有继续发展的空间和可能。因此无级变速器 不仅成为国内外汽车研究的热点，同时也成为汽车变速器 新的发展方向。 ［参考文献］ ［#］/ 周云山，于秀敏3 汽车电控系统理论与设计［4］3 北京：北 京理工大学出版社，#000 ［!］/ 裘熙定等3轿车金属带式无级自动变速传动技术发展现状 与趋势［5］3汽车技术，#00.，（"）：# % & ［$］/ 周云山，裘熙定3 汽车无级变速传动（678）建模与仿真 ［5］3汽车，#00.，!1（&）：!.& % !.0 ［"］/ 9:; <，<=,>*?@A@;B@; C D3 E>>,F=G @> F@?=H@B G=H;F=;H, @? A,HI >@HJ*?F, >@H *? *;=@J@=:K, A@L,H=H*:? L:=- * F@?=:?;@;GBM K*H:I *NB, =H*?GJ:GG:@?［ 5］3 !""" #$%&’%()*+&’ +& ,+&)$+- ./’0 )12’ #1(3&+-+4/，!11!，#1（&）：(1# % (1. ［&］/ O@BJ*?@KGPM Q，<;? 5，R*?S 9 T3 6@@H+:?*=,+ F@?=H@B @> B,*? N;H? S*G@B:?, ,?S:?,G L:=- F@?=:?;@;GBM K*H:*NB, =H*?GJ:GG:@?G ［C］3 5$+(116*&4’ +7 )31 821$*(%& ,+&)$+- ,+&71$1&(1 ［6］，#000，（"）：!’($ % !’(( ［’］/ <,=B;H U，!" #$3 V@?B:?,*H F@?=H@B @> * F@?=:?;@;GBM K*H:*NB, =H*?GJ:GG:@?（ 678）［ 5］3 !""" #$%&’%()*+&’ +& ,+&)$+- ./’)12’ #1(3&+-+4/，!11$，##（#）：#1# % #1. ［(］/ <*P*: T3 #31‘ ",9#’"-1()$+ ,+&)*&:+:’-/ 9%$*%;-1 #$%&’2*’’*+&［W］3 :>>?,H W，D;XX,BB* 9，Y?+,H 6 Z3 [;,BI@A=:J*B F@?=H@B @> 678 A@L,H=H*:?G［5］3 ,+&)$+- "&4*&11$*&4 5$%()*(1，!11$， ##（$）：$!0 % $$’ ［0］/ 8*P*-*G-:，<-:?G;P,3 [;?+*J,?=*B G=;+M @> B@L >;,B F@?G;JAI =:@? F@?=H@B GF-,J, N*G,+ @? F@JN:?*=:@? @> +:H,F= >;,B ,?S:?, *?+ F@?=:?;@;GBM K*H:*NB, =H*?GJ:GG:@?［C］3 5$+(116*&4’ +7 )31 !""" ,+&71$1&(1 +& <1(*’*+& %&6 ,+&)$+-［6］，#00. ［#1］/ 余志生3 汽车理论（第 $ 版）［4］3 北京：机械工业出版 社，!11$ ［##］/ 6-*? 6，!" #$3 ./’)12 <1’*4& %&6 ,+&)$+- ,+&’*61$%)*+&’ +7 8:)+2+)*=1 ,+&)*&:+:’-/ 9%$*%;-1 #$%&’2*’’*+&’［W］3 * A*GG,?S,H F*H A@L,H=H*:? :?F@HA@H*=:?S * +:,G,B ,?S:?, *?+ F@?=:?;@;GBM K*H:*NB, =H*?GJ:GG:@?［C］3 !"" ,+&71$1&(1 5:;0 -*(%)*+&［6］，#00"，$.0（#）：$!1 % $!& ［#$］/ C+*F-: O，!" #$3 W@N;G= F@?=H@B GMG=,J >@H F@?=:?;@;GBM K*H:*I NB, N,B= =H*?GJ:GG:@?［ 5］3 >.8" ?1=*1@，#000，!1（#）："0 % &" ［#"］/ O*: O,?S C?S，6-*: ];,P3 QJAH@K,+ 464C6 L:=- J@J,?I =;J，?,:S-N@H-@@+， *?+ *K,H*S,+ =H*A,X@:+*B @;=A;=［ 5］3 !""" #$%&’%()*+&’ +& ./’)12’，A%&，%&6 ,/;1$&1)*(’， 5%$) B：,/;1$&1)*(’，!111，$1（$）："0# % &11 ［#&］/ [@B,M \ 6，!" #$3 4@+,B :+,?=:>:F*=:@? *?+ N*FPG=,AA:?S F@?=H@B @> * F@?=:?;@;GBM K*H:*NB, =H*?GJ:GG:@? GMG=,J［C］3 5$+(1160 *&4’ +7 )31 821$*(%& ,+&)$+- ,+&71$1&(1［6］，!11# ［#’］/ 王红岩等3汽车无级变速传动系统综合控制的研究［ 5］3 机 械工程学报，!111，$’（!）：$. % "# ［#(］/ \,*F@? 4，!" #$3 QJA*F= @> *B=,H?*=:K, F@?=H@BB,H G=H*=,S:,G @? ,^-*;G= ,J:GG:@?G >H@J *? :?=,SH*=,+ +:,G,B _ F@?=:?;@;GBM K*H:*I NB, =H*?GJ:GG:@? A@L,H=H*:?［ 5］3 >+:$&%- +7 8:)+2+;*-1 "&0 4*&11$*&4，#000，!#$（!）：0& % #1. ’!" 万方数据