1 前言

由于發(fā)動機特性存在全功率運轉(zhuǎn)的可能性，無級變速器（CVT）構(gòu)成動力系最有利的解。該系統(tǒng)的控制已經(jīng)有數(shù)值理論和實際研究論述（Boos和Vorndran，1994；Fujii和 Kanchara，1993；Ide，2000；Jantos，2001；Laan 和 Luh，1999；Dsamura 等，2001）。對于一常車輛速度，傳動系速比選擇的基本準(zhǔn)則包括動力系的運轉(zhuǎn)效率

上式可明確表示發(fā)動機的運轉(zhuǎn)效率（ηe）和動力系機械效率（ηCVT）的乘積，它通常與CVT的效率成比例（Akehust等，1999；F?rster，1991；Holloway，1999；Kim和Lee，1994）。解決包含瞬時狀態(tài)發(fā)生的控制問題的障礙是必需在盡可能最短時間內(nèi)，增加驅(qū)動從動車輪的功率，而這種改變還要保持平穩(wěn)進行。該結(jié)果構(gòu)成數(shù)值理論和實驗研究課題（Holloway，1999；Jantos，2001；Koch和Zeller，1987；Mamala等，2007）。此外，有許多有趣的工程設(shè)計，用一附加的機械動力源，目的在于功率的瞬時儲存（Akehust等，1999；Boos和 Vorndran，1994；Fujii和 Kanehara，1993；Jantos，2001；Kim 和 Lee，1994；Vroemen和Veldpaus，2000）。但是該問題還沒有一個最終的滿意方式的解。本文開發(fā)了由于瞬時過程造成傳動系速比改變時，作用于車輪上驅(qū)動力的控制的討論。

2 驅(qū)動功率增加

汽車中傳動件的輸出功率可以由轉(zhuǎn)矩（Te）和曲軸的角速度（ωe）的乘積確定

在此公式的基礎(chǔ)上，驅(qū)動功率的增加值可寫成

對于該情況，當(dāng)必需增加曲軸角速度時，應(yīng)考慮計入發(fā)動機回轉(zhuǎn)質(zhì)量的機械慣量。因此，為進一步分析的需要，提出一個動力系的物理模型（圖1），其中采用獨立當(dāng)量機械發(fā)動機慣量（Je）。

圖1 采用獨立機械發(fā)動機慣量動力系模型：RCVT—CVT速比，ωW—車輪速度，JC—歸并入從動車輪軸的機械車輛慣量Fig.1 Powertrain model with isolateed mechanical engine inertia：RCVT—CVT ratio，ωW—wheel speed，JC—mechanical car intertia reduced to axis of the driven wheels

對于這種形式模型，從發(fā)動機傳到傳動系功率可寫成

由于汽車運行平穩(wěn)性的要求建立一個假定，傳遞到傳動系的功率在汽車運行阻力下不可任意瞬時下降（防止汽車的負加速度）。在這種情況，為采用全發(fā)動機轉(zhuǎn)矩（T100），曲軸瞬時角加速度為

式中Trm：轉(zhuǎn)化至發(fā)動機曲軸的汽車運行（滾動和拖曳）的阻力矩。

3 CVT控制

本分析對象是采用機械的CVT，其中轉(zhuǎn)矩利用摩擦力傳遞（圖2）。

需要的軸向力（A）是由應(yīng)用—液壓裝置造成的帶輪對帶側(cè)面所必需的推力（圖3）。

為CVT長壽命和機械效率的目的，該軸向推力的大小應(yīng)該是可調(diào)的。圖3示解決壓力方面，傳動中各帶輪只有一個工作油缸，故該壓力在傳動中碰到有一確定的傳遞轉(zhuǎn)矩和速比的邊界值。

在靜止?fàn)顟B(tài)，傳動裝置不承受負載，軸向推力相除關(guān)系為

圖2 CVT圖：具有軸向夾緊力的驅(qū)動帶輪和（b）CVT基本幾何參數(shù)：r—傳動輪的半徑；a—傳動輪的中心距，α—接觸角Fig.2 Diagram of CVT：（a）driving pulley with axial clamping force and（b）basic geometrical parameters of the CVT：r—radius of the transmission wheels，a—distance of transmission wheels，α—angle of contact

圖3 CVT內(nèi)的液壓裝置：S—帶輪推力面，p—液壓裝置內(nèi)油缸油壓，ks—彈簧剛度Fig.3 Hydraulic system in CVT：S—thrust surface in the pulleys，p—cylinders oil pressure in the hydraulic system，ks—spring rate

用該關(guān)系式表示CVT（RCVT）的運動速比

式中K：與傳動裝置基本幾何參數(shù)有關(guān)的系數(shù)

式中L：CVT中帶工作長度，m。

在非靜止?fàn)顟B(tài)，傳動裝置的動特性可以近似采用一微分方程（Ide，2000；Jatos，2001）來描述

式中ξ：推力比的瞬態(tài)值。

δ：有關(guān)傳動系工作狀況系數(shù)。

4 采用CVT汽車的縱向動力學(xué)研究

根據(jù)以上理論研究，其結(jié)果合理解決了加速時，轎車瞬態(tài)過程有關(guān)必需分析的動力系CVT控制問題。為此目的，計劃好一加速和按常速起動和加速踏板激劇和全壓低的道路試驗。該運行試驗的轎車采用的基本參數(shù)列于表1。

表1 試驗轎車的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the examined car

圖4指出在加速度過程中，直接關(guān)系到采用CVT傳動系控制策略。

對于動態(tài)策略（D）的情況，用傳動系高速比和發(fā)動機高轉(zhuǎn)速強烈加速來表示其特征，比較起來相對高于經(jīng)濟策略（E），傳動系速比分析造成（圖5）可能區(qū)分試驗過程的兩階段。

在后一階段該參數(shù)值相當(dāng)小時，用傳動系速比快速增大來說明初始階段的特性，有關(guān)初始階段的詳細分析示于圖6和7。

在瞬態(tài)過程的試驗初始階段，CVT中傳動系速比增加，它關(guān)系到發(fā)動機角速度增加。

在加速度分析階段，CVT速比增加策略E（圖6（a））幾乎高于策略E（圖7（a））情況三倍。

圖中曲線同時還指出，只有在相當(dāng)大的油門開度（圖6和7A段）CVT速比發(fā)生快速增加。

圖4 轎車加速試驗采用的兩種控制策略的比較：（a）輸入信號和速度圖和（b）轎車加速度和發(fā)動機速度Fig.4 Comparison between a test of car acceleration for two control strategies：（a）input signal and velocity profile and（b）car acceleration and engine speed

圖5 對于兩種控制策略從常速加速時傳動系速比Fig.5 Drive train ratio during acceleration from constant speed for two control strategies

這樣的一CVT中的換檔速度曲線，結(jié)果為瞬時和要求傳動系速比不同，這種CVT的滯后響應(yīng)，導(dǎo)致一不良的轎車瞬時加速度。這樣加速度快速增加超過初始階段（J），它包含點A和B曲線段。點B關(guān)系到在發(fā)動機曲軸相當(dāng)大角加速度影響高的換檔速度發(fā)生（圖8），它導(dǎo)致在轎車車輪上的驅(qū)動力減少，按下式計算：

式中Rf：終傳動比，

rW：驅(qū)動車輪半徑。

特別對于策略E情況（圖6（b）），它表示一小轉(zhuǎn)矩剩余，在曲線轉(zhuǎn)角表明有明顯的汽車加速度。

圖6 瞬態(tài)過程的初始階段—策略E：（a）控制過程數(shù)值特性和（b）發(fā)動機速度和車輛線性加速度Fig.6 Initial phase of the transient process—strategy E：（a）values specific for the control process and（b）engine speed and linear car acceleration

圖7 車輛加速度瞬態(tài)過程初始階段—策略D：（a）控制過程數(shù)值特性和（b）發(fā)動機速度和轎車線性加速度Fig.7 Initial phase of the transient phase of car acceleration—strategy D：（a）values specific for the control process and（b）engine speed and linear car acceleration

圖8 兩控制策略換檔速度間比較Fig.8 Comparison between the shift speed for two control strategies

C點表示在傳動系速比增加階段的末端，該加速度曲線達到最大值。

對于策略D在車輛加速度曲線內(nèi)，可以監(jiān)測到相同的關(guān)系（圖7（b））。在這種情況，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩大的剩余和較小的換檔速度導(dǎo)致一更有規(guī)律的曲線。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的CVT算法不能保證在瞬態(tài)過程正確的驅(qū)動力，這是由于動力系速比快速增大的結(jié)果。控制系統(tǒng)和換檔速度關(guān)系滯后發(fā)生造成控制誤差，導(dǎo)致產(chǎn)生不規(guī)則的驅(qū)動力。本文指出依據(jù)于換檔速度，在汽車很快加速過程中，對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩剩余可具有有利的影響。（章欽遲譯自Int.J.Vehicle Design，Vol.54No.1 2010）

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［8］Kim，H.and Lee，J.（1994）‘Analysis of belt behavior and slip characteristics for a metal V－belt CVT’，Mechanism and Machine Theory，Vol.29，No.6，pp.865－876.

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