余秋蘭

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，武漢 430205）

汽車無級變速傳動系統(tǒng)控制研究

余秋蘭

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，武漢 430205）

無級變速傳動系統(tǒng)提速過程平緩，沒有齒輪換擋的頓挫感，已經(jīng)成為汽車發(fā)展的主要趨勢之一。雖然無級變速傳動系統(tǒng)已在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但在實際應(yīng)用中還存在較多缺陷。本文將深入分析金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)控制策略，并根據(jù)實際工況進行建模，以構(gòu)建汽車無級變速傳動系統(tǒng)的控制模型。

汽車 無級變速 傳動系統(tǒng) 控制策略 綜合控制

汽車變速器是汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分之一，可以有效協(xié)調(diào)發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩達到汽車要求。變速器也是汽車的核心部件之一，直接決定了汽車性能。隨著電子技術(shù)與機械控制技術(shù)的快速發(fā)展，無級變速傳動控制系統(tǒng)日趨完善。目前，已經(jīng)有很多汽車采用了自動變速技術(shù)。自動變速技術(shù)也是衡量現(xiàn)代汽車工業(yè)的重要指標(biāo)之一，而自動變速技術(shù)可以為我國汽車行業(yè)開辟新的發(fā)展路徑。本文將側(cè)重研究金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的控制策略，以期為我國無級變速汽車的發(fā)展提供參考。

1　無級變速傳動介紹

目前，汽車行業(yè)已經(jīng)使用的自動變速技術(shù)分為三種，包括電子控制機械自動變速器（Automatic Mechanical Transmission，ATM）、液力自動變速器（Automatic Tran smission，AT）以及無級變速器（Continuously Variable Transmission，CVT）。ATM技術(shù)與AT技術(shù)實質(zhì)上屬于自動有級變速，并非真正意義的無級變速技術(shù)。無級變速傳動才是汽車行業(yè)所追求的目標(biāo)。目前，發(fā)達國家無級變速傳動系統(tǒng)比較完善，很多技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于汽車產(chǎn)品。2002年以前，我國主要引進了VDT式金屬帶無級變速器的專利，給國產(chǎn)汽車行業(yè)帶來了巨大的負擔(dān)。因此，開發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的無級變速汽車是現(xiàn)階段我國汽車行業(yè)的主要任務(wù)與目標(biāo)。

1.1無級變速傳動

無級變速傳動系統(tǒng)是指可以在變速范圍內(nèi)連續(xù)變速的傳動系統(tǒng)。無級變速傳動系統(tǒng)變化速度時沒有頓挫感，且噪音小，可以為乘客營造舒適的乘車環(huán)境，同時可以簡化駕駛操作，降低汽車駕駛難度。除此之外，無級變速傳動系統(tǒng)通過改善汽車的動力性，提高了汽車能量傳遞效率和汽車經(jīng)濟性，有效減少汽車尾氣排放，符合綠色發(fā)展的趨勢。因此，無級變速傳動系統(tǒng)具有巨大的市場潛力。

1.2無級變速傳動分類

按照無級變速傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，無級變速傳動主要包括機械式、電動式和流體式三種。

機械式無級變速傳動系統(tǒng)已經(jīng)有較長的歷史，主要特點是傳動比變化連續(xù)、變速范圍寬、傳遞功率穩(wěn)定性高?，F(xiàn)有的機械式無級變速傳動系統(tǒng)包括橡膠帶式無級變速傳動系統(tǒng)、金屬鏈式無級變速傳動系統(tǒng)以及金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)。它們的共同特點是通過改變帶輪工作半徑調(diào)節(jié)傳動比。其中，金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)應(yīng)用最廣，也是本文的主要研究對象。

電動式無級變速傳動系統(tǒng)又可以分為液力式與液壓式。液力式無級變速傳動系統(tǒng)以液力為介質(zhì)的葉片傳動，主要特點是加速迅速，減震性能好；液壓式無級變速傳動系統(tǒng)則是通過液壓能傳遞動力。

電動式無級變速傳動系統(tǒng)屬于純電動汽車，依靠電機的輸入功率、電壓、電流等改變轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，其最顯著的缺陷就是電池。電動汽車的電池續(xù)航能力較差。

1.3無級變速傳動現(xiàn)狀與趨勢

最早的無級變速傳動系統(tǒng)是由美國人H.G.Spanlding在1896年提出的。20世紀50年代，荷蘭人H.Van.Doorne成功開發(fā)出雙V膠帶式無級變速傳動系統(tǒng)。20世紀60年代，荷蘭研制出金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)。1982年，荷蘭VDT公司將金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)裝配到汽車上。隨后幾十年間，無級變速傳動系統(tǒng)開始廣泛應(yīng)用于汽車制造行業(yè)。我國關(guān)于金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的研究起步較晚。20世紀90年代，北京理工大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)等研究機構(gòu)開始著手研究無級變速傳動系統(tǒng)，但現(xiàn)有的研究成果仍然處于初級階段。金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的仍然是汽車領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢，通過電控方式控制無級變速傳動系統(tǒng)已經(jīng)成為控制領(lǐng)域的重要課題。

2　金屬帶式無級變速傳動的傳動特性

2.1金屬帶式無級變速傳動結(jié)構(gòu)與原理

金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括主動輪組、從動輪組、金屬帶以及液壓泵部件。主動輪組與從動輪組包括可動盤與固定盤?？蓜颖P與固定盤都是錐形結(jié)構(gòu)，錐面上的V形槽可以與V型金屬帶嚙合。靠近油缸的可動盤可以沿軸滑動，金屬帶主要由兩束金屬環(huán)與上百個金屬片組成。發(fā)動機輸出軸與無級變速器的主動輪相連，發(fā)動機輸出的動力經(jīng)過主動輪由V型金屬帶傳遞給從動輪，從動輪輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。汽車工作時，通過可動盤的軸向移動調(diào)節(jié)主動輪與從動輪的工作半徑，從而改變傳動比。汽車傳動比需要根據(jù)汽車的工況進行調(diào)節(jié)，從動能處于主動輪組的工作半徑連續(xù)變化實現(xiàn)汽車的無級變速。金屬帶式無級傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。2.2 無級變速傳動速比分析

圖1　金屬帶式無級傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

主動帶輪與從動帶輪的工作直徑直接確定了無級變速傳動系統(tǒng)的傳動比，i=D2/D1。公式中，D1與D2分別表示主動帶輪與從動帶輪的工作直徑。而主動帶輪與從動帶輪的工作直徑是可以變化的，因此傳動比i具有一定范圍。傳動比i的范圍直接受機械結(jié)構(gòu)限制，一般范圍為2.6～0.45。帶傳動的斜向運行角γ和包角β的關(guān)系為β=π±2γ。在變速工作過程中，金屬帶的長度可以當(dāng)做定值，從而可以得出v傳動比下的帶輪工作半徑與金屬帶長度之間的關(guān)系：

整理后，可以得到

3　金屬帶夾緊力分析

金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的主要任務(wù)有兩個：一是將發(fā)動機的功率傳遞給驅(qū)動輪，同時減少傳動中的功率消耗；二是根據(jù)汽車的工況，自動調(diào)整汽車傳動比，促使汽車沖處于最佳狀態(tài)?？梢酝ㄟ^控制金屬帶夾緊力提高傳動系統(tǒng)的傳動效率。如果金屬帶夾緊力過小，則金屬帶與帶輪之間產(chǎn)生滑動，易造成較大的功率損失，同時加快了金屬帶與帶輪之間的磨損，縮短了汽車的整體使用壽命。通過調(diào)整汽車變速傳動系統(tǒng)的傳動比，可以有效改善汽車的經(jīng)濟性與動力性。金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的傳動比與夾緊力具有耦合效應(yīng)，因此不能按照傳統(tǒng)帶傳動原理進行分析。

無級變速傳動系統(tǒng)的金屬帶總共受到六個力的作用，包括金屬塊之間的壓力E、金屬塊金屬板之間的正壓力P、金屬塊履帶輪之間的傳動力（切向摩擦力）FT、金屬塊與帶輪之間的徑向摩擦力FR、金屬環(huán)與金屬塊間的摩擦力FST以及金屬款與錐輪之間的正壓力N。假設(shè)金屬帶長度一定，從動輪油缸夾緊力為QDN、主動缸上的作用推力為QDR，則可以得到作用在帶輪上的總推力公式：。其中，NDR是主動輪與金屬推力塊之間單位弧長的正壓力，RDR是主動輪節(jié)圓半徑，表示金屬帶在主動輪上的包角，表示主動輪的徑向摩擦系數(shù)。將已知參數(shù)代入公式后可以得到主動輪油缸的壓力，式中ADR表示主動輪油缸面積。

4　傳動比控制分析

金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的傳動比控制目標(biāo)主要包括三個方面：一是通過控制傳動比調(diào)整離合器的接合過程，以保證汽車在各種工作情況下均能平穩(wěn)啟動，降低啟動沖擊對離合器的磨損與功耗，從而延長離合器的工作年限；二是通過控制傳動比使發(fā)動機達到最經(jīng)濟工作點，保證汽車在動態(tài)調(diào)整過程中趨近于最經(jīng)濟工作點，提高汽車燃油利用率，減少汽車尾氣的排放；三是通過控制傳動比使汽車行駛更加平順，以保證良好動力性。為了保證無級變速傳動系統(tǒng)可以實現(xiàn)上述目標(biāo)，必須充分考慮各種工況下的控制策略。

金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的傳動比變化范圍如圖2所示。圖中的ua表示汽車車速，ne表示發(fā)動機轉(zhuǎn)速，i0表示主減速器傳動比，iZ表示中間齒輪傳動比，r表示車輪半徑，i表示無級變速傳動系統(tǒng)的傳動比。車速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為

圖2　金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的傳動比變化范圍圖

（1）起步工作狀態(tài)的傳動比控制目標(biāo)：

加速工作狀態(tài)的傳動比控制目標(biāo)：

加速工作狀態(tài)的傳動比控制目標(biāo)：

5　無級變速傳動綜合控制模型構(gòu)建

金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的最大優(yōu)勢，就是可以根據(jù)汽車的工作狀況調(diào)整傳動比，從而保證發(fā)動機處于最佳動能性與經(jīng)濟性工作狀態(tài)。非綜合控制的無級變速汽車直接通過控制腳踏板調(diào)整油門開閉程度。當(dāng)汽車處于起步狀態(tài)時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速不能隨油門迅速改變，導(dǎo)致發(fā)動機工作點偏離最佳工作線。當(dāng)汽車處于加速工作情況下，車體與轉(zhuǎn)動部件的慣性導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩余量，嚴重影響汽車的加速性能。為了使金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)達到最佳的經(jīng)濟性與動態(tài)性，可以采用控制加速踏板等方式調(diào)整油門與傳動比參數(shù)，從而實現(xiàn)傳動比模糊控制的綜合控制模型。金屬帶式無級變速傳動綜合控制模型如圖3所示。

圖3　金屬帶式無級變速傳動綜合控制模型圖

由框架圖可以看出，通過控制汽車加速踏板可以調(diào)整汽車速度。實質(zhì)上，這是對汽車功率的調(diào)整。簡單地說，汽車踏板量與汽車目標(biāo)功率具有相關(guān)性。在理想理論模型下，汽車發(fā)動機的經(jīng)濟性與動力性取決于油門的開閉程度，直接與目標(biāo)功率相關(guān)。目標(biāo)功率和油門的開閉程度可以按照工作模式與工作線的關(guān)系進行調(diào)整。但實際應(yīng)用中，系統(tǒng)處于動態(tài)變化中，需要將發(fā)動機轉(zhuǎn)速對目標(biāo)油門的影響納入考慮范圍。油門模糊控制器可以根據(jù)目標(biāo)值與理論值之間的差量進行控制。通過驅(qū)動步進電機控制油門開閉程度，當(dāng)目標(biāo)功率可以達到調(diào)整范圍時，油門開閉程度最大，直到發(fā)動機特性功率達到目標(biāo)功率，最后通過控制幽門開閉程度以及變速器傳動比，使目標(biāo)功率曲線趨近于最佳工作線。金屬帶式無級變速傳動綜合控制模型實際上屬于雙閉環(huán)控制模型。

6　總結(jié)

無級變速傳動系統(tǒng)具備傳統(tǒng)齒輪變速系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，為乘客提供了更加舒適的出行環(huán)境。本文重點分析了金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，并根據(jù)汽車的實際工況提出了可行的綜合控制策略，構(gòu)建了無級變速傳動系統(tǒng)控制模型。具體的研究內(nèi)容包括金屬帶傳動的特性，并分析了負載狀態(tài)下帶輪的力平衡，同時在已有的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上探討了最佳經(jīng)濟性控制策略以及最佳動力性控制策略，從而有效解決了無級變速傳動系統(tǒng)經(jīng)濟性與動力性協(xié)調(diào)關(guān)系。

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Study on the Control of Automobile Continuously Variable Transmission System

YU Qiulan
(Wuhan software engineering, Career Academ y, Wuhan 430205)

With the rapid development of China's economy, people's traffic tools for diversification, the car is people's main tool of ride ins tead of walk, cons umers on car comfort have higher requirements. Process of continuously variable transmission speed is more flat and to work more quiet, no gear shift of the sense of frustration, continuously variable transmission (CVT) system has become one of the main trends in the development of the automobile. At present, automobile companies all over the world are increasing continuously variable transmission system of investment, although the continuously variable trans mission (CVT) system has the automotive sector are widely us ed, but in the practical application still exis t many defects. In this paper, the control strategy of the metal belt type continuously variable transmission system is analyzed, and the control model of the automobile continuously variable trans mission system is built according to the actual working conditions.

automobile, continuously variable speed, transmission system, control strategy, comprehensive control