金属带式无级变速传动的动力学计算

2000年3月第14卷第1期湖北汽车工业学院学报Jou rnal of H ubei A u tomo tive Indu stries In stitu teM ar.2000V o l.14N o.1文章编号:100825483(2000)0120014206金属带式无级变速传动的动力学计算何晓春,冯　樱,罗永革,郝　琪(湖北汽车工业学院汽车工程系,湖北十堰　442002) 摘　要:本文通过建立汽车无级变速传动夹紧力、速比控制及整车动态模型,模拟计算了汽车在起步加速时的动态调节过程,为研究无级变速传动控制规律和进行电控系统的设计提供了理论依据。

关键词:汽车;无级变速器;模型中图分类号:U463 文献标识码:Aα1　前言由于CV T可实现传动系与发动机工况的最佳匹配,可改善整车的燃油经济性和动力性,并提高操纵的方便性和舒适性,被认为是理想的汽车传动装置。

自1987年投放市场以来,它在国外轿车上已获得了大量使用,我国也将轿车金属带式无级自动变速器的开发和研制列入国家重大科技攻关项目。

本文通过建立汽车无级变速传动(CV T)系统的动力学模型,采用四阶龙格库达法对汽车的起步加速工况进行了仿真计算,为下一步进行无级变速传动控制系统的设计提供了必要的理论依据。

2　无级变速传动装置的动力学计算2.1　无级变速传动速比无级变速传动的速比由主、被动轮的工作半径所确定(图1)。

当被动轮位于最小工作半径R Dm in,主动轮为最大工作半径D DRm ax,得到最小传动比:i m in=R DNm in R DRm ax(1)此值通常在0.5左右。

当被动轮位于最大工作半径,主动轮为最小工作半径时,得到最大传动比: i m ax=R DNm ax R DRm in(2)此值通常在2.5左右。

金属带无级变速传动装置的速度比变化范围通常为2.5～0.5。

在变速过程中,由于金属带的长度L可视为定值(弹性变形引起的长度变化很小)。

L=(Π+2Η)R DR+(Π-2Η)R DN+2dco sΗ　(3)式中:co sΗ=(R DR-R DN) d,d为传动轴中心距,i=R DN R DR。

图1　主、被动轮节圆变化的约束条件α收稿日期:2000201228 作者简介:何晓春(19712),男,讲师,硕士生。

由选定型式CV T 的带长和轴心距可得到主动轮半径与传动比的变化关系,i 与R DN 关系的拟合公式: i =f (R DR )=64i=0Αi R i DR (4)式中:Αi 为传动比拟合系数。

2.2　主、被动轮的轴向夹紧力和油缸油压无级变速传动装置能传递的最大转矩T m ax 与被动轮油缸的轴向压紧力Q DN 之间的关系为[3]: Q DN =T m ax ・co s ∆2Λ・R DR (5)式中:∆为带轮锥角,通常为11°左右;Λ为带与带轮之间的摩擦系数;R DR 为主动轮工作半径;T m ax =T e ・Β,Β为转矩储备系数,一般取值1.2～1.3,T e 为发动机转矩。

则被动油缸期望压力: P DN =T m ax ・co s ∆2Λ・R DR ・A DN (6)式中:A DN 为被动轮油缸面积。

单位被动轮的工作压力(轴向夹紧力)确定以后,通过主动油缸改变传动速度比就归结为: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,连续改变主动轮的工作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,主动缸轴向夹紧力及期望压力为[3]: Q DR =ctg (∆+Θ1)4・ΗDR ・(F s +T e R DR)(7) P DR =ctg (∆+Θ1)4・A DR ・ΗDR ・(F s +T e R DR)(8)式中:Θ1为摩擦角,Θi =tan (Λi );Λ1、Λ2分别为主、被动带轮上的修正摩擦系数,与传动比有关;ΗDR 、ΗDN 分别为金属带在主、被动轮上的包角;F s 为轴间力[3];A DR 为主动轮油缸的面积。

由以上的公式可知,主、被动轮的夹紧力与传递转矩、传动比和摩擦系数有关,主、被动轮的轴间夹紧力比随速比变化如图2所示。

由此可确定主、被动轮的油缸压力。

在实际应用中,主、被动轮油缸中液力只要比所求的最小压力高就可以保证带在带轮上不会发生打滑现象。

但是,带轮油缸中液压力过大会降低金属带式无级变速传动装置的传递效率。

图2　主、被动轮夹紧力比与速比的关系—51—第14卷第1期 何晓春等:金属带式无级变速传动的动力学计算 2.3　发动机的数值模型及转速调节特性由于发动机的工作过程是一个较复杂的过程,其输出特性与多种因素有关,因此很难用一个精确的数学表达式来表示。

但发动机在每个稳态工况工作的各参数之间存在着由发动机工作过程理论所确定的函数关系,从发动机的试验数据和以往的经验可知,无论是发动机的外特性曲线还是速度特性曲线是发动机节气门开度和发动机转速的函数T e =f (Α,n e )。

采用多项式来拟合发动机的稳态转矩与转速及油门开度之间的关系曲线,得到: T e =∑7i=1∑7j=1Αij Αi n j e (9)式中:Α为油门开度;Αij 为转矩与转速及油门开度之间的关系拟合系数;n e 为发动机转速。

利用发动机的速度特性和负荷特性的试验数据,可以找出关于发动机最小燃油消耗和最佳动力性转速调节特性。

图3是以节气开门开度为纵坐标,发动机转速为横坐标的控制曲线。

平时,发动机工作在最佳经济区,按曲线E ,称为经济模式;也可以在需要时按曲线S ,即在动力区工作,称为动力模式;或者在两者的中间区域工作,取曲线E 和S 的图3　两种换档规律曲线中点连线,得到普通模式。

当驾驶员选定经济模式或动力模式,控制系统测定当前油门的位置,计算或查表得到当前油门开度对应的经济或动力转速,通过连续调整传动比改变驱动力大小使发动机接近或达到所要转速。

这就CV T 调节的基本原理。

2.4　传动装置数学模型由于汽车起步时离合器的操纵对于起步的平顺性至关重要,图4是包括湿式离合器在内无级变速传动装置简图。

由图可得无级变速传动装置运动方程组为:I e ・Ξ・e +B e ・Ξe =T e -T c(10)I DR ・Ξ・DR +B DR ・ΞDR =ΚT c -T CV T(11)I DN ・Ξ・DN +B DN ・ΞDN =i ・T CV T -T R (12)式中:I e 为发动机的转动惯量;I DR 为包括湿式离合器从动部分、CV T 主动轴的转动惯量;I DN 为转化到被动轴的等效转动惯量;B e 、B DR 、B DN 分别为发动机、主动轴和转化到被动轴的等效阻尼系数;T c 为离合器的输入转矩;Κ为湿式离合器接合系数,由离合器模糊控制器确定;T CV T 为金属带传递的转矩;T R 为汽车行驶中阻力转换到被动轴上的阻力矩;Ξe 、ΞDR 、ΞDN 分别为发动机输出轴、CV T主、被动轴的转速。

忽略轮与带之间的滑动,则主、图4　CV T 传动装置简图—61— 湖北汽车工业学院学报 2000年3月被动轴的转速满足条件:ΞDR =i ・ΞDN 。

2.5　计算机数值计算方程(10)、(11)、(12)为一组常微分方程,我们利用四阶龙格库达法进行数值计算,其计算框图如图5所示。

3　CV T 传动系统仿真由上面的计算框图对装有EQ 491发动机的EQ 6480汽车无级传动系统进行起步加速工况的计算机仿真计算。

为简化计算,假设湿式离合器已完全接合,起初传动系速比保持最大,当发动机转速升至该节门对应的经济转速后,再稳定发动机转速,调节速比,完成汽车的起步加速。

表1为该车的参数。

图6、图7为发动机在最低稳定转速下,以经济模式在部分油门下,加速起步时的动态调节过程。

图中U Α为汽车的车速;Α为汽车的加速度;i g 为传动器传动比;Q s为汽车百公里油耗。

图5　CV T 动力学计算框图表1 EQ 6480汽车性能参数发动机2CV T 2主传动器主动轴等效转动惯量I DR 0.040kgm 2　带轮摩擦系数Λ　0.08被动轴等效转动I DN 2.392kgm 2　带轮锥角∆　11.2°主动轮油缸面积A DR 0.0203m 2CV T 速比范围 0.432～2.339被动轮油缸面积A DN 0.0097m 2　主动轮半径R DR 31～72.5mm 主减速比i 0　5.286　被动轮半径R DN 31～72.5mm 车体 其它参数汽车质量M 2470kg 道路坡度Χ　0.0 rad 迎风面积A 3.46m 2　空气密度Θ　1.166 g m 2风阻系数C d 0.32　滚动阻力系数f 0　0.014车轮半径R d 0.332m 重力加速度g 9.8 m s 2整车传动效率Γ　0.9—71—第14卷第1期 何晓春等:金属带式无级变速传动的动力学计算 图6　汽车速度、加速度和主、被动油缸油压与时间的关系曲线图7　发动机转速、转矩、CV T 传动比、汽车油耗与时间的关系曲线3　结论1.本文建立了考虑湿式离合器性能的传动装置数学模型,利用四阶龙格库达法实现了传动系的动力学数据计算。

2.在此基础上,对发动机系统、湿式离合器和无级变速器联合工作进行了计算机仿真研究,揭示了其动态特性,即液压系统压力、CV T 的传动比、发动机的转速以及汽车的路面速度的变化情况,为进一步实现CV T 与发动机最佳工作匹配提供了理论依据。

3.为了适应汽车各种行驶工况,CV T 的传动比控制规律和湿式离合器控制规律仍需进一步深入研究。

—81— 湖北汽车工业学院学报 2000年3月参　考　文　献[1]　葛安林.车辆自动变速理论与设计[M ].北京:机械工业出版社,1993.214～225.[2]　Yasuh it Sakai .T he “ECV T ”E lectro Con tinuou sly V ariab le T ran s m issi on [C ].SA E 880481.[3]　To ru Fu jii .A Study of a M etal Pu sh ing V 2Belt T ype CV T 2part 1:relati on betw een tran s m ittedto rque and pu lley th ru st [C ].SA E Paper 930666.989～998.[4]　E .H endrik s V an Doo rne’s tran s m issi on B .V .Q ualitive and quan titative influence of a fu llyelectron ically con tro lled CV T on fuel econom y and veh icle perfo rm ance [C ].SA E Paper 930668.1010～1018.[5]　To ru Fu jii .A Study of a M etal Pu sh ing V 2Belt T ype CV T 2Part 2comp ressi on fo rce betw eenm etal b lock s and ring ten si on [C ].SA E Paper 930667.1000～1009.[6]　周云山等.汽车无级变速传动的建模与仿真[J ].汽车工程,1998,(5):285～289.[7]　王红岩.金属带式无级变速传动系统动态特性的理论与试验分析[J ].汽车工程,1999,(5):257～262.D ynam ic Ca lcula tion of Con ti nuously Var i able Tran s m issionH E X iao 2chun ,F EN G Y ing ,L UO Y ong 2g e ,H A O Q i(D ep t .of A utomobile Engineering ,H ubei A utomo tive Industries Institute ,Sh iyan 442002,Ch ina )Abstract :In th is p ap er a con tro l m odel of m etallic band typ e tran s m issi on system and to tal veh icle dynam ic is estab lished .B ased on the m odel ,the dynam ic respon ses are si m u lated under several conditi on s ,such as at the veh icle’s start ,and the criteri on is p rovided fo r design ing its electron ic con tro l system and fu rther investigating the con tro l algo rithm .Key words :au tom ob ile ;con tinuou sly variab le tran s m issi on ;m odel(Recev ied January 28,2000)(上接第33页)The Problem of Da ta L oad i ng &Sort I n serti ng i n I M AN of PDM Sof twareF ENG X iang ,DA I F eng ,L IU Y i 2m ing ,T IA N R u i 2ting ,PU Y un 2shun(D ep t .of E lectrical Engineering ,H ubei A utomo tive Industries Institute ,Sh iyan 442002,Ch ina )Abstract :T he p ap er in troduces the comm on o rgan izati on s strategy w h ich PDM softw are -I M AN 5.0u ses in p roduct data o rgan izing ,and p rob lem s em erged in the p rocess in W indow s N T environm en t .R elevan t so lu ti on s are also in troduced .Key words :PDM ;I M AN ;data o rgan izati on(Rece ived January 7,2000)—91—第14卷第1期 何晓春等:金属带式无级变速传动的动力学计算 。