金属带式无级变速器速比控制研究

收稿日期:2002-03-13

作者简介:马士泽(1975-),男,山东临沂人,博士生.E -mail :mashize @

金属带式无级变速器速比控制研究

马士泽,雷雨成

(同济大学汽车学院,上海　200092)

摘要:以发动机的速度特性和万有特性为基础阐述了金属带式无级变速器(CV T )速比控制的理论依据,推导了

实用的PID 速比控制方法,建立了CV T 动力学数学模型并进行了数字仿真.分析结果表明变速器的速比变化率

大小对CV T 的加减速性能有着关键性作用,决定了发动机输出功率和汽车行驶阻力功率之间的动态匹配关系.

PID 控制方法可以实现速比的合理变化控制.

关键词:金属带式无级变速器;速比控制;PID 控制

中图分类号:U 463.2 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2003)02-0209-03

Research of Ratio Control of Metal Pushing V -belt CVT

M A S hi -ze ,L EI Y u -cheng

(School of Automobile ,Tongji University ,Shanghai 200092,China )

Abstract :On the basis of the characteristics of motors ,the ration control theory of the CV T is explained.Mathematical model is built and simulated.The analysis makes it clear that the rate of ratio plays a key func 2tion in CV T.The dynamic matching relationship between motor output power and vehicle running resistance depends on it.

Key words :metal V -belt continuously variable transmission ;ratio control ;PID control

内燃机是当前汽车的主流动力装置,其功率特性场与理想发动机功率特性场存在着较大的差异.变速器是这种汽车所必备的动力传动装置[1].金属带式无级变速器具有结构简单紧凑、操纵方便、性能优良等特点,是一种理想的汽车动力传动装置.当前节约能源和减少环境污染排放已成为人们关注的重点,因此全世界的主要汽车厂家都将CV T 作为优先开发项目,并且在许多车型开发中逐步普及使用.在日本装备这种变速器汽车已超过100万辆.我国科技部“九五”重点科技攻关项目也将金属带式CV T 作为“汽车电子控制技术”的重要组成部分.CV T 的研究有着重要的理论意义和经济价值.

1　CVT 速比控制理论

速比控制的最基本要求是通过控制变速器的速比,使汽车运行工况与发动机工况合理匹配,即在一定的节气门开度下使发动机始终工作在最佳转速,充分发挥发动机的性能.由发动机速度特性(见图1)可以看出,在一定节气门开度下,燃油消耗率随发动机运行转速不同而变化,存在一个针对燃油经济性的最佳发动机转速,使燃油消耗率最小;同样也存在一个针对动力性的最佳转速,使得发动机功率值最大.根据不同节气门开度下的最佳转速,可以得到针对燃油经济性和动力性的两条最佳工作曲线,反映在图2中分别为曲线E 和曲线D.

在汽车行驶过程中,当道路坡度、节气门开度等条件发生变化时,必须及时改变CV T 的传动速比,使第31卷第2期

2003年2月同　济　大　学　学　报JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY Vol.31No.2　Feb.2003

车速发生相应的变化,最终使发动机保持工作在曲线D或曲线E以及两者之间的过渡区域上[2]

.

1—全负荷;2—80%负荷;3—60%负荷4—40%负荷;5—20%负荷

图1　发动机燃油消耗率的速度特性Fig.1　Speed characteristics of

motor

图2　某发动机万有特性曲线图Fig.2　Working characteristics of motor

2　CVT速比的PID控制方法

在讨论速比控制时,假设离合器完全结合并不存在滑转,CV T输入轴与发动机轴可以视为刚性联结,那么传动比i与发动机转速n e及车速u a的关系为

i=0.377r r n e

i0u a

=A

n e

u a

式中:r r为车轮滚动半径,m;i0为整个传动链中除CV T以外的固定传动比;n e为发动机转速,r・min-1; u a为车速,km・h-1;A=0.377r r i0.

因此使发动机转速n e等于最佳转速n d的理想或目标传动比i d可以表示为

i d=0.377r r n d

i0u a

=A

n d

u a

在行驶过程中通过速度传感器测得发动机实际转速n e和车速u a,可以确定实际的传动比i,由测得的节气门开度α通过数表插值可以得出发动机的理想转速n d.对二者进行比较,若n e>n d,则应该控制速比减小,通过加大转矩负荷迫使发动机转速下降,向理想转速n d变化.若n e

上述控制理论或逻辑仅仅指出了传动比应该增大还是减小,并没有指出变化多少和应该以多大的速度变化;在实际控制中较为实用并且被采用较多的是PID控制方法,令Δn=n d-n e,那么速比控制变化的调速率可以表示为

d i d t =k1Δn+k2

dΔn

d t

+k3∫Δn d t

其中k1,k2,k3为经验常数值.这样可以缩短控制时间,提高控制稳定性,防止出现波动.

下面讨论速比变化对汽车加速性能的影响[3],其动力传动系统的动态模型如图3所示.它将无级变速传动系统简化为双旋转质量模型,转动惯量I e表示发动机转动惯量和CV T输入轴部分转动惯量,T e表示发动机转矩,ωe表示发动机角速度,I d表示与整车平移质量等效的转动惯量及CV T输出轴后转动部分的等效转动惯量.T loss为换算到CV T输出轴处的损失转矩,T R表示换算到输出轴处的道路载荷转矩,ωd 表示CV T输出轴转速.由动力学公式最终可以推得

dωd d t =-

d i

d t

I eωe

(I e i2+I d)

+

T e i-T R-T loss

I e i2+I d

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同　济　大　学　学　报第31卷