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    金属带式无级变速器及其控制技术.pdf

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    金属带式无级变速器及其控制技术.pdf

    轻 型汽车技术 2010( 7/8)总 251/252图 1 VDT- CVT 的主要结构贾 辉(武汉理工大学)摘 要金属带式无级变速器( VDT- CVT)是汽车理想的变速器,是各国研究者和汽车公司研究的重点 。本文对金属带式无级变速器的工作原理进行了介绍,并阐述了其控制理论,分别分析了在不同工况下的控制方法 。关键词金属带 无级变速器 传动比 控制金属带式无级变速器及其控制技术技 术 纵 横设计 研究技 术 纵 横设计 研究技术纵横无级变速器的综合性能优于有级变速器,它能实现传动比连续变化,所以一直以来是汽车制造商和用户追求的理想变速器 。金属带式无级变速器( VDT- CVT)是目前最具有发展前景的机械式无级变速器 。其性能优良 、传动机理独特,是一种新型的传动形式,世界上针对 VDT- CVT的研究方兴未艾 。VDT- CVT的主要结构如图 1 所示 。VDT- CVT 的系统主要包括主动轮组 、从动轮组 、金属带和液压泵等基本部件 。金属带由厚度为1.52.2 mm、宽度为 24 mm 或 30 mm 的 300400 片钢片及 2 匝各 612 层的钢环构成[1]。主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组成,可动盘与固定盘都是锥面结构,它们的锥面形成 V型槽来与 V型金属传动带啮合 。发动机输出轴输出的动力经过离合器首先传递到 VDT- CVT 装置的主动轮组,然后通过 V型金属传动带传递到从动轮组,最后经减速器 、差速器传递给车轮而驱动汽车 。工作时通过主动轮组与从动轮组的可动盘作轴向移动来改变主动轮 、从动轮锥面与 V 型传动带啮合的工作半径,从而改变传动比 。可动盘的轴向移动量是通过液压控制系统调节主 、从动轮油缸中的液压力来实现的 。由于主动轮和从动轮的工作半径可以实现连续调节,从而实现了无级变速 。1 经济性比 4 档 AT 汽车至少提高约 10,与 5 档 MT汽车相当或者略优[2]。2 动力性加速性能比 AT 提高 7.511.5,速度较高时,加速性优于 MT汽车 。3传动效率动力损失少,起步快,加速连贯性好,顺滑,没有突兀感 。传动效率稳定并高达 9496[3]。4可靠性与寿命质量高 、使用可靠,故障率仅为 0.025。若采用高强度优质材料 、精密制造技术与无限寿命设计方法,设计和制造的金属颤抖工作组件则可达到与发动机相同的寿命 。5排放比装备 4 档自动变速器的汽车减少约1 前 言2 VDT- CVT的工作原理3 VDT- CVT的特点4轻 型汽车技术 2010( 7/8)总 251/252图 2 汽车动力传动系模型简图技术纵横10。6 成本 VDT- CVT 系统结构简单,零部件数目比 AT少很多 。随着大规模生产以及系统 、材料的革新, VDT- CVT零部件的生产成本将降低 2030。4.1 VDT- CVT 控制的理论VDT- CVT的控制技术是轿车的核心技术之一 。VDT- CVT电液控制系统由液压泵供油 、压力由压力控制阀调节,它直接作用在从动轮液压缸内 。速比由速比控制阀调节,调节主动轮液压缸内的压力 。主 、从动轮液压缸内的压力由微电脑控制 。该控制系统的输入信号为发动机节气门开度 、发动机转速,输出信号为两个液压缸的位移 。单片机产生控制规律控制主 、从动轮液压执行缸的位移,从而改变带轮的传动比[4]。4.2 模型的建立理想的传动模型如图 2 所示 。Ie为发动机惯量和无级变速器输入端惯量之和, Id为车身惯量和无级变速器输出端惯量之和,ωe为发动机转速, ωd为驱动轴转速, Tt为发动机输出转矩, Td为驱动轴上的等效阻力矩 。故可推导出动力传动系的理想模型[5],即dωddt-didtIeωeIei2IdTti- TdIei2Id( 1)式中 i 为传动比 。由公式 1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didtk1i1- ik2di1dt( 2)式中 i1目标速比i实际速比k1比例系数k2微分系数4.3 控制算法无级变速器的核心研究问题是如何使发动机在最经济工况下工作 。其控制算法主要依据就是发动机万有特性曲线图,如图 3 所示 。图 3 中,上 、下两条粗实线为最大 、最小发动机输出转矩曲线,细实线为等燃油消耗率曲线,虚线为等功率曲线, Ω为最小燃油消耗曲线 半稳态最经济曲线 , Λ为最大传动比曲线, Γ为稳态最经济曲线 。4.3.1 稳态工况当汽车处于稳态工况下时,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 Γ上 。Γ曲线由 Ω和 Λ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 Λ曲线的上方区域 。设汽车匀速行驶,发动机功率为 P,由图 3 可得iωdωeTtTd( 3)PωeTtωdTd( 4)当汽车匀速时,行驶阻力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 Λ曲线上方,传动比 i 必须变大 。由于 Λ为最大传动比曲线,传动比 i 不能增大,因此 Λ曲线上方为非4 基于 VDT- CVT的控制研究图 3 发动机万有特性曲线图5轻 型汽车技术 2010( 7/8)总 251/252图 4 Speed Envelope 曲线图技术纵横稳态工作区域,下方则为稳态工作区域 。由图 3 可知,在发动机转速较低时, Λ曲线为稳态最经济曲线,而当发动机转速较高时, Ω曲线为稳态最经济曲线,因此由 Λ和 Ω曲线的虚线部分所组成的 Γ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 。4.3.2 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,控制目标是在满足驾驶员要求的同时,最大化地节省燃油消耗 。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,通过连续调节传动比,将发动机的运行工况控制在 Ω曲线上,并沿着 Ω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[6]。4.3.3 瞬态工况Speed Envelope 曲线图是无级变速器最具有代表性的瞬态工况 。控制算法是 Speed Envelope[7]。这一控制算法被应用于本田的 MultiMatic 无级变速器(见图 4) 。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 。由于系统中被控对象受不确定的干扰信号的作用以及被控对象模型本身不准确,如果用传统的控制方法 PID 控制 ,系统往往会产生很大的误差,控制效果不理想 。为获得理想的控制效果,可采用先进的控制方法如自适应控制 、模糊控制 、鲁棒H∞控制等 。5.1 电液伺服系统最优控制技术为使系统的控制精度更高,响应速度更快 、输出功率更大等,这就要求对电液伺服系统进行优化,改善其动态性能,随着电液控制系统控制策略研究的深入, VDT- CVT 的电液伺服系统最优控制技术也会应运而生 。5.2 电液伺服系统自适应控制 、鲁棒控制自适应控制能不断地测量被控对象的状态 、性能或参数,并将当前性能指标与期望值进行比较,从而改变控制器的参数 、结构来改变控制作用,以保证系统运行在某种意义下最优或次优的状态 。鲁棒控制将数学模型与实际受控对象的不一致看作数学模型的不确定性,以此设计的鲁棒控制系统,使得闭环系统对在这一不确定范围内所有的控制对象均能满足理想的控制性能要求 。由于金属带式无级变速器结构复杂 、非线性强 、变量之间具有耦合性, VDT- CVT 电液控制系统适合应用自适应控制 、鲁棒控制 。5.3 电液伺服系统 H∞控制H∞控制理论是电液伺服系统的一类较为完善的设计方法 。其基本思想为为使系统渐近稳定,消除干扰信号的影响,利用增广对象模型来设计控制器,使得控制器在稳定被控对象的同时,使干扰信号到观测输出函数矩阵的 H∞范数最小 。轿车金属带式无级变速器电液伺服系统适合应用 H∞控制方法 。VDT- CVT 是汽车理想的传动系统,它可提高汽车的经济性,改善汽车的动力性,便于操作,是汽车的核心技术之一 。金属带式无级变速器的结构 、变速原理 、受力情况等已经研究成熟 。目前VDT- CVT 控制策略的研究是 VDT- CVT 研究的热点,随着 VDT- CVT控制策略研究5 先进控制方法简介6 结束语(下转第 11 页)6轻 型汽车技术 2010( 7/8)总 251/252(上接第 6 页)的深入, VDT- CVT必将成为汽车变速器新的发展方向 。参考文献1 胡国良,徐兵,杨华勇 .汽车金属带式无级变速传动技术 [J].工程设计学报, 20031089.2 黄宗益 .自动变速器与手动变速器的分析比较 [J].上海汽车 ,199921- 3.3 王彦卿 .汽车动力传动系统最佳匹配的研究[J].国外汽车 ,1993315- 17.4 王幼民,唐铃凤,唐凌霄 .金属带式无级变速器的发展历史 、研究现状与展望 [J].安徽工程科技学院学报, 200520745 高路,于海斌,王宏 .汽车无级变速器原理与控制 [J].机械科学与技术, 2005( 24) 424- 4256 Kai Keng Ang, Chai Quek. Improved MC-MAC with momentum, neighborhood, and averagedtrapezoidal output [ J].IEEE Transactions on System s,M an, and Cybernetics,PartB Cybernetics, 2000, 303 4915007 FoleyD C,etal. Model identification and backstepping control of a continuously variable transmissionsystem[A].Proceedings of the American Control Con-ference[C], 2001机电耦合动力传动系统,能够实现串联 、并联 、混联模式,该系统高效的传递效率,丰富的工作模式,最佳的系统匹配,使该系统节油率可以达到 40以上 。参考文献1 陈清泉,孙逢春,祝嘉光 . 现代电动汽车技术[M]. 北京北京理工大学出版社, 2007 1- 24.2 Mehrdad Ehsani, Yimin Gao. 现代电动汽车 、混合动力电动汽车和燃料电池车 基本原理 、理论和设计 [M].倪光正,倪培宏,熊素铭 译 . 北京机械工业出版社, 2008 100- 116.3 安东尼 .所左曼诺夫斯基,混合动力城市公交车系统设计 [M].何洪文编译 .北京北京理工大学出版社, 2007 190- 200.4 高建平,何洪文,孙逢春 . 混合动力电动汽车机电耦合系统归类分析 . 北京理工大学学报,2008, 28( 3) 990- 994.5 C. W. Ayers, J. S. HsuL. D. Marlino. Evalua-tion of 2004 Toyota Priushybrid Electric Drive SystemInterim Report, ORNL/TM- 2004/247.6 Miller J M. Hybrid electric vehicle propulsionsystem architectures of the e2CVT type [J ] . 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