汽车无级变速器技术应用.doc

1 引言目前在汽车上广泛使用的自动变速技术是将液力变矩器和行星齿轮系组合的自动变速器技术,在主要汽车制造商生产的轿车中的平均装车率已经达到70%。但是液力变矩器和行星齿轮系的组合有着明显的缺点:传动比不连续,只能实现分段范围内的无级变速;液力传动的效率较低,影响了整车的动力性与燃料经济性。增加变速器的档位数来扩大无级变速覆盖范围,就必须采用较多的执行元件来控制行星齿轮系的动力传递,导致自动变速器零部件数量过多,结构复杂,保养和维护不便。所以汽车行业早就开始研究其它新型变速技术,无级变速(CVT)技术就是其中最有前景的一种。2 无级变速器的使用特性2.1 经济性 CVT可以在相当宽的范围内实现无级变速,从而获得传动系与发动机工况的最佳匹配,提高整车的燃油经济性。德国的大众公司在自己的GolfVR6轿车上分别安装了4-AT和CVT进行ECE市区循环和ECE郊区循环测试,证明CVT能够有效节约燃油。2.2 动力性汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速能力。汽车的后备功率愈大,汽车的动力性愈好。由于CVT的无级变速特性,能够获得后备功率最大的传动比,所以CVT的动力性能明显优于机械变速器(MT)和自动变速器(AT)。2.3 排放污染杂物无级变速的速比工作范围宽,能够使发动机以最佳工况工作,从而改善了燃烧过程,降低了废气的排放量。公司将自已生产的无级变速装车进行测试,其废气排放量比安装4-AT的汽车减少了大约10%。2.4 成本CVT系统结构简单,一旦汽车制造商开始大规模生产,CVT的成本将会比AT小。由于采用该系统可以节约燃油,随着大规模生产以及系统,材料的革新,CVT零部件(如传动带或传动链,主动轮,从动轮和液压泵)的生产成本,将降低20%-30%。3 金属式无级变速器3.1 CVT技术的发展概况CVT技术的发展,已经有了一百多年的历史。德国奔驰公司是在汽车上采用CVT技术的鼻祖,早在1886年就将V型橡胶带式CVT安装在该公司生产的汽油机汽车上.1958年,荷兰的DAF公司H.VanDoorne博士研制成功了名为Variomatic的双V型橡胶带式CVT,并装备于DAF公司制造的Daffodil轿车上,其销量超过了100万辆。但是由于橡胶带式CVT存在一系列的缺陷:功率有限(转矩局限于135Nm以下),离合器工作不稳定,液压泵,传动带和夹紧机构的能量损失较大,因而没有被汽车行业普遍接受。然而提高传动带性能和CVT传递功率极限的研究一直在进行,将液力变矩器集成到CVT系统中,主,从动轮的夹紧力实现电子化控制,在CVT中采用节能泵,传动带用金属带代替传统的橡胶带。新的技术进步克服了CVT系统原有的技术缺陷,导致了传递转矩容量更大,性能更优良的第二代CVT的面世。进入20世纪90年代,汽车界对CVT技术的研究开发日益重视,特别是在微型车中,CVT被认为是关键技术。全球科技的迅猛发展,使得新的电子技术与自动控制技术不断被采用到CVT中。1997年上半年,日本日产公司开发了使用在2.0L汽车上的CVT.在此基础上,日产公司在1998年开发了一种为中型轿车设计的包含一个手动换档模式的CVT。新型CVT采用一个最新研制的高强度宽钢带和一个高液压控制系统。通过采用这些先进的技术来获得较大的转矩能力,日产公司研究开发CVT的电子控制技术,传动比的改变实行全档电子控制,汽车在下坡时可以一直根据车速控制发动机制动,而且在湿滑路面上能够平顺地增加速比来防止打滑.日产公司计划将它的CVT的应用范围从1.0L扩大到3.0L的轿车。日本三菱公司已选择了CVT平顺无能量损失地传递直喷式发动机的动力来驱动汽车。V型带/传动轮机构可以保证在所有速率下发动机动力平顺无间断地传递.CVT根除了传统的自动变速器通过齿轮换档时的打齿现象,从而获得更满意的响应和控制。三菱公司准备采用直喷式发动机(1.5L或更小)与CVT组合。日本富士重工同时拥有15年开发CVT的经验。1997年5月,富士重工将它的Vistro微型车装配了全计算机控制式E-CVT(含有六档手动换档模式的CVT)。驾驶员无须操作离合器就可以进行六档变速。富士重工在Pleo微型车上采用一种有锁止式变矩器的电控式CVT,通过小范围锁止可以使液力变矩器的滑动保持在最小值,行星齿轮用来切换前进档/倒退档.传动比范围从1:10-5.5:1。 1999年上半年,美国的福特公司和德国ZF公司合作为福特公司的轿车和轻型载货车生产CVT。在巴达维亚和俄亥俄州新建的合资企业将从2001年生产为福特公司设计的,带有电子管理功能的CFT23型CVT.ZF公司设计的CVT是一种变矩器式变速器,使用为安装横向发动机前轮驱动汽车生产的钢带。ZF公司也能为安装纵向发动机的前轮驱动汽车和后轮驱动汽车生产CVT系列.ZF公司称:与四档自动变速器相比,CVT系统能够将加速性能提高10%,燃油经济性提高10%-15%.与锁止式变矩器相比,CVT系统在不漏油的前提下效率更高。福特公司正在设计一种与公司内所有轻型载货车匹配的牵引驱动CVT,包括后轮驱动和全轮驱动载货车。牵引驱动使用沿特殊滑液的可移动滑件代替传动带和传动轮。滑动部分的相对位置决定传动比,由一层部件间非常薄的液油来传递动力。 德国ZF公司从1999年中期开始为Rover216型汽车提供钢带驱动的VT1型CVT。这种CVT包括螺旋齿轮或变速器,合适的液压系统,湿式离合器.在系统中集成的ECU可以允许机械,液力和电子系统进一步组合,这就更好地利用了各种系统的独特优点。德国博世的电子式CVT控制系统是基于用传感器和执行器单元控制基础上的电子/液力模块.博世公司已经将独立部件,执行器,传感器和变速器换档ECU组成一个单独的模块,变速器制造商只需增加一个集成控制单元。3.2 CVT工作原理介绍CVT的主要结构和工作原理如图3-1所示，该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。金属带有两束金属环和几百个金属片构成。主动轮组和从动轮组都有可动盘和固定盘组成，遇有工作靠近一侧的轮上滑动，另一侧则固定。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型金属传动带主动轮齿合。发动机输出轴输出的动力首先传递到CVT的主动轮，然后通过V型传动带传动到从动轮，最后经减速器、差速器传递给车轮来驱动汽车。工作通过主动轮与从动轮的可动盘轴向移动来改变主动轮、从动轮锥面与V型传动带齿合的工作半径，从而改变传动比。可动盘的轴向移动量是有驾驶者根据需要通过控制系统自动调节主动轮、从动轮液压泵油缸压力来实现的。由于主动轮和从动轮的工作半径可以实现连续调节，从而实现了无级自动变速。在金属带式无级变速器的液压系统中,从动油缸的作用是控制金属带的张紧力,以保证来自发动机的动力高效、可靠的传递。主动油缸控制主动锥轮的位置沿轴向移动,在主动轮组金属带沿V型槽移动,由于金属带的长度不变,在从动轮组上金属带沿V型槽向相反的方向变化。金属带在主动轮组和从动轮组上的回转半径发生变化,实现速比的连续变化。汽车开始起步时,主动轮的工作半径较小,变速器可以获得较大的传动比,从而保证驱动桥能够有足够的扭矩来保证汽车有较高的加速度.随着车速的增加,主动轮的工作半径逐渐减小,从动轮的工作半径相应增大,CVT的传动比下降,使得汽车能够以更高的速度行驶。 图3-1 变速器工作原理4 现代无级变速器汽车动力传动系的控制应用4.1汽车动力传动系统一体化智能控制4.1.1一体化控制思想汽车动力传动系统一体化控制是指应用电子技术和自动变速理论，以电子控制单元(ECU)为核心，通过液压执行机构控制离合器的分离和结合、选换挡操作，并通过电子装置控制发动机的供油实现起步、换挡的自动操作。其基本的控制思想是：根据驾驶员的意图(加速踏板、制动踏板、操纵手柄等）和车辆的状态（发动机转速、输入轴转速、车速、档位），依据适当的控制规律(换挡规律、离合器结合规律），借助与相应的执行机构（离合器执行机构、选换挡执行机构）和电子装置（发送机供油控制电子装置）对车辆的动力传动系（发动机、离合器、变速器）进行联合操纵。4.1.2一体化控制方式控制系统的功能是依据驾驶员的意图和车辆行驶环境的变化，自动调节基础传动部件的传动比和工作状态，以实现传动系效率的最佳和车辆整体性能的最优。一般来说，车辆控制系统主要有车辆数据采集系统（传感部分）、电子控制单元和执行机构三大部分组成。1车辆数据采集系统（传感部分）的组成控制系统中，车辆按照驾驶员的意图形式和工作，车辆控制系统必须能够正确识别和实现驾驶员的操纵。驾驶员意识的识别是通过传感器对车辆控制机构的变化进行检测，并经过分析获得。在汽车上使用的传感器主要有以下几种：磁电式传感器、磁阻式传感器、光电式传感器、霍尔式传感器、热敏式传感器、变阻式传感器、压电晶体式传感器等。在动力传动系统中变速器部分使用的传感器有：发动机转速传感器、车速传感器、节气门开度传感器、离合器位移传感器等。其中发动机转速传感器、车速传感器和霍尔式传感器等利用信号原理的传感器，节气门开度传感器和离合器位移传感器均使用变阻式传感器。除传感器以外，其它信号通过开关和控制器或其他方式进行信号传递。常用的开关有多功能开关、强制抵挡开关等。开关也是很重要的信息输入手段。 2电子控制单元，电子控制单元是整个控制系统的核心。其功能是依据驾驶员意图和车辆的运动状态参数检测与提供的信号，进行档位转换或工作状态改变。电子控制单元的主要功能有：信号采集和预处理、驾驶员操纵意识识别、车辆状态识别、换挡决策（换挡规律）、换挡品质控制、故障诊断功能、输出和显示等功能。新一代的控制其功能很全面，控制性能也很好，使用高性能的16位或32位微处理器，有些甚至试用了定制的微处理器，包含了控制需要的大部分功能，简化了控制电路而且增强了电路的功能和可靠性。比如日本的JATCQ公司的产品均使用NEC和摩托罗拉16位和32位微处理器；德国的ZF使用摩托罗拉32位POWERPC微处理器开发了5档自动变速器-SHP19的换挡控制器。由于控制器的微处理更新换代，使换挡控制比较复杂，而且由于处理器的外围电路扩展，使输入输出功能更加强劲。为了使控制性能获得跟大的提高，在这些控制器中不仅使用了控制程序，还使用了嵌入式实时操作系统。3执行机构控制系统的输入信号以后，送到控制器进行数据处理，数据处理结束以后，电子控制单元的控制信号将通过执行机构实现对动力传动系统工作状态的改变，保证对车辆性能的控制。同时执行机构保证换挡品质的控制。实现档位切换的执行结构一般都使用电磁阀。 4.2智能控制技术及其在动力传动系统中的应用4.2.1智能控制技术智能控制的产生来源于被控制系统的高度复杂性、不确定性及人们对控制性能越来越高的要求。这种被控系统难以用精确的数学模型（微分方程和差分方程）来描述。而作为智能控制方法之一的模糊控制与传统控制相比，具有3个优点：可以从行为上模拟人的模糊推理和决策过程；不需要建立数学模型即可实现较好的控制；可以实现非线性控制任务，而常规控制器对非线性特性通常难以实现控制要求。智能控制技术作为自动控制技术的前沿，以智能控制理论、计算机技术、人工智能、运筹学为基础，适用于被控对象和环境具有未知或不确定因素、数学模型难以建立、运行环境和工况发生不可预测的变化等场合。一个好的智能控制系统应能满足多目标与多性能指标要求，能利用知识进行推理和学习，能适应对象特性和运行条件的变化，具有较好的鲁棒性、适应性、容错性、实时性和多样性。4.2.2智能控制技术在汽车动力传动系统中的应用汽车是一个复杂的多自由度系统，在外界不确定因素的作用下，其动态特性会发生很大变化甚至失稳。许多专家都在寻求一种有效方法控制汽车的动态特性，使之满足要求。由于智能控制的性能优于传统控制，因而在汽车领域得到广泛的应用。 1发动机控制发动机技术决定和影响着整车基本技术的发展。由于激烈的市场竞争和新的燃油排放标准的制定和实施，发动机技术己从单纯追求功率和可靠性转移到追求良好的燃油经济性和降低废气排放。发动机的控制包括：燃油喷射控制、点火时刻控制、爆震控制、怠速转速控制、废气再循环控制和空燃比闭环控制等。 90年代初，菲亚特公司成功地实现了发动机怠速的模糊控制。随后，三菱公司也不甘落后，提出了相关计划。90年代中期，Martinez和Jamshidi将模糊控制运用到发动机中，控制发动机怠速转速和空燃比，其结构原理如图4-1所示 图4-1 发动机模糊控制的结构原理图该模糊控制器输人速度和加速度的误差，经模糊运算得出一个合适油门开度值u。不久，Ma-jors等人成功地运用神经网络理论实现了发动机燃料空气比的控制。2传动系统控制，90年代初，福特公司和宏达公司已经就神经网络和模糊逻辑系统在汽车的动态特性与控制中的应用进行了许多研究，日产公司率先用模糊控制器控制汽车传动系的变速规律和防抱死制动系统的压力调制器。许多专家都在寻求一种有效方法控制汽车的动态特性，其原理如图4-2所示。该模糊控制器以汽车速度、加速度、油门开度、道路阻力、制动时间和当前变速情况为输入，经模糊运算后得出合适的换档值。图4-2发动机变速规律原理图5金属带式无级变速器发展和现状5.1无级变速器的发展历史简述无级变速的发展已经有很长的历史，早在1886年，德国的Daimlar Benz公司就已经将其应用在汽车上了，只是它是摩擦式无级变速器，是靠皮革或纤维制的圆盘和金属圆盘的摩擦力来工作的，因而磨损十分严重，寿命很低，但其原理为后来所采用，这就是带传动式（Belt Drive）或链传动式(Chain Drive)CVT的前身。1935年，GM Buick发明了一种被称为全圆环型（Full Toroidal）CVT，人们称这种变速器为牵引传动式(Traction Drive) CVT，它的变速原理如图1-1所示。当可移动的圆环面沿轴向移动时，两环面间的辊子沿曲面滑动，改变与传动轴的夹角，实现速比的变化。由于在技术上要开发能够承受这样大滚压力的轴承及能够承受这样大面压的材料和特殊液体，包括通用在内的许多公司最终放弃了这种CVT的开发。但在这同时，带传动式CVT也取得了很大的发展，包括金属链式CVT如图1-1和金属带式CVT如图1-2。 图1-1 金属链式CVT 图1-2 金属带式CVT V型橡胶带式CVT最早出现在德国Daimlar Benz公司的汽油机汽车上。1958年，荷兰DAF公司H.Van Doorne博士成功开发出了双V型橡胶带CVT(Variomatic)，并装备在DAF公司的小型轿车上面。由于橡胶带的传递容量小、效率低、寿命短，H.Van Doorne博士于60年代末又成功研制出了传递容量大、效率高、结构紧凑的金属带式CVT，称之为“Transmatic”。1972年，H.Van Doorne博士与DAF公司脱离，成立了自己的公司，即“Van Doornes Transmissie B.V.”公司（简称VDT公司），专门生产CVT，所生产的CVT通称为VDT-CVT，从而开始了CVT的新时代。VDT-CVT主要有P811、P821、P884、P901等四种类型，其中P811和P821是第一代产品，P884和P901是第二代产品。P811是以湿式多片离合器作为起步装置，采用机械液压控制系统，而P821是以电磁离合器作为起步装置，采用电液控制系统，两者都是以外啮合齿轮泵作为液压源，并采用单回路液压系统。第二代产品主要做了如下改进：采用了新型金属带，以液力变矩器作为起步装置，用双级滚子叶片泵代替了齿轮泵，采用全电子控制系统，因而它们的性能指标超过了液力机械自动变速器（AT）。CVT首次装车并投放市场是1987年。当时，日本富士重工公司从VDT公司购买了金属带，并得到了VDT公司的技术指导，生产了面向1.0L轿车的CVT(与P821相当)，并装在Subaru Justy轿车上（排量1.0升，1984年上市）。该CVT的夹紧力和换挡控制仍然是采用VDT全液压控制，不同之处是采用了电磁离合器作为起步装置，从而起步离合器实现了电子控制，因而称之为ECVT。日本本田汽车公司（Honda）也是世界上较早开发生产CVT的著名公司之一。1995年9月，Honda公司开发了新一代金属带式CVT即Honda Multi Matic，它实现了离合器、换挡和夹紧力的全电子控制。所不同的是将起步离合器装在了从动轴上，这不仅能够在急刹车时使金属带回到最低档，而且还可最大地保护金属带，该变速器装在了带有1.6升发动机96款的 Honda Civic系列轿车上，并取得了成功。与此同时，欧美的通用（GM）、福特（Ford）、菲亚特（Fiat）、大众（VW）、奥迪及ZF等公司也在致力于CVT的开发。继Subaru后，欧洲的Ford和Fiat也将VDT-CVT(P811型)装备于排量1.11.6L轿车上，并投入市场。1999年德国奥迪公司联合LUK公司和Temic公司，开发完成了FF纵置式CVTMultitronic，成功地装在输出转矩310Nm、排量2.8L的奥迪A6/A4和保时捷跑车上，并于20放到中国市场。该变速器以金属链取代金属带，融合了当今CVT的最新技术，与现有金属带式CVT相比，除结构做了重大改进外，电液控制系统和控制策略也有了很大改变，如图1-3所示。图1-3 奥迪Multitronic链式CVT近年来，混和动力汽车在日本取得了很大的发展。而由于无级变速技术允许发动机处于某一恒定理想工作点，这样在动力的转换和储备中可以最大限度地降低动力损耗、减少排放和提高效率。据有关试验研究，采用CVT的混和动力汽车的燃油经济性可以提高30，排放可以降低50左右。中国拥有世界上发展潜力最大的汽车市场，CVT技术在汽车发展史上具有变革意义，在我国生产这种变速器将是历史发展的必然趋势。金属带式无级变速器将是应用非常广泛的无级变速，所以攻克CVT的变速器传动机理和控制等关键技术，对提高国产轿车的自主研发、缩短与发达国家的差距具有重要的现实意义。它将为我国汽车工业的繁荣发展以及促进其他相关工业的发展起到重要的作用，并能带来巨大的社会和经济效益。5.2无级变速器的发展前景随着电子技术、材料及加工技术的发展，CVT正朝着