车辆工程硕士学位论文-基于CAN总线的金属带式无级变速器电液控制系统的研究.pdf

论文分类号 u463.2 单 位 代 码 论文分类号 u463.2 单 位 代 码 10183 密 级 内 部 研 究 生 学 号 10183 密 级 内 部 研 究 生 学 号 2002422042 2002422042 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 基于 can 总线的金属带式无级变速器电液控制系统的研究 study on electrical hydraulic control system of metal pushing v-belt cvt based on can bus 作者姓名：史红英作者姓名：史红英 专专 业：车辆工程业：车辆工程 导师姓名导师姓名 及及 职职 称：张宝生称：张宝生 教授教授 学位类别：工学硕士 论文起止年月： 2003 年 9 月至 2005 年 5 月 学位类别：工学硕士 论文起止年月： 2003 年 9 月至 2005 年 5 月 吉林大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的硕士学位论文， 是本人在指导教师的 指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的 内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 2005 年 月 日 中国优秀博硕士学位论文全文数据库投稿声明 研究生院： 本人同意 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 出版章程的 内容， 愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊 （光盘 版）电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库投稿， 希望中国优秀博硕士学位论文全文数据库给予出版，并同意在 中国博硕士学位论文评价数据库和 cnki 系列数据库中使用， 同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：硕士 学科专业：车辆工程 论文题目：基于 can 总线的金属带式无级变速器电液控制系统的研究 作者签名： 指导教师签名： 2005 年 月 日 作者联系地址（邮编） ： 作者联系电话： 作者姓名 史红英 论文分类号 u463.2 保密级别 内部 研究生学号 2002422042 学位类别 工学硕士 授予学位单位 吉林大学 专业名称 车辆工程 培养单位 （院、所、中心） 汽车工程学院 研究方向 汽车地面系统分析 与控制 学习时间 2002 年 9 月 至2005年6月 论文中文题目基于 can 总线的金属带式无级变速器电液控制系统的研究 论文英文题目 study on electrical hydraulic control system of metal pushing v-belt cvt based on can bus 关键字 （3-8 个） can 总线、can 协议、金属带式无级变速传动、 电液控制 姓名 张宝生 职称 教授 导师情况 学历 学位 本科 工作单位 吉林大学 论文提交日期2005 年 5 月 15 日答辩日期 2005 年 月 日 是否基金 资助项目 是 基金类别 及编号 科技部国家科技攻关 计划项目 96-a05-04 如已经出版，请填写以下内容 出版地 （城市名、省名） 出版者 （机构）名称 出版日期 出版者地址 （包括邮编） 提 要 提提 要要 can 总线是德国 bosch 公司为解决现代汽车中众多的控制系统与测试仪 器之间的数据交换问题，而开发的一种通信协议。金属带式无级变速传动 （cvt）是轿车发展的一项先进技术。本文围绕基于 can 总线的金属带式无 级变速传动系统的传动机理、数据信号的传输协议及系统控制等方面进行了 研究。 本文首先全面地分析了金属带式无级变速传动稳态与瞬态特性，在典型 工况下，研究了金属片的推力与金属环的张力分布规律。建立了输入转矩比、 速比与夹紧力比的关系，提出确定目标夹紧力的算法，确定了速比变化率与 夹紧力和目标夹紧力之间的关系， 给出可以用于实时控制的带传动力学模型。 其次在阐述 can 总线的基本特性的基础上对 can 协议的基本内容进行 了针对性的分析。 然后建立了金属带式无级变速的电液控制系统的仿真模型，设计了电液 控制系统。利用 canoe 对 cvt 与发动机之间的数据信号传输进行了仿真。 通过仿真与试验的结果表明开发的控制系统是成功的，数据信号的传输是准 确的，能够应用于实际的系统。这为进一步开发 cvt 的电控系统奠定了良好 的基础，为汽车网络化奠定了基础。 关键词：关键词：can 总线、总线、can 协议、金属带式无级变速传动、电液控制协议、金属带式无级变速传动、电液控制 目 录 i 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 无级变速器的特点.1 1.2 无级变速器的结构及工作原理.1 1.3 基于 can 总线的金属带式无级变速器电液控制系统 .3 1.3.1 汽车内部信息传递技术的发展 3 1.3.2 基于 can 总线的 cvt 电液控制系统.4 1.4 本文主要的研究内容.5 第二章第二章 金属带式无级变速器的基础理论金属带式无级变速器的基础理论.6 2.1 金属带的受力分析.6 2.1.1 金属环的张力分析 7 2.1.2 金属片的受力分析 8 2.1.3 金属带的受力分析 10 2.2 带轮轴向力与传递转矩.14 2.2.1 带轮轴向力 14 2.2.2 带轮传递的转矩 16 2.2.3 带轮夹紧力的确定 17 2.3 速比变化率.20 2.4 本章小结.22 第三章第三章 can 总线的基本结构与通信协议总线的基本结构与通信协议 23 3.1 can 总线的基本结构、特点23 3.1.1 can 总线的基本结构.23 3.1.2 can 总线的特点.24 3.2 can 总线的通信协议26 3.2.1 can 总线物理层26 3.2.2 can 总线数据链路层26 3.2.3 can 总线的错误处理28 3.3 can 总线的有关器件.30 3.3.1 can 通信控制器 sja100030 3.3.2can 总线接口收发电路 82c250.36 3.4 本章小结.38 第四章第四章 基于基于 can 总线的总线的 cvt 电液控制系统设计电液控制系统设计.39 4.1 cvt 液压控制系统设计.39 4.1.1 cvt 控制系统的功能 39 吉林大学硕士学位论文 ii 4.1.2 液压控制系统设计 39 4.2 基于 can 总线的 cvt 电控系统设计41 4.2.1 电控系统的结构 .41 4.2.2 基于 can 总线电控系统的结构43 4.2.3 基于 can 总线的 cvt 电控系统接口电路设计44 4.3 控制器设计.48 4.3.1 夹紧力控制系统控制器的设计 48 4.3.2 速比控制系统控制器的设计 51 4.4 本章小结.54 第五章第五章 基于基于 can 总线的总线的 cvt 电液控制系统实验电液控制系统实验.55 5.1 cvt 电液控制系统试验.55 5.1.1cvt 电控试验台的设计 .55 5.1.2cvt 电液控制系统试验 57 5.2 基于 can 总线的 cvt 电液控制系统仿真.60 5.2.1 canoe 简介60 5.2.2 建立 cvt 电液控制系统的 can 通讯网络模型62 5.2.3 建立输入输出面板 64 5.2.4 仿真结果 65 5.3 本章小结68 第六章第六章 全文总结全文总结.69 参考文献参考文献 .71 摘摘 要要 .i abstract.iii 致致 谢谢 导师及作者简介导师及作者简介 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 无级变速器的特点无级变速器的特点 在世界经济的发展和人类的生产生活中，已经离不开汽车了。汽车工业 的迅速发展，一方面给人类带来了高度的物质文明，极大地促进了世界经济 的发展；另一方面由于汽车保有量的激增，导致了二十世纪七十年代全球性 的能源危机环境污染以及温室效应1。 因此采取措施应用新技术，降低汽车能源消耗和减少废气排放已成为汽 车的发展方向之一。 汽车传动系设计的好坏直接关系到整车主要的性能指标， 汽车变速器是汽车传动系的重要总成，在最初的汽车设计中变速器的速比就 是连续可变的。不过由于当时制造技术等原因，这种变速器在传动效率、可 靠性等方面不能满足用户的需要。而有级齿轮变速器以操作简单、使用寿命 长、传动效率高等优点，占据了汽车变速器的主导地位。随着时代的进步有 级齿轮变速器的缺陷日益明显，例如：不一定能保证发动机功率有效输出、 最优燃油经济性、还有它的设计还要受到齿轮箱的构造、重量、成本等方面 的限制。 目前汽车上使用的变速器有以下几类： 1机械式齿轮变速器（简称 mt） 2电控机械式自动变速器（简称 amt） 3由液力变矩器和行星齿轮构成的液力自动变速器（简称 at） 4无级变速器（continuously variable transmission 简称 cvt）1 目前金属带式无级变速器是汽车无级变速传动研究和推广的重点。 无级变速传动是随着科技的进步发展起来的，它与传统的有级齿轮变速 器相比具有以下优点： 1整车具有更好的舒适性 2速比无级调节使汽车具有良好的行驶性能 3提高汽车的燃油经济性和动力性44,51-54 4降低汽车发动机有害物质的排放54 5. 结构简单、成本低、可靠性高43 1.2 无级变速器的结构及工作原理无级变速器的结构及工作原理 金属带式无级变速器主要由金属传动带、工作轮组、液压控制系统、起 吉林大学硕士学位论文 2 步离合器、中间减速机构组成。 1金属传动带 金属传动带由数百片厚度约为1.5mm1.8mm的金属片通过2组金属环连 接而成，每组金属环由数片厚度约为 0.15mm 的金属薄环叠和而成，如图 1-1 所示。 图图 1-1 金属传动带的结构金属传动带的结构 2工作轮组 工作轮组的结构简图如图 1-2 所示，每组带轮由可动带轮（阴影部分） 和不可动带轮组成，其工作面大多为直线锥面体。其中可动带轮通过液压控 制系统沿钢球滑道作轴向移动，以连续改变带轮的工作半径，实现无级变速。 图图 1-2 cvt 工作原理图工作原理图 速比 i=1 速比 i1 第一章 绪论 3 3液压控制系统 液压控制系统是 cvt 的核心，分为机液控制系统和电液控制系统。机液 控制系统主要有油泵、液压调节阀（速比和带与轮间夹紧力的调节） 、传感器 （油门和发动机转速）和主、从工作轮的液压缸及管道组成。电液控制的 优点在于可以利用电子控制系统容易实现控制算法的优点，对系统进行精确 的控制，采用液压执行机构目的是可以利用液压系统反应快的特点。 4起步离合器 汽车起步离合器有湿式多片离合器、电磁离和器和液力变矩器三种。液 力变矩器与 cvt 系统合理匹配，可使汽车以足够大的牵引力平顺的起步，提 高驾驶舒适性。当发动机转速高时，闭锁离合器将泵轮与涡轮锁住，成为整 机传动，提高了传动效率，但成本较高。为降低成本，研究人员一直在致力 于引用电控技术，在电磁离合器或多片湿式离合器上实现液力变矩器的传递 特性。 5中间减速机构 由于无级变速机构可提供的传动比（即速比，输出带轮的工作半径与输 入带轮工作半径之比）范围为 0.4452.6 左右,不能完全满足整车传动比变化 范围的要求,因而设有中间减速机构。 1.3 基于基于 can 总线的金属带式无级变速器电液控制系统总线的金属带式无级变速器电液控制系统 1.3.1 汽车内部信息传递技术的发展汽车内部信息传递技术的发展 传统汽车内部信息传递主要采用点对点式的传递方式。随着汽车电器及 电控系统如电动门窗、电动座椅、电动后视镜、cvt 等的不断增加，如果仍 采用传统的汽车线束方式，如图1-3： 图图 1-3 传统汽车电子线束传统汽车电子线束 即电线一端与开关相接，另一端与用电设备相通，将导致汽车上的电线 数目急剧增加。电控系统与电器系统的增加虽然提高了汽车的动力性，经济 性和舒适性，但随之增加的复杂电路也降低了汽车的可靠性，增加了维修难 度。传统粗大的线束不但占用了汽车上的宝贵的空间资源还增加了汽车的重 吉林大学硕士学位论文 4 量。因此，对传统电器系统及相应的线束总成进行网络化改造，使传统电器 与现代电控系统一样进入同一个车载网络系统，成了汽车技术发展的一个必 然趋势。 随着计算机网络技术的不断发展， 可以应用于网络汽车的技术日益增多， 其功能也日渐强大。所谓网络线束，就是指在一条数据线上传递的信号可以 被多个控制目标共享，从而最大限度地提高系统整体效率，大大减少汽车上 电线数目，缩小线束的直径。同时网络线束还将使计算机技术融入整个汽车 系统之中，加速汽车智能化的发展。局域网控制器（controller area network， 简称 can 总线）是实现网络线束的一种方式。与传统线束相比，can 总线 具有以下比较突出的优点： 1大大简化了整车线束 用各个模块内的电子开关取代寿命有限的触点式继电器，实现了整车电 路无触点化；中央及各终端模块采用自修复及过载保护线路设计取代了熔断 丝保护装置；将单一功能的电子装置集成在模块中，提高了电器装置的集成 度；将各开关的工作状态作为编码信号在一根导线内传输等等因素大大简化 了整车电气线路。因为开关到模块节点的电流减少了，导线的截面积也随之 变细，所以整体线束的重量减轻了。 2提高了整车电气线路的可靠性 整车电气线路的供电由各终端模块进行控制，取消了原车装配的各种继 电器、控制器、保险丝、闪光器等，取消了上述电器零部件相互间的连接线 路及各用电器之间的连接线路，简化了整车电器线路，大大降低了故障率。 而且整车电器线路基本实现了电子化、无触点化。各操纵开关同模块间的工 作电流为毫安级，延长了各类操纵开关的使用寿命，因此使整车电器线路的 可靠性得到了很大的提高。 3提高了整车电气线路的维修性和安全性 当整车电器线路或各电器装置出现故障或不正常时，各模块节点均能对 整车电器线路起到一个保护功能，如：当各用电器连接线路出现短路、或断 路故障时，各终端模块能自动切断该连接线路，故障排除后可自动恢复工作， 不存在由于电器线路短路而烧坏电器装置或引起线束着火的现象。 4提高了电磁兼容性 由于用终端模块进行控制，取消了继电器等线圈零件，这样有利用提高 电磁的兼容性。 5在汽车各电控系统之间实现了信息共享 1.3.2 基于基于 can 总线的总线的 cvt 电液控制系统电液控制系统 can 总线可以实现在一条数据线上传递的信息被多个电控系统共享。图 1-4 为采用 can 总线的 cvt 结构，金属带式无级变速器电液控制系统通过 第一章 绪论 5 can 总线与发动机控制系统相连。这样可以使这两个控制装置通过传感器获 得来自加速踏板和档位的相关信息。一方面电液控制系统从发动机控制装置 接收诸如发动机转速和负荷等数据。 另一方面发动机控制装置通过 can 总线 接收来自金属带式无级变速器电液控制系统的信息，然后发动机根据这一信 息，通过其控制系统确定发动机最佳的运行参数。 图图 1-4 采用采用 can 总线的总线的 cvt 结构结构 1.4 本文主要的研究内容本文主要的研究内容 本文研究内容是结合国家科委攻关项目“汽车电子控制金属带式无级变 速传动器”课题，把 can 总线技术应用于金属带式无级变速传动器电液控制 系统中，要进行以下的研究工作： 1 针对汽车电子技术发展趋势和动力传动系统的控制的特点， 结合 can 总线技术以实现信息共享和金属带式无级变速器电液控制。 2分析了金属片的推力和金属环的张力分布规律；研究了带轮传递的转 矩、速比和带轮夹紧力的关系。 3全面、系统的分析了 can 总线特点和协议，根据 can 总线具有的优 点，将 can 总线定为 cvt 与车载网络相互之间的通信总线。 4通过分析 cvt 所需要的信息，确定了 cvt 与车载网络之间的通信信 息与规范。 5建立了基于 can 总线的金属带式无级变速器电液控制系统模型。 发动机 ecucvt ecu can 总线 执行机构 传感器 执行机构 传感器 吉林大学硕士学位论文 6 第二章第二章 金属带式无级变速器的基础理论金属带式无级变速器的基础理论 金属带式cvt是通过金属带将来自输入轴的转矩以一定速比传递到输出 轴。金属带的独特结构使其传动机理比较复杂，实际上是一个包含诸多影响 要素的动态过程。在实现各种控制目标前，必须对 cvt 基础理论进行研究， 并以此作为电液控制系统设计的基础。 2.1 金属带的受力分析金属带的受力分析 为分析计算把金属带整个周长划分为四个区间如图 2-1 所示，并建立坐 标系。主动带轮以带轮入口处为坐标起点，方向与带轮转动方向相同；从动 带轮以带轮入口为坐标起点，方向与带轮转动方向相同。金属带在主动带轮 包角范围内为 p 区；主动带轮的出口到从动带轮的入口之间为 a 区；金属带 在从动带轮包角范围内为 s 区；从动带轮的出口到主动带轮的入口之间的直 线部分为 b 区。 图图 2-1 金属带传动示意图金属带传动示意图 金属带传动与普通的橡胶带、混合带和链传动不同，它主要是通过金属 片之间的推力与环的张力一起来传递转矩的。由于存在初始间隙，在整个带 长范围内，有的区域金属片之间有推力的存在，而有的区域则没有推力存在。 图 2-1 为在低档下，当传递较大转矩时，金属片在整个带长范围内的分布。 在主动带轮入口前(b 区)，金属片之间有间隙存在；当金属片运转到主动 带轮上时（p 区） ，由推力的作用导致金属片相互挤压。在主动带轮出口到从 动带轮的入口处 （a 区） ， 金属片被挤压在一起； 在从动带轮的入口到出口处， 金属片间的压力逐渐减小，直至消失（s 区） 。在传递转矩的过程中，由于金 第二章 金属带式无级变速器的基础理论 7 属片与带轮之间，金属片与金属环之间以及内层和外层的金属环之间都存在 相对滑动,因此金属带的受力非常复杂。为便于分析，作如下假设： 1、带轮、金属环与金属片之间,金属环相互之间的摩擦系数为常数。 2、由于金属片的横向刚度高，金属带在带轮的圆形轨道上运行，沿带轮 包角圆弧的中心与带轮中心重合。 3、由于单个金属片的厚度为 1.4mm，这与带轮包角上金属带的总长度相 比很小，因此可以把金属片之间相互作用的挤压力视为是连续的。 4、把金属带中叠置在一起的金属环近似看作一条钢带，不考虑各层金属 环之间的摩擦， 它所受的周向张力沿带轮包角上的分布满足欧拉公式。 5、在速比变化过程中，不考虑两带轮上金属带的中心线的偏差。 6、设带轮为刚体，不考虑带轮的变形。 下面以传动比 i 1 时进行分析。 2.1.1 金属环的张力分析金属环的张力分析9 如图2-2所示， 在带轮包角上任取金属环上的微小单元d,受力分析如下： x 方向：()( )0 ldp tdt+= （2-1） y 方向：0 r t ddpcd+= （2-2） 式中： l 金属环与金属片之间的摩擦系数； dp单位金属环上，金属片对金属环的作用力； 图图 2-2 金属环的受力分析金属环的受力分析 dp dp 1 0 y x 吉林大学硕士学位论文 8 r c金属环的离心力 因此,金属环张力 t 的微分方程: l dt d t = （2-3） 对 （2-3） 式积分， 可得到沿带轮包角任意位置金属环张力( )t的表达式： ( ) l tec =+ （2-4） 式中，c积分常数 带入边界条件，可得金属环在带轮上的张力分布方程。 对主动带轮，当0=时，(0) a tt= （2-5） 所以在主动带轮上，沿带轮包角金属环的张力分布方程, lpp a tte = 0 pp （2-6） 在从动带轮上，沿带轮包角金属环的张力分布方程， () lsss a tte = 0 ss （2-7） 式中， a ta 区金属环的张力； p 、 s 在主、从带轮上的坐标； p 、 s 金属带在主、从动带轮上的包角。 lp 、 ls 主、从动带轮上金属环与金属片间的摩擦系数 由于金属环的张力在整个包角范围内是连续变化的，所以金属环在主动 带轮出口处的张力与从动带轮入口处的张力相等，由式（2-6）和式（2-7） ， 可以确定上述假设成立应满足的条件， slsplp =。 2.1.2 金属片的受力分析金属片的受力分析9 由假设可知在带轮包角上，金属片所受的推力 q 是连续的，如果对带轮 包角上处于动弧上任意位置金属片取微小的单元d，如图 2-3 所示，则金属 片的受力分析如下： 第二章 金属带式无级变速器的基础理论 9 x 方向：2cos0 l dqdpdn+= （2-8） y 方向：2(sinsincos)0 e q ddpcddn+= （2-9） 式中 dn单位金属片上，带轮对金属片的作用力，rdndn=； 金属片与带轮之间的摩擦系数； 摩擦角； e c金属片的离心力； 由式（2-1） 、 （2-2） 、 （2-8）和（2-9）可得沿带轮包角金属片推力 q 的微 分方程: ()()() rle dq tcqc d = + （2-10） 式中， cos sinsincossincos t r = = + （2-11） 当量摩擦系数表示金属带与带轮接触点处切向摩擦力与径向摩擦力之 比时，它是摩擦角的函数。定传动比时金属带没有径向运动，则式（2-11） 可以简化为， sin = （2-12） 这与普通三角带的切向摩擦系数是一致的。若忽略金属带运动过程中产 生的离心力的影响，则式（2-10）可简化为， 图图 2-3 金属片的受力分析金属片的受力分析 dp dp 1 dn2 sindn 0 y x 吉林大学硕士学位论文 10 () l dq qt d += （2-13） 对式（2-13）积分，并代入边界条件，分别得到金属片的压力在主、从 带轮包角上的分布方程。 在主动带轮上金属片的推力分布方程， () 00 lpppp lp p app q tee = （2-14） 在从动带轮上金属片的推力分布方程， ()() 0 0 lssss s ass q q tee = （2-15） 式中， p 、 s 主、从动带轮上金属片与带轮间的当量摩擦系数 由图2-1可以确定，在主动带轮的出口处与从动带轮的入口处，金属片 的夹紧力相等 0 qq=。由式（2-14） ，当 p =时， () 0plpppp lsp a q ee t = （2-16） 由式（2-15） ，当 s =时， ()() 0lssssss a q ee t = （2-17） 所以，由式（2-16）与式（2-17）相等，得: ()()() ppppssssslpls pls eeee = （2-18） 从式（2-18）可以看出，主、从动带轮上的动弧 p 、 s 之间不是独立的， p 随 s 变化。当传递的转矩渐渐增大时，在主从动带轮上，金属带的动弧也 随之增大。所以可以认为 s 是 p 的函数，满足式（2-18） 。 2.1.3 金属带的受力分析金属带的受力分析9 根据以上分析，可以确定在不同传动比时，金属环张力和金属片推力方 第二章 金属带式无级变速器的基础理论 11 程。由此可以确定在整个带长范围内的金属带的力分布。在相同条件下：转 矩比（见本章2.2.3）0.5=，0.1 l =时，进行了计算。如图2-4所示为 计算得到的金属环的张力和金属片的推力的比较图。纵坐标显示金属环张力 和金属片推力的数值大小，横坐标表示金属带沿整个带长的分布。 因此在传动比不同其它条件相同时，金属片的推力、金属环张力的大小 以及在整个带长范围内的分布相差很大。 由图2-4的计算结果， 当传动比1i 时，金属环张力的分布形式与普通平带在传递动力时相同，在主动带轮上， 从入口到出口渐渐减小，在从动带轮上则是从入口到出口逐渐增加。然而， 在i=0.5时，在主动带轮上张力从入口到出口逐渐增大，而在从动带轮上，张 力从入口到出口则逐渐减小。这是由于金属带的特殊结构造成的。如图2-1 所示，金属环与金属片的节圆半径之间相差dr。由于存在偏差，在小半径带 轮上，金属环的速度比金属片的速度低，在小半径带轮上金属片推动金属环。 由金属环的张力分布方程（2-6） 、 （2-7）可见，在一定速比条件下，金属 环的张力大小与分布形式和输入转矩无关。在主动带轮上，金属环传递的转 矩 ring t为： 0 () ringpabp ttrttr= （2-19） 当无级变速传动处于低档 1.0i 时，由于作用在b区的金属环张力 b t大 图图 2-4 金属片的推力和金属环的张力分布金属片的推力和金属环的张力分布 0 100 200 300 400 500 600 400 600 800 1000 1200 0 100 200 300 400 500 600 400 600 800 1000 1200 0 100 200 300 400 500 600 400 600 800 1000 1200 金属片推力( n ) 金属环张力 （ n ） bpas b bpas b bpas b 0 .2i =( a )0 .1i =( b )5.0i =( c ) 计算条件：,mn2 .38t* in =, 5 . 0=1 . 0 1= = 吉林大学硕士学位论文 12 于在a区的金属环张力 a t，所以在主动带轮上，金属环从入口到出口传递正 的转矩，即0 ring t，说明金属环的张力有助于转矩的传递，他承受的转矩的 大小为 ring t。 由式（2-14）和（2-15）可见，在一定速比条件下，金属片的推力大小与 输入转矩有关。金属环的张力承受的转矩的大小是不变的，因此当输入转矩 大于或者小于金属环转矩时，必将引起金属片推力分布形式的变化。在其他 条件不变的情况下，当输入转矩比不同时，金属环的张力与金属片的推力 在带长范围内的分布如图2-5所示。 由图2-5可以看出，在低档（i1.0）输入转矩不同时，金属片的推力大 小与分布形式发生很大变化。当转矩比7 . 0=时，输入转矩大于金属环传递 的转矩，即 inring tt，那么作用在金属片上的推力为()/0 inringp qttr=，且 金属片之间的推力作用在带轮的上面 a q见图2-6 (a)。如果输入的转矩小于金 属环传递的转矩 inring tt时，作用在金属环上的推力为()/0 inringl qttr=， 这表明在主动带轮上， 不是在出口侧， 而是在入口侧存在金属片间的推力 b q见 图2-6 (b)。 金属片推力( n ) 金属环张力 （ n ） bpas b 计算条件：,nm2 .38t* in= , 1 . 0 1= =0 . 2i = 15. 0= 7 . 0= 图图 2-5 低档时金属片推力与金属环张力分布低档时金属片推力与金属环张力分布 第二章 金属带式无级变速器的基础理论 13 也就是说， 当传动比i1,当 inring tti） 0= 0= 0= 0= p p s s p p s s a t a t b t b t b q a q 吉林大学硕士学位论文 14 张力 a t。在主动带轮上金属环从入口到出口传递负的转矩0 ring t，但金属环张力传递的转矩始终 为负，金属片推力首先克服金属环的张力产生的转矩，才能够传递转矩，且 作用在带轮的上侧。随着输入转矩的增大，金属片的推力的大小发生变化， 但始终作用在带轮的上侧，如图2-7所示。因此，在高档传递转矩时，金属 带的受力分布只有一种形式，如图2-8所示。 2.2 带轮轴向力与传递转矩带轮轴向力与传递转矩 在金属带传递转矩的过程中，金属片与带轮之间有压力存在。在一定条 件下，金属带对带轮的轴向力可以由金属片的受力分析得到。 2.2.1 带轮轴向力带轮轴向力 由式（2-2） 、 （2-10）得: 图图 2-8 金属带受力分布金属带受力分布 （0 . 1时，随着输 入转矩的增加，作用在主动带轮上的轴向力增大，带轮对金属带的摩擦力增 大。当超过传递的极限转矩时，金属带在小半径带轮上打滑。定义k为在稳 定状态下作用在主动带轮上的轴向力与作用在从动带轮上的轴向力之比。由 式（2-4） 、 （2-25）得， (, ) p ps s f p f fp sf f f kfi ff = (2-33) 由式(2-33)可以看出，轴向力比k与当时传动比和主动带轮动弧有关，在 吉林大学硕士学位论文 18 一定传动比条件下，只与主动带轮上动弧有关。而主动带轮的动弧是金属带 传递转矩的函数，因此轴向力比是传递转矩的函数。根据输入转矩的大小， 可以确定主、从动带轮的轴向力。 作用在主动带轮上的轴向力 cos 2 pm p p t f r = （2-34） pm t金属带传递的极限转矩 从上式可以看出，当速比不变时，带轮的轴向力与传递的极限转矩成正 比。为了保证系统在极限转矩条件下，能正常的工作，带轮的夹紧力应按上 式确定。当主动带轮处于滑动极限（ p =0）时，由式（2-33）轴向力比 (0, ) ps f f kfi=为常数， p f与 s f成比例， 此时夹紧力比只与当时的传动比有关。 由公式（2-32）得： (, ) (, ) (0, ) ps ps ps tfp p tp pmtf fi t fi tfi = （2-35） 因此转矩比与主动带轮的动弧 p 有关，也就说明带轮的轴向夹紧力比 k随转矩比的变化而变化，如图2-9所示。同一转矩比时，夹紧力比与传动比 的关系。如图2-10所示，随着传动比的增大，夹紧力比减小。 在一定条件下，主动带轮传递的转矩与从动带轮轴向力的关系可以由式 （2-25）和（2-32）确定： (, ) cos (, ) 2sin p s ptp p s fp rfi t f fi = （2-36） 当传动比i1时,当金属带在主动带轮上处于滑动极限（0 p =）时，主 动带轮传递的极限转矩可以由上式得出： (0, ) ps pm tf s t fi f = （2-37） 第二章 金属带式无级变速器的基础理论 19 由上式可见传递的极限转矩与从动带轮夹紧力没有关系，只与当时传动 比i有关。因此对于从动带轮夹紧力的大小来讲，只要与金属带与从动带轮 的轴向力平衡就可以了。而主动带轮夹紧力，必须由式（2-20）确定。 由式（2-33）和（2-35）可以看出，在理论上，夹紧力比k和转矩比只 与主动带轮的有效包角 p 和传动比i有关，且其关系几乎不受转速，传递的 转矩和夹紧力的大小影响。当传动比i固定时，夹紧力比k与转矩比之间近 似为线性关系。这表明只靠两个带轮夹紧力不能确定速比，速比随输入转矩 的变化而变化。当传动比i （4-1） 式中，i.c.表示积分器的初始值，f表示前馈通道的输出值。 根据系统上述理论建立的夹紧力控制系统框图如图4-11所示。由于夹紧 力控制阀的有效pwm信号的占空比在不同的转速下有差异，所以可以把对 应不同转速下的有效占空比作成一个数表，这样在不同的转速下可以通过插 值确定饱和极限的占空比。所以针对夹紧力控制系统设计的抗回绕pid控制 器的实际输入有三个：系统设定的目标值，夹紧力控制阀的输出反馈值和当 前系统的输入转速。控制器首先根据输入转速确定该转速下夹紧力控制阀的 饱和区间的极限值，然后根据目标值与系统的反馈的偏差进行控制。 pwm信 号夹 紧 力 控 制 阀 滤 波 器 目 标 压 力 压 力 压 力 传 感 器 发 动 机 转 速 pid控 制 器 图图 4-11 夹紧力控制系统夹紧力控制系统 第四章 基于 can 总线的 cvt 电液控制系统设计 51 4.3.2 速比控制系统控制器的设计速比控制系统控制器的设计 速比控制的目的是根据系统设定值的变化，通过调节主动带轮油缸内的 压力来实现系统的实际速比对目标速比i 的跟随。速比控制器的设计也要根 据执行元件的特性和系统动态特性来进行。以上已经对速比控制阀的动态特 性进行了研究。从研究中可以看到，速比控制阀也表现出一定的饱和非线性 元件的特性，所以也可以设计一个抗回绕的pid控制器。但是，由于速比控 制阀的有效占空比区间较窄，所以即使系统输入的目标值与输出值之间偏差 很小时，控制器的输出也会达到饱和非线性元件的极限值。 考虑到无级变速传动系统的非线性特性、液压控制系统和速比控制阀特 性这三个因素，我们可以设计成模糊控制器。模糊控制器不需要系统的精确 的数学模型，对系统参数的变化也不敏感。通过模糊控制器调节主动轮油缸 内的压力，跟随目标速比的变化。模糊控制器的输入是目标速比与实际速比 的偏差和偏差的变化率，输出是速比控制阀的占空比。 模糊控制器的基本结构如图4-12所示。模糊控制器的输入和输出量为精 确量，而模糊控制器的变量为模糊量。所以输入变量必须经过规范化和模糊 化处理转化为模糊推理所需要的语言变量，同理，模糊控制器的输出也要经 过反模糊化和规范化处理把语言变量转化为系统工作所能够接受的精确量。 规范系数要经过试验进行优化处理。 速比的偏差( )( )( ) * e kiki k= （4-2） 速比的偏差变化率 ( )() ()( )( )(1)( )ec ki ki ki ki kt = （4-3） 模糊控制器的输出u(k) 在整个的论域范围内，定义模糊变量e、ec和u的模糊子集均为： 图图 4-12 模糊控制器的基本结构模糊控制器的基本结构 输入 输出 模糊规则 规范化 模糊化 逻辑推理 非模糊化 规范化 吉林大学硕士学位论文 52 nb（负大） 、nm（负中） 、ns（负小） 、zo（零） 、ps（正小） 、pm（正 中） 、pb(正大) 它们的论域均划分为13个等级，即： -6、-5、-4、-3、-2、-1、0、+1、+2、+3、+4、+5、+6 模糊规则形式如下：if e is nb and ec is nb ,then u is pb . 表表 4-2 模糊控制器输入输出关系模糊控制器输入输出关系 由此可以建立模糊控制器的模糊规则库。模糊推理方法采用了 takagi-sugeno-kang(tsk)方法。推理结果可以得到如表4-2所示的模糊控制 器的输入输出关系。在实际应用中，该数表储存在计算机中，根据当前的输 入速比偏差和速比偏差变化率查表，可以得到模糊控制器的输出。 ec u -6 -5 -4 -3 -2-10 +1+2+3 +4 +5 +6 -6 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 -5 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 -1 -4 5 5 4 4 3 3 2 2 1 2 0 -1 -1 -3 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 -1 -1 -2 -2 4 4 3 3 2 2 1 1 0 -1 -1 -2 -2 -1 4 3 3 2 2 1 1 0 -1 -1 -2 -2 -3 0 3 3 2 2 1 1 0 -1 -1 -2 -2 -3 -3 +1 3 2 2 1 1 0 -1-1 -2 -2 -3 -3 -4 +2 2 2 1 1 0 -1-1-2 -2 -3 -3 -4 -4 +3 2 1 1 0 -1-1-2-2 -3 -3 -4 -4 -5 +4 1 1 0 -1 -1-2-2-3 -3 -4 -4 -5 -5 +5 1 0 -1 -1 -2-2-3-3 -4 -4 -5 -5 -6 e +6 0 -1 -1 -2 -2-3-3-4 -4 -5 -5 -6 -6 图图 4-13 速比模糊控制系统速比模糊控制系统 pwm信号速比控制阀cvt 滤波器 模糊化模糊推理解模糊 模糊规则库 + - 目标速比 速比 模糊控制器 第四章 基于 can 总线的 cvt 电液控制系统设计 53 由以上分析建立的速比控制系统的结构如图4-13所示。目标值根据当前 的工况确定，系统测量得到的当前速比经滤波后，与目标值比较形成偏差。 偏差经过模糊控制器的处理，输出到pwm信号产生器形成速比控制阀的控 制信号。速比控制阀根据控制信号的变化，调节主动带轮油缸内的压力，实 现主动带轮的轴向移动，从而实现速比的变化。 4.3.3 试验分析试验分析 图4-14中所示为夹紧力控制阀的输出压力保持不变的条件下，目标速比 从0.65i=到1.2i=的阶跃变化过程中， 系统响应的试验结果。 夹紧力控制阀 控制从动轮油缸的压力保持不变。由于主动带轮油缸内的压力低，速比控制 阀的开启造成系统的压力迅速减小，控制器控制压力回到目标值。对于速比 控制阀，由于目标速比以阶跃的方式变化，在速比变化时，由于实际速比与 目标速比相差很大，速比控制阀全部开启，系统的压力很快降低。速比控制 阀的pwm信号输入占空比发生变化时，速比控制系统的压力有波动，造成 图图 4-14 目标速比阶跃变化系统响应目标速比阶跃变化系统响应 （c）速比变化 时间 （s） 0246810 0.5 1 1.5 目标速比 速比 0246810 0 200 400 600 800 1000 1200 输出转速 输入转速 时间 （s） （b）速度变化 转速(rpm) （a） 系统的压力变化 0246810 0 0.5 1 1.5 2 2.5 压力(mpa) 时间（s） 主动轮缸压力 从动轮缸压力 目标压力 实际速比 吉林大学硕士学位论文 54 主动轮缸的压力相应的发生变化，速比在目标值周围波动。另外由于速比控 制阀的响应慢，造成实际速比在目标速比附近波动较大，如图4-14c所示。 4.4 本章小结本章小结 1. 本章在分析电液控制系统功能的基础上，设计了电液控制系统； 2. 针对电液控制系统所需要的信号设计了基于can总线电控系统的结 构，并对can总线接口及控制器接口进行了设计； 3. 设计了相应的夹紧力控制系统控制器和速比控制系统控制器， 对电液 控制系统在试验台上进行了试验分析。 第五章 基于 can 总线的 cvt 电液控制系统实验 55 第五章第五章 基于基于 can 总线的总线的 cvt 电液控制系统实验电液控制系统实验 由于把 can 总线应用到 cvt 上是刚起步，设备还没有齐备，所以我们的 基于 can 总线的 cvt 电液控制系统试验分为两个部分：一部分是 cvt 电液控 制系统试验；另一部分是用 canoe 对基于 can 总线的 cvt 电液控制系统进行 仿真。 5.1 cvt 电液控制系统试验电液控制系统试验 5.1.1cvt 电控试验台的设计电控试验台的设计 建立电控试验台的目的是把道路试验转化为台架试验。 他能够把cvt的 硬件系统、车辆动力学模型以及cvt的控制策略结合起来，以便设计cvt 的电控系统以及电控系统的软件,通过台架试验深入研究 cvt 的性能。 5.1.1.1 cvt控制系统试验台的功能设计 控制系统试验台的功能设计 cvt 电控试验台主要实现下列的功能： 1、cvt 液压控制系统特性的研究。 2、cvt 关键部件的设计和开发。 3、cvt 与发动机匹配策略的研究。 4、cvt 电控策略的研究。 5.1.1.2 cvt控制系统试验台设计控制系统试验台设计 试验台主要由三个子系统组成：软件系统，接口系统和机械系统部件。 软件子系统主要是在计算机内部运行 cvt 的动力学仿真模型，包括车辆动力 传动系统模型、驾驶员模型，动力传动系统控制模型等。接口系统是实现软 件系统和实际部件连接功能的部分，主要的设计部分包括转速采集、电磁阀 驱动电路、压力信号采集电路等。机械系统部件包含实际变速器 cvt 和液压 控制系统、输入电机、输出电机及附加的机械连接部件、电机控制器等。 cvt 控制系统试验台的布置如图 5-1 所示。 cvt 的主动轴和输出轴分别与 电机相连。输入电机代表发动机为系统提供动力，输出电机接受控制信号模 拟汽车的行驶阻力。通过电机控制器，电机可以按转速模式和转矩模式两种 模式运行。这样就使电机的转速和转矩无论在稳态，瞬态条件下，都很容易 实现精确控制。另外电机的噪音小，没有排放，比较适合在试验室工作。 吉林大学硕士学位论文 56 动力传动控制系统根据输入的节气门开度和当前的行驶状态，设定输入 电机的工作转速和目标速比。电机的工作转速在这里为一个模拟信号，输入 到电机控制器，电机控制器根据输入的信号和反馈的实际电机转速调节电机 的转速变化。目标速比输入到 cvt 的控制器，根据当前的输入转矩，确定主、 从动带轮油缸的目标工作压力。cvt 控制器通过输出电信号控制液压阀的动 作，调节主、从动带轮油缸的工作压力，实现目标速比。 5.1.1.3 控制系统软件的设计控制系统软件的设计 在硬件系统确定后，计算机控制系统的优劣，主要取决于采用的控制策 略和控制算法是否合适。很多算法是基于模型的，数学模型反映了系统输入、 内部状态和输出之间的逻辑与数量关系。确定数学模型，既可以根据过程进 行的机理分析得到，也可以根据系统的输入、输出数据通过系统辨识的方法 得到。每个特定的控制对象均有其特定的控制要求和规律，所以必须选择与 之相适应的控制策略和控制算法，否则就会导致系统的品质不好，甚至会出 现系统不稳定、控制失败。本试验采用前述章节确定的系统模型和控制算法， 分别对夹紧力和速比进行控制。 在硬件系统和控制算法确定后，整个系统的性能主要取决于控制软件的 设计。控制系统对控制软件的要求是：实时性、可靠性、容错性、使用方便 输 入 电 机输 入 电 机转 矩 仪转 矩 仪 输 出 电 机输 出 电 机转 矩 仪转 矩 仪 cv t 控 制 器 动 力 传 动 系 综 合 控 制 驾 驶 员 汽 车 动