（光学工程专业论文）剖分变径带式cvt的性能仿真研究.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：赵盛 日期：麴2q ：妄： 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：超篮 指导教师签名：趋皇塞 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 无级变速器，作为汽车动力传动系统的主要部分，一直以来，都是人们追求的终极目 标。无级变速器控制系统对整车性能起到了关键的作用，目前带式无级变速器控制系统较 复杂而且价格较高，因此本文提出了一种低成本的适用于剖分变径带式c v t 的机械控制方 法，并通过相关软件对其性能进行仿真研究。 本文介绍了剖分变径带式c v t 的工作原理，分析计算了其主要结构参数。在 m a t l a b s i m u l i n k 环境中，建立了剖分变径带式c v t 控制系统模型、发动机模型和整车模型。 采用p i d 控制策略以控制电机转矩，从而控制杠杆执行机构，改变主从动带轮的半径，实 现传动比的精确控制。对剖分变径带式c v t 控制系统进行了仿真，分析了该c v t 不同结 构参数对控制系统的影响，并对各参数进行了验证和必要的修正。 由发动机模型、剖分变径带式c v t 模型、简化的电机模型和整车纵向动力学模型的 讨论，建立了整车的m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型。整车模型在不同的工况下行驶时，对其进 行了动力性和经济性仿真分析，研究了换挡规律及控制策略，总结出车速、耗油量等变化 规律，并评价了剖分变径带式c v t 对整车动力性和经济性的影响。本文研究达到了预期 的目标，为剖分变径带式c v t 的进一步研究奠定了基础。 关键词：剖分变径；c v t ；杠杆机构；仿真模型 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c ，a st h em a i np a r to ft h ev e h i c l ep o w e r t r a i n , h a sa l w a y sb e e nt h ep e o p l e st h eu l t i m a t e g o a l c v tc o n t r o ls y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nv e h i c l ep e r f o r m a n c e ，c v tc o n t r o ls y s t e mi s c o m p l e xa n de x p e n s i v e a tp r e s e n t ，s ot h ep a p e ra d v a n c e dal o w - c o s tm e c h a n i c a lc o n t r o lm e t h o d f o rs p l i tv a r i a b l ed i a m e t e rb e l tc v ta n ds t u d i e di t sp e r f o r m a n c eb yr e l a t e ds o f t w a r e i n t r o d u c e dt h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo nt h es p l i tv a r i a b l ed i a m e t e rb e l tc 嵋a n a l y z e da n d c a l c u l a t e di t sm a i np a r a m e t e r s i nm a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t e s t a b l i s h e dt h ec v t c o n t r o l s y s t e mm o d e l ，e n g i n em o d e la n dv e h i c l em o d e l p dc o n t r o ls t r a t e g yw a s u s e dt oc o n t r o lm o t o r t o r q u e ，i no r d e rt oc o n t r o ll e v e ra c t u a t o rt oc h a n g et h er a d i u so fd r i v i n ga n dd r i v e np u l l e y , t h e n a c h i e v ep r e c i s ec o n t r o lo ft r a n s m i s s i o nr a t i o w h e ns i m u l a t e dt h ec v tc o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z e d t h ee f f e c t st oc o n t r o ls y s t e mf o rd i f f e r e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，t h e nv a l i d a t e da n da m e n d e d n e c e s s a r i l yt h ep a r a m e t e r s b yd i s c u s s i o no ft h ee n g i n em o d e l ，s p l i tv a r i a b l ed i a m e t e rb e l tc v tm o d e l ，as i m p l i f i e d m o t o rm o d e la n dv e h i c l el o n g i t u d i n a ld y n a m i c sm o d e l e s t a b l i s h e dt h ev e h i c l eo fm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nm o d e l w h e nv e h i c l em o d e ld r i v i n ga td i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h ee c o n o m ya n d d y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i s ，s t u d i e ds h i f ts c h e d u l ea n dc o n t r o ls t r a t e g i e s ，s u m m e du pt h es p e e d ， f u e lc o n s u m p t i o na n do t h e rc h a n g e sr u l e s ，a n de v a l u a t e dt h ee f f e c t so ft h es p l i tv a r i a b l ed i a m e t e r b e l tc v to nt h ev e h i c l ed y n a m i ca n de c o n o m yp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , a c h i e v e dt h ed e s i r e d o b j e c t i v e sf o rs p l i tv a r i a b l ed i a m e t e rb e l tc v t a n dl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：s p l i tv a r i a b l ed i a m e t e r ；c v r ；l e v e r a g e ；s i m u l a t i o nm o d e l 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 无级变速器的发展及国内外研究现状1 1 1 1 无级变速器的发展概况l 1 1 2 传统金属带式c v t 的传动特点2 1 1 3 无级变速器的研究现状3 1 2 课题来源与意义4 1 3 本文所做的工作一4 第二章剖分变径c v t 控制系统建模6 2 1 剖分变径带式c v t 的工作原理6 2 2c v t 主要结构参数。7 2 2 1 传动带的预紧力：。8 2 2 2 换挡执行机构参数8 2 3 剖分变径带式c v t 的控制系统建模与分析1 l 2 3 1c v t 传动比控制目标的确定。1 1 2 3 2 剖分变径带式c v t 模型1 2 2 3 3c v t 控制模型的参数对系统性能的影响1 4 2 4 本章小结1 6 第三章发动机建模1 7 3 1 发动机的数值模型1 7 3 1 1 发动机输出转矩的数值模型1 7 3 1 2 发动机油耗数值模型1 8 3 2 发动机转速调节特性2 0 3 3 发动机与目标传动比仿真模型2 1 3 4 本章小结2 3 第四章整车性能仿真2 5 4 1 整车模型2 5 4 2 整车性能仿真测试2 8 4 2 1 起步加速工况2 8 4 2 2 等速行驶工况3 2 4 2 3 变阻力工况3 4 4 3 本章总结3 6 第页武汉科技大学硕士学位论文 第五章总结与展望3 7 5 1 总结3 7 5 1 展望3 7 参考文献3 8 1 改谢。l l 硕士学习阶段发表的学术论文4 2 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 无级变速器的发展及国内外研究现状 1 1 1 无级变速器的发展概况 机械无级变速传动，通常被称为无级变速传动( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ， 简称c v r ) ，是指在无级变速系统中不使用齿轮，提供平稳和无级的传动比转换的变速系 统，通过无级地改变钢带所连接的带轮直径而达到连续地改变传动比。 c v t 技术从出现到现在已经历了一百多年的发展历程。追溯至w j l 8 8 6 年，德国奔驰公司 最早在该公司生产的汽油机汽车上安装了v 型橡胶带式c v t 。到了1 9 5 8 年，v a r i o m a t i c 的双 v 型橡胶带式c v t 由荷兰的d a f 公司成功研制，并应用到d a f f o d i l 轿车上。然而，由于橡胶 带式c v t 存在诸多问题，如：带的可靠性差、寿命短，离合器工作不稳定，功率有限r 转矩 小于1 3 5n m ) ，液压泵、传动带和夹紧机构的能量损失较大等缺陷，因此在汽车行业没有 得到广泛应用。 直至1 9 7 2 年，荷兰v d t ( v a nd o o m e st r a n s m i s s i o nb v ) 公司开始研究金属带式c v t ， 该c v t 是由很多薄钢片穿成的金属钢带代替之前的橡胶皮带，其传动比是靠金属带与两个 锥轮的槽在不同半径上啮合来改变的。由于金属带生产过程非常复杂，直到1 9 8 7 年v d t 公 司才开始批量生产该金属带式c v t ( 习惯上称为v d t - c v ，n 【l 】。金属带将传递原理由拉式改 为推式，而且可以将大功率实现高效率传递。到目前为止，世界上几乎所有的汽车生产厂 家都接受了v d t - c v t 技术，并不断研发自己的c v t 。此外，c v t 的适用范围也从最初的0 6 l 发展到目前的3 3 l 。 最先大量生产c v t 的汽车厂是日本的s u b a r u ，它于1 9 8 7 年将电子控制的p 8 2 1 型c v t 装 备于j u s t y 汽车上，并且成功占领了日本市场。之后，福特和菲亚特也将v d t c v t 装备于排 量为1 1 l 到1 6 l 的轿车上【2 1 。 进入2 0 世纪9 0 年代，世界各国的大汽车厂商都越来越重视c v t 技术并大力进行c v t 的 研制工作，以提高产品的竞争力。一些著名汽车品牌中都有配备c v t 变速器的轿车，比如 尼桑、丰田、福特、通用、奥迪等。而且装备有c v t 的汽车遍及日本、欧洲和北美销售市 场，由此可见无级变速汽车是当今汽车发展的主要趋势。尤其对微型车来说，扩大微型车 销售市场的关键是无级变速器的应用。随着全球科技的快速发展，以及能源危机引发全球 性的节约能源和环境保护意识的提高，使得最新电子技术与自动控制技术不断应用到c v t 中。v d t 公司在第一代产品生产和使用总结基础上，开发第二代性能更佳的产品。第二代 产品主要技术指标较多地超过当时较先进的液力机械自动变速器，具有更好的经济性和操 纵平顺性。并在结构上作了较多改进，如：采用新型金属传动带、双级滚子叶片泵、全电 子控制系统等【3 】。 1 9 9 1 年，德国z f 公司应用v d t 技术开发了适用于1 5 - - 2 5 l 排量的前置前驱轿车的c v t 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 产品。至1 9 9 6 年，本田公司继续应用该技术开发了适用于1 6 l 排量的c i v i c 经济型轿车。1 9 9 7 年5 月，拥有1 5 年开发c v t 经验的日本富士重工在微型车v i s t r o 上装备了由全计算机控制并 含有六档手动换档模式的e c v t 。在进行六档变速时，驾驶员不需踩离合器即可换挡h 。 美国福特公司和德国z f 公司从1 9 9 9 年上半年开始合作，生产用于福特轿车和轻型载货 车的c v t 。从2 0 0 1 年开始，在俄亥俄州和巴达维亚新建的合资企业专门为福特公司设计生 产带有电子管理功能的c f t 2 3 型c v t 。由z f 公司设计的一种变矩器式c v t ，使用的钢带是 为安装横向发动机并前轮驱动的汽车。该公司也能生产为安装纵向发动机的前轮驱动汽车 或者后轮驱动汽车的c v t 系列。在不漏油的前提下，与四档自动变速器相比，变矩器式c v t 系统能够将汽车加速能力提高1 0 ，燃油经济性提高1 0 - - 1 5 ，而且比锁止式变矩器的 效率更高。福特公司正在研发一种牵引驱动c v t ，用于匹配公司内所有轻型载货车，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的大小，靠部件之间一层非常薄的液油来传递动力【5 】。 截止到目前c v t 技术比机械变速器和自动变速器更有竞争力。c v t 技术正处于寿命周 期的开始，其特性也有待进一步提高。 1 1 2 传统金属带式c v t 的传动特点 传统金属带式c v t 改变速比的方式是：通过液压控制系统连续地调节可动轮的轴向 移动。金属带式c v t 与传统的变速器相比，结构简单而且体积更小，它主要靠主、从动 带轮和金属带来实现传动比的无级变化【1 1 。该c v t 利用了带的张紧力使带与带轮之间产生 摩擦，通过改变带槽宽度来调节带轮的工作直径。然而这种带与带轮之间剧烈摩擦的调速 方式，直接造成带的较快磨损，降低其使用寿命【删。目前投入使用的金属带式无级变速 器采用的是直母线锥盘，由其特有的变速方式决定了变速过程中金属带必然产生轴向偏 斜。因为在传动比变化时，金属带的摩擦片沿锥盘上下移动，引起金属带径向和轴向位移。 金属带轴向偏斜限制了无级变速器的承载能力和传动比变化范围，还会引起带环的附加侧 向弯曲应力。金属带的轴向偏斜不仅限制了锥盘工作半径的增加，也就是限制了可传递的 转矩，即传动能力，而且还限制了车辆省油的经济车速范围。现在常用的控制金属带偏斜 的方法是：在传动比为f = l 时，预置一个轴向偏斜量，但是该方法不能从根本上解决金属 带偏斜问题，而且轴向偏斜使传动的稳定性降低，减小了带的使用寿命【l 州羽。 由于带式无级变速器的传动性能很接近于理想的恒功率特性，而恒功率正是汽车所需 要的，所以多年来一直吸引着众多科研人员不断探索新型车用带式无级变速器。下图1 1 是全球首款搭在2 o l j 罗 车上的日产新一代x - t r o n i cc v t 无级变速器，拥有充足的低速扭矩 和中高转速的平稳加速能力，并且燃油消耗较低。而金属带式无级变速器的核心部件如图 1 2 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 图1 1 无级变速器结构图图1 2 金属带式无级变速器核心部件 1 1 3 无级变速器的研究现状 当前，全世界各大汽车厂商为了提高产品的竞争力，都大力进行汽车金属带式无级变 速器的研发工作。金属带式c 的年产量已超过百万台，由此可见无级变速汽车是当今汽 车发展的主要趋势。无级变速传动具有常规变速传动无法比拟的优点，因此无级变速传动 比其它传动方式表现出更好的经济性和动力性。装备c v t 汽车的优点：良好燃油经济性及 顺畅的加速性能【1 3 1 。经过计算，每年1 0 0 万台装载c v t 车辆的c 0 2 减排效果相当于2 0 万台 混合动力车。证明c v t 在环保方面发挥着不可忽视的作用。 目前全世界有6 0 多种汽车品牌采用c v t 技术，而我国的c v t 变速器研发生产处于 起步阶段，国内约有八个专门研究机构、汽车生产厂家在研制c v t 。国内外对v 带式无级， 变速器的研究，重点是基于轴向变径的变速原理。研究现状如下： 目前投入使用的金属带式直母线锥盘无级变速器，其v 形摩擦片的侧边也是直线，这 样利于加工且能增大带与带轮的接触强度。但是该变速器的变速方式决定了，凡采用直母 线锥盘的c v t 在变速过程中金属带必定产生轴向偏斜，而且只有传动比i = 1 时金属带不 偏斜，在f 。和f 。；。时，带的轴向偏斜量最大。而现有的控制金属带偏斜的方法就是在传动 比i = 1 时给带预置一定的轴向偏斜量，可使最大偏斜量减至未调整时的5 0 - - , - , 6 0 1 1 1 。 无偏斜金属带式无级变速器的设计原则是：为消除变速过程中金属带的轴向偏斜，实 现无偏斜传动，必须保证其对称线始终垂直带轮轴线。因此，锥盘母线与摩擦片侧边必须 为一对共轭曲线，二者的设计是首先确定摩擦片侧边的形状，限定金属带在轴向作整体平 移，求出的满足带长恒定约束条件的共轭曲线就是锥盘母线。然而曲母线锥面存在如下问 题：锥盘与摩擦片之间必然出现角点接触，而且不能保证传动比连续变化；降低带轮的接 触强度，对于带轮上半径较小的工作面更为不利【l 4 1 。 2 0 0 4 年，重庆理工大学成功研制出了金属带式无级变速器的核心部件一金属带，至今 一直在对金属带式无级变速传动的传动特性和失效形式进行深入的试验研究。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 从主、从动轮轮径的变化方式的角度考虑，文献 1 5 】设计了新型c v t 动力传递机构， 它是通过一个可以沿轴向移动的楔型滑块，并在其轴上均匀分布一些推杆，通过楔型滑块 的轴向运动，推动推杆相对于径向移动，从而达到改变主、从动轮轮径的目的。该方案具 有一定的可行性，但是由于传动原理的限制，使变速器的尺寸严重偏大，在重量和布局上 还需要进一步的修改。而且传动机构的装配中还面临各部件的连接和运动干涉问题。不仅 传动比不能达到要求，而且设计的变速器不能按行车要求实现准确的变速传动。 文献 1 6 】介绍了两级传动剖分变径式无级变速器工作原理，并对该变速器带轮传动进 行运动特性分析，完成了变速器主要零部件结构的尺寸设计。建立各主要零件的三维模型 并进行了装配，分析了剖分变径式无级变速器的主要动力传递过程，并对主要传动零部件 进行力学分析和强度校核。而两级传动剖分变径式无级变速器的三维装配模型没有做零件 装配的干涉性检验，变速器控制系统还需进一步的完善，变速器的动力性能有待进一步的 研究与验证。 1 2 课题来源与意义 本课题源白湖北省机械传动与制造工程重点试验室基金项目，批号为：2 0 0 7 a 0 7 。课 题的主要研究目的是从剖分变径带式无级变速传动系统的传动机理及控制策略入手，进行 无级变速传动系统的建模及控制仿真研究，为研制开发适用于微型轿车的新型无级变速器 提供理论基础及控制策略。 国外成功开发的无级变速器，自上世纪9 0 年代开始推广以来，市场逐渐扩大，需求也 呈现上升趋势。尽管如此，金属带式c v t 变速系统仍存在的问题：成本高，金属带传递的 转矩能力有限、可靠性及寿命不够高，c v t 装置效率较低等。如果在小型轿车上装备该类 型c v t ，则会使整车成本增加较多。同发达国家的汽车工业相比，我国汽车工业与其还有 很大差距，特别是轿车领域尤为明显。而本课题研究的剖分变径带式c v t 的应用，不仅会 在一定程度上降低制造成本，同时具有良好的燃油经济性和动力性。 有关c v l 汽车匹配控制和起步控制的研究已经成为各大汽车厂商和汽车研究者们关 注和研究的热门课题。由于目前带式无级变速器控制系统较复杂而且价格高，若将该变 速器装于小型车上会增加整车成本，而小型车注重经济性和低成本，因此本文研究一种用 于小型车的剖分变径带式无级变速器。此变速器的速比变化采用机械控制方式，以提高整 车的操纵性、更好的发挥小型车的优势并占据更大的市场份额。本文进行的剖分变径带式 无级变速性能仿真课题的研究，目的是为研发适用于小型车的新型无级变速器做前期准 备。 1 3 本文所做的工作 本文对剖分变径带式无级变速传动系统的基本理论和控制策略进行探讨研究。通过建 立新型c 的理论模型，借助力学分析方法和摩擦原理，分析c v t 传动的基本特性；通 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 过仿真研究，对理论特性和参数进行验证和必要的修正；换挡规律及控制策略研究；将该 c v t 参数和整车动力参数进行匹配，并对c v t 的结构参数进行控制；整车动力参数的匹 配与仿真分析。 本文在于对一种新型剖分变径带轮c v t 传动系统的性能进行仿真，为新型剖分变径 带轮c v t 的开发提供理论依据。 本文按下面的说明进行结构安排： 第一章：首先阐明本论文的研究背景和现实意义；然后介绍t c v t 的研究现状和发展 趋势；最后对本论文即将开始的工作以及主要内容进行了说明。 第二章：本文的主体部分，主要分析了剖分变径式无级变速器的基本结构和特点，并 详细说明了其工作原理。建立了c v t 控制系统模型，并进行仿真分析。 第三章：根据发动机试验所得数据，分别建立了输出转矩数值模型、负荷特性、燃油 消耗模型，而且通过插值、拟合的办法绘出了发动机转速调节特性。 第四章：建立了整车仿真模型，对等速行驶、原地起步加速及变阻力工况进行仿真， 分析其动力性和经济性。 第五章：总结了本论文已经进行的工作、指出存在的问题并展望了对剖分变径c v t 进 一步研究的前景。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章剖分变径c v t 控制系统建模 在研发剖分变径带式c v t 控制系统、进行可靠控制并且建立正确的仿真模型之前，必 须先弄清楚剖分变径式无级变速器的结构及其工作原理。本课题研究的剖分变径带式c v t 的核心是其控制系统，目的是通过采用较经济的控制模式实现整车的低油耗行驶。 2 1 剖分变径带式c v t 的工作原理 剖分变径带式c v t 的基本原理：通过调整带传动的两带轮间直径来实现主、从动传 动轴速比的变化。传动带两端绕在分体带轮上，如图2 1 所示，通过调整杠杆以改变锥轮 的轴向位移，使分块在导向盘及锥轮上有不同的径向位置，保持调节带轮半径的连续变化。 当锥轮有靠近导向盘的趋势时，带轮分体径向膨胀，带轮工作直径变大；反之，当锥轮有 远离导向盘的趋势时，带轮分体径向收缩，带轮工作直径变小。这样，通过改变主、从带 轮的直径大小，达到无级变速的目的。 调速杠杆采用蜗轮蜗杆传动机构进行调节，设置合适的主、从动杠杆比，改变主、从 动锥轮的轴向移动，通过蜗轮蜗杆结构与杠杆机构实现主、从动锥轮的联动，实现精确的 无级调速。车辆起步时，主动带轮直径处于最小值，而从动带轮直径处于最大值，实现较 高的传动比，以传递更大的转矩。变速器的换挡控制系统控制c 传动比按发动机最佳 转速调节特性规律来调整，以保证在整个变速过程中实现车辆的平稳行驶，实现较高的燃 油经济性以及良好的汽车动力性【l8 1 。 图2 1 ( 曩) 剖分变径带式c v t 结构简图 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 b 蕊蠲 弱 鼯叫 a j 图2 1 ( b ) 剖分变径带式c v r 几何关系 1 主动轴： 2 主动导向盘；3 主动带轮；4 _ 主动锥轮；5 拔叉；6 调速轴承： 7 - 主拔又轴；8 - 主动轴承盖；9 调速杠杆；1 0 涡轮：1 1 蜗杆；1 2 电机：1 3 从 动锥轮；1 4 - 从动带轮；1 5 从动导向盘；1 6 从动轴；1 7 传动带；a 中心距： r i 一主动轮半径，r 2 从动轮半径。 通过设计杠杆的装配位置，使杠杆在装配后有一个初始的弹性变形，对带轮产生推力 以使传动带张紧。当张紧力因带长变化而变化时，杠杆的弹性变形也随之变化，从而对张 紧力进行补偿。 2 2c x r u 主要结构参数 假设主动剖分带轮与主动锥轮的等效质量m l ，从动剖分带轮和从动锥轮的等效质量 1 1 1 2 ，杠杆与主从动轴相连的两端长度分别为a 、b ，两段的刚度分别为k l 和l 【2 ，主、从动 锥轮运动的等效阻尼分别为c l 和c 2 ，杠杆转角为秒。剖分变径带式c v t 简化后的物理模 型如下图2 2 ： 屯卜毛鼍_ j 殳躯 j f ；轮鲥轷l 一 图2 2 削分变径带式c v t 物理模型 单个锥轮的质量聊：= 屹g 7 0 5 4 4 k g ，单个带轮的质量胁d - - y d g 2 4 5 9 9 k g ( 碳钢 的密度取7 5 9 c m 3 ) 。根据动能定理，可求出主动轮等效质量垅。： 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 三所d 订+ 丢m ：1 ，z 2 。三1 历，； ( 2 。) t a l l 口：堕 艺 由于结构设计的对称性，则主、从动轮等效质量朋。和m ：相同。 图2 2 中简化的直流电机模型，是由控制器输出的控制信号控制电机电流大小和方向， 即控制了扭矩的大小和方向，从而驱动蜗轮蜗杆运转，然后使杠杆在其所在平面内转动以 推动锥轮做轴向移动，进而改变剖分变径带轮的直径。 2 2 1 传动带的预紧力 金属带安装时的初始预紧力f o ，可由以下公式【1 9 】求解： 式中，瓦c 可靠传递的转矩； 一转矩储备系数； z 一一发动机最大输出转矩； 兄一最大有效拉力。 2 2 2 换挡执行机构参数 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 1 杠杆比 对于剖分变径带式无级变速器，采用杠杆、涡轮蜗杆机构替代传统的液压控制系统， 其速比调节是通过控制由杠杆转动引起锥轮的轴向位移，从而改变金属带在主、从动带轮 上的工作半径来实现的。 设任意时刻主、从动锥轮的轴向位移为她、缸，为防止自锁，主、从动锥轮都选择 相同的锥角，口= 3 3 6 9 。1 1 6 1 。无级变速器的传动比可由主、从动带轮上的工作直径，或叫 节圆直径确定，定义为： 瞎 z ， 1 一一2 f = 民 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 式中，d l 、d 2 分别为主、从动带轮的工作直径。 带传动的最大、最小速比为： k = 老k = 等 速比变化范围r c 定义为： 耻瓷 琵 对于结构紧凑的对称带轮则有： 疋= ( 老) 2 = 芒 s i l l a ：r 2 - g l 式中，r l 、r ：一主、从动带轮节圆半径； 名一主从动带轮包角差的1 2 ； 么一带传动中心距。 根据杠杆机构的几何关系，可求出杠杆比a b 的值： t a n 口：些：堡且t a n 秒：堕：堕口= - = 二且= j = 二 她血2 a b 式中，秒一主、从动锥轮产生轴向位移时，杠杆与垂线间的锐角： a 忍 = _ l b 欲2 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 中，瓮的值直接影响到传动带的预紧力，要保证预紧力不变，就要使带长l 在变速过程中始终保持不变，即a t = a r 。+ k a r ：= 0 。 根据带长公式【1 4 】： i l = 2 a c o s 2 + r l ( 万一2 2 ) + r 2 ( 万+ 2 名) s i i l 五：墅鱼 q 11 ) l彳 恐一r = 堕b = 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 jk 卸2 五( 2 1 2 ) i 氏= 刀+ 2 a , 综合以上公式可知，a b 与兄相关。由带轮尺寸参数可以求出名范围，从而得出口6 为 o 8 5 1 4 3 。以带长变化量最小为目标，通过计算得出主、从动带轮半径最佳变化范围为： r 1 - - 4 0 0 1 - 8 5 m m ，r 2 = 5 7 0 9 1 9 7 9 9 1 m m ；最佳传动比为0 6 7 1 6 6 - 2 4 4 9 2 ；最佳杠杆比 1 1 。需要指出的是，针对不同的车型，因传动系参数不同，所以最佳杠杆比不同。本文研 究的剖分变径带式c v t 主要参数参见表2 1 。 c 1 r 1 的主要技术参数表2 1 参数数值 中心距m m c v t 传动比范围 锥轮锥角口 主动轮半径r 。m m 范围 2 1 0 o 6 7 2 4 5 3 3 6 9 0 4 0 一8 5 从动轮半径r 2 m m 范围4 0 - 9 8 杠杆比为1 1 时，主、从动带轮尺寸与带长的关系，如图2 3 所示。从图中可以看出， 传动比在最大和最小值之间变化时，带长变化在3 左右。 豳 凛 s 钗 窖 一 盥 轻 i 勉 - t o 卜 ：l 刚 i 琶_ f ” | ￥ f 一 。f t 一 ， ： 一r 。? 强r h ， vi 。 _ 沙 1 一燹：叉漪! r 1 。r 2 最佳变化范围 图2 3 带轮尺寸和带长变化关系 2 杠杆刚度和转动惯量 杠杆的单位变形就是杠杆刚度。因此由预紧力、锥轮锥角和杠杆变形量即可以求解杠 杆刚度，公式如下： 以= j x t a l n a t ( 2 1 3 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 式中，吒杠杆刚度。 杠杆通过初始变形产生预紧力，而预紧力变化以后又通过杠杆变形来补偿。因此杠杆 允许的轴向变形量x 要有一定的变化范围，过小则没有足够的位移来补偿金属带的变形量， 过大则可能会造成运动干涉。 由杠杆的长度、质量和杠杆比，可以得出杠杆的转动惯量： 式中，一杠杆转动惯量； ，一杠杆尺寸； m g 杠杆质量。 j g = l + 1 2 a 1 一l 6 2 ( 孚+ 1 ) 6 2 3 剖分交径带式c v t 的控制系统建模与分析 2 3 1c v t 传动比控制目标的确定 ( 2 1 4 ) 无级变速的性能取决于两个因素：1 ) 变速器在不同工况下的目标传动比，即发动机与 变速器的传动比匹配规律。2 ) 待目标传动比确定以后，剩下的就是通过控制算法使传动 器的实际传动比精确地跟踪目标传动比的变化，实现无误差控制1 2 5 1 。因此必须建立无级变 速器的传动比控制策略，它是无级变速器控制的核心，决定着整车的燃油经济性和动力性。 无级变速汽车在行驶的过程中要求达到以下两个目标：1 ) 汽车行驶过程中合理控制 c v t 传动比，使发动机运转在最佳经济工作点，以提高汽车燃油经济性，减少有害气体排 放。2 ) 保证汽车燃油经济性的同时，采取合理的策略控制c v t 传动比，提高汽车的动力 性与行使平顺性。而无级变速汽车在节气门开度发生变化时，其燃油经济性和动力性存在 一定的矛盾，若要提高燃油经济性，则c v t 传动比必须能够快速跟随节气门发生相应的 变化，这会使汽车动力性变差。若要无级变速汽车实现以上两个目标，必须对c v t 传动 比控制规律作详尽的研究分析，而且只有充分考虑到各种工况的调节规律，才能充分发挥 c v t 无级变速的优势。无级变速传动在传动比变化范围内可实现连续变化，并能根据节气 门开度和汽车的行驶阻力自动达到最佳匹配【2 6 1 。 在常规无级变速器系统中，一般采用机液控制系统或电液控制系统。它主要由油泵、 液压调节阀、传感器和主、从工作轮的液压缸及油路组成，实现传动无级变速的调节。而 在本文剖分变径式无级变速器中，其中的控制部分采用了蜗轮蜗杆和电机来替代传统的液 压控制系统。采用杠杆作为变速执行元件，其传动比调节是通过控制因杠杆转动一定角度 而引起的轴向位移，从而改变金属带在主、从动带轮上的工作半径来实现的。该机械控制 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 方式可简化无级变速器的控制系统，对剖分变径带式c v t 的设计具有一定的指导意义。 将动力传动系统作为整体来考虑，研究发动机与变速器间的匹配，使汽车产生最佳的 动力性和经济性。本文研究的剖分变径带式c v t 的设计目标之一是：不论外界阻力是否变 化，c v t 都能快速改变传动比使发动机维持在最小燃油消耗率的工作点。简单说来，无级 变速传动系统的匹配问题是：如何调节动力传动系统的传动比，使发动机输出转速维持在 最佳工作点。研究无级变速传动系统的匹配策略是在发动机的试验数据和变速器基本性能 参数的基础上进行的。对于无级变速传动系统，由于传动比可以连续变化，使得汽车的行 驶条件与发动机相对独立。因此发动机可能的工作区间由无级变速器的传动比范围、发动 机的最低稳定转速和最高转速以及发动机的最大转矩确定。 从理论上来讲，发动机在运转过程中可以实现最佳燃油经济性控制，然而在实际工作 中，需要设定发动机最低稳定转速、最高转速以及发动机最大输出扭矩乏。这是为了防 止发动机因转速过低而造成熄火或者引起车体振动，同时也为了防止因转速过高而超过发 动机的最高转速【2 7 1 。与发动机燃油经济性匹配的原理一样，发动机动力性匹配是控制发动 机工作点在同样的边界内，只需改变的是工作点接近或者在动力性曲线上工作。 在汽车行驶过程中，当加速踏板的位置改变时，不管是经济性模式还是动力性模式下 的发动机目标转速都相应发生变化，从而导致目标传动比发生变化。由于此时目标传动比 不等于实际传动比，变速器e c u 会根据目标传动比与实际传动比的偏差，控制杠杆执行机 构的运动，使变速器的实际传动比和目标传动比尽量保持一致，此动态跟踪的设计是为了 汽车按驾驶员的意图行驶。 2 3 2 剖分变径带式c v t 模型 对于有级变速器变速而言，当节气门开度一定时，发动机转速的大小完全取决于行驶 阻力。而对于无级变速器来说，当节气门开度一定时，发动机转速不仅取决于行驶阻力的 大小，而且取决于c v t 所选定的传动比f 。本文以最佳动力性或者最佳经济性为约束条件， 用计算机计算最佳目标传动比，进而控制发动机运行状态。由图2 2 立n l j 分变径带式c v t 物理 模型可导出其数学模型： m l 戈l + ( 叠l x 3 ) c l + ( x l x 3 ) k l = 0 毫+ ( 岛一囊) c 2 + ( 恐一) 哎= 0 t 秒+ ( 岛一j 1 ) c l + ( b x 1 ) 七l 】木口+ 【( j 吃一- r 4 ) c 2 + ( 屯一x 4 ) k 2 木b + i g c 3 = 乙 工3 = a 宰t a n o = _ 6 幸t a n o 式中，一杠杆、涡轮蜗杆以及电机简化的等效转动惯量； ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 l 一作用在杠杆上的控制力矩。 轴向位移的方向：向左为正，向右为负。杠杆旋转方向：逆时针为正，顺时针为负。 c v t 传动比控制模式包括动力模式和经济模式，当踩下油门踏板并选定动力模式时， 就相当于确定了发动机的目标工作转速和目标传动比【2 o 】。由于p i d 控制器结构简单且易 整定，因此设计了p i d 控制器来控制c v t 传动比，以确保在不同的工况条件下实际传动比 都能及时准确的响应目标传动比。将速比变化率作为控制参数直接进行控制可以使系统的 瞬态特性易于控制【3 卜。4 1 。在剖分变径带式c v t 系统中，杠杆转角由电机转矩控制，实际传 动比作为负反馈传递到控制器，而控制器根据目标传动比和实际传动比的偏差，采用p i d 控制策略以控制电机转矩，从而控制杠杆执行机构，改变主动带轮的半径，实现传动比的 精确控制。 口- 除- 一u i 一 7 匕! 广 乡一 o o p 4 d 训 o 厂除。- 7 u 7 眵 7ill r , i t 。 7 e 夕卜7 。 p 图2 4p i d 模型 在p i d 控制中，p 为影响传动比变化快慢程度的比例控制参数。稳态工况下，p 值取决 于节气门开度和车速情况；瞬态工况下，p 不仅与以上两个参数有关，还与加速踏板变化 的快慢有关。d 为反映偏差信号变化速率的微分控制参数，并能在偏差信号值变得太大之 前在系统中引入一个有效的早期修正信号，以减少调节时间，d 影响c v t 传动比变化的超 调量。i 为积分控制参数，影响c v t 速比变化趋于稳定的速度，使速比变化沿着目标速比上 下振荡逼近【3 5 】。本文中的p l d 控制器，输入为传动比的差值，输出为电流数值。p i d 参数的 选择是在经验值的基础上，通过多次测试c v i 实际传动比与目标传动比的跟随效果综合整 定的。 综合以上讨论，在m a t l a b s i m u l i n k 里建立了c v t 仿真模型框图，以目标传动比作为输 入，考虑了杠杆比、杠杆刚度、阻尼、等效质量、电机输出转矩等因素，通过p i d 反馈控 制最后得出c v t 实际输出传动比，如图2 5 所示。 躐 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 杆 动 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 。| i - c = o 4 。f i c 暑o 8 l 一- c 1 。卜 i d a l a 4 。 ? | | l 鑫 鑫钆 ：o = ；p 一 时间( s ) 图2 6 阻尼对输出传动比的影响 图2 6 中的实线“d a t a 4 ”即表示等效阻尼c l = 0 8 ，c ：= l ，c 3 = 1 2 ，即图中的实线反映 了输出传动比能够很好的跟随目标传动比，单位阶跃响应的最大超调量较小，响应过渡过 程的调整时间较短( 不大于0 4 秒) ，振荡较小而且只有一次。这说明该无级变速器变速 时运转平稳，换档时间短，设计参数满足要求。 2 等效质量对输出传动比的影响