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西华大学硕士学位论文 摘要 无级变速器( c 0 n t i l m o u s l yv 撕a b l et r a n s n l i s s i o n ，c v t ) 是一种理想的自动变速器， 它可以实现速比的连续变化，使发动机工作在最佳的区域，能够显著地提高汽车的动力 性和燃油经济性。 金属带式c v t 是应用较多的一种无级变速器，其结构紧凑，性能优良，在我国具 有广阔的发展前景。电液控制系统是无级变速器控制的核心部分，在技术上我国和发达 国家还存在着很大的差距，本文围绕无级变速器的电液控制技术进行了深入的研究，本 文的主要内容有： l 、概括了无级变速器的发展史和研究情况，阐述了金属带式c v r 的结构和工作原 理。 2 、根据已有的发动机实验数据利用三次样条插值法建立了发动机输出转矩模型， 在此基础上确定发动机最佳动力性工作线。分析了液压系统的主要元件，并建立了其数 学模型。 3 、c 的控制技术主要包括离合器控制、速比控制和夹紧力控制。根据变速器的 结构特点，对金属带式c v t 进行了受力分析，得出了工作半径和速比之间的关系，给 出了速比和夹紧力的计算公式。针对c v t 速比和夹紧力控制，分别设计了相应的p d 控制器，实现了对速比和夹紧力的控制。 4 、利用舢旺s i n l 软件建立了无级变速器的液压系统模型和整车动力传动系统模型。 对汽车不同的行驶工况进行了仿真，仿真结果表明c 速比和夹紧力控制策略及相关 控制算法是合理且有效可行的。 关键词：无级变速器；液压控制系统；p i d 控制；建模；仿真 c v t 液压控制系统建模与仿真 a b s t r a c t c o n t i n u o u s l vv a r i a b l et 珊1 s i i l i s s i o ni sa ni d e a la u t o m a t i c 廿a n s m i s s i o nf 1 0 rv e l l i c l e s t h e 蜘酉n ec 锄w o r k i l lm eb e s t 叩e r a t i n ga r e ab yc h 觚g i i i gt l l es p e c dr a t i oc o n t i i m o u s l y t h em e l e c o n o m ya n dd y n a l m cp e r f 0 n i l 锄c ec 锄b e 揶r o v e d t h em e t a lp u s l l i i l gv - b e hc v ri so 北o ft l l ew i d e l yu s e dc v t sc l l 嬲l t l y nh a s a d v a m a g e so fg o o dp e r f o m a n c ea n ds i m p l es t l l j c t u r e a n dn l ec v t h 弱ab r i g h td e v e l o p m e m p r o s p e c t si no u rc o u n n y n l ee l e c 臼1 0 - h 删i cc o n _ 臼r o ls y s t e mi s0 n e c o r ep a no fc v t t h e r e i sab i gg a pb e 帆e 饥c l l i i l aa n dd e v e l o p c dc o u i l t r i e so nc 、厂rt e c h n o l o g y t 【l i sa n i c l eh 觞m a d e ar e s e a r c ho nt 1 1 ee l c c 仃d - h y ( h a u l i cc o r l 仃o l t e c h n o l o g yo fc v t t h em a i nc 0 n t 锄t sa r e 舔 f o l l o w s t l h ec v t sd e v e l o ph i s t o 珂粕dr e s e a r c hs i t u a t i o na 他d i s c u s s e di nt h i sa n i c l e t h e s 咖魄玳觚dw o 妇g 两n c i p l e0 fm 咖lp u 蛳n gv - b e hc v t 甜ea l s ob e 锄i n t r o “c c d t h e 饥g i i l eo u l 事i u tt o r q i u em o d e lh 弱b e 朗e s t a b l i s h e db yc u b i cs p l i n ei i i t e 印o l a t i o nb 勰e d 蚰m ee x p e r i m 咖l 加o f g i i l e j 6 m dt l l 既t h eo p t i i i l a ld y n 删c 叩e r a t h l gl i l l eh 硒b e 饥9 0 t t h em a i nc o r r l p o n e n t so ft t l e h y d 期u l i cc o n n 0 ls y s t 锄h a v eb e e na n a j y z e da n dn l e m a m 锄a t i c a lm o d e lo fm e s ec o m p o n c l l t sh 弱b e e nb u i i t t h ec o n n o lo fm ec v ri r i c l u d 髓t h ec h n c hc o r l 勺r o l ，t h es p e e dr 撕oc o n n o l 锄dn l e c l 锄p i n gf 0 r c ec 0 n 仃0 1 t h ec l 锄p i n gf o r c e 锄ds p e e dr a t i oc a l c u l a t i n gf 0 肋u l ah a v eb e d b 妇e db 雒e do n 廿l ef 0 “跫a n a l y s i so fc v ta n dt l l er e l a t i o n s i l i pb 娟) l ，e e nw o f l 【h l gr a d i u s 锄d s p e c dr a t i or e s p e c t i v e l y 眦ga tm ec o n n d lo fs p e c dr a t i o 锄dc l 锄p i n gf b r c e ，t l l es p e e d 洲o c o n 仃o l l e fa n dc l a n i p i n gf b r c ec ) 1 1 n 0 u e rw e r ed e s i 鲫e d t h em o d e l so ft l l eh y i 栅l i cc 0 n t r o ls y s t 锄锄dv 枷c l ep o w 潮j ns y s t 锄h a v eb e e n e s t a b l i s h e db ya m 匣s i 】咀t h ec 0 n 仃1 0 le f 艳c t si 1 1m ed i f r e r 朗t ( 1 r i v 访gm o d e sh a v eb e e nv e r i f i e d t 1 1 1 o u g hs i i n u l a t i o ne x p 缸m e n t s t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt l l a tt h ec o n t r o ls 舰t e 星a n d a l g 耐岫so fm es p e e dr a t i o 锄dc l a m p i l l gf 0 r c ea 他e f f e c t i v e 锄da p p l i c a b l e k e y w o r d s ：c ：、厂r ；h y d r a u i i cc o n t r o ls y s t e m ；p i dc o n t r o i ；m 0 d e i i n g ；s i n l u i a t i o n 西华大学硕士学位论文 1绪论 经过1 0 0 多年的发展，汽车己成为目前最重要的、数量最多、最普及、活动范围最 广泛、运输量最大的交通工具【l 】。随着人们对汽车变速系统的方便性、动力性、经济性 及环保等要求的不断增加和传动、电子及自动控制技术的发展，汽车变速器操纵实现了 电子化、自动化。1 9 3 9 年第一台液力机械式自动变速器在美国g m 公司诞生以来，自 动变速器到已经有7 0 多年的历史。在此期间经历了多次的变革，目前汽车上使用较多 的自动变速器有液力机械式自动变速器( a u t o m a t e dt r 删s s i o n ，a t ) 、电控机械式 自动变速器( a u t o m a t e dm 姐u a lt h n s m i s s i o n ，a m t ) 、双离合器自动变速器( d o u b l e c l u t c ht r a 璐“s s i o n ，d c t ) 和无级变速器( c o n t i r n l o u s l yv 撕a b l et 阳n s m i s s i o n ，c ) 刍猷2 】 寸o a t 是目前国内外使用最多的自动变速器，它的优点在于舒适性好、起步平稳以及 对转矩变化的适应能力强。传统a t 挡位较少，经济性不佳，目前国外已经生产9 挡 a t ，使得它的经济性有了很大的提高。国内a t 的主要研究方向是在如何提高汽车性能、 传动效率和换挡品质上【3 1 。 a m t 是由传统手动变速器改进而来的，其结构简单、生产成本低、传动效率高、 与传统手动变速器有很好的继承性，在过去的时间里得到了很大的发展。a m r 也存在 着缺点，在换挡过程中容易产生动力中断以及较大的换挡冲击，使得其舒适性差。a h 仃 在国内处于产品化阶段。 d c t 继承了手动变速器高效率的优点，d c t 换挡过程中是两个离合器轮流工作， 避免了换挡导致的动力中断，换挡品质达到了a t 水平。d c t 具有较大的技术难度，是 目前各国研究的热点，国内对d c t 的研究正处于起步阶段，主要研究工作集中在系统 建模、控制策略仿真和样机制作方面。 c v t 可以实现速比的连续变化，使发动机能一直工作在最佳工作线上，理论上可以 获得理想的发动机特性，是理想的传动装置。但因c 可传递转矩容量限制，无级变 速器主要应用在中小排量的汽车上。目前汽车上应用的比较多的是金属带式c v t 和金 属链式c 。国内多所高校和企业对c v t 进行了研究并取得了一系列的成果【4 1 。 目前汽车上使用最为广泛的是活塞式内燃机，活塞式内燃机的外特性远不如活塞式 蒸汽机和等功率发动机，等功率发动机的特性曲线为最理想的发动机特性。但活塞式内 燃机的体积小、重量轻、价格便宜且燃料获得方便，使人们更愿意去使用它，也是最适 合汽车使用的发动机。活塞式内燃机配备有高传动效率的无级变速器可以克服发动机特 c 、厂r 液压控制系统建模与仿真 性曲线的缺陷使汽车具有和等功率发动机一样的驱动功率，充分发挥活塞式内燃机的 功率，大大地改善汽车的动力性【i 】。 无级变速器能够充分发挥发动机的特性，提高汽车的动力性和经济性。无级变速传 动是一种理想的传动方式，自汽车诞生以来一直是人们追求的目标【5 1 。研究无级变速器 的关键技术是改善汽车动力性、经济性和减少排放的重要手段，同时在我国也有非常广 阔的市场。 1 1c v t 的发展和现状 c v t 的设计和开发要早于a t ，l8 8 6 年德国d 缸衙b e n z 公司已将摩擦式无级变速 器安装在汽车上，它是靠皮革或纤维制作而成的圆盘和金属圆盘摩擦力来工作的，但其 使用寿命短，但是其原理成为后来的金属带式c v t 提供了理论基础。1 9 3 0 年在j 垴t i i l s 奴t e 车上装备了牵引式c v t ，1 9 5 8 年，荷兰达夫( d a f ) 公司开发名为v 撕0 m a t i c 的 双v 型橡胶带式c v r ，经过多次改进后装于d a f 公司研制的d 碉b d i l 轿车上，但橡胶 带式无级变速器存在着很多的问题，最终没有被汽车企业所接受。2 0 世纪6 0 年代后期， d a f 公司的h v 锄d o o m e 博士研究出金属带式c 。它解决了橡胶带式c v t 存在的 问题。此后，c v t 研究的主要问题集中到c v t 的控制和转矩传递能力的问题上，c 的控制技术成为c v t 的核心技术。早期的c v t 控制系统采用的纯液压控制系统，但纯 液压控制系统的控制效果不是很理想，直到8 0 年代电子控制技术和c v t 相结合，使得 c 得到了飞速的发展。 1 9 8 7 年，日本富士重工( f u j ih e a v yi i l d i i s t r i 懿l t d ，阳i ) 购买了v d t 公司的金属 带，生产了电控金属带式无级变速器e c ，并将其安装在s u b a 九lj u 晰轿车上，它采 用了电磁离合器作为起步装置，实现了起步离合器的电子控制，它的夹紧力和换挡控制 仍采用液压控制。在其后推出的e c v r 2 上实现了夹紧力和速比的电子控制，e c v r 2 被 成功装载于s u b a mv i v i o 轿车上。 2 0 世纪9 0 年代各大公司都致力于提高c 传递转矩的能力，1 9 9 2 年日本铃木公 司开发了湿式离合器、夹紧力和换挡都采用电子控制单元的全电控c v t ，并成功装车于 1 3 l s 删轿车上，称为s c v t 。1 9 9 5 年，日本本田公司开发了新一代金属带式c v t 即h o n d am u l t im a t i c ，它与s c v t 一样也实现了离合器、夹紧力和换挡的全电子控制， 但它将起步离合器安装在从动轴上，这就实现了刹车时能够回到最低挡，而且能够有效 的保护金属带。1 9 9 7 年，日本日产公司开发了能够使用在2 o l 汽车上的c w 6 7 】。与此 同时，欧美的很多企业也在致力于c v t 的开发，在s u b a n l 之后f 0 一、f i a t 也将v d t - 一 2 西华大学硕士学位论文 c 装备在轿车上，德国z f 公司一直从事c v t 的研发，先后开发了用于轿车的 剐粥1 5 、z f c f t l 3 、z f c f t l 8 、z f c f r 2 0 、z f c 订2 5 等。1 9 9 9 年德国奥迪公司联合l u k 公司和t e 面c 公司开发了m u l t i 仃0 i l i c ，并把它装在了奥迪a 6 a 4 和保时捷跑车上【8 1 。 目前，全世界各大汽车厂商都在大力进行c v t 的研发工作。现在n i s s a n 、 t o y 0 1 a 、f o r d 、g m 、a u d i 等汽车品牌都配备了c v t 变速器。c v t 的核心厂商有 b o s c h ，l u l 【和z f 三家，德国b o s c h ) t 公司是c v t 钢带技术的开发公司和全球c 钢带制造的垄断性公司。德国l u l ( 公司是a u d i 公司a 4 、a 6 和a 8 轿车m u l t i 仃o i l i cc v t 核心部件的主要供应商。德国z f 公司c v t 有3 个系列：v t l 、c f r 2 3 和c f r 3 0 ，其中 l 和c f l 2 3 是带式传动的，c f r 3 0 是链式传动的。 国内也有学校和企业致力于c v t 的开发和产业化，湖南江麓容大车辆传动有限公 司主要从事轿车无级变速器的研发、生产、销售和技术服务。一期5 万台生产线已经建 成。2 0 0 9 年，首批c v t 正式上市，现已拥有力帆5 2 0 c v t 、力帆6 2 0 c v t 、众泰5 0 0 8 c 、 众泰2 0 0 8 等车型上市销售。奇瑞汽车公司从事c v t 的产业化，2 0 1 0 年，该公司的c v t 生产线已经投产，年产5 万台具有自主知识产权的无级变速器【9 1 i 】。 1 2 c v t 的发展趋势 与有级式自动变速器相比，c 具有以下优势： ( 1 ) 无级变速器能够充分发挥发动机的特性，使得汽车具有较好的动力性和燃油经 济性。 ( 2 ) 随着c v t 技术的不断发展，c v t 的传动效率不断的提高，有实验表明c v t 的 传动效率显著高于a t ，但略低于m t ，但c v t 在传动效率方面还有很大的改善空间。 ( 3 ) c v t 采用电子控制，操作简单，能够减少驾驶员在驾驶过程中的疲劳程度。c v t 能够连续的改变速比，不需要变换挡位，不存在换挡冲击，提高了乘坐的舒适性。 ( 4 ) 无级变速器使发动机工作在稳定的工况下，能够在提高燃油经济性的同时减小 了有害气体的排放。 ( 5 ) c v t 的结构简单，零件数量少于其他的变速器，当c v t 实现量产后，其生产成 本将远低于其他变速别1 2 1 。 a 厂r 液压控制系统建模与仿真 随着人们对汽车性能要求的不断提高及电子、材料和控制理论的不断发展，c v t 将有以下几个发展趋势： ( 1 ) 结构更加紧凑。改进液压系统，减小c 的体积使其能够更好的适应更多的 车型；节约成本，提高汽车综合性能。 ( 2 ) 提高速比和转矩容量。较大的速比可以进一步提高c 与发动机的匹配，改 善整车的经济性和动力性。当c v t 传动的转矩扩大到6 0 0 砌，可以覆盖绝大部分汽油 机和柴油机汽车。 ( 3 ) 控制系统改进。通过改进控制策略实现更优良的性能。将先进的控制方法应 用于c 、，t 的离合器、速比、夹紧力的控制以降低能量损失，提高燃油经济性和动力性。 将发动机和c 集成控制，可以使油耗、成本和排放进一步降低。 ( 4 ) 应用领域扩展。如将c v t 应用于混合动力汽车上。混合动力汽车通过控制发 动机工作在经济区域，电机工作在高效率区域，使汽车的燃油经济性得到提升。如果在 发动机工作区间，利用c v t 和发动机匹配，使其工作在最佳曲线上，可以进一步提高 混合动力汽车的燃油经济性。 ( 5 ) 新型c v t 研发。如锥环式无级变速器( 壬恕好) 和曲柄式c v t 。目前k r g 在 国外已经装车，l 强吣样机变速箱的传动效率可以接近9 0 ，其结构和生产成本较传统 变速器有很大的优势【j 3 1 。 1 3 金属带式c v t 简介 1 3 1 基本组成及工作原理 金属带式c 结构如图1 1 ( a ) 所示，主要由离合器、行星齿轮机构，变速机构、 液压控制系统以及主减速器等组成。在c v t 工作的过程中主、从动轮的可动部分受挤 压，使得锥面和金属带之间产生摩擦力，金属带式c v t 就是靠这个摩擦力来传递转矩 的。可动部分轴向移动使工作轮的有效半径发生连续的改变，从而实现速比的连续变化， 实现了无级变速。 西华大学硕士学位论文 ( a )( b ) 卜| l 轮2 一离台器及行星齿轮机构3 、6 一主、从动轮油缸4 、7 一主、从动轮可动部分 4 a 、7 a 一主、从动轮吲定部分5 一油泵8 一中间减速器9 一主减速器和差速器1 0 金属带 图1 1无级变速器结构图及其核心零件 f i g 1 1 t h es t n l c t u r ea n dc o r ep a n so f c 金属带式无级变速器的核心部件是由主、从动带轮和金属带组成的传动系统，如图 1 1 ( b ) 所示。主、从动带轮都是由一个固定在轴上的锥盘和一个轴向可移动的锥盘组 成，可动锥盘的轴向运动是通过液压缸的动作来实现的，两个锥盘构成了v 型槽。由数 百片厚度约为1 8 m m 的v 型摩擦片和2 组嵌在摩擦片鞍面上的金属钢带环组成的传动 带放置在v 型槽内，每组金属钢带环由9 1 2 片厚度为0 1 8 m m 的钢带环叠加在一起组 合而成。摩擦片的丰要作用是传递转矩，钢带环的主要作用是承担金属带中的张力和引 导金属摩擦片运动。c v t 动力传递路线为：发动机一输入轴一起步离合器一换挡机构一主动 带轮轴一主动带轮一金属带一从动带轮一从动带轮轴一减速齿轮一中间减速齿轮总成一主减速 器一差速器一半轴。 在汽车行驶过程中，控制单元根据测得节气门开度、车速等信息和存储在控制单元 中的目标速比图、夹紧力图等数据发出控制指令，通过电液控制系统来调节主、从动带 轮的位移和压力。控制从动带轮液压缸的压力是为了控制金属带夹紧力以保证动力的可 靠传递。控制主动带轮液压缸体积的变化是为了控制主动带轮的轴向位移间接地控制速 a 厂r 液压控制系统建模与仿真 比变化，因为金属带的长度是不变的，当主动带轮的可动部分轴向内移动时，v 型槽的 特殊结构使得摩擦片沿着带轮径向移动，从而使得主、从动轮的有效半径发生改变，实 现无级变速。( 图1 2 ) i = li 1 j 金属带传动与v 型橡胶带的传动机理不同，v 型橡胶带主要是靠拉力来传递转矩的， 传递转矩的大小随着有效包角的增大而增大。金属带传递转矩主要是靠摩擦片之间的推 力和钢带环的张力来传递转矩的。在传动过程中，钢带环和摩擦片、摩擦片和带轮之间 存在摩擦力，在这些摩擦力的作用下将主动带轮输入的转矩转变为摩擦片之间的推力。 在主动带轮上摩擦片之间的推力由入口至出口出逐渐增大，从动轮上摩擦片之间的推力 与主动轮相反，由入口至出口处逐渐减小【l 6 j 。 1 3 2 速比和速比变化范围 如图1 3 所示，摩擦片的摆棱和带轮锥盘是连续接触的。因为摩擦片很薄，与带轮 接触的摆棱连线近似于圆弧。主、从动带轮的节圆半径分别为q 和足，变速器的速比 ，= 6 西华大学硕士学位论文 图1 3 带轮、金属带和摩擦片之间的位置关系 f i g 1 3 n e p o s i t i o nr e l a t i o no f p u l l e y ，m e t a lb e l t 锄d 伍嘶 最大速比和最小速比是影响汽车性能的重要指标，最大传动比影响汽车的加速性能 和爬坡能力，在一定程度上增加汽车传动比有利于增加汽车的动力性。最小传动比与汽 车的最高车速有关，较小的传动比有利于降低燃油消耗量。 c v t 的最大和最小速比分别为 k = r 邮尺p 曲 ( 1 - 2 ) k = 置曲j r p ( 1 - 3 ) 式中，r p 蛐，月p 曲，r 一，足血分别为主、从动带轮的最大、最小节圆半径。 最大速比和最小速比的取值取决于系统的结构，本文选取的c v t 速比为o 5 2 5 。 速比变化范围r 指的是变速器最大速比与最小速比的比值，即： 咒= k k = r 一幸r p 一( 尺p 曲幸r 晌) ( 2 4 ) 1 3 3 液压控制系统 无级变速机构是无级变速器的核心部分，它主要是靠液压控制系统来实现其功能 的。早期的无级变速器液压控制系统主要采用的是机液控制方式，如图1 4 所示。主要 由液压泵、速比控制阀、夹紧力控制阀、起步离合器和倒挡离合器组成。后来随着电子 技术的发展和人们对汽车性能要求的不断提高，机液控制系统逐渐被电子液压控制系 统所取代。图1 5 为电液控制系统的简图，它主要由液压泵，夹紧力控制阀( 比例溢流 阀) ，速比控制阀( 电磁换向阀) 电子控制单元组成。电液控制系统对速比和夹紧力 的控制速度上明显优于机液控制系统，这样能够更好的发挥发动机的工作特性，在采 用电液控制系统后能够减低不必要的功率损失和提高工作效率i r 7 1 剐。 a ，t 液压控制系统建模与仿真 澎1 耀越 息蟪 l 埝避 f 轮位f 传i 墨 ，主动轮抽t i 从毒轮油缸 推力式盒l 带 图1 4 机一液控制系统结构图 f i g 1 4 1 1 1 es 仃u c t u r ed i a g r a mo fm e c h a l l i c a l - h y d r a u l i cc o n 仃o ls y s t e i i l 发 桦 制 速 比 笠制罔 图1 5电液控制系统结构简图 f i g 1 5 1 1 1 es 咖c n ed i a g 舢o fe l c c 廿0 - h y 山锄1 i cc o n 仃o ls y s t 锄 1 4 研究背景及意义 目前在我国的自动变速器市场上a t 占据主导地位，d c t 和a m t 也占有一定的市 场，随着无级变速传动技术的不断发展，无级变速器的优势越来越明显。金属带式无级 变速器是集各学科技术于一体的理想变速器，国内许多高校和企业都在对c v t 进行广 泛的研究，中国齿轮协会已经制定了自动变速器产业的发展思路即“优先发展c 、 a m t ，适时发展d c t ，适当发展a t ”目前国内已经有许多家企业实现了c v t 的产业 化。但自主生产的c 液压控制系统主要是仿真国外的同类产品。国内对无级变速器 的结构、力学分析、传动效率等的研究已经有了很大的进展，但在控制系统的控制策略 西华大学硕士学位论文 和实验仿真的研究比较少，所以对c v t 的控制系统进行研究，对c v t 技术的发展有重 要的意义。 1 5 本文的主要研究内容 本文在阅读大量专业文献的基础上，围绕金属带式无级变速器电液控制系统进行研 究。主要研究内容包括以下几点： ( 1 ) 调查研究了c v t 的发展历史以及研究现状，介绍了金属带式无级变速器的工 作原理。 ( 2 ) 无级变速系统建模。在发动机台架实验数据的基础上建立发动机转矩输出模 型，根据所建立的模型分析了c v t 的转速调速特性，得到发动机的最佳工作曲线。建 立传动系统、整车的数学模型，对液压系统进行分析并建立其模型。 ( 3 ) 根据金属带式c 的结构特点对摩擦片、金属带、带轮进行了分析，得到了 它们之间的相互关系，确定了控制过程中的目标量。根据理论分析得到的结果，建立速 比、夹紧力控制系统模型同时建立相应的控制算法，实现对速比和夹紧力的控制。 ( 4 ) 利用蝴e s i m 建立c 传动系统仿真模型，并完成对汽车起步、加速、减 速等工况的仿真。 9 a 厂r 液压控制系统建模与仿真 2 c v t 系统模型建立 装有金属带式c v t 的汽车动力传动系统主要由发动机、离合器、以及无级变速装 置等组成。为了研究c 订的特性必须建立各个部件和整车的模型，本章主要针对发动 机以及液压控制系统的关键部件和整车建立其数学模型，为实现c 的控制和仿真奠 定基础【1 9 】。 2 1c v t 动力传动系统动力学模型 2 1 1 发动机模型 发动机是一个复杂的系统，它的工作过程受到很多不可控等因素的影响，很难采用 理论模型对发动机特性进行准确的描述。因此，建立发动机模型最常用的方法是通过对 发动机稳态实验下得到的数据进行后处理，得到发动机输出转矩与节气门开度和发动机 转速之间的关系，常用的方法有多项式拟合、多次样条插值以及神经网络拟合等2 0 1 。 2 1 1 1发动机转矩输出模型 本文依据某型发动机台架试验获得的稳态转矩实验数据( 如表2 1 所示) ，建立发 动机输出转矩模型。表2 1 给出了在不同的节气门开度和转速下对应的稳态发动机输出 转矩，其中，刀。表示发动机转速( ，m i n ) ；口表示节气门开度。 l o 西华大学硕士学位论文 表2 1 发动机稳态转矩实验数据 t a b 2 1t e s t d a t ao fe n g i n es t a b l et o r q u ec h a r a c t e r is ti c s 1 2 2 2 2 9 3 8 4 7 5 7 6 7 8 0 j | 6l o o 1 2 0 05 07 6 7 9 3 6 9 9 81 0 4 41 0 8 91 0 8 91 0 8 91 1 8 7 16 0 0 2 8 45 7 1 8 4 9 1 0 2 9 1 11 61 2 0 41 2 5 6 1 2 5 6 1 3 1 6 2 0 0 03 8 76 7 69 4 41 0 8 91 2 2 41 2 9 31 3 1 11 3 7 8 2 4 0 02 6 75 1 18 1 11 0 0 41 2 01 2 9 11 3 1 11 4 2 4 2 8 0 0 4 0 7 09 1 11 1 5 81 3 1 31 3 8 71 4 8 9 3 2 0 0 2 8 4 5 7 38 2 71 1 01 3 1 11 3 7 81 5 0 7 3 6 0 0 2 0 2 4 7 87 2 21 0 1 11 2 8 91 3 5 61 4 5 6 4 0 0 03 7 36 1 19 2 91 2 4 41 3 3 11 3 7 8 4 4 0 03 5 15 8 99 1 61 2 4 41 3 2 21 4 0 4 8 0 02 3 34 7 87 9 61 18 91 2 8 91 4 0 4 5 2 0 04 06 9 61 0 8 41 2 1 31 3 0 分别针对不同的节气门开度，利用三次样条插值的方法对实验数据进行插值以得到 发动机任意转速下的输出转矩，建立发动机转矩输出模型。采用三次样条插值可以使得 插值结果更加接近于实验数据。 图2 1 为采用三次样条插值得到的发动机稳态输出转矩模型。 节气门开屡 “ 1 0 l = i c _ 发刁j 机 圭边，1 ”、 图2 1 发动机输出转矩 f i g 2 1 t h eo u t p u tt o r q u eo fe n g i n e 卯 卯 0 锄 (w弓瞍浆丑孵馓嚣暴辱蝌 a 厂r 液压控制系统建模与仿真 发动机大部分时间都工作在非稳定工况下，在动态工况下，由于发动机混合气浓度 的变化，使得发动机的实际输出转矩与稳态时有很大的不同，所以建立发动机动态转矩 输出模型才对研究有实际意义。发动机动态输出转矩模型可通过对稳态模型加以修正而 得到，其修正公式为【2 l 】 t d = 互( 1 一肌嗥m ) ( 2 1 ) 式中，z d 发动机动态输出转矩( 掰) t ，发动机稳态输出转矩( 聊) 发动机转动角速度( 朋d s ) a 转矩下降系数( o 0 8 ) 2 1 1 2c v t 转速调节特性 c v t 转速调节特性是指需求特性的功率值在需求特性场上变化时，独立调节传动装 置的速比，使发动机转速维持在一个理想值以获得某项性能最佳【2 2 】。无级变速器是考虑 其最佳动力性和最佳经济性，本文只研究最佳动力性。为获得最佳动力性，在不同节气 门开度下，发动机应一直工作在该节气门开度下最大功率对应的转速下。节气门开度和 对应的发动机最大功率转速之间的关系曲线就构成了最佳动力性工作线。 图2 2 为节气门开度8 0 的发动机功率特性曲线，当发动机转速为4 5 0 0 ，m i i l 时的 功率最大，该点即为节气门开度为8 0 时所对应的最佳动力性工作点。 发动机垮遗i r ，m - ) 图2 2 节气门开度8 0 时的功率 f i g 2 2 n e p o w 盯o f 8 0 t h i 训c 1 2 西华大学硕士学位论文 以节气门开度为横坐标、最佳动力性工作点所对应的发动机转速为纵坐标，绘制曲 线，即可得到最佳动力性工作线( 如图2 3 所示) 。 图2 3 最佳动力性工作线 f i g 2 3t h e 叩e m t i l i n eo f 叩t i m a ld ) r i l 锄i cp e 雨咖觚 2 1 2 传动系统模型 c v t 传动系统由离合器、无级变速器、减速器和半轴组成，其传动简图如图2 4 所 示【2 6 】： 图2 4c v t 传动系统 f i g 2 4n c 仃姐锄i s s i o ns y s t 锄o fc v t 1 3 c 、厂r 液压控制系统建模与仿真 由图2 6 可建立c 传动系统动力学方程 吃= 乏一乃 ( 2 - 2 ) 吃= z 一乃 ( 2 - 3 ) 以血= 乃一乃乇 ( 2 4 ) 以啦= 乃一c ( 2 5 ) 乃= 0 i d 乏 ( 2 6 ) l d2 ，z 州删z o c l 2 o j 面p = 协喀+ q 叱出 ( 2 - 7 ) 式中： 死发动机输出转矩( 加) ； 乙、互c 主、从动轮上的转矩( 朋) ： 乃驱动轴转矩( 肌) ； z 汽车外加阻力转矩( m ) ： c v t 输入端转动惯量( 堙朋2 ) ； 以c v t 输出端转动惯量( 堙朋2 ) ； 以整车及车轮在汽车驱动轴上的等效转动惯量( 堙m 2 ) ； 、q 主、从动轮的转动角速度( 吆) ； 0 c v t 速比： 站汽车主减速比。 2 1 3 整车纵向动力学模型 汽车在行驶过程中必须克服来自地面的滚动阻力b 、来自空气的阻力e 以及坡道 阻力f 和加速阻力f 矧。汽车的行驶方程为 f = 至亭盈= 乃+ e + 鼻+ = 嘭c o s 口+ 专等手+ 哟s i n 口+ 艿m 警( 2 8 ) 式中：仍传动效率 r 车轮半径 胍汽车质量( 培) 。 厂车轮滚动阻力系数： g 空气阻力系数： 1 4 西华大学硕士学位论文 彳迎风面积( 聊2 ) ； 口路面坡度角 皇行驶加速度( 朋s ：) ； 出 艿汽车旋转质量换算系数。 2 2 液压系统模型 液压系统是金属带式c v t 的重要组成部分之一，速比调节、夹紧力控制、离合器 控制、换挡控制、以及润滑和冷却都要依靠其实现。早期使用的液压系统是机一液控制 系统，随着电子技术的发展以及人们对汽车的使用要求的不断提高，现在所使用的都是 电液控制系统。 无级变速器的液压系统工作原理如图2 5 所示，夹紧力控制的实现主要是通过改变 从动轮液压缸压力来实现的，液压油从油泵出来以后经过夹紧力控制阀( 比例溢流阀) 的调压后进入系统，同时作为从动轮的控制油压，其油路为图2 5 中蓝色部分；主油路 油液经过速比控制阀后形成主动轮的控制油压作用在主动轮液压缸上，其油路如图2 5 黄色部分：系统压力经过减压阀、换向阀、开关阀、倒挡阀等构成了换挡机构的控制油 路( 红色) ；还有就是润滑、冷却系统( 绿色) 。 图2 5c v t 液压系统简图 f i g 2 5 1 1 h es 仃u c n 聪d i a 舯啪o f h y d m u l i cs y s t 锄f o rc v t 1 5 a ，t 液压控制系统建模与仿真 本文无级变速器液压控制系统为电液比例控制系统，夹紧力控制阀采用比例溢流 阀，比例溢流阀在系统中的主要作用是调节从动轮的压力以保证转矩的可靠传递，同时 调整个系统主油路的压力。速比控制阀采用电磁换向阀。速比控制采用闭环控制，以液 压缸位置为反馈对象，电控单元根据发动机目标转速和汽车的实际运行情况计算出目标 速比，再由相应的表格查找出对应的主动带轮位移，同时与主动带轮位置传感器的输入 信号进行比较，根据差值再通过一定的算法给出控制量，调节速比控制阀的流量，以控 制主动轮的轴向移动，改变主、从动带轮的带轮半径，从而改变实际速比，直到实际速 比达到目标速比。此外，电控单元根据汽车行驶情况计算出目标夹紧力，换算成从动轮 液压缸所需要的夹紧力，将由压力传感器传递过来的压力与目标压力进行比较，利用他 们的差值并经过一定的控制算法后输出控制信号作用在夹紧力控制阀上，改变夹紧力的 大小，实现目标夹紧力的跟踪。 2 2 1夹紧力控制阀模型 夹紧力控制采用的比例溢流阀由比例电磁铁和溢流阀两部分组成，比例电磁铁是电 液比例控制元件，其功能是将比例控制放大器输出的电信号转换成力或位移。它具有 推力大、结构简单、抗污染能力强、维修方便、低成本等优点【2 4 1 。 在工作区域内，电磁输出力保持恒定，与位移无关。也就是相对于衔铁位移的比例 电磁铁电磁输出力的曲线是水平的。但在整个行程范围内控制特性并不是全都水平的， 只有在特定的工作区段里才是，如图2 6 所示，在i 、i i i 区比例电磁铁都不具有水平位 移特性，可以在结构上限制其位移得到想要的部分。 23 1 、推杆2 、工作气隙3 、非t 作气隙 4 、衔铁5 、轴承环6 、隔磁环 7 、导套8 、限位片 l 比例电磁铁2 、普通电磁铁 图2 6 比例电磁铁结构及工作特性 f i g 2 6t h es 们l c t l l 托a n dw o 出n gc h a 托c t e r i s d c so f p l q 删o n 址e l 。c 仃o m a 朗e c 1 6 西华大学硕士学位论文 比例电磁铁可分为力控制型、行程控制型和位置调节型三种。本文所使用的比例溢 流阀所用的是力控制型比例电磁铁，其数学模型为： ( 1 ) 线圈电流动态方程 = 丘警删尺+ k 鲁 ( 2 - 1 3 ) 式中： “线圈端口电压( 矿) 厶电感系数( 日) 丘反电动势系数( 矿s m ) t 衔铁位移( 加) r 线圈和比例放大器内阻( q ) f ( f ) 线圈电流( 彳) ( 2 ) 衔铁受力平衡方程 肌) = 掣+ 旦掣蝎t ( r ) ( 2 - 1 4 ) 式中： 衔铁和阀芯总质量( 姆) 骂比例电磁阀的综合阻尼系数( s 聊) k 。总刚度( 朋) ( 3 ) 衔铁输出的推力方程 肿) - ( “d 协1 5 ) 式中： z ( f ) 电磁力( ) 线圈匝数 足气隙磁阻 j 气隙长度( 朋) 对式( 2 - 1 5 ) 进行线性化处理得： ( f ) = k f ( f ) + 墨t ( f ) ； ( 2 - 1 6 ) 式中：墨比例电磁铁的电流力增益( 彳) 足。比例电磁铁的弹簧刚度，即位移力增益 由于比例电磁铁在工作区间内具有水平位移力特性，k 。o ，是一个极小值。所以 z ( f ) = 墨f ( f ) ( 2 1 7 ) 1 7 a 厂r 液压控制系统建模与仿真 比例溢流阀的触e s i m ( a d v 锄c c dm o d e l i n ge n v i 】的锄e n t 氨d rs i m u l 撕o no f e n g h e e 血gs y s t e m s ) 模型如图( 2 7 ) 所示。 图2 7 夹紧力阀a 姬s i m 模型 f i g 2 7 t h em o d e lo fc l 锄p i n g 觚ec o n 仃0 l 词w 本文阀体所选用的是直动式溢流阀，根据力学分析得到锥阀阀芯上的受力平衡方程 烈，) - p 。小鲁邶。，鲁“矿砌 ( 2 - 18 ) 式中： z l ( t ) 衔铁输出推力( ) p 。( f ) 阀芯锥面受到的液压力( 砌) 4 锥面的等效面积( 朋2 ) ，衔铁和阀芯质量( 姆) 丑，等效阻尼系数( s 聊) k ，。阀芯弹簧刚度( 聊) 弹簧初始压缩量( m ) 锥阀口上的压力一流量方程 9 l ( f ) = k 口l 勺( f ) 一k 。l p l ( f ) ( 2 1 9 ) 式中： g i ( f ) 通过锥阀阀口的流量( m 3 s ) 。流量增益( 肌2 s ) 疋。流量压力增益( 朋2 ( - s ) ) 节流孔的压力流量方程 卸( ，) = 月g y o ( ，) = 只( f ) 一p i ( f ) 式中： 以o 通过阻尼孔的流量( 朋3 j ) 尺阻尼孔阻尼 号溢流阀入口压力，及系统压力( 忍) 1 8 ( 2 2 0 ) 西华大学硕士学位论文 溢流阀容腔的流量平衡方程 钆+ 掣+ 4 鲁 式中： 圪压力容腔体积( 朋3 ) e 液体体积模量( 聊2 ) 溢流阀和负载并联，根据阀口液压容腔中液压油的压缩效应得 “f ) = ( f ) 哪) + 善掣+ 式中： 吼( f ) 恒流源流量( 所3 s ) k 受控液压腔体积( 朋3 ) c 泄漏系数 易调节后的压力即从动轮压力( p 口) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 2 2 2 速比控制阀模型 速比控制采用的电磁换向阀主阀结构如图( 2 8 ) 所示：电磁力作用在阀芯的右端， 速比控制阀控制进入主动轮液压缸流量的大小取决于输入的电磁力的大小，电磁力和弹 簧共同决定阀芯的位移。 图2 8 速比控制阀a m e s i m 模型 f i g 2 8 味忸s i l i lm o d e lo ft l l es p e e dm d oc 仃d lv a l v c 速比控制阀采用的弹簧是线性弹簧，其位移力方程为 弄( f ) = 砗( t ( f ) 一( f ) ) 式中： 厶( f ) 弹簧收压缩后输出力( ) 砗弹簧刚度( 朋) ( f ) 阀芯位移( 棚) 1 9 ( 2 2 3 ) a 厂r 液压控制系统建模与仿真 阀芯受力平衡方程为 肌) 一舶) = 他争+ e 鲁+ k ( f ) 式中： 阀芯质量( 堙) 鼠粘性阻尼系数( s 聊) k 。弹簧刚度( 朋) 减压阀出口压力流量方程为 吼( f ) = e 既 式中： 吼( f ) 减压阀出口流量( m 3 s ) c 。流量系数 矽阀口面积梯度 阢入口压力( 尸口) 儿出口压力(