（车辆工程专业论文）金属带式无级变速器速比控制的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 无级变速器c v t ( 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 ) 作为汽车理想的变速传 动装置，具有广阔的发展前景和市场空间。与目前应用广泛的自动变速器相比， 它具有性能优良、结构简单、可以实现连续无级变速等优点。因此无级变速器越 来越受到人们的重视并获得了较快地发展，世界上主要的汽车厂商都在进行无级 变速器的研发工作，其中尤以对金属带式无级变速器的研究最多，技术也最成熟。 对金属带式无级变速传动的研究主要集中在对其变速控制系统上，而速比控 制作为金属带式无级变速器变速控制系统最重要内容之一，是控制发动机工作在 最佳工作点处的关键。 文章首先对金属带式无级变速器的传动机理进行分析，确定了从动带轮的夹 紧力；针对金属带式无级变速传动的电液控制系统进行探讨，建立了c v t 液压系 统的数学模型，并利用该模型分析了液压控制系统相关参数对速比变化率的影响； 然后对c v t 与发动机的匹配进行研究，在此基础上提出其控制策略。论文重点集 中在速比控制的问题上，对不同行驶工况下目标速比的确定、速比变化率对汽车 性能的影响、速比控制器的设计等问题展开研究。在理论分析的基础上，利用 a m e s i m 软件建立一个c v t 传动系统仿真模型，该模型可以对不同工况下c v t 的速比进行控制，并可以对有关性能指标进行直观的分析，以此对理论分析进行 验证。 最后针对实际应用中出现的传动系响应滞后的问题对传统的速比控制算法进 行改进，提出一种新的算法，即时间延迟算法，使得发动机工作点偏离最佳工作 点的问题得到改善，提高了汽车的燃油经济性。 文章对金属带式无级变速器的速比控制做了比较全面的研究并对速比控制算 法进行了改进，相信它在实际应用中具有较大的参考价值。 关键词：金属带式无级变速器；速比控制；电液控制系统；时间延迟算法 a b s t r a c t a sl h ei d e a lt f a 鼗s l 廷i s s i o 糕e q u i p l 瓢e n tf o ra 鼍l t o m o t i v # ，c o n l i n 雌o t l s l yv 簌f i a b l et r a n s l 矬 s s i o 建h a sw i d ep f o g r 嚣s s 鑫n dl 毪a f k e ts p a e o ，c o l 廷p a f e dw i 壤纛t l | o l 羲鑫t i et f 鑫珏s l 弧i s s i o 建 ( a t ) ，c v th a sa d v 癸n t a g e so fg o o dp e r f o r m a n c e ，m o r es i m p l es t f u c t u r e ，a c h i e v i n g e o 娃蛀纛珏。馨s l yv a f i 痨l es p e e d 。髓e f e 勤e v ti s 臻。瑶鑫越m o 鹅v a | 毽。甚b yp e o p l e 勰矗 d e v e l o p i n gr a p i d l y r e s e a r c ho nc v tp r o c e e d e di nm a i na u t o m o t i v ee n t e r p r i s e so ft h e w o 娃娃，s | 糕d y i 建go 娃l 疆e | 鑫| v 二b e | 专c o 堇薹巍珏。娃s l y v 鑫f i a b l 毒 f a 耱s l 鞋i s s i o 鼗i sl 蠢el 搂o s c o m m o n ，a l s ot h et e c h n o l o g ya b o u ti ti st h em o s tm a t u r e s 疆d y i 糕go 曩c v t i sl 珏a i n l y 重6 e 毽s o do a r a 纛s l 鞋i s s i o 娃c o 珏f o l ，a 墨鑫鞋i l 戳p o l 鑫歉p 鑫 o ft f a n s m i s s i o nc o n t f o ls y s t e ma b o u tc v t ，f a t i oc o n t li st h ek e yp o i n tt oc o n t f o lt h e e 娃g i 娃ew o f k i l l ga l h eb e s lo p e r a t i 珏gp o i n l 。 r f a n s 搬i s s i o 鑫l 捻e 穗a n i e so 至( i v 譬i sa 爨a l y 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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 ；r a t i oc o n t r o l ；e l e c t r o - h y d r a u l i c 程鞠ls y s 缝燕；弧爨e 巷e l 鑫y 鑫l g o r i t h 滋 瑶 会属带式无级变速器速比控制的研究 插图索引 图1 1 各种变速器燃油消耗对比2 图2 1 无级变速传动的结构简图7 图2 2 金属带组成一8 图2 3 金属带传动输入转矩的传递9 图2 4 金属带的受力分析一1 0 图2 5 金属带传动活动半锥轮的受力- 1 1 图2 6 夹紧力比与转矩比的关系1 3 图2 7 夹紧力比与速比的关系1 3 图2 8 夹紧力比、转矩比和速比关系1 4 图3 1 金属带式无级变速机械一液压控制系统1 5 图3 2c v t 液压系统1 6 图3 3 夹紧力控制阀主阀1 9 图3 4 比例阀工作特性一2 0 图3 5 耐高压直流比例电磁铁的结构和特性2 0 图3 6 输入信号与输出压力关系图2 1 图3 7 速比控制阀结构图一2 2 图3 8 速比控制阀稳态输出压力与占空比的关系一2 3 图3 9 供油泵转速对速比变化率的影响2 4 图3 1 0 占空比对速比变化率的影响一2 5 图3 1 1 加速时压差对速比变化率的影响2 6 图3 1 2 减速时压差对速比变化率的影响2 6 图3 1 3c v t 控制系统的硬件简图2 6 图3 1 4 转速处理电路一2 8 图3 1 5 脉冲转速测量工作原理一2 8 图3 1 6 电磁阀驱动电路一2 9 图3 1 7 控制软件程序流程图2 9 图4 1 发动机稳态转矩输出数值模型3 2 图4 2 发动机燃油消耗模型3 2 图4 3 发动机功率模型一3 2 图4 4 发动机万有特性曲线图3 3 图4 5 发动机部分负荷特性中的功率与油耗曲线3 4 v 硕e 学位论文 图4 。6 发动机最佳经济和最佳动力调节特性“3 4 图4 7 控制系统算法结构图- 3 7 图5 1 速比控制曩标4 0 图5 2 速比变化率对汽车加速度的影响曲线图4 2 图5 3 普通p i d 控制器4 4 图5 4 积分分离p i d 控制器4 5 图5 5 积分分离p i d 控制效果4 5 图5 6 速比阶跃信号系统晌疲“4 6 图6 j 1c v t 传动系统模型一4 8 图6 2 汽车起步工况仿真5 0 图6 3 汽车中间加速工况仿真5 1 图6 。4 汽车中闻减速工况仿真5 王 图6 5 汽车综合工况仿真5 2 图6 6 起步正况一5 5 图6 7 加速正况5 5 图6 8 减速工况5 6 图6 9 发动机工作点轨迹图5 6 图6 1 0 燃油经济性比较一5 7 图6 重量不同延迟时间时整车的燃油经济性5 7 v 班 金耩带式无缀变速器逮眈控制的研究 附表索引 表3 1c v t 电控系统传感器”2 7 表4 1 发动机实验数据表3 l 表5 1 加速性和舒适性制约关系4 3 表6 1 主要汽车仿真参数4 9 表6 2c v t 主要几何参数4 9 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 入和集体，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后果 由本人承担。 作者签名： 伪伟够 圜期：肼歹月，笋旦 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打 ) 作者签名： 导师签名： 日期：妒萝年，月，日 日期：孑一年夕月f 广日 琴绽婶氓 嚣 硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 汽车作为最重要的现代化交通工具，迄今已有一个多世纪的历史了。在现代 社会中没有哪种交通工具可以与汽车的作用相媲美，火车和轮船虽然装载量大， 但只能沿一定的线路行驶，需要在固定地点装载乘客和货物。飞机适用于长距离 快捷的运输，但也需要有固定的机场。也就是说，飞机、火车、轮船只能在点和 线上发挥作用，不可能达到城乡的每一个角落，汽车则弥补了这一缺陷。正因为 如此，汽车迅速发展成为最主要、最受青睐的交通工具。在过去的数十年中，汽 车工业得到迅速的发展。目前，全世界汽车保有量超过6 5 亿辆，按全世界人口平 均9 人就有1 辆，其中轿车最多，占总保有量的8 0 左右。汽车扩大了人的活动 范围和相互交流，使社会变得丰富多彩。 与此同时，汽车也给社会带来一些不易解决的难题。由于汽车保有量的巨增， 导致了全球性的能源危机、环境污染以及温室效应，因而节约能源、保护环境已 经成为人类发展的主题。迫于能源危机和环境污染的压力，许多国家都制定了较 为严格的法规，要求降低汽车的排放，提高其燃油经济性。例如美国制定了能源 政策及保护法e p c a ( e n e r g yp o l i c ya n dc o n s e r v a t i o na c t ) ，该法对汽车厂家规定了 企业平均燃油经济性标准c a f e ( a u t o m o b i l ec o r p o r a t ea v e r a g ef u e le c o n o m y ) 。据 此法，从1 9 7 5 年到1 9 8 4 年的十年间，美国轿车的燃油经济性提高了2 倍以上，1 9 7 5 年轿车耗油量1 3 1 m p g ( m i l ep e rg a l l o n ) ，而1 9 8 5 年达到了2 7 5 m p g ，轻型车的 燃油经济性也改善了5 0 以上。 我国对汽车的燃油经济性虽没有制定相关的法规，但随着汽车保有量的逐年 增加以及环境和能源形势的日益严重，相信不久的将来也会制定相应的法规，更 何况2 0 0 2 年9 月在南非召开的第二次世界环境大会通过了亚洲推行燃油经济性法 规的议案。关于排放，欧洲早已提出了限制排放的1 9 9 9 9 6 e c ( 欧标准) 。我国政 府也正式颁布了控制汽车排放的法规，并从2 0 0 1 年9 月1 日全面停止了化油器汽 车的销售，规定2 0 0 2 年以后出厂的小型车排放须达9 4 1 2 e c ( 欧i 标准) ，对大型 柴油车规定了自2 0 0 3 年9 月排放须达到欧i i 标准。鉴于北京2 0 0 8 年举行奥运会， 特提出北京市小型车2 0 0 3 年1 月以后应达到1 9 9 6 6 9 e c ( 欧i i 标准) 比1 。 日益严格的法规将迫使国内外各大汽车厂商采取各种措施以满足这些要求， 新型环保汽车( 或称为清洁能源汽车) 的开发就是一例，其中包括电动汽车 e v r e l e c t r i cv e h i c l e ) 、混合动力电动汽车h e v 饵y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 、替代汽油 金属带式秃级变速器遽沈控翎的研究 或柴油豹压缩天然气汽车c n g v ( c o 麓p f e s s e dn 鑫珏鑫lg a s 耽魏i c l e ) 、液化石油气汽 车l p g v ( l i q u i dp e t r o l e u mg a sv e h i c l e ) 、燃料电池汽车f c v ( f u e lc e l lv 曲i c l e ) 等。 尽管各种新型节能汽车技术不断涌现，其硒究也取褥了很大的进展，但因存 在成本和诸多技术难题而限制了其推广应用。在今后可以预见的几十年里，以替 代燃料作为能源的离效内燃机和以内燃机为主要动力源的混合驱动技术的应用仍 将是汽车动力的主流。 既然如此，汽车的传动系与传统相比也就不会有实质性的改进，而汽车传动 系的性能又直接关系到燃油经济性的提高和疲气摔放的减少。因此，研究与改进 汽车传动系统仍是非常重要的，目前在汽车上广泛使用的自动变速器技术是将变 矩器和行星齿轮机构缓合的自动变速器技术，僵这种组合还存在着明显的缺陷： 传动比不连续，只能实现分段范围内的无级变速，同时靠液力传递的动力效率影 响了整车的动力性能和经济性能，只有增加前进档档位数来扩大速毙范围，这样 就必须增加使用换档执行元件和行星排数量来实现多档速比，无形中又增加了产 品机构复杂性和成本费用。丽现代真正意义的无级变速器恰恰解决了这一润题， 同时使汽车的性能得到进一步的提高秘，。 无级变速传动( c v t _ ) 具有如下优点： ( 重 最大的燃油经济性，这是因为在c v t 的调节下，能使得发动杌始终工 作在较高的效率区，图1 1 显示了装备有c v t 的汽车和装备了a = i 及d c t 的汽车 油耗的对比，放图熏1 中可以骥显的看出c v t 的燃油消耗明显优于彬5 档和6 档 的a t ，而和d c t 相当。 发动机量犬转砸( _ ) 圈薹。量各种变速器燃油消耗对毙 ( 2 ) 无级变速传动和其他传动相比，操纵方便性和乘坐舒适性均可与电子控 制的有级式自动变速器相媲美，其传动效率却远高予带有液力传动的有级式自动 变速器。因其在变速的过程中由于没有动力中断，传动比变化非常平滑，动力传 动系统的冲击小，因而也提高了行驶的动力性能，研究表明与装备暇档自动变速 箱汽车相比，o l o o k m ，h 的加速性能提高l o 以上。 2 硕：l 学位论文 ( 3 ) 由于，c v t 系统具有较宽的速比变化范围，并能根据汽车行驶阻力，按 驾驶员选定的工作模式连续地改变速比，使发动机输出功率和汽车行驶阻力达到 最佳匹配，保证发动机始终平稳地处在最佳工况下工作。这样，不仅可改善汽车 燃料经济性，而且极大地改善了发动机排放。据z f 公司资料，汽车装备c v t 系 统后，其有害排放物比装备四档自动变速器将减少1 0 左右h 1 。 ( 4 ) 金属带式无级变速器结构简单，主要由金属带一工作带轮组和控制系统 构成，传动零件数( 约3 0 0 个) 远少于自动变速器( 约5 0 0 个) ，因此变速器的重 量轻，体积小，造价低。 1 2 无级变速器的发展概况及未来研究趋势 1 2 1 国内外无级变速器的发展概况 c v t 技术的发展可以追溯到1 9 世纪末，距今已有1 0 0 多年的历史，最早生产 c v t 的国家为日本和德国。德国奔驰公司是在汽车上采用无级变速器技术的鼻祖， 早在1 8 8 6 年就将v 带橡胶带式无级变速器安装在其生产的汽油机汽车上，但是由 于橡胶材料受到本身特点的约束，传递的力矩比较小，没有什么实际应用价值。 1 9 5 8 年，荷兰的d a f 公司的h v ，a n d o o m e 博士研制成功了名为v a r i o m a t i c 的双v 型橡胶带无级变速器，并装备于d a f 公司制造的d a f f o d i l 轿车上，其销量超过了 1 0 0 万辆。但是由于橡胶带式无级变速器存在一系列的缺陷，如功率有限( 转矩局 限于1 3 5 n m 以下) ；离合器工作不稳定；液压油泵、带传动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。直到2 0 世纪6 0 年代末期，h v a nd o o r n e 博士研制出能传递功率容量大，效率高，结构紧凑的实用型金属带式c v t ，这是 c v t 技术上里程碑的突破。它具有零件少，体积小，重量轻，传动效率高，油耗 较低的优点。但缺点也是很明显的，就是传动带很容易损坏，不能承受较大的载 荷，但在小功率汽车上还是很有市场的。富士、菲亚特、福特都先后引进c v t ， 加以改善，用在自己的汽车上。1 9 8 4 年，最善于应用新技术的富士车厂研制了具 有电脑装置的电控无级变速传动e c v t ，并在1 9 8 7 年2 月装在j u s t y ( j 1 0 ) 汽车上推 出市场，获得成功。从此金属带式无级变速器真正进入商品化阶段。 进入9 0 年代，v d t 公司在总结8 0 年代产品开发和使用经验的基础上，研制 成功了传递转矩更大、性能更优良的第二代c v t 。1 9 9 8 年日产公司开发了一种为 中型轿车设计的包含一个手动换档模式的c v t 。新型c v t 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c v t 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。日产公司还计划将它的c v t 的应用范围从1 o l 扩大到3 0 l 3 金属带式光级变速器速眈控制的研究 的轿车。捞9 7 年5 胃，富士重工在v i s | f o 微型车上装配了计算机控制式e c v 联含 有6 档手动换挡模式的无级变速器y ) 。驾驶员无需操作离合器就可以进行6 档变速。 富士重工在p l e o 微型汽车上采用了一种具鸯锁止功能的电控无级变速器。通过小 范围锁止可以使液力变矩器的滑移率保持在最小值，同时利用行星齿轮可以实现 前进档、倒档的切换。1 9 9 9 年上半年，美豳的福特公司和德国的z f 公司一起合 作为福特公司的轿车和轻型载货汽车生产无级变速器。主要产品是带有电子管理 功能的c f t 2 3 型无级变速器。福特公司还在设计与公司内所有轻型载货车匹配的 牵引驱动无级变速器 l 时) ，但是在传动比 1 7 1 ： 1 时，金属带上弦区金属环的张力屹小 9 金属带式光缀变速器速比控制的研究 子带的下弦区金属环的张力滞，都z 0 ，这表明金属环的张力有利于金属带转矩的传递。而当传 动比屯 乇，嚣，则由金属环传递的转矩一，暑一) 灵芦o ， 这表明金属环的张力不利于金属带转矩的传递。 设金属带传动的主动带轮输入转矩为z 魏，则有： 瓦一z k + z k 嘛- ( 于乙，霹一f 二4 r p + ( ，乙_ 一f 乙嚣) r p ( 2 1 ) 由公式( 2 1 ) 有： 爹乙一一f 乙j a i 一灭p 圪黼j 一，乙囊) ) 霆p ( 2 2 ) 由公式( 2 2 ) 可知，当毛 0 ，这说明金属带上弦区 的金属片阍推力4 大予下弦区的金属冀闻推力兄一，嚣。当l i f 堇且输入转矩r 如大 于金属环传递的转矩即毛2 时，有一一月 o ，而当1 且输入转矩 f 扣小于金属环传递的转矩k 即瓦时，有_ 一，嚣o 。这说鳃，金属带 传动的金属片间推力的分布不仅与传动比f 有关，而且在传动比屯 1 时，还应与输 入转矩毛的大小有关，如图2 4 所示。 i a ) i d 1t 蛔 t r i n 掌b ) i d 1t i n t r i 柚i c ) i d l 图2 4 金震带的受力分析 2 2 2 带轮轴向力及极限转矩 1 带轮的轴向力 在以上分析中，是以c v t 提供足够大的夹紧力为前提条件的。在一定的传动 比下，金属带轮夹紧力或e 与金属带对带轮的轴向力，p 或是平衡的。 在实际应用中，通常根据输入转矩的大小来控制主、从动带轮的夹紧力，以可靠 地传递输入转矩和调节速比。在分析液压系统特性时，带轮轴向力是很重要的因 素之一，因此有必要确定带轮轴向力。带轮的轴向力与金属带传递的转矩、洳前 的速比等有关，故确定带轮的轴向力有必要从金属带轮的受力分析入手，如图2 5 所示。分别以主、从动活动半锥轮俸为研究对象，则金属带对主动活动半锥轮的 轴向力为： ，j p k ，姊c o s 詈f 7 彬撕s i i l 等一k ，姊( c o s 詈肛二s i n 争 ( 2 3 ) 同理，可得金属带对从动活动半锥轮的辘南力为： 约 硕十学位论文 。硷 池 瞌枷 图2 5 金属带传动活动半锥轮的受力 一。k 加c 0 s 等f7 舾s i n 等ak 舾( c o s 导肛二s i i l 詈) ( 2 4 ) 式中， 加、k 舾主、从动活动锥轮面上的金属片正压力( n ) ； f 磊，切、，咖主、从动活动半锥轮面上的径向摩擦力( n ) ； 二 金属片与锥轮面间的径向摩擦系数。 另外，公式( 2 3 ) 中摩擦力f 磊抑的符号升挡时取正号，降挡时取负号。而公 式( 2 4 ) 中摩擦力f 南厢的符号升挡时取负号，降挡时取正号。这里给出的带轮的 轴向力是稳态下即传动比等于常数时的轴向力，并忽略了活动半锥轮与轴之间的 摩擦力。 2 极限转矩的确定 从根本上来讲，金属带传动的输入转矩是通过摩擦来传递的。由于制造时，通 过特殊工艺使金属环产生预压应力，从而保证工作时金属环和金属片间不易发生 相对滑动。这样在传动比一定时，金属带与带轮工作面间将首先发生相对滑动， 而且发生在带轮节圆半径较小的带轮上。随着输入转矩的增大，金属带在小径带 轮上的动弧( a c t i v ea r c ，一般认为金属带在该区域的表面上发生滑动) 也增大， 当金属带在该带轮上处于滑动极限时，金属带在该带轮上的静弧( i d l ea r c ，一般 认为金属带在该区域的表面上不发生滑动) 消失，即动弧等于带轮的包角( c o n t a c t a n g l e ) 。此时，金属带在该带轮上发生打滑，以至于不能传递动力，金属带传递的 转矩达到极限值互：n 1 。 由于在较大夹紧力下，金属带变速主要是通过金属带轮或金属片的变形实现 的，因此可以忽略金属带和带轮面间的径向滑动摩擦。如果再忽略摩擦力、油缸 液压油的离心力产生的动压力( 假设油缸已做动压补偿) 及从动缸回位弹簧压力， 1 1 金属带式无级变速器速比控翻的研究 则有： - ，p ；蛳c o s 詈 ( 2 5 ) 只。一一k 鼬c o s 等 ( 2 6 ) 根据图2 5 可知： 一2 ，姊尺，一2 妒e 料，助尺尹 ( 2 7 ) 一啄船墨一2 群糖k 舾曩 ( 2 8 ) 式中，枷主动活动半锥轮面上切向摩擦力( n ) ； 赡细从动活动拳锥轮面上切囱摩擦力( n ) ； z ，c v t 输出轴上的阻力矩( n m ) 。 对于采用主从控制的单回路液难系统，由于是靠从动轮| 孽夹紧力来保证可靠 地传递转矩，因此，将公式( 2 6 ) 及t - 域、冠一识口代入公式( 2 8 ) ，并整理 则有： 砭。迅孕 ( 2 9 ) s 2 上式给出了在夹紧力e 下能够可靠地传递的最大转矩，即极限转矩。 2 3 带轮夹紧力的确定 戬上分耄蓐了金属带式无级变速传动装置传递转矩及金属带对带轮的轴向力。 在实际的应用中，我们根据输入转矩的大小，控制主、从动带轮夹紧力，以传递 输入转矩与调节速比，因此有必要确定带轮夹紧力。以上分析中可见，带轮的轴 向力与传递的转矩、当前速比等有关系，因此分析带轮夹紧力，还必须从金属带 的受力分析入手。 在系统稳定的状态下，金属带对主、从动带轮的轴向力与当前传递的转矩、 速比有一定的函数关系。当传动比b 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 震在放动带轮上的轴费力之比，可得： r 舌= 嬲一k 汜mr 黼。薯r 弋燃，ppl 黟。，l f0 z 1 u ， f l 瓯婶p ，镰出州h 由上式可以看出，轴向力比k 与当前速比和主动带轮动弧有关。在一定速比条 彳牛下，只与主动带轮上动弧有关。丽主动带轮上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 硕士学位论文 的轴向力n 5 1 。 作用在主动带轮上的轴向力为： f 。垒鬯坚 ( 2 1 1 ) ， 2 p 。，。 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，能够正常的工作，带轮的夹紧力应按上式确定。 当主动带轮处于滑动极限( 一to ) 时，由公式( 2 1 0 ) 轴向力比k 一允e ( o ，f ) 为 常数，只与e 成比例，此时轴向力比只与当前的速比有关。 带轮在一定条件下，即速比和主、从动带轮夹紧力保持不变时，把输入的转 矩与该条件下传递的极限转矩的比值定义为转矩比f ，可得： 伽砉一铹一如，f ) t 嘲 k 。婶，i ) “一。 因此转矩比f 与主动带轮的动弧卢，有关，也就说明带轮的轴向力比r 随转矩 比的变化而变化，如图2 6 。在同一转矩比时，夹紧力比与速比的关系如图2 7 所 示，随着速比的增大，夹紧力比减小n 们。 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公式 ( 2 3 ) 和公式( 2 4 ) 确定： 乏。薰耥嘞魄) ( 2 1 3 ) e 盖。丘门矿川7 当传动比f 1 时，金属带在主动带轮上处于滑动极限( 卢。一0 ) 时，主动带轮 传递的极限转矩可以由上式得出： 等一屯( 0 ，f ) ( 2 “) 金属带式无级变速器遽比控制的研究 由公式( 2 。王4 ) 可见传递的极限转矩与从动带轮夹紧力没有关系，只与当前速 比f 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。 由公式( 2 1 0 ) 和公式( 2 1 1 ) 可以看出，在理论上，夹紧力比k 和转矩比z 只 与主动带轮的有效包角芦。和速比l 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。当速比z 固定时，夹紧力比茁与转矩比f 近似为线性关系n 。 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。当速 毙i l 时，也可以得到相同的结果。 2 饕l 焉 篮 r 豢， o 5 d 硼l 委2 8 夹蘩力比、转矩比和速鲍关系 在金属带式无级变速传动系统中，一般是通过控制从动带轮夹紧力来实现转 矩传递的。丙主动带轮夹紧力则由夹紧力比鬈来确定。夹紧力比鬈、转矩比鬈与速 比l 的关系如图2 8 所示。 在控制系统中，可以先根据输入转矩的大小，确定从动带轮夹紧力。然嚣由 以上关系确定系统在一定的平衡状态下需要满足的爽紧力及速比条件。所以这一 关系是确定液压控制系统中带轮夹紧力的依据。 2 4 本章小结 由于金属带具有独特的结构特征，因此金属带的传动机理与普通的v 型橡胶 带的传动机理不同。本章在借鉴国内外资料的基础上，在简单介绍金属带式无级 变速器静基本结构之后，对金属带式无级变速器的王佟机理进行较为全面的分析， 对其带轮轴向力及传递转矩的原理进行深入的研究，并得出极限转矩的计算方法。 最藤建立了输入转矩比、速比与夹紧力比的关系，提出确定疆标夹紧力的算法， 从而确定了实际应用中夹紧力的控制依据。 强 硕：t 学位论文 第3 章c v t 电液控制系统 液压系统作为c v t 的核心技术，是实现c v t 速比控制的关键，其工作特性 直接影响c v t 的性能，进而影响整车的性能。尤其是c v t 的速比变化率对汽车 的性能具有很大影响，它不仅与金属带传动的几何结构参数有关，而且还与液压 控制系统的参数有关。因此，对液压控制系统的工作特性进行理论分析和试验研 究是c v t 速比控制研究的基础。本章首先从c v t 液压系统的建模入手对其进行 研究，然后对控制阀的工作特性进行建模与理论分析，紧接着分析了液压系统参 数对速比变化率的影响，最后对电控系统进行了设计，从而实现了c v t 电液控制 系统的集成。 早期的控制系统多采用机液控制方式，如图3 1 所示，液压泵直接由发动机驱 动向系统提供压力油。液压泵输出的压力油一部分直接进入从动锥轮液压缸，其 压力由主调压阀调节，以控制对金属带的张紧力。另一部分压力油经速比控制阀 后进入主动锥轮液压缸，以控制无级变速器传动速比的连续变化。主调压阀阀芯 在弹簧力、液压泵出口压力、发动机转速信号压力及减压阀出口压力的作用下保 持平衡。速比控制阀在油门联动输入、反馈杆反馈力和发动机转速信号压力的作 用下保持力平衡。发动机转速信号压力由毕托管从与液压泵及主动锥轮一起旋转 的集油圆槽中的旋转油液中引出，并作用在速比控制阀和主调压阀阀芯上。 图3 1 金属带式无级变速机械一液压控制系统 由上面的分析可知机械一液压控制用较少的液压阀就可以实现系统的速比控 制和夹紧力控制，但这种控制方式存在如下的问题：不能对主、从动油缸的压力 进行独立的控制，它仅能依据固定的变化关系控制，控制策略单一，不能满足不 同行驶工况的要求，因而很难实现夹紧力和速比的任意控制；c v t 液压控制系统 的工作压力高，不能实现速比和夹紧力的精确控制，造成系统的液压损失增大； 金属带式无缀变速器遽比控制的研究 控制系统的可移植性差，一种控制系统只能针对一种车型，不能适用别的车型， 只要传动系和汽车参数变化，都必须改变控制系统的结构尺寸。 由于机液控制系统存在以上缺陷，因焉c v t 汽车投放市场以来，经济性、动 力性没有出现如理论上所述的很大的提高，汽车的乘坐舒适性也不够理想，没有 达到预期的效果。为了克服机液控制系统的缺陷，必须采用电液控制系统。 采用电液控制系统可以克服机液控制系统的固有缺陷，如主、从动带轮油缸 的压力可以独立控制，因而可能使传动器按驾驶员选定的工作模式达到最佳匹配。 利用精确测量的发动机与从动轮的转速信号，可实现对c v t 传动器速比和夹紧力 的精确控制。又通过增加工作模式选择开关，可使汽车在不同行驶条件下把它的 经济性和动力性恰当的发挥到最佳状态。所以电液控制系统比机液控制系统在汽 车的经济性、动力性、舒适性和操纵性等方面都得到明显的改善n 引。 3 1c v t 液压系统的数学模型 在无级变速电液控制系统中，包含一系列执行机构和起辅助作用的液鹾阀， 根据功能可以划分为三个子系统：离合器控制系统，夹紧力控制系统和速比控制 系统。在对液压系统特性进行理论分析时，将液压系统简化为由一些基本的液压 元件组成的系统。为便于对c v t 的液压系统的特性进行分析，本文做如下简化： ( 1 ) 由于起步离合器只是在汽车低速起步时结合，此时无级变速系统保持最 大速比，还没有进行变速，所以不考虑离合器控制系统。 ( 2 ) 只考虑起直接作用的电磁阀，忽略其它起辅助作用的阀。 由此典型的c v t 液噩系统可以简纯为图3 2 。在液压系统图孛，油泵出口的 压力由夹紧力控制阀调节，直接作用于从动轮油缸。另一路经速比控制阀的调节 q 坌一 图3 2c v t 液压系统 进入到主动轮油缸，实现速毙的变化。所以液压控制系统可以相应的分为夹紧力 控制系统和速比控制系统。为了对c v t 液压控制系统的特性进行研究，必须建立 系统的数学模型。在c v t 电液控制系统中，控制阕由电磁铁操纵，实现压力和流 1 6 硕十学位论文 量的调节。为了便于分析，在建立液压控制系统模型时，对控制阀进行了简化n 钊。 在离合器结合后，系统进入变速过程。在变速过程中，夹紧力控制阀和速比 控制阀根据控制单元的指令开始工作。在液压系统的建模过程中，将其看作是一 个分布参数系统。一般来说，系统中的夹紧力控制阀是溢流阔，而速比控制阀是 方向控制阀( 流量控制阀) 。速比控制阀的出口压力与流量是通过控制节流口的面 积来实现的。 油泵的流量与输入转速近似成线性关系，由于制造和设计等方面的原因，油 泵自身存在泄漏，油泵出口的压力越高，泄漏量越大，由此可以得到油泵的模型： q o - 口聊刀。一c 2 。只 ( 3 1 ) 式中，幺油泵的流量； 譬一油泵每转的排量； 刀，发动机转速；c ：油泵的泄漏系数； p f 夹紧力控制阀的调节压力。 进入到夹紧力控制系统的流量q 5 i 。，由质量守恒定律： 一q o 一纵一鳓 ( 3 2 ) 式中，q 耐夹紧力控制阀排出流量； 如进入速比控制系统的流量。 对于夹紧力控制系统，由液压系统的连续性方程、能量方程，可以得到： 鲁一百f ，如一c ，一a ，鲁) ( 3 3 ) 即只一击瓯中等每 ( 3 4 ) 式中， 忍液体的体积弹性模量；c ，从动轮油缸泄漏系数； 匕从动轮油缸内的压力；a ，从动轮油缸的面积： y 。从动轮油缸的容积；墨从动轮油缸位移； 山油管的横截面积；乙油管的长度； c ，油管的泄漏系数；p 液体密度。 同样，对于速比控制系统： 鲁一看焉吁c ，驴分争 5 ) 厶。只一! q 一。一p 坠生 ( 3 6 ) o 。o 一亩叩等。若 。石 式中， g 主动轮油缸泄漏系数；主动轮油缸内的压力； a 。主动轮油缸的面积；y 。主动轮油缸的容积； x p 主动轮油缸位移；油管的横截面积； 进入到主动轮油缸内的流量；f 一油管的长度。 1 7 金属带式羌级变速器逮比控制的研究 在公式( 3 5 ) 巾，a 。竿表示由于主动轮的轴向运动造成的油缸内的流量的 口f 变化。这种变化与主动带轮的轴向移动速度有关，丽轴向移动速度的大小由c v t 的换档特性决定。当主、从动轮高速旋转时，主、从动带轮油缸内的液体由于离? 心力的作用产生动压力，当转速变高时数值也隧之变大。为了实现夹紧力的精确 控制，必须考虑动压力的影响。因此作用在带轮上的夹紧力是作用在液压缸有效 面积上液体压力和动压力之和心们o 作用在主动带轮上的夹紧力瓦： 一a p o o + c p ； ( 3 7 ) 力了保证饪何工况下在从动轮上都能产生足够大的夹紧力，保证发动杌转矩 的安全传递，确保汽车在制动等工况下能够迅速恢复到最大速比。就需要在从动 带轮上作用一个预紧弹簧力。在任意位置可动带轮的位移南( 或x 。) 可以通 过当前速比和金属带传动的几何关系确定。因此从动带轮的夹紧力只可以表示为