（车辆工程专业论文）金属带式cvt电控系统控制策略研究.pdf

武汉理t 大学硕十学位论文 摘要 金属带式无级变速器( c o n t i n u o u s l y v a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ) 结构简单，可以 实现速比在一定范围内的连续变化，使发动机始终保持在最佳区域工作，有效 提高了整车的经济性、动力性以及平顺性能。金属带式c v t 是无级变速技术的 主要发展方向之一。 本文首先对带传动式无级变速技术的发展和现状进行了介绍，并对金属带 式c v t 控制系统的功能、发展过程和国内外研究现状进行了分析，确定以基于 双压力回路控制系统的金属带式c v t 为对象，研究金属带式c v t 的速比和夹 紧力控制策略。智能控制能够解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制 问题，是控制理论发展的高级阶段。本文研究将基于遗传算法优化的模糊控制 策略引入c v t 的控制系统，寻求更佳的控制效果。 首先分析了金属带式c v t 的结构组成和基本工作原理。对速比和夹紧力这 两大控制目标量进行了定义。然后，对h o n d a 公司的一款c v t 的双压力回路 电一液控制系统的结构、组成和工作特性进行分析，并对其液压系统进行了适当 简化，采用m a t l a b s i m u l i n k 软件，建立了由发动机仿真模型、c v t 传动系统 仿真模型、车辆动力学仿真模型组成的装载有金属带式c 的整车仿真模型。 主要以速比控制器的设计为例介绍了模糊控制器的设计步骤，并详细介绍 了遗传算法对模糊控制器进行优化的过程。随后进行了模糊控制策略应用于整 车的仿真分析，并对应用常规p i d 控制和优化的模糊控制策略的仿真结果进行 了对比分析，仿真结果表明，基于遗传算法优化的模糊控制策略对c v t 央紧力 控制和速比控制具有良好的控制效果，远远优于常规p i d 控制。 最后，对金属带式c v t 电控系统控制策略的两种测试与修正方法进行了 介绍。一是基于d s p a c e 的金属带式c v t 控制器硬件在环仿真平台，二是基 于变频技术的c v t 传动系统试验台和基于l a b v i e w 虚拟仪器的试验台控制系 统，为开发具有自主知识产权并有实际应用价值的自动变速器电控系统奠定了 基础。 关键词：金属带式c v t ，电控系统，模糊控制，遗传算法，d s p a c e ，试验台 武汉理f l 人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n f i g u r a t i o no fc 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 ni ss i m p l e ，a n di tc a n m a k et h es p e e dr a t i ov a r yc o n t i n u o u s l yi nac e r t a i nr a n g e ，w h i c hc a nm a k et h e e n g i n em a i n t a i no p e r a t i n gi nt h eb e s tr e g i o n t h e r e f o r e ，t h ee c o n o m y ，d y n a m i ca n d s m o o t h n e s sp e r f o r m a n c ec a nb ee n h a n c e d e f f e c t i v e l y c o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o ni st h em a i nt e n d e n c yo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n tc o n d i t i o no fm e t a lb e l t c v tt e c h n o l o g y ，a n a l y z e dt h ef u n c t i o n ，d e v e l o p m e n tp r o g r e s sa n dc u r r e n tr e s e a r c h c o n d i t i o no fm e t a lb e l tc v tc o n t r o ls y s t e mi nt h ef i r s t t h e n m e t a l - b e l tc v tw i t h d u a l p r e s s u r ec i r c u i ti sc h o s e na st h er e s e a r c ho b j e c t ，t os t u d yt h ec o n t r o ls t r a t e g yo f t h es p e e d r a t i oc o n t r o la n dc l a m p i n gf o r c ec o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l m e t h o dw h i c hi sa na d v a n c e dc o n t r o lt h e o r yt os o l v ec o m p l e xc o n t r o li s s u e s ，i s b r o u g h ti n t oc o n t r o ls y s t e mo f m e t a l b e l tc v t t os e e kab e t t e re f f e c to fc o n t r o l l i n g a tt h eb e g i n n i n g ，t h es t r u c t u r ea n db a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo fm e t a l - b e l tc v t a r ea n a l y z e d t h e n ，t h ef u n c t i o no ft h es p e e dr a t i oa n dc l a m p i n gf o r c ea r ed e f i n e d n e x t ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fah o n d ac v t w i t hd u a l - p r e s s u r ec i r c u i ti sa n a l y z e d ， a n di t sh y d r a u l i cs y s t e mi ss i m p l i f i e d f i n a l l y ，u s em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r et o e s t a b l i s ht h es i m u l a t i o nm o d e lo faw h o l ev e h i c l ee q u i p p e dw i t ham e t a l b e l tc v t t h ed e s i g no fs p e e dr a t i o sa n dc l a m p i n gf o r c e sf u z z yl o g i cc o n t r o l l e r ( f l c ) o p t i m i z e db yg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i sd e s c r i b e di nd e t a i l s i m u l a t i o ni sc a r d e do u t i t sr e s u l t ss h o ws p e e dr a t i of l cb a s e do ng aa n dc l a m p i n gf o r c ef l cb a s e do ng a h a v eb e t t e rc o n t r o le f f e c t ，w h i c hi sb e t t e rt h a nt h a to fc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r 0 1 a tt h el a s tb u to n ec h a p t e r ，t w ot y p e so ft e s tm e t h o d st oc o n t r o ls t r a t e g yo f m e t a l - b e l tc v tc o n t r o ls y s t e ma r ei n t r o d u c e d o n ei sm e t a l b e l tc v th i l s i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h eo t h e ri st e s tr i go fc v td r i v e l i n ew h i c hb a s e do n 仔e q u e n c y c o n v e r s i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec o n t r o ls y s t e mo ft e s tr i gt h a tb a s e do nl a b v i e w k e yw o r d s ：m e t a l b e l tc v t ，e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ，f u z z yl o g i cc o n t r o l ， g e n e t i ca l g o r i t h m ，t e s tr i g i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文字特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均 己在论文中作了明确的浼明并表示了谢意。 研究生签名：量堡至：日期：塑z ：1 21 显研究生签名：孟朱艺、日期：肋z - ，i 拶 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：超导师签名：匕邋r 期： 武汉理丁大学硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 无级变速技术的现状及发展趋势 1 1 1 无级变速技术的发展及现状 由于内燃机工作特性的限制，为降低油耗和充分发挥内燃机的能力，人们 采用了变速器，而变速器追求的终极目标是实现无级变速。汽车无级变速器的 种类有很多，按照其结构形式可分为机械式、流体式和电动式三种【l 】。目前形 成定型产品的主要是机械无级变速器。机械无级变速器又包括带传动式( 胶带 式、金属带式和链式) 和牵引传动式( 圆环式、圆板式、行星滚轮式和滚珠式) 两类。其中，带传动式是目前应用最为广泛的无级变速技术。带传动式c v t 采用传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合传递动力来实现传动比连续改 变，从而使发动机始终运行于最佳工况下，提高了汽车动力性与经济性，同时， 能较好的改善驾驶的操纵方便性和平顺性，是较理想的汽车传动装置。 带式c v t 技术已发展了百多年。可将其发展历程分为如下三个阶段【2 】： 第一阶段( 1 8 8 6 至1 9 5 8 年) ：探索阶段。其标志产品是名为v a r i o m a t i c 的 装备于d a f 公司制造的d a f f o d i l 轿车上的双v 型橡胶带式c v t ，该c v t 是荷 兰的d a f 公司h v a nd o o m e 博士研制成功的，其销量超过了1 0 0 万辆。但是， 在第一阶段时期，c 采用橡胶带传动，存在如传递功率范围小( 输出转矩局 限于1 3 5 n m 以下) ，离合器工作不稳定，效率较低等诸多缺陷，因而未被汽车 行业普遍接受。 第二阶段( 1 9 5 8 至1 9 8 7 年) ：发展阶段。其标志是1 9 8 7 年富士重工( s u b a r u ) 采用金属带式无级变速器e c v t 用于j u s t y 轿车。这种金属带式e c v t 将液 力变矩器集成到c 系统中，对主、从动轮的夹紧力初次实施电子化控制，在 c v t 中采用节能泵和金属带。新技术克服了第一代c v t 的性能缺陷，使得传 递转矩容量更大、性能更优良的第二代c v t 问世，汽车无级变速器的应用才取 得突破性的进展。 第三阶段( 1 9 8 7 年至今) ：c v t 的商品化阶段。由于大量生产金属带过程 很复杂性，c v t 商品化直到1 9 8 7 年才实现。日本s u b a r u 汽车厂是最早开始大 量生产c v t 的汽车厂。1 9 8 7 年s u b a r u 将电子控制的c v t ( p 8 2 1 型) 装备于 武汉理j ：大学硕十学位论文 j u s t y 汽车( 发动机排量1 1 2 升) 上，成功占领同本市场。之后欧洲的f o r d 和f i a t 把c v t ( 机械式，p 8 1 l 型) 装备于发动机排量为1 1 1 6 l 的轿车上， 深受用户好评。1 9 9 7 年上半年，使用在2 o l 汽车上的c v t 被r 产公司开发出 来。1 9 9 8 年，日产公司开发了一种适合于中型轿车的有一个手动换挡模式的 c v t 。这种c v t 采用了一个高液压控制系统和一个高强度宽钢带( 最新研制 的) 。从而能够传递较大的转矩，同时使传动比的改变实现了电子控制。2 0 0 1 年，德国z f 公司和美国福特公司合作为福特公司设计带有电子管理功能的 c f t 2 3 型c v t 。该钢带式c v t 是一种变矩器式变速器。经实验表明，装备了 c v t 的车辆加速性能可比装备四元件自动变速器的车辆提高1 0 ，燃油经济性 可提高1 0 1 5 。 目前，为提高产品的竞争力，全世界的各大汽车厂商都在加大c v t 技术的 研发力度。而装备有c v t 的汽车市场，由最初的日本、欧洲，己渗透到北美市 场，因此无级变速汽车是当今汽车发展的趋势。 在国内市场上，装备c v t 的车型也不少，如奥迪a 6 、派力奥( 西耶那、周 末风) 、东风同产天籁、轩逸，广本飞度、旗云、海马欢动等，且c v t 的装车 率也在稳步提高。到2 0 1 2 年，东风同产将把c v t 变速器的装车率从现有的1 3 提升至5 0 。如图1 1 所示，c v t 在中国具有广阔的发展前景和市场空间。 o o o r 蚓 辍 f - - o 匠 g - - 圜圈圈冒爿鬻 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 92 0 t02 0 15 图1 1c v t 装车数量的中国市场展望 1 1 2 金属带式c v t 控制技术的分类及发展 无级变速传动机构是金属带式无级变速器的核心部分，它的功能是依靠液 压控制系统来实现的。早期无级变速传动系统的液压控制部分多采用机液控制 方式。后来随着电子技术的快速发展及应用和人们对汽车性能要求的提高，使 2 o o o o o o o o o 啪椭 撕啪啪啪螂姗。 武汉理一1 ：大学硕+ 学位论文 机械式液压伺服控制系统在c v t 控制领域逐渐消失，当前控制系统均采用电子 液压控制方式【3 1 。 图1 2 所示为早期的c v t 机液控制系统图。机液控制方式只需要用比较 少的液压阀便可实现c v t 系统的夹紧力和速比控制。但金属带传动机理的比较 特殊，导致这种控制方式存在诸多问题。例如其对主、从动轮的压力进行控制 时只能依据固定关系，且不能实现独立控制，故不能进行速比及央紧力的任意 控制，另外，皮托管的感应速度不太准确，使控制效果和精度受到影响，还有 控制系统的通用性比较差等。 图1 2 机液控制系统 1 、主动轮2 、从动缸3 、从动轮4 、液压泵5 、主动缸6 、皮托管 7 、速比控制阀8 、反馈杠杆9 、线压控制阀l o 、控制凸轮1 1 、控制杠杆 电液控制技术经历了单压力回路控制和双压力回路控制这两个发展阶段。 1 、单压力回路控制。早期的c v t 单压力回路系统控制原理图如图1 3 所 示。荷兰v d t c v t 公司的初期产品大多采用的是该结构，该系统差不多全部 保留了机液控制系统的特点。只是把机械操纵改为电子控制，将各个物理量的 传感与传输改为电信号的方式。但由于夹紧力控制及速比控制采用的是同一液 压回路，主动轮液压缸横截面积应为从动缸的1 7 2 倍，故不便于结构布置。 3 武汉理工大学硕士学位论文 图1 3 单压力回路原理图 1 、2 一比例阀3 一速比控制阀4 - 主动轮液压缸 5 一主动轮液压缸6 一从动轮液压缸7 一从动轮 后 图1 4 双压力回路原理图 2 、双压力回路控制。如图1 4 所示为h o n d a 公司开发的双压力回路电液 控制系统m u l t im a t i 的控制原理图。双压力回路电子液压控制系统能够很好地解 4 武汉理t 大学硕十学位论文 决单压力回路电子液压控制系统存在的诸多缺点。如它在从动带轮的输出轴上 增加一个起步离合器，使汽车即使在停车时，c v t 系统仍然可以正常地改变速 比，始终保证汽车能以最大速比状态起步。但是，其结构比较复杂，阀的数量 比较多，因此控制策略也会比较复杂，导致控制成本较高。 1 1 3 金属带式c v t 电控技术的功能 汽车上采用金属带式c v t 的主要目的，就是在满足动力性的前提下，使汽 车的燃油消耗率降至最低。而液压缸对金属带的夹紧力是否合适，传动比能否 根据汽车行驶工况实时变化，这些问题都与c v t 的电控系统密切相关。c v t 电控系统需解决以下三个方面的问趔4 一】： 1 ) 起步离合器的控制。根据驾驶员的意图，在各种条件均能使汽车平稳起 步，并能充分发挥汽车起步时的动力性，这是c v t 电控系统的第一大功能。 2 ) 夹紧力控制。根据汽车运行工况，把夹紧力始终控制在较合适的范围内， 这是c v t 电控系统的第二大功能。因为夹紧力过大，会使金属带的张力过大， 缩短了其使用寿命；而夹紧力过小，则会导致金属带在带轮上滑转，不仅加 剧了金属带与带轮间的磨损，同样会缩短金属带的使用寿命，而且还降低了 c v t 的传动效率。 3 ) 速比控制。在车辆的任何运行工况下，维持发动机运行在驾驶员选定的 工作点，使整车的燃油动力性、经济性以及平顺性处于最佳状态，这是c v t 电控系统的第三大功能。 只有这三方面的问题均得到很好的解决，才能使汽车的各项性能指标得到 充分的发挥。 1 1 4 金属带式c v t 电液控制技术国内外研究现状 在国外，对金属带式c v t 的结构、传动效率、力学分析等研究已经较为成 熟了，因此在对c v t 电液控制系统的控制策略的研究已成为其研究热点之一， c v t 电液控制系统的控制策略有模糊控制、模糊p i d 控制、智能p i d 控制等。 1 9 8 8 年，y m o r i m o t o 和y k a s a i ( 来自日本富士重工) 在c v t 液压控制系 统的基础上研究出了针对速比控制和夹紧力控制的电子控制系统。并介绍了该 电控无级变速器的设计与速比、夹紧力控制策略。其加速特性和燃油经济性比 5 武汉理j l ：火学硕士学位论文 机液控制式c v t 的要好。另外，t d e 等人在金属带式c v t 的速比变化率对 汽车的性能影响方面展开了一定的研究工作，他们建立了驱动系统的状态方程， 对所得的数学公式进行实验仿真，以分析车辆在传动速比变化时的动态响应， 并且，还引入了一个五参数控制模型来控制速比变化率。实验表明，对该五参 数控制模型的仿真结果能够较好地模拟实际的操作。 在我国，对c v t 的研究尚处在开始阶段，而且目前基本集中在大专院校。 另外，研究手段也主要是理论试验研究，如c v t 传动机理分析、控制策略研究 等等方面。1 9 9 7 年，重庆大学的机械传动国家重点实验室开始对无级变速传动 的开发和试验进行研究，主要研究c v t 的振动、传动机理以及相应的控制策略。 在对金属带式c v t 传动系统进行了研究后瞵】，重庆大学的秦大同、王洪岩等人 建立了并定量分析了瞬态条件下的力学模型，指出c v t 传动匹配在于主、被动 轮夹紧力的匹配控制和传动比变化的最优控制。此外，简单的c v t 传动系统模 型被建立起来，提出了速比变化率简化的算法，探讨了速比变化率对车辆平顺 性和加速响应的影响。在对无级变速传动的液压控制系统进行了研究 4 1 后，吉 林大学的裘熙定、周云山等人建立了汽车c v t 传动的速比控制、夹紧力控制以 及整车动态模型，并对汽车在起步时与行驶变速时的动态调节过程进行了仿真 计算，为进一步研究c v t 传动规律以及进行电控系统开发奠定了基础。吉林大 学在2 0 0 2 年首次实现了我国自行研发设计的c v t 的装车试验，该c 是由东 风汽车公司技术中心、东北大学以及吉林大学联合研制开发的。试验取得了一 定的研究成果。但是，因为该分立式的电液控制系统存在较多问题，所以在控 制效果上仍然不太理想。2 0 0 3 年，该课题组又自主研制了基于数字控制技术的 集成式电液控制系统的c v t ，并进行了台架试验，且首次在国内进行了装车 试验，试验车辆为1 6 l 轿车，试验取得了较好的效果。在c v t 集成电液控制 系统研究方面取得了重要的进展。 1 2 智能控制概论及本文所采用的智能控制方法 1 2 1 智能控制技术 智能控制指在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自 动控制技术。对于许多复杂的系统，难以建立有效的数学模型和用常规的控制 6 武汉理1 ：大学硕十学位论文 理论去进行定量计算和分析，而要由机器用类似于人的智慧和经验来引导求解 过程。因此，在智能系统的研究和设计时，主要工作不在数学公式的表达、计 算和处理方面，而是在对任务和现实模型的描述、符号和环境的识别以及知识 库和推理机的开发上，即智能控制的关键问题不是设计常规控制器，而是研制 智能机器的模型【9 1 。此外，智能控制的核心在高层控制。高层控制是对实际环 境或过程进行组织、决策和规划，需要采用符号信息处理、启发式程序设计、 知识表示、自动推理和决策等有关技术。以实现问题求解。这些问题求解过程 与人脑的思维过程有一定的相似性，即具有一定程度的“智能”。 智能控制是- i - j 涉及领域十分广泛的新兴学科，是以控制理论、计算机科 学、人工智能、运筹学等学科为基础，扩展了相关的理论和技术，其中应用较多 的有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论和自适应控制、自组织 控制、自学习控制等技术。 1 2 2 本文所采用的模糊控制技术及优化策略理论概述 由前文可知，金属带式c v t 电控系统需要解决三个方面的控制问题，即： 起步离合器的控制、金属带夹紧力控制以及速比控制。然而金属带央紧力控制 和速比控制是相互耦合的，并且二者均不能用解析式来精确描述其期望目标。 因此本文采用模糊逻辑控制技术对夹紧力和速比分别进行控制。起步离合器的 控制相对独立，在本文中暂不作研究。智能模糊控制是一种非线性控制方法， 工作范围宽，适用范围广，特别适合非线性系统的控制【l0 1 。它具有如下显著 优点。 ( 1 ) 它不依赖于对象的数学模型，对无法或很难建模的复杂对象，也能利用 人的先验知识来设计模糊控制器完成控制任务。而传统的控制方法都要在已知 被控对象的数学模型的条件下，才能完成设计控制器的设计。 ( 2 ) 它具有内在的并行处理机制，表现出很强的鲁棒性，对被控对象的特性 变化不敏感，模糊控制器算法简单，执行快，容易实现。不需要很多的控制理 论知识，易推广普及。 而在模糊控制器的设计过程中，获得良好的控制规则集和隶属函数比较困 难，因为这需要大量的专家知识与经验以及大量的试验，在本文中，将应用一 种带有自增强机制的遗传算法来优化夹紧力模糊控制器和速比控制器的结构。 7 武汉理+ 【人学硕+ 学位论文 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物 进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法，它是 由美国m i c h i g a n 大学的j o h nh o l l a n d 和他的同事及学生提出的【“l 。类似于自然 界演化的基本法则，“适者生存”是遗传算法的核心机制，同样，“复制 ( r e p r o d u c e ) ”、“杂交( c r o s s o v e r ) ”、“变异( m u t a t i o n ) ”等自然界的生物演化规则 在遗传算法中都得到类似的体现。与其他算法相比，遗传算法主要有以下四个 方面的不同： ( 1 ) 遗传算法所面向的对象是参数集的编码，而不是参数集本身； ( 2 ) 遗传算法的搜索是基于若干个点，而不是基于一个点； ( 3 ) 遗传算法利用目标函数的信息，而不是导数或者其他辅助信息； ( 4 ) 遗传算法的转化规则是概率性的，而不是确定性的。 1 3 论文研究的主要内容及其意义 1 3 1 论文研究的目的及意义 我国汽车市场是世界上最有发展潜力汽车市场，因此，研究开发拥有自主 知识产权的无级变速器具有重要的社会和经济意义。而电控系统的开发与研究 是无级变速器研发的关键，这对提高我国自主品牌轿车的自主开发能力具有重 要的意义。现在，我国已将轿车金属带式c v t 的研究开发列入国家重大科技攻 关计划。结合学校现有条件，本研究中将金属带式c v t 作为对象进行研究，将 智能控制策略引入到c v t 电控系统中，通过m a t l a b s i m u l i n k 软件对速比和夹 紧力进行控制仿真，并对控制策略的测试方法进行了初步的研究，为开发有实 际应用价值和自主知识产权的c v t 电控系统奠定基础。 1 3 2 论文研究的主要内容 本论文对h o n d a 金属带式c v t 的双压力回路电液控制系统的结构和工 作特性进行了研究，基于m a t l a b s i m u l i n k 建立了装备有金属带式c v t 汽车的 整车仿真模型；利用模糊逻辑控制策略进行速比控制器和夹紧力控制器的设计， 并利用遗传算法分别对速比模糊控制器和夹紧力模糊控制器进行优化；对电控 系统控制策略的测试方法进行了一定的研究。本论文遵循的研究流程如图1 5 武汉理丁人学硕十学位论文 所示，主要研究内容如下： 1 ) 对某轿车金属带式c v t 进行拆装，分析c v t 的传动原理，研究其控制目标 与实现方法； 2 ) 采用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立的装备有金属带式c v t 的整车仿真模型， 并采用基于遗传算法优化的模糊控制策略实现速比控制器和夹紧力控制器 的设计，在所建立的模型上进行离线控制仿真，并对仿真结果进行评估； 3 ) 对所设计的速比模糊控制器和央紧力模糊控制器后续的验证方法进行了研 究，提出首先运用基于d s p a c e 的金属带式c v t 控制器硬件在环仿真平台 对所设计的控制器进行实时仿真，并利用实时仿真结果评估系统不断对控制 器进行修正；然后将实时仿真优化后的控制器用于c v t 传动系统试验台上 进行台架试验，进一步对所设计的控制器以及所建立的整车仿真模型进行验 证。 9 武汉理l = 大学硕十学位论文 图i - 5 论文采用的技术路线 l o 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章金属带式c v t 系统基本工作原理 2 1 金属带式c v t 传动的基本原理 无级变速器是传动比可以在一定范围内连续变化的变速器，简称c v t ( 英 文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 的缩写) 。它采用传动金属带和工作直径 可变的主、从动轮相配合传递动力来实现传动比的连续改变，从而得到传动系 与发动机工况的最佳匹配，最大限度地利用发动机的特性，提高汽车的动力性 和燃油经济性，目前在汽车上的应用越来越多。目前常见的无级变速器是金属 带式无级变速器( v d t - c v t ) 。 2 1 1 金属带式c v t 的结构组成 图2 1 是金属带式c v t 的基本结构， 档制动器及行星齿轮装置、速比变换器等， 包括起步离合器、前进档离合器倒 另外还有液压控制单元和电控单元 图2 - 1 金属带式c v t 的基本结构 武汉理：r 大学硕斗：学位论文 2 1 2 金属带式c v t 的基本工作原理 金属带式c v t 各部分的组成以及工作原理如下。 1 ) 起步离合器 起步离合器的主要功用是：根据驾驶员的要求在各种不同的使用条件下均 能使汽车起步平稳，并能在必要时切断动力的传递。目前，装载有c v t 的汽车 的起步系统有三种：液力变矩器、湿式多片离合器和电磁离合器。液力变矩器 与c v t 系统合理匹配，可使汽车起步平顺，提高动力性和驾驶舒适性，但成本 较高。为降低成本，研究人员引入电控技术，用多片湿式离合器实现了液力变 矩器的起步特性。h o n d a 公司c v t 采用多片湿式起步离合器，其工作效率比 般自动变速箱的变矩器要高。 2 ) 离合器及行星齿轮机构换向机构 该金属带式c v t 的起动装置是前进档离合器和倒档制动器，并与行星齿轮 机构一起实现前进档和倒档。它们不改变传动比，只做起动装置。如图2 2 所 示，太阳轮作为输入元件，与输入轴和前进档离合器钢片相连接，行星架作为 输出元件，与辅助减速齿轮的主动齿轮和前进档离合器的摩擦片相连接，齿圈 和倒档制动器摩擦片相连，倒档制动器钢片和变速器壳体相连接。 倒档镧 前进档离旨器7 i l 旧哳啤下 压 太陌轮彳u丰甚轮茹- 卜 圭j - 一 w i i正纠k 卜 7 h l 、一 ：唱1 7 - - 鹾 一汹 一叼7 一 图2 - 2 行星齿轮机构的简图 1 2 武汉理工大学硕士学 _ ：论文 p n 档动力传递路线 选p n 档时，倒档制动器与前进档离合器均不工作。发动机的转矩通过太 阳轮传到行星齿轮机构并驱动行星轮1 ，行星轮1 与驱动行星轮2 相啮合，行 星轮2 再驱动齿圈。车辆尚未行驶时，作为辅助减速齿轮输入部分的行星架( 行 星齿轮机构的输出部分) 的阻力很大，处于静止状态，齿圈以发动机转速一半的 速度怠速运转，旋转方向与发动机相同，传递转矩增大。 前进档动力传递路线 选d 档时，倒档制动器不工作，前进档离合器工作。由于前进档离合器钢 片与太阳轮( 变速器输入轴) 连接，摩擦片与行星架( 输出部分) 相连，此时，太阳 轮与行星架连接，行星齿轮机构被锁死成为一体，传动比为i ：1 ，并与发动机 运转方向相同，。 倒档动力传递路线 选档杆处于r 位时，前进档离合器不工作，倒档制动器工作。由于倒档制 动器摩擦片与齿圈相连接，钢片与变速器壳体相连接此时，齿圈被固定，太阳 轮( 输入轴) 主动，转矩传递到行星架，由于是双行星齿轮，所以行星架运转方 向就会与芨动机旋转方向相反，实现车辆向后行驶。 3 1 速比变换器 速比变换器是c v t 最核心的装置，实现无级变速传动。速比变换器主要由 金属传动带和主、从动带轮组成，如图2 - 3 所示。 2 国 窄 宽 ( a )( b ) 图2 - 3 速比变换器的基本组成和原理 ( a ) 低速( 传动比大)( b ) 高速( 传动比小) 主动带轮装置2 从动带轮装置3 动力输出4 - 动力输入5 传动金属带 武汉理i _ 大学硕士学位论文 a 连接主、从动带轮的传动金属带是一个组合元件，它由数百片厚约2 m m 的v 形摩擦片和嵌在摩擦片鞍座面内的两组金属钢带坏组组成。每组钢带环由 若干层厚度为0 1 8 m m 的钢带环套合而成。在动力传递过程中，主要用来把金 属推块约束在一起，并引导金属片的运动。图2 - 4 为传动金属带结构简图。 图2 _ 4 传动金属带结构简图 b 主动带轮和从动带轮。主、从动工作轮都是由两个带有斜面的半个带 轮组成，其中一个半轮是固定的，另一个半轮可以通过液压控制系统控制其轴 向移动。由于两个带轮是通过钢带连接在一起的，所以其中心距固定。同时为 防止钢带打滑，它们对钢带提供适当的侧向压力。带轮通过钢球滑道结构在液 压控制系统作用下实现轴向滑动，使传动带的工作半径连续改变，从而实现速 比的连续变化，其工作原理如图2 - 3 所示。 4 ) 中间减速机构。设置中间减速机构的原因是无级变速机构能够提供的 传动比变化范围不能完全满足整车传动比范围的要求，因而增加一套减速机构 来增大速比范围。 5 】液压系统及其电子控制单元 c v t 的液压系统也像自动变速器的液压控制系统一样，保证系统油压的控 制、油路的转换控制、用油元件的供油以及冷却控制等。 a 液压油泵。常用的液压油泵有两种形式，齿轮泵和叶片泵。为c v t 传 动系统提供控制、冷却和润滑的液压油源。为有效提高液压油泵工作效率，滚 子式叶片泵多被运用到最近开发的c v t 传动器中。 b 电子控制单元。电子控制系统是通过各种传感器，将发动机转速、节气 门开度、车速、外界阻力等参数转变为电信号，并输入电脑：电脑根据这些电 武汉理t 大学硕十学位论文 信号，按照驾驶员选定的工作模式，向央紧力电磁阀、速比电磁阀等发出电子 控制信号；夹紧力电磁阀和速比电磁阀再将电脑的电子控制信号转变为液压控 制信号，阀板中的各个控制阀根据这些液压控制信号，控制主、被动轮可动部 分的轴向运动，从而实现无级变速。 2 2 金属带式c v t 传动的控制技术 金属带式c v t 的控制分为三种：速比控制、夹紧力控制、起步离合器控制。 三者之间的控制过程是相互耦合的。在金属带式c v t 的实时控制过程中，对速 比控制时，需要考虑夹紧力控制的影响，而设计夹紧力控制时，则可以不考虑 速比控制。由于起步离合器的控制相对独立，故不考虑其对速比和夹紧力控制 的影响，另外，本文中对起步离合器的控制不作探讨。如图2 5 所示为c v t 传 动控制系统示意图。 传 动 系 统 反 馈 图2 5c v t 传动控制系统示意图 武汉理工火学硕士学位论文 2 2 1 速比控制 c v t 的速比控制是实现实际速比精确跟随目标速比，即按照c v t 传动系 统的匹配策略，控制速比根据汽车行驶工况的改变而实时变化，使汽车在任何 工况下行驶时，均能维持发动机工作在动力性模式或经济性模式下【”】。汽车行 驶时，驾驶员改变加速踏板位移大小会直接改变发动机的转速大小，同时使工 作在动力性模式或经济性模式下的目标速比也随之发生变化。这时，目标速比 与实际速比便产生了一定的偏差，根据这个偏差值以及其变化率，速比控制器 便通过产生控制量来执行控制任务，使实际速比尽快的跟踪到目标速比上。另 外，在汽车行驶过程中突遇路面阻力，汽车加速度很快下降，目标速比须发生 改变以保证发动机提供给汽车的牵引力与外界阻力相平衡，使发动机仍然维持 工作在经济性模式或者动力性模式下，这时，实际速比与目标速比便产生了一 定的偏差，根据这个偏差值以及其变化率，速比控制器通过产生控制量来控制 执行机构，使实际速比尽快的逼近目标速比。 进行速比控制前首先要确定c v t 的传动速比【l6 1 。在实际的c v t 控制系统 中，把目标速比d 定义为发动机目标转速与被动带轮实际转速之比，即 l 2 m a x 刀e o 以d 觚 屯= n e o n o n n n e o n o n k ( 2 1 ) 【i r n i nn p o 力d l 表示有：t i 玎- - - k * t e ， 于是金属带的目标夹紧力q d n 为： q d v = k r , e o s c r ( 2 a r , , , ) ( 2 5 ) 2 3 本章小结 本章介绍了金属带式c v t 的结构组成和基本工作原理。对c v t 电控系统的 控制技术进行了介绍，通过研究金属带式c 电控系统的控制任务，确定了本 研究中的控制目标，并对速比和夹紧力这两大控制目标量进行了定义。 1 7 武汉理1 ：人学硕十学位论文 第3 章金属带式c v t 传动系统建模 3 1 金属带式c v t 传动电液控制系统的结构 针对金属带式c v t 传动电液控制系统的存在的问题，本课题对h o n d a 公司 的一款c v t 进行控制系统开发，探索双压力回路电液控制系统的控制策略。本 课题中对c v t 速比和夹紧力均采用力控制。 h o n d ac v t 的液压系统如图3 1 所示，各液压油口代码的说明如表3 1 所 示。h o n d ac v t 采用的电子控制回路如图3 2 所示。油泵的输出流量可以认为 不变，为防止溢流阀堵塞引起系统崩溃，油泵输出油液先通过安全阀，由手动 调节先导式减压阀限制系统的最高压力，通过控制比例溢流阀输出压力控制从 动缸夹紧力；而速比控制阀选用电磁换向阀，通过控制电磁阀的占空比，经脉 宽调制器来控制高速电磁阀的通过量，并回油，控制主动缸液压油的流量，改 变主动缸的压力，调节速比。离合器由电磁换向阀调节离合器油缸压力，通过 控制电磁阀的电流大小改变压力大小，对电磁阀的通电选择前进离合器和倒挡 离合器【1 6 】。 表3 i 液压油口代码 油口代码压力说明油口代码压力说明 c c 离合器控制p h高压 c c b 离合器控制b p h c 高压控制 c o l 自动变速器油冷却器 r c c 循环 c r 离合器减压r i倒档安全装置 d n从动带轮r v s 倒档制动器 d n c 从动带轮控制 r c s 倒档制动器 d r 主动带轮s c 起步离合器 d r c 主动带轮控制 s i 换档限制装置 f w d 前进档离合器x排放 l u b 润滑 武汉理t 大学硕士学位论文 r f # if * * ； 图3 - 1 本田c v t 液压系统 b产鞫 u 瓜羽 岳黑一i i 。；l l 剖 图3 - 2 本田c v t 电子控制系统简图 武汉理l ：入学硕十学位论文 3 2 金属带式c v t 传动电子控制系统的组成及简化 传感器、动力系统控制模块( p c m ) 和电磁阀共同组成了h o n d ac v t 电子控 制系统。来自传感器、开关及其它控制装置的输入由p c m 接收，然后电磁阀 被操纵，可实现如下功能1 8 】： 1 ) 从动缸压力控制( 夹紧力控制) ； 2 ) 主动缸压力控制( 速比控制) ； 3 ) 倒挡锁定控制； 4 ) 起步离合器控制； 5 )自诊断； 6 ) 失效保护控制。 c v t 的工作状态由传感器来反馈，h o n d ac v t 电子控制系统采用4 个传感 器作为控制系统的输入： 1 ) 从动带轮转速传感器； 2 ) 转速传感器； 3 ) 挡位传感器； 4 ) 主动带轮转速传感器。 系统的压力调节由电磁阀通过机械结构控制来实现，h o n d ac v t 电子控制 系统共采用了四个电磁阀： 1 ) 控制主动带轮的电磁阀； 2 ) 限止电磁阀； 3 ) 起步离合器压力控制阀； 4 ) 控制从动带轮的电磁阀。 为了模拟金属带式c v t 的运动学、动力学以及控制过程，以便分析整个传 动系性能，需建立装备有金属带式c v t 的整车模型。考虑到主要研究对象是上 述双压力回路电液控制系统，本文对金属带式c v t 传动系统进行了如下简化， 简化模型如图3 3 所示 16 1 。 1 ) 将金属带式c v t 机械部分简化为两个旋转质量的模型系统； 2 ) 假定金属带式c v t 的离合器始终处于理想结合状态；假定金属带与带 轮的力矩传递特性为理想状态，不考虑滑磨和金属带轴向偏移对系统力矩传递 效率的影响； 2 0 武汉理工大学硕十学位论文 3 ) 只考虑起直接作用的电磁阀，不考虑起步离合器控制阀对变速系统的影 响，且忽略其它起辅助作用的阀； 4 ) 一般很难用一个精确的数学表达式来表示内燃机复杂的工作过程。因 此，本文建立的发动机模型是采用拟合公式来描述的，是建立在发动机稳态试 验数据基础上的。 5 ) 不计系统接头及管路弯曲处的损失。 、一， c辩攘囊 图3 3 金属带式c v t 传动系统简化模型图 3 3 发动机的匹配原理和仿真模型 3 3 1 发动机的万有特性和匹配原理 汽车在行驶中，要获得较好的燃油经济性，就应对不同的发动机匹配相应 的变速传动系，以便有效地调节或变换发动机性能，将动力有效而经济地传至 驱动轮。车用内燃机的运行工况极其复杂，分析内燃机各种工况下的性能，多 用内燃发动机的万有特性来全面表示内燃机性能参数的变化状况。最常用的万 有特性是以转速为横坐标，平均有效压力或转矩为纵坐标，在图上画出等功率 曲线、等耗油率曲线，如图3 - 4 所示。等耗油率曲线类似地球上的等高线。各 等耗油率曲线之间是不相交的，而等功率曲线是一组双曲线。万有特性的中间 偏上位置，希望使常用转速与负荷处于最经济的区域内。 2 l 零 邑 芒 霉 盖 百 。 武汉理一i ：人学硕+ 学位论文 董 已 1 、 l _ 、 彤父 、 9 7 m 、 j 6 l 心 心9p l 一 1 1_ 2 3 4 、 _ 一 l2 4 5一k ，一 、 、 h i - 一 、 2 6 2 - i ，一 、- 3 2 6 r ，f l w h