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金属带无级变速器的模型建立与控制策略的研究 摘要 在当今社会，汽车已经成为人们生活中很重要的一部分，人们不再仅仅重视 汽车的经济性和动力性，对汽车的驾驶舒适性也提出了更高的要求，特别是轿车 进入家庭，私人司机的大量出现，对自动挡汽车的需求日益迫切。金属带式无级 自动变速器( 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 ) 因其具有结构简单、操纵方 便、传动效率高、节能和环保等优点，作为一种理想的变速装置成为人们的首选， 近几年得到快速的发展。因此本文研究中选择金属带式无级变速器作为研究对象， 并针对复杂路面情况，提出了综合控制策略工作模式，以兼顾经济性和动力性的 需求。 本文首先在查阅了大量资料的基础上，对金属带式无级变速器经济性、动力 性、传动效率、可靠性与寿命、排放和成本等方面的优势及其在国内外发展状况 以及未来的发展趋势进行了论述。 其次，根据金属带式无级变速器的结构对其工作原理进行了分析，并详细分 析了金属带式无级变速传动的控制技术，为后面的建模与仿真提供了很好的理论 基础。 再次，对影响c v t 控制性能的电液系统进行了比较分析，并着重分析电控系 统，包括c v t 电控系统的结构，接口线路和软件设计。由于速比控制对综合控制 策略影响很大，本文侧重分析了p i d 速比控制器，包括p i d 的控制原理、速比变 化率p i d 控制算法和p i d 控制算法的一些改进。 然后，在m a t l a b 环境下，对发动机实验数据进行处理，得到了该发动机的 输出转矩、输出功率、燃油效耗率的数据模型，据此得到发动机的输出转矩m a p 图等，进而获得最佳经济工作线和最佳动力工作线，并在m a t l a b s i m u l i n k 中建立 了整车模型，以便对控制策略进行仿真分析及验证。 最后，为了适应我国广大农村地区以及城乡结合地带的汽车行驶过程中经常 会遇见道路摩擦阻力变化的情况，提出了在道路摩擦阻力变化时的综合控制策略， 以解决驾驶员单纯选择经济性模式或动力性模式时，由于驾驶员的操作熟练程度 和对路况判断准确程度不同和驾驶员个体差异会使动力传动系统控制效果不能实 现最佳的弊端。并利用所建立的整车模型，对道路摩擦阻力变化时的典型工况进 行了仿真分析。结果表明：经济性模式可以在小功率需求时表现出较好的经济性 而在大功率需求时不能提供很好的动力性，动力性模式可以在大功率需求时提供 较好的动力性而在小功率需求时不能有很好的经济性，只有综合控制策略能将经 济性和动力性的优点很好地结合在一起，验证了本文提出的综合控制策略的可行 硕士学位论文 性。 关键词：金属带式无级变速器：整车模型：摩擦阻力：电液控制系统；动力模式； 经济模式；综合控制策略 i l i a b s t r a c t i nt o d a y s s o c i e t y ，t h ec a r h a sb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r to fl i f e p e o p l ea r en o i o n g e rj u s ta t t a c h e dt ot h ec a r sf u e le c o n o m ya n dp o w e r , a l s op u tf o r w a r dh i g h e r 托q u l r e m e n t st oa u t o m o b i l ed r i v i n g c o m f o r t ，e s p e c i a l l yt h ec a re n t e r saf a m i l v p e r s o n a ld r i v e ra p p e a r e di nl a r g en u m b e r s ，t h ea u t o m a t i cc a rn e e d su r g e n t b e c a u s e m e t a lb e l tt y p e 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 ( c v t ：c o n t i n u o u s l vv a r i a b l e 1r a n s m l s s l o n ) h a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，c o n v e n i e n t o p e r a t i o n h i g h t r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y ，e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na n do t h e r a d v a n t a g e s i ti sa ni d e a lt r a n s m i s s i o ns oi tb e c o m et h ef i r s tc h o i c ef o r p e o p l e i n r e c e n ty e a r si th a sb e e nt h er a p i dd e v e l o p m e n t t h i sp a p e rs t u d i e st h e s e l e c t i o no f m e t a lb e l t t y p ec v ta st h er e s e a r c ho b je c t a n di nv i e wo ft h e c o m p l e xr o a d c o n d l t l o n s ，p u t sf o r w a r dt h ec o m p r e h e n s i v ec o n t r o l s t r a t e g ym o d e lt ob a l a n c et h e e c o n o m ya n dp o w e rd e m a n d t h i sp a p e rf i r s tr e v i e w e dal a r g en u m b e ro fd a t a t h em e t a lb e l t t y p ec v t r s e c o n o m y ，p o w e r , t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , r e l i a b i l i t ya n dl i f e e x p e c t a n c y ，e m i s s i o n s a n dc o s ta n do t h e r a s p e c t s o ft h e a d v a n t a g e s a n dt h ed o m e s t i ca n d f o r e i g n d e v e l o p m e n tc o n d i t i o na n df u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n da r ed i s c u s s e d s e c o n d l y , t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em e t a lb e l t t y p ec 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 n1 s a n a l y z e da c c o r d i n gt oi t ss t r u c t u r e a n dg i v ead e t a i l e da n a l y s i so f m e t a lb e l tc 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 sc o n t r o lt e c h n o l o g yf o rt h em o d e l i n g a n ds i m u l a t i o np r o v i d e sa g o o dt h e o r e t i c a lb a s i s a g a l n ，c a r r yo nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i st ot h ee l e c t r o h y d r a u l i cs y s t e mt h a tg e t t h ee f f e c to fc v tc o n t r o lp e r f o r m a n c e s a n df o c u s e so na n a l y s i so fe l e c t r i cc o n t r o l s y s t e mi n c l u d i n gt h es t r u c t u r eo fc v te l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ，i n t e r f a c ec i r c u i ta n d s o f t w a r ed e s i g n a sar e s u l to fr a t i oc o n t r o l g e tg r e a ti n f l u e n c eo nt h ei n t e g r a t e d c o n t r o ls t r a t e g y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ea n a l y s i so f p i ds p e e dc o n t r o l l e r i n c l u d i n 2 t h ep i dc o n t r o lp r i n c i p l e ，c h a n g i n gr a t eo f s p e e dr a t i oo fp i dc o n t r 0 1a n dp i dc o n t r o l a l g o r i t h m s t h e n ，i nt h em a t l a be n v i r o n m e n tt a k ee x p e r i m e n t a ld a t ap r o c e s s i n go f e n g i n e a n dg e tt h ee n g i n eo u t p u tt o r q u e ，o u t p u tp o w e r , f u e lc o n s u m p t i o nr a t e o ft h ed a t a m o d e l ，g e tt h ee n g i n eo u t p u tt o r q u em a p t h e ng e tt h eb e s te c o n o m i cl i n ea n dt h e o p t i m a lp o w e rl i n ea n de s t a b l i s hav e h i c l em o d e li nt h em a t l a b s i m u l i n k s ot h a tw e i v 硕士学位论文 c a nt a k et h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dv e r i f i c a t i o no ft h ec o n t r o ls t r a t e g y f i n a l l y ，i no r d e rt oa d a p tt ot h ep r o c e s so fm o v i n gv e h i c l eo f t e n m e e tr o a d f r i c t i o nr e s i s t a n c ec h a n g e si nc h i n a sv a s tr u r a la r e a sa n du r b a na r e a s ，w ep u tf o r w a r d t h ei n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g yw h e nr o a df r i c t i o nr e s i s t a n c ec h a n g e s i no r d e rt os o l v e t h em a l p r a c t i c eo ft h ed r i v e rs i m p l yc h o o s ee c o n o m ym o d eo rd y n a m i cm o d ea n dd u e t ot h ed r i v e r ss k i l ll e v e la n do nt h er o a da c c u r a t ed e g r e ea n dt h ed r i v e ro ft h e i n d i v i d u a ld i f f e r e n c e sc a nm a k ep o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mc o n t r o le f f e c tc a n n o tb e a c h i e y e db e s t a n da c c o r d i n gt ot h ee s t a b l i s h e dv e h i c l em o d e l ，t y p i c a lw o r k i n g c o n d i t i o n so fr o a df r i c t i o nr e s i s t a n c ec h a n g e sw e r es i m u l a t e da n da n a l y z e d t h e r e s u i t ss h o wt h a tt h ee c o n o m i cm o d e ls h o w e db e t t e re c o n o m yi ns m a l lp o w e rd e m a n d b u tc a n n o tp r o v i d eg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c ei nb i gp o w e rd e m a n d d y n a m i cm o d e l c a np r o v i d eb e t t e rp o w e ri nb i gp o w e rd e m a n db u tc a n n o th a v eg o o de c o n o m yi n s m a l lp o w e rd e m a n d o n l yt h ei n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g yc a ng e tt h ea d v a n t a g e so f t h ef u e le c o n o m ya n dp o w e r s ot h er e s u l td e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo fi n t e g r a t e d c o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ：t h em e t a l b e l tc o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o n ( c v t ) ；v e h i c l e m o d e l ；f r i c t i o n a lf o r c e ；e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ；d y n a m i c s m o d e ；e c o n o m i cm o d e ；i n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g y v 硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 在现代社会中，汽车已经成为了最重要的交通工具，它深入了人们生活的各 个方面，成为现代文明社会重要的组成部分。火车和轮船虽然装载量大，但要在 固定地点才能装载乘客和货物，飞机虽然快速，但需要有固定的机场，且成本较 高。所以说飞机，火车和轮船都只能在点和线上发挥作用，只有汽车才能深入到 城乡的每一个角落。正因为如此，汽车迅速发展成为人们生活中最重要的交通工 具。 但在汽车工业的迅速发展给人们带来很多便利的同时也带来了很多问题，因 为汽车保有量增加，已导致全球能源危机与环境污染，从而节约能源和保护环境 已成为人类发展主题。在能源危机与环境污染的压力下，许多国家制定了严格的 规章制度，如美国的能源政策和法律( 能源政策与保护法) ，规定了汽车制造公司 平均燃油经济性标准( 汽车公司平均燃油经济性) 。美国目前的汽车平均油耗仅相 当于7 0 年代的6 0 。我国政府也正式颁布了控制汽车排放的法规，规定自2 0 0 1 年9 月1 日起全面停止了化油器汽车的销售，规定2 0 0 2 年后的小型车的排放应符 合欧洲标准，为大型柴油发电机组自2 0 0 3 年9 月必须满足欧标准。2 0 0 8 年北 京将举办奥运会，提出北京市小型车在2 0 0 3 年1 月后满足欧i i 标准。 严格法规将使得国内外各大汽车厂商会采取各种措施以满足这要求，包括电 动车，混合动力汽车代替汽油、柴油、压缩天然气、液化石油气汽车和燃料电池 车等。尽管各种新能源汽车技术的不断出现，研究取得了很大的进步，但由于成 本和许多技术问题，限制了它的推广和应用。在未来的几十年里，以替代燃料作 为能源的效率高的内燃机和内燃机为动力源的混合动力技术仍然是主要的汽车动 力的来源【l 】。 因此，汽车的传动系统与传统的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整车主要的性能指标。因此，研究和改进汽车传动系统仍 是非常重要的。而无级变速器能使整车具有更少的燃油消耗和更低的排放污染， 整车具有更好的舒适性，适应汽车节能、环保、舒适的要求，因此研究能够实现 速比连续变化的无级变速器也是非常有实际意义的。 汽车传动系速比无级变化，将会改善汽车的以下性能【2 j ： ( 1 ) 经济性：c v t 可以实现连续改变传动比，传动系统与发动机的运行条件可 以得到最佳匹配，车辆的燃油经济性提高。 金属带无级变速器的模型建立与控制策略的研究 ( 2 ) 动力性：c v t 可以实现发动机闭环控制，可获得发动机和车辆运行状态的 最优匹配。无级变速的特点，获得一个备用的最大传输率，汽车的后备功率大， 汽车的动力性好。 ( 3 ) 传动效率：c v t 系统有很宽的传动比，介于0 5 到2 5 之间，相对于传统的变 速箱，具有较高的灵活性，加速更加顺畅。 ( 4 ) 可靠性与寿命：c v t 的可靠性与寿命主要取决于金属带传动工作组件和控 制系统，据荷兰v d t 公司的技术人员称，现在新的设计和技术已经解决了c v t 过 去存在的主要问题，8 0 万套c v t 在世界各地试用的结果出现故障的只有2 0 0 套， 故障率为0 0 2 5 。 ( 5 ) 排放：无级自动变速器实现发动机的闭环控制，具有较宽的速比变化范围， 可使发动机经常处于经济转速区域内运转，从而降低了排气污染。 【6 成本：c v t 系统结构简单，零部件数目比a t 少很多，一旦汽车制造商开始 大规模生产，c v t 的成本将会比a t 小。由于采用该系统可以节约燃油，随着大规模 生产以及系统、材料的革新，c v t 零部件的生产成本，将降低2 0 3 0 。 1 2 无级变速器的基本情况 1 2 1 无级变速器的发展状况 无级自动变速器( 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 ，简称为c v t ) 的速比连 续变化，能实现发动机和变化的道路载荷良好匹配，提高汽车的动力性与燃油经 济性。无级变速器的燃油经济性和动力性好于四，五档自动变速器，甚至优于六 档速自动变速箱，靠近司机熟练操作的五档手动变速器性能。无级变速器换挡平 顺，减小变速冲击。在恶劣路面上行驶时，车辆传动轴装有无级变速器的最大扭 矩峰值仅相当于手动变速器的2 0 4 0 ，起动力矩峰值仅相当于手动换档的5 0 ， 使发动机使用寿命提高了，传输和使用寿命提高2 倍，换档冲击减小，也改善了 乘坐舒适性【3 】。因此，无级自动变速箱一直是对汽车追求的理想的传动方式。1 8 8 6 年初，戴姆勒奔驰在第一辆汽车使用汽油引擎车设有橡胶带式无级变速器，如图 1 1 所示，后来美国卡特车配备了一个简单的金属盘摩擦无级变速器，1 9 3 0 年在 奥斯汀十六车用牵引式无级变速器，如图1 2 所示。1 9 5 8 年d r h u bv a nd o o r n e 设计了橡胶带无级变速器v a r i o m a t i c 装用在d a f 6 6 轿车上。在这同时，带传动 式c v t 也取得了很大的发展，金属带式c v t 如图1 3 。由于金属带式在传动比范 围、传动寿命、工作可靠性、传动效率等方面均优于金属链式，并且在转矩传递 能力和传递效率上也优于其它类型的无级变速传动，是国内外汽车传动技术研究 和推广的重点，也是本文的研究对象。 早期的汽车无级变速器由于结构限制和传输原理的原因，传输的能量是有限 硕士学位论文 的，还没有得到广泛应用。因此，适用于大功率传动齿轮变速器有优势。1 9 8 7 年， 富士重工的金属带式无级变速器电控无级变速器应用在汽车上，汽车无级变速传 动中的应用取得突破。金属带式无级变速器性能优良，主要因为金属带组件是推 力而非拉力传递动力的传动机构，是独特的，是一种新的传递形式，研究金属带 式无级变速器的人很多 4 j 。汽车无级变速器的应用适应了人们对全球的可持续发 展的要求，以及环境保护和节能要求。能源和环境保护成为影响人类发展的主题， 今天的世界环境污染、能源消耗很严重，汽车每年用4 6 石油，来自汽车的排放 造成了欧洲和美国的城市空气污染的6 0 。发动机的使用条件影响汽车尾气中的 有毒物质含量：1 ) 发动机稳定工作时候有毒的气体排放小，不稳定的条件下有毒 气体排放量大；2 ) 汽油机怠速时二氧化碳浓度高，而甲烷和发动机的转速成正比。 由于汽车自动变速箱自动变速，避免手动换档时断电造成的发动机转速的变化、 有毒气体排放量增加、污染和其他问题。同时，无级变速箱车辆的速度范围扩大， 使汽车可以在发动机低转速高扭矩的条件下，输出功率，这样不仅降低噪音，提 高传动系统的效率，还能降低辅助装置的能耗，使发动机的扭矩增加，废气、一 氧化碳、甲烷降低，排气量随温度的降低催化转化反应条件可以得到改善。完全 燃烧会导致有害气体的数量减少。 输入、 ，输出 图1 1 早期的摩擦式无级变速器 图1 2 装在a u s t i n l 6 车上的c v t 金属带无级变速器的模型建立与控制策略的研究 图1 3 金属带式c v t 长时间以来，动力传输在控制汽车驾驶中占了很大的比例。根据研究，在市 区的交通负荷中，手动挡汽车每行驶1 0 0 公里驱动变速齿轮变速4 0 0 6 0 0 次，踩 离合器6 0 0 次，平均每分钟司机必须是连续完成2 0 个协调行动，频繁的不安全因 素增加【5 】。自动变速箱简化了驱动，有提高安全性的优势。一大批熟练的司机， 也有助于推动自动化技术的发展。由于通用汽车在1 9 3 9 年汽车首次安装了自动变 速箱，自动变速箱在国外已有相当高装配率。日本汽车自动变速箱装载率在8 0 。 而我国到目前为止，独立生产的自动变速箱很少，国内外，差异很大。市场调查 显示，5 0 的购车人有自动档的配置需求。在1 9 9 9 上海通用别克装有自动 t r a n s m i s s i o n 的有1 9 8 2 6 辆车，广州本田有1 0 0 0 3 辆，一汽a u d i 的有6 4 1 l 辆，占 全国汽车产量5 1 。目前国内的汽车生产厂主要采购国外机器的方式满足市场对 自动变速器的需要。因此，国内企业尤其需要开发并投放市场的具有自主知识产 权的金属带式无级变速器。 1 2 2 无级变速器的研究及应用情况 1 2 2 1 无级变速器的基础性研究 c v t 基础性研究主要包括c v t 的受力分析、传动滑移、承载能力等方面。 可以分为三个流派：一个是瑞典教授格伯特和意大利佐尔格教授为代表的橡胶带 学派，他们一直从事研究橡胶皮带传动，在金属带式无级变速器的研究过程中他 们继承了橡胶带研究的方法，对金属带式无级变速器进行了研究【6 8 】；二是英国米 克勒姆为代表的弹流学派，他认为无级变速带和滑轮之间的联系方式是一种弹性 流体润滑【9 。0 】；三在日本同志社大学藤井渗透和日本本田技术研究所y u a n m a o 津 为代表的古典学派，用古典欧拉摩擦传动原理对金属带式无级变速器传动研究。 瑞典格伯特认为操作过程中带轮的径向滑移造成带变形，带轮的轴和带的运 动轴线不重合，并假设在一系列微分方程描述的无级变速传动模型基础上的。英 国米克勒姆认为带与带轮之间的接触状态，是弹流润滑，并使用经典公式建立了 4 硕士学位论文 模型，并以发动机作为动力、福特无级自动变速装置变速箱传动实验测试平台， 实验过程中，转速、转矩、钢带运行半径、气缸压力参数实时采集测量结果，并 在传输模型中分析了无级变速器传动过程中钢板缺口产生位置和钢片间隙对传输 产生的效应。g u e b e l i 在米克勒姆弹流理论的基础上，建立了一个带传输损失和泵 的损耗模型。假设损失最低就模型的一阶导数是零，因此提出了对效率的控制优 化，油门控制灵活的参数( 线控驱动) 的方法降低系统的油泵排量要求，实现了 无级变速器传动效率优化控制。米克勒姆认为钢带的进入半径总是大于出口半径， 从而带有扭矩损失，结合实验结果提出一转矩损失的计算公式和参数标定。日本 同志社大学藤井渗透在美国连续发表了四篇文章对无级变速器传动力测量和分析 的文献是无级变速的基础上的经典。藤井建立了实验装置，对该钢板结构进行了 改造，通过遥测方法直接或间接测量。由于钢板和钢板之间的接触边缘的距离， 使从动带轮的肩部上有速度差，产生了钢环张力差。这使得金属带式无级变速器 不同于普通橡胶三角带传动。本田的h i d c a k e 吉田对一层高速钢环的应力分布进 行了研究，有高速和低速钢环的应力分布不一致的发现。日产尼桑水宏( 弘文 s h i n i z u ) 考虑钢带间钢片之间的差距，建立了无级变速器的三维有限元模型和运 动状态下的应力分析。日本同志社大学藤( 修藤) ，认为带在带轮的接触弧都有动 力传动，采用平均摩擦系数( 或名义上的摩擦系数) 对无级变速器动力传动进行 了分析，并与实验结果进行了对比论证。还有学者将带和滑轮，钢丝和钢环之间 的接触简化为弹簧连接模型，对钢环的张力和钢片之间的挤压力进行了分析和实 验验证【1 1 1 。 在现有的金属带传动无级变速器的基础上，也有许多不足之处，如用橡胶带 理论来分析金属带式无级变速器的驱动，没有考虑到金属带式无级变速器的传动 特性，实际带无级变速器传动，保持稳定的摩擦系数，钢板表面处理有刻痕，会 破坏带和带轮油膜。因此使用弹流润滑的假设和实际操作情况不同。而大学实验 过程，因为实验条件限制，输入转速往往只有4 0 0 r p m 左右，对钢带受力的测试 过程中采用了间接测量法，实验工况与实际使用工况之间有差异，因此也降低了 实验结果的可信度。所以说金属带c v t 的基础性研究方面还比较粗糙，需要进一 步进行研究。 1 2 2 2 无级变速器的应用情况 在金属带式无级变速器的应用研究中，荷兰人介绍了所有无级变速模式与技 术特点，介绍了3 3 升大功率排量无级变速传动的发展和提高无级变速器动力传 动的主要技术特点，指出采用电控无级变速器是减少汽车尾气排放、提高舒适的 重要手段。富士重工内山博一对带轮变形对无级变速器换档进行了特性实验。研 究表明，滑轮变形是造成带径向滑移率变化的主要原因。日本大阪大学福秀和用 金属带无级变速器的模型建立与控制策略的研究 耦合控制方法来控制发动机的油门和传动比，实验表明，该方法可以提高车辆燃 油经济性。韩国的h y u n s o o 基姆使用三通脉冲宽度调制阀脉宽调制建立一个无级 变速器匹配控制实验，采用了一种模糊控制方法对速度和压力进行了控制，在不 同的节气门开度和实验条件，实验结果表明，发动机控制在优化特性曲线上来进 行工作，证实了模糊控制与匹配该控制方案的有效性，他也对速比变化率和液压 系统，无级变速器优化匹配等进行了研究。日本富士的t o h r u i d e 建立了无级变速 器液压控制系统的数学模型，用实验方法建立了扭矩比、速比及夹紧力比之间的 关系，研究了传动比的变化的速率的影响，结果表明，该比例的变化率是成正比 于输入速度以及带轮夹紧压力与平衡压力的差。t o h r u i d e 还进行了实验，实验结 果表明，该比例的变化速度，有2 种方式，一是当有足够的夹紧力，带轮旋转一 圈，在径向方向的变化取决于带轮夹紧力和平衡压力的压差，换挡速度和夹紧力 差与输入的转速成正比，当夹紧力不够，速比变化率主要取决于从动气缸压力和 主动缸液体阻力，带在带轮的接触弧产生较大的径向滑移。因此要避免下降档位 时齿轮驱动气缸压力( 主动油缸压力) 过快造成的钢带在带轮的整个接触圆弧滑 动，传动转矩减小，传输失效。他还对无级变速器传动效率进行了研究，他认为 无级变速传动损失主要包括2 个部分：一部分是液压系统损失，是带的一部分本 身的损失。带传动损失和从动油缸压力、输入转速等有关系，当传动比小，从动 缸压力大，带损失和从动缸压力成线性增加的关系。损失与液压系统和发动机转 速、齿轮等有关。从动缸压力高，发动机转速越高，则损失更大的液压系统能量。 相对而言，从动缸压力的影响更大。当传输的扭矩值一定时，传输速比很大则液 压系统效率很低。 从金属带式无级变速器的应用可以看出，金属带式无级变速器传动技术逐渐 成熟。人们主要是从两方面对金属带式无级变速器进行研究：一方面是传输特性 与试验研究和金属零件的改进设计，提高传动无级变速器本身的承载能力和传动 效率的研究，另一方面是金属带式无级变速器的发动机道路负载匹配控制的系统 的研究，提高汽车的动力传动系统的效率，降低排放和充分发挥能量。金属带式 无级变速器的应用研究，以汽车企业和研究所的研究成果最为实用。金属带式无 级变速器应用技术日趋成熟。 在国内，汽车金属带式无级变速装置开发和研究被列入国家重点科技项目， 许多高校在进行研究。东北大学进行了连续可变传动与金属带的开发和研究工作， 并做出样品。重庆大学，机械传动国家重点实验室从1 9 9 7 年开始无级变速器试验 与发展研究。吉林大学汽车无级变速器工作组在2 0 0 2 年，第一个实现了 e q 6 4 8 0 1 i g h t 汽车无级变速箱加载试验，该无级变速器是由吉林大学，东风汽车工 程研究院与东北大学联合开发。2 0 0 3 年，该课题组在机液控制式p 8 1 l 型无级变 速器的基础上，自主研制了基于数字控制技术的集成电液控制系统的无级变速器， 6 硕士学位论文 在国内首次进行了1 6 l 轿车装车路面试验，取得了不错的效果。除了高校之外， 现在也出现了许多公司企业进行c v t 的研发。湖南江麓容大车辆传动有限公司就 是其中之一，这个公司完成了多辆车的c v t 改装。 1 2 3 无级变速器未来的发展趋势 ( 1 ) 动力传动系统的综合控制 c v t 动力系统的综合控制是当前研究的主要方向。尽管已经有不同的c v t 批量生产，但依然存在着许多控制方面的问题。即使是设计合理的c v t ，如果没 有有效的控制系统，其性能也不能得到充分的发挥。为解决这些控制问题，现在 常用的方法是充分利用车辆速度和发动机转速之间的相互独立，以优化无级变速 传动系统的一些特性，这样就可以实现对发动机与无级变速器的一个综合控制。 例如，某个公司设计的控制系统，根据目标转矩，车辆速度和燃料消耗率的关系， 确定目标发动机转速，获得目标扭矩的同时，使发动机的燃料消耗量可以达到最 少。实验数据表明到，使用汽车综合控制策略的时候比采用传统的控制策略对汽 车燃油经济性提高了1 。因为这些优点，综合控制策略将成为下一代动力传动 系统的控制原理。 ( 2 ) 混合动力系统( h y b rid eje c t ricv e h icie 简称h e v ) 因为c v t 的使用可以有效地缓解内燃机汽车的负面影响，所以只要是内燃机 汽车就一定可以使用c v t 。无级变速器将承担与飞轮储能装置的混合动力设计中 的重要作用。使用无级变速传动系统的混合动力汽车燃料消耗量可能减小3 0 ， 排放量可能减少5 0 。在混合动力中使用无级变速器是非常有利的，因为该无级 变速器换档操作简便，而且由于存在电机无级变速器，避免在低转速时产生的一 些问题，使发动机始终工作在最佳工作点，提高了燃油经济性。此外，在混合动 力汽车无级变速器上，因为可以传递较大的发动机扭矩和发动机功率，更适合较 大的车辆。汽车行业对无级变速器技术的研究和开发日益重视，尤其是对小排量 车，连续可变传动已被认为是一个很关键动力传动装置了。 1 3 论文主要研究内容 ( 1 ) 在查阅大量资料基础上，首先介绍金属带式无级变速器的结构，并对金 属带式无级变速器的工作原理进行分析，并详细分析了金属带式无级变速传动的 控制技术，包括金属带夹紧力控制，速比控制和起步综合控制，为后面的建模与 仿真提供了很好的理论基础。 ( 2 ) 电液系统是影响c v t 控制性能的主要因素，对机液控制系统和电液控 制系统进行比较分析，并着重分析电控系统，包括c v t 电控系统的结构，接口线 路和软件设计。由于速比控制对综合控制策略影响很大，本文侧重分析p i d 速比 金属带无级变速器的模型建立与控制策略的研究 控制器，包括p i d 的控制原理、速比变化率p i d 控制算法和p i d 控制算法的一 些改进。 ( 3 ) 在m a t l a b 环境下，对发动机实验数据进行处理，得到了该发动机的 输出转矩、输出功率、燃油效耗率的数据模型，据此得到发动机的输出转矩m a p 图等，进而获得最佳经济工作线和最佳动力工作线，并在m a t l a b s i m u l i n k 中建立 了整车模型，以便对控制策略进行仿真分析及验证。 ( 4 ) 为适应我国广大农村地区以及城乡结合地带的汽车行驶过程中经常会 遇见道路摩擦阻力变化的情况，提出在道路摩擦阻力变化时的综合控制策略，以 解决驾驶员单纯选择经济性模式或动力性模式时，由于驾驶员的操作熟练程度和 对路况判断准确程度不同和驾驶员个体差异会使动力传动系统控制效果不能实现 最佳的弊端。并利用所建立的整车模型，对道路摩擦阻力变化时的典型工况进行 了仿真分析，验证本文提出的综合控制策略的可行性。 硕士学位论文 第2 章金属带式无级变速器结构及工作原理 金属带式无级变速器靠传动轮与金属带之间的摩擦把发动机的动力传递到金 属片，并通过金属片之间的挤压压力、金属环张力及金属片和从动轮摩擦将动力 传递到从动轮。为了提高金属带传动的传动效率，要精确计算各种工况下传递扭 矩，从而控制主动和从动轮施加最佳轴向夹紧力，从而研究金属带的传动机理是 非常必要的。 金属带结构决定了它的传输特性和机制是不同于橡胶带的，主要的区别是， 它主要取决于推力传递动力，而橡胶带主要依靠拉力传输功率。如果我们考虑金 属片和金属环之间的相对运动以及金属片和带轮弹性变形，这样对情况更加复杂， 使金属带在带轮工作面不仅沿带轮的圆周切向运动，也沿径向方向运动，而金属 片和金属环与金属片接触点之间存在相对运动，这将导致金属带内部力量的相互 作用，使金属带传动装置实际上就是一个特别复杂地动态过程。 很多人分析了金属带传动机构，近年来，国外许多学者已进行了大量的理论 和实验方面的研究，也取得了很多成果，其中最为突出的是日本学者。如日本的 小林大介( 小林大介，日产尼桑汽车公司) ，田中长裕( 田中长裕，横滨国立大学) 在金属带式无级变速器传动机构的传动机理进行了研究，k a n e h a r a 茂( 金茂原， 本田研究所) 研究了金属带无级变速器的动力学。 为提高金属带的传动效率，延长其使用寿命，准确计算传输扭矩传输能力以 妥善控制带轮的轴向夹紧力，研究清楚金属带的传动机理是非常重要的，这种传 动机理也是质量控制体系的可靠的控制理论基础。 2 1 金属带式无级变速器的结构分析 金属带式无级变速器是集机、电、液于一体的产品，主要是由起步离合器、 行星齿轮机构、无级变速机构、减速机构、控制系统和主减速机构构成【1 2 】，如图 2 1 所示。 当主驱动轮，从动轮的可移动部分做轴向运动的时候，可以改变传动带轮啮 合半径，改变传动比。工作轮可动部分是轴向移动的，根据汽车的运行状态，车 辆控制系统不断调整和实施。动力传动