（动力机械及工程专业论文）微型车的无级变速器与发动机的匹配研究.pdf

摘要 在当前环境能源危机的影响下，改善车辆的经济性和排放以适应当前的形 式已经成为研究的重点，而金属带式无级变速器能有效的改善发动机与动力传 递系统的匹配性能，从而能提高车辆的经济性和排放性。目前金属带式无级变 速器的技术已经很成熟，已经有很多汽车装配了金属带式无级变速器，但是其 成本比传统的手动档变速器要高出很多。因此本文在对当前金属带式无级变速 器的结构及工作原理进行分析的基础上提出一种新的金属带式无级变速器控制 系统，并在某款微型车上进行建模仿真分析其可行性。 介绍了无级变速器的发展历史及其分类，国内外对无级变速器的研究状况， 在查阅了大量的资料下，分析了金属带式无级变速器的基本组成结构和工作原 理。然后对其运动学原理进行了研究，得出了金属带式无级变速器的速比传递 关系和转矩传递关系，以及金属带式无级变速器的控制的要点，为后面的建模 奠定了基础。依据某款微型车的发动机台架试验数据，建立发动机油耗和转矩 三维模型，分析发动机负荷特性，速度特性，从而得出发动机最佳动力性和最 佳经济性调速特性，作为金属带式无级变速器控制的目标。 从降低金属带式无级变速器制造成本出发，提出一种电机控制系统取代传 统的液压控制系统。分析了电机的工作原理和数学模型，为了方便后面的建模， 将数学模型转化成传递函数，然后对p i d 控制器的原理作了分析，利用g t - d r i v e 软件建立了金属带式无级变速器的电机p i d 控制模型，利用稳定边界法确定了 p i d 控制器的三个控制参数，为了提高控制系统的精度，改用了积分分离的p i d 控制器，即p d p i d 控制器，仿真结果表明该控制模型的精度确实得到了提高。 利用模糊控制，将发动机最佳动力性目标转速和最佳经济性目标转速综合 为一个以驾驶员驾驶意图的目标转速，通过m a t l a b 的f u z z y 工具箱计算出模糊 控制的查询表，利用g t - d r i v e 软件建立了整车的动力学模型和运动学模型，以 各种工况对车辆进行了仿真，得出的结果表明本文提出的速比控制系统达到了 传统液压控制系统的准确度，然后通过分析整车动力学和经济性，仿真结果也 达到了很理想的效果。 关键词：金属带式无级变速器，模糊控制，仿真分析，速比控制 a b s t r a c t u n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ee n v i r o n m e n ta n de n e r g y c r i s i s ，i m p r o v i n gt h e e c o n o m ya n de m i s s i o n so fv e h i c l e st om e e tt h ec u r r e n tf o r mh a sb e c o m et h ef o c u s o ft h er e s e a r c h 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 nc a l l e f f e c t i v e l y i m p r o v et h em a t c h i n gp e r f o r m a n c eo fe n g i n ea n dp o w e rd e l i v e r ys y s t e m ，w h i c hc a l l i m p r o v ef u e le c o n o m yo fv e h i c l e sa n de m i s s i o n s c u r r e n t l yc v t d e v i c et e c h n o l o g y i sm a t u r e , an u m b e ro fc a r se q u i p p e dw i t hc v td e v i c e , b u ti t sc o s tt h a nt h e t r a d i t i o n a lm a n u a lt r a n s m i s s i o nt ob em u c hh i g h e r t h i sp a p e rg i v ean e wm 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 et r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e c u r r e n tc v td e v i c es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e ，t h e nb u i l das i m u l a t i o nm o d e l t oa n a l y z et h ef e a s i b i l i t y t h i st h e s i sd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to f c v t ，c l a s s i f i c a t i o na n dt h ec o n d i t i o n s o 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 nh o m ea n da b r o a d a n a l y s i st h em e t a lb e l t c v tb a s i cs t r u c t u r e sa n dw o r k i n gp r i n c i p l e sr e f e rt oal o to fi n f o r m a t i o n t h e n o b t a i nc v tt r a n s m i s s i o nr a t i ot o r q u er e l a t i o n s h i pa n di t sc o n t r o lp o i n t sb ys t u d yo f i t sk i n e m a t i c s b a s e do nam i c r o - c a re n g i n et e s td a t a , e s t a b l i s ht h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e lo ft h ee n g i n ef u e lc o n s u m p t i o na n dt o r q u et oa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ee n g i n el o a d ，s p e e d ，a n dt h u sa r r i v ea ts p e e dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e s te n g i n e p o w e ra n dt h eb e s te c o n o m y , a st h em e t a lb e l tc v tc o n t r o lo b j e c t i v e s i no r d e rt or e a c hal o w e rc o s t st h i sp a p e rg i v eam o t o rc o n t r o ls y s t e mt or e p l a c e t h et r a d i t i o n a lh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m a n a l y z et h em o t o rw o r k i n gp r i n c i p l ea n d m a t h e m a t i c a lm o d e lt of a c i l i t a t et h es u b s e q u e n tm o d e l i n g c o n v e r tm a t h e m a t i c a l m o d e li n t ot r a n s f e rf u n c 廿o n ，t h e nt h ep r i n c i p l eo ft h ep i dc o n t r o l l e r sa r ea n a l y z e d ，u s e t h eg t - d r i v es o t t w a r et ob u i l dam e t a lb e l tc v tm o t o rp i dc o n t r o lm o d e l ，c a l c u l a t e t h et h r e ec o n t r o lp a r a m e t e r so ft h ep i dc o n t r o l l e rb ys t a b i l i t yb o u n d a r ym e t h o d i n o r d e rt oi m p r o v et h ec o n t r o ls y s t e ma c c u r a c y , s w i t c ht ot h ei n t e g r a ls e p a r a t ep i d c o n t r o l l e r , t h a tp d p i dc o n t r o l l e r , s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o la c c u r a c y o f t h em o d e li n d e e db e e ni m p r o v e d i n t e g r a t et h eb e s tp o w e ra n de c o n o m yt a r g e te n g i n es p e e da sad r i v e ri n t e n d e d t a r g e td r i v i n gs p e e dw i t hf u z z yc o n t r 0 1 c a l c u l a t et h ef u z z yc o n t r o lq u e r yt a b l eb y f u z z yc o n t r o lt o o l b o xi nm a t l a b u s i n gt h eg t - d r i v es o t t w a r et ob u i l dav e h i c l e d y n a m i cm o d e la n dk i n e m a t i c sm o d e la n dv a r i o u so p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r e s i m u l a t e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dr a t i oc o n t r o ls y s t e mh a v et h es a m e a c c u r a c ya st h et r a d i t i o n a lh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m , a n dt h e nb ya n a l y z i n gv e h i c l e p o w e rp e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m y , s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s or e a c h e dav e r y s a t i s f a c t o r yr e s u r k e yw o r d s ：c v t , f u z z yc o n t r o l ，s i m u l a t i o n ，r a t i oc e n t r e l i h 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工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中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他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做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 u b is tlo 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。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：7 w 广 导师( 签名) ：磁 ， u 8t 兮。 o 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究意义 第1 章绪论 近年来，在世界各个行业里，能源和环境双重危机都已经凸显出很大的冲 击，特别是汽车行业，随着全世界的汽车保有量越来越多，已经成为人们日常 生活中不可缺少的代步工具，如何使汽车更加节能，降低排放，成为一个急需 解决的现实问题。随着科学技术的发展，目前已经研究出各种各样的方法来改 善汽车性能。一方面，从汽车动力源的选择着手，采用新型动力源来替代传统 的发动机，也就是所谓的新能源汽车，有燃料电池汽车，混合动力汽车，纯电 动汽车等，这些车不使用燃油或者使用少量燃油，排放大幅度降低甚至实现零 排放，但是目前由于新能源汽车技术还不够成熟，制造成本较高，市场上传统 的发动机汽车还是占有绝大部分。另一方面，从汽车自身内部动力系统着手， 有改善发动机性能，改变传动系统的结构，效率等措施。当前汽车的动力性和 燃油经济性都已经达到了较高的水平，但是在一般提高燃油经济性与动力性措 施的时候，二者是互相矛盾，因此他们之间存在一个合理匹配问题。汽车动力 性、燃油经济性的好坏，在很大程度上取决于发动机的性能和传动系统结构及 参数的选择，也就是取决于汽车发动机与变速器合理匹配的程度。一台发动机 即使具有良好的性能，如果没有一个与之合理匹配的传动系，也不能充分发挥 其性能。 目前，手动变速器( m t ) ，自动变速器( a t ) 以及无级变速器( c v t ) 都已 经成为汽车传动系统里的重要组成部分。无级变速器( c v t ) 是利用金属带和工 作直径可变的主，从动轮来实现改变传动比，无级变速器可以连续改变速比， 从而可以实现发动机与传动系统的最佳匹配，改善动力性，燃油经济性以及排 放指标，它作为汽车最佳的传动方式，有着和汽车差不多一样的发展历史，在 当今能源环境危机的冲击下，无级变速器( c v t ) 的优势越来越明显，同时随着 电子控制技术的发展，对无级变速器的控制技术日趋完善，在越来越多的汽车 上得到应用，成为现代汽车工业发展的一个里程碑。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 无级变速器的分类 无级变速器的种类很多，根据动力传递方式划分：机械式无级变速器，流 体式无级变速器，电动式无级变速器。 机械式无级变速器包括：带传动式和牵引传动式。而带传动式又分为：胶 带式、金属带式和链带式。牵引传动式分为：圆环，曲面或圆锥环式、圆板式、 行星滚筒式、滚珠式。 流体式无级变速器包括：液力式和液压式。 目前技术比较成熟，并在汽车上大量使用的无级变速器有金属带式和链带 式，而胶带式在一些摩托车上使用，其他的无级变速器结构使用较少。 1 2 1 电动式无级变速器 电动式无级变速器由牵引电动机、发电机、控制系统三部分组成，它的变 速原理是通过控制系统调节发电机输出的信号，通过这个信号控制电动机，可 以实现连续的改变输出转速和扭矩，这样速比就可以连续改变。而电机有交流 电机和直流电机，因此其又可以根据使用不同的电机组合划分不同的种类。 电动式无级变速器虽然结构简单，但是自身重量大，控制系统相比带式无 级变速器要复杂很多，因此只在部分车辆上得到应用。 由于能源危机和环境污染的因素，许多国家已经开始进行高能量蓄电池， 燃料电池的开发研究，这类传动的污染小、噪声低、效率高，是汽车传动发展 的一种趋势。 1 2 2 滑动离合器式无级变速器 滑动离合器式无级变速器是利用离合器打滑来改变速比，其结构相对来说 比较简单，但是离合器在打滑的过程中，发热量大，效率较低，磨损比较厉害， 因此这类无级变速器应用比较少。 1 2 3 液力变矩器 液力变矩器由泵轮，涡轮，导轮组成。安装在发动机和变速器之间，以液 压油( a t f ) 为工作介质，起传递转矩，变矩，变速及离合的作用。 2 武汉理工大学硕士学位论文 液力变矩器是较早用于汽车传动的无级变速器，成功的用于高档汽车的传 动中。由于传动效率较低，且变速比大于2 时效率急剧下降，经常仅在有级( 2 3 档) 变速器的两档中间实现无级变速，因此未能推广开来。目前经常作为起 步离合器在汽车传动中使用心1 。 1 2 4 摩擦式无级变速器 摩擦式无级变速器是依靠旋转体之间的接触摩擦力来传递动力，通过改变 输入，输出的作用半径来实现连续改变传动比的。其中锥盘滚轮式无级变速器 和摩擦行星式无级变速器在较早期的汽车变速器中出现过。上述这2 种无级变 速器有较高的传动效率，结构较为简单，但由于挤压应力的限制，其传递的功 率较小。 金属带式无级变速器也属于摩擦式无级变速器，其无级传动的原理如图 1 - 1 所示。它是由带有v 形槽的主动轮，从动轮以及传动v 带组成，两个带轮 的锥面相对构成v 形槽，与金属片的侧面接触，其中主、从动轮均由2 个楔形 轮组成，一个楔形轮固定不动，另外一个楔形轮可沿轴向滑动，调节两带轮活 动端的轴向作用力，传动v 带就会在主、从动轮间径向移动，主、从动轮的与 v 形带啮合的工作半径发生变化，就实现了传动比的无级变化。 暇遮跑糍逋纥 叫和一 图1 - 1 金属带式无级变速器 最早将无级带传动技术应用于汽车产品的是荷兰d a f 汽车公司，该公司在 1 9 5 8 年生产的d a f f o d il 牌轿车的变速器里就是使用带式无级变速器，只是当 时由于技术限制使用的传动带是橡胶带，使整个变速器传递效率相对很低，功 3 武汉理工大学硕士学位论文 率也很小，所以没有得到进一步的推广。 金属带式无级变速器是荷兰v d t ( y o nd o o r n e st r a n s m i s s i o n ) 公司的 工程师v o nd o o r n e 发明的，并在1 9 8 2 年生产出金属v 带样品，如图卜2 所示。 由于用金属带替代了胶带，大幅度提高了变速器传动效率、可靠性、功率和寿 命，经过了几十年的研究开发，技术已经成熟，在当今汽车变速器领域起着举 足轻重的作用，目前金属带式无级变速器的全球总产量已经达到2 5 0 万辆年， 三年内将达到4 0 0 万辆年，发展速度很快乜1 。 惫鞴块 1 3 无级变速器的优点 图1 - 2v d t 金属带 金属带式无级变速器的内部结构相比手动变速器( m ) 和自动变速器( a t ) 更加简单，传递功率和效率在各种无级变速器里也算比较高的，并且装有金属 带式无级变速器( c v t ) 的汽车在操作和舒适度上都比手动变速器汽车和自动变 速器汽车要高，在目前国内外汽车变速器发展和推广的重点对象。 1 3 1 动力性 汽车的后备功率决定了汽车的加速能力和爬坡能力，后备功率越大的汽车， 动力性能越高，而装有无级变速器的汽车，能够使汽车发动机在最佳的工作曲 线上工作，发挥发动机最佳性能。 1 3 2 经济性 c v t 能够在很宽的速比范围内实现连续改变速比，因此更能和发动机形成 4 武汉理工大学硕士学位论文 最佳匹配，提高整车的燃油经济型。目前根据国内外统计数据，采用了c v t 的 汽车比采用a t 的汽车节油7 1 5 。 1 3 3 排放 无级变速器的速比变化范围比较宽，发动机的转速范围可以随时调节，通 过调整控制策略，使发动机在最经济的区域运行，从而降低了排气污染。德国 z f 公司将自己生产的c v t 装车测试，其废气排放物比装备4 档自动变速器的汽 车减少约1 0 叫。 1 3 4 成本 c v t 系统结构简单，零部件数a t 大约有5 0 0 个，而c v t 基本有3 0 0 个左右， 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 以提高经济性，随着大规模生产以及系统、材料的革新，c v t 零部件( 如传动带 或传动链、主动轮、从动轮和液压泵) 的生产成本，将降低2 0 0 5 , - - - 3 0 。 c v t 变速器的技术含量和制造难度都要比m t 变速器高，与a t 变速器差不多， 由于金属带式c v t 的结构简单，所含的零件数量比a t 变速器少4 0 左右，整 车的质量因而也有所减轻。 1 4c v t 的发展现状 c v t 的技术发展到今天已经有一百多年的历史了，尤其是在当今能源危机 和环境污染的紧迫形势下，c v t 技术得到更快的发展和推广，装备有c v t 的汽 车越来越多，最开始在日本，欧洲，慢慢发展到北美的汽车市场，现在全球各 个国家都有装备c v t 的汽车，从此看来，c y t 是汽车变速器发展的大趋势。 1 4 i 国外研究现状 在汽车发展之初，人们就已经意识到速比能够连续变化的无级变速器的重 要性，比如在1 8 8 6 年戴姆勒一奔驰公司生产的汽油机汽车上就应用了c 型橡胶 带式无级变速器。但是由于其传递转矩能力差，材料和加工工艺以及控制上等 存在很多问题，因此限制了其进一步的推广应用。直到1 9 8 2 年荷兰v d t 公司的 5 武汉理工大学硕士学位论文 工程师v a nd o o r n e 发明出了金属带代替了胶带，大幅度提高了传动的效率， 可靠性，功率和寿命，这是c v t 技术上里程碑式的突破h 1 。后来日本富士重工 公司，欧洲福特公司，菲亚特公司相继使用了v d t ( v a nd o o r n e st r a n s m i s s i o n ) 公司的金属带式c v t ，打破了原来技术障碍获得飞速发展。第一代无级变速器 采用液压机械控制，c v t 传递扭矩为1 2 5 n m ，金属带宽度为2 4 m m 。1 9 8 4 年，富 士车厂研制出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 汽车上推出市场，获得成功。从此尽速带式无级变速器真正进入商品 化阶段。 9 0 年代，总结8 0 年代产品和使用经验的基础上，v d t 公司研制成功传动力 矩大，性能更佳的第二代c v t 变速器，它是采用液力变矩器，电子控制，c v t 传递扭矩提高到2 5 0 n m ，金属带宽度可为3 0 u c h 。自1 9 9 5 年博世公司收购了荷兰 v d t 公司，博世公司对金属钢带的高度重视，加快了无级变速器的发展，博世 公司已经研制出第七代金属钢带，它带有2 4 m m 金属推片宽度，柔性环9 层可传 递功率达ll o k w ，3 0 0 m m 金属推片宽度和9 层柔性环可传递功率达1 8 0 k w ，3 0 0 m m 金属推片宽度和1 2 层柔性环可传递功率2 0 0 k w 。大大提高了金属带式无级变速 器的性能，降低了成本并且降低了燃油经济性，缩小中心距减少变速器尺寸， 进一步提高了耐久性和可靠性驯。除此之外，f h is u b a r uj u s t y 、f o r d 、f i a t 、 n i s s a n 等公司也在不断改进自己的产品，使得无级变速器得到飞速发展。 1 4 2 国内研究现状 我国一贯重视无级变速器的开发，2 0 0 4 年中国汽车工业协会和中国齿轮协 会就国内自动变速器的研究方向达成了共识：优先发展a m t 和c v t ，适时发展 d c t ，适当生产a t 。 2 0 0 0 7 年1 2 月，国家发改委在产业结构调整指导目录( 2 0 0 7 年文本) 征求意见稿中将无级变速器等几种自动变速器类列为汽车零部件关键技术开发 制造n 训。 我国在c v t 方面的研究还处于起步阶段，1 9 9 6 年在程乃士教授的积极争取 下，国家科技部将金属带式c v t 相关研究项目列为国家“九五”科技攻关项目， 由吉林工大、东北大学、东风汽车公司三家合作，目标是跟踪国际先进水平、 实现整车运行，东北大学项目由程乃士教授负责，除整机共同研制外，主攻金 属带组件，经过5 年努力，程乃士教授于2 0 0 0 年成功完成任务，掌握了从金属 6 武汉理工大学硕士学位论文 材料到金属带组件的全部技术和工艺。 洛阳联合变速器有限责任公司成立于2 0 0 7 年5 月，该公司拥有自主知识产 权，开发生产乘用车金属带式无级变速器，2 0 0 2 年1 月我国第一台拥有自主知 识产权的c v t 样机试车成功，并在之后通过了国家汽车质量监督检验中心2 0 万l 【i n 路试和台架试验。相继完成哈飞赛豹、奇瑞风云、力帆5 2 0 等多款自主品 牌车型的匹配工作，得到多家整车厂认可n 叫。 对于目前我国拥有自主知识产权的c v t 样机，其内部的传动带还是使用了 博世公司的金属钢带，对于金属钢带的研究，国内虽然掌握了其技术和工艺， 但还未形成大批量投产。另一方面，对于c v t 的控制，国内的一些学者研究得 比较多。华南理工大学的黄向东等人对c v t 的调控逻辑的优化问题进行了研究， 提出了一种最佳调控理论，同时，为了改善无级变速器的传动摩擦副的动力传 递能力，开发了h 型传动带，同时采用机械自动加压装置来控制速比。北京理 工大学姜正根等人对无级变速传动带传动机理进行了研究，其研究主要停留在 定速比的稳态分析阶段。王红岩等对金属带式无级变速器传动系统进行了分析， 建立了瞬态条件下的力学模型，并对其进行了数值分析，实现了金属带式无级 变速器传动的定量分析，并就匹配及控制进行了研究，提出了传动比变化的最 优控制和相关带轮夹紧力的匹配控制h 1 。 1 5 本文主要研究内容 在某款微型车的基础上，在保证原车动力性的基础上，以降低成本为目的， 设计出一套无级变速器的结构尺寸及其控制系统，以此来代替该车原来的手动 变速器。主要进行一下几个方面的研究： ( 1 ) 简述了c v t 在国内外的发展现状，对金属带式无级变速器的组成结构， 工作原理进行了深入的分析。 ( 2 ) 分析了无级变速器的数学模型，以及速比变化和主从动轮几何运动之间 的数学关系。 ( 3 ) 分析了步进电机的数学模型以及控制方法，并将步进电机数学模型与无 级变速器数学模型结合，由步进电机来推动主动轮实现速比的变化。 ( 4 ) 对该款微型车原装发动机的实验数据进行分析，得出该款发动机的最佳 动力性工作曲线和最佳经济性工作曲线，然后通过二者加权得出随驾驶 7 武汉理工大学硕士学位论文 员意图的最佳工作曲线和速比控制规律。 ( 5 ) 利用g t - d r i v e 建立整车模型，以及c v t 的步进电机控制模型，对整车 进行仿真分析。 8 武汉理工大学硕上学位论文 第2 章汽车金属带式无级变速器基本原理 目前市场上的无级变速器_ = = 部分都是金属带式的，主，从动轮的推动机构 都是液压系统来完成的，因此对金属带式无级变速器的结构原理进行深八的 分析，掌握其传动机理，有利于对现有的金属带式无级变速器进行改进创新， 并开发出更优的速比，以及夹紧力的电控系统。 21 无级变速器基本结构 金属带式无级变速器一般由无级变速机构，带轮控制机构离台器机构， 行星齿轮机构以及中间减速齿轮机构组成，图2 - 1 为目前典型的汽车金属带式 无级变速器的基本组成示意图。 圈2 - l 汽车金属带式无级变速器的基本结构 1 一主动轮固定锥盘2 一丰动轮移动锥盘3 一主动轮液压油缸 武汉理工大学硕士学位论文 4 一从动轮固定锥盘5 一金属钢带6 一差速器7 - 主减速齿轮 8 一中间减速齿轮9 从动轮液压油缸l o 一从动轮移动锥盘 其工作原理是，发动机输出动力，离合器结合后，经过离合器，将动力传 递给主动轮，根据驾驶员的操作，通过电控系统对主动轮的液压油缸进行控制， 实现速比的改变，从动轮液压油缸相应的对从动轮进行压紧，实现夹紧力的控 制，动力从主动轮通过金属钢带传递给从动轮，然后经过中间减速器，主减速 器以及差速器，最终动力达到2 个驱动轮。金属带式无级变速器的离合器有前 进挡离合器和倒档离合器，驾驶员选择好前进挡或者倒档，就可以驾驶汽车， 驾驶过程中无需换挡，整个速比变化全部由电控系统改变主从动轮的工作半径 来实现，因此装配金属带式无级变速器的汽车上没有离合器踏板，与手动挡汽 车驾驶的时候频繁的踩离合器踏板，挂档位的操作相比大大提高了驾驶的舒适 度。 2 2 金属钢带以及带轮基本结构 金属带式无级变速器里起到传递动力的关键部位就是金属钢带和主从动带 轮，金属钢带与主从动带轮之间摩擦来传递动力，因此金属钢带性能的好坏直 接决定了变速器传递动力的强度。 2 2 1 带轮的基本结构及工作原理 主，从动轮分别是由2 个锥盘组成，一个锥盘固定在传动轴上，另外一个 锥盘可以沿着轴向移动，2 个锥盘相对着中间形成一个v 形槽，金属钢带就正 好在这个v 形槽内与锥盘的内侧面进行摩擦来传递动力。图2 2 为金属钢带在 v 形槽之间工作的时候的示意图，由于主，从动带轮分别在2 个轴上面转动， 其中心距是固定的，当需要改变速比的时候，通过电控系统控制主动轮的液压 油缸，推动主动轮移动锥盘作轴向移动，改变主动轮工作半径，从动轮移动锥 盘向相同的方向作轴向移动，改变从动轮工作半径，从动轮液压油缸对从动轮 移动锥盘加载，实现夹紧力的控制，这样，主动轮液压油缸控制速比变化，从 动轮液压油缸保证扭矩的传递，由于主，从动轮的工作半径可以连续的变化， 所以可以实现速比的连续变化。 1 0 墓些型占盔芏塑圭芏丝丝墨 2 22 金属钢带结构 一啦咿 兼 图2 - 2 主从动轮和金属带 c v t 金属钢带的基本结构如图2 - 3 所示，基本组成部件有金属推片和柔性 环，其中金属推片厚度一般在15 到22 m 之间，宽度有2 4 r a m 和3 0 珂m 两种， 宽度和厚度越人传递的最大转矩也越大。柔性环厚度一般在01 8 5 m ，整个 e v t 金属制带由3 0 0 多片金属推片和2 匝柔性环组成，投匝柔性环的个数由所 要求传递的扭矩大小决定，个数越多，所能传递的最大扭矩就越大。图23 为 金属铡带设计参数与c v t 承载能力的对照表 器 带参数设评 & # 6 m 一 带宽度( 咖) ( 推h 的宽度) 每组熏性环g 敛 * a i 慧擎 带型 l 惹夸摹锥 2 4 6 i8 0 l 2 9 j1 2 j 3 0 ：9 l2 l o 2 4 l o l 1 4 0 3 0 1 0 l2 5 0 2 1 2l1 6 ；3 0 ”l 3 0 0 图2 - 3 钢带设计参数与承载能力对照 武汉理工大学硕上学位论文 柔性环的作用其一是引导金属推片的运动方向，其一是承担金属带的强力， 金属推片的作井j 是传递转矩，锥盘母线应与金属推片侧边共轭，以保证变速时 金属带小笈生轴向偏斜，金属带不能承受附加侧向弯曲应力的作用。 两勇嚼鹣黼 图2 - 4 金属锯带 2 3 金属带式无级变速器运动学原理 2 31 速比的传递关系 由于金属钢带的特殊结构，金属推片的摆棱和带轮的2 个锥盘的锥面是连 续接触的我们将摆棱与锥面接触的圆周称作节圆节圆就是主从动带轮的 工作圆，翻2 - 5 为金属钢带和带轮工作时候的几何关系。 圈2 - 5 金属带式无级变速器几何关系 武汉理工大学硕士学位论文 金属带的传动比i 为 ，= 考= 鲁 p - ， 缈占k l 式中 c o 一主动带轮角速度( r a d s ) ； 主动带轮角速度( r a d l s ) ； r 主动带轮节圆半径( 肌m ) ； r ：主动带轮节圆半径( m 帕； 无级变速器变速是通过改变主，从动轮的工作半径来实现的，如图2 - 6 中 虚线部分所示，当主动带轮- 1 - _ 作在最大节圆半径的时候，从动轮这个时候就工 作在最小节圆半径，此时为最小传动比，为 k = 惫 协2 ) 当传动比最大时候，与以上正好相反，主动带轮t 作在最小节圆半径，同 时从动带轮工作在最大节圆半径，如图2 - 6 实现部分所示。 k = 惫 协3 ) 最2 凇 一一 、恐疵 i 图2 - 6 无级变速器的变速原理 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 我们一般给无级变速器定义一个参数n l 变速比r ，变速比为变速器最大传 动比f 一和最小传动比k 的比值，变速比心的大小显示了无级变速器的性能好 坏，变速比越大，可可以使变速器速比变化范围大，更能使变速器和发动机达 到最佳匹配，提高整车的动力性和经济性，而r 又不可能做得很大，因为它受 主，从动带轮的中心距和带轮最小工作半径的限制，另外整个变速器的结构尺 寸也为其限制因素。 忍：k ：坠垒 ( 2 3 ) 9 r l 曲r 2 血i 晌k l 曲a 2 血 在变速器结构尺寸一定的情况下，由式2 3 可以看出，当蜀一= r ：一， 尺。岫= r ：血时，可以达到最大值，也就是变速器的主，从动带轮成对称分 布。经过以上的无级变速器几何尺寸的分析，在理想的情况下，金属钢带与主， 从动带轮之间没有相对滑动，柔性带始终在张紧的状态下，可以总结出以下几 个公式 f：鱼(2-4) r i s i n 五：竺凸 彳 l = ( r l + a h ) a + ( r 2 + a h ) a 口+ 2 a c o s 2 , 式中 金属钢带工作长度( 即金属钢带内圈周长( r a m ) ) ； r 。、尺：主，从动带轮工作半径( 研聊) ； 、主，从动带轮包角： 彳主、从动轮中心距( m m ) ； j i 金属推片摆棱至鞍面的距离( m m ) 。 1 4 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 转矩的传递关系 金属带式无级变速器属于摩擦式无级变速器，其在工作的时候，带轮锥面 与金属推片的侧面产生摩擦来传递动力的，在主动带轮上面，从发动机传递过 来的动力带动主动轮转动，主动轮通过摩擦带动金属推片向前移动，在从动带 轮上，金属推片通过与从动锥面进行摩擦带动从动带轮转动，从而形成了动力 的传输。式2 - 7 和2 - 8 列出了金属带式无级变速器主，从动带轮传递的最大扭 矩公式为： 。，2 厶心 m 一= 竺j 卫2 c o s 口 ( 2 _ 7 ) u b m u v 。m 一和 ( 2 _ 8 ) 其中： m 一、m 。一主，从动轮传递的最大转矩( r a m ) ； 从动带轮的轴向推力( 忉； 厶带轮锥面与金属推片的侧面滑动摩擦系数，一般厶= 0 0 9 ； r 主动带轮工作半径( r a m ) ： 口雒面母线与金属带接触点的切线和带轮轴线垂直的夹角； r 金属带传动效率。 一般金属带式无级变速器传递的转矩为最大可传递转矩的8 0 9 0 时，其 传动能力和传递效率达到最高。所以在设计的时候，为了达到最高传递效率和 传动能力，使无级变速器实际传递的转矩为最大转矩的8 0 9 0 ，这里我们又 l ， 定义一个无级变速器特有的参数，转矩比，= ，即，= o 8 0 9 ，可由当 朋m “ 前发动机传递给主动轮的转矩计算出主，从动带轮的轴向推力巳、 = 瓮罴 协 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 - 瓦= 缈 ( 2 - 1 0 ) 式( 2 - 9 ) 和( 2 - 1 0 ) 中： 肘主动轮输入转矩( m m ) ； 工带轮锥面与金属推片的侧面当量摩擦系数，一般= 0 0 8 ； 屯主动带轮的轴向推力( 加； 矽主，从动带轮的轴向推力比。 当无级变速器的带轮和金属带基本尺寸选定后，轴向推力比缈与传动比f 成 线性关系，因此，要使无级变速器的速比稳定在某一个数值的时候，此时主动 轮输入转矩m 可以由当前发动机输出转矩确定，由式( 2 9 ) 可以计算出当前 状态下从动带轮所需要的轴向推力( 夹紧力) ，主动带轮的夹紧力必定是 按照推力比矽变化的。 2 4 金属带式无级变速器的控制 通过上一节对无级变速器基本结构和运动原理的分析，我们已经深入了解 了金属带式无级变速器的工作方式，然而如何才能实现无级变速器的这种特殊 工作方式，关键就是对无级变速器进行电控，对金属带式无级变速器的控制主 要集中在以下三个方面： ( 1 ) 起步离合控制 ( 2 ) 速比控制 ( 3 ) 夹紧力控制 在无级变速器中，一般都有前进挡离合器和倒档离合器，这些离合器一般 是电磁离合器，液力变矩器或者湿式离合器。通过对离合器进行电控，可以使 离合器结合的时候平顺柔和，没有冲击和振动，发动机不会熄火，获得最大扭 矩输出，保证汽车起步平稳。 夹紧力的控制主要是控制从动轮的夹紧力，如果夹紧力过小，会使金属钢 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 带在带轮上打滑，加速了金属钢带和带轮的磨损，降低传动效率和传动能力， 但是夹紧力过大，也会造成金属钢带一些不必要的磨损，效率一样会降低。按 照上一节式( 2 9 ) 来控制夹紧力，使转矩比，控制在o 8 - 0 。9 之间，能够保证 金属钢带在不打滑的情况下稳定的传递扭矩，尽量提高传动效率，保证金属钢 带的寿命n 1 。 速比的控制是实现无级变速器连续变速的关键所在，它是通过控制主动带 轮可动锥盘的位置来实现的。速比控制的目的就是合理匹配发动机，是发动机 始终工作在最理想的工作范围里，使汽车在满足动力需求的情况下降低燃油消 耗率，降低排放。由于汽车在实际行驶中，工况和驾驶员对油门的操作是不停 的在变的，因此速比的控制也要随着汽车行驶工况和节气门开度的变化而实时 变化，因此对于无级变速器速比控制系统的输入就是当前工况和节气门开度， 针对汽车不同工况，如起步加速，加速减速，倒档和空挡等，结合发动机理想 工作区域，制定出相应的速比控制策略，当汽车在行驶过程中，通过驾驶员对 加速踏板的操作，将当前节气门变化和工况作为两个输入传递给速比控制系统， 按照速比控制策略推动无级变速器主动带轮可动锥盘，达到目标速比u 。 2 5 本章小结 本章主要介绍了无级变速器的基本结构，以及针对金属钢带和带轮，对无 级变速器的工作原理作了简要的阐述，然后通过推导公式，分析了金属钢带和 带轮之间的运动学关系，最后简要的介绍了金属带式无级变速器的控制，主要 分为起步离合控制，夹紧力控制和速比控制。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章发动机与c v t 速比控制策略的研究 装有无级变速器的汽车与传统的手动挡汽车相比，发动机的工作范围更加 广泛，假设一个手动变速器( m t ) 的一档和最高档与无级变速器( c ) 的最 高速比和最低速比相同，这2 个变速器与同一个发动机进行匹配的时候，如图 3 1 所示，左边为装有手动变速器的汽车，该发动机只能工作在5 个档位的的 曲线上，右边为装有无级变速器的汽车，由于无级变速器可以在最高和最低2 个速比之间连续变动，相当于无数个档位的曲线，因此发动机工作在一块连续 的区域内，这为汽车提高经济性和动力性创出了首要条件。汽车在实际行驶过 程中，发动机具体工作在什么样的曲线上，完全由无级变速器的控制策略来实 现。这样就可以制定控制策略使发动机工作在最佳经济性区域或者最佳动力性 区域。 册砌o r r z m a x - 砌 图3 1 驱动功率和阻力功率 发动机是汽车动力输出的地方，因此研究c v t 和发动机的匹配关系首先就 要对发动机的各个性能进行分析，发动机性能参数包括：功率，扭矩，排放， 油耗，转速等，一般对发动机的性能参数分析是建立在发动机台架试验的基础 上，对发动机台架试验所得数据进行分析，掌握发动机工作特点，可以制定出 幅 的 辐 历 加坫 加 5 酏 蛞 衢 历 坫 加 5 是暨j ，t i 武汉理工大学硕士学位论文 相应的控制策略，实现提高整车经济性和动力性。 以下针对本文所要用到的发动机的各种特性进行分析，该款发动机为微型 车上使用，发动机为汽油机，排量1 2 l ，发出的最大功率为：5 9 k w 6 0 0 0 r p m ， 输出最大扭矩为：1 0 6 n m 4 4 0 0 r p m ，最低工作转速：8 0 0 r p m ，最高工作转速： 6 4 0 0 r p m 。 由于发动机工况复杂，一般对发动机进行台架试验，测量出一些常用的参 数，做成表格或者拟合成曲线方程，在控制策略里就按照表格查找或者曲线方 程计算的方式来取得某些中间状态的其他参数。一般对发动机性能都用某些特 定的曲线来表示，如负荷特性曲线，速度特性曲线，外特性曲线和万有特性曲 线。这些不同的曲线是在试验台上通过控制发动机以某一种特定的形势工作而 测得的。总的来说都是节气门开度，转速与发动机功率，油耗，转矩之间的关 系。 3 1 发动机数据分析 从发动机台架试验测试的一些发动机参数之间存在着一定的数学关系，而 无级变速器( c v t ) 的控制策略就是存在自动变速箱控制单元t c u 里的目标速 比，它是关于节气门开度和当前车速的函数，因此首先建立发动机的各个数值 模型，便于后面分析出速比控制策略。 3 1 1 发动机曲线拟合方法 发动机的特征曲线有速度特性曲线，外特性曲线，负荷特性曲线和万有特 性曲线，其中速度特性，外特性，负荷特性曲线都是表示发动机节气门开度， 转