（电气工程专业论文）奇瑞cvt07型汽车无级变速器控制策略的研究.pdf

奇瑞c v t 0 7 型汽车无级变速器控制策略的研究 摘要 汽车无级变速箱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 ) 一直是人们 追求的理想汽车变速箱。汽车通过无级变速传动，实现了速比的连续调节， 确保了发动机沿最佳经济油耗线工作，从而提高了燃油经济性，降低了有害 气体排放；同时，无级变速传动效率高于液力自动变速器a t ( a u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n ) ，还可使汽车的变速更加平稳，提高了乘坐的舒适性。 本文介绍了干式复合带无级变速箱的机械结构和传动原理，并介绍了所 采用电磁离合器等相关部件的结构原理与优点。电磁离合器是靠电磁力来传 递转矩的，其输出转矩同励磁电流在一定范围内为线性关系，因此只要控制 励磁电流的大小就可以控制电磁离合器的输出转矩。 汽车起步时离合器接合过程比较复杂，很难建立精确的数学模型，因此 本文提出电磁离合器电流模糊控制策略，即在c v t 汽车起步时，根据驾驶 员经验，以节气门开度、节气门开度变化率、发动机转速来确定电磁离合器 的电流，设计了模糊控制算法，构建了模糊控制器，并计算出模糊控制表以 供在程序中查询。对于变速箱速比的控制，采用传统的p i d 控制策略，设 计了p i d 控制器，并在速比调节的过程中采用分段控制的方法，以适应不 同工况下速比的调节。 本文所设计的无级变速箱控制器着重分析了带轮与带子的分析。为建立 控制模型、控制调速电机提供了理论依据。 通过本文设计的无级变速箱控制器t c u ，在模拟试验台上进行初步参 数整定后，在试验用车m a t i zi i 上进行参数的匹配与标定，并完成了国家规 定的可靠性试验。根据在国家汽车检验中心的检验结果表明，该控制器具有 较好的控制效果。 关键词无级变速箱；t c u ；模糊控制；p i d 控制 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 r es e a r c ho fs t r a t e g yo nc h e r yc v t 0 7 t y p ea u t o m o b i l ec 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 l 0 n a b s t r a c t c v th a sl o n gb e e na ni d e a la u t o m o t i v eg e a r - b o x b yc 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 n ，t h er a t i oo fa u t o m o t i v e sc a l lb ea d j u s t e dc o n t i n u o u s l y , w h i c h e n s u r e st h a tt h e e n g i n ew o r k sa c c o r d i n gt o t h e o p t i m u me c o n o m y f u e l - c o n s u m p t i o nl i n e ，a n d s ot h ef u e le c o n o m i c a le f f i c i e n c yh a sb e e ni n c r e a s e d ， w h i l en o c u o u sg a s e x h a u s td e c r e a s e d m e a n w h i l et h ee f f i c i e n c yo fc v ti s h i g h e rt h a nt h a to fa t , f u r t h e rm o r ei tm a k e sv e h i c l e ss h i f tm o r es t e a d i l y , t h u s p a s s e n g e r sw i l lf e e lm o r ec o m f o r t a b l e t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l e so fd r yh y b n db 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 ( a - c v da r ei n t r o d u c e di nt h ed i s c o u r s e ，t h es t r u c t u r eo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cc l u t c ha n di t sm e r i t sa sw e l l t h et o r q u eo fm a g n e t i cp o w d e r c l u t c hi st r a n s m i t t e db ye l e c t r o m a g n e tf o r c e ，a n dt h e r e sal i n e a rr e l a t i o nb e t w e e n i t s o u t p u tt o r q u ea n de x c i t a t i o nc u r r e n t t h e r e f o r ea sl o n ga st h ee x c i t a t i o n c u r r e n ti su n d e rc o n t r o l ，t h eo u t p u tt o r q u ei sa l s om a s t e r e d t h ee n g a g i n gp r o c e s s o ft h e c l u t c hi s c o m p l i c a t e dw h e na u t o m o t i v e ss t a r t ，a n di ti sd i f f i c u l tt o m o d u l a t ep r e c i s e l y , s oaf u z z yc o n t r o ls t r a t e g yf o rc l u t c hc u r r e n ti sp r o p o s e d ，t o w i tt h ec u r r e n to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc l u t c hi sd e c i d e db yt h et h r o t t l eo p e n i n g ， - 1 1 堕查堡矍三查耋三至堡圭兰堡丝兰 v a r i a n c er a t i o no ft h ct h r o t t l eo p e n i n ga n dt h ee n g i n es p e e d ，a c c o r d i n gt od r i v e r s e x p e r i e n c e b a s e do nt h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h m ，t h ef u z z yc o n t r o lt a b l ef o r m c ui sc o m p u t e d a n dt h a tt h er a t i oo ft h eg e a r - b o xi sc o n t r o l l e db yt r a d i t i o n a l p i dc o n t r o l l e r , w h i c hi sa l s od e s i g n e d w h a t sm o r e ，s e g m e n t a t i o nc o n t r o li s a d o p t e d ，f i tf o rd i f f e r e n ts i t u a t i o n s t h ec v tc o n t r o l l e rd e s i g n e di n t h i sd i s c o u r s ef o c u s e so na n a l y z i n gb a n d w h e e la n db e l t ，b a s e do nw h i c hc o n t o lm o d u l ei se s t a b l i s h e d ，a sw e l la st h e c o n t r o ls t r a t e g yf o rt h et i m i n gm o t o r p i ci8 f 6 6 2 0o fm i c r o c h i pi ss e l e c t e da sm c uf o rt c ui nt h i sd i s c o u r s e i n a d d i t i o nt h es i g n a ld e t e c t i n ga n dd r i v i n gc i r c u i t sa r ei n t r o d u c e db f i e f iy t h e e n g a g i n g c o n t r o lo f e l e c t r o m a g n e t i c c l u t c hf o ra u t o m o t i v e s t a r t i n g i s i m p l e m e n t e db yf u z z yc o n t r o la l t o f i t h m s e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o li sa p p l i e dt o t h ea d j u s tt h er a t i oo fa c v t f i n a l l y ，t h ep r o g r a m m e st h a tm e e tt h ec o n t r o l o r d e r sw e r ew r i r e n t h ep a r a m e t e r sa r es e tu po nt h es i m u l a t i o nt e s t - t a b l ef o rt h ef i r s tt i m e ， t c uw a su s e di nt h ee x p e r i m e n t a lc a rm a t i zi it om a t c ha n dd e m a r c a t et h e p a r a m e t e r s ，f i n a l l ya c c o m p l i s h e dt h ee x p e r i m e n tt h a tt h ec o r m 仃ys t i p u l a t e s t h e f u n c t i o nt e s t i n gb yt h en a t i o n a la u t o m o t i v et e s tt e n s es h o w st h a tt h ec o n t r o l l e r h a sg o o dc o n t r o le f f e c t k e y w o r d sc v t ；t c u ；f u z z yc o n t r o l ；p i dc o n t r o l - n i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文奇瑞c v t 0 7 型汽车无级变 速器控制策略的研究，是本人在导师指导下，在啥尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：刑树立日期：2 0 0 7 年3 月1 8 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 奇瑞c v t 0 7 型汽车无级变速器控制策略的研究系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本。允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打奶 作者签名：刑树立日期：2 0 0 7 年3 月1 8 日 导师签名：王旭东日期：2 0 0 7 年3 月1 8 日 堕玺至至三查兰三堡堡圭兰竺兰兰 1 1 课题来源与意义 第1 章绪论 本文所研究的课题来源于国家科技攻关项目“汽车无级自动变速箱( c v t ) 控 制系统开发”，项目编号：2 0 0 3 b a 4 3 5 c 。课题的主要研究目的是从无级变速箱的 结构以及传动机理的控制策略入手，进行无级变速箱控制器的软件编制，从而使 无级变速箱控制器汽车的经济性、动力性、舒适性、环境干扰等性能达到国外无 级变速汽车的水平。 汽车变速器是车辆动力总成的关键部件，汽车对道路和人的适应性很大的程 度取决于变速器。变速器大体分为机械变速器和自动变速器两大类。机械变速器 为我们所知的手动变速器m t ( m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 。在汽车上使用的自动变 速器大致有三类：液力自动变速器a t 、电子控制机械自动变速器a m t ( a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 和无级变速器c v t ，前两种自动变速器都是 有级或分段无级自动变速i i j l 2 j 。从低档到高档的变速过程中，无法使发动机总是工 作在高效率区域。当传动比发生有级变化时，需要发动机时而加速，时而减速， 使工况处于不稳定的状态，油耗和排污增加，并带来动力传动系统的冲击。 c v t 控制的最大优势是能够实现发动机随转速和转矩变化时，沿最经济油耗 线工作。c v t 与其他传动相比，其传动效率高于液力自动变速器a t ，这就进一步 提高了装备c v t 传动系统的汽车的行驶经济性。此外，在变速过程中，没有动力 中断，也因而提高了行驶的动力性能。c v t 使发动机免除在一些不利工况区运 行，从而提高了发动机的工作稳定性和可靠性。c v t 操纵轻便，变速无冲击，提 高了乘坐的舒适性p 1 1 4 1 。 c v t 技术的应用是与世界可持续发展以及与环保和节能要求一致的。能源与 环境保护正日益成为影响人类可持续发展的两大主题。当今，世界范围的环境污 染和能源消耗日趋严重，其中汽车每年消耗4 6 的石油，在欧美的城市中空气污 染的6 0 来自汽车废气排放。c v t 传动比无级连续变化，可使发动机与变化的外 负荷良好匹配，发动机经常工作在经济工作区，有效地提高了汽车燃油经济性。 同时，c v t 的超速档( 速比可达o 5 ) 扩大了汽车的变速范围，使汽车可以在发动 机低转速、高转矩的工况下输出功率，这样不仅减少噪声，增加动力传动系统效 率，降低辅助装置的动力损耗，还使发动机转矩增加，燃烧效率提高，排气中的 篁查童矍三奎耋三堡堡圭兰堡篓三 c o 、h c 与氮氧化合物减少，排气总量减少与温度升高使催化转换反应条件也得 到改善，研究表明，因燃烧完全可使有害气体排放减少达2 0 左右l ”。因此，c v t 正在越来越多地被国内外汽车厂商开发和利用。 为考察c v t 系统在汽车中应用的实际效果，日本s u b a r u 、德国大众z f 、美 国c h r y s l e r ，f o r d 等各国汽车公司都对其进行了对比试验。同类汽车分别装备无 级变速器c v t 、有级机械变速器m t 和液力机械自动变速器a t ，在同等条件下进 行性能比较，比较结果综合如下： 1 动力性和经济性 由于c v t 能实现传动比的连续变化，可得到传动系与发动机工况的最佳匹 配，整车的动力性和燃油经济性相应得到提高。c v t 汽车的加速性能( o l o o k m h ) 比a t 汽车的加速性能提高了7 5 1 1 5 ，速度较高时，加速性优于m t 汽 车，z f 公司9 7 年测试c v t 汽车的经济性比4 档a t 汽车至少提高约1 0 ，与5 档m t 汽车相当或略优1 6 j 7 l 【”。 2 传动效率 变速装置的传动效率将影响汽车的经济性和动力性。富士重工于1 9 8 8 年对装 备c v t 的s u b a r uj u s t y 汽车进行效率测定，e c v t 为9 0 ，5 档机械变速器为 9 3 ，3 档自动变速器则为8 2 8 5 。据近期试验结果。c v t 传动效率已在 9 2 一9 6 之间，比传统机械变速器效率略低。c v t 系统虽然具有最佳传动效率。 但是由于它的传动效率还未达到传统机械传动的水平，导致c v t 汽车的燃料经济 性和动力性未能显著地超过多档机械变速器。这是当前c v t 急需研究的课题之 一 3 排放 c v t 的速比工作范围宽，能够使发动机以最佳工况工作，从而改善了燃烧过 程，降低了废气的排放量。德国z f 公司将自己生产的c v t 装车进行测试，见图 1 1 、图1 2 、图1 3 。其废气排放量比安装4 - a t 的汽车减少了大约1 0 。 4 可靠性和寿命 c v t 的可靠性和寿命主要取决于金属带传动工作组件和控制系统，据1 9 9 3 年 资料表明，在6 0 万个c v t 中，出现故障的只有1 4 7 个，故障率为0 0 2 5 喇 。可 见，该系统质量高、使用可靠。目前采用高强度优质材料、精密制造技术与无限 寿命设计方法设计和制造的金属带工作组件可达到与发动机同寿命。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 l 簿 君 图1 - 1 国家工况法测试标准( e c e + e u d c l f i g i - 1t e s t i n gs t a n d a r dt e c e + e u d c ) b y n a t i o n a l w o r k i n g c o n d i t i o n l a w 图1 - 2c o 的排放对比 f i g 1 - 2c o m p a r i s i o no f c oe m i s s i o n 5 成本 产品的成本依赖于产品的技术含量、材料、制造工艺装备等因素。由于c v t 的关键零件采用优质钢材。加工过程较为复杂，以液力变矩器为启动部件的 c v t ，其成本价格接近液力机械自动变速器。若采用其他类型的起动部件，其成 竺玺鎏耋三銮兰三耋璺圭兰竺丝兰 本可低于液力机械自动变速器i l o 】。在1 9 9 6 年的美国市场上，装备c v t 的h o n d a c i v i c 轿车比装备4 档a t 的轿车便宜2 0 0 多美元。v d t ( v a nd o o m e st r a n s m i s s i e b 公司在通过不断改进传动零件的结构及零部件加工工艺过程等措施，来降低 产品的成本，提高产品竞争力。 管7 0 巷呻 i o o胍心山 ju o 枷仰6 咖i 咖1 卸l 。时问s 图l - 3n o x + c h 的捧放对比 f i g 卜3c o m p a r i s i o no f n o x + c h e m i s s i o n 本文选用韩国大宇的m a t i z 轿车为实验样车开发无级变速箱电子控制器 ( t c u 。该车采用的是树脂和铝合金等构成的干式复合带无级变速器一c v r ) ， e c v t 是一种高效率的无级变速器。该变速器的特点是：起步时通过由定传动比 齿轮构成的副传动路线来传递动力，保证起步性能；当达到规定车速时，变换到 由带传动所确定的主动力传动路线。该车变速箱中带轮的连续变速控制使用直流 电动机( 即速比电机) ，同时将电磁离合器和c v t 配套全部进行电控。 无级变速器作为一项汽车高新技术，我国还没有具有自主知识产权的无级变 速汽车产品。因此，对于我国而言，开发具有自主知识产权的无级变速汽车对于 提高我国汽车行业的竞争力，追赶世界先进汽车技术，占领技术制高点具有重大 现实意义。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 1 2 无级变速器c v t 的发展过程 1 2 1 国内c v t 的发展过程及应用现状 ，我国在六十年代，“红旗”7 7 0 轿车上就使用了具有两个前进档的液力自动变速 器，之后又研究了有三个前进档液力自动变速器c a 7 7 4 。1 9 9 5 年，一汽大众公司 生产的“捷达王”，已将自动变速器列为选装件。神龙汽车公司也在其“富康”1 6 l 的车型上推出了电控式液力自动变速器。至于c v t ，早在十年前，国内就有高校 购买国外样机作分析研究，但至今无产品问世。目前，重庆大学正在对c v t 的结 构、运动机理进行基础研究；吉林工业大学、东北工业大学、东风汽车公司和湖 北汽车工业学院合作，承担了国家科技部九五重大攻关项目，对c v t 技术进行实 用化研究。与此同时。一些民营企业也在研究c v t 产品，如哈尔滨志阳汽车电气 股份有限公司、洛阳三明实业有限公司等。 1 2 2 国外c 的发展过程及应用现状 汽车工程意义上的无级变速器是1 9 9 6 年由美国人h g s p a n l d i n g 发明的传动 带式无级变速器，而后荷兰h v a n d o o m e 博士于1 9 5 8 年研制成功了双v 型胶带 式无级自动变速器( 即v a r i o m a t i c 无级自动变速器) ，并装于d a f 公司的小型汽 车上，后经改进，于1 9 7 5 年装备于v o l v 0 3 4 0 系列轿车上。据统计，此后约有1 2 0 万辆轿车装备了v a r i o m a t i c 无级自动变速器。表1 1 列出了c v t 的发展历史 f n l i 2 l 。 无级自动变速器c v t 取得里程碑的突破是在本世纪六十年代中期。当时， v d t 公司的研究人员在荷兰开始进行调查研究，目的是研制结构更紧凑、更简洁 的c v t ，使它能和较大马力的发动机匹配。他们首先研制了名为“p u s h i n g b l o c k v - b e l t 的金属v 型带( 即推进式摩擦片) 。与其他的刚性摩擦体c v t ，如金属v 型 链，合成v 型带等相比较，该类型的v 带具有更高的传动效率、效率指数值，甚 至比当前有级的自动变速器更好胪l 。 世界上的主要汽车生产国都在积极开发c v t 系统，所以已经出现了很好的实 用化发展势头。目前国外c v t 的实际应用情况如下1 1 6 l 【i - q ： 1 v d t - c v t 应用概况 v d t - c v t 主要有p 8 1 l 、p 8 2 1 、p 8 8 4 、p 9 0 1 等四种类型。其中p 8 1 1 和p 8 2 1 兰玺堡星三查兰三堡至圭兰堡兰蚤 是第一代产品，p 8 8 4 和p 9 0 1 是第二代产品。p 8 1 1 是以湿式多片离合器作为起步 装置，采用机液控制系统，而p 8 2 1 是以电磁离合器作为起步装置，采用电液控制 系统，两者都是以外啮合齿轮泵作为液压源，并采用单回路液压系统。第二代产 品主要做了以下改进：采用了新型金属带，以液力变矩器作为起步装置，用双级 滚子叶片泵代替了齿轮泵，采用全电子控制系统，因而它们的性能指标超过了液 力机械自动变速器a t 。其中p 8 1 l 、p 8 2 1 、p 8 8 4 适用于前置引擎前轮驱动轿车， 而p 9 0 1 适用于前置引擎后轮驱动轿车为进一步扩大市场，v d t 公司1 9 9 5 年5 月归属于德国r o b e r tb o s c h 公司，但入们仍习惯称这种无级变速器为v d t - c v t 。 表卜】c v t 的发展史 t a b l e1 - 1d e v e l o p m e n to f c v t 年份 国家 人名( 公司) 内容 1 8 9 6 盆美国 h g s p a u l d i n g 发明传动带c v t 1 9 5 8 盆荷兰d a t 研制出v 型胶带c v t , 装备d f f o d i l 轿车 6 0 年代后期荷兰 d a f shd o o r n c 研制出金属带c v t 1 9 7 8 年 意大利 f i a t装用v a n d o o m e c v t 1 9 8 2 芷荷兰 v d t 批量生产v d t c v t 1 9 8 3 年瑞典v o l v o销售c v t 轿车2 万辆。大获成功 1 9 8 4 燕瑞典v o i v o装备g 1 和g 2 型轿车5 万辆 1 9 8 7 定日本、美国 f u j i 重工、f o r d 开发c v t 系列产品 1 9 8 7 生 意大利 f i 砸 装备轿车 研制成功新型c v t ：h o n d am u l t im a t i c 1 9 9 6 芷日本 h o n d a 并装备于c i v i c 系列轿车 f u j ih e a v y 、 开发成功可以模拟六档m t 多功能 1 9 9 7 芷日本 n i s s a a c v t ，并装备与v i v i o 等轿车 开发出m u l t i t r o n i c 无级变速器，装备于 1 9 9 9 矩德国 a u d i a u d i a 6 轿车获得巨大成功 e x t r o i dc v t 装备c _ = e c l f i c 3 0 最大传递扭 2 0 0 0 矩日本 n i s s a n 矩3 3 0 n m 2 0 0 0 芷日本m a z d at o r o i d a lc v t 配备3 0 l 发动机 2 日本的c v i 应用概况 c v t 首次装车并投放市场是1 9 8 7 年。当时日本富士重工公司( f h hf u j i 6 哈尔溟理工大学工程硕士学位论文 h e a v yi n d u s t r i e sl t d ) 从v d t 公司购买了金属带，并得到了v d t 公司的技术指 导，生产了面向1 0 l 轿车的c v t ，并装在s u b a r uj u s t y 轿车上。该c v t 的夹紧力 和换档控制仍然是采用v d t 全液压控制，不同之处是采用了电磁离合器作为起步 装置，从而起步离合器实现了电子控制，因而称之为e c v t ，e c v t 大约生产了 1 0 0 万台以上。f h i 公司又在e c v t 的基础上增加了一个o n o f f 电磁阀，以根据 发动机的负荷控制液压缸的夹紧力，实现了夹紧力的电子控制，从而汽车的动力 性和经济性都有了显著的提高，但换档控制仍然是液压控制，它被成功地应用在 了s u b a r uv i v i o 轿车上。1 9 9 2 年日本的铃木公司( s u z u k im o t o rc o r p ) 首次开发 出了湿式离合器、夹紧力和换档都采用电子控制的全电控c v t ，并成功地装在了 1 3 ls u z u k ic u l t u s 轿车上，一般称之为s c v 一”i i ”1 1 2 0 1 。它主要由b o r gw a r n e r 生产 的推力型金属链和电液控制系统组成，通过控制电磁线圈来实现起步、夹紧和换 档。通过对装备s c v t 、5 档手动变速器和3 档a t 的1 3 ls u z u k ic u l t u s 轿车的动 力性和经济性对比试验结果分析表明：动力性是5 档手动变速器最大车速比s c v t 高5 ，0 4 0 0m 加速比s c v t 快2 2 5 、0 1 0 0k m h 加速性快4 ，但是 s c v t 最大车速却比3 档a t 高2 ，0 4 0 0m 加速比3 档a r 快4 5 ，o 1 0 0 k m h 加速性快9 。而经济性是s c v t 比5 档手动变速器和3 档a t 都好。日本本 田汽车公司( h o n d a ) 也是世界上较早开发生产c v t 的著名公司之一。1 9 9 5 年9 月，h o n d a 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 e ，它与s c v t 一 样，也实现了离合器、换档和夹紧力的全电子控制，所不同的是将起步离合器装 在了从动轴上，这不仅能够在急刹车时使金属带回到最低档，而且还可最大效地 保护金属带6 l i ”l 。日产公司( n i s s a nm o t o rc o ，l t d ) 在8 0 年代也开始了c v t 的 开发。在实现了1 3 l 装车后，于1 9 9 7 年首次成功地开发了用于2 o l 电喷发动机 的带有液力变矩器的n i s s a nh y p e rc v t ，并生产了近2 0 万套，紧接着又成功地开 发了转矩3 5 0n m 、与v 63 0 l 发动机匹配的大容量c v t 。 1 2 3 汽车无级变速器的发展趋势 c v t 传动技术由于其自身的特点，已越来越被更多的汽车厂商所重视。尤其 是荷兰v d t 公司和德国b o s c h 公司合并之后，在欧洲乃至世界各国正以更快的速 度发展。国际上各大公司纷纷计划推出自己的c v t 新车型，并有向大排量、多功 能、节能环保及智能化方向发展的趋势。汽车变速器的发展过程如图1 4 所示。 汽车无级变速器的研究方向主要体现在以下两个方面： 1 硬件方面：集中研究开发v a n d o o m e 金属带式无级变速器，这是今后重 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 要的发展方向，亦是本文所研究的对象。控制系统方面采用电控方式控制无级变速 箱的运行，加速和改善过渡响应性能，提高车辆操纵性和行驶性能。 2 软件方面：要进一步提高无级变速汽车性能，不仅要研究无级变速器本 身，而且要考虑变速器与发动机的匹配，实现动力系统的综合控制，使车辆的动 力性、燃油经济性和废气排放这些难兼顾的性能实现综合优化，提高车辆的综合 性能。 器 墨 悟 i 仍1 娜i i ；b 5l 卿i 螂 2 0 0 0 军代 图1 4 汽车变速器发展过程 f i g 1 - 4h i s t o r yo f a u t o m o t i v et r a n s m i s s i o n 1 3 本文研究的主要内容 本文以干式复合型无级变速器的开发为例。围绕着电控无级变速器控制系统 的建模，系统控制策略及相关问题进行以下研究： 1 在总结国内外大量参考文献和其他研究机构研究成果的基础上，系统研究 了干式复合型无级变速器的系统组成和工作原理。分析了干式复合型无级变速器 的特点及应用情况。 2 在带传动基本关系基础上，推导了带轮的计算公式。 3 为了实现汽车的运行达到生产厂家的性能要求和用户的使用与维修的需 堕玺童星三奎兰三堡璺圭兰竺鎏三 要，本文重点研究了控制策略的的问题。 4 在m a t e l i 试验用车上进行了相关的参数标定与匹配并通过国家轿车检 验中心的检测在动力性及其经济性指标上基本达到了国外c v t 的控制水平。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 第2 章c v t 变速箱控制系统的结构与工作原理 2 1c v t 变速箱的结构 本文选用韩国大宇的m a t i zi i 轿车为实验样车开发无级变速箱控制系统。该车 采用的是树脂和铝合金等构成的干式复合带无级变速箱，此变速箱的结构如图2 1 所示。 1 调速电机 2 减速机构 3 用于前进与倒车转换 的齿轮系 4 电磁离合器 5 干式复合传动带 6 滑轮 7 超越离合器 8 预紧弹簧 9 减速轮系 1 0 差速齿轮 l 】1 2 主动齿轮 1 3 1 4 从动齿轮 图2 - 1 无级变速箱结构图 f i g 2 - is t r u c t u r eo f c v t c v t 的主动轮和从动轮都由可动盘和固定盘组成，其中主动轮a 和从动轮d 是可动盘，主动轮b 和从动轮c 是固定盘。可动盘与固定盘形成v 型槽。并与v 竺垒堡矍三奎兰三堡堡圭兰堡丝兰 型干式复合传动带啮合，其中v 型干式复合传送带的结构如图2 - 2 所示。 图2 - 2 干式复合型传动带结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo f d r yc o m p l e xb e l t c v t 工作时通过速比电机的正反转，再经过速比变化齿轮系传动机构使主动 轮a 向左运动或向右运动。因为传统的机械式电控无级变速箱夹紧力与速比控制 存在耦合效应。夹紧力控制与速比控制互相影响，同时不能用解析式精确描述它 们期望的控制目标，所以使精确实现速比和夹紧力的控制变得十分复杂。而本文 所介绍的千式复合带无级变速箱c v t 当主动轮a 向左运动时，由于干式复合型传 送带的长度一定，从动轮d 就在弹簧张力的作用下紧跟着向左运动；当主动轮a 在电机的驱动下向右运动时，从动轮d 在传送带的推动下也向右运动。因此简化 了夹紧力和速比控制的关系，即本文只需通过主动轮与从动轮可动盘的轴向移动 来改变主动轮、从动轮锥面与v 型传动带啮合的工作半径来改变传动比即可实现 变速箱速比的控制。可动盘的轴向移动量及移动速度是根据驾驶者的意图由控制 系统自动调节的。由于主动轮和从动轮的工作半径可以实现连续调节，从而实现 了无级变速。 汽车开始起步时，主动轮和从动轮通过机械二路离合器传动机构来传递力 矩，这时速比是一个定值，c v t 的调速机构不起作用，从而改善了汽车的起动性 能。当车速大于某一个固定的值时，c v t 的调速机构开始工作，此时机械二路离 合器传动机构不再起作用，从而使驱动桥能有足够的扭矩来保证汽车有较高的加速 度。随着车速的增加，从动轮的工作半径逐渐减小。主动轮的工作半径增加， c v t 的传动比下降，使得汽车能够以更高的速度行驶。 2 2c v t 变速箱的传动原理 最大传动比和最小传动比是影响汽车动力性和燃油经济性的重要参数，一般 来说，最小速比与汽车的最高车速和燃油经济性有关，最高速比与车辆的加速性 能、爬坡性能和最小稳定车速有关。 图2 3 为c v t 无级变速传动原理图。变速部分由主动带轮、干式复合传送带 和从动带轮所组成。两个带轮的中心距是固定的。每组带轮都由两个锥形带轮组 成，其中一个锥轮是固定的，另一个锥轮可以通过速比电机控制其沿轴向移动， 即锥轮之间的轴向相对位置可以通过控制机构来改变。 c v t 的传动比可表示为f - r h n ，= r 2 r m 。当主动带轮的半径r ，处于最小半径 ( 两个半轮之间的轴向距离最大) ，从动带轮的半径r 2 处于最大半径( 两个半轮间 的距离最小) 时，传动系统所形成的传动比最大i 。，相当于低档行驶状态，即 f 。= ，2 一 m ( 2 - i ) 当通过直流速比电机控制改变，和力的半径时，如r ，逐渐增大，由于两个带 轮轴之间的距离和传动带的周长是固定不变的，为了保证正常传动而相应使n 的 值减小，直至，达到最大而以达到最小，此时相当于汽车的高档行驶状态，即 o = 乃m ，l 。 ( 2 - 2 ) 1 习窿 8 _ 一i 从勘耗 nll 心套 刊 罐斗鬃冽 a ) 传动t g l 图2 - 3c v t 无级变速原理 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fc v t t r a n s m i s s i o n 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 2 3c v t 控制系统简介 2 3 1 电磁离合器的结构及工作原理 电磁离合器不是靠摩擦传动，而是靠其电磁力来传递转矩的。图2 - 4 为电磁 离合器的一种结构型式【2 2 i 。 图2 - 4 电磁离台器结构 f i g ，2 - 4s t r u c t u r eo f e l e , c u i o m a g n e t i cc l u t c h 离合器主动盘安装在发动机的飞轮上，从动盘通过花键套连接到变速箱一轴 上，电流通过滑环送给励磁线圈。当t c u 给电磁离合器提供电流时，线圈励磁由 于磁通量要保持最大的原理而导致磁性物质堆积在主从动盘之间。随着电流的增 大磁性材料的剪切力随之增大。因此控制了传递扭矩的大小。当停止工作时需 要发动机与其断开，只要切断通往电刷的直流电源，此时虽然发动机仍然转动，但磁轭 内己无磁场存在，磁性力消失。因此实现了离合器的断开。而且断开平稳可靠。 电磁离合器在汽车自动变速中的应用，主要涉及到静特性和机械特性这两类 特性。静特性主要表示的是励磁电流同输出转矩的关系，如图2 5 所示。因此只 要控制励磁电流的大小就可以控制电磁离合器的输出转矩。 电磁离合器的优点有如下四个方面： 1 输出转矩大致和励磁电流成正比，在额定电流和额定转矩范围内有较好的 线性关系。转矩控制的范围广，控制的精度高，能用简单方法来实现转矩的大范 围调整和精密微调，通过调节控制电流就能十分方便的调节输出转矩。控制功率 小，输出转矩大，为简化控制方式提供了方便。因此，同样的使用功能下，具有 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 较简单的结构和较低的成本。 i 一一二” ；_ 孓 急 o 。 。 急 。j7l j 7jjj 。 j ”g 虹。i 。晨。 。+ 4 ，。+ “。68 。】i i 图2 - 5 电磁离合器的扭力一电流的关系曲线 f i g 2 5s t a f f , c h a r a c t e r i s t i cc t t r v o f e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h 2 在某一特定励磁电流下，输出转矩与转速无关，大体上是一恒定值，不受 同步或滑差等使用条件的影响，即使滑差转速改变较大，所传递的转矩基本保持 不变。这一特性是电磁离合器有别于其它种类产品的独特性能之一。 3 结构不同，散热状况差异较大。散热状况决定着使用功率的大小，尤其是 在滑差状态下工作，几乎是唯一的选择条件。电磁离合器相对体积较大，相对热 容量较大，一般不会影响使用。对于某些种类的产品，如水冷、强制风冷及外壳 加有铝散热翅的产品，散热条件要优于一般产品，相对滑差功率要大的多，完全 可以满足一些特殊使用的场合的要求。 4 接合平稳，动作迅速，响应快，无接合冲击，无控制和运行噪音。电磁离 合器励磁线圈通电后，磁粉由松散状态到在工作间隙形成磁粉链时有一个延时过 程，这一过程在驯化时较明显，正常连续工作时很短，这使电磁离合器还略带有 滞后的特性。断开激磁电流时剩余转矩非常小，略等于空载转矩，因此在断开时 不会发生延迟回转现象田j 。 2 3 2 换档开关 换档开关为组合开关。它的工作是通过换挡位置选择轴和触点1 、触点2 、触 点3 的不同组合、为电子控制单元t c u 提供不同的档位信号。它具有p ( 驻车 挡) 、r ( 倒车挡) 、n ( 无档) 、d ( 行车挡) 、s ( 低速挡) 五个档位。其结构如图 2 6 所示。 2 3 3 传感器 图2 - 6 换档开关的结构简图 f i g 2 - 6s n u c t u r es k e _ f c ho f s h a f ts w h i c h 系统主要有三种传感器：电磁传感器，位置传感器即电位计式，加压式传感 器。发动机转速，c v t 输入轴转速，输出轴转速采用电磁传感器，输出脉冲信 号。油门开度，位置传感器采用电位计式传感器，输出电压信号。手制动信号和 脚制动采用加压式传感器，输出高低电平信号。传感器的具体方式和主要功能如 表2 1 所示。 表2 1 传感器的类型与主要功能 t a b l e 2 - 1m a i nt y p e sa n df u n c t i o n so f s e n s o r , 3 传感器信号形态类型主要功能 发动机转速传感器脉冲电磁传感器启动、变速时，离合器控制 输出轴转速传感器脉冲电磁传感器检测停止状态、换挡的条件 离合器接合点的检测 输入轴转速传感器脉冲电磁传感器档位脱离的判定 车速传感器发生故障时的支撑 节气门开度传感器模拟电位计节气门开闭大小控制信号 速比位置传感器 模拟电位计 检测速比大小 手制动开关接点加压式接点判断电磁离合器接合断开的条件 脚制动开关接点加压式接点判断紧急制动的条件 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 2 3 4 无级变速箱电子控制单元 在对无级变速箱电子控制单元( t c t 0 硬件电路设计时，主要从以下几个原则 出发： 1 硬件与软件设计相结合来优化硬件电路 一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可 用硬件来完成。用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比硬件时间长，还要占 用m c u 时间，但是用软件实现硬件功能可以简化硬件电路结构，提高其可靠性 能，同时降低了成本，因此在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前 提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。 2 可靠性及抗干扰设计 由于汽车在运行过程中工况复杂，工作环境恶劣，t c u 不仅要承受不良路面 所引起的振动和冲击，而且要承受汽车内部电器系统的热辐射和电磁干扰。根据 可靠性设计理论，系统采用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，而且所 用芯片数量越少，地址数据总线在电路板上受干扰的可能性也就越少，因此本系 统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片。 3 灵活的功能扩展 一次设计往