（电力电子与电力传动专业论文）基于pic18f6620无级变速箱控制器的设计.pdf

竺堡堡耋三奎兰三兰堡圭茎堡丝三 d e s i g no fc o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s s m i s s i o n c o n t r o l l e rb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e rp i c l 8 f 6 6 2 0 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 l b ea d j u s t e d c 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 eo p t i m u m e 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 ds 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 r i 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 ep a p e r t h es t r u c t u r eo ft h e m a g n e t i cp o w d e rc 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 ec 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 t i 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 v a r i a n c er a t i o no f t h et 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 p i c l 8 f 6 6 2 0o fm i c r o e h i pi ss e l e c t e da sm c uf o rt c ui n t h i sp a p e r 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 r i e f l y t h e e n g a g i n g c o n t r o lo fe l e c t r o m a g n e t i cc 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 r 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 i i 竺玺堡至 奎兰 茎堡 兰堡丝苎 o r d e r sw e r ew r i t t 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 yar e l i a b i l i t yt r i a lf o r3 00 0 0 k mi sc o m p l e t e d 1 1 1 ef u n c t i o n t 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 tc e n t r es h o w st h a tt h ec o n t r o l l e rh a sg o o d c o n t r o le f f c 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 i i 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 基于p i c l 8 f 6 6 2 0 无级变速 箱控制器的设计 是本人在导师指导下 在哈尔滨理工大擎攻读硕士学位期 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 昊既目l 日期 丑d 6 年狷知日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于p i c l 8 f 6 6 2 0 无级变速箱控制器的设计 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 不保密回 请在以上相应方框内打 作者签名 聚兢烈 导师躲哆彩易 日期 硒 年弓月知日 日期 夕 庠7 月歹一日 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 汽车无级变速箱c v t 控制器 的研究 的控制器软件设计部分 项目编号 2 0 0 3 b a 4 3 5 c 本文主要工作是从 无级变速箱c v t 的结构以及传动机理的控制策略入手 对无级变速箱控制器进 行软件设计 随着工业技术的高速发展 人们生活节奏的加快 活动空间的增加和对生 活质量的追求 使得人们对汽车的行驶速度 舒适性 安全性等提出了越来越 高的要求 车辆行驶性能的好坏 不仅取决于发动机 在很大程度上还依赖于 变速箱及变速箱与发动机匹配的好坏 汽车变速箱是为解决发动机输出转速和 转矩与车辆所需转速和转矩之间的矛盾而设立的 随着电子技术和自动控制技 术的迅速发展 发动机控制技术日趋成熟 自动交速箱技术越来越完善 在越 来越多的车辆上得到应用 成为现代汽车与现代汽车工业发展的标志之一 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 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n m 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 哈尔滨理工大学 学硕 学位论文 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 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 1 0 0 k i n 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 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 0 一8 5 据近期试验结果 c v t 传动效率已在 9 2 0 0 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 无级自动变速器因其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 z f 公司试验测定汽车装备c v t 系统 后 其有害排放比装备4 档自动变速器的汽车减少1 0 左右 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 o 0 2 5 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 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 其成本可低于液力机械自动变速器 在1 9 9 6 年的美国市场上 装备c v t 的 h o n d ac 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 s t r a n s m i s s i eb v 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 无级变速传动技术在汽车变速传动装置发展史上具有变革意义 我国作为 世界上最有潜力的汽车市场 研究开发c v t 具有重要的经济意义和社会意义 国家计委 科技部联合颁布的2 0 0 1 年度 当前优先发展的高新技术产业化重点 领域指南 第2 2 项 汽车电子产品 汽车传动及行驶控制系统 国家经贸委 制定的国家汽车 十五 发展规划 四 以提高竞争力为目标 支持一批重大项 目 汽车自动变速箱零部件技术改造项目 由于c v t 自动变速箱的特点 该 产品在微型汽车上应用将会十分广泛 目前国外微型车应用c v t 自动变速箱的 数量逐年增加 而我国对该项目的研制才刚刚开始 我国用于1 3 l 排量以下的 低功率 低扭矩车上应用的自动变速箱技术还不完善 尚无小型车安装c v t 自 动变速箱 因此 汽车无级自动变速箱 c v t 控制系统为国家重点支持和发展的 高新技术产品 1 2 无级变速器c v t 的发展过程 应用现况及发展趋势 1 2 1 国内c v t 的发展过程及应用现状 在我国 c v t 的研究工作起步较晚 且主要集中在大专院校 尚处在研究 开发阶段 并多以理论研究为主 市场上出现的如长安铃木的羚羊 南京菲亚 特的派力奥及一汽大众的奥迪a 6 等装有c v t 的车型 基本上都从国外整机引 入 不具备自主知识产权 在8 0 年代末9 0 年代初北京理工大学就开始了汽车 无级变速传动的研究 华南理工大学在9 0 年代初也得到了国家自然资金的资助 进行无级变速传动速比控制规律的研究 但两者因没有生产厂家的参与 均无 产品问世 最近在许多大专院校又开始了无级变速传动的研究 东北大学目前 3 正在从事无级变速传动的金属带的开发与研制工作 并作出了样品 篁庆大学 机械传动国家重点实验室从1 9 9 7 年转入无级变速传动的试验与丌发研究 主要 是对金属带传动机理和振动研究 吉林大学汽车学院从1 9 9 6 年一直从事汽车无 级变速器的研究 取得了许多研究成果 2 0 0 2 年首次实现了e q 6 4 8 0 轻型客车 的c v t 装车试验 但由于电液控制系统是分立式的 目前还存在许多问题 1 2 2 国外c v t 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 8 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 f i e 无级自动变速器 表l l 列出了c v t 的发 展历史 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 k 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 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 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 是第 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 1 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 但人们仍习惯称这种 无级变速器为v d t c v t 表i 1 c v t 的发展史 t a b l ei 1t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo f c v t 年份国家 人名 公司 内容 1 8 9 6 焦 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 芷荷兰 d a f研制出v 犁胶带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 sh u b v a n研制出金属带c v t d o o m e 1 9 7 8 生意大利f i 砒装用v a n d o o m e c v t 1 9 8 2 焦 荷兰 v d t 批量生产v d t c v t 1 9 8 3 芷瑞典v o i v o 销售c v t 轿车2 万辆 大获成 功 1 9 8 4 生 瑞典v o l v o装备g 1 和g 2 j 轿车5 万辆 1 9 8 7 住 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 年意大利f i 砒装备轿车 1 9 9 6 拒日本h o n d a研制成功新璎c v t h o n d a m u l t im a t i c 并装备tc i v i c 系 列轿车 1 9 9 7 焦日本 f u j ih e a v y 开发成功可以模拟六档m t 多 n i s s a n 功能c v t 并装备与v i v i o 等 轿车 1 9 9 9 焦德国a u d i 开发出m u l t i t r o n i c 无级变速器 装备于a u d ia 6 轿车 获得巨大 成功 2 0 0 0 焦日本n i s s a n e x t r o i dc v t 装备c e d r i c 3 0 最 大传递扭矩3 3 0 n m 2 0 0 0 年日本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 t 应用概况 c v t 首次装车并投放市场是1 9 8 7 年 当时同本富士重i 公司 f h hf u j i 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 o 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 的央紧 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 哈尔演理 大学 学硕十学位论文 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 i m o t o rc o r p 1 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 t 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 0 m 加速比s c v t 快2 2 5 o 1 0 0 k 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 0 m 加速比3 档a t 快4 5 0 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 r 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 日产公司 n i s s a am 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 0 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 0 n 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 m d o o m e 金属带式无级变速器 这是今后重 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 哈尔滨理工大学 学硕士学位论文 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 1 3 本文研究的主要内容 本文所研究的课题是与哈尔滨志阳汽车电气股份有限公司合作 通过试验 样车m a t i zi i 的c v t 无级变速箱的研究与试验来为奇瑞s l l 车型 q q 配备无级 变速箱控制器 t c l 0 研究的主要内容包括以下几个方面 1 通过了解c v t 的基本结构与工作原理 提出无级变速箱控制器 t c u 的 系统设计方案 2 根据c v t 控制系统的非线性和实时性要求 建立了采用模糊控制算法的 数学模型 模糊控制规则表 在车辆起步时对电磁离合器电流进行控制 针 对变速箱的速比变化 采用p i d 控制算法进行速比的调节 3 编制t c u 程序 并在c v t 控制实验台上对控制参数进行初步整定 4 在m a t i zi i 样车上进行控制参数标定匹配 完成各种实验测试 并通过 国家汽车检验中心的性能测试 竺堡堡矍三奎兰三兰矍圭茎堡耋兰 第2 章c v t 变速箱结构及其工作原理 2 1c 变速箱的结构 本文选用韩国大宇的m a t i zh 轿车为实验样车开发无级变速箱控制器 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箱 此变速箱 的结构如图2 1 所示 图2 1 无级变速箱结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo f c v t 机 动机构 换的齿轮系 哈尔蟛理t 大学t 学硕十学位论文 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 型干式复合传动带啮合 c v tt 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 所以便精确实现速比和 夹紧力的控制变得十分复杂 而本文所介绍的干式复合带无级变速箱c v t 当主 动轮a 向左运动时 由于于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一个机械二路离合器 x 2 向超越离合 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 2 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 啊 n r 2i r j 当主动带轮的半径 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 竺垒兰矍三奎兰三兰至圭耋竺丝兰 问的距离最小 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 i 一 r 2 r l 2 1 当通过直流速比电机控制改变 和力的半径时 如 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 以的值减小 直至r j 达到最大而r 达到最小 此时相当于汽车的高档行驶状 态 即 i f 2 q 2 2 垦菲蜜嚣 被动帝轮 速比i 1 速比i l 图2 2 c v t 无级变速原理 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f c v tt r a n s m i s s i o n 2 3 电磁离合器简介 对于以内燃机为动力的汽车 离合器在机械传动系中是作为一个独立的总 成而存在的 它是汽车传动系中直接与发动机相连接的总成 为保证离合器具有良好的工作性能 选用离合器应满足如下基本要求 1 在任何行驶条件下 既能可靠地传递发动机的最大扭矩 并有适当的转 矩储备 又能防止传动系过载 2 接合时要完全 平顺 柔和 保证汽车起步时没有抖动和冲击 3 分离时要迅速 彻底 4 从动部分转动惯量要小 以减轻换档时变速器齿轮间的冲击 便于换档 和减小同步器的磨损 哈尔滨理t 大学丁学硕七学位论文 5 应有足够的吸热能力和良好的通风散热效果 以保证工作温度不致过 高 延长其使用寿命 6 应能避免和衰减传动系的扭矩振动 并具有吸收振动 缓和冲击和降低 噪声的能力 7 操纵轻便 准确 以减轻驾驶员的疲劳 8 作用在从动盘上的总压力和摩擦材料的摩擦因数在离合器工作过程中变 化要尽可能小 以保证有稳定的工作性能 9 具有足够的强度和良好的动平衡 以保证其工作可靠 使用寿命长 1 0 结构应简单 紧凑 质量小 制造工艺好 拆装 维修 调整方便等 目前汽车常用的离合器有摩擦式离合器 液力变矩器 摩擦式离合器在机 械手动变速器中使用较多 在自动变速器中 需要附加另外的控制伺服机构来 完成对离合器的控制 因此控制较为复杂 液力变矩器的体积较大 机构及控 制都较为复杂 价格高 不适合在微型车自动变速器中使用 电磁离合器是一 种新型的汽车动力传递部件 它同传统的液力变矩器和机械式离合器不同 结 构比液力变矩器更简单 体积更小 传递效率更高 价格上更具竞争优势 比 机械式离合器传递动力更平稳 控制更易实现 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 3 为电磁 离合器的一种结构型式 1 主动件2 从动件3 磁粉 4 线圈5 滑环6 输出轴7 磁路8 1 作间隙 图2 3 电磁离合器结构简图 f i g 2 3s t r u c t u r es k e t c ho f e l e c t r i o m a g n e t i cc l u t c h 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 电磁离合器是以磁粉为中间介质 利用电磁原理使主动件和从动件通过磁 粉实现接合和分离的一种离合器 如图2 3 所示 主动件由两环连接而成安装在 汽车飞轮上 线圈安装在两环中间 从动件呈杯状的环 同输出轴相连接 转 动惯量较小 有利于快速动作 从动件上有矩形缺口 磁粉填充在工作问隙 中 当激磁电流断开后 能快速顺利消除磁粉产生的连接作用 使离合器的断 开性能得以改善 电磁线圈的出线端连接到离合器端面的滑环上 通过电刷得 到直流电 主 从动件均为铁磁材料形成磁路 当主动件旋转而线圈不通电励磁时 工作隙中的磁粉由于离心力作用被压 附在主动转子的内壁上 主 从动件处于分离状态 从动件不动 也就没有转 矩的传递 即 离 当励磁线圈通电时 沿着磁轭 主动转子 磁粉 从动转子 磁粉 主动转子 磁轭产生工作磁通 在磁通的 作用下 磁粉沿磁通方向呈链状连接起来 称磁粉链 此时磁粉链与工作面之 间产生摩擦力 磁粉与磁粉之间产生抗剪力 磁粉链把两个回转体连接在一起 传递转矩 即 合 磁粉链的接合力的大小由磁轭励磁后的磁场强度所决定 又随磁场强度的增加而增大直到磁饱和为止 因此 电磁离合器具有三种工作 状态 1 当电磁离合器励磁电流足够大时 从动转子与主动转子的接合力足够大 而连成一体 处于 同步 工作状态 2 当电磁离合器励磁电流逐渐减小到一定值时 电磁离合器虽仍能传递扭 矩 但接合力减小而出现滑转 从动件转速低于主动件转速 电磁离合器处于 滑差 工作状态 3 当电磁离合器励磁电流小于某一数值时 电磁离合器所能传递的转矩小 于负载力矩 从动件转速为零 电磁离合器处于全滑差工作状态 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 4 所示 从图 中可以看出电磁离合器的转矩曲线分为三个区域 非线性段 线性段和饱和 段 在非线性段 当电流为0 时转矩为不等于o 的一个固定值t o 这是由于轴 承 密封摩擦以及剩磁的综合作用结果 称其为空转转矩 线性段是电磁离合 器的主要工作区间 输出转矩与励磁电流表现出强的线性关系 电磁离合器最 大转矩一般都在线性段之内 饱和段则较少使用 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 1 2 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 n t n t 1 t o豸 多7 藿嫠j 工1 线性段 i hi 且 饱和 段 图2 4 电磁离合器的静特性曲线 f i g 2 4s t a t i cc h a r a c t e r i s t i cc u r v e so f e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h 2 3 2 电磁离合器的优点 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 具有较简单的结构和较低的成本 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 日j 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 哈尔滨理丁大学t 学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要讨论了以下几方面 1 c v t 变速箱的机械结构 c v t 变速箱主要由主动轮 从动轮 干式复合 型传送带 改变速比的驱动电机 速比变化齿轮系传动机构 用于前进与倒车 转换的齿轮系 电磁离合器 改变速比的滑轮 机械二路离合器 转矩凸轮 减速齿轮系 差速齿轮等基本部件构成 2 c v t 变速箱的传动原理 无级变速器c v t 变速部分由主动带轮 干式复 合传送带和被动带轮组成 每个带轮都由两个带有斜面的半个带轮面组成一 体 其中一个半轮是固定的 另一个半轮通过速比电机的正反转来控制其移 动 控制速比电机的工作电压可改变主 被动轮的传动半径 从而改变传动速 比 达到无级变速的目的 3 电磁离合器的工作原理和优点 c v t 离合器采用电磁离合器 其输出转 矩与励磁电流在一定范围内表现出强的线性关系 因此只要控制励磁电流的大 小就可以控制离合器的输出转矩 能迅速切断和实现发动机对传动系的动力传 递 保证汽车起步时将发动机与传动系平顺地接合 确保汽车平稳起步 在发 动机与传动系分离时 能够减少变速器中齿轮之间的冲击 在工作中受到较大 的动载荷时 能限制传动系所承受的最大转矩 有效地降低传动系中的振动和 噪声 哈尔滨理 大学工学硕士学位论文 第3 章c v t 变速箱控制策略的研究 为实现c v t 汽车的良好行驶性能 需要对变速箱的传动比和车辆起步时电 磁离合器的接合进行良好的控制 在c v t 变速箱工作过程中 控制效果的好坏 与控制策略有直接的关系 在本章中将论述应用模糊控制和p i d 控制策略来设 计电磁离合器电流和变速箱传动速比的控制器 3 1 模糊控制工作原理 模糊控制是一种基于模糊数学理论的新型控制方法 它的理论方法 实现 技术都和传统的控制理论和技术有很大的区别 模糊控制中的模糊量描述是以 模糊集合为基础的 模糊控制虽然是一种新的控制方式 但是它遵循一定的科 学规律和法则 所以 模糊控制具有一种与之相应的机制和原理 对于一个系统而言 模糊控制在控制系统中所表现的具体形式是模糊控制 器 模糊控制从系统结构角度讲 是以模糊控制器取代传统的数字控制器 这 种结构和传统的控制结构完全一样 由电子计算机组成的模糊控制器要具备下述功能 1 1 模糊化接口功能 被控制对象的状态都是精确量 必须把被控制对象有关状态的精确量转为 相应的模糊量 模糊化接口应完成如下有关工作 1 检测须输入的精确量 2 执行标度处理 把输入量的范围变换到相应的论域范围 以便计算机能 执行处理 3 进行模糊化 把输入数据转换成恰当的语言值 即模糊量 2 存储知识库 电子计算机应能把用于模糊控制的知识库存储在内部 以供知识推理时用 知识库由数据库和语言控制规则库组成 语言控制规则库即是模糊控制规则 库 数据库即是隶属函数集 也即模糊量级 3 决策功能 决策功能是模糊控制器的中心功能 这种决策是模糊决策 它模拟人类决 策能力 模糊决策是基于模糊概念和模糊控制作用的 而模糊控制作用采用模 糊蕴含和推理规则实现的 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 决策功能包括如下作用 1 定义模糊蕴含的意义 2 对条件语句中的连词 a n d 和 e l s e 等进行意义确定 3 对合成操作算子进行定义 4 模糊推理的意义 4 反模糊接口功能 反模糊接口的作用是把模糊控制器执行决策后产生的模糊控制量转换成合 适的精确控制量 反模糊接口要完成下面的工作 1 标度处理 把输出量的范围转换到相应的论域范围中 2 反模糊化 把模糊控制器推断出的模糊控制量转换成精确控制量 根据模糊控制器的功能 其结构如图3 1 所示 从图中可以看出它是由糊化 接口 反模糊化接口 知识库和决策逻辑组成 输入 图3 1 模糊控制器结构 f i g 3 1f i ss t r u c t u r eo f f u z z yc o n t r o l l e r 知识库存储模糊控制器中的模糊量以及模糊控制规则 同时向模糊化接口 提供模糊量的隶属函数形态 从而使模糊化接口在接收到外部的精确量输入之 后 能够将其转换成相对应的模糊量及隶属度 知识库也向反模糊化接口提供 模糊量的隶属函数形态 反模糊化接口则根据输出的模糊量及隶属度 转换成 与之对应的精确量 同时 知识库向决策逻辑提供控制规则 由决策逻辑执行 推理过程 从而从输入的模糊量推断出输出模糊量 3 1 1 输入量的模糊化方法 模糊化是把精确量转换成模糊量的变换过程 它是模糊控制重要的工程方 法 在模糊控制中 是用语言值去描述有关量 而不是用物理值描述 例如对 于温度 模糊控制中不是采用1 0 c 2 0 c 3 0 c 等物理值 而是用 冷 凉 热 这类语言值 语言值在本质上就是模糊量 设有论域u 有精确数据工 u 1 2 n 同时 有模糊集合a u l 2 脚 如果存在而 令 a x