车辆无级变速传动系统匹配策略的仿真

1、2000年7月农业机械学报第31卷第4期车辆无级变速传动系统匹配策略的仿真方泳龙王红岩秦大同3【摘要】利用发动机的试验测试结果,采用拟合的方法得到了发动机模型。给出了关于发动机的最佳燃油经济性和最佳动力性的转速调节特性,讨论了无级变速传动系统参数的设定方法。结合发动机转速调节特性研究了实现发动机理想性能的匹配策略,最后对其进行了计算机仿真。叙词:无级变速传动发动机匹配仿真中图分类号:U4631212+131文献标识码:AStudyonMatchingStrategyofVehiclewithCVTbySimulationMethodFangYonglong(JilinUniversityofT

2、echnology)WangHongyanQinDatong(StateKeyLaboratoryofMechanicalTransm)Ms(CVT)isanadvancedtechnologytode2velopvehsimpleandcompactstructure,easyoperation,excellentper2formance,lowcost.Theengineoutputmodelandoilconsumptionmodelweredevelopedbasedonenginetestresultsinthispaper.Theenginespeedfeaturedenotest

3、herelationshipbe2tweentheenginespeedandthethrottleopeningwhenengineworksintheoptimalmodesofeco2nomicandpoweroperating.WithintheratiorangeoftheCVTsystem,thetargetenginespeedinthenumericaltablewasgiventorealizetheengineoptimaloperatingmode.Accordingtotheen2ginespeedfeature,thematchingstrategyofCVTsyst

4、emtorealizetheoptimaleconomicaloper2atingmodewasanalysedbysimulationmethod.KeywordsCVT,Engine,Matching,Simulation引言车辆无级自动变速传动系统可以使车辆构成一个没有“漏洞”的理想牵引特性场,通过控制无级自动变速系统的速比来保证发动机在理想的工况下运行,从而提高车辆的动力性和经济性,减少排放污染1。因此,无级变速传动系统匹配及控制技术是实现车辆性能的关键技术之一。目前,世界上广泛使用的是金属带式无级变速器,它具有功率传递容量大、传动效率高、使用寿命长等特点。当前,世界上大约有100多万

5、辆轿车装备了此种变速器2,3。本文在试验测试数据的基础上采用拟合的方法得到了发动机模型。讨论了传动系统的速比和速比范围对车辆性能的影响。在给定的系统模型基础上,针对不同要求仿真研究了无级变速传动系统的匹配策略,为无级变速系统的开发提供理论依据。1发动机模型利用无级变速传动系统可以实现对发动机转速的控制,进而可以控制发动机工作点。因此,对系统中发动机模型的建立及其特性的了解是研究无级变收稿日期:199910113国家自然科学基金资助项目(项目编号:59835160)方泳龙吉林工业大学汽车工程学院副教授,130025长春市王红岩重庆大学机械传动国家重点实验室博士后,400044重庆市秦大同重庆大学

6、机械传动国家重点实验室教授博士生导师2农业机械学报2000年速系统匹配策略与控制规律的重要环节。111输出转矩发动机是一个较为复杂的系统,不易用简单的数学公式来描述。最常用的方法是利用发动机试验数据,采用多项式拟合的方法构造发动机稳态输出转矩与油门开度和发动机转速的关系或利用数表的方式来表示。在实际运行过程中,当发动机油门从一个位置变到另一个位置时,它的输出转矩并不能随着油门的变化瞬时完成,而要经历一个动态响应过程。一般将其动态特性简化为具有滞后的一阶惯性环节4,表达为Te=e-sTsks+1(1)式中k动态特性的拟合系数滞后时间s拉氏变换因子Te发动机动态输出转矩Ts发动机的稳态输出转矩,它

7、是油门开度和发动机转速的函数图1(b)燃油消耗模型112燃油消耗模型将发动机每个转速下的负荷特性曲线由ge=ge(ne,Pe)转化为ge=ge(ne,Te)的关系,利用3次样条插值拟合出如图1b所示的关于发动机有效燃油消耗率与发动机转速和转矩的关系曲面,即发动机油耗的数值模型。由于发动机动态特性对发动机的燃油消耗率影响不大1,因此,可以用发动机稳态的油耗量近似代替其动态油耗量。利用发动机油耗的数值模型可得图2所示的发动机万有特性图。万有特性图上的最小燃油消耗线是发动机燃油消耗率最低的理想的经济工作线。为防止发动机转速过低引起输出转矩波动,给发动机设置了一个实用的最小使用转速限值neL,这样发动

8、机理想经济工作线包括两个部分,一部分是真正的经济工作线,其功率水平在额定功率的20%以上,另一部分是最小转速限值部分。113转速调节特性所谓转速调节特性1是指需求特性的功率值在需求特性场上变化时,独立地调节车辆传动装置的速比,使发动机维持在其供应特性场上任何一个相当功率值下所要求的特定点的转速调节。如果要求将发动机供应特性场上每一个相应的功率都保持在最低油耗的转速下工作,则发动机油门开度与转速的关系即为最佳燃油经济性转速调节特性。如果在每一个油门开度下发动机均能在发出最大功率的转速下工作,那么油门开度与转速的关系则为最佳动力性转速调节特性。图3中曲线E和S分别表示发动机最佳燃油经济性和动力性的

9、转速调节特性曲线。图2发动机万有特性图图3发动机转速调节特性第4期方泳龙等:车辆无级变速传动系统匹配策略的仿真32传动系统模型及参数对性能影响分析研究对象选用配备无级变速传动系统的小红旗CA7220轿车,无级变速传动系统模型采用传统的双质量模型5,在车辆运行过程中,假设离合器油缸中的压力可以按理想情况施加。无级变速传动系统的最大和最小速比是其最主要参数。它的设定影响着车辆的燃油经济性、动力性和金属传动带的使用寿命。因此在选择传动系统参数时,要对这三者进行综合考虑。为保证车辆具有原车的动力性能,取无级变速系统的最大速比与原车有级变速器󰂪挡速比相当。由于最小速比影响车辆的燃油经济性

10、,因此,传动系统的最小速比按照实现发动机最小燃油经济性的要求来选择,经计算系统最小速比imin=210841,具体计算过程见文献3。研究表明,车辆在一定的道路循环工况下,传动系统最小速比小到一定程度后对车辆平均百公里油耗的进一步降低几乎不起作用。同时,最小速比越小,弯曲应力和张力,降低其使用寿命。当系统的最大速比相当原车󰂪挡速比,金属带的最大速比取216,则主传动器速比为:i0=516922。当传动系统最小速比取计算值imin=210841时,带传动的最小速比为013661,这超出了金属带最小工作半径的结构限制条件,金属带的最小速比限值为014453。因此,无级变速传动系统总速

11、比取为215331417996。图4a是无级变速传动系统的速比工作范围图,图中曲线C表示车辆在水平道路上匀速行驶时,发动机沿最佳燃油经济工作线运行的速比变化曲线。由于线B和曲线C不存在交点,在线A和B的范围内,发动机可以完全实现最佳燃油经济运行。线D表示由于结构限制后,传动系统最小速比选为21533,D和C越接近,表明系统的经济性越好。图4a中斜剖线部分为系统速比调节范围。图4b比较了最小速比分别取210841和21533时与原车󰂭挡和󰂮挡等速行驶,图4传动速比范围与百公里油耗比较图(a)无级变速传动速比范围图(b)百公里油耗比较曲线3匹配策略及仿真311匹配策

12、略传动系统的匹配策略以实现发动机最佳燃油经济性为例来讨论。在图2所示的发动机最佳燃油经济性曲线上,发动机油门开度、转速及输出功率之间具有一一对应的关系,对应CVT的每个速比,将发动机最佳燃油经济曲线转化到车辆的驱动特性图上,可以得到一个最经济工作区(图5中阴影部分)。由车速、速比和发动机转速之间的计算关系:iCVT=Ane󰃗v(A为转换系数)及最佳燃油经济性曲线上转辆驱动特性图的阴影区转化到发动机图上,在每一个车速下,对应不同的功率级(油门开度)和相应的目标速比,计算可得实现发动机最佳燃油经济性运行的目标发动机转速,它是油门开度和车速的函数,v)。同样可得到实现车辆最佳动力性的

13、目ned=f(标发动机转速。将目标发动机转速作为控制器的目标量来调节CVT速比,进而可达到控制发动机工作点的目的。312仿真分析分别对车辆的起车、加速以及按一定的速度循环工况运行等几种不同情况讨论了系统的动态特性和实现发动机的最佳燃油经济性的系统匹配情况。(1)起车工况:对油门全开和30%油门开度的起车过程进行了比较,仿真结果如图6所示。图6a),可得出实速与油门开度的对应关系:ne=f1(现发动机最经济运转的CVT目标速比iCVTd,它是油门开度和车速的函数:iCVTd=f2(,v)。将图5车4农业机械学报2000年和图6b分别给出了无级变速车辆的速比特性图和发动机工作特性图。如图6a所示,

14、在不同大小油门起车的情况下离合器的接合转速是不同的,油门开度越大,则离合器接合转速越高。当发动机转速达到油门开度所对应的目标转速后,速比开始连续调节,车辆在恒定的发动机转速下加速,直到与外界阻力平衡。此时在图6b上发动机按最佳燃油经济点运行,如图所示的稳态工作点。松开油门后,如图6a所示,几乎在恒定的车速下速比向最小方向变化,然后沿最小速比减速直到最小控制转速,速比由小向大的方向变化。由于系统模型中没有制动器模型,无级变速系统的速比变化率较小,使发动机在减速过程中几乎不能按最佳燃油经济点运行,如图6b所示。图6c表示在油门全开的情况下,车速、速比以及速比变化率在离合器接合过程、定油门加速过程、

15、松油门减速过程以及离合器松开过程中随时间的变化情况。图6d则表示在30%油门开度下车速、速比和速比变化率随时间的变化情况。图5图6车辆起车工况(2)加速工况:在一定车速下行驶时突然增大油门使车辆加速,传动系统速比变化特性和发动机稳态工作点如图7所示。在两次增大油门的过程中,首先速比都是在恒车速的情况下向增大方向变化,达到目标转速后再开始向最小速比方向调节,使车辆在一定的发动机转速下加速直到与外界阻力平衡。(3)按一定的速度工况运行:速度工况考虑到加速、匀速和减速3种情况,如图8所示。系统采用柔性控制的方式共同控制油门和速比来保证在加速和匀速的情况下发动机理想工作点和车辆性能的实现。在图8a中的

16、加速、匀速和减速阶段实际车速均能够按目标车速行驶。图8b表示速比的变化情况。在图8c的油门开度变化图中,加速时油门开度逐渐增大,匀速行驶时油门开度保持不变,减速时油门开度逐渐减小,在加速变匀速的过程中,油门开度具有第4期方泳龙等:车辆无级变速传动系统匹配策略的仿真5一个瞬态波动变化。在图8d中,加速时驱动力明显大于行驶阻力,匀速时两者相等,在减速时,由于模型中没有考虑制动器模型,制动力完全由发动机的反拖力提供。图8e表示了各工况下发动机运转点的变化情况。其中由加速变匀速时,发动机运行轨迹瞬时偏离理想的发动机工作线,这是由系统的时滞作用和无级变速器的速比变化率不足造成的。而匀速行驶时,发动机工作

17、点不在理想工作线上也是由传动系统的速比范围不够、最小速比限制造成的。图7车辆加速工况图8按一定的速度工况运行时系统变化情况4结论(1)活塞式内燃机与无级变速传动系统相匹配(3)针对实现不同的发动机性能要求,所采用的无级变速系统的匹配策略是不同的,这主要表现在由匹配策略所形成的用于控制器控制的目标发动机转速的不同。(4)通过对起车、加速和按一定的速度工况运行等情况的仿真发现,在不同的工况下,无级变速传动系统的速比变化方式是不同的。系统的速比范围、速比变化率、系统的非线性特征及时滞效应都对实现发动机的理想性能有影响。可以构成理想的传动系统供应特性场。在无级变速传动系统具有足够高的效率的情况下,车辆可以实现最佳燃油经济性和最佳动力性运行。(2)无级变速系统的最大速比影响车辆动力性,最小速比影响发动机的燃