汽車CVT無級變速傳動系統(tǒng)建模及控制策略簡述(圖文)

1、汽車CVT無級變速傳動系統(tǒng)建模及控制策略簡述(圖文)論文導(dǎo)讀：采用液力變矩器作為起步裝置的無級變速傳動系統(tǒng)(CVT)可以實現(xiàn)傳動比的無級調(diào)節(jié)，改善車輛的起步性能、低速行駛性能和加速性能，因而可以提高車輛行駛的動力性和經(jīng)濟性，并減少了排放污染。目前市場上配備這種傳動系統(tǒng)的車型有很多，本文針對某款具體車型，對其傳動系統(tǒng)的建模及控制策略進行了簡述。根據(jù)建立的系統(tǒng)模型以及控制策略，可以建立如下的仿真流程圖。關(guān)鍵詞：無級變速傳動，建模，控制策略引言采用液力變矩器作為起步裝置的無級變速傳動系統(tǒng)(CVT)可以實現(xiàn)傳動比的無級調(diào)節(jié)，改善車輛的起步性能、低速行駛性能和加速性能，因而可以提高車輛行駛的動力性和經(jīng)濟

2、性，并減少了排放污染。目前市場上配備這種傳動系統(tǒng)的車型有很多，本文針對某款具體車型，對其傳動系統(tǒng)的建模及控制策略進行了簡述。1 系統(tǒng)建模1.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩模型發(fā)動機是一個復(fù)雜、非線性系統(tǒng)，其模型一般都是采用穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù)作為其穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩，而后對穩(wěn)態(tài)模型進行修正，得到發(fā)動機的動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩關(guān)系，所以發(fā)動機模型包括兩局部：發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩和動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩；發(fā)動機穩(wěn)態(tài)模型的輸入?yún)?shù)是節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，考慮到發(fā)動機的動態(tài)特性，將其簡化為具有滯后的一階慣性環(huán)節(jié)的模型【1】。因此，發(fā)動機的動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩為式(1)所示：(1)式中：發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩()；穩(wěn)態(tài)輸出函數(shù)；節(jié)氣門開度；發(fā)動機轉(zhuǎn)速()；發(fā)動機

3、動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩()；滯后時間()；動態(tài)特性的擬合系數(shù)；拉氏變換因子。1.2 發(fā)動機油耗模型通過發(fā)動機的臺架試驗可以得出發(fā)動機的負荷特性曲線。發(fā)動機負荷特性給出了在不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機功率與發(fā)動機有效燃油消耗率的關(guān)系曲線，即(2)式中：-有效燃油消耗率()；-有效燃油消耗率函數(shù)；-發(fā)動機功率()。根據(jù)發(fā)動機功率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式，將每個轉(zhuǎn)速下的負荷特性曲線轉(zhuǎn)化為的關(guān)系，利用三次樣條插值擬合出關(guān)于發(fā)動機有效燃油消耗率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲面，構(gòu)成該曲面的數(shù)據(jù)也就是有效燃油消耗率關(guān)于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的數(shù)表，即發(fā)動機油耗的數(shù)值模型。由于發(fā)動機動態(tài)特性對發(fā)動機的燃油消耗率影響不大，因此可以用穩(wěn)態(tài)的油耗數(shù)值模型

4、近似代替其動態(tài)油耗模型。1.3 發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性是指所需求特性的功率值在需求特性場上變化時，獨立地調(diào)節(jié)傳動裝置的傳動比，使發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速被穩(wěn)定在給定的工作點或指定的工作模式。對無級變速系統(tǒng)而言，一般考慮最正確經(jīng)濟性調(diào)節(jié)特性和最正確動力性調(diào)節(jié)特性。當(dāng)節(jié)氣門開度一定時，發(fā)動機局部負荷特性中的功率和燃油消耗特性如圖1所示。圖1 發(fā)動機局部負荷特性在圖1中的功率和燃油消耗曲線上各有一個特殊的點A、B，它們分別是發(fā)動機在該條件下的最正確經(jīng)濟點和最大功率點。從小到大連續(xù)改變節(jié)氣門開度，就得到一條最正確經(jīng)濟工作曲線和一條最大功率曲線，把這兩條曲線在二維平面上繪制出來就可以得到發(fā)動機最正確

5、經(jīng)濟線E和最正確動力線S，如圖2所示。它們分別為發(fā)動機的最正確經(jīng)濟性和最正確動力性的調(diào)速特性曲線，用發(fā)動機節(jié)氣門開度與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系表示。圖2發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性1.4 液力變矩器模型通常用液力變矩器的無因次特性來表征液力變矩器的特性。液力變矩器的性能是由泵輪和渦輪之間的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系來確定，反映液力變矩器各種性能參數(shù)的變化。無因次特性一般用容量系數(shù)、變矩系數(shù)、轉(zhuǎn)速比等參數(shù)來表達。無因次特性由變矩器的臺架實驗測得。轉(zhuǎn)速比為渦輪轉(zhuǎn)速與泵輪轉(zhuǎn)速之比，用來表示液力變矩器的工況，其計算公式為：(3)式中：液力變矩器轉(zhuǎn)速比；-泵輪轉(zhuǎn)速()；渦輪轉(zhuǎn)速()。液力變矩器的容量系數(shù)主要是表征液力變矩器傳遞轉(zhuǎn)矩

6、能力的一個系數(shù)，它與工作液的密度，變矩器的有效工作直徑、泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)等因素有關(guān)【2】。容量系數(shù)定義為：(4)它是一個隨著速比逐漸增大的系數(shù)。由實驗得出容量系數(shù)與速比的關(guān)系曲線:(5)式中：容量系數(shù)；容量系數(shù)函數(shù)。由泵輪轉(zhuǎn)矩公式： (6) 可以推得泵輪轉(zhuǎn)矩與容量系數(shù)的關(guān)系為：(7)式中：泵輪轉(zhuǎn)矩()；泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)()；工作液重度()；變矩器有效直徑()。變矩系數(shù)為渦輪力矩與泵輪力矩之比。它表示液力元件改變泵輪力矩的能力。其計算公式為：(8)由于渦輪轉(zhuǎn)矩與泵輪轉(zhuǎn)矩方向相反，故在上式加負號，以使為正。同樣由實驗得出變矩系數(shù)與速比的關(guān)系曲線：。 (9)式中：變矩系數(shù)；變矩系數(shù)函數(shù)。論文參考網(wǎng)。1.5

7、CVT模型無級變速傳動速比由主、被動輪的節(jié)圓半徑、確定：(10)式中： CVT傳動比；主動輪節(jié)圓半徑；被動輪節(jié)圓半徑。當(dāng)被動輪為最小節(jié)圓半徑，主動輪為最大節(jié)圓半徑，CVT速比最小；反之CVT速比最大。目前金屬帶無級變速傳動裝置的速比變化范圍通常為2.50.5。上式是定義式，用來確定CVT最大速比和最小速比。在仿真過程中，CVT速比模型包括實際速比模型以及目標(biāo)速比模型。根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系(11)式中：車速;發(fā)動機轉(zhuǎn)速(;液力變矩器傳動比；車輪半徑；CVT實際傳動比；主減速器傳動比?？梢缘贸銎囆旭傔^程中CVT的實際傳動比為：(12)根據(jù)發(fā)動機的最正確動力性曲線，并考慮CVT的最大和最小速

8、比，可以得出不同節(jié)氣門開度下，發(fā)動機在最正確動力性曲線工作時CVT的目標(biāo)速比，即 (13) 式中：不同節(jié)氣門開度下，發(fā)動機在最正確動力性曲線工作時的轉(zhuǎn)速；節(jié)氣門開度。同理可以得出最正確經(jīng)濟性速比模型，即 (14) 式中：不同節(jié)氣門開度下，發(fā)動機在最正確經(jīng)濟性曲線工作時的轉(zhuǎn)速。CVT傳動系統(tǒng)由發(fā)動機、液力變矩器、CVT、驅(qū)動橋(減速器和半軸)組成，其動力傳遞可由圖3來表示。論文參考網(wǎng)。圖3 CVT傳動系統(tǒng)動力傳遞框圖由圖3可以建立CVT的動態(tài)方程【3】：(15)(16)(17)(18)式中： 金屬帶作用在主、從動帶輪上的轉(zhuǎn)矩()；主從動帶輪的角速度()；CVT傳動效率；CVT輸入端(主動帶輪)轉(zhuǎn)

9、動慣量；CVT輸出端(從動帶輪、驅(qū)動軸、中間減速齒輪和差速器)轉(zhuǎn)動慣量；驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩(); 總減速比(中間減速比與主減速比之積)。聯(lián)立式(15)、(16)、(17)、(18)得：(19)為防止計算速比微分項，在仿真環(huán)境計算方程時，預(yù)先定義一個中間變量為(20)對式(15)兩邊進行微分處理，再與式(19)聯(lián)立得(21)由式(20)可得的表達式為 (22) 1.6 驅(qū)動軸動態(tài)模型如圖3所示，驅(qū)動軸模型可簡化成具有彈簧系數(shù)為、阻尼系數(shù)為的轉(zhuǎn)軸，其轉(zhuǎn)動慣量可忽略。不考慮車胎的變形或車輪打滑，假設(shè)驅(qū)動輪與車輪的轉(zhuǎn)速相同，得驅(qū)動軸動態(tài)方程【3】為(23) (24)(25)(26)(27) (28) 式中：車

10、體和車輪在汽車驅(qū)動軸上的等價轉(zhuǎn)動慣量；汽車外界阻力滾動阻力、坡道阻力和空氣阻力矩轉(zhuǎn)矩()；整車質(zhì)量()；所有車輪轉(zhuǎn)動慣量()；1.7 整車運動模型車輛行駛中受空氣阻力、坡道阻力、滾動阻力、制動力和牽引力等作用，本模型僅考慮車輛的直線運動和坡度的影響。根據(jù)牛頓定律，可得出整車運動方程式為【3】：(29)式中：車輛制動力，包括坡道阻力、滾動阻力和空氣阻力；由駕駛員或輸入模塊提供；(30)式中：空氣密度;空氣阻力系數(shù)；迎風(fēng)面積;滾動阻力系數(shù)。2 控制策略2.1 發(fā)動機與液力變矩器的匹配策略研究發(fā)動機與液力變矩器的匹配策略，主要在于研究發(fā)動機與液力變矩器共同工作時輸入特性的變化規(guī)律。論文參考網(wǎng)。發(fā)動機

11、與液力變矩器共同工作的輸入特性是分析研究液力變矩器在不同工況時，液力變矩器與發(fā)動機共同工作的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化特性，是研究發(fā)動機與液力變矩器匹配的根底。液力變矩器的負載特性是不同速比時泵輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化特性，由液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩的變化特性決定。將發(fā)動機萬有特性和變矩器的負載特性以相同的坐標(biāo)比例畫在一起，即得到它們共同工作的輸入特性。共同工作輸入特性反映了發(fā)動機與液力變矩器共同工作的范圍、動力性及燃油經(jīng)濟性。理想的共同工作點期望滿足以下要求：1)起開工況負載拋物線應(yīng)通過發(fā)動機外特性的最大轉(zhuǎn)矩點，使車輛原地起步時可獲得最大的牽引力矩。2)最高效率工況負載拋物線通過發(fā)動機最大功率下的力矩點，同時高效

12、區(qū)范圍在最大功率點附近，以輸出最大功率。3)保證發(fā)動機工作在比燃油消耗最低區(qū)域一般來說,要同時滿足上述要求很困難,只能從變矩器的主要作用來考慮,首先保證主要的再兼顧其它。對于用于CVT車輛的液力變矩器,其主要功能是用作起步裝置,為了提高傳動系統(tǒng)的效率,通常在車輛起步車速到達一定值后，液力變矩器效率開始下降，將液力變矩器鎖止，變?yōu)橹苯訖C械傳動,此時變矩器效率接近100%, 所以應(yīng)主要考慮起步階段及低速行駛工況的性能。在起步階段以車輛最正確動力性為主來考慮，實際中轎車在起步時發(fā)動機并不需要在最大油門下工作,發(fā)動機不會到達最大轉(zhuǎn)矩點, 只要保證發(fā)動機局部油門下的負荷特性與變矩器的負載拋物線交點具有較

13、大的轉(zhuǎn)矩,便可滿足車輛起步時的力矩要求,同時起步時使發(fā)動機在較低轉(zhuǎn)速下工作,以減小發(fā)動機噪聲 ,降低燃油消耗, 提高乘坐舒適性。還應(yīng)考慮在發(fā)動機最低工作轉(zhuǎn)速時與的負載拋物線交點處的力矩盡可能小,它是發(fā)動機怠速時變矩器對發(fā)動機的作用力矩,是發(fā)動機的起動阻力矩【4】。車輛起步后，隨著車速的增加,液力變矩器的傳動比也逐漸變大，在液力變矩器鎖止前，應(yīng)使不同工況下的負載拋物線具有較小的變化范圍，保證在局部油門開度下，共同工作點均在發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩較高的位置，以獲得較大的驅(qū)動力矩，使車輛具有較好的加速性。2.2CVT速比控制策略在汽車起步區(qū)，控制系統(tǒng)的目標(biāo)就是提供足夠大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩使汽車起步，因此應(yīng)使CVT的

14、速比保持在最大速比處，直到車速到達液力變矩器鎖止時。當(dāng)液力變矩器鎖止后，就變?yōu)榱酥苯訖C械傳動。對于CVT速比的控制，就是使發(fā)動機工作在最正確經(jīng)濟性曲線E或者最正確動力性曲線S或者兩者之間的過度區(qū)域上。根據(jù)計算得出的實際速比和目標(biāo)速比，采用PID控制算法對速比進行控制。令速比的變化率為 (31) 式中：CVT目標(biāo)轉(zhuǎn)速(等于或)；是對速比的誤差進行比例控制；是對速比誤差的變化率進行控制；是對速比的誤差進行積分控制。合理地選擇PID參數(shù)，可以使實際速比對目標(biāo)速比具有良好的跟隨性，節(jié)氣門單輸入的CVT調(diào)節(jié)過程說明在節(jié)氣門和外界阻力不斷變化時，CVT并不能始終工作在理想線上，穩(wěn)態(tài)工作點可在理想工作線上，

15、瞬時工作點只能在理想線附近，因此在保證發(fā)動機調(diào)速平穩(wěn)、車速響應(yīng)平滑的前提下，盡可能縮短調(diào)節(jié)過程。的大小影響實際速比對理想速比的跟隨時間。小，調(diào)節(jié)時間長，發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動范圍?。淮?，調(diào)節(jié)時間短，但會引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速超調(diào)，因此，合理確定是最重要的。根據(jù)上面的分析，PID可以按如下原那么【5】整定參數(shù)、。1) 較大時，為使系統(tǒng)具有較好的跟隨性，取較大的和較小的，同時為防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對積分作用加以限制，取=0。2) 中等大小時，此時應(yīng)減緩調(diào)節(jié)速度，減小超調(diào)，取中等大小的和較小的，對積分作用仍加以限制，取=0。3) 較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，取更小的，適中選取，同時為防止系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩，的取值根據(jù)值的大小具體確定，通常為零，較大時選擇較小的。3 仿真流程圖根據(jù)建立的系統(tǒng)模型以及控制策略，可以建立如下的仿真流程圖。4 結(jié)束語針對于液力變矩器作為起步裝置的無級變速傳動系統(tǒng)，本文論述