薛燕

（西安汽車科技職業(yè)學(xué)院 陜西 西安 710600）

引言

無級(jí)變速器實(shí)現(xiàn)了大范圍內(nèi)無級(jí)變速的功能，能夠使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)匹配，從而有效提升汽車的經(jīng)濟(jì)性以及動(dòng)力性。無級(jí)變速器剛面世時(shí)，僅能提供十分粗略的控制策略，無法根據(jù)駕駛員意圖以及道路環(huán)境進(jìn)行合理調(diào)整，以此達(dá)到理想的效率。然而自20世紀(jì)60年代VDT公司研制出金屬帶式無級(jí)變速器起，無級(jí)變速器技術(shù)開始得到了迅速發(fā)展。我國從20世紀(jì)90年代開始研究金屬帶式無級(jí)變速器，與國外相比，目前我國這方面的技術(shù)仍處于起步階段[1]。對此，本文以金屬帶式無級(jí)變速器為對象，研究其在實(shí)時(shí)道路環(huán)境下的無級(jí)變速比控制方法，以期能夠促進(jìn)我國在此領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

1 金屬帶式無級(jí)變速器結(jié)構(gòu)與原理

目前應(yīng)用最為廣泛的金屬帶式無級(jí)變速器，其結(jié)構(gòu)主要由帶輪組以及傳動(dòng)帶等構(gòu)成。其中，帶輪組的主要構(gòu)件包括同為錐面結(jié)構(gòu)的主動(dòng)輪與從動(dòng)輪，一方固定，另一方則能夠軸向位移，通過改變軸向作用力，能夠調(diào)節(jié)有效工作半徑，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的調(diào)整。傳動(dòng)帶由若干層金屬環(huán)相疊構(gòu)成并與帶輪組的凹槽嵌合，再以此傳遞動(dòng)力。主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的速比可用式（1）來表示：

式中：n1表示主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，n2表示從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，R1表示主動(dòng)輪的有效工作半徑，R2表示從動(dòng)輪的有效工作半徑。

2 汽車動(dòng)力傳動(dòng)模型構(gòu)建

無級(jí)變速汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器、無級(jí)變速器等部件構(gòu)成[2]。對此，本文對上述部件動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)建，以此作為下一步優(yōu)化控制策略的基礎(chǔ)。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模型

發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行具有顯著的不同之處，瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩更小。在減速情況下，由于混合氣濃度增大，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩更大。因此，定義發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩為：

式（2）中：Te、Tew分別為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，λ為轉(zhuǎn)矩下降系數(shù)，we為角速度。

當(dāng)液力變矩器閉鎖離合器為閉鎖狀態(tài)時(shí)，若r為汽車的車輪半徑，i0為主減速比，net表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，則在不同節(jié)氣門開度與車速情況下最佳無級(jí)變速比的計(jì)算公式如下：

2.2 液力變矩器模型

液力變矩器在汽車起步以及低速行駛的情況下，通過變矩器油來傳遞轉(zhuǎn)矩變化，能夠達(dá)到緩沖和放大力矩的目的。但液力變矩器的最大傳遞效率低于1，且產(chǎn)生大量熱量，這必然增加燃油消耗。因此，本文對液力變矩器在汽車起步以及低速行駛的情況下的工作模型進(jìn)行優(yōu)化構(gòu)建。首先，對發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的工作范圍重疊區(qū)進(jìn)行分析，然后以此作為評(píng)估依據(jù)來評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器的匹配度。在此過程中，考慮到瞬態(tài)工況下飛輪、泵輪和渦輪慣量等產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩因素，本文提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，具體如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)-液力變矩器工作模型優(yōu)化示意圖

圖2 無級(jí)變速器效率特性

2.3 無級(jí)變速器效率模型

為了使汽車無級(jí)變速比控制策略達(dá)到最優(yōu)效果，本研究主要針對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)以及液力變矩器、無級(jí)變速器等傳動(dòng)部件的效率進(jìn)行優(yōu)化。無級(jí)變速器的效率而言，其影響因素較為復(fù)雜，如油品、錐盤、鋼帶等構(gòu)件的影響等等?？紤]到實(shí)際情況中，無級(jí)變速器各速比下的扭矩傳遞都有其上限，超出上限的區(qū)域?qū)嶋H上是無效區(qū)域，因此本研究中僅保留有效區(qū)域，所得出的無級(jí)變速器效率特性如圖2所示。

3 基于需求功率的傳動(dòng)效率逆向?qū)?yōu)

傳統(tǒng)的控制策略是以發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出最大功率和發(fā)動(dòng)機(jī)的最小油耗作為優(yōu)化控制的目標(biāo)[3]。換句話說就是認(rèn)為傳動(dòng)系統(tǒng)中的其他部件效率對功率輸出和汽車友好的影響是一個(gè)定值。但是在實(shí)際的應(yīng)用中，其他部件的效率往往是不確定，并且在不斷地變化。對此，筆者則提出一種基于需求功率的傳統(tǒng)效率逆向?qū)?yōu)模型，采用逆向求解的方式，對發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器和無級(jí)變速器進(jìn)行動(dòng)力優(yōu)化。

3.1 液力變矩器特性逆向求解

對該問題的優(yōu)化，其具體的思路為：利用需求功率以及行駛速度對傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行逆向計(jì)算，得出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速值；然后，以此得出節(jié)氣門的最佳開度。但是在液力變矩器閉鎖時(shí)，該逆向計(jì)算能夠很容易地執(zhí)行，而在液力變矩器解鎖時(shí)，則需要通過下列公式來對液力變矩器特性進(jìn)行逆向求解。

3.2 液力變矩器開閉鎖控制

汽車在擁堵平直道路環(huán)境下行駛時(shí)，往往由于路況擁堵而頻繁地加速、制動(dòng)、再加速，使車速在閉鎖車速上下徘徊，因此需要根據(jù)車速來確定液力變矩器開閉鎖區(qū)域，并且設(shè)置車速回差。除了車速以外，在液力變矩器開閉鎖控制方面還需要考慮實(shí)際需求功率的因素。與液力變矩器閉鎖狀態(tài)相比，增扭會(huì)降低五分之一以上的功率，而降扭則不僅降低功率更會(huì)降低扭矩。

對此，本文以滿足需求功率為依據(jù)，對液力變矩器開閉鎖進(jìn)行控制，提出當(dāng)滿足需求功率時(shí)以閉鎖狀態(tài)運(yùn)行，反之則以解鎖狀態(tài)運(yùn)行，以此提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率以及轉(zhuǎn)矩輸出。圖3為液力變矩器解鎖以及閉鎖狀態(tài)下的系統(tǒng)最大功率和效率示意圖。

圖3 液力變矩器解鎖以及閉鎖狀態(tài)下的系統(tǒng)最大功率和效率

3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)效率逆向?qū)?yōu)

根據(jù)上述基于需求功率的控制策略，本研究進(jìn)行無級(jí)變速器速比和發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度的計(jì)算，即逆向?qū)?yōu)算法的求取目標(biāo)，計(jì)算流程框圖如圖4所示。

圖4 傳動(dòng)系統(tǒng)效率逆向?qū)?yōu)計(jì)算流程框圖

本研究通過上述的逆向?qū)?yōu)計(jì)算，最終得出液力變矩器解鎖及開鎖狀態(tài)下，不同需求功率以及行駛速度環(huán)境中的無級(jí)變速比和節(jié)氣門開度控制表。

圖5 不同控制策略下的CVT效率

4 仿真分析

本研究所提出的汽車無機(jī)變速比控制方法，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)效率達(dá)到最優(yōu)值。為了驗(yàn)證此控制方法的有效性，本文設(shè)計(jì)了相關(guān)試驗(yàn)，并進(jìn)行仿真分析。該試驗(yàn)中，將發(fā)動(dòng)機(jī)、無級(jí)變速器、升速箱以及測功機(jī)組成試驗(yàn)執(zhí)行裝置，并將控制策略寫入主機(jī)，而相關(guān)數(shù)據(jù)的采集則由傳感器實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，考慮到瞬態(tài)工作情況下可能出現(xiàn)偏差，為了確保該試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，通過穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來制定出目標(biāo)控制表；另外，利用測功機(jī)測出試驗(yàn)所用傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際有效功率，并分別選擇三組不同數(shù)據(jù)；在時(shí)速15~60 km/h的范圍內(nèi)，對發(fā)動(dòng)機(jī)、無級(jí)變速器以及整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行效率測試；最后，取若干次測試結(jié)果的平均值作為最終的測試結(jié)果。

通過上述的方法，可以得到如圖5所示的結(jié)果。

通過上述的測試看出，采用本文所提出的優(yōu)化控制策略，使傳動(dòng)系統(tǒng)在各種車速及功率情況下都有明顯的效率提升。相比而言，在較低的相同功率下，低速和高速行駛時(shí)的效率提升程度更明顯，而中速行駛時(shí)的效率提升較??；在較高的相同功率下，低速和中速行駛時(shí)的效率提升程度更明顯，而高速行駛時(shí)的效率提升較小。這種情況說明傳動(dòng)系統(tǒng)的效率與無級(jí)變速器的效率是同步提升的，抵消了發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低所帶來的影響，從而維持整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)效率的提升。上述試驗(yàn)的結(jié)果證明，本研究中所提出的汽車無級(jí)變速比控制策略具有有效性。

5 結(jié)束語

本研究主要針對汽車在擁堵平直道路環(huán)境下的無級(jí)變速比控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，提出了基于需求功率的控制策略，通過對發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器、無級(jí)變速器的綜合性優(yōu)化措施，在保障汽車動(dòng)力性以及安全性的基礎(chǔ)上有效提升了傳動(dòng)系統(tǒng)的整體效率，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性。