（动力机械及工程专业论文）湿式离合器金属带式无级变速器cvt控制策略研究.pdf

摘要 金属带式无级变速器( c v t ) 是经济型轿车的理想传动装置。它具有结构紧凑、 性能优良、易于电控等优点。金属带式无级变速器( c v t ) 的开发已列为国家“九 五”重点攻关项目。本文围绕金属带式c v t 系统控制策略及相关问题进行研究。 1 在总结国内外大量参考文献的基础上，系统研究了金属带式c v t 的产生、 发展、系统组成和工作原理，分析了金属带式c v t 的特点及应用状况。 2 在台架实验的基础上，对e q 4 9 1 发动机特性进行双参数拟合，得出转矩、油 耗与转速和油门开度的关系，对装有金属带式c v t 系统的e q 6 4 8 0 中高级 客车进行了发动机和整车的建模，确认了控制策略。 3 为了实现汽车起步的迅速和平稳，建立了基于模糊技术控制湿式离合器油压 的计算方法。( 该控制方法的优点表现在汽车起步过程中控制发动机在低速下 稳定运行，缩短起步时间，减少起步冲击。h 4 完成了金属带式c v t 控制系统硬件设计和研制，包括传感器、单片机的选 择信号处理和控制信号输出。 s 为了实现控制策略，提出了嵌入式汽车电子控制系统实时仿真的方法，讨论 了汽车电子控制器远程网络技术。在此基础上，对金属带式c v t 系统进行 了软件进行了设计和编制实现在不同工况和不同控制模式下，对传动速 比和系统参数的优化控制。 6 根据试验和动态仿真结果，对汽车起步加速等工况进行了c v t 与m t 的性能对比。 7 论文最后给出了主要结论，并指出了进一步研究的方向。 关键词：金属带式无级变速器；湿式离合器；控制策略；模糊控制；实时仿真 a b s t r a c t t h e 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 ( c v t ) i s a l li d e a lt r a n s m i s s i o nf o r i t lf o r e c o n o m i c a la u t o m o b i l e s t h em e t a lp u s h i n gv b e l tc 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 i sw e l l a c c e p ta n dg e l sr a p i dd e v e l o p m e n tf o ri t sa d v a n t a g e s ，s u c h a s s i m p l ea n d c o m p a c ts t r u c t u r e ，e a s yo p e r a t i o na n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h i st e c h n o l o g yi sa l s o s e l e c t e da so n eo ft h ek e yr e s e a r c hp r o j e e l si nc h i n ad u d n gt h en i n t hf i v e y e a r - p l a n t h et h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h ec o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n ta n dc o n t r o l s t r a t e g y r e s e a r c ho f m e t a l p u s h i n g v - b e l tc v t ，a n dt h e f o l l o w i n g w o r kh a v eb e e nd e s c r i b e d ： 1 t h ed e v e l o p i n gh i s t o r y ，s y s t e mc o n s t i t u t i o n ，a n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em e t a l p u s h i n gv - b e l tc v t a r es y s t e m a t i c a l l yr e v i e w e db a s e do nt h es u r r m a a r yo fv a r i o u s r e f e r e n c e si nh o m ea n da b r o a d t h ef e a t u r ea n da p p l i c a t i o no ft h em e t a lp u s h i n gv b e l tc v ta r ea l s oa n a l y z e d 2 n l em o d e l sf o re n g i n es y s t e ma n de q 6 4 8 0b u s e q u i p p e d w i t hm e t a lp u s h i n gv - b e l t c v ta f e e s t a b l i s h e d ，t h ep e r f o r m a n c ec u r v ef i t t i n g o fe q 4 9 1 e n g i n ei s m a d e ， s i m u l a t i o na n a l y s e sa r ef o l l o w e ds oa st oc o n f i r mt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec o n t r o l s c h e m e 3 t os t a r tv e h i c l e r a p i d l ya n ds m o o t h l y a “n do f m e t h o db a s e do nf u z z yt e c h n i q u et o c o n t r o lt h ee n g a g i n g - p r e s s u r eo f w e t c l u t c hh a sb e e ne s t a b l i s h e d f u z z yc o n t r o lw i l l a c h i e v et h e f o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：t h ee n g i n e c a l lb ec o n t r o l l e dt ob eo p e r a t e d s t e a d i l yd u r i n gl o w e rs p e e da n dt h es t a r t i n gn o i s e c a nb er e d u c e d 4 f o rt h ep u r p o s et or e a l i z et h ec o n t r o l s t r a t e g y ，h a r d w a r ed e s i g nf o rs e n s o r sa n dc p u ， s i g n a lp r o c e s s i n g ，c i r c u i tl a y o u ta n dt h ec o n t r o ls i g n a lo u t p u ti n t e r f a c e 5 t h i sp a p e rs u g g e s t san e ws o r to fm e t h o dt oe m u l a t ea u t o m o b i l ee l e c t r i cc o n t r o l s y s t e m t h i sm e t h o dc a nr e a l i z ee m u l a t o rd e b u ga n dr e a l t i m ea d j u s t m e n to ft h e s y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h en e t w o r ka n dl o n gd i s t a n c ei na u t oe l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e mh a sb e e nr o l l g h l yd i s c u s s e d f o rt h ep u r p o s et or e a l i z et h ec o n t r o l s t r a t e g y ，s o f t w a r ed e s i g na n dc o d ec o m p i l i n ga r ec o m p l e t e d 0 p t i o n a lc o n t r o lo f ， t r a n s m i s s i o nr a t i oa n ds y s t e mp a r a m e t e r si sr e a l i z e du n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o n c o n d i t i o na n dd i f f e r e n tc o n t r o lm o d e s ， 6 a c c o r d i n g t ot h er e s u l t so f t e s t i n ga n dd y n a m i cs i m u l a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c e o fc v t a n dm tf o rs t a r t i n g ，a c c e l e r a t i n ga n dd i f f e r e n tc o n d i t i o n so ft h ev e h i c l eh a sb e e n c o m p a r e d 7 i nt h ee n do ft h i st h e s i s ，t h em a i nc o n c l u s i o n sa r eg i v e na n df u r t h e rr e s e a r c hw o r k n e e d e dt od oi si n d i c a t e d k e y w o r d ：m e t a lp u s h i n gv b 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 ，w e t c l u t c h ， c o n t r o ls t r a t e g y ，f u z z yc o n t r o l ，r e a l t i m es i m u l a t i o n i l 第一章绪论 第一章绪论 车辆行驶性能的好坏，不仅取决于发动机，而且在很大程度上还依赖于变速器及变速 器与发动机的匹配。随着电子技术和自动控制技术的迅速发展，发动机控制技术曰趋成熟， 自动变速器技术越来越完善，形式也多样化在越来越多的车辆上得到应t l j 成为现代汽 车与现代汽车工业发展的标志之一。 第一节课题概述 本节介绍课题简介、研究意义、c v t 的控制要求以及研究特色_ 平l j 创新。 1 1 课题简介 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 u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ， a t ) 、屯子控制机械自动变速器( 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 ，a m t ) 乖i 无级变速 器( 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 c v t ) 。前两种变速器都是有级或分段无级自动变 速金属带式无级变速器c v t 避免了齿轮传动比不连续和零件数量过多的缺点，具有传动 比连续、传递动力平稳、操纵方便、可使汽车行驶过程中经常处于良好的性能状态、可改 善汽车排放等特点，真正实现了无级变速。为促进我国汽车技术发展，填补我国在电子控 制无级变速器上的空白，国家科技部将“金属带式无级变速器c v t 的开发”作为国家九五 重点科技攻关项目，专题合同号：9 6 a 0 5 - 0 4 0 3 。由吉林工业大学、东北工业大学、东风汽 车公司和湖北汽车工业学院共同承担。湖北汽车工业学院承担“c v t 控制器研制和控制策 略的研究”子课题。本人作为该课题总负责人，全面负责研制工作。 1 2 研究意义 4 4 b o 我们所熟知的汽车变速器，无论是手动变速还是自动变速，其传动比都是有级的。从 低档到高档的有级变速过程中，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，需要发动机时而加迷，时而减述，这种发动机在抉档过程中的加速与撼述，使l ： 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。要使发动机始终运 转在最优的高效率区处于稳定的： 怍状态，降低燃油的消耗羽l 废气污染就必须采用c v t 。 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，其传动效率远高于带有液力传动的有级自动变速器( 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，提高了乘坐舒适性。 浙大学博士学也论文 离合器的自动控制则是自动变速器的关键和难点之一，它直接影响汽车的起步和换档过 程。由现代汽车的发展趋势来看，湿式离台器以它独有的特性被重型牵引和自卸车采川， 井被广泛应用于c v t 自动变速器中，在国内，湿式离台器的研究还处于研究开发阶段，闪 此研究湿式离台器的控制方法具有1 f 常意义。将湿式离台器午c v t 配套，全部通过汕爪进 行控制，其可控性和控制品质f ，有利于实现计算机的实时控制。 为考察c v t 系统在汽车中应瑚的实际效果，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 等备匡i 汽车公司都对其进行了对比试验。即同类汽车分别装备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 2 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 汽车加速性能( 0 - 1 0 0 公里川、时) 比a t 汽车加 速性能提高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 r 汽车相当或略优。 1 2 2 传动效率 变述装置的传动效率将影响汽乖的经济性和动力性。富士重工t1 9 8 8 年对姨辑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 - 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特性，但是由于它的传动效率还未达到传统机械传动 的水平，致使c v t 汽车的燃料经济性和动力 生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。 1 2 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，其有害排放物比装 备4 档自动变速器的汽车减少1 0 左右。 1 2 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 。可见，该系统质量高、 使州可靠。目前采h j 高强度优质材料、精密制造技术与无阪寿命改讣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。 1 2 5 成本 产品的成本依赖于产品的技术含量、材料、制造工艺及 ：艺装备等因素。由于c v t - 2 第一晕绪论 的关键零件需采用优质钢材，加工过程较为复杂，以液力变矩器为起动部仆的c v t ，其成 本价格接近液力机械自动变速器；若采用其它类型的起动部件，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，装器c v t 的h o n d ac i v i c 轿午比城备4 档a t 的轿车 便宜2 0 0 多美元av d t 公司止通过不断改进传动零仆的纳构及零部仆加l ：r 艺过程苗措 施- 来降低产品的成本，提高产品的竞争能力。 由上可知，实现无级变速，拦人们长期梦寐以求的变速机构，它的应刚具有十分重要 的意义，已成为当今汽车界昂热门的课题之。研制和生产带有湿式离合器的c v t 对于提 高我国汽车产品的性能和国际竞争力将有重火的意义，将填补我国在此领域的空白。 1 3 0 v i 的控制要求 本课题为e q 6 4 8 0 中高级客车的金属传动带式无级变速器提供控制器，与原传动器相 比将达到下述指标： 1汽车燃料经济性提高约5 ： 2 汽车加速性提高4 ： 3汽车有害排放物减少约4 左右： 4 系统操纵自动、平顺、舒适。 为达到要求的指标在设计对c v t 的控制方面必须考虑： 1 在汽车起步和行进的过程中，控制湿式离台器结合力和c v t 的速比，使发动机尽 可能地工作在经济转速点，或接近经济转速点的经济转速区，这样可提高汽车燃油 经济性，减少有害排放物。 2 当要求传动速比变化时通过传动速比连续渐进变化，提高汽车的平顺性和舒适性。 3 采用合理的加速控制策略提供针对提高汽车加速的动力控制模式控制选择，来控 制c v t ，提高汽车加速性能。 4 安排档位、控制键应尽可能简单醒目，便于操作。 1 4 特色与创新 本文在国内首次全面系统地研究了c v f 的控制策略及相关问题。研究内容包括c v t 机械系统的组成和功能、c v t 的仿真模型、湿式离合器的模糊控制、c v t 控制系统的硬件 实现、汽车电子控制器的远程网络技术和控制策略的研究以及软件实现。特色与创新之处 主要表现为： 1 设计和研制了适合班固e q 6 4 8 0 中高档轻型车的c v t 机械传动系统。 2 建立了以c v t 传动为核心的发动机和整车动力学模型讨论了控制参数，为c v t 的动力学仿真和控制策略研究奠定了理论基础。 3 设计了湿式离台器在汽车起步时的模糊控制器，根据模糊推理和判断得出模糊控 制表，达到了减小起步冲击和缩短起步时间的目的。 4 设计并调制了c v t 控制器的硬件系统该系统处于国内领先水平，井对汽车电子 控制器的远程网络技术进行了初探，创造性的设计了m s - - 2 3 2 、m s - - 4 8 5 、电话 m o d e m 和无线传输系统，该项工作具有良好的发展前景代表了当代汽车电子的 3 溉江大学博l 学位论文 新的发展趋甜。 5 根据汽车行驶的不同工况，全面系统地讨论了控制策略和软件实现利川白行设计 的硬件在环仿真系统，对控制策略进行了验证和改进，填补了国内空白，处于世界 先进水平。 第二节c v t 的应用状况和研究趋势 2 1 国外c v t 的发展和现状 8 0 8 2 7 2 c e 3 6 3 7 e 5 4 5 7 】 长 l 以来，人们一直进行着能传递大功率、维持高效率、高寿命的机械式无级变速器 的研究工作。汽车工程意义上的无级变速器c x r f 是1 8 9 6 年由美国人h g s p a u l d i n g 发明的 传动带式无级变速器而后荷兰h v a nd 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 e 无级自动变速器。表2 1 所示了c v t 的发展历史。 表2 - 1c v t 的发晨 年份国家人名( 单位)内容 1 8 9 6 壬e美国 h gs p a u m i n g发明c 、吓 1 9 5 8 年荷兰附 研制c v t 鼗备d f r 0 叫轿车 6 0 年代后期荷兰d a f sh u bv a nd o o r e n研制出金属带c v t 1 9 7 8 罐意犬利f i a t装用v a nd o o m e c v t 1 9 8 2 定荷兰 v d t批量生产v d t i9 8 3 盘三瑞典 v o l v o销售c v t 轿巾2 万辆，人投成功 1 9 8 4 瑞典v b 】v o装祷g l 和g 2 型轿车5 万辆 1 9 8 7 年日本、美国 f u j i 重工、f o r d 研制出车用金属带c v t 1 9 8 7 缸意大利 f i a t装斋轿车 c v t 取得里程碑式的突破是在本世纪六十年代中期当时，) t 公司的研究人员在荷 兰开始进行调卉研究，目的是研制结构更紧凑、更简捷的c v t ，使它能平1 1 较人马力的发动 机匹配，他们首先研制出了名为“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) 。 与其它的刚性摩擦体c 、厂r ，如金属v 型链、合成v 型带等相比较，这种类型的v 带具有 更高的传动功率、效率指数值，甚至比当时有级的自动变速器更好。 在1 9 8 7 年，v d t 公司的金属带式无级变速器进入商品化阶段。这年，福特汽车公司 首次在市场上推出装用这种金属带的c v t 。日本富士重工也于同年研制成功装备于j u s t e 乖上( 排精1 1 2l ) 的l 乜子控制c v t 。之后，菲特、祸特和日产等汽下公司都在生 产的一些1 2 1 6 l 排量的轿车上装备这种变速器。 金属带无级变速器一般是以液压回路作为控制系统，而且生产出的c v t 也以前轮驱动 d 第一章结论 为主。近几年米，随着高科技的发展以及市场的需要，逐渐采_ l 电子控制的无级变述器 e c v t 使汽车的工作质量发生了质的飞跃。生产山的无级变递器结构小巧、紧凑。同时， 对前轮驱动的无级变速器进行结构上的修改后，可用于后轮驱动的汽车上进步增强其 应j | j 范闱。越米越多的国家止逐渐采j 目c 、吓作为汽车无级变述装置。世界各国汽车制造商 j 也在不遗余力的开发该产舳，力求作为拳头产品占顿i 吐界市场。 随着电子技术、材料和加工技术的发展，c v t 正朝着以下儿个方面发展： ( 1 ) 向3 升以上排量的汽午发展，以实现更广泛的应h j ； ( 2 ) 更加优越的控制( 如智能控制) 及快捷的反应； ( 3 ) 更低廉盼价格。 世界上的主要汽车生产国都在积极开发c v t 系统，所以已经山现了根蚶的实川化发展 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 c v t 的研制开发，在国际上以欧洲和日本发展较快。目前，v d t c v t 有以下几种结 构： ( 1 )湿式多片离合器c v t ： ( 2 )电磁离合器c v t ； ( 3 )液力变矩器c v t 。 1 9 9 5 年装有v d t - c v t 的汽车产最已达到1 0 0 万多辆。目前主要有以下的c v t 生 产厂商：f h is u b a r uj u s t y 、f o r d 、f i a t 、n i s s a n 等。其中欧洲f o r d 公司c v t 产量为1 5 万 年f i l lc l n l 产量为2 0 万年。应特别指出的是：美国福特公司在1 9 9 7 年历史性的突破， 生产山可刚于3 8 l v 6 ( 扭矩为3 0 5 n m ) 的大扭矩发动机c v t ，并成功安装于w i n s t a r m i n i v a n 汽车上这就结束了c v t 只能应_ i j 于小型汽车上的历史为大规模应_ h jc v t 开辟了道路。 而且，无级变速器己与当今先进的微电子技术结合起来，构成高性能的无级自动变速器， 性能更加完善。 2 ) 欧洲与日本的c v t 差别 晚于欧洲的日本在1 9 8 4 年着手研制c v t ，并从一开始起就把c v t 和电子控制结合 起来开发，所开发的电子控制自动变速器e c v t ( e l e c t r oc 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 ) 与欧洲普遍使用的c v t 相比，主要有以下区别： ( 1 ) 日本采用电磁离合器作为起动部件，这样可以方便地进行发动机离台器变速器 的自动控制而欧洲则多采用液力变矩器或湿式多片离合器。 ( 2 ) 在前进、倒档选择机构中，日本采用了啮合套式齿轮系，而欧溯采用了行星齿轮 系米选择前进或后退。 3 ) 当前c v t 的寿命、可稚性与成术 ( 1 ) 寿命：s u b a r a 实验结果表明c v t 具有与汽车同等寿命。 ( 2 ) 可靠性方面：对6 0 万套c v t 系统调查表明其中只有1 4 7 例故障，故障率为 0 0 2 5 。其中控制系统占5 4 金属传动带占3 3 ，其它占1 3 。 ( 3 ) 成本方面：一般采用c v t 的成本是普通变速器两倍，但比采用自动变速器的成 本要少3 0 ，而且在达到一定规模后成本有望更进一步降低。而且它与a t 相比 燃油经济性可以提高1 0 - 1 5 ，加速性提高7 - 1 0 ，排放污染减少1 0 ，所以它 具有良好的经济效益和社会效益。 一5 浙江大学博l ：学位论文 2 2 国内c v i 的发展和现状 7 b 6 7 我国在六十年代，“红旃”7 7 0 轿乖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 8 年一汽_ 人众公司生产的“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 的车型上推山了屯控式液 力自动变速器。至于c v t ，早在十年前，国内就有高校购买过国外样机作分析研究但至 今无产品问世。目前，重庆火学正在对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 攻芙项目，对c v t 技术进行实| 【i j 化研究。 2 3 车用离合器的发展和现状1 - 2 9 3 1 就汽车而言，离合器起着传递发动机能量、减振和防止系统过载的重要任务。按其传 递扭矩的方式可分为：摩擦片式离合器、液力偶台器和电磁式离合器。其中摩擦片式离合 器按其从动片数目可分为单片离台器、烈片离合器和多片湿式离合器。 手动变速器( m t ) 多采用单片干式离合器，它具有从动部分转动惯量小、散热性好、 结构简单、调整方便、尺寸紧凑、分离彻底等优点。 在自动变速器中，采用离台器白动控制技术，省去了离台器踏扳实现汽车的“嫂踏 板”操作随着自动变速器技术的完善，与之相配套的离台器技术也在不断改进。其中， 现代变矩器由可旋转的泵轮、涡轮以及一个固定不动的导轮组成。变矩器不仅能够传递转 矩且能在泵轮转矩不变的情况下，随涡轮的转速不同而改变涡轮输出的转矩数值。自1 9 7 8 年以来，克莱斯勒公司的托克弗莱特型自动变速器又有新的改动，采用了一个“锁止式变 矩器”。它利用一个摩擦式离合器将变矩器的涡轮与变矩器外壳的前部连锁，这种设计消除 了高速档运转时常见的动力传递损耗，从而提高了燃油经济性。 但是液力自动变速器系统始终存在着结构复杂、制造技术要求高、试制周期长、投资 火及成本高、效率低的问题。虽然取得了一定的进展，但三十多年来基本上徘徊不前六 十年代以后，随着电子技术的发展开始山现了对传统离台器与手动机械变速器的i 自动 操纵，八十年代所兴起的在汽车产品中采用微电子技术的热潮，同样也波及到自动变速器 这个领域。除了传统的装用液力变矩器的自动变速器外又出现了新的、纯机械式自动变 速器它由于式离合器和传统的手动机械式变速器加上微机控制实现自动操纵。通常比同 条件下的液力自动变速器节油1 0 - 3 0 。 从国外的发展动向来看近年来车辆在性能上向高速发展发动机的功率和转速不断 提高，载重汽车趋于大型化国内也有类似情况。因此，提高离台器的传扭能力、提高其 使用寿命、简化操作已成为离合器目前发展的趋势。 为了提高离合器的传扭能力在重型汽车上多采瑚多片干式离台器。此外，近年来由 于多片湿式离合器在技术上不断改善，在国外的某些重型牵引车和自卸汽车上又开始采用 多片湿式离合器，井有不断增加的倾向。与干式离合器相比湿式多片离合器结构比较单 一，具有压力分布均匀，磨损小且均匀，使用中不需要调摧，能获得很大的摩擦面积，传 递扭矩的容量也大的特点。可以借增减离合器的片数，很容易改变扭矩容量，以适应发动 机一定程度排量的变化，也可以根据油的压力自由改变。湿式离合器比干式离台器的热容 6 第一章绪论 量人- 由于油泵强制冷却，摩擦表面温度较低( 不超过9 3 。c ) ，允许起步时臣时间地打滑 和高档起步而不会烧损衬面。据介绍，湿式离台器的寿命跃，可达干式离合器的适5 6 倍。 它适于在大负荷下工作，近年来，在重型牵引车和自卸车上有采用湿式多片离台器的倾向， 一些大型客车上已成功地利川湿式离合器作为自动离合器，这一技术还有发展的趋势。 同时，装有c v t 的汽车由于无级变速使得汽车操纵平顺、换档舒适井具有良蚶的燃油 经济性a 湿式离合器可以看作一带锁止的离台器和液力变矩器的组合，它结构简单，性能 可靠正适合作这种启动装置。 纵观国内外自动变速器的研制过程，可以看出，离合器的自动控制是自动变速器的核 ，t b 问题之一a 离台器的工作非常复杂在起步换档过程中，它不仅受坡道、负载变化的影 响，而且即使在同样的行驶工况下也会园偶尔出现的情况或驾驶员的人为因索而产生不 同的操纵。实现离合器的自动控制降低了对驾驶员操作技巧的要求有利于提高车辆性能， 保证汽车起步、换档过程的品质减少传动系零部件的冲击，提高使用寿命与乘座舒适眭。 因此实现离合器的自动控制必将成为离台器发展的核心内容之一。 在离合器研究方面，为了减少驾驶员的抉挡操作，国内、外对于式离台器的自动控制 技术进行了很多研究。国外一些学者如日本的石豕松男曾以实验方法研究了离台器和油门 操作以及与车身纵向加速度的相互关系。英国的l u c a s 所提出的系统平均接台模型也仅限 于对坡度影响的研究，这些均未对更多因素进行全面统计实际上也难做到全面统计。意 大利菲亚特汽车公司1 9 8 6 年在庞选3 0 型小轿车上安装了一个微机控制的单片干式离合器 系统，它在充分研究驾驶员行为特性的基础上尽可能准确的再现驾驶员的工作过挫，因而 能实现一些简单的起步换档的离台器自动控制。日本的石原智男结合一个电气比例阀的特 性，建立了离台器自动控制的数学模裂在此基础上研制了一套离台器的白动控制系统 并从理论上分析了各个参数对起步时离合器接台特性的影响效应。 国内在机械式自动变速器的离台器控制研究方面，吉林工业大学汽车学院对干式离合 器最佳接台规律作了理论上的研究。提出了利用油门开度、发动机转速、输入轴转速及离 合器传递的转矩特性来控制离合器接合速度的思想。另外还提出采用变量化因子模糊调节 与变系数比例调节相结合的方法对离合器进行控制它采用离合器接台速度这一参数作为 控制对象。同时，清华大学和北京理工大学也在进行有关的研究工作。 但是离台器摩擦力矩的力矩调节特性比较复杂，现有的一些离合器摩擦力矩的力矩 调节特性还不理想适应性能还不完善。并且以上研究基本上是针对于单片干式离台器， 对于湿式离合器的研究国内还处于起步研究开发阶段。 第三节全文研究内容 全文共分八章，研究的内容主要包括c v t 机械系统，c v t 整车模型建立，离台器模糊 控制，c v t 控制系统的硬仆殴计，c v t 控制策略研究以及c v t 的实验分析。 第一章简要讨论了国内外c v t 和离合器的发展现状说明了c v t 的开发具有十分 重要的应用价值和发展前景。 第二章分析了c v t 的变速原理及机械组成，重点对湿式离合器工作原理和j 变速原理 进行讨论。 第三章建立了c v t 的仿真模型。通过c v t 传动速比和受力分析，得出了控制油压 一7 浙江大学博：l 学位论文 与转矩的关系它是电子控制的依据。建立了湿式离合器瞬于力矩的计算公式，c v t 牡。乍 模型是汽车动力性、经济性计算和控制策略研究的基础。 第四章根据模糊理论及驾驶员的经验，建立了实时离台器起步时的模糊控制。 第五章讨论了自行设计具有自立知识产权的c v t 液压和l 控制器硬件系统，单片机采 h jm o t o r a l a 新一代h c 0 8f l a s h 系统。 第六章本章是全文的重点，主要包括三个创新点：1 ) 自行设计了嵌入式电子控制系 统的实时仿真系统，即硬t f ：在环仿真系统。2 ) 设计了具有远样网络和无线传输功能船系统 它代表了当代汽车电子的发展趋势。3 ) 全面系统的研究了c v t 车辆不同行驶工况的控制 策略和软件实现，填补了国内空白。 第七章分析了装备c v t 的e q 6 4 8 0 车辆的动力性和经济性的仿真结果利试验对比。 第八章本章对全文进行了总结展望了该领域进一步的研究方向。 第四节本章小结 本章主要讨论了国内外c v t 和离合器发展的历史和l 应h 现状。在欧美和日本，c v t 技术已经日趋成熟并实现商品化。当前c 的寿命，可靠性价格成本，燃油经济性 加速性均优于a 1 ，今后c 、厂r 的使用将更广泛、控制更优越，价格更低廉。我国对汽车c v t 研究起步较晚，现在正迎头赶上，进入实_ l j 化研究阶段。国家科技部也将c v t 开发作为九 五重点攻关项目，进行产业化开发。 8 一 第二章湿式离台器c 机械系统 第二章湿式离合器c v t 的机械系统 第一节c v t 的变速原理 7 6 3 9 2 本课题所研究的v 型金属带传动无级变速器，其变速部分由主动轮( 也称初级轮) 、 v 型金属带和被动轮( 也称次级轮) 所组成( 图2 - 1 ) 。 图2 一l 金属带和推论结构示意圈 每个带轮都由两个带有斜面的半带轮组成其中一个半带轮是同定的，另一个半带轮 通过液压伺服油缸控制其移动。两个带轮之间的中心距是蝤i 定的，传动带的总k 不变所 以形成的传动比为：i = r d n r m = h 。tn 。式中是主动轮半径，月。是被动轮半径。当 月。处于晟小半径( 两个半轮之间的距离最宽) ，r 。处于最大半径( 两个半轮之间的距离 最窄) ，传动系所形成的传动比晟人，相当于汽车低档状态( 幽2 2 ( c ) ) ：当通过液压伺 服缸控制改变月和的半径值时，如j b r 逐渐增大，由于两个带轮轴之间的距离和传 动带的周妊是同定的，为了保证正常传动而相应使只。的值减小，则所形成的传动比也相 应减小，直至r m 达到最大值而如。达到最小值时传动比达到最小相当于汽车高档行 驶状态( 图2 - - 2 ( b ) ) 。 通常，当主动轮与被动轮之间的传动比为1 ：1 时( 图2 2 ( a ) ) ，传动效率最高当在 其他传动比为1 时传动效率下降。 通过控制从动油缸油压尸w 和主动油缸油压p 。，达到调节c v r 传动比的目的。 一9 - 浙江人学博。i + 学位论文 主动轮 紧遗带 栓边带 键动轮( - ) 传动比= l ( b ) 传动比= 0 4 4 5传动比= 2 6 图2 2c v t 的变速过程 c v t 的机械部分主要由行星齿轮机构、前进、倒档离合器、带轮、中间减速齿轮机构、 输入与输山轴五火部分组成，图2 3 是我们研制的金属带式c v t 机械系统原理圈- 1 输入轴2 行星架3 倒档离台器4 前进离合器5 从动轮固定锥盘6 从动轮可动锥盘7 从动轮齿轮8 惰 轮9 输出轴1 0 金属推力带1 1 主动轮固定锥盘1 2 主动轮可动锥盘1 3 外行星齿轮1 4 内行星齿轮 圈2 - 3 金属带式c v t 机械原理圈 1 0 静替 第二章湿式离台器c v t 机械系统 2 1 c 、r l 上的离合器 现在汽车上的自动变速器的离台器多为湿式多片离台器，c v t 系统也不例外。冈为 片式摩擦元件有以下些优点：( 1 ) 传递的转矩大可通过增加片数来提高摩擦扭矩：( 2 ) 布置方便；( 3 ) 摩擦元什的受力情况与旋转方向无关；( 4 ) 压力分布均匀，磨损均匀；( 5 ) 不用专门调按摩擦片间隙的裟置。不足之处是分离时摩擦片之间有相对磨滑损火，片数多 时损火功率犬。 湿式离合器与干式离合器相比有以下特点：( 1 ) 干式离台器对滑磨产生的热量的速度 并不敏感它受产生的总热量的限制。囚为散热较慢因而它适台于短时间的接台，这样 滑磨时间短产生的总热量小，而湿式离合器用油冷却摩擦片，有较快的散热速率，适合于 离合器接台过程压力渐渐增大，结台时间较长的场合。( 2 ) 湿式离台器接台时，缸内离心 油压影响压紧力和储备系数。分离时离心油压仍然作用于活塞上。( 3 ) 湿式离合器对摩擦 材料和润滑油有专门的要求。( 4 ) 为了减小传动系的动载，必须控制离合器滑磨过程的扭 矩增跃速度，此过程较复杂，要采用改进离台器的结构和加装缓冲阀、协调蒯、莆能阀等 米控制加载的汕压。 i 输入轴2 倒档离台器活塞3 倒档离台器回位碟形弹簧4 倒档离合器摩擦片5 倒 档离合器从动片6 离合器壳7 前进档离台器从动片8 前进挡离合器摩擦片9 前进捎离合器活塞 1 0 太m 轮1 l 输f l j 轴1 2 油道j 3 前进档离合器同位礁形弹簧1 4 行星架右支架】5 前进档离含器推j r 1 6 _ 彳亍星架齿嘲1 7 行星选轮1 8 内行星齿轮 倒2 4 湿式离台器结构示意翻 0 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 浙江大学1 【i i ：学位论文 本研究中，湿式离台器接台和分离是靠液压操纵系统控制汕压来实现的，其结构示意幽 如图2 4 。 首先介绍湿式离台器的行星齿轮机构。该行星齿轮机构采用双星齿轮机构，行星架上 定有内、外行星齿轮乖l 右支架。行星架右支架川螺拴定在输入轴上；内行艰齿轮干i | 外 行星齿轮啮合。 前进档离台器主要由太刚轮总成( 1 0 ) 、行星架右支架( 1 4 ) 、前进档离台器摩擦片( 8 ) 、 从动片( 7 ) 、前进档离台器活塞( 9 ) 、前进档离合器同位碟形弹莛( 1 3 ) 以及前进档离台 器推片( 1 5 ) 组成。行星架与输入轴( 1 ) 连接，右支架心螺栓吲定在输入轴上，内端通过 衬套与太m 轮相连，并可产生相对转动：外端通过花键与前进档离合器胯擦片相连前进 档离合器摩擦片在其上可做一定范围内的轴向运动。太目】轮上开有油道( 1 2 ) ，其总成上的 前进档离合器壳开有槽孔，通过这些槽孔与前进档离台器从动片连接，前进档离合器从动 片也可在其上做一定范围内轴向运动，太阳轮f l | 端与输出轴( 1 1 ) 相连。 倒档离合器主要由行星架齿罔( 1 6 ) 、倒档离台器摩擦片( 4 ) 、从动片( 5 ) 、倒档离 合器活塞( 2 ) 、以及内( 1 8 ) 、外行星齿轮( 1 7 ) 等组成。齿圈的外齿与倒档离合器摩擦片 连接倒档离合器摩擦片在其上可做一定范围内轴向运动；齿圈的内齿与外行星齿轮啮合 外行星齿轮和内行星齿轮啮合内行星齿轮再与太阳轮啮合。倒档离合器从动片删与离合 器壳( 6 ) 联接，可在其上作一定范围的轴向运动。 2 2 湿式离合器工作原理 湿式离合器工作原理如图2 5 所示。 1 9 】4 薹严 ，一， ， 圭 i r 叶丌酮i i r旷 幽2 - 5湿式高器工作原理简| 璺i ( 幽中标号与前翟2 - 4 注释对应，j e 中1 9 为行星架) l 、前进档离台器l ：作原理 前进档离合器工作时，倒档离合器放松，高压油通过太刚轮上的油道进入活塞腔，随 着油压的逐渐增加，活塞克服回位弹簧的阻力向前运动，同时推动推片前进，推片前进使 得离合器摩擦片、从动片做轴向运动，并相互接台。同时动力从输入轴进入，输入轴转动 带动行星架右支架同向转动，从而带动摩擦片转动，此时由于从动片静止，摩擦片与从动 片问相对转动，在输入轴上产生与主动力矩方向相反的摩擦力矩( z ) 。由于作川力与反作 1 2 第二章湿式离台器c v t 机械系统 _ j 力，从动片上产生与主动力矩同向的摩擦力矩( f ) ，该摩擦力矩使从动片转动，经前 进离合器传至太目j 轮，使太r 轮系转动通过太阳轮与主动轮同定锥盘的花键传到主动轮 轴然后经金属推力带传至从动轴，经从动轮齿轮、惰轮、输出轴输山。离台器分离时 随着汕压的运渐减小，活塞在俐何弹簧的作川下向右移动，胖擦片、从动片分离。 2 、倒档离合器：l ：作原理 倒档离合器工作时，前进档离台器放