汽车CVT无级变速传动系统建模及控制策略简述(图文)

1、汽车CVT无级变速传动系统建模及控制策略简述(图文)论文导读：采用液力变矩器作为起步装置的无级变速传动系统(CVT)可以实现传动比的无级调节，改善车辆的起步性能、低速行驶性能和加速性能，因而可以提高车辆行驶的动力性和经济性，并减少了排放污染。目前市场上配备这种传动系统的车型有很多，本文针对某款具体车型，对其传动系统的建模及控制策略进行了简述。根据建立的系统模型以及控制策略，可以建立如下的仿真流程图。关键词：无级变速传动，建模，控制策略引言采用液力变矩器作为起步装置的无级变速传动系统(CVT)可以实现传动比的无级调节，改善车辆的起步性能、低速行驶性能和加速性能，因而可以提高车辆行驶的动力性和经济

2、性，并减少了排放污染。目前市场上配备这种传动系统的车型有很多，本文针对某款具体车型，对其传动系统的建模及控制策略进行了简述。1 系统建模1.1 发动机转矩模型发动机是一个复杂、非线性系统，其模型一般都是采用稳态试验数据作为其稳态输出转矩，而后对稳态模型进行修正，得到发动机的动态输出转矩关系，所以发动机模型包括两局部：发动机的稳态输出转矩和动态输出转矩；发动机稳态模型的输入参数是节气门开度和发动机转速，考虑到发动机的动态特性，将其简化为具有滞后的一阶惯性环节的模型【1】。因此，发动机的动态输出转矩为式(1)所示：(1)式中：发动机稳态输出转矩()；稳态输出函数；节气门开度；发动机转速()；发动机

3、动态输出转矩()；滞后时间()；动态特性的拟合系数；拉氏变换因子。1.2 发动机油耗模型通过发动机的台架试验可以得出发动机的负荷特性曲线。发动机负荷特性给出了在不同转速下发动机功率与发动机有效燃油消耗率的关系曲线，即(2)式中：-有效燃油消耗率()；-有效燃油消耗率函数；-发动机功率()。根据发动机功率与转矩的关系式，将每个转速下的负荷特性曲线转化为的关系，利用三次样条插值拟合出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，构成该曲面的数据也就是有效燃油消耗率关于发动机转速和转矩的数表，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，因此可以用稳态的油耗数值模型

4、近似代替其动态油耗模型。1.3 发动机转速调节特性发动机转速调节特性是指所需求特性的功率值在需求特性场上变化时，独立地调节传动装置的传动比，使发动机输出转速被稳定在给定的工作点或指定的工作模式。对无级变速系统而言，一般考虑最正确经济性调节特性和最正确动力性调节特性。当节气门开度一定时，发动机局部负荷特性中的功率和燃油消耗特性如图1所示。图1 发动机局部负荷特性在图1中的功率和燃油消耗曲线上各有一个特殊的点A、B，它们分别是发动机在该条件下的最正确经济点和最大功率点。从小到大连续改变节气门开度，就得到一条最正确经济工作曲线和一条最大功率曲线，把这两条曲线在二维平面上绘制出来就可以得到发动机最正确

5、经济线E和最正确动力线S，如图2所示。它们分别为发动机的最正确经济性和最正确动力性的调速特性曲线，用发动机节气门开度与发动机转速的关系表示。图2发动机转速调节特性1.4 液力变矩器模型通常用液力变矩器的无因次特性来表征液力变矩器的特性。液力变矩器的性能是由泵轮和涡轮之间的转速和转矩的关系来确定，反映液力变矩器各种性能参数的变化。无因次特性一般用容量系数、变矩系数、转速比等参数来表达。无因次特性由变矩器的台架实验测得。转速比为涡轮转速与泵轮转速之比，用来表示液力变矩器的工况，其计算公式为：(3)式中：液力变矩器转速比；-泵轮转速()；涡轮转速()。液力变矩器的容量系数主要是表征液力变矩器传递转矩

6、能力的一个系数，它与工作液的密度，变矩器的有效工作直径、泵轮转矩系数等因素有关【2】。容量系数定义为：(4)它是一个随着速比逐渐增大的系数。由实验得出容量系数与速比的关系曲线:(5)式中：容量系数；容量系数函数。由泵轮转矩公式： (6) 可以推得泵轮转矩与容量系数的关系为：(7)式中：泵轮转矩()；泵轮转矩系数()；工作液重度()；变矩器有效直径()。变矩系数为涡轮力矩与泵轮力矩之比。它表示液力元件改变泵轮力矩的能力。其计算公式为：(8)由于涡轮转矩与泵轮转矩方向相反，故在上式加负号，以使为正。同样由实验得出变矩系数与速比的关系曲线：。 (9)式中：变矩系数；变矩系数函数。论文参考网。1.5

7、CVT模型无级变速传动速比由主、被动轮的节圆半径、确定：(10)式中： CVT传动比；主动轮节圆半径；被动轮节圆半径。当被动轮为最小节圆半径，主动轮为最大节圆半径，CVT速比最小；反之CVT速比最大。目前金属带无级变速传动装置的速比变化范围通常为2.50.5。上式是定义式，用来确定CVT最大速比和最小速比。在仿真过程中，CVT速比模型包括实际速比模型以及目标速比模型。根据发动机转速与车速的关系(11)式中：车速;发动机转速(;液力变矩器传动比；车轮半径；CVT实际传动比；主减速器传动比。可以得出汽车行驶过程中CVT的实际传动比为：(12)根据发动机的最正确动力性曲线，并考虑CVT的最大和最小速

8、比，可以得出不同节气门开度下，发动机在最正确动力性曲线工作时CVT的目标速比，即 (13) 式中：不同节气门开度下，发动机在最正确动力性曲线工作时的转速；节气门开度。同理可以得出最正确经济性速比模型，即 (14) 式中：不同节气门开度下，发动机在最正确经济性曲线工作时的转速。CVT传动系统由发动机、液力变矩器、CVT、驱动桥(减速器和半轴)组成，其动力传递可由图3来表示。论文参考网。图3 CVT传动系统动力传递框图由图3可以建立CVT的动态方程【3】：(15)(16)(17)(18)式中： 金属带作用在主、从动带轮上的转矩()；主从动带轮的角速度()；CVT传动效率；CVT输入端(主动带轮)转

9、动惯量；CVT输出端(从动带轮、驱动轴、中间减速齿轮和差速器)转动惯量；驱动轴转矩(); 总减速比(中间减速比与主减速比之积)。联立式(15)、(16)、(17)、(18)得：(19)为防止计算速比微分项，在仿真环境计算方程时，预先定义一个中间变量为(20)对式(15)两边进行微分处理，再与式(19)联立得(21)由式(20)可得的表达式为 (22) 1.6 驱动轴动态模型如图3所示，驱动轴模型可简化成具有弹簧系数为、阻尼系数为的转轴，其转动惯量可忽略。不考虑车胎的变形或车轮打滑，假设驱动轮与车轮的转速相同，得驱动轴动态方程【3】为(23) (24)(25)(26)(27) (28) 式中：车

10、体和车轮在汽车驱动轴上的等价转动惯量；汽车外界阻力滚动阻力、坡道阻力和空气阻力矩转矩()；整车质量()；所有车轮转动惯量()；1.7 整车运动模型车辆行驶中受空气阻力、坡道阻力、滚动阻力、制动力和牵引力等作用，本模型仅考虑车辆的直线运动和坡度的影响。根据牛顿定律，可得出整车运动方程式为【3】：(29)式中：车辆制动力，包括坡道阻力、滚动阻力和空气阻力；由驾驶员或输入模块提供；(30)式中：空气密度;空气阻力系数；迎风面积;滚动阻力系数。2 控制策略2.1 发动机与液力变矩器的匹配策略研究发动机与液力变矩器的匹配策略，主要在于研究发动机与液力变矩器共同工作时输入特性的变化规律。论文参考网。发动机

11、与液力变矩器共同工作的输入特性是分析研究液力变矩器在不同工况时，液力变矩器与发动机共同工作的转矩和转速的变化特性，是研究发动机与液力变矩器匹配的根底。液力变矩器的负载特性是不同速比时泵轮转矩和转速的变化特性，由液力变矩器泵轮转矩的变化特性决定。将发动机万有特性和变矩器的负载特性以相同的坐标比例画在一起，即得到它们共同工作的输入特性。共同工作输入特性反映了发动机与液力变矩器共同工作的范围、动力性及燃油经济性。理想的共同工作点期望满足以下要求：1)起开工况负载抛物线应通过发动机外特性的最大转矩点，使车辆原地起步时可获得最大的牵引力矩。2)最高效率工况负载抛物线通过发动机最大功率下的力矩点，同时高效

12、区范围在最大功率点附近，以输出最大功率。3)保证发动机工作在比燃油消耗最低区域一般来说,要同时满足上述要求很困难,只能从变矩器的主要作用来考虑,首先保证主要的再兼顾其它。对于用于CVT车辆的液力变矩器,其主要功能是用作起步装置,为了提高传动系统的效率,通常在车辆起步车速到达一定值后，液力变矩器效率开始下降，将液力变矩器锁止，变为直接机械传动,此时变矩器效率接近100%, 所以应主要考虑起步阶段及低速行驶工况的性能。在起步阶段以车辆最正确动力性为主来考虑，实际中轿车在起步时发动机并不需要在最大油门下工作,发动机不会到达最大转矩点, 只要保证发动机局部油门下的负荷特性与变矩器的负载抛物线交点具有较

13、大的转矩,便可满足车辆起步时的力矩要求,同时起步时使发动机在较低转速下工作,以减小发动机噪声 ,降低燃油消耗, 提高乘坐舒适性。还应考虑在发动机最低工作转速时与的负载抛物线交点处的力矩尽可能小,它是发动机怠速时变矩器对发动机的作用力矩,是发动机的起动阻力矩【4】。车辆起步后，随着车速的增加,液力变矩器的传动比也逐渐变大，在液力变矩器锁止前，应使不同工况下的负载抛物线具有较小的变化范围，保证在局部油门开度下，共同工作点均在发动机输出转矩较高的位置，以获得较大的驱动力矩，使车辆具有较好的加速性。2.2CVT速比控制策略在汽车起步区，控制系统的目标就是提供足够大的驱动转矩使汽车起步，因此应使CVT的

14、速比保持在最大速比处，直到车速到达液力变矩器锁止时。当液力变矩器锁止后，就变为了直接机械传动。对于CVT速比的控制，就是使发动机工作在最正确经济性曲线E或者最正确动力性曲线S或者两者之间的过度区域上。根据计算得出的实际速比和目标速比，采用PID控制算法对速比进行控制。令速比的变化率为 (31) 式中：CVT目标转速(等于或)；是对速比的误差进行比例控制；是对速比误差的变化率进行控制；是对速比的误差进行积分控制。合理地选择PID参数，可以使实际速比对目标速比具有良好的跟随性，节气门单输入的CVT调节过程说明在节气门和外界阻力不断变化时，CVT并不能始终工作在理想线上，稳态工作点可在理想工作线上，

15、瞬时工作点只能在理想线附近，因此在保证发动机调速平稳、车速响应平滑的前提下，尽可能缩短调节过程。的大小影响实际速比对理想速比的跟随时间。小，调节时间长，发动机转速波动范围小；大，调节时间短，但会引起发动机转速超调，因此，合理确定是最重要的。根据上面的分析，PID可以按如下原那么【5】整定参数、。1) 较大时，为使系统具有较好的跟随性，取较大的和较小的，同时为防止系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，取=0。2) 中等大小时，此时应减缓调节速度，减小超调，取中等大小的和较小的，对积分作用仍加以限制，取=0。3) 较小时，为使系统具有较好的稳定性，取更小的，适中选取，同时为防止系统在设定值附近出现震荡，的取值根据值的大小具体确定，通常为零，较大时选择较小的。3 仿真流程图根据建立的系统模型以及控制策略，可以建立如下的仿真流程图。4 结束语针对于液力变矩器作为起步装置的无级变速传动系统，本文论述