機電控制CVT夾緊力可變機構性能分析

葉　明　李　鑫　羅　勇

重慶理工大學汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶，400054

機電控制CVT夾緊力可變機構性能分析

葉明李鑫羅勇

重慶理工大學汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶，400054

機電控制CVT采用直流電機作為調速驅動機構，比傳統的電控液動CVT具有更高的效率、更好的控制性能和更少的零件數目。針對目前機電控制CVT夾緊力不可調的缺點，提出一種CVT夾緊力調整的機構，并建立了數學模型。在此基礎上設計了基于模糊控制和比例積分控制的位置與速度雙閉環控制算法，并進行了夾緊力調整控制仿真。結果表明，所提出的夾緊力調整機構和控制策略具有較好的控制性能，滿足系統運行過程中夾緊力變化的需要。

機電控制CVT；可變夾緊力；控制；仿真

0　引言

金屬帶式無級自動變速傳動(continuously variable transmission, CVT)與整車匹配具有良好的調速平順性和燃油經濟性，在車輛傳動系統中得到了較為廣泛的應用。傳統的CVT采用電控液動的方式，通過電磁閥控制液壓缸推動CVT帶輪的軸向移動實現調速[1]。電控液動CVT自身需要一套液壓系統，因此，制造成本和效率損失相對較高，并且在發動機零轉速下不能建立壓力傳遞轉矩，進入工作狀態的時間也相對較長[2]。基于以上特征，傳統CVT在具有純電動工況的電動車和經濟型車輛上的應用受到一定限制[3]。機電控制CVT采用電機通過機械傳動系統來推動CVT帶輪，實現調速[4]。由于沒有液壓系統，CVT效率大大提高。根據測試，機電控制CVT效率達到了93.6%，較傳統的電控液動式CVT提高了10%。由于采用電機驅動，控制精度和響應速度也可得到提高，同時系統的零件數目大大減少，因此，機電控制CVT有著廣闊的應用前景。目前，機電控制CVT的夾緊力采用碟簧加壓，一般按照滿足傳遞最大轉矩需求施加夾緊力[5]。這會使得系統的壽命和效率都受到影響。如果能夠使夾緊力所需求轉矩變化而調整，就可使系統不必始終受到最大夾緊力，從而提高系統壽命和效率[6]。本文針對機電控制CVT夾緊力不可調的缺點，提出一種CVT夾緊力調整的機構，并建立仿真模型，對該機構夾緊力調整的性能進行仿真。

1　機電控制CVT結構

1.調速電機　2.齒輪減速機構　3.主動帶輪　4.碟簧　5.從動帶輪　6.碟簧　7.絲桿螺母機構圖1　機電控制CVT結構原理

圖1是機電控制CVT的結構原理圖。從圖中可以看出，動力經變速器輸入端輸入，通過主動帶輪和金屬帶，由從動帶輪輸出，實現動力傳遞。機電控制CVT的調速機構由驅動機構、夾緊機構和金屬帶傳動裝置構成。驅動機構采用直流電機，通過齒輪減速機構和絲桿螺母機構，實現電機的減速增扭，并將電機的旋轉運動轉換為直線運動，驅動主動帶輪動輪做軸向移動。夾緊機構采用碟簧，通過其彈性變形實現對帶輪的加壓。金屬帶傳動裝置和傳統的電控液動金屬帶CVT相同，由鋼帶和金屬塊組成，通過帶輪的加緊，傳遞動力。調速機構的動力傳遞路線為：調速電機-齒輪減速機構-絲桿螺母機構-主動帶輪動輪。在上述結構中，CVT傳遞轉矩能力取決于從動帶輪夾緊碟簧(4)。而碟簧為機械彈性原件，在某一位置只能施加固定的壓力。因此，碟簧的彈性特性必須保證在不同速比位置傳遞系統所需的最大轉矩。而在大部分工況中，CVT不需要傳遞最大轉矩，這就使得很大一部分夾緊力處于富余狀態[7]。而過大的夾緊力會降低零部件壽命和效率[8]。因此，夾緊力應該隨傳遞轉矩的大小而改變，以提高系統壽命，減小關鍵零部件尺寸，并提高效率。

根據上述分析，本文提出一種機電控制CVT夾緊力調整機構，如圖2所示。當系統需求轉矩突然增大時，夾緊力調整電機旋轉，帶動夾緊力調整減速齒輪，實現減速增扭。絲桿螺母機構將旋轉運動轉換為直線運動，將夾緊力調整彈簧壓縮，增大夾緊力，保證系統傳遞足夠的轉矩。當系統需求轉矩降低時，夾緊力調整電機驅動絲桿螺母機構放松夾緊力調整彈簧，減小夾緊力。從而使系統夾緊力隨轉矩需求變化。整個過程中，助力彈簧可抵消部分夾緊力調整彈簧的壓力，降低夾緊力調整電機的負荷，提高系統的響應速度。系統的最小夾緊力取決于從動輪夾緊碟簧。夾緊力調整機構的動力傳遞路線為：夾緊力調整電機-夾緊力調整減速齒輪-夾緊力調整絲桿螺母-夾緊力調整碟簧-從動帶輪動輪。本研究主要計算參數見表1。

1.調速電機　2.齒輪減速機構　3.主動帶輪　4.從動輪夾緊碟簧　5.夾緊力調整碟簧　6.夾緊力調整絲杠螺母機構　7.助力碟簧　8.夾緊力調整電機　9.夾緊力調整減速齒輪　10.從動帶輪　11.主動輪碟簧　12.調速絲桿螺母機構圖2　機電控制CVT夾緊力可調機構原理

鋼帶長度(m)0.74帶輪半錐角(rad)0.192帶輪中心距(m)0.16夾緊力調整電機最大功率(W)150主動輪工作半徑范圍(m)0.0365～0.09夾緊力調整電機最大轉矩(N·m)0.5從動輪工作半徑范圍(m)0.0433～0.0913CVT速比范圍0.5～2.5帶輪與金屬帶摩擦因數0.08CVT最大輸入轉矩(N·m)150

2　系統模型

2.1夾緊力調整電機模型

夾緊力調整電機選用普通永磁直流電機。在恒定磁場激磁條件下，建立電機運動基本方程[9]。

電壓平衡方程：

(1)

式中，Uma為電動機電樞電壓；Emg為反電動勢；Kme為反電動勢系數；ωm為電動機角速度；Ima為電樞電流；Rma為電樞回路總電阻；Lma為電樞回路總電感。

轉矩平衡方程：

(2)

式中，Tm為電動機轉矩；Tl為折算到電動機轉軸上的負載轉矩；Ta為加速轉矩；Jg為折算到電動機軸上總的轉動慣量。

電動機電磁轉矩方程：

Tm=KmtIma

(3)

式中，Kmt為轉矩系數。

式(1)～式(3)即為永磁直流電動機數學模型。

2.2夾緊力調整機構模型

從動輪夾緊力由碟簧和夾緊力調整彈簧通過其彈性變形實現對帶輪的加壓。考慮在不同工況下，都應該可靠地傳遞轉矩，因此從動帶輪夾緊力應滿足不同工況下夾緊力的最大需求。從動輪所需夾緊力Fs可由下式計算[5]：

(4)

式中，Ti為最大輸入轉矩；Rp為主動帶輪工作半徑；α為帶輪半錐角；fbp為主動帶輪與金屬帶之間的摩擦因數。

帶輪工作半徑和動輪軸向位移有如下關系：

(5)

式中，Rs為從動帶輪工作半徑；Rp_min為主動帶輪最小工作半徑；Rs_max為從動帶輪最大工作半徑；xp為主動帶輪動輪軸向位移；xs為從動帶輪動輪軸向位移。

取ic=ic_max時各活動帶輪的位置為坐標原點，并規定主動半帶輪相向運動(溝槽變窄)為xp正向，而從動半帶輪相背運動(溝槽變寬)為xs正向。通過式(4)、式(5)，可得到不同從動帶輪軸向位移xs下，從動帶輪所需的最大夾緊力Fsr，如圖3虛線所示。按照所需夾緊力的一半確定從動輪碟簧壓力，結合現有碟簧特性，獲得從動輪夾緊碟簧壓力Fsd隨從動帶輪軸向位移關系，如圖3實線所示。陰影部分的壓力差由夾緊力調整彈簧補充。

圖3　從動輪最大需求夾緊力和碟簧壓力隨帶輪軸向位移關系

由圖3可以得出，需求夾緊力與碟簧夾緊力差最大值ΔFsmax為13.5kN，即夾緊力調整彈簧最大需要13.5kN的彈力。為了減輕壓緊力調整電機的負荷，提高壓緊力動態調整響應速度，還需要增加助力彈簧，以抵消夾緊力調整彈簧部分彈力。

定義夾緊力調整彈簧壓緊力為0且從動輪工作半徑最大時的位置為夾緊力調整彈簧和助力彈簧的位移原點，從動帶輪工作半徑減小的軸向方向為位移正方向。可得夾緊力調整彈簧的壓縮量Δxj為夾緊力調整彈簧位移xj與從動輪位移xs之差，即

Δxj=xj-xs

(6)

選擇合適的碟簧彈性特性線性區域[11]，可得夾緊力調整彈簧的彈性特性，如圖4a所示。為了使在整個行程范圍內獲得比較一致的助力效果，選擇碟簧彈力變化較小的區間作為助力彈簧工作區間[12]，其彈力為夾緊力調整彈簧最大彈力的一半。由于助力彈簧整體不會移動，其壓縮量Δxa與助力彈簧位移xa和夾緊力調整彈簧xj位移相等。助力彈簧的彈性特性如圖4b所示。

(a)夾緊力調整彈簧(b)助力彈簧彈性圖4　夾緊力調整彈簧和助力彈簧彈性特性

通過以上分析，可得夾緊力調整電機負載轉矩為

(7)

式中，Ls為絲桿導程；igj為夾緊力調整齒輪傳動比；ηs為絲桿螺母效率。

3　仿真模型及控制策略

根據以上分析，在MATLAB/Simulink仿真平臺上搭建機電控制CVT系統仿真模型。該模型由驅動輪夾緊力模塊、從動輪夾緊力模塊、速比變化率模塊、帶輪軸向速比模塊、速比計算模塊以及調速電機及其控制模塊組成。CVT動態特性及機電控制CVT速比控制具體參見文獻[13-14]。

從動輪夾緊力模塊如圖5所示。從動輪實際夾緊力為夾緊力碟簧彈力和夾緊力調整彈簧彈力之和。夾緊力碟簧彈力由從動輪軸向位移通過碟簧彈性特性差值獲得。夾緊力調整電機角位移經絲桿螺母機構轉化為直線位移xj，該位移與從動帶輪軸向位移xs之差即為夾緊力調整彈簧的壓縮位移Δxj，通過彈性特性差值，便可獲得夾緊力調整彈簧彈力Fj。xj通過助力彈簧彈性特性差值獲得助力彈簧彈力Fa，它與Fj的差值便是減速機構的負載。

由于夾緊力調節系統存在較強的非線性特性，對調節速度的控制響應精度和速度要求都比較高。僅采用位置反饋的PID速比控制難以取得令人滿意的效果。需要將位置偏差、位置偏差變化率以及機構負荷作為控制輸入變量，以獲得較精確的目標控制速度。根據目標控制速度與實際速度的偏差來輸出PWM信號，控制夾緊力調節電機。因此，采用模糊位置控制和速度PI控制

圖5　夾緊力調整仿真模型

的雙閉環控制方式來實現夾緊力的控制[15]。首先由輸入轉矩和當前速比計算出目標夾緊力Fsr。根據目標夾緊力和壓緊碟簧所提供夾緊力的差值，獲取夾緊力調整彈簧的目標壓縮量Δxjr。由目標壓縮量加上從動輪軸向位移xs，可得壓緊力調整彈簧絲桿螺母端的目標位移xjr。位移采用模糊控制器進行調節。它將位置偏差Δxj，位置偏差變化率dΔxj/dt以及夾緊力調整電機負載轉矩Tl作為輸入量，輸出量為調整彈簧目標移動速度vjr。

各變量的語言集如下：

Δxj：{負(N)、零(Z)、正(P)}

dΔxj/dt：{負大(NB)、負小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正大(PB)}

Tl：{小(S)、中(M)、大(B)}

vjr：{負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)}

若隸屬度用μ表示，則各變量隸屬度函數如圖6所示(已作量綱一處理)。模糊控制器控制規則集見表2。

(a)位移偏差Δxj(b)位置偏差變化率

(c)夾緊力調整電機負載轉矩(d)調整彈簧目標移動速度圖6　各變量(已量綱一化)隸屬度函數

ΔxjdΔxj/dtTlSMBNNBNBNBNBNSNBNBNBZNBNBNBPSNBNBNBPBNBNBNBZNBPMPMPMNSPSPSPMZZPSPMPSNSNSNMPBNMNMNMPNBPBPBPBNSPBPBPBZPBPBPBPSPBPBPBPBPBPBPB

vjr調節器采用PI控制器，將夾緊力調整彈簧的目標速度vjr作為輸入量，輸出為夾緊力調整電機的脈寬調制的占空比信號。

4　仿真分析

根據理論分析計算，獲得碟簧的彈性特性，其主要特征參數見表3。仿真所用到的其余參數見表1。

圖7所示為夾緊力控制的仿真結果。在0～1 s時，輸入轉矩為20 N·m(圖7b)，CVT傳動比為1.0(圖7a)，從動輪需求壓緊力較小(圖7c)。壓緊碟簧根據自身特性為從動輪提供最小壓緊力(圖7d)。在1～2 s時，輸入轉矩由20 N·m變化到150 N·m。由于輸入轉矩發生變化，從動輪需求的壓緊力也隨之發生變化(圖7c中A-B段)。當需求壓緊力超出實際壓緊力時，控制器根據需求壓緊力計算出壓緊力調節電機目標轉速，控制壓緊力調節電機旋轉，調整壓緊力調整彈簧至目標行程(圖7e)，從而使實際壓緊力跟隨需求壓緊力變化(圖7c)。CVT目標速比在3～4 s時，由1.0線性上升至2.2。CVT速比控制器控制速比調節電機，使CVT速比跟隨目標速比變化。由于CVT速比發生變化，其需求壓緊力也隨之發生變化(圖7c中C-D段)。壓緊力控制器控制壓緊力調節電機旋轉，調整壓緊力調整彈簧至目標位移，從而使實際壓緊力跟隨需求壓緊力。助力彈簧提供相對穩定的彈力(圖7f)，克服壓緊力調整彈簧部分彈力，以減小壓緊力調節電機負荷。從仿真結果來看，由輸入轉矩突變和CVT速比迅速變化兩種情況會使需求夾緊力發生較大變化。采用本文提出的壓緊力調整機構和控制策略能較好得的跟隨需求壓緊力的變化，滿足行駛工況的需求。

表3　碟簧主要參數

(a)速比(b)輸入轉矩

(c)從動輪壓緊力(d)壓緊彈簧彈力

(e)壓緊力調整彈簧位移(f)調節/助力彈簧彈力圖7　夾緊力控制仿真

5　結論

(1) 機電控制CVT的夾緊力采用碟簧加壓，在某一速比位置只能施加固定的夾緊力。在系統運行過程中不能根據負荷調整夾緊力。

(2) 本文提出一種包含夾緊碟簧、夾緊力調整電機及其減速機構、夾緊力調整彈簧、助力彈簧的夾緊力調整調整機構，并建立數學模型。

(3)仿真結果表明，采用本文所提出的夾緊力調整機構，能較好地滿足輸入轉矩變化和CVT速比變化所帶來的需求夾緊力變化。

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(編輯郭偉)

Performance Analysis of Variable Clamping Force Actuator of EMCVT

Ye MingLi XinLuo Yong

Key Laboratory of Advanced Manufacturing Techniques for Automobile Parts,Ministry of Education,Chongqing University of Technology,Chongqing,400054

EMCVT was driven by direct current motor. It was more efficient， had less parts and better control performance than that driven by electric-hydraulic system. So far the clamping force of EMCVT could not be varied with input torque. A new type of actuator where the control clamping force was put forward. Mathematical model of clamping force control actuator was built and a dual closed loop controller with fuzzy logic control and PI control was designed. Simulation results show that control performance of clamping force actuator and control strategies are good and meet the requirements of clamping force while system running.

electric-mechanic continuously variable transmission(EMCVT); variable clamping force; control; simulation

2013-11-12

國家自然科學基金資助項目(51275549); 重慶市科委自然科學基金資助項目(cstc2012jjA60003)；重慶市教委科學技術研究資助項目(KJ120830)

U463.2DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.03.020

葉明，男，1976年生。重慶理工大學汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室副研究員、博士。主要研究方向為車輛動力傳動系統綜合控制。獲市科學技術進步一等獎、二等獎各1項，發表論文25篇。 李鑫，男，1969年生。重慶理工大學汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室實驗師。羅勇，男，1981年生。重慶理工大學汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室助理研究員、博士。