復合式汽車自動變速器傳動效率與動力性仿真

臧彬，陸井玉，王慧君，邱緒云

(山東交通學院汽車工程學院,山東濟南　250357)

?

復合式汽車自動變速器傳動效率與動力性仿真

臧彬，陸井玉，王慧君*，邱緒云

(山東交通學院汽車工程學院,山東濟南250357)

摘要：對復合式汽車自動變速器傳動效率和動力性進行研究。利用穩態下的發動機試驗數據建立發動機轉矩輸出模型，基于SimulationX軟件，建立裝有復合式自動變速器的整車仿真模型，分別對復合式汽車自動變速器和金屬帶式無級變速器(CVT)進行仿真試驗。仿真結果表明：復合式汽車自動變速器在高速大負荷下的傳遞效率高于CVT，裝備復合式汽車自動變速器車輛的最高車速、百公里加速時間等各項指標均優于裝備CVT的車輛。

關鍵詞：復合式汽車自動變速器；PID控制；SimulationX；CVT

復合式汽車自動變速器主要由無級傳動機構和有級傳動機構兩部分組成，無級傳動部分為金屬帶式傳動，有級部分為齒輪傳動。金屬帶式無級變速器具有結構緊湊、工作可靠等諸多優點，應用廣泛，但是由于摩擦面的摩擦系數和零件承受單位壓力的限制，與齒輪傳動相比，其傳動效率明顯降低[1-5]。本文建立裝有復合式汽車自動變速器的整車仿真模型，對復合式汽車自動變速器和CVT的傳動效率及動力性進行對比仿真分析。

1復合式汽車自動變速器的工作原理

圖1　復合式自動變速器結構示意圖

復合式汽車自動變速器結構簡圖如圖1所示。有級傳動機構為普通齒輪傳動，無機傳動機構主要由主、副傳動輪及金屬帶組成。當車輛處于小負荷工況時，無級離合器結合，有級離合器分離，動力由輸入軸，經無級傳動機構傳遞到變速器輸出軸，有級傳動機構不傳遞動力[6]；當車輛處于高速大負荷工況時，無級離合器分離，有級離合器結合，動力由輸入軸，經有級傳動機構傳遞到變速器輸出軸，無級傳動機構不工作。

2建立仿真系統模型

2.1整車模型

基于SimulationX軟件，建立裝有復合式汽車自動變速器的整車

模型[7-11]，如圖2所示。該模型能夠仿真驗證分別單獨裝配CVT與復合式汽車自動變速器車輛的動力性和經濟性。模型選取同一款某小型車輛參數，變速器速比與傳動比范圍一致。

圖2　仿真模型示意圖

根據任意節氣門開度下最大功率對應的目標轉速，利用當前車輛的行駛速度可以計算出最佳傳動比，即為目標速比。通過目標速比與目標位移的關系確定無級變速機構主動帶輪的軸向目標位移。PID控制器根據主動帶輪的軸向目標位移與主動帶輪位置傳感器顯示的實際位移對液壓系統進行控制，從而調節無級變速機構主動帶輪的軸向位移，實現對無級變速機構速比的控制。

切換控制器根據車速、加速度對復合式汽車自動變速器的無級離合器(圖2中離合器2)與有級離合器(圖2中離合器1)進行控制，使復合式汽車自動變速器在不同的工況下選擇相應的傳動方式。

2.2發動機仿真模型

為了研究復合式汽車自動變速器的動力性能，必須先確定與之相匹配的發動機的扭矩與轉速工作特性。通過穩態下的發動機試驗數據建立發動機數值模型[12-13]，如圖3所示。

本文在已有發動機數據的基礎上，針對所設定的車輛參數，經過多次仿真驗證，獲得該發動機動力性較佳的轉速與扭矩工作特性曲線[14]，如圖4所示。

圖3　發動機轉速扭矩特性　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　發動機最佳動力性曲線

2.3變速器模型參數的確定

1)無級傳動部分的目標速比

通過計算得出任意節氣門開度下的目標速比[15]

式中：va為車輛行駛速度；rw為車輪半徑；nc為發動機輸出轉速；i0為主減速器傳動比。

由于帶傳動以及帶輪所占空間的限制，一般情況下i取值為0.5～2.6[16]，有

(1)

根據式(1)計算任一節氣門開度時，最佳功率下的CVT的目標速比，結果如圖5所示。

2)速比控制

圖5　CVT目標速比

PID控制器的控制式[17]為:

式中：ut為控制量；KP為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數；e(t)為控制偏差；u0為偏差e(t)=0時調節器的輸出。

根據設定值和實際輸出值的偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合，構成控制量ut，從而控制被控對象。

2.4變速器有級、無級傳動部分的切換控制

變速器有級、無級傳動部分的切換控制由控制器根據車速、加速度等對離合器進行控制，使復合式汽車自動變速器按照合理的傳動方式傳動。本文根據車速對模型進行控制。即當車速大于72 km/h時，圖2中的離合器2斷開，離合器1結合，復合式汽車自動變速器通過有級傳動機構傳動；當車速小于或等于72 km/h時，離合器1斷開，離合器2結合，復合式汽車自動變速器通過無級變速機構傳動。

3模型仿真結果及分析

某轎車主要參數為：整車質量1.4 t，主減速比為3，驅動輪半徑為0.3 m；空氣密度為1.293 kg/m3，風阻系數為0.3，滾動阻力系數為0.013。將該轎車參數作為圖2仿真模型的基本車輛參數，仿真時車輛分別單獨安裝復合式汽車自動變速器與CVT，兩款變速器在汽車低速區域傳動比一致且均為帶傳動，在高速區行駛時傳動比范圍基本一致(復合式汽車自動變速器為齒輪傳動形式)。

模擬車輛從靜止狀態達到最高車速，分別針對復合式汽車自動變速器和CVT就動力模式進行仿真試驗，油門開度為80%，仿真時間t為25 s。仿真結果如圖6～10所示。

圖6　CVT速比控制結果　　　　　　圖7　車速隨時間的變化曲線　　　　圖8　車輛加速度隨時間的變化曲線

圖9　變速器速比隨時間的變化曲線　　　　　　　　　圖10　變速器傳動效率隨時間的變化曲線

由圖6可知，在PID控制下，CVT傳動時的實際速比逐漸逼近目標速比，控制效果較好[18-20]。由圖7～8可知：第6秒時車輛速度達到72 km/h，復合式汽車自動變速器車輛傳動方式由金屬帶傳動切換為齒輪傳動。第5秒以后，復合式汽車自動變速器車輛的速度和加速度a均大于金屬帶式自動變速器車輛，百公里加速時間約為11 s，比CVT車輛的百公里加速時間(13 s)短，其動力性優于CVT車輛。在圖8中，復合式自動變速器的傳動方式由無級傳動切換成有級傳動后，加速度先是降低然后上升，在第7秒之后大于無級傳動時的加速度。

由圖9可知，在第7秒之后，復合式汽車自動變速器的速比保持不變，CVT的速比逐漸降低且在第13秒后保持不變。圖10中，CVT的傳動效率與復合式汽車自動變速器在前6 s內相差不大，在第6秒之后，無級變速器的傳動效率開始下降，到第13秒時下降到原來的40%，復合式汽車自動變速器切換為有級傳動之后，傳動效率突然下降到原來的80%，然后開始增加，在第8秒時傳動效率與CVT傳動效率相等，在第12秒時達到98%以上，傳動效率遠遠高于CVT變速器的車輛。

4結論

基于SimulationX建立整車模型，分別針對復合式汽車自動變速器和CVT進行仿真，通過對車速、加速度、傳動效率等各項指標的仿真結果分析可知，在高速大負荷工況下，復合式汽車自動變速器能夠有效提高車輛的動力性。

參考文獻：

[1]張華偉，謝里陽，程乃士.金屬帶式無級變速器摩擦因數和傳動效率的實驗研究[J].機械設計，2006(12)：41-43.

ZHANG Huawei，XIE Liyang，CHENG Naishi.Experimental research on friction factors and transmission efficiency of metal belt typed step-less speed variator[J].Mechanical Design，2006(12)：41-43.

[2]程乃士，劉溫，郭大忠，等.金屬帶式無級變速器傳動效率的實驗研究[J].東北大學學報(自然科學版)，2000，21(4)：294-296.

CHENG Naishi, LIU Wen, GUO Dazhong,et al.Experimental study of transmission efficiency for metal pushing V-belt type CVT[J].Journal of Northeastern University(Natural Science)，2000，21(4)：294-296.

[3]孫德志，譚振江，郭大忠，等.金屬帶式無級變速器傳動效率的分析[J].東北大學學報(自然科學版)，2002，23(1)：53-56.

SUN Dezhi, TAN Zhenjiang, GUO Dazhong,et al.Analysis of transmission efficiency for metal pushing V-belt type CVT[J].Journal of Northeastern University(Natural Science)，2002，23(1)：53-56.

[4]馮晉祥.復合式汽車變速器:中國，200710115088.1[P].2008-06-04.

[5]王熙，秦大同，胡明輝，等.汽車變速器傳動效率理論建模與實驗測試[J].機械傳動，2010，34(8)：21-34.

WANG Xi, QIN Datong, HU Minghui,et al.Modeling and testing of the vehicle transmission efficiency[J].Journal of Machine Design，2010，34(8)：21-34.

[6]何仁，劉星榮，何澤民.汽車動力傳動系最優匹配的研究和發展[J].江蘇理理工大學學報(自然科學版)，1997，18(1)：37-41.

HE Ren, LIU Xingrong, HE Zemin.Research and development of optimal matching of automobile powertrain[J].Journal of Jiangsu Polytechnic University(Natural Science)，1997，18(1)：37-41.

[7]劉艷芳.SimulationX精解與實例[M].北京：機械工業出版社，2010：154-161.

[8]陸井玉.復合式汽車自動變速器控制策略研究[D].濟南：山東交通學院，2014.

LU Jingyu.Research on control strategy of composite automobile automatic transmission[D].Jinan:Shandong Jiaotong University,2014.

[9]羅永革，馮櫻，何曉春，等.金屬帶式無級變速器控制策略的研究[J].湖北汽車工業學院學報，2000，14(2)：1-5.

LUO Yongge, FENG Ying, HE Xiaochun,et al.Study on the control strategy of metal V-belt type CVT′s speed ratio[J].Journal of Hubei Automotive Industries Institute，2000，14(2)：1-5.

[10]何仁，馬成廣，張涌，等.基于駕駛意圖的無級變速器目標速比的確定方法[J].農業機械學報，2009，40(5)：16-19.

HE Ren, MA Chengguang, ZHANG Yong,et al.Method to determine target speed ratio of CVT based on driving intention[J].Journal of Agricultural Machinery，2009，40(5)：16-19.

[11]邱宇，何毅斌，劉詩文，等.基于SimulationX氣動開關電磁閥動態特性仿真研究[J].機械研究應用，2012，6(1): 103-136.

QIU Yu, HE Yibin, LIU Shiwen,et al.Dynamic characteristics simulation research on electromagnetic valve in pneumatic switch based on SimulationX[J].Journal of Mechanical Research and Application，2012，6(1): 103-136.

[12]楊凱.金屬帶式CVT夾緊力及液壓控制系統的仿真分析[D].長沙：湖南大學：2012.

YANG Kai.Simulation analysis of metal belt CVT clamping force control and hydraulic control system[D].Changsha:Hunan University,2012.

[13]陶明，于義長，章駿.基于CVT車輛的速比控制策略及整車仿真研究[J].輕型汽車技術，2009，7(8)： 4-8.

TAO Ming, YU Yichang, ZHANG Jun.Study on the speed ratio control strategy of CVT vehicle and vehicle simulation[J].Light Vehicles，2009，7(8)： 4-8.

[14]宋錦春，楊冬生.金屬帶式無級變速器液壓控制系統的改進與仿真分析[J].機電產品開發與創新，2004，17(6)：94-96.

SONG Jinchun, YANG Dongsheng.Amelioration and simulation-analysis of CVT hydraulic control system[J].Development and Innovation of Mechanical and Electrical Product ，2004，17(6)：94-96.

[15]羅永革.濕式離合器金屬帶式無級變速器CVT控制策略研究[D].杭州：浙江大學，2001.

LUO Yongge.A study on control strategy of metal pushing V-belt CVT with wett-cluth[D].Hangzhou:Zhejiang University 2001.

[16]程乃士.汽車金屬帶式無級變速器—CVT原理和設計[M].北京：機械工業出版社，2007.

[17]王積偉，吳振順.控制工程基礎[M].北京：高等教育出版社，2010：187-191.

[18]殷云華，樊水康，陳閩鄂.自適應模糊PID控制器的設計和仿真[J].火力與指揮控制，2008，33(7) : 97-99.

YIN Yunhua, FAN Shuikang, CHEN Mine.The design and simulation of adaptive fuzzy PID controller[J].Fire Control and Command Control,2008，33(7) : 97-99.

[19]欒文博.金屬帶式無級變速器模糊-PI復合速比控制研究及整車性能評價[D].長沙: 湖南大學，2010.

LUAN Wenbo.Research on the Fuzzy-PI composite speed ratio control systeem for metal V-belt continuously variable transmission and performance assessment of vehicle equipped CVT[D].Changsha:Hunan University.2010.

[20]夏晶晶.基于Fuzzy-PID的CVT綜合控制策略研究[D].長春：吉林大學，2009.

XIA Jingjing.Integrated control strategy based on Fuzzy-PID CVT[D].Changchun:Jilin University.2009.

(責任編輯：楊秀紅)

Simulation of Transmission Efficiency and Dynamic Performance ofComposite Automatic Transmission

ZANGBin，LUJingyu，WANGHuijun，QIUXuyun

(SchoolofAutomotiveEngineering,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China)

Abstract:The transmission efficiency and dynamic performance of composite automatic transmission is stuied. The engine test data are used to establish an engine torque output model in the stable condition. Firstly, a vehicle simulation model of composite automatic transmission is built based on the software of SimulationX. Then the control and simulation tests are conducted for the composite automatic transmission and the metallic belt type of continuously variable transmission (CVT) respectively. The simulation results show that the transmission efficiency of composite automatic transmission is higher than that of CVT under the high speed and heavy load. Such indexes as the maximum speed, the 100-kilometer acceleration time of the vehicle equipped with the composite automatic transmission are better than those of the vehicle equipped with CVT.

Key words:composite automatic transmission; PID control; SimulationX; CVT

中圖分類號：U463.212

文獻標志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)01-0007-05

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.01.002

作者簡介：臧彬(1987—)，男，山東臨沂人，碩士研究生，主要研究方向為載運工具運行安全與節能環保,E-mail:598126242@qq.com.*通信作者：王慧君(1956—)，女，濟南人，教授，碩士生導師，主要研究方向為車輛節能與環保，E-mail:Wanghj@sdjtu.edu.cn.

基金項目：山東省科技發展計劃項目(2012G0020504);山東省重點研發計劃項目(2015GGX105010)

收稿日期：2015-12-02