汽車無級變速傳動系統(tǒng)特性研究

張子珍

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院 學(xué)生處， 山東 煙臺 265500)

0 引言

無級變速傳動技術(shù)，是指以汽車行駛工況為依據(jù)，實現(xiàn)速比連續(xù)變化，提升汽車的動力性和經(jīng)濟性。此外，于汽車中搭載無級變速傳動系統(tǒng)，可以讓汽車在行駛過程中更加平穩(wěn)，減少行駛沖擊，便于駕駛員操作和控制。汽車長期處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，有助于發(fā)動機處于最具經(jīng)濟性的工作點。但是現(xiàn)階段汽車無級變速傳動系統(tǒng)還不夠完善，發(fā)動機無法一直在最佳經(jīng)濟線上工作。本文從實際需求出發(fā)，著重對無級變速傳動系統(tǒng)的特性——控制策略進行研究，提出了應(yīng)用綜合模糊控制的想法，提升發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的匹配程度，最大限度地實現(xiàn)無級變速，確保汽車在復(fù)雜工況下也能平穩(wěn)行駛。

1 無級變速傳動概念綜述

現(xiàn)階段，汽車行業(yè)常用的自動變速技術(shù)主要有3種，分別為：Automatic Mechanical Transmission(電子控制機械自動變速器)，簡稱AMT；Automatic Transmission(液力自動變速器)，簡稱AT；Continuously Variable Transmission(無級變速器)，簡稱CVT。其中AMT和AT屬于自動有機變速，嚴(yán)格意義上來講并不能稱之為無級變速技術(shù)。

1.1 無級變速傳動系統(tǒng)

無級變速傳動系統(tǒng)是指在允許范圍內(nèi)，可以幫助汽車實現(xiàn)連續(xù)變速。且汽車行駛速度發(fā)生變化時，不會產(chǎn)生頓挫感和擾人的噪音，為駕駛員和乘客創(chuàng)造更具舒適度的駕乘環(huán)境。其次，無級變速傳動系統(tǒng)能夠簡化駕駛操作，為駕駛員創(chuàng)造便利，降低駕駛難度。于汽車中搭載無級變速傳動系統(tǒng)，可以從根本上提升汽車行駛時的動力性，進而確保能量得到充分利用，減少尾氣排放，這也符合我國現(xiàn)階段綠色環(huán)保的發(fā)展理念。因此，該系統(tǒng)擁有良好的發(fā)展前景和市場潛力。

1.2 無級變速傳動分類

以結(jié)構(gòu)形式為劃分依據(jù)，無級變速傳統(tǒng)可以分為機械式、流體式和電動式三類。

(1) 機械式，相較于其他兩種形式，機械式發(fā)展時間較長，具有傳動比變化連續(xù)性強、變速范圍廣、傳遞功率穩(wěn)等優(yōu)點。機械式無級變速傳動系統(tǒng)也能夠進行進一步的劃分，分別為橡膠帶式、金屬鏈?zhǔn)胶徒饘賻健＿@些系統(tǒng)都有著相同的運行特點，通過調(diào)整帶輪工作半徑，改變傳動比。在這之中，金屬帶式的實用性最強，也是本文的主要研究對象。

(2) 液體式，又分為液力式和液壓式[1-2]。液力式，以液力推動葉片傳動，具有提速快、減震性優(yōu)良的優(yōu)點。液壓式則是借助液壓輸送動力，幫助車輛完成變速。需要注意的是，電動式無級變速傳動系統(tǒng)只能用在電動汽車上，因電動汽車電池續(xù)航能力較差，變速效果也受到了相應(yīng)的影響，這也是阻礙電動式變速傳動系統(tǒng)應(yīng)用的主要因素。

(3) 電動式，電力傳動可分為電磁滑動式、直流電動機式、交流電動機式三類。電磁滑動式是在異步電動機中安裝電磁滑差離合器，改變勵磁電流來對速度進行調(diào)整，此類傳動方式成本較低而且結(jié)構(gòu)比較簡單，但是發(fā)熱較嚴(yán)重，不適合長期負(fù)載。直流電動機式是通過對磁通的改變來實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，該方式成本較高，維護也比較困難。交流電動機式主要通過變極、調(diào)壓、變頻等方式對速度進行調(diào)節(jié)，該方式效率較高而且范圍大，適用功率寬，屬于比較先進優(yōu)良的變速裝置。

2 金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的特性研究

2.1 具體結(jié)構(gòu)及工作原理

金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 金屬帶無級變速傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主動輪組和從動輪組中配備了錐形結(jié)構(gòu)的可動盤和固定盤，其表面的V形槽與金屬帶契合度高、嚙合性好。可動盤所處位置更加靠近油缸，車輛在行駛過程中，可沿軸滑動。金屬帶結(jié)構(gòu)簡單，只包含金屬環(huán)和金屬片。該系統(tǒng)的工作原理是將輸出軸和主動輪相連，發(fā)動機在高速運轉(zhuǎn)下，會產(chǎn)生強勁動力，由主動輪和金屬帶傳送至從動輪，從動輪根據(jù)所接受的動力和車輛的實際運行情況，輸出對應(yīng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，以達到無級變速的目的。車輛在行駛時，可以利用可動盤的軸向移動來改變汽車輪組的工作半徑，以達到改變傳動比的最終目的。需要注意的是，在調(diào)節(jié)傳動比時，應(yīng)當(dāng)以車輛的實際工況為參考依據(jù)，不能隨意進行調(diào)整。

2.2 速比分析

用D1代表主動輪組的工作直徑；用D2代表從動輪組的工作半徑；i代表傳動比，計算式為式(1)。

i=D2/D1

(1)

由式(1)可知，工作半徑的大小會直接影響到傳送比的最終數(shù)值。但是，車輛的工況容易受外部因素影響，輪組的工作直徑可能隨時發(fā)生變化。因此，i會在2.6—0.45這一范圍內(nèi)浮動。用γ代表斜向運行角，用B代表包角，二者關(guān)系表達式為式(2)。

Β=π±2γ

(2)

車輛在進行無級變速時，可以假設(shè)金屬帶長度不變，用L代表，可以得出L和D1，D2之間的關(guān)系，如式(3)。

(3)

整理后，可以得到式(4)。

(4)

根據(jù)上述計算式，可以得出傳動比關(guān)系，如式(5)

(5)

3 金屬帶夾緊力傳動比控制分析

3.1 金屬帶夾緊力分析

金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的工作內(nèi)容分為兩方面：(1) 將發(fā)動機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的動能傳送至驅(qū)動輪，且在傳送過程中，盡量減少能量消耗；(2) 根據(jù)車輛的實際運行狀況，自動調(diào)整傳動比，確保車輛在最佳狀態(tài)下行駛[2]。金屬帶夾緊力的大小會直接影響到傳動效率，當(dāng)夾緊力較低時，金屬帶和帶輪之間嚙合性較差，易滑動，不僅會加大功率損失，還會加速二者的磨損，影響車輛的使用壽命。因此，對傳動比進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以從根本上提升車輛的經(jīng)濟性和動力性。但是需要注意的是，系統(tǒng)中的傳動比和夾緊力存在耦合效應(yīng)，如果使用以往的原理，其分析結(jié)果會存在較大偏差。

車輛運行過程中，金屬帶會同時受到6個力的作用，分別為E(各金屬塊之間的壓力)、P(金屬塊與金屬板的正壓力)、FT(金屬塊和履帶輪的傳動力，也可以稱為切向摩擦力)、FR(金屬塊和帶輪間的徑向摩擦力)、FST(金屬環(huán)和金屬塊間的摩擦力)、N(金屬塊和錐輪間的正壓力)。假設(shè)金屬帶長度不變，用QDN代表從動輪油缸夾緊力，用QDR代表主動缸作用推力，那么帶輪所受到的總推力，如式(6)。

QDR=NDR(cosα?μDRR·sina)RDR·θDR

(6)

式中，NDR代表主動輪和金屬塊之間的正壓力；RDR代表主動輪節(jié)圓半徑；θDR代表金屬帶和主動輪之間的包角；μDRR代表主動輪徑向摩擦系數(shù)。利用這些已知參數(shù)，可以計算出主動輪油缸壓力表達式，如式(7)。

(7)

式中，ADR代表主動輪油缸面積。

3.2 傳動比控制分析

在進行傳動比分析時，主要從以下三方面入手：(1) 通過調(diào)整傳動比，控制離合器接合，確保車輛無論在何種工況下都能順利啟動，減少啟動沖擊對離合器造成的影響，以此來提升離合器的使用壽命； (2) 通過調(diào)整傳動比，確保發(fā)動機始終在最經(jīng)濟工作點上運行，當(dāng)車輛運行工況發(fā)生變化時，發(fā)動機也能快速的重回最經(jīng)濟工作點[3]，讓燃油得到充分燃燒，控制尾氣排放；(3) 通過調(diào)整傳動比，讓車輛在更加平順的狀態(tài)下行駛，為用戶提供更好的駕乘感。為了實現(xiàn)以上目標(biāo)，在制定控制策略時，應(yīng)將各種車輛運行實況考慮進去。系統(tǒng)的傳動比變化范圍，如圖2所示。

圖2 傳動比變化范圍

由圖2可得，Ua代表車輛實際行駛速度；ne代表發(fā)動機轉(zhuǎn)速；i0代表主減速器傳動比；i2代表中間齒輪傳動比；r代表車輪半徑；i代表系統(tǒng)傳動比。因此，行駛速度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式為式(8)。

(8)

(1) 車輛起步時的傳動比控制目標(biāo)如下。

If(ne

If(ne≥Nd)

{if (it>imin)

It=Nd/ncvtout

if(it≤imin)it=imin；}

(2) 車輛在加速時的傳動比控制目標(biāo)如下。

If(ne

If(ne≥Nd2)

{if(it>imin)

It=Nd2/ncvtout

if(it≤imin)it=imin；}

(3) 車輛在減速時的傳動比控制目標(biāo)如下。

If(ne>Nd1){it=0.337×Rd1/(i2×i0×ua_old)；}

If(ne

{if(it

It=Nd1/ncvtout

if(it≥imin)it=imax；}

4 仿真實驗

為了證明金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的綜合性能是否具有可應(yīng)用性，我們對其進行了仿真實驗。假設(shè)工況如下：車輛以60%油門起步，在平穩(wěn)行駛30 s后加速行駛，將油門提升至80%，又行駛40 s后，碰到阻力擾動，擾動持續(xù)了20 s，在130 s時油門再次回到60%，總體行駛時間為150 s[4]。在此種工況下，對搭載金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)和未搭載該系統(tǒng)的車輛進行仿真實驗。

(1) 未搭載金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)車輛的實驗結(jié)果

在調(diào)節(jié)控制參數(shù)后，車速的平順性有了較大改善，但是速比的跟隨性較差，致使發(fā)動機、離合器契合度低，轉(zhuǎn)速上下起伏較大。若為了提升速比的跟隨性再次調(diào)節(jié)控制參數(shù)，則會出現(xiàn)車輛加減速不受控制的現(xiàn)象。嚴(yán)重時，車輛在減速時，還會出現(xiàn)離合器滑動問題，這極大地影響了車輛行駛時的平順性，控制效果較差，可能會引發(fā)交通事故。

(2) 搭載金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)車輛的實驗結(jié)果

應(yīng)用本文提到的系統(tǒng)后，無論是車輛處于何種運行階段，都可實現(xiàn)無級變速，車輛擁有良好的平順性，速比跟隨性也好。尤其是遇到阻力擾動時，發(fā)動機仍然可以位于最經(jīng)濟工作點上，控制效果好。

除了對發(fā)動機和離合器轉(zhuǎn)速、車速變化曲線、實際速比等參數(shù)進行實驗，為了確保實驗全面性，進一步驗證系統(tǒng)的可行性，還對整車進行了實測。TCU-A代表未搭載金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，TCU-B代表搭載后的實測數(shù)據(jù)[5-6]。其油耗對比結(jié)果、動力性和經(jīng)濟性對比結(jié)果，如表2、表3所示。

從表2、表3的對比結(jié)果可以看出，車輛在搭載金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)后，百公里耗油量比未搭載時有所下降，動力性和經(jīng)濟性則得到了優(yōu)化，無論是最高車速或是百公里加速耗時都優(yōu)于從前。

表2 相同工況下車輛油耗對比結(jié)果

表3 動力性和經(jīng)濟性對比結(jié)果

通過全面且多樣的仿真實驗，從多個方面證明了車輛在應(yīng)用金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)后，無論是在起步平穩(wěn)性、燃油利用率、最高車速以及加速效果等方面都有所提升。但是實驗數(shù)據(jù)相差并不大，證明該系統(tǒng)還有需要優(yōu)化和改進的地方，仍然需要為此付諸努力。

5 總結(jié)

無級變速傳動系統(tǒng)相較于齒輪變速系統(tǒng)擁有更加全面優(yōu)良的系統(tǒng)性能和更為廣闊的發(fā)展空間。本文著重對金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)進行了分析，通過研究其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，提出了以車輛實際運行情況為依據(jù)，設(shè)計綜合控制策略的構(gòu)想。并通過仿真測試，證明車輛應(yīng)用該系統(tǒng)后，起步、加速時車輛行駛平穩(wěn)性不受影響，燃油利用率提升，油耗、尾氣排放量有所減少，發(fā)動機可以在最經(jīng)濟工作點上工作，可以為駕駛員和乘坐者提供更加舒服的駕乘體驗，在未來擁有巨大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。