回流式無(wú)級(jí)變速器動(dòng)力連續(xù)轉(zhuǎn)換的控制策略仿真研究

孫冬野 尹燕莉 郝允志 林歆悠 劉永剛

重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400030

0 引言

Macey等［1］于1987年首次提出了回流式無(wú)級(jí)自動(dòng)變速傳動(dòng)方式。Hohn等［2］闡述了采用i2型無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車的優(yōu)越性。Miguel等［3］研制了功率分流式無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)的混合動(dòng)力SUV（sport utility vehicle）汽車。綜合上述文獻(xiàn)來(lái)看，針對(duì)功率分流式無(wú)級(jí)變速器的研究大多是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析方面進(jìn)行的，目前對(duì)工況轉(zhuǎn)換控制方面的詳細(xì)報(bào)道還未見到。

回流式無(wú)級(jí)變速器在動(dòng)力轉(zhuǎn)換［4］（無(wú)級(jí)與回流工況轉(zhuǎn)換）過程中，變速器效率和金屬帶功率流方向都發(fā)生了一定變化，并引起變速器輸出扭矩的突變，如何控制轉(zhuǎn)換過程中離合器的接合或分離、扭矩變化關(guān)系等，以滿足整車平順性的要求，是本文研究的重點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)與主要工作模式

回流式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)具有以下主要關(guān)鍵部件：金屬帶無(wú)級(jí)變速裝置、定速比齒輪傳動(dòng)裝置、行星排齒輪傳動(dòng)裝置、濕式離合器、單向離合器和制動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 回流式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

回流式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的主要工作模式如下（圖2）：

（1）空擋。傳動(dòng)系統(tǒng)的所有離合器均處于分離狀態(tài)，此時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)為空擋狀態(tài)，控制離合器L1使車輛起步。

（2）低速（回流）工況。接合離合器L1和L2，單向離合器L4輸入端比輸出端轉(zhuǎn)速高，因此單向離合器亦將發(fā)揮作用，此時(shí)汽車處于低速行駛工況。

（3）過渡工況。離合器L2分離，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)功率的傳遞方式改為單向傳遞，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)在此工況下已不再發(fā)揮作用。

（4）高速（純無(wú)級(jí)）工況。切斷離合器L1，將離合器L3接合，此時(shí)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)使車輛進(jìn)入高速行駛工況。

圖2 工作模式

2 動(dòng)力連續(xù)轉(zhuǎn)換的控制策略

2.1 同步轉(zhuǎn)換點(diǎn)

變速器調(diào)速特性如圖3所示?？梢钥闯?，同步轉(zhuǎn)換點(diǎn)（定速比齒輪副速比if＝2.4704）是低速與高速工況的交點(diǎn)，此點(diǎn)處的兩個(gè)工況速比相同，這將作為轉(zhuǎn)換過程中的條件，即達(dá)到該點(diǎn)時(shí)發(fā)生工況轉(zhuǎn)換。

圖3 變速器調(diào)速特性

2.2 工況轉(zhuǎn)換控制策略

圖4表示回流工況、純無(wú)級(jí)工況、過渡工況（回流－無(wú)級(jí)、無(wú)級(jí)－回流）轉(zhuǎn)換的流程圖，圖中igm為目標(biāo)速比；digm／dt為目標(biāo)速比變化率；離合器L1、L2、L3的狀態(tài)sL、sL、sL為0表示分離，為1231表示接合；CVT＿to＿RP（純無(wú)級(jí)工況向回流工況轉(zhuǎn)換）的狀態(tài)sC為1表示純無(wú)級(jí)－回流工況轉(zhuǎn)換，為0表示純無(wú)級(jí)－回流工況轉(zhuǎn)換結(jié)束或處于其他工況；RP＿to＿CVT（回流工況向純無(wú)級(jí)工況轉(zhuǎn)換）的狀態(tài)sR為1表示回流－純無(wú)級(jí)工況轉(zhuǎn)換，為0表示回流－純無(wú)級(jí)工況轉(zhuǎn)換結(jié)束或處于其他工況。

圖4 轉(zhuǎn)換過程流程圖

2.3 回流－無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)換控制策略

圖5為回流－無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)換流程圖，主要轉(zhuǎn)換過程如下：

（1）目標(biāo)速比滿足2.4＜igm＜2.4704，表明系統(tǒng)已有由回流工況－純無(wú)級(jí)工況轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)，但為了避免循環(huán)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象的出現(xiàn)，只有當(dāng)igm＜2.4時(shí)，才開始實(shí)施轉(zhuǎn)換，此時(shí)，只分離離合器L2。

（2）目標(biāo)速比igm＜2.4，逐步接合離合器L3，直到離合器L3接合完成，然后，分離離合器L1進(jìn)入純無(wú)級(jí)變速工況。

圖5 回流－無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)換框圖

2.4 無(wú)級(jí)－回流轉(zhuǎn)換控制策略

無(wú)級(jí)－回流轉(zhuǎn)換過程如圖6所示，該過程與回流－無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)換過程類似，只是順序相反，在此不贅述。

圖6 無(wú)級(jí)－回流轉(zhuǎn)換框圖

3 轉(zhuǎn)換過程動(dòng)力學(xué)模型和離合器控制

從回流－無(wú)級(jí)、無(wú)級(jí)－回流轉(zhuǎn)換過程分析可以看出，在轉(zhuǎn)換過程中，主要控制離合器L1和L3的接合或分離，因此，對(duì)離合器L1和L3建立詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)模型是必要的。

3.1 離合器L3接合過程動(dòng)力學(xué)模型

圖7所示為離合器L3接合過程動(dòng)力學(xué)模型。在離合器L3接合過程中，功率流方向?yàn)椋喊l(fā)動(dòng)機(jī)→金屬帶主動(dòng)輪→定速比齒輪副→單向離合器L4→行星架，由行星架輸出的功率流一部分從齒圈輸出，一部分從太陽(yáng)輪輸出（太陽(yáng)輪輸出的功率一部分通過離合器L3輸出，一部分返回金屬帶主動(dòng)帶輪）。

圖7 離合器L3接合過程動(dòng)力學(xué)模型

按照功率流的方向，對(duì)變速器的各個(gè)部件進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)［5］分析，并建立了如下數(shù)學(xué)模型：

式中，下標(biāo)1～9分別表示輸入軸、金屬帶主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、輸入齒輪、輸出齒輪、行星架、太陽(yáng)輪、齒圈、主減速器輸出；下標(biāo)10表示半軸及輪胎；下標(biāo)2p、e、c、s、r、w分別表示從動(dòng)輪、發(fā)動(dòng)機(jī)、行星架、太陽(yáng)輪、齒圈、車輪；Tk（k＝1，2，…，10，2P，e，c，s，r，w）為各部件轉(zhuǎn)矩；Ik（k＝1，2，…，10，2P，e，c，s，r，w）為各部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωk（k ＝ 1，2，…，10，2P，e，c，s，r，w）為各部件轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；α為節(jié)氣門開度；Tf為整車阻力扭矩；i為金屬帶速比；ηCVT為金屬帶效率；i0為主減速器速比。

3.2 離合器L1分離過程動(dòng)力學(xué)模型

圖8所示為離合器L1分離過程動(dòng)力學(xué)模型。在離合器L1分離過程中，功率流方向?yàn)椋喊l(fā)動(dòng)機(jī)→金屬帶主動(dòng)輪→離合器L1→定速比齒輪副→單向離合器L4→行星架；發(fā)動(dòng)機(jī)→金屬帶主動(dòng)輪→金屬帶從動(dòng)輪→太陽(yáng)輪；最后，太陽(yáng)輪和行星架輸入的功率流通過行星排結(jié)構(gòu)輸出（行星排成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)）。

圖8 離合器L1分離過程動(dòng)力學(xué)模型

按照功率流的方向，本文對(duì)變速器的各個(gè)部件進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并建立了如下數(shù)學(xué)模型：

3.3 離合器L3接合控制

離合器L3接合過程中，需在保證離合器壽命的前提下，能夠迅速穩(wěn)定地進(jìn)行接合［6］。以沖擊度［7］作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)離合器接合過程進(jìn)行控制［8]。

沖擊度j為車輛行駛過程中加速度a的變化率：

式中，v為車速；r為車輪半徑；Id為整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tt為整車驅(qū)動(dòng)力矩。

由式（1）可以得到整車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩：

式中，TL3為離合器L3的接合轉(zhuǎn)矩。

由式（3）、式（4）可以得到離合器L3接合轉(zhuǎn)矩變化率：

根據(jù)沖擊度標(biāo)準(zhǔn)：

由式（5）、式（6）可以確定離合器L3接合轉(zhuǎn)矩變化率的限定范圍。

3.4 離合器L1分離控制

由式（2）得到整車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩：

式中，TL1為離合器L1的分離轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)式（3）、式（7）可以得到離合器L1分離轉(zhuǎn)矩變化率：

由式（6）、式（8）可以確定離合器L1分離轉(zhuǎn)矩變化率的限定范圍。

4 仿真結(jié)果

以MATLAB／Simulink為平臺(tái)建立了整車仿真模型，選取ECE循環(huán)工況，對(duì)本文所研究的回流式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了仿真分析［9－10］。為了更清楚地看出轉(zhuǎn)換過程的仿真結(jié)果，截取轉(zhuǎn)換過程和轉(zhuǎn)換前后共2s的仿真曲線。

圖9所示為回流－無(wú)級(jí)工況轉(zhuǎn)換的過程，可以看出，當(dāng)?shù)竭_(dá)轉(zhuǎn)換的時(shí)刻，速比保持在同步轉(zhuǎn)換點(diǎn)（if＝2.4704）這個(gè)數(shù)值下，直到轉(zhuǎn)換完成。變速器輸出轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)換過程中，由于變速器效率的變化，使得轉(zhuǎn)矩先是逐步增大后來(lái)又逐漸減小，轉(zhuǎn)換過程中，沒有動(dòng)力中斷，沖擊度控制在5m／s3以內(nèi)。

圖9 回流－無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)換過程仿真

圖10所示為無(wú)級(jí)－回流轉(zhuǎn)換的過程，基本過程與回流－無(wú)級(jí)換擋的過程類似。仿真結(jié)果，沖擊度控制在5m／s3以內(nèi)。

圖10 無(wú)級(jí)－回流轉(zhuǎn)換過程仿真

5 結(jié)論

（1）提出了一種無(wú)需動(dòng)力切斷，通過控制離合器接合或分離的時(shí)刻，以及限制離合器扭矩變化率大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)回流式無(wú)級(jí)變速器動(dòng)力連續(xù)轉(zhuǎn)換的控制策略。

（2）建立了回流式無(wú)級(jí)變速器轉(zhuǎn)換過程中離合器分離、接合的動(dòng)力學(xué)模型，并確定了離合器扭矩變化率的限定范圍。

（3）基于 MATLAB／Simulink平臺(tái)，對(duì)整車轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)換過程中，無(wú)動(dòng)力中斷，沖擊度控制在5m／s3以內(nèi)。

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