復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器傳動(dòng)效率與動(dòng)力性仿真

臧彬，陸井玉，王慧君，邱緒云

(山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院,山東濟(jì)南　250357)

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復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器傳動(dòng)效率與動(dòng)力性仿真

臧彬，陸井玉，王慧君*，邱緒云

(山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院,山東濟(jì)南250357)

摘要：對復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器傳動(dòng)效率和動(dòng)力性進(jìn)行研究。利用穩(wěn)態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出模型，基于SimulationX軟件，建立裝有復(fù)合式自動(dòng)變速器的整車仿真模型，分別對復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器和金屬帶式無級(jí)變速器(CVT)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明：復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器在高速大負(fù)荷下的傳遞效率高于CVT，裝備復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器車輛的最高車速、百公里加速時(shí)間等各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于裝備CVT的車輛。

關(guān)鍵詞：復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器；PID控制；SimulationX；CVT

復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器主要由無級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和有級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成，無級(jí)傳動(dòng)部分為金屬帶式傳動(dòng)，有級(jí)部分為齒輪傳動(dòng)。金屬帶式無級(jí)變速器具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，但是由于摩擦面的摩擦系數(shù)和零件承受單位壓力的限制，與齒輪傳動(dòng)相比，其傳動(dòng)效率明顯降低[1-5]。本文建立裝有復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器的整車仿真模型，對復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器和CVT的傳動(dòng)效率及動(dòng)力性進(jìn)行對比仿真分析。

1復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器的工作原理

圖1　復(fù)合式自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)示意圖

復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。有級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為普通齒輪傳動(dòng)，無機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由主、副傳動(dòng)輪及金屬帶組成。當(dāng)車輛處于小負(fù)荷工況時(shí)，無級(jí)離合器結(jié)合，有級(jí)離合器分離，動(dòng)力由輸入軸，經(jīng)無級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到變速器輸出軸，有級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不傳遞動(dòng)力[6]；當(dāng)車輛處于高速大負(fù)荷工況時(shí)，無級(jí)離合器分離，有級(jí)離合器結(jié)合，動(dòng)力由輸入軸，經(jīng)有級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到變速器輸出軸，無級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不工作。

2建立仿真系統(tǒng)模型

2.1整車模型

基于SimulationX軟件，建立裝有復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器的整車

模型[7-11]，如圖2所示。該模型能夠仿真驗(yàn)證分別單獨(dú)裝配CVT與復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。模型選取同一款某小型車輛參數(shù)，變速器速比與傳動(dòng)比范圍一致。

圖2　仿真模型示意圖

根據(jù)任意節(jié)氣門開度下最大功率對應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，利用當(dāng)前車輛的行駛速度可以計(jì)算出最佳傳動(dòng)比，即為目標(biāo)速比。通過目標(biāo)速比與目標(biāo)位移的關(guān)系確定無級(jí)變速機(jī)構(gòu)主動(dòng)帶輪的軸向目標(biāo)位移。PID控制器根據(jù)主動(dòng)帶輪的軸向目標(biāo)位移與主動(dòng)帶輪位置傳感器顯示的實(shí)際位移對液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)無級(jí)變速機(jī)構(gòu)主動(dòng)帶輪的軸向位移，實(shí)現(xiàn)對無級(jí)變速機(jī)構(gòu)速比的控制。

切換控制器根據(jù)車速、加速度對復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器的無級(jí)離合器(圖2中離合器2)與有級(jí)離合器(圖2中離合器1)進(jìn)行控制，使復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器在不同的工況下選擇相應(yīng)的傳動(dòng)方式。

2.2發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型

為了研究復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器的動(dòng)力性能，必須先確定與之相匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)速工作特性。通過穩(wěn)態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模型[12-13]，如圖3所示。

本文在已有發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，針對所設(shè)定的車輛參數(shù)，經(jīng)過多次仿真驗(yàn)證，獲得該發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性較佳的轉(zhuǎn)速與扭矩工作特性曲線[14]，如圖4所示。

圖3　發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩特性　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)最佳動(dòng)力性曲線

2.3變速器模型參數(shù)的確定

1)無級(jí)傳動(dòng)部分的目標(biāo)速比

通過計(jì)算得出任意節(jié)氣門開度下的目標(biāo)速比[15]

式中：va為車輛行駛速度；rw為車輪半徑；nc為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速；i0為主減速器傳動(dòng)比。

由于帶傳動(dòng)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(jù)式(1)計(jì)算任一節(jié)氣門開度時(shí)，最佳功率下的CVT的目標(biāo)速比，結(jié)果如圖5所示。

2)速比控制

圖5　CVT目標(biāo)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(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；e(t)為控制偏差；u0為偏差e(t)=0時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。

根據(jù)設(shè)定值和實(shí)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(gòu)成控制量ut，從而控制被控對象。

2.4變速器有級(jí)、無級(jí)傳動(dòng)部分的切換控制

變速器有級(jí)、無級(jí)傳動(dòng)部分的切換控制由控制器根據(jù)車速、加速度等對離合器進(jìn)行控制，使復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器按照合理的傳動(dòng)方式傳動(dòng)。本文根據(jù)車速對模型進(jìn)行控制。即當(dāng)車速大于72 km/h時(shí)，圖2中的離合器2斷開，離合器1結(jié)合，復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器通過有級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)；當(dāng)車速小于或等于72 km/h時(shí)，離合器1斷開，離合器2結(jié)合，復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器通過無級(jí)變速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)。

3模型仿真結(jié)果及分析

某轎車主要參數(shù)為：整車質(zhì)量1.4 t，主減速比為3，驅(qū)動(dòng)輪半徑為0.3 m；空氣密度為1.293 kg/m3，風(fēng)阻系數(shù)為0.3，滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.013。將該轎車參數(shù)作為圖2仿真模型的基本車輛參數(shù)，仿真時(shí)車輛分別單獨(dú)安裝復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器與CVT，兩款變速器在汽車低速區(qū)域傳動(dòng)比一致且均為帶傳動(dòng)，在高速區(qū)行駛時(shí)傳動(dòng)比范圍基本一致(復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器為齒輪傳動(dòng)形式)。

模擬車輛從靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到最高車速，分別針對復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器和CVT就動(dòng)力模式進(jìn)行仿真試驗(yàn)，油門開度為80%，仿真時(shí)間t為25 s。仿真結(jié)果如圖6～10所示。

圖6　CVT速比控制結(jié)果　　　　　　圖7　車速隨時(shí)間的變化曲線　　　　圖8　車輛加速度隨時(shí)間的變化曲線

圖9　變速器速比隨時(shí)間的變化曲線　　　　　　　　　圖10　變速器傳動(dòng)效率隨時(shí)間的變化曲線

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

由圖9可知，在第7秒之后，復(fù)合式汽車自動(dòng)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(dòng)效率與復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器在前6 s內(nèi)相差不大，在第6秒之后，無級(jí)變速器的傳動(dòng)效率開始下降，到第13秒時(shí)下降到原來的40%，復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器切換為有級(jí)傳動(dòng)之后，傳動(dòng)效率突然下降到原來的80%，然后開始增加，在第8秒時(shí)傳動(dòng)效率與CVT傳動(dòng)效率相等，在第12秒時(shí)達(dá)到98%以上，傳動(dòng)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CVT變速器的車輛。

4結(jié)論

基于SimulationX建立整車模型，分別針對復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器和CVT進(jìn)行仿真，通過對車速、加速度、傳動(dòng)效率等各項(xiàng)指標(biāo)的仿真結(jié)果分析可知，在高速大負(fù)荷工況下，復(fù)合式汽車自動(dòng)變速器能夠有效提高車輛的動(dòng)力性。

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(責(zé)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(hào)：U463.212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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?yàn)檩d運(yùn)工具運(yùn)行安全與節(jié)能環(huán)保,E-mail:598126242@qq.com.*通信作者：王慧君(1956—)，女，濟(jì)南人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檐囕v節(jié)能與環(huán)保，E-mail:Wanghj@sdjtu.edu.cn.

基金項(xiàng)目：山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012G0020504);山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015GGX105010)

收稿日期：2015-12-02