基于滑移率的CVT夾緊力控制策略研究

袁曉紅，陳 龍，汪怡平

(武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢430070)

基于滑移率的CVT夾緊力控制策略研究

袁曉紅，陳 龍，汪怡平

(武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢430070)

為了研究金屬帶式無級變速器的夾緊力控制問題，對傳統(tǒng)的夾緊力控制策略進行改進.通過分析金屬帶與帶輪的滑移機理，對滑移現(xiàn)象進行描述；研究滑移率對帶輪傳動的影響，并利用試驗數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型.利用AMESim和Simulink建立聯(lián)合仿真模型，結(jié)合仿真結(jié)果對比新的控制策略與傳統(tǒng)的控制策略.仿真結(jié)果表明：采用新的控制策略后，夾緊力降至原有的85%～90%；節(jié)氣門開度從10%增加至50%的過程中，采用滑移控制的CVT的傳動效率維持在80%～85%；在極限工況下，滑移率控制會產(chǎn)生一定程度的滑移率波動，需要進一步改善.

金屬帶式無級變速器；滑移率；夾緊力；傳動效率；PID

0 引言

金屬帶式無級變速器(V-belt continuously variable transmission，CVT) 可以在較寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速，獲得傳動系與發(fā)動機工況的最佳匹配，提高整車的燃油經(jīng)濟性[1]，從而有效降低燃油消耗和排放，且駕駛舒適性好，因而在整車上的應(yīng)用越來越廣泛.然而CVT相對于機械變速器傳動效率偏低[2]，所以提高CVT傳動效率成為推廣CVT的關(guān)鍵.有研究表明，CVT在一定滑移率范圍內(nèi)，傳動效率隨著滑移率的增大而提高；超過一定滑移率后，傳動效率會快速下降[3].如果能將滑移率控制在合理范圍內(nèi)，就可以在避免鋼帶過度磨損的情況下，提升傳動效率.因此，筆者提出基于滑移率的夾緊力控制策略，并以傳統(tǒng)控制策略為比較對象，進行多方面對比.

1 傳統(tǒng)夾緊力控制理論及方法

CVT夾緊力控制是通過對從動缸壓力的控制來實現(xiàn)的.由油門開度和行駛模式可以確定發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Te和目標速比i，則在發(fā)動機輸出Te時，變速機構(gòu)應(yīng)能傳遞的最小轉(zhuǎn)矩Tj為[4]

Tj=Tf+Te,

(1)

式中：Tj為安全轉(zhuǎn)矩，N·m；Tf為轉(zhuǎn)矩余量，N·m；Te為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，N·m.引入轉(zhuǎn)矩相對安全系數(shù)Sf，則此時變速機構(gòu)應(yīng)能傳遞的最小轉(zhuǎn)矩Tj為

Tj=SfTe.

(2)

式中：Sf為安全系數(shù)，一般取1.3～2[5].由此可得從動帶輪的夾緊力為[6]

(3)

式中：Fs為從動帶輪的夾緊力，N；α為帶輪錐角，rad；μbp為金屬片與帶輪間的摩擦系數(shù)；Rp為主動輪工作半徑，m.

實時控制時，依據(jù)速比i和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩Te可以確定從動輪的夾緊力Fs，則從動缸壓力為

(4)

式中：ps為從動缸壓力，Pa；As為從動缸面積，m2.

夾緊力控制策略如圖1所示[7].

圖1 傳統(tǒng)夾緊力控制策略Fig.1 Traditional clamping force control strategy

2 金屬帶與帶輪滑移機理

滑移是變速器在傳遞轉(zhuǎn)矩的過程中無法避免的一個現(xiàn)象，它主要由金屬帶和帶輪之間的摩擦特性決定.相關(guān)研究表明，在幾何速比、從動輪夾緊力、主動帶輪工作半徑、主動輪的轉(zhuǎn)速一定的情況下，主動輪和從動輪與金屬帶之間的滑移隨著變速器輸入轉(zhuǎn)矩的增加而增加.通常用滑移率S來描述打滑滑移的大小[8]

(5)

式中：S為滑移率；v為金屬帶的線速度，m/s；ω為帶輪轉(zhuǎn)速，rad/s；R為帶輪工作半徑，m.

CVT傳遞效率描述了金屬帶夾緊力與傳遞轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，其定義為[9]

ηt=ηωηT,

(6)

式中：ηt為總傳遞效率；ηω為轉(zhuǎn)速傳遞效率；ηT為轉(zhuǎn)矩傳遞效率.對傳遞效率進一步的分析可知，CVT的傳遞效率由從動缸壓力決定.當(dāng)從動缸壓力過大時，則液壓系統(tǒng)壓力較大，導(dǎo)致較大的金屬帶轉(zhuǎn)矩損失；當(dāng)從動缸壓力過小時，夾緊力不足導(dǎo)致金屬帶和帶輪之間的速度損失較大.因此，合理控制金屬帶與帶輪的滑移率及從動缸壓力，可以提高變速器的傳遞效率.

3 最優(yōu)滑移率控制策略

速比和滑移率是影響帶輪與金屬帶之間摩擦系數(shù)的兩個最重要的因素.滑移率與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系，可以用以下的數(shù)學(xué)模型描述[10]：

(7)

圖2所示為傳動效率測試數(shù)據(jù).由此可知，每個速比下都存在一個傳動效率最高點，這個點所對應(yīng)的滑移率就是該速比下的最優(yōu)滑移率.由此建立最優(yōu)滑移率與速比之間的關(guān)系，如圖3所示.

滑移率控制系統(tǒng)根據(jù)速比i確定金屬帶與帶輪的目標滑移率Sobj，與當(dāng)前實際的滑移率Sreal進行比較，通過PID控制器得出當(dāng)前所需要的夾緊力，進而將變速器的滑移率控制在最佳滑移率附近[11]，滑移率控制策略如圖4所示[12].

圖2 滑移率與傳動效率的關(guān)系Fig.2 Relationship between slip ratio and transmission efficiency

圖3 最優(yōu)滑移率Fig.3 Optimal slip ratio

圖4 滑移率控制策略Fig.4 Slip ratio control strategy

在該控制策略下，當(dāng)實際滑移率大于目標滑移率時，則適當(dāng)加大從動輪夾緊力，使金屬帶與帶輪間的滑移率減小；當(dāng)實際滑移率小于目標滑移率時，則減小從動輪夾緊力，使滑移率增加，增加摩擦系數(shù).

4 建模與仿真

利用AMESim和Simulink建立聯(lián)合仿真模型.其中，在AMESim中建立變速機構(gòu)模塊、系統(tǒng)液壓模塊和整車模塊，在Simulink中建立發(fā)動機模塊、駕駛員輸入模塊和CVT控制模塊[13]，所建的模型如圖5和圖6所示.

在此模型中，駕駛員輸入模塊可以模擬多種簡單工況，夾緊力和速比控制模塊可以調(diào)整控制策略，以對比各個控制策略的優(yōu)劣，方便了后續(xù)的研究.

圖5 基于滑移率在AMESim中建立的仿真模型Fig.5 Simulation model built in AMESim based on slip ratio

圖6 基于滑移率控制在Simulink中建立的仿真模型Fig.6 Simulation model built in Simulink based on slip ratio

5 滑移率控制策略與傳統(tǒng)控制策略的比較

5.1 夾緊力

選取水平道路起步和緊急制動兩種工況進行仿真，對滑移率控制策略和傳統(tǒng)控制策略進行比較分析，結(jié)果如圖7和圖8所示.由仿真結(jié)果可知，滑移控制可以明顯降低從動缸壓力，減小夾緊力.同時應(yīng)當(dāng)注意，在緊急制動中，由于載荷迅速增加，想要避免出現(xiàn)過大的滑移，需要從動缸壓力的迅速增加.

圖7 起步工況下從動缸壓力變化Fig.7 The pressure change of the driven cylinder under the starting condition

圖8 緊急制動工況下從動缸壓力變化Fig.8 The pressure change of the driven cylinder under the emergency braking condition

圖9所示為緊急制動時的滑移率變化.可以看出，在緊急制動時出現(xiàn)了一個較大的滑移，滑移率峰值達到15%，在5 s內(nèi)，滑移率迅速減小.這表明，在降低夾緊力后，CVT的抗擾動能力下降，在出現(xiàn)極限工況時，金屬帶和帶輪會在短時間內(nèi)出現(xiàn)一定磨損.因此，下一步應(yīng)該調(diào)整控制策略，減小極限工況下的峰值滑移率，并使滑移率能在更短的時間內(nèi)迅速下降，以提高控制系統(tǒng)的載荷適應(yīng)能力.

圖9 緊急制動工況下滑移率變化Fig.9 The slip rate change under emergency braking condition

5.2 傳動效率

對比不同節(jié)氣門開度的工況下的傳動效率，對比結(jié)果如圖10所示.

圖10 各節(jié)氣門開度下傳動效率變化Fig.10 The change of drive efficiency under various sections of valve opening

如圖10所示，在不同節(jié)氣門開度下，采用滑移控制策略的傳動效率較傳統(tǒng)控制策略都有所提高.同時注意到，在節(jié)氣門開度逐漸增大的過程中，采用滑移率控制策略的傳動效率一直維持在80%至85%之間，較為穩(wěn)定.而采用傳動控制策略的傳動效率則從65%至80%隨節(jié)氣門開度而逐漸提高.

6 硬件在環(huán)仿真試驗

6.1 硬件在環(huán)仿真平臺的搭建

筆者搭建的CVT硬件在環(huán)仿真平臺如圖11所示.其主要包括兩部分：一是基于CVT臺架試驗的Simulink仿真模型；另一個是基于單片機設(shè)計的CVT控制器.

圖11 硬件在環(huán)仿真平臺Fig.11 Hardware in loop simulation platform

6.2 試驗結(jié)果

分別測量不同車速下的百公里油耗，結(jié)果如圖12所示.可以看出，基于滑移平的夾緊力控制能提升燃油經(jīng)濟性

圖12 等速百公里油耗Fig.12 Constant speed fuel consumption per hundred kilometers

7 結(jié)論

基于夾緊力控制策略，通過AMESim和MATLAB/Simulink的聯(lián)合仿真對比傳統(tǒng)夾緊力控制策略和滑移率控制策略的優(yōu)劣.仿真結(jié)果表明，基于滑移率的夾緊力控制策略能通過減小夾緊力來提升CVT的傳動效率.硬件在環(huán)仿真試驗表明，基于滑移率的夾緊力控制策略能有效地提升整車燃油經(jīng)濟性.同時，由降低夾緊力導(dǎo)致的CVT抗擾動能力的下降不容忽視.因此，基于滑移的夾緊力控制策略在現(xiàn)階段也有其局限性，應(yīng)該加強控制方法的載荷適應(yīng)能力和工況適應(yīng)能力.

[1] 程乃士．汽車金屬帶式無級變速器—CVT原理和設(shè)計[M]北京：機械工業(yè)出版社，2007．

[2] 劉開昌，吳云杰．封閉式錐盤無級變速器無循環(huán)功率條件及應(yīng)用[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2012，33(6)： 84-87．

[3] 蔡源春．金屬帶式無級變速器燃油經(jīng)濟性及系統(tǒng)可靠性關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．長沙：湖南大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，2011： 76-77．

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[5] 龔賢武，吳德軍，高闖，等．混聯(lián)型混合動力汽車建模及控制策略研究[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2014，35(3)： 73-77 ．

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Research on Clamping Force Control Strategy in CVT Based on Slip Ratio

YUAN Xiaohong， CHEN Long， WANG Yiping

(Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

The clamping force control of continuously variable transmission was studied，and the traditional force control strategy was improved．The slip mechanism of metal belt and pulley was analyzed，with the description of the slip phenomenon．The influence of slip ratio on the belt wheel drive was studied，and the mathematical model was established by the test data．The combined simulation model based on AMESim and Simulink was established．Combined with simulation results，the new control strategy and the traditional control strategy are compared．The simulation results showed that the clamping force was reduced to the original 85%-90% with the new control strategy．The new control strategy made transmission efficiency maintained between 80% to 85%，with throttle opening increased from 10% to 50%．In extreme conditions，the slip rate control would produce a certain degree of slip rate fluctuations，which might need further improvement．.

CVT；slip ratio；clamping force；transfer efficiency；PID

2016-06-10；

2016-08-23

國家自然科學(xué)基金資助項目(51305312)

袁曉紅(1972— )，女，湖南漢壽人，武漢理工大學(xué)副教授，博士，主要從事汽車動力學(xué)研究，E-mail:yxh-hying@163.com.

1671-6833(2017)03-0082-05

U463.212

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.06.013