匹配CVT和MT整車油耗仿真研究

滿興家，梁 瑋，韓明江

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

0 引 言

汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，汽車保有量逐年增長，人們對汽車依賴性也越來越強，進而對于汽車的駕駛性，舒適性有著越來越高的要求，而汽車自動變速技術(shù)則是提高汽車駕駛性和舒適性的有效方法之一，也是大眾追求的目標(biāo)；自動變速技術(shù)被認為是汽車的理想傳動，改善和完善車輛傳動系統(tǒng)的一個重要方面；無級變速器(Continuously Variable Transmission, CVT)能根據(jù)車輛行駛條件自動連續(xù)變化速比使駕駛員在駕駛無級變速傳動汽車時避免了換檔沖擊的困擾。在理論上，CVT可以使發(fā)動機始終工作在理想?yún)^(qū)域，因此CVT逐漸成為了變速器主流[1]。此外，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，能源與環(huán)境問題日益突出，為了有效應(yīng)對汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展所帶來的能源和環(huán)境問題，我國出臺了四階段油耗目標(biāo)，我國要求乘用車CAFC 在2020 年降至5 L/100 km，2025年降至4 L/100 km[2]，因此各個主機廠對油耗問題日益重視，研究降油耗技術(shù)成為了各個主機廠共同課題。

無級變速器CVT的理論與控制研究在我國20世紀(jì)就已經(jīng)開始。孫冬野等人[3]針對金屬帶式無級變速傳動開展了運動學(xué)和動力學(xué)分析，深入地探討了金屬帶作用力與速比和傳遞力矩的關(guān)系，推導(dǎo)出金屬環(huán)張緊力和金屬塊間擠壓力的理論計算公式。張鳳和與張德珍[4]詳述了金屬帶式無級變速器摩擦系數(shù)測定的實驗方法，同時給定摩擦系數(shù)的可用范圍。隨著CVT的工程化應(yīng)用深入，對液壓控制系統(tǒng)越來越精細[5]，對傳動效率要求越來越高[6-7]。楊陽等人[5]開展了基于響應(yīng)速度和跟蹤精度的CVT液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后系統(tǒng)在動態(tài)響應(yīng)性能及跟蹤誤差精度上都得到了較大的提高。袁曉紅等人[6]對傳統(tǒng)CVT的夾緊力控制策略進行改進，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%。但是，關(guān)于整車匹配CVT的油耗研究較少，特別是與匹配手動檔MT在整車油耗的差異研究論文更少。

為了更好的匹配開發(fā)CVT車型，為CVT整車提升動力降油耗提供相應(yīng)依據(jù)，筆者基于AVL-Cruise仿真軟件利用一款現(xiàn)有MT車型油耗數(shù)據(jù)驗證模型的準(zhǔn)確性；再通過更新?lián)Q變速器與整車阻力數(shù)據(jù)，推導(dǎo)匹配CVT的油耗，進而比較與分析CVT油耗和MT油耗差異，最后拓展到不同類型發(fā)動機下CVT油耗和MT油耗差異的分析。

1 CVT速比策略制定簡介

CVT變速器可以通過液壓系統(tǒng)控制其中一個V型帶輪的軸向移動，使其節(jié)圓半徑可變，而兩個V型帶輪的中心距沒有變化，從而可以達到連續(xù)可變速比(傳動比)，即實現(xiàn)了無級變速。檔位無限的CVT變速器，在任何條件下都提供了使發(fā)動機在最佳經(jīng)濟狀況工作的可能性[6]。

1.1 CVT轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性制定

依據(jù)發(fā)動機的最佳經(jīng)濟運行線可制定CVT的經(jīng)濟轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性。發(fā)動機的最佳經(jīng)濟點是指發(fā)動機以最小燃油消耗率輸出某一固定功率，而將這些點連接起來即為最佳經(jīng)濟線，如圖1。圖中黑色點線為不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機輸出功率與燃油消耗率的曲線，最佳經(jīng)濟運行線則表現(xiàn)為這些曲線簇的外包絡(luò)線，如空心方框中所示。找出外包絡(luò)線上的點所對應(yīng)的發(fā)動機扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、燃油消耗率以及節(jié)氣門開度參數(shù)。所得的轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度參數(shù)便可作出經(jīng)濟轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性曲線。

圖1 發(fā)動機功率與燃油消耗率曲線簇示意圖

同理，依據(jù)發(fā)動機的最佳動力運行線可制定CVT的動力動力轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性。利用發(fā)動機最佳動力運行線的定義，即每一個節(jié)氣門開度或油門踏板開度下都能以最大功率輸出，如圖2所示，所得的轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度參數(shù)關(guān)系曲線即為“動力轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性曲線”。為了方便開展研究與分析，全文采用節(jié)氣門開度代替整車動力請求。

圖2 發(fā)動機節(jié)氣門開度與功率曲線簇示意圖

CVT綜合轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性可依據(jù)經(jīng)濟速調(diào)節(jié)特性與動力速調(diào)節(jié)特性進行制定。在節(jié)氣門開度小于40%下，按照經(jīng)濟性轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性；在節(jié)氣門開度大于70%，按照動力性調(diào)節(jié)特性；節(jié)氣門開度在40%至70%，為過渡階段。過渡階段的設(shè)計原則是確保整個調(diào)速特性單調(diào)遞增，并且保持整個曲線的光滑，并且最小的發(fā)動機轉(zhuǎn)速不低于1 100 r/min。得到的CVT綜合轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性如圖3所示。

圖3 實際運行線制定示意圖

1.2 CVT速比Map制定

根據(jù)車速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的公式，如式(1)，便可以作出CVT的速比策略，如圖4所示。可見隨著車速增加或者節(jié)氣門減小，CVT速比都變小，這是文中所采用的策略。實際中CVT速比策略受多種控制參數(shù)影響，如道路坡度、大氣溫度等。筆者主要開展燃油經(jīng)濟性分析，故只用依據(jù)最佳經(jīng)濟運行性的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性制定速比Map，并且速比Map只與發(fā)動機的車速與節(jié)氣門開度有關(guān)。此外，需要注意匹配不同發(fā)動機得到的最佳經(jīng)濟運行線不一樣，從而速比Map也不一樣。

(1)

式中：i′為變速器速比；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；r為輪胎滾動半徑，m；i0為主減速比；ua為車速，km/h。

圖4 CVT速比Map示例

2 模型構(gòu)建與驗證

2.1 模型構(gòu)建

AVL-Cruise軟件提供了整車、發(fā)動機及變速箱等模塊，可以達到快速建模，對整車的動力經(jīng)濟性進行預(yù)測且可進行結(jié)果分析。以某款已量產(chǎn)且搭載小排量自然吸氣發(fā)動機的轎車為研究對象，其主要的整車參數(shù)如表1。

表1 整車主要參數(shù)

按照CRUISE用戶手冊要求接好模型的物理連接與信號連接，建好的MT/CVT模型如圖5所示。CVT模型與MT模型的主要區(qū)別在：①發(fā)動機之后CVT模型直接連接液力變矩器(Torque Converter)，因為實際的CVT是帶液力變矩器且濕式的變速箱；②變速箱模塊使用指定CVT模塊，這與手動MT直接設(shè)置各個檔位速比不一樣，該模塊只設(shè)置最大最小速比；③CVT模型比MT模型多了一個CVT Control模塊，主要是依據(jù)車速與節(jié)氣門開度給CVT模塊計算出需求速比。

圖5 CVT模型圖與MT模型圖對比

模型搭建好后，對各個模塊輸入?yún)?shù)。將實際車型、發(fā)動機、輪胎等數(shù)據(jù)輸入至各個功能模塊。除了上述存在差異模塊的參數(shù)輸入不一樣之外，主要存在以下兩點差異：①車輛整備質(zhì)量。CVT重量比MT重約50 kg，故CVT的整備質(zhì)量需要增加50 kg；②整車阻力參數(shù)。在液力變矩器鎖上前，傳動阻力會比較大，在阻力曲線上體現(xiàn)為低速段時CVT阻力會比MT高。

在計算任務(wù)設(shè)置中，CVT模型應(yīng)用的是自動檔(Automatic)設(shè)置，而profile里的檔位全部設(shè)置為1，如圖6所示。升降檔策略設(shè)置成According to Velocity。其它更詳細設(shè)置，請參考CRUISE的用戶手冊。

圖6 CVT與MT換檔點比較

2.2 模型驗證

為保證仿真模型與實車一致性，確保試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使用某款已量產(chǎn)搭載自然吸氣發(fā)動機的車型實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行比較。轉(zhuǎn)鼓臺架油耗試驗與整車動力試驗，均嚴(yán)格按國家標(biāo)準(zhǔn)進行[6]。仿真與實測結(jié)果的比較如表2所示。仿真值與試驗值偏差范圍在0.7%～2.6%，均滿足±5%的偏差要求?？梢?，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果有著較高的一致性。

表2 仿真與實測結(jié)果對比

為比較分析CVT與MT匹配至整車上時的油耗差異時，確定的仿真方案為：在已驗證的模型上開展CVT與MT匹配自然吸氣發(fā)動機的整車油耗差異，再拓展到匹配渦輪增壓以及缺內(nèi)直噴發(fā)動機時CVT油耗和MT油耗差異比較分析。所使用的發(fā)動機主要參數(shù)見表3。

表3 發(fā)動機主要參數(shù)對比

3 結(jié)果與分析

3.1 仿真結(jié)果

表4給出了CVT和MT匹配自然吸氣發(fā)動機E1，增壓發(fā)動機E2，以及增壓直噴發(fā)動機E3時綜合油耗值以及之間的油耗差異。對自然吸氣發(fā)動機，CVT油耗值比MT油耗低0.24 L/100 km，增壓發(fā)動機CVT與MT油耗值差異為-0.04 L/100 km，而增壓直噴發(fā)動機CVT油耗比MT油耗高0.19 L/100 km。相比MT油耗，從自然吸氣發(fā)動機到增壓直噴發(fā)動機，CVT從節(jié)油到不節(jié)油?？梢?，CVT比MT燃油消耗更高的結(jié)論并不能一概而論。為了進一步分析油耗差異原因，需要對變速箱差異與整車匹配進行分析。

表4 CVT與MT油耗差異結(jié)果對比

3.2 變速箱效率分析

手動變速箱MT是靠齒輪嚙合實現(xiàn)力矩傳遞，而無極變速箱CVT是靠鋼帶實現(xiàn)力矩傳遞。鋼帶的夾緊力過大或過小都會嚴(yán)重影響其傳遞效率。表5列出了相同溫度下實際測試得到的CVT和MT變速箱效率。可見，CVT的效率在所有工況下都遠低于MT。特別是在大速比2.41時CVT與MT效率差別大于10%。此外，液力變矩器在鎖止前也會造成明顯的扭矩損失。通過效率比較來看，CVT效率并不占優(yōu)勢，隨之油耗也不占優(yōu)勢。

表5 MT與CVT部分效率對比表

3.3 整車匹配分析

3.3.1變速箱運行點分析

在離合或液力變矩器鎖止之后，變速箱的輸入軸轉(zhuǎn)速完全等同于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，輸出軸轉(zhuǎn)速與變速箱轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。因此可以用發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系表征變速箱工況運行點，如圖7所示。圖中由點A、點B、點C與原點圍成的區(qū)域是CVT變速箱可能運行點，由ABC三個特征點定義的。A點為以最大速比2.64能達到的最高車速，B點為最高車速時對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，C點為最小速比0.38能達到的最高車速。超出框線的點為離合器或者液力變矩器沒有完全鎖止時對應(yīng)的運行點?？梢?，MT的運行點只落在6條固定直線上，而CVT運行點可以落在整個綠色框靠下而部分。為達到同一個車速，CVT需要的發(fā)動機轉(zhuǎn)速更低，有利于降低CVT的綜合油耗。

圖7 變速箱工況運行圖比較

3.3.2發(fā)動機運行點分析

整車匹配集成對整車綜合油耗有至關(guān)重要的影響，性能良好的發(fā)動機與變速箱若匹配不當(dāng)仍然會導(dǎo)致燃油經(jīng)濟性變差。仿真時設(shè)置每秒輸出一個結(jié)果，NEDC循環(huán)共有1180 s，故有1 180個運行點。圖8給出了CVT與MT匹配自然吸氣發(fā)動機E1時工況運行點。圖中黑色方框點為手動檔MT車型運行點，圓點為CVT車型運行點，直線為最佳經(jīng)濟運行線，類似于等高線的線圈為等燃油消耗率線。若以燃油消耗率低于260 g/(kW·h)的區(qū)域稱為發(fā)動機經(jīng)濟運行區(qū)域，則如圖8中陰影面積所示?？梢姡珻VT大部分工況運行點落在了發(fā)動機經(jīng)濟運行區(qū)域，并且跟隨著該發(fā)動機最佳經(jīng)濟運行線。但是MT大部分工況點在經(jīng)濟運行區(qū)之外，只有使用6檔時才進入經(jīng)濟運行區(qū)。

圖8 CVT與MT工況運行點比較

通過上節(jié)可知，CVT在匹配發(fā)動機時是依據(jù)發(fā)動機的最佳經(jīng)濟運行線進行速比策略的制訂，其通過調(diào)節(jié)速比使得發(fā)動機運行在經(jīng)濟區(qū)域。但是手動變速箱MT只有5個或6個檔位，導(dǎo)致發(fā)動機運行在較高的燃油消耗點或者較低效率點。故可推斷，對于自然吸氣發(fā)動機E1，CVT使發(fā)動機大部分時間都運行在高效區(qū)，遠遠彌補了效率低導(dǎo)致的油耗增加量。因此合理解釋了仿真結(jié)果中出現(xiàn)CVT車綜合油耗低于MT車。

值得注意的是發(fā)動機不一樣，其經(jīng)濟運行區(qū)域有著明顯差別。圖9給出了自然吸氣、增壓以及增壓直噴發(fā)動機三種類型發(fā)動機經(jīng)濟運行區(qū)域的比較。相比自然吸氣發(fā)動機E1，增壓發(fā)動機E2經(jīng)濟區(qū)域的轉(zhuǎn)速與扭矩跨度都更大，且向更低扭矩方向移動；增壓直噴發(fā)動機E3的經(jīng)濟區(qū)域則更加大。若以270 g/(kW·h)或更高的等油耗率線比較，此趨勢更加明顯。由此可見，增壓發(fā)動機E2與增壓直噴發(fā)動機E3的經(jīng)濟運行區(qū)域更靠近手動檔MT運行點，而CVT運行點則跟隨經(jīng)濟運行區(qū)域在變化。此時，CVT運行點的優(yōu)勢被削弱，持平或甚至不能彌補效率低造成的油耗增加量。從而在仿真結(jié)果中出現(xiàn)CVT匹配增壓發(fā)動機E2時綜合油耗與MT持平，但是匹配增壓直噴發(fā)動機E3時綜合油耗高于MT。

圖9 三種類型發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域比較

4 結(jié) 論

開展了CVT與MT匹配自然吸氣、增壓與增壓直噴發(fā)動機的整車綜合油耗研究，并從變速箱效率、變速箱運行點以及發(fā)動機運行點對CVT與MT油耗差異進行詳細分析。主要結(jié)論如下：

(1) CVT速比MAP可以由發(fā)動機經(jīng)濟運行線與動力運行線進行初步制定。

(2) CVT通過無級變速可使發(fā)動機大部分時間都運行在高效區(qū)，從而彌補效率低導(dǎo)致的油耗增加量。

(3) CVT匹配自然吸氣發(fā)動機或者有著較高經(jīng)濟運行區(qū)的發(fā)動機時，綜合油耗有著明顯優(yōu)勢，甚至可比MT車型更節(jié)油；反之，無顯示優(yōu)勢。

(4) AVL-Cruise仿真軟件是一個實用的工具，為控制策略的解析與研究提供了理論依據(jù)且縮短了整車產(chǎn)品開發(fā)周期。