汽車(chē)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)特性研究

張子珍

(煙臺(tái)汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院 學(xué)生處， 山東 煙臺(tái) 265500)

0 引言

無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)技術(shù)，是指以汽車(chē)行駛工況為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)速比連續(xù)變化，提升汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。此外，于汽車(chē)中搭載無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)，可以讓汽車(chē)在行駛過(guò)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(chē)長(zhǎng)期處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，有助于發(fā)動(dòng)機(jī)處于最具經(jīng)濟(jì)性的工作點(diǎn)。但是現(xiàn)階段汽車(chē)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)還不夠完善，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法一直在最佳經(jīng)濟(jì)線上工作。本文從實(shí)際需求出發(fā)，著重對(duì)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的特性——控制策略進(jìn)行研究，提出了應(yīng)用綜合模糊控制的想法，提升發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配程度，最大限度地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，確保汽車(chē)在復(fù)雜工況下也能平穩(wěn)行駛。

1 無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)概念綜述

現(xiàn)階段，汽車(chē)行業(yè)常用的自動(dòng)變速技術(shù)主要有3種，分別為：Automatic Mechanical Transmission(電子控制機(jī)械自動(dòng)變速器)，簡(jiǎn)稱(chēng)AMT；Automatic Transmission(液力自動(dòng)變速器)，簡(jiǎn)稱(chēng)AT；Continuously Variable Transmission(無(wú)級(jí)變速器)，簡(jiǎn)稱(chēng)CVT。其中AMT和AT屬于自動(dòng)有機(jī)變速，嚴(yán)格意義上來(lái)講并不能稱(chēng)之為無(wú)級(jí)變速技術(shù)。

1.1 無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)

無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)是指在允許范圍內(nèi)，可以幫助汽車(chē)實(shí)現(xiàn)連續(xù)變速。且汽車(chē)行駛速度發(fā)生變化時(shí)，不會(huì)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(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)化駕駛操作，為駕駛員創(chuàng)造便利，降低駕駛難度。于汽車(chē)中搭載無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)，可以從根本上提升汽車(chē)行駛時(shí)的動(dòng)力性，進(jìn)而確保能量得到充分利用，減少尾氣排放，這也符合我國(guó)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(chǎng)潛力。

1.2 無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)分類(lèi)

以結(jié)構(gòu)形式為劃分依據(jù)，無(wú)級(jí)變速傳統(tǒng)可以分為機(jī)械式、流體式和電動(dòng)式三類(lèi)。

(1) 機(jī)械式，相較于其他兩種形式，機(jī)械式發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，具有傳動(dòng)比變化連續(xù)性強(qiáng)、變速范圍廣、傳遞功率穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)也能夠進(jìn)行進(jìn)一步的劃分，分別為橡膠帶式、金屬鏈?zhǔn)胶徒饘賻?。這些系統(tǒng)都有著相同的運(yùn)行特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整帶輪工作半徑，改變傳動(dòng)比。在這之中，金屬帶式的實(shí)用性最強(qiáng)，也是本文的主要研究對(duì)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(dòng)葉片傳動(dòng)，具有提速快、減震性?xún)?yōu)良的優(yōu)點(diǎn)。液壓式則是借助液壓輸送動(dòng)力，幫助車(chē)輛完成變速。需要注意的是，電動(dòng)式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)只能用在電動(dòng)汽車(chē)上，因電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)式變速傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的主要因素。

(3) 電動(dòng)式，電力傳動(dòng)可分為電磁滑動(dòng)式、直流電動(dòng)機(jī)式、交流電動(dòng)機(jī)式三類(lèi)。電磁滑動(dòng)式是在異步電動(dòng)機(jī)中安裝電磁滑差離合器，改變勵(lì)磁電流來(lái)對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整，此類(lèi)傳動(dòng)方式成本較低而且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是發(fā)熱較嚴(yán)重，不適合長(zhǎng)期負(fù)載。直流電動(dòng)機(jī)式是通過(guò)對(duì)磁通的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，該方式成本較高，維護(hù)也比較困難。交流電動(dòng)機(jī)式主要通過(guò)變極、調(diào)壓、變頻等方式對(duì)速度進(jìn)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(jìn)優(yōu)良的變速裝置。

2 金屬帶式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)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(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 金屬帶無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主動(dòng)輪組和從動(dòng)輪組中配備了錐形結(jié)構(gòu)的可動(dòng)盤(pán)和固定盤(pán)，其表面的V形槽與金屬帶契合度高、嚙合性好?？蓜?dòng)盤(pán)所處位置更加靠近油缸，車(chē)輛在行駛過(guò)程中，可沿軸滑動(dòng)。金屬帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)輪相連，發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)勁動(dòng)力，由主動(dòng)輪和金屬帶傳送至從動(dòng)輪，從動(dòng)輪根據(jù)所接受的動(dòng)力和車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行情況，輸出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到無(wú)級(jí)變速的目的。車(chē)輛在行駛時(shí)，可以利用可動(dòng)盤(pán)的軸向移動(dòng)來(lái)改變汽車(chē)輪組的工作半徑，以達(dá)到改變傳動(dòng)比的最終目的。需要注意的是，在調(diào)節(jié)傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)當(dāng)以車(chē)輛的實(shí)際工況為參考依據(jù)，不能隨意進(jìn)行調(diào)整。

2.2 速比分析

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

i=D2/D1

(1)

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

Β=π±2γ

(2)

車(chē)輛在進(jìn)行無(wú)級(jí)變速時(shí)，可以假設(shè)金屬帶長(zhǎng)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(jì)算式，可以得出傳動(dòng)比關(guān)系，如式(5)

(5)

3 金屬帶夾緊力傳動(dòng)比控制分析

3.1 金屬帶夾緊力分析

金屬帶式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的工作內(nèi)容分為兩方面：(1) 將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能傳送至驅(qū)動(dòng)輪，且在傳送過(guò)程中，盡量減少能量消耗；(2) 根據(jù)車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行狀況，自動(dòng)調(diào)整傳動(dòng)比，確保車(chē)輛在最佳狀態(tài)下行駛[2]。金屬帶夾緊力的大小會(huì)直接影響到傳動(dòng)效率，當(dāng)夾緊力較低時(shí)，金屬帶和帶輪之間嚙合性較差，易滑動(dòng)，不僅會(huì)加大功率損失，還會(huì)加速二者的磨損，影響車(chē)輛的使用壽命。因此，對(duì)傳動(dòng)比進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以從根本上提升車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。但是需要注意的是，系統(tǒng)中的傳動(dòng)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(huì)存在較大偏差。

車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，金屬帶會(huì)同時(shí)受到6個(gè)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(dòng)力，也可以稱(chēng)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(zhǎng)度不變，用QDN代表從動(dòng)輪油缸夾緊力，用QDR代表主動(dòng)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(dòng)輪和金屬塊之間的正壓力；RDR代表主動(dòng)輪節(jié)圓半徑；θDR代表金屬帶和主動(dòng)輪之間的包角；μDRR代表主動(dòng)輪徑向摩擦系數(shù)。利用這些已知參數(shù)，可以計(jì)算出主動(dòng)輪油缸壓力表達(dá)式，如式(7)。

(7)

式中，ADR代表主動(dòng)輪油缸面積。

3.2 傳動(dòng)比控制分析

在進(jìn)行傳動(dòng)比分析時(shí)，主要從以下三方面入手：(1) 通過(guò)調(diào)整傳動(dòng)比，控制離合器接合，確保車(chē)輛無(wú)論在何種工況下都能順利啟動(dòng)，減少啟動(dòng)沖擊對(duì)離合器造成的影響，以此來(lái)提升離合器的使用壽命； (2) 通過(guò)調(diào)整傳動(dòng)比，確保發(fā)動(dòng)機(jī)始終在最經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)上運(yùn)行，當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)也能快速的重回最經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)[3]，讓燃油得到充分燃燒，控制尾氣排放；(3) 通過(guò)調(diào)整傳動(dòng)比，讓車(chē)輛在更加平順的狀態(tài)下行駛，為用戶(hù)提供更好的駕乘感。為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，在制定控制策略時(shí)，應(yīng)將各種車(chē)輛運(yùn)行實(shí)況考慮進(jìn)去。系統(tǒng)的傳動(dòng)比變化范圍，如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)比變化范圍

由圖2可得，Ua代表車(chē)輛實(shí)際行駛速度；ne代表發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；i0代表主減速器傳動(dòng)比；i2代表中間齒輪傳動(dòng)比；r代表車(chē)輪半徑；i代表系統(tǒng)傳動(dòng)比。因此，行駛速度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式為式(8)。

(8)

(1) 車(chē)輛起步時(shí)的傳動(dòng)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(chē)輛在加速時(shí)的傳動(dòng)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(chē)輛在減速時(shí)的傳動(dòng)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(shí)驗(yàn)

為了證明金屬帶式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合性能是否具有可應(yīng)用性，我們對(duì)其進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。假設(shè)工況如下：車(chē)輛以60%油門(mén)起步，在平穩(wěn)行駛30 s后加速行駛，將油門(mén)提升至80%，又行駛40 s后，碰到阻力擾動(dòng)，擾動(dòng)持續(xù)了20 s，在130 s時(shí)油門(mén)再次回到60%，總體行駛時(shí)間為150 s[4]。在此種工況下，對(duì)搭載金屬帶式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)和未搭載該系統(tǒng)的車(chē)輛進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

(1) 未搭載金屬帶式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)車(chē)輛的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在調(diào)節(jié)控制參數(shù)后，車(chē)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(dòng)機(jī)、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(huì)出現(xiàn)車(chē)輛加減速不受控制的現(xiàn)象。嚴(yán)重時(shí)，車(chē)輛在減速時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)離合器滑動(dòng)問(wèn)題，這極大地影響了車(chē)輛行駛時(shí)的平順性，控制效果較差，可能會(huì)引發(fā)交通事故。

(2) 搭載金屬帶式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)車(chē)輛的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用本文提到的系統(tǒng)后，無(wú)論是車(chē)輛處于何種運(yùn)行階段，都可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，車(chē)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(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然可以位于最經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)上，控制效果好。

除了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器轉(zhuǎn)速、車(chē)速變化曲線、實(shí)際速比等參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為了確保實(shí)驗(yàn)全面性，進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，還對(duì)整車(chē)進(jìn)行了實(shí)測(cè)。TCU-A代表未搭載金屬帶式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，TCU-B代表搭載后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[5-6]。其油耗對(duì)比結(jié)果、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果，如表2、表3所示。

從表2、表3的對(duì)比結(jié)果可以看出，車(chē)輛在搭載金屬帶式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)后，百公里耗油量比未搭載時(shí)有所下降，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性則得到了優(yōu)化，無(wú)論是最高車(chē)速或是百公里加速耗時(shí)都優(yōu)于從前。

表2 相同工況下車(chē)輛油耗對(duì)比結(jié)果

表3 動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果

通過(guò)全面且多樣的仿真實(shí)驗(yàn)，從多個(gè)方面證明了車(chē)輛在應(yīng)用金屬帶式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)后，無(wú)論是在起步平穩(wěn)性、燃油利用率、最高車(chē)速以及加速效果等方面都有所提升。但是實(shí)驗(yàn)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(jìn)的地方，仍然需要為此付諸努力。

5 總結(jié)

無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)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(duì)金屬帶式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，通過(guò)研究其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，提出了以車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行情況為依據(jù)，設(shè)計(jì)綜合控制策略的構(gòu)想。并通過(guò)仿真測(cè)試，證明車(chē)輛應(yīng)用該系統(tǒng)后，起步、加速時(shí)車(chē)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(dòng)機(jī)可以在最經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)上工作，可以為駕駛員和乘坐者提供更加舒服的駕乘體驗(yàn)，在未來(lái)?yè)碛芯薮蟮陌l(fā)展空間和應(yīng)用前景。