汽车无级变速器原理与控制

（ < 中国科学院 沈阳自动化研究所， 沈阳; <<##<? ；
!
高; 路
中国科学院 研究生院， 北京; <###:= ）
摘; 要： 随着节能和环保要求的日益提高， 能够连续改变传动比， 进而改善汽车动力性、 经济性和排放指标的无级变 速器成为汽车变速器的主要发展方向。在简单说明采用无级变速器的原因之后， 对当前汽车无级变速器的主要形 式— — —金属带式无级变速器的工作原理和发展过程进行了详细介绍； 并对当前基于无级变速器的汽车动力传动系 的主要控制方法做了简单分析， 分别阐述了在不同工况下的控制方法以及先进控制理论在基于无级变速器的控制 中的应用。 关; 键; 词： 金属带式无级变速器； 传动比； 控制； 动力传动系 中图分类号： K"?:6 !<!; ; ; 文献标识码： )
图 "$ CA<7(74&)(% 无级变速器示意图
!$ 基于无级变速器的汽车动力传动系的控制研究 无级变速器控制技术的核心是传动比的控制。国内 外的很多学者和研究人员对基于无级变速器的汽车动力 传动系进行了大量的研究工作， 包括建模和控制算法。 !, #$ 建模 建模是 控 制 研 究 的 基 础， 因此有许多研究人员对 汽车动力传动系的模型进 行研究 ［* + ?］。理想传动模 型如图 . 所示， 汽车动力系 统被分为 * 个部分， 每个部 图 .$ 汽车动力传动系模型简图 分之间假定为刚性连接， 不 存在滑动、 摩擦， 当然也没有功率损失。图 . 中： + , 为发动
收稿日期： !##" #: !" 作者简介： 高; 路 （ <=>? @ ） ， 男 （ 汉） ， 吉林， 博士研究生 &ABC95： DC45EF G9C6 HI
阐述； 第二部分是基于无级变速器的汽车动力传动系的建 模与控制， 给出了在不同的运行工况下的经典控制方法， 并介绍了先进控制理论在基于无级变速器的汽车动力传 动系控制中的应用。 <; 金属带式无级变速器 根据实现无级变速传动的方式不同， 无级变速器可以
［* ， +］ 了一些新的控制算法 ， 其主要依据就是发动机外有特
速和行驶阻力皆为定值， 因此要想稳定地工作在 # 曲线上 方， 传动比 ’ 必须变大。由于 # 为最大传动比曲线， 传动 比 ’ 不能增大， 因此 # 曲线上方为非稳态工作区域， 下方 则为稳态工作区域。由图 , 可知， 在发动机转速较低时， # 曲线为稳态最经济曲线， 而当发动机转速较高时， " 曲线 为稳态最经济曲线， 因此由 # 和 " 曲线的虚线部分所组成 的 $ 曲线为稳态工况下的最经济曲线， 即在稳态工况下， 无级变速器的控制目标曲线。 $) $) $" 半稳态工况 当汽车处在加速或减速工况下， 驾驶员保持油门踏板 位置恒定， 即目标输出功率恒定， 此时汽车动力传动系进 入半稳态工况。 一般来说， 半稳态是作为不同的稳态工况之间的过渡， 其控制目标是在满足驾驶员要求的同时， 最大化的节省燃 油消耗。通常的控制算法是将驾驶员的踏板位置转化为相 应的发动机目标功率值， 通过连续地调节传动比， 将发动机 的运行工况控制在 " 曲线上， 并沿着 " 曲线前进， 直到达到 发动机目标功率曲线， 然后再沿着等功率曲线下降到相应
!"#$%#&"&’() *+,%+-(. /,+#’0%’’%"# %# 1&$"0"$%2. 3"4.,$,+%# ! ， 2K (C9AL9ID< ， M)*1 (4ID< 1)0 ,E<， （ < -NOIPCID +IGQ9QEQO 4R )EQ4BCQ94I 4R QNO ’N9IOGO )HCSOBP 4R -H9OIHOG，-NOIPCID <<##<? ； ! 18CSECQO -HN445 4R QNO ’N9IOGO )HCSOBP 4R -H9OIHOG，TO9U9ID <###:= ） 1-’$,+5$：M9QN QNO 9IH8OCG9ID SOBCIS 4R REO5 OH4I4BP CIS OB9GG94IG，H4IQ9IE4EG5P VC89CL5O Q8CIGB9GG94I （ ’3/）WN9HN HCI 9B784VO S89VCL959QP，REO5 OH4I4BP CIS OB9GG94IG LP HNCID9ID DOC8 8CQ94 H4IQ9IE4EG5P LOHCBO QNO BC9I SOVO547BOIQ Q8OIS 4R CEQ4B4Q9VO Q8CIGB9GG94IG6 %OQC5 3ALO5Q ’3/ WCG 9IQ84SEHOS CG QNO BC9I X9IS 4R ’3/ CIS QNO B4SO59ID 4R ’3/ALCGOS 74WO8Q8C9I WO8O SOGH89LOS6 )HH48S9ID Q4 S9RRO8OIQ 47O8A CQ94IG ，S9RRO8OIQ H4IQ845 C7784CHNOG WO8O S9GHEGGOS CIS REYYP H4IQ845 9I QNO ’3/ALCGOS 74WO8Q8C9I H4IQ845 WCG 78OGOIQOS6 6.) 4",7’：%OQC5 3ALO5Q H4IQ9IE4EG5P VC89CL5O Q8CIGB9GG94I；1OC8 8CQ94；’4IQ845；Z4WO8Q8C9I
万方数据
"!"
机械科学与技术
第 !" 卷
#-/? 年， 日本 @AB24A 汽车厂首次将电子控制的金属 带式无级变速器应用于大规模的汽车生产中。由于电子 控制的无级变速器能够根据汽车工况精确地连续改变传 动比， 使得发动机可以工作在传动比有效范围内的任意工 况下。控制算法可以保证发动机工作在发动机万有曲线 图上的最佳经济线、 动力线或排放最优曲线上。因此， 无 级变速器不仅在舒适性方面具有明显的优势， 而且在动力 性、 经济性和尾气排放等方面也不逊于普遍使用的手动变 速器或自动变速器。 由于金属带的加工工艺要求很高， 因此其价格不菲， 所 以人们考虑使用金属链条来代替金属带完成动力传递工
’%&’! $ " # $ ( # % # ) # $ ）( # % ! ) ’’()! $ " & * ! ! !（ $ %
$ $ 由公式 （ # ）+ 公式 （*） 可知， 传动比 ! 可表示为主动轮 缸半径 # % 的一元函数。因此传动比 ! 可随着主动轮缸缸 径的变化而连续变化， 从而实现传动比连续改变的无级 传动。 #, !$ 无级变速器的发展和应用 #-./ 年， 荷兰 0, 12) 3&&4)5 博士发明了 124(&627(% 双 1 型橡胶带式无级变速器， 并将其应用于 389 公司的小型 此后约有 #!= 万辆轿车装备了 轿车 32::&;(< 上。据统计， ［!］ 。 0, 12) 3&&4)5 博士从 >= 年代 124(&627(% 无级变速器 开始研究能够传递较大功率、 效率更高的无级变速器， 提 出了用金属带代替橡胶带的想法， 从而发明了金属带式无 级变速器。图 * 所示为金属带示意图。
图 #$ 变节圆传动结构示意图
作。目前汽车无级变速器的代表产品是使用金属链条的 CA<7(74&)(%， 如图 " 所示。它是德国大众公司研发的无级变 速器， 装备于 8A;( 8> !, /， 其最大传动功率为 #"! DE， 最大 传动转矩为 !/= F・6。CA<7(74&)(% 代表着当前无级变速器 （#） 的最高水平， 除了价格因素外， 其它各个方面的指标都赶上 或超过了传统的自动变速器和手动变速器。在动力性方 面， 装备 CA<7(74&)(% 的 8A;( 8> !, / 在 = + #== D6 G H 的加速 时间要比自动变速器快 #, * ’， 甚至要比经过优化设计的 . 档手动变速器快 =, # ’； 在经济性方面， 根据欧洲燃油消耗标 准进行的测试显示， 它的百公里油耗要比自动变速器少 =, I， 比 . 档手动变速器少 =, ! I。因此我们有理由相信， 无级 变速器取代手动变速器和自动变速器只是时间的问题。 （!） （*）
当主动轮缸缸径发生变化时， 由于传动带长度固定， 迫使被动轮缸缸径发生变化， 从而改变传动比 !， 即 ! " 式中： # % 为主动轮缸半径； # $ 为被动轮缸半径。 由图 ! 可知， 传动带长 度为 定 值 &， 主 动、 被动轮 缸间距为定值 ’， 由几何知 识可得
图 !$ 变节圆传动模型
#$ #%
［<］ 分为以下几种行驶 ：
（<） ）变节圆传动， 如带式、 链式传动； （ ! ）摩擦传动， 如锥、 盘、 环及球面传动； （ : ）流体传动， 如流体静压传动和流体动压传动。 从传动效率、 传动比范围、 最大传动功率、 可靠性及成 本等各个方面进行综合考虑， 变节圆传动无疑是现代汽车 （ 尤其是轿车） 的最佳传动方式。 <6 <; 变节圆传动的基本原理 一般来说， 变节圆传动主要由主动轮缸、 被动轮缸和 传动带 （ 链条） 等部件组成， 其结构如图 < 所示。
图 *$ 金属带示意图
机惯量和无级变速器输入端惯量之和， + - 为车身惯量和无 级变速器输出端惯量之和， " - 为驱动轴 " , 为发动机转速，
万方数据
第! 期
高" 路等： 汽车无级变速器原理与控制
!$(
! " 为发动机输出转矩， ! # 为驱动轴上的等效阻力矩。 转速， 由此可推导出汽车动力传动系的理想模型， 即 #! # ( " ・! " ! " ・’ & ! # #’ %& ・ ) #$ # $ ( " ・ ’$ ) ( # ( " ・ ’$ ) ( # （!）