汽车无级变速传动系统建模与控制策略仿真研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.89MB 74 页 15积分
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摘 要
与有级变速器相比，无级变速器避免了齿轮传动传动比不连续的缺点，具有
连续改变速比的特点，因而它能实现真正意义上的无级变速，是汽车理想的变速
传动装置，目前已经得到了广泛的关注和迅速的发展。其中以金属带式无级变速
器的发展较快，研究也较成熟。液力变矩器作为汽车的起步装置，具有使汽车起
步平顺、缓解发动机与路面的冲击力，保证发动机低速时不熄火等优点，因此，
由液力变矩器与金属带式无级变速器组成的无级变速传动系统可以说是一种比较
理想的传动系统，研究其传动特性对于提高汽车的性能具有很好的现实意义。
对于由液力变矩器和金属带式无级变速器组成的无级变速传动系统，其研究
集中于两个方面：一个是发动机、变矩器、金属带式无级变速器三者之间的合理
匹配问题；二是对于金属带式无级变速器速比的控制问题，因为对于速比的控制
直接影响到发动机能否工作在最佳状态。
本文的主要内容围绕以上两点进行展开。首先，通过分析金属带式无级变速
器的结构和传动特性得出了速比与带轮主动缸位移的关系，为速比控制系统的建
立提供数学基础。利用发动机的试验数据，建立了发动机的数学模型，得出了发
动机的最佳经济性和最佳动力性转速调节特性曲线，并由此确定了发动机与无级
变速器的匹配策略及其目标速比；利用液力变矩器的试验数据，得出了其数学模
型，分析了其与发动机共同工作的特性，并据此提出了一种发动机、液力变矩器、
金属带式无级变速器三者之间的匹配策略。
其次，对金属带式无级变速器速比的液压控制系统进行了深入研究，建立了
其速比的液压系统数学模型；之后在建立的速比液压系统模型的基础上，根据提
出的匹配策略，设计了以液压系统比例电磁铁的电压信号为控制对象的速比模糊
自适应 PID 控制系统。
最后，依据所建立传动系统各个环节的数学模型和控制策略，利用仿真环境
MATLAB/SIMULINK 建立了其仿真模型以及整车模型。通过对整车模型进行起
步、加速、加速受阻、减速几种工况的仿真，验证了所建模型以及所提出的控制
策略的正确性。
关键词：发动机 液力变矩器 无级变速器 匹配 仿真
ABSTRACT
Continuously Variable Transmissions (CVT) could make up for the disadvantages
of the former type, and have fabulous merits provided by continuous speed ratio,
because of which CVT practically performs the function of continuous speed changing.
CVT proves to be the ideal speed altering transferring set which has drawn great
attention worldwide. Among different categories of CVT, the one with strap is the most
popular kind. As the starting part of automobiles, Hydraulic torque converter could
smooth the vehicles’ starting procedure, decrease the impact force of the engine and
road and guarantee the flameout for low-speed engine state. Therefore, the transmission
system will be qualified for almost all situations emerged, and relevant research on it
will be of great significance to improve the automobile’s functions.
There are maily two aspects to study on transmissions constitued of hydraulic
torque converter and CVT: First, the reasonable matching for the engine, converter and
the CVT;Second, the control of the speed ratio of CVT.
This paper revolves around the two points mentioned above. Firstly, by analyzing
the structural and transmitting features of CVT the relationships between speed ratio
and displacement of the strap’s active cylinder which provides mathematic basis for the
control system. Afterwards the engine’s mathmatic model is built along with the
optimized economical and dynamic curves patterned by characteristics of the engine,
after which the matching tactic for engine and CVT and the targeted speed ratio are
gained. Then hydraulic torque conveter’s mathematic model is acquired from the
experimental data, and the overall matching tactic among the engine,CVT and converter
is obtained.
Secondly, further research is conducted on the speed hydraulic control along with
the mathematic modeling of hydraulic system. Then the respective matching tactic is
completed and a fuzzy PID control method for the hydraulic system, the volt signal of
the electric magnetic being the control object.
Finally, based on the work of mathematic models and matching tactics, the whole
automobile’s model is built in the environment of MATLAB and SIMULINK. By
analyzing the simulation results of several classic situations such as starting,
accerlerating, decelerating, the flexibility, reliability and accuracy of the method
presented by this paper is justified.
Key Words：Engine，Torque Converter，CVT ，Matching，Simulation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ...................................................................................................................1
§1.1 课题提出的意义 ...............................................................................................1
§1.2 无级变速器(CVT)的优点 ................................................................................ 3
§1.2.1 燃油经济性 .............................................................................................. 3
§1.2.2 动力性 ...................................................................................................... 3
§1.2.3 有害物的排放 .......................................................................................... 3
§1.2.4 操控性能 .................................................................................................. 3
§1.2.5 舒适性 ...................................................................................................... 4
§1.2.6 可靠性 ...................................................................................................... 4
§1.2.7 成本低 ...................................................................................................... 4
§1.3 无级变速器(CVT)的分类 ................................................................................ 4
§1.3.1 液体传动式无级变速器 ......................................................................... 5
§1.3.2 电力传动式无级变速器 ......................................................................... 5
§1.3.3 机械传动式无级变速器 ......................................................................... 6
§1.4 无级变速器(CVT)的发展历程 ........................................................................ 6
§1.4.1 国外无级变速器(CVT)的发展历程 .......................................................6
§1.4.2 国内无级变速器(CVT)的发展历程 .......................................................7
§1.5 论文的主要研究内容 .......................................................................................8
第二章 无级变速传动系统的结构和传动原理 ...........................................................9
§2.1 无级变速传动系统的结构 ...............................................................................9
§2.2 无级变速传动系统的传动原理 .....................................................................10
§2.3 金属带式无级变速器的速比及速比范围 ..................................................... 11
§2.4 本章小结 .........................................................................................................13
第三章 发动机与 CVT 的匹配 ...................................................................................14
§3.1 发动机数学模型 .............................................................................................14
§3.1.1 发动机输出转矩的数值模型 ............................................................... 14
§3.1.2 发动机有效燃油消耗的数值模型 ....................................................... 16
§3.2 发动机转速调节特性 .....................................................................................18
§3.3 CVT 速比控制目标的确定 .............................................................................20
§3.4 本章小结 .........................................................................................................22
第四章 发动机、液力变矩器与 CVT 的匹配 ...........................................................23
§4.1 液力变矩器数学模型的建立 .........................................................................23
§4.1.1 液力变矩器转速比 ............................................................................... 24
§4.1.2 液力变矩器容量系数 ........................................................................... 24
§4.1.3 液力变矩器变矩系数 ........................................................................... 25
§4.1.4 液力变矩器传递效率 ........................................................................... 26
§4.2 发动机与液力变矩器的合理匹配 .................................................................27
§4.2.1 共同工作输入特性 ............................................................................... 27
§4.2.2 共同工作输出特性 ............................................................................... 28
§4.3 发动机、液力变矩器与 CVT 三者匹配原则的确定 ...................................29
§4.4 CVT 调节车速的确定 .....................................................................................30
§4.5 本章小结 .........................................................................................................30
第五章 金属带式无级变速器速比液压系统模型 .....................................................31
§5.1 电液比例控制器的数学模型 .........................................................................31
§5.1.1 比例放大器的数学模型 ....................................................................... 31
§5.1.2 衔铁的数学模型 ................................................................................... 32
§5.1.3 电液比例控制器的数学模型 ............................................................... 33
§5.2 阀控液压缸动力机构的数学模型 .................................................................34
§5.2.1 滑阀的数学模型 ................................................................................... 35
§5.2.2 液压缸的数学模型 ............................................................................... 35
§5.2.3 阀控液压缸动力机构的数学模型 ....................................................... 36
§5.3 CVT 速比液压系统模型 .................................................................................38
§5.3.1 CVT 速比液压系统的传递函数模型 ................................................... 38
§5.3.2 CVT 速比液压系统模型的稳定性分析 ............................................... 39
§5.4 本章小结 .........................................................................................................40
第六章 金属带式无级变速器速比控制系统 .............................................................41
§6.1 模糊自适应 PID 控制原理 ............................................................................ 41
§6.1.1 模糊自适应 PID 控制系统的结构 .......................................................41
§6.1.2 模糊自适应 PID 控制器的设计思路 ...................................................42
§6.2 CVT 速比控制系统原理设计 .........................................................................43
§6.3 CVT 速比控制系统模糊自适应 PID 控制器的设计 .................................... 44
§6.3.1 模糊自适应 PID 控制器的结构 ...........................................................44
§6.3.2 输入输出量的模糊化 ........................................................................... 45
§6.3.3 模糊控制规则 ....................................................................................... 46
§6.3.4 模糊推理 ............................................................................................... 48
§6.3.5 输出量的模糊判决 ............................................................................... 48
§6.4 CVT 速比控制系统设计 .................................................................................50
§6.5 本章小结 .........................................................................................................50
第七章 汽车无级变速传动系统建模与仿真 .............................................................51
§7.1 发动机仿真模型 .............................................................................................51
§7.2 液力变矩器仿真模型 .....................................................................................51
§7.3 CVT 速比系统仿真模型 .................................................................................52
§7.4 CVT-传动系统仿真模型 .................................................................................53
§7.4.1 CVT 模型 ............................................................................................... 53
§7.4.2 驱动轴动态模型 ................................................................................... 54
§7.4.3 整车运动模型 ....................................................................................... 54
§7.4.4 CVT-传动系统仿真模型 ....................................................................... 54
§7.5 输入控制模型 .................................................................................................55
§7.6 无级变速汽车整车仿真模型 .........................................................................55
§7.7 整车仿真分析 .................................................................................................56
§7.7.1 起步工况仿真 ....................................................................................... 57
§7.7.2 加速工况仿真 ....................................................................................... 60
§7.7.3 加速受阻工况仿真 ............................................................................... 62
§7.7.4 减速工况仿真 ....................................................................................... 63
§7.8 本章小结 .........................................................................................................65
第八章 全文总结与展望 .............................................................................................66
§8.1 全文总结 .........................................................................................................66
§8.2 展望 .................................................................................................................66
参考文献 .........................................................................................................................68
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................70
致 谢 .............................................................................................................................71
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题提出的意义
当今现代社会，科学技术日新月异，不断发展进步，人们的生活节奏也随着
不断加快，因此在讲究工作效率的今天，汽车已经成为人们日常生活中必不可少
的交通工具。而在科学技术迅猛发展的条件下，能源危机的出现使人们对汽车的
使用性能不得不提出更高更好的要求。在经过了近一百多年的发展和研究之后，
发动机方面的技术已日臻完善，如果说单一地再考虑提高发动机的动力性、燃油
经济性或者对发动机排出的尾气进行控制以减少有害物的排放的话，那么在这些
方面难以再有新的突破和飞跃。但是，车辆行驶性能的好坏，不只是仅仅决定于
发动机的性能，而且很大程度上还依赖于变速器以及其与发动机匹配的合理不合
理。伴随着电工电子技术和自动控制技术的迅猛发展，应用在变速器上的控制技
术越来越完善和成熟，结构上也更加丰富化，已经越来越多地应用在了车辆上，
已然成为现代汽车技术与现代汽车工业发展的潮流之一[1]。
目前，汽车上广泛使用的变速器主要有两大类，一类是传统的有级式齿轮传
动的变速器(Manual Transmission,MT)，也就是所说的手动变速器。另一类变速器
是自动变速器。虽然手动变速器仍应用较多，但是其频繁的操作过程(需要不时地
踩下离合器踏板同时推动变速杆换挡，据统计一小时内操作次数可以达到上百次)
容易使人产生疲倦感，造成精力上的不集中，因而影响到开车时的注意力。如果
稍有操作上的不当很可能导致交通事故的发生。而且现在越来越多的人正在加入
到学车的队伍中来，由于性别、年龄、学历、职业等各方面存在着差异，难以进
行统一水平的驾驶训练。而相比之下，自动变速器有了其优势所在，由于自动变
速器无需手动换挡，可以实现自动换挡的功能，这样就节省了人们的体力，大大
方便了人们的操作过程，因此正在得到越来越多的人的亲睐。
应用在汽车上的自动变速器根据其结构和控制方式的不同主要分为三种：电
子控制的机械式自动变速器(Automatic Mechanical Transmission，AMT)、液力自动
变 速 器 (Automatic Transmission ，AT) 和无级变速器(Continuously Variable
Transmission，CVT) [2]。
电子控制的机械式自动变速器(AMT)是在传统的手动齿轮式变速器基础上经
过改进而得出的。它是揉合了 AT(自动)和MT(手动)两者优点的机电液一体化的自
动变速器。AMT 既可以实现自动变速的功能，同时又具有传统手动变速器的优点，
比如布置形式简单紧凑、造价低廉，而最主要的是可以保留齿轮传动传动效率高
摘要：

摘要与有级变速器相比，无级变速器避免了齿轮传动传动比不连续的缺点，具有连续改变速比的特点，因而它能实现真正意义上的无级变速，是汽车理想的变速传动装置，目前已经得到了广泛的关注和迅速的发展。其中以金属带式无级变速器的发展较快，研究也较成熟。液力变矩器作为汽车的起步装置，具有使汽车起步平顺、缓解发动机与路面的冲击力，保证发动机低速时不熄火等优点，因此，由液力变矩器与金属带式无级变速器组成的无级变速传动系统可以说是一种比较理想的传动系统，研究其传动特性对于提高汽车的性能具有很好的现实意义。对于由液力变矩器和金属带式无级变速器组成的无级变速传动系统，其研究集中于两个方面：一个是发动机、变矩器、金属带式...

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