黃宏成 徐繼財(cái) 聞居博

上海交通大學(xué)汽車(chē)電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室

為進(jìn)行金屬帶式CVT傳動(dòng)效率與性能試驗(yàn),特地設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的CVT動(dòng)力總成(Powertrain)測(cè)試臺(tái)架,該裝置可模擬CVT車(chē)輛在不同道路和負(fù)荷情況、實(shí)際起步、加速和調(diào)速等動(dòng)態(tài)過(guò)程。如圖1所示,試驗(yàn)臺(tái)由電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、電磁測(cè)功儀、測(cè)量控制單元(TCU)、油門(mén)執(zhí)行單元(ECU)、接口單元(SPU)、采集單元(DAY)、計(jì)算機(jī)控制單元(CCU),增速器與慣性飛輪等組成。本試驗(yàn)裝置以電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源,而不采用電動(dòng)機(jī),是以求試驗(yàn)動(dòng)力與實(shí)際運(yùn)行情況比較接近,其中的電磁測(cè)功儀和慣性飛輪是模擬汽車(chē)實(shí)際運(yùn)行情況的主要設(shè)備,用于試驗(yàn)的金屬帶式CVT是荷蘭VDT公司研制的P811型全液壓控制無(wú)級(jí)變速器。

圖1 CVT試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 CVT Tester

在實(shí)際裝配P811的車(chē)輛中,CVT檔位拉線(xiàn)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)拉索經(jīng)過(guò)匹配后,安裝在一起。車(chē)輛行駛時(shí),駕駛員踩下加速踏板后,通過(guò)節(jié)氣門(mén)拉索直接操作節(jié)氣門(mén)開(kāi)度,同時(shí)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度信號(hào)就這樣通過(guò)檔位拉線(xiàn)輸入給CVT。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率由節(jié)氣門(mén)開(kāi)度決定,對(duì)應(yīng)每一個(gè)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度值,以發(fā)動(dòng)機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)性為目的,尋找發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作點(diǎn),最終獲得以節(jié)氣門(mén)開(kāi)度值為自變量,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為因變量的最優(yōu)目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速函數(shù),再以目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速除以當(dāng)前車(chē)速獲得目標(biāo)速比,所以CVT與發(fā)動(dòng)機(jī)是耦合的。

在本試驗(yàn)中,為了測(cè)試CVT各種工況下的傳動(dòng)效率與性能,發(fā)動(dòng)機(jī)只是作為一種輸入動(dòng)力源,發(fā)動(dòng)機(jī)與CVT不要求耦合,所示發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和CVT檔位拉線(xiàn)是分別控制。每次試驗(yàn)時(shí),把CVT檔位拉線(xiàn)確定在一個(gè)固定位置,通過(guò)計(jì)算機(jī)分別控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和電磁測(cè)功儀轉(zhuǎn)矩,模擬各種輸入工況和負(fù)載。

1 試驗(yàn)控制模式分析

該試驗(yàn)臺(tái)可定義96個(gè)試驗(yàn)步驟,用于全自動(dòng)控制方式的試驗(yàn),能夠完成M/P、n/P、M/n、n/M 等4種常用控制方式的試驗(yàn),各種試驗(yàn)設(shè)定參數(shù)如表1和圖2所示。

表1 各種試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定表Table 1 Various test parameter initialization

2 CVT調(diào)速性能試驗(yàn)與分析

圖2 測(cè)功機(jī)各種控制模式Fig.2 control mode of dynamometer

M/P 、n/P 、M/n、n/M等4種控制模式,經(jīng)常應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)特性試驗(yàn),如何進(jìn)行CVT效率臺(tái)架試驗(yàn),應(yīng)對(duì)CVT本身的調(diào)速性能加以分析。

2.1 CVT調(diào)速性能試驗(yàn)

試驗(yàn)方式采用M/P控制模式,試驗(yàn)時(shí)CVT檔位拉索長(zhǎng)度不變,改變發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩,觀察發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律。

試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。當(dāng)檔位拉索一定時(shí),通過(guò)CVT速比調(diào)節(jié),發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為一定值,不隨節(jié)氣門(mén)開(kāi)度,或電磁測(cè)功儀所加阻力矩的變化而變化。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)柏努利方程,畢托管信號(hào)油壓Pv與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nDR的平方成正比,即

圖3 兩個(gè)檔位拉索試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results for two tap positions

CVT的液壓控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。畢托管信號(hào)油壓和從動(dòng)輪油壓作用在主調(diào)壓閥右側(cè),左側(cè)則受彈簧壓緊力和背壓作用。壓緊力由主動(dòng)輪的軸向移動(dòng),通過(guò)反饋桿來(lái)控制的。

圖4 CVT液壓控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.4 The hydraulic control system of CVT

即彈簧壓縮行程為：

式中：KR—彈簧剛度系數(shù)。

如圖5(a)所示,主調(diào)壓閥閥芯力平衡公式為：

式中：

pb—主調(diào)壓閥背壓,當(dāng)檔位拉索一定時(shí),是個(gè)固定值;

pDN—從動(dòng)輪油壓。

電磁測(cè)功儀轉(zhuǎn)矩不變,發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度增大時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速增大,畢托管信號(hào)油壓增大,速比調(diào)節(jié)閥閥芯左移(如圖5(b)所示),主動(dòng)輪油壓增大,主動(dòng)輪工作半徑增大;同時(shí),主調(diào)壓閥左側(cè)彈簧力減小,右側(cè)畢托管信號(hào)油壓增大,根據(jù)公式(3),從動(dòng)輪油壓減小,從動(dòng)輪工作半徑減小,這樣速比減小,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載增大,轉(zhuǎn)速降低到原值或原值附近。

圖5 液壓閥示意圖Fig.5 Hydraulic valves

同樣,發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度不變,電磁測(cè)功儀轉(zhuǎn)矩增大時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載增大,轉(zhuǎn)速降低,畢托管信號(hào)油壓減小,速比調(diào)節(jié)閥閥芯右移,主動(dòng)輪油壓降低,主動(dòng)輪工作半徑減小;同時(shí),主調(diào)壓閥左側(cè)彈簧力增大,右側(cè)畢托管信號(hào)油壓減小,根據(jù)公式(3),從動(dòng)輪油壓增大,從動(dòng)輪工作半徑增大,這樣速比增大,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載減小,轉(zhuǎn)速上升到原值或原值附近。

從上述分析知道,當(dāng)CVT檔位拉線(xiàn)一定時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定,不同的拉線(xiàn)長(zhǎng)度,控制不同的轉(zhuǎn)速;只要節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和檔位拉線(xiàn)匹配正確,完全可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)在不同節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下沿最佳動(dòng)力性(或經(jīng)濟(jì)性)工作。

3 CVT效率臺(tái)架試驗(yàn)與分析

通過(guò)測(cè)功機(jī)控制模式和CVT調(diào)速特性,可以確定CVT效率臺(tái)架試驗(yàn)方法。

3.1 傳動(dòng)比與CVT效率關(guān)系的試驗(yàn)工況

CVT效率與轉(zhuǎn)矩比r、輸入轉(zhuǎn)速nin和傳動(dòng)比iCVT有關(guān),只觀察傳動(dòng)比 iCVT與CVT效率之間關(guān)系時(shí),把轉(zhuǎn)矩比r和轉(zhuǎn)速n設(shè)為定值,所以采用n/M試驗(yàn)方法。通過(guò)CVT調(diào)速特性,由CVT檔位拉索長(zhǎng)度,使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速保持不變;通過(guò)測(cè)功機(jī)n/M控制模式,設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不變,改變測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速,使傳動(dòng)比 iCVT變化。即CVT輸入轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩設(shè)定,通過(guò)變化測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變CVT的傳動(dòng)比。

試驗(yàn)時(shí),設(shè)定三種試驗(yàn)工況：

試驗(yàn)工況1：轉(zhuǎn)矩比r=0.4(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩64 Nm),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nin=2000 rpm;

實(shí)驗(yàn)工況2：轉(zhuǎn)矩比r=0.6(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩96 Nm),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nin=2500 rpm;

實(shí)驗(yàn)工況3：轉(zhuǎn)矩比r=0.6(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩96 Nm),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nin=3000 rpm。

3.2 轉(zhuǎn)矩比與CVT效率關(guān)系的試驗(yàn)工況

觀察轉(zhuǎn)矩比r與CVT效率之間關(guān)系時(shí),應(yīng)把輸入轉(zhuǎn)速nin和傳動(dòng)比iCVT設(shè)為定值,故采用 n/P控制模式進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)CVT調(diào)速特性,由CVT檔位拉索長(zhǎng)度,使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速保持不變;通過(guò)測(cè)功機(jī)n/P控制模式,設(shè)定測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速不變,即CVT輸入輸出轉(zhuǎn)速都不變,傳動(dòng)比iCVT是定值;通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度值,來(lái)變化發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩,即CVT轉(zhuǎn)矩比變化。

設(shè)定試驗(yàn)工況：傳動(dòng)比iCVT=1.0,輸入轉(zhuǎn)速nin=1500 rpm。

3.3 效率試驗(yàn)結(jié)果與分析

各實(shí)驗(yàn)工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后,轉(zhuǎn)速比與CVT傳動(dòng)效率關(guān)系試驗(yàn)曲線(xiàn)如圖4所示,轉(zhuǎn)矩比與CVT傳動(dòng)效率關(guān)系試驗(yàn)曲線(xiàn)圖如圖5所示。

3.4 試驗(yàn)結(jié)論

1)傳動(dòng)比icvt＜1.5,CVT效率比較低,而且上下變動(dòng)差距比較大;傳動(dòng)比icvt＞1.5時(shí),CVT效率比較高,上升明顯,而且相對(duì)比較穩(wěn)定。

2)轉(zhuǎn)矩比r在0.4～0.9范圍時(shí),傳遞轉(zhuǎn)矩能力較強(qiáng),傳動(dòng)效率較高。

3)為充分發(fā)揮金屬帶傳動(dòng)的傳動(dòng)能力,又獲得較高的傳動(dòng)效率,應(yīng)使其實(shí)際傳遞轉(zhuǎn)矩為最大可傳遞轉(zhuǎn)矩的80%～90%,即轉(zhuǎn)矩比為r=0.8～0.9。

圖4 傳動(dòng)比與CVT效率試驗(yàn)曲線(xiàn)圖Fig.4 test curve with speed ratio and CVT efficiency

圖5 轉(zhuǎn)矩比與CVT效率試驗(yàn)曲線(xiàn)圖Fig.5 test curve with torqure ratio and CVT efficiency

4 小結(jié)

為了測(cè)試CVT效率,搭建了CVT試驗(yàn)臺(tái)架,該臺(tái)架的特點(diǎn)是動(dòng)力源是電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī);飛輪和電渦流測(cè)功機(jī)模擬實(shí)際路況負(fù)載;發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和CVT檔位拉索分別控制。通過(guò)測(cè)功機(jī)控制模式和CVT調(diào)試特性分析,設(shè)計(jì)了CVT效率臺(tái)架試驗(yàn)方案,觀察傳動(dòng)比icvt與CVT效率時(shí),由CVT檔位拉索長(zhǎng)度確定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速,并通過(guò)測(cè)功機(jī)n/M控制模式,設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不變,而改變測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速,使傳動(dòng)比icvt變化;觀察轉(zhuǎn)矩比r與CVT效率時(shí),由CVT檔位拉索長(zhǎng)度確定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速,并通過(guò)測(cè)功機(jī)n/P控制模式,設(shè)定測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速不變,而改變發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度值,使CVT轉(zhuǎn)矩比變化。從試驗(yàn)結(jié)果可知,為充分發(fā)揮金屬帶傳動(dòng)的傳動(dòng)能力,又獲得較高的傳動(dòng)效率,應(yīng)使其實(shí)際傳遞轉(zhuǎn)矩為最大可傳遞轉(zhuǎn)矩的80%～90%,即轉(zhuǎn)矩比為r=0.8～0.9。

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