薛殿倫，楊 凱，程金接，吳 軍

(1.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082;2.杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心工程研究所，杭州 311203)

前言

金屬帶式無(wú)級(jí)變速器(continuously variable transmission，CVT)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)級(jí)變速，能夠使汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和行駛阻力達(dá)到最佳的匹配，從而提高整車的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，并降低排放。在我國(guó)CVT已成功應(yīng)用于多款自主品牌乘用車上。

夾緊力控制通過(guò)對(duì)從動(dòng)帶輪的可動(dòng)部分施加一定的夾緊力，把發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率可靠地傳遞到驅(qū)動(dòng)車輪，并盡可能減少功率損失。因此，夾緊力控制是CVT的關(guān)鍵問(wèn)題。在汽車運(yùn)行的不同工況下，只有將夾緊力控制在目標(biāo)值的小范圍內(nèi)，才能有效提高傳動(dòng)系的效率。夾緊力過(guò)大，將增加金屬帶與帶輪徑向滑動(dòng)引起的摩擦損失，降低傳動(dòng)系的效率;如果夾緊力過(guò)小，金屬帶則會(huì)在帶輪上打滑，增加金屬帶與帶輪的摩擦損失和磨損，無(wú)法保證轉(zhuǎn)矩的可靠傳遞，降低CVT的使用壽命。

本文中以CVT為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定出了臨界夾緊力，并引入反應(yīng)溫度變化的修正系數(shù)，同時(shí)利用模糊算法來(lái)確定各種不同工況下的安全系數(shù)，從而獲得金屬帶的目標(biāo)夾緊力。整車試驗(yàn)表明，該方法確定的目標(biāo)夾緊力可提高金屬帶的壽命和CVT的傳動(dòng)效率。

1 速比變化時(shí)CVT的最小夾緊力

1.1 傳統(tǒng)的CVT目標(biāo)夾緊力的確定方法

CVT通常采用主從控制方法，即通過(guò)對(duì)主動(dòng)帶輪的控制實(shí)現(xiàn)速比控制，同時(shí)控制從動(dòng)輪的軸向夾緊力，來(lái)保證需要的傳遞轉(zhuǎn)矩。而從動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)矩可靠傳遞所需的最小夾緊力為［1-2］

式中:QDN為從動(dòng)帶輪的夾緊力;Tout為從動(dòng)帶輪的傳遞轉(zhuǎn)矩;RDN為從動(dòng)帶輪工作半徑;Tin為主動(dòng)帶輪的傳遞轉(zhuǎn)矩;α為帶輪半錐角;μ為金屬帶與帶輪之間的摩擦因數(shù);RDR為主動(dòng)帶輪工作半徑。

由于速比控制和夾緊力控制是同時(shí)進(jìn)行的，兩者相互耦合，為保證主、從動(dòng)帶輪夾緊力都能滿足轉(zhuǎn)矩傳遞的要求，通常須加一定的安全系數(shù)，即

1.2 速比變化時(shí)的最小夾緊力

汽車在行駛過(guò)程中須滿足汽車行駛方程式［3］:

式中:iCVT為CVT的變速比;i0為主減速器的傳動(dòng)比;η為傳動(dòng)效率;r為車輪滾動(dòng)半徑;m為汽車質(zhì)量;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);CD為風(fēng)阻系數(shù);A為迎風(fēng)面積;ρ為空氣密度;ur為相對(duì)速度;i為道路坡道;δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

將式(1)代入式(3)得

式(5)反映了汽車行駛阻力和CVT速比變化情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞所需的最小夾緊力。

2 目標(biāo)夾緊力的修正

2.1 臨界夾緊力的試驗(yàn)標(biāo)定

CVT在變速過(guò)程中，金屬帶的長(zhǎng)度L保持不變，滿足下面關(guān)系［4］:

圖1為臨界夾緊力標(biāo)定試驗(yàn)裝置。發(fā)動(dòng)機(jī)由電機(jī)代替進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，負(fù)載電機(jī)來(lái)模擬路面負(fù)載，合理控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩的輸出，使其滿足多種工況下道路負(fù)載的模擬。使用轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)驅(qū)動(dòng)和負(fù)載的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。某國(guó)產(chǎn)CVT從動(dòng)帶輪油缸壓力采用反比例電磁溢流閥來(lái)控制。其好處是，除能連續(xù)平穩(wěn)地控制從動(dòng)油缸的壓力外，當(dāng)控制量最小時(shí)，從動(dòng)油缸的壓力最大，保證電控系統(tǒng)失效時(shí)，車輛仍可運(yùn)行。

在傳動(dòng)過(guò)程中，金屬帶不打滑時(shí)應(yīng)滿足:

圖2為占空比與從動(dòng)輪油缸壓力的關(guān)系曲線。由于液壓泵流量隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化和溢流閥自身因素等的影響，夾緊力電磁閥實(shí)際工作中存在死區(qū)和飽和現(xiàn)象。夾緊力控制采用帶前饋防止積分回繞的PID控制器，解決了常規(guī)夾緊力控制過(guò)程中，積分累加使系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題［5］。

夾緊力的控制過(guò)程為:根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和CVT的速比確定出目標(biāo)夾緊力，與壓力傳感器采樣的實(shí)際加緊力進(jìn)行差值運(yùn)算，通過(guò)控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出PWM信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)夾緊力控制閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。

標(biāo)定時(shí)，調(diào)整CVT的油溫，使其保持在CVT要求的工作溫度范圍內(nèi)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩保持不變，CVT的速比以0.1的間隔從最大減到最小，在某一速比條件下，不斷去降低從動(dòng)油缸的夾緊力，如果在某一位置主從動(dòng)油缸夾緊力出現(xiàn)不平衡，導(dǎo)致速比波動(dòng)大于4%，定義此時(shí)的夾緊力為臨界夾緊力Q臨界。改變驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，重復(fù)上述操作，完成整個(gè)臨界夾緊力的試驗(yàn)標(biāo)定。臨界夾緊力反映了金屬帶所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩［6］。

圖3為CVT臨界夾緊力的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，每個(gè)輸入轉(zhuǎn)矩 Tin和 CVT的速比，對(duì)應(yīng)一個(gè)Q臨界。在汽車實(shí)際傳動(dòng)過(guò)程中，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線，通過(guò)節(jié)氣門開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)二次插值計(jì)算出此時(shí)變速器的輸入轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而求出此刻的臨界夾緊力Q臨界。然而，汽車在運(yùn)行過(guò)程中，暖風(fēng)機(jī)、空調(diào)、散熱風(fēng)扇和發(fā)電機(jī)等會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性。在傳動(dòng)過(guò)程中，加、減速時(shí)的慣性力矩和傳動(dòng)帶運(yùn)轉(zhuǎn)的離心力也會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性產(chǎn)生很大的影響。實(shí)踐證明，在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程中，動(dòng)態(tài)工況占66%～80%。因此，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線進(jìn)行試驗(yàn)修正，才能實(shí)時(shí)反映出CVT工作瞬間所需的臨界夾緊力。

2.2 溫度變化時(shí)臨界夾緊力的修正

在CVT中，金屬帶傳動(dòng)屬于摩擦傳動(dòng)，金屬帶的轉(zhuǎn)矩傳遞是靠金屬帶的摩擦片側(cè)面與錐盤的摩擦力實(shí)現(xiàn)的。因此帶輪錐面與摩擦片之間的摩擦因數(shù)μ是決定其傳動(dòng)能力的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

影響摩擦因數(shù)μ的因素有:①表層性質(zhì);②材料性質(zhì);③相對(duì)運(yùn)動(dòng)性質(zhì);④載荷(接觸面之間的壓力);⑤表面粗糙度;⑥溫度。當(dāng)一款CVT各部分的結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)確定以后，影響CVT工作的摩擦因數(shù)μ只與溫度、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和載荷有關(guān)。由于載荷對(duì)摩擦因數(shù)μ的影響是在接觸面之間發(fā)生塑性變形引起的，在CVT的傳動(dòng)中可不考慮。

傳動(dòng)中的徑向摩擦因數(shù)μR和切向摩擦因數(shù)μT滿足摩擦圓的約束法則:

徑向摩擦因數(shù)μR的變化主要是CVT在實(shí)現(xiàn)速比變化時(shí)，發(fā)生徑向移動(dòng)，引起接觸面間溫度變化造成的。所以在油溫不變的情況下，可認(rèn)為其保持不變。

在CVT的傳動(dòng)中，隨著油溫的升高，金屬帶和錐盤之間的摩擦因數(shù)μ會(huì)降低。

由式(10)可知，摩擦因數(shù)μ是影響夾緊力控制的重要因素。在夾緊力標(biāo)定試驗(yàn)中，將基準(zhǔn)工作油溫對(duì)應(yīng)的摩擦因數(shù)記為μ0。如果實(shí)際工作油溫對(duì)應(yīng)的摩擦因數(shù)為μ，則定義其比值為修正系數(shù)γ，即

由式(1)可得:Q修正=γQ臨界，修正方法見(jiàn)圖4。

2.3 夾緊力控制過(guò)程中安全系數(shù)的確定在實(shí)際工作中目標(biāo)夾緊力為

影響夾緊力的因素主要有:速比、節(jié)氣門開(kāi)度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、從動(dòng)油缸轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化、液力變矩器的變矩比，以及諸如油溫、空調(diào)負(fù)荷、油泵負(fù)荷和路面情況等運(yùn)行狀況。

在傳統(tǒng)的夾緊力控制系統(tǒng)中，綜合考慮上述因素，β通常取為定值，一般取值范圍為1.0≤β≤1.3。

如果β選擇過(guò)小，會(huì)增加金屬帶和帶輪的滑轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)，影響金屬帶轉(zhuǎn)矩的安全傳遞和增加金屬帶與帶輪的磨損;如果β選擇過(guò)大，在變速過(guò)程中不僅會(huì)增加金屬帶和帶輪徑向的摩擦損失，而且會(huì)增加金屬環(huán)的張力。

因此要想得到理想的目標(biāo)夾緊力，必須根據(jù)運(yùn)行的不同工況合理地調(diào)整安全系數(shù)β。

為提高控制系統(tǒng)對(duì)外界負(fù)載的抗擾能力、運(yùn)行工況的自適應(yīng)能力和魯棒性，得到理想的從動(dòng)輪目標(biāo)夾緊力，設(shè)計(jì)了三維模糊算法，如圖5所示。

三維模糊計(jì)算器的3個(gè)輸入為汽車車速v、節(jié)氣門開(kāi)度α、節(jié)氣門開(kāi)度變化率α'，輸出為安全系數(shù)β。汽車車速和節(jié)氣門開(kāi)度反應(yīng)汽車運(yùn)行的工況，節(jié)氣門開(kāi)度變化率反映了下一步傳遞轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)，可作為一種預(yù)判來(lái)補(bǔ)償液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的滯后性。用三維模糊計(jì)算器計(jì)算出的安全系數(shù)β，是根據(jù)汽車運(yùn)行的實(shí)時(shí)工況計(jì)算出來(lái)的，可在不同的速比情況下將從動(dòng)輪目標(biāo)夾緊力控制在最佳范圍內(nèi)，并可提高從動(dòng)夾緊力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。車速的物理論域?yàn)椋?，160］，由低到高分成5個(gè)模糊級(jí)別:vVS(極低速)、vS(低速)、vM(中速)、vMH(中高速)、vH(高速)，隸屬函數(shù)采用梯形函數(shù);節(jié)氣門開(kāi)度的物理論域?yàn)椋?，1］，由小到大分成 5 個(gè)模糊級(jí)別:αVL(極小)、αL(小)、αM(中)、αMH(中大)、αH(大)，隸屬函數(shù)采用梯形函數(shù);節(jié)氣門開(kāi)度變化率由小到大分成5種模糊級(jí)別:α'NB(負(fù)大)、α'NS(負(fù)小)、α'Z(零)、α'PS(正小)、α'PB(正大)，隸屬函數(shù)采用梯形函數(shù);安全系數(shù)從小到大分為3個(gè)模糊級(jí)別:βNB(小)、βZO(中)、βPR(大)。隸屬函數(shù)如圖6所示。

安全系數(shù)的模糊控制規(guī)則如表1所示。理論上解模糊問(wèn)題使用重心法比較合理，但計(jì)算比較復(fù)雜，占用內(nèi)存較大，實(shí)時(shí)性較差。因此選用簡(jiǎn)單的最大隸屬度方法，對(duì)模糊輸出變量進(jìn)行模糊判決。

表1 安全系數(shù)的模糊控制規(guī)則

3 試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證CVT夾緊力的溫度修正和安全系數(shù)的模糊算法，對(duì)試驗(yàn)車力帆520裝備了某國(guó)產(chǎn)CVT，進(jìn)行了各個(gè)工況下的試驗(yàn)研究。其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 試驗(yàn)車主要參數(shù)

圖7為節(jié)氣門快速變化下各參數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在節(jié)氣門動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，從動(dòng)帶輪的目標(biāo)夾緊力能很好地保證CVT動(dòng)力的有效傳遞，實(shí)際夾緊力能很好地跟蹤目標(biāo)夾緊力，從而滿足了CVT速比變化能要求。同時(shí)對(duì)試驗(yàn)車進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)的CVT錐輪錐盤和金屬帶的磨損量維持在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

CVT控制系統(tǒng)中，夾緊力控制是核心問(wèn)題之一，本文中通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，標(biāo)定出了臨界夾緊力，引入溫度修正系數(shù)以考慮溫度變化的影響;并利用模糊算法確定各種不同工況下的安全系數(shù)，從而確定金屬帶的目標(biāo)夾緊力。實(shí)車試驗(yàn)的結(jié)果表明，此方法確定的目標(biāo)夾緊力能適應(yīng)各種工況的變化，保證金屬不打滑和動(dòng)力傳遞安全可靠，有效降低了用傳統(tǒng)方法確定的目標(biāo)夾緊力，提高了CVT的傳動(dòng)效率。

［1］井手撤，內(nèi)山博一，米田毅，等.金屬VベルトCVTの變速メカニズムにつ［J］.JSAE 20014044.2001，32(1).

［2］井手徹.金屬ベルトCVT關(guān)して［J］.自動(dòng)車技術(shù)，2000，54(4).

［3］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000:2-18.

［4］程乃士.汽車金屬帶式無(wú)級(jí)變速器—CVT原理和設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:34-55.

［5］付鐵軍，周云山，張寶生.金屬帶式無(wú)級(jí)變速器電液控制系統(tǒng)的試驗(yàn)研究［J］.汽車工程，2003，25(4):384-388.

［6］曹成龍，周云山，高帥，等.金屬帶式無(wú)級(jí)變速器夾緊力試驗(yàn)研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，37(7):23-26.