1 前言

由于發(fā)動(dòng)機(jī)特性存在全功率運(yùn)轉(zhuǎn)的可能性，無級(jí)變速器（CVT）構(gòu)成動(dòng)力系最有利的解。該系統(tǒng)的控制已經(jīng)有數(shù)值理論和實(shí)際研究論述（Boos和Vorndran，1994；Fujii和 Kanchara，1993；Ide，2000；Jantos，2001；Laan 和 Luh，1999；Dsamura 等，2001）。對于一常車輛速度，傳動(dòng)系速比選擇的基本準(zhǔn)則包括動(dòng)力系的運(yùn)轉(zhuǎn)效率

上式可明確表示發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率（ηe）和動(dòng)力系機(jī)械效率（ηCVT）的乘積，它通常與CVT的效率成比例（Akehust等，1999；F?rster，1991；Holloway，1999；Kim和Lee，1994）。解決包含瞬時(shí)狀態(tài)發(fā)生的控制問題的障礙是必需在盡可能最短時(shí)間內(nèi)，增加驅(qū)動(dòng)從動(dòng)車輪的功率，而這種改變還要保持平穩(wěn)進(jìn)行。該結(jié)果構(gòu)成數(shù)值理論和實(shí)驗(yàn)研究課題（Holloway，1999；Jantos，2001；Koch和Zeller，1987；Mamala等，2007）。此外，有許多有趣的工程設(shè)計(jì)，用一附加的機(jī)械動(dòng)力源，目的在于功率的瞬時(shí)儲(chǔ)存（Akehust等，1999；Boos和 Vorndran，1994；Fujii和 Kanehara，1993；Jantos，2001；Kim 和 Lee，1994；Vroemen和Veldpaus，2000）。但是該問題還沒有一個(gè)最終的滿意方式的解。本文開發(fā)了由于瞬時(shí)過程造成傳動(dòng)系速比改變時(shí)，作用于車輪上驅(qū)動(dòng)力的控制的討論。

2 驅(qū)動(dòng)功率增加

汽車中傳動(dòng)件的輸出功率可以由轉(zhuǎn)矩（Te）和曲軸的角速度（ωe）的乘積確定

在此公式的基礎(chǔ)上，驅(qū)動(dòng)功率的增加值可寫成

對于該情況，當(dāng)必需增加曲軸角速度時(shí)，應(yīng)考慮計(jì)入發(fā)動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)質(zhì)量的機(jī)械慣量。因此，為進(jìn)一步分析的需要，提出一個(gè)動(dòng)力系的物理模型（圖1），其中采用獨(dú)立當(dāng)量機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)慣量（Je）。

圖1 采用獨(dú)立機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)慣量動(dòng)力系模型：RCVT—CVT速比，ωW—車輪速度，JC—?dú)w并入從動(dòng)車輪軸的機(jī)械車輛慣量Fig.1 Powertrain model with isolateed mechanical engine inertia：RCVT—CVT ratio，ωW—wheel speed，JC—mechanical car intertia reduced to axis of the driven wheels

對于這種形式模型，從發(fā)動(dòng)機(jī)傳到傳動(dòng)系功率可寫成

由于汽車運(yùn)行平穩(wěn)性的要求建立一個(gè)假定，傳遞到傳動(dòng)系的功率在汽車運(yùn)行阻力下不可任意瞬時(shí)下降（防止汽車的負(fù)加速度）。在這種情況，為采用全發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩（T100），曲軸瞬時(shí)角加速度為

式中Trm：轉(zhuǎn)化至發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的汽車運(yùn)行（滾動(dòng)和拖曳）的阻力矩。

3 CVT控制

本分析對象是采用機(jī)械的CVT，其中轉(zhuǎn)矩利用摩擦力傳遞（圖2）。

需要的軸向力（A）是由應(yīng)用—液壓裝置造成的帶輪對帶側(cè)面所必需的推力（圖3）。

為CVT長壽命和機(jī)械效率的目的，該軸向推力的大小應(yīng)該是可調(diào)的。圖3示解決壓力方面，傳動(dòng)中各帶輪只有一個(gè)工作油缸，故該壓力在傳動(dòng)中碰到有一確定的傳遞轉(zhuǎn)矩和速比的邊界值。

在靜止?fàn)顟B(tài)，傳動(dòng)裝置不承受負(fù)載，軸向推力相除關(guān)系為

圖2 CVT圖：具有軸向夾緊力的驅(qū)動(dòng)帶輪和（b）CVT基本幾何參數(shù)：r—傳動(dòng)輪的半徑；a—傳動(dòng)輪的中心距，α—接觸角Fig.2 Diagram of CVT：（a）driving pulley with axial clamping force and（b）basic geometrical parameters of the CVT：r—radius of the transmission wheels，a—distance of transmission wheels，α—angle of contact

圖3 CVT內(nèi)的液壓裝置：S—帶輪推力面，p—液壓裝置內(nèi)油缸油壓，ks—彈簧剛度Fig.3 Hydraulic system in CVT：S—thrust surface in the pulleys，p—cylinders oil pressure in the hydraulic system，ks—spring rate

用該關(guān)系式表示CVT（RCVT）的運(yùn)動(dòng)速比

式中K：與傳動(dòng)裝置基本幾何參數(shù)有關(guān)的系數(shù)

式中L：CVT中帶工作長度，m。

在非靜止?fàn)顟B(tài)，傳動(dòng)裝置的動(dòng)特性可以近似采用一微分方程（Ide，2000；Jatos，2001）來描述

式中ξ：推力比的瞬態(tài)值。

δ：有關(guān)傳動(dòng)系工作狀況系數(shù)。

4 采用CVT汽車的縱向動(dòng)力學(xué)研究

根據(jù)以上理論研究，其結(jié)果合理解決了加速時(shí)，轎車瞬態(tài)過程有關(guān)必需分析的動(dòng)力系CVT控制問題。為此目的，計(jì)劃好一加速和按常速起動(dòng)和加速踏板激劇和全壓低的道路試驗(yàn)。該運(yùn)行試驗(yàn)的轎車采用的基本參數(shù)列于表1。

表1 試驗(yàn)轎車的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the examined car

圖4指出在加速度過程中，直接關(guān)系到采用CVT傳動(dòng)系控制策略。

對于動(dòng)態(tài)策略（D）的情況，用傳動(dòng)系高速比和發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速強(qiáng)烈加速來表示其特征，比較起來相對高于經(jīng)濟(jì)策略（E），傳動(dòng)系速比分析造成（圖5）可能區(qū)分試驗(yàn)過程的兩階段。

在后一階段該參數(shù)值相當(dāng)小時(shí)，用傳動(dòng)系速比快速增大來說明初始階段的特性，有關(guān)初始階段的詳細(xì)分析示于圖6和7。

在瞬態(tài)過程的試驗(yàn)初始階段，CVT中傳動(dòng)系速比增加，它關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)角速度增加。

在加速度分析階段，CVT速比增加策略E（圖6（a））幾乎高于策略E（圖7（a））情況三倍。

圖中曲線同時(shí)還指出，只有在相當(dāng)大的油門開度（圖6和7A段）CVT速比發(fā)生快速增加。

圖4 轎車加速試驗(yàn)采用的兩種控制策略的比較：（a）輸入信號(hào)和速度圖和（b）轎車加速度和發(fā)動(dòng)機(jī)速度Fig.4 Comparison between a test of car acceleration for two control strategies：（a）input signal and velocity profile and（b）car acceleration and engine speed

圖5 對于兩種控制策略從常速加速時(shí)傳動(dòng)系速比Fig.5 Drive train ratio during acceleration from constant speed for two control strategies

這樣的一CVT中的換檔速度曲線，結(jié)果為瞬時(shí)和要求傳動(dòng)系速比不同，這種CVT的滯后響應(yīng)，導(dǎo)致一不良的轎車瞬時(shí)加速度。這樣加速度快速增加超過初始階段（J），它包含點(diǎn)A和B曲線段。點(diǎn)B關(guān)系到在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相當(dāng)大角加速度影響高的換檔速度發(fā)生（圖8），它導(dǎo)致在轎車車輪上的驅(qū)動(dòng)力減少，按下式計(jì)算：

式中Rf：終傳動(dòng)比，

rW：驅(qū)動(dòng)車輪半徑。

特別對于策略E情況（圖6（b）），它表示一小轉(zhuǎn)矩剩余，在曲線轉(zhuǎn)角表明有明顯的汽車加速度。

圖6 瞬態(tài)過程的初始階段—策略E：（a）控制過程數(shù)值特性和（b）發(fā)動(dòng)機(jī)速度和車輛線性加速度Fig.6 Initial phase of the transient process—strategy E：（a）values specific for the control process and（b）engine speed and linear car acceleration

圖7 車輛加速度瞬態(tài)過程初始階段—策略D：（a）控制過程數(shù)值特性和（b）發(fā)動(dòng)機(jī)速度和轎車線性加速度Fig.7 Initial phase of the transient phase of car acceleration—strategy D：（a）values specific for the control process and（b）engine speed and linear car acceleration

圖8 兩控制策略換檔速度間比較Fig.8 Comparison between the shift speed for two control strategies

C點(diǎn)表示在傳動(dòng)系速比增加階段的末端，該加速度曲線達(dá)到最大值。

對于策略D在車輛加速度曲線內(nèi)，可以監(jiān)測到相同的關(guān)系（圖7（b））。在這種情況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大的剩余和較小的換檔速度導(dǎo)致一更有規(guī)律的曲線。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的CVT算法不能保證在瞬態(tài)過程正確的驅(qū)動(dòng)力，這是由于動(dòng)力系速比快速增大的結(jié)果?？刂葡到y(tǒng)和換檔速度關(guān)系滯后發(fā)生造成控制誤差，導(dǎo)致產(chǎn)生不規(guī)則的驅(qū)動(dòng)力。本文指出依據(jù)于換檔速度，在汽車很快加速過程中，對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩剩余可具有有利的影響。（章欽遲譯自Int.J.Vehicle Design，Vol.54No.1 2010）

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