趙 軍，尹旭峰，李雪原

(北京理工大學(xué)，車輛傳動重點實驗室，北京 100081)

前言

液壓機械式無級變速器(hydro-mechanical continuously variable transmission，HMCVT)是一種復(fù)合傳動型無級變速器，由機械路徑與液壓路徑共同完成功率傳遞。其中，機械路徑主要用于擴大變速器的調(diào)速范圍，液壓路徑用于實現(xiàn)段內(nèi)無級變速，兩路復(fù)合實現(xiàn)大功率大傳動范圍的無級變速，適用于重型車輛的傳動系統(tǒng)［1］。目前，北京理工大學(xué)研制的195kW液壓機械式無級變速器樣機已經(jīng)裝車試驗，試驗平臺為北方奔馳載貨汽車。本文中重點研究液壓機械式無級變速器與整車性能的合理匹配，制定適合于HMCVT的控制策略。

起步快速性、平穩(wěn)性和舒適性直接影響駕駛感受，也是評價車輛性能的重要指標(biāo)。載貨汽車裝用的機械式變速器通常擋位較多，起步過程換擋頻繁，且換擋時要求油門、離合器和換擋手柄的操作協(xié)調(diào)配合，在復(fù)雜路況下長時間駕駛，駕駛員的工作強度大，容易疲勞［2］。若換裝液壓機械式無級變速器，可以取消離合器操作，實現(xiàn)自動換擋，大大降低駕駛難度和工作強度。另外，通過合理設(shè)計HMCVT換擋控制策略，不但可以提高整車性能，而且可以獲得較高的燃油經(jīng)濟性［3］。

針對載貨汽車的大慣量特性和重載低速工況下液壓調(diào)速系統(tǒng)的低效率問題，須合理設(shè)計HMCVT的起步控制策略，除了滿足快速性和平穩(wěn)性等性能要求以外，還應(yīng)考慮車輛進庫、移庫和低速跟車等特殊工況的要求［4－5］。

1 HMCVT的工作原理

所研制的HMCVT采用分矩匯速型等差式無級變速機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。工作原理如下。

(1)純液壓段 通過控制制動器的接合/分離狀態(tài)，使變速器工作于純液壓段，輸入功率經(jīng)分流機構(gòu)、液壓泵和液壓馬達(dá)(即液壓路徑)，傳遞到匯流行星排，最后由匯流行星排的行星架輸出。全部功率均由液壓路徑傳遞。

(2)液壓機械段 改變制動器的接合/分離狀態(tài)，使變速器工作于液壓機械段，輸入功率一部分經(jīng)分流機構(gòu)傳遞給液壓泵和液壓馬達(dá)(即液壓路徑)，其余由機械路徑傳遞，最后在匯流行星排匯流后，通過齒圈輸出。

車輛起步時，HMCVT先由空擋換入純液壓段。隨著車速升高、傳動比減小，當(dāng)滿足換段條件后，換入液壓機械段。在液壓調(diào)速系統(tǒng)中，斜盤式雙向變量泵采用電液伺服排量控制機構(gòu)，通過控制比例電磁閥1和2的通入電流，來控制伺服活塞的位移，進而控制變量泵斜盤擺角，達(dá)到雙向變量的目的。

2 HMCVT的開環(huán)控制特性

為了掌握HMCVT的動態(tài)特性，作者對其進行了開環(huán)控制臺架試驗，圖2為試驗數(shù)據(jù)曲線。圖中深粗線表示馬達(dá)轉(zhuǎn)速，細(xì)線表示變速器輸出轉(zhuǎn)速，淺色粗線表示變量泵比例電磁閥2的電流值，淺細(xì)線表示比例電磁閥1的電流值。

由圖2可知，當(dāng)t=100s時，變量泵比例電磁閥2通電，隨后電流值按固定步長臺階式上升。當(dāng)t=160s時，電磁閥2的電流值達(dá)到0.2A，馬達(dá)開始旋轉(zhuǎn)，此時因系統(tǒng)處于純液壓段，輸出轉(zhuǎn)速隨著馬達(dá)轉(zhuǎn)速的增高而上升。當(dāng)t=280s時，由純液壓段換入液壓機械段功率循環(huán)工況，輸出轉(zhuǎn)速隨著馬達(dá)轉(zhuǎn)速的降低而增高。當(dāng)t=400s時，電磁閥2的電流值減至0.2A，馬達(dá)轉(zhuǎn)速降為零，輸出轉(zhuǎn)速不再增高。當(dāng)t=500s時，經(jīng)過純機械點進入液壓機械段功率分流工況。當(dāng)t=590s時，比例電磁閥1的電流值突破0.2A，馬達(dá)轉(zhuǎn)速開始反向增高，輸出轉(zhuǎn)速隨著馬達(dá)轉(zhuǎn)速的上升而增高。

由HMCVT樣機的開環(huán)控制臺架試驗曲線可以得到以下結(jié)論:

(1)電流值從0～0.2A是變量泵比例電磁閥的工作死區(qū)。此時變量泵的斜盤擺角為零，排量為零，所以馬達(dá)轉(zhuǎn)速為零，變速器的輸出轉(zhuǎn)速保持不變［6］;

(2)電流值從0.2～0.6A是變量泵排量的線性調(diào)節(jié)范圍。此時馬達(dá)轉(zhuǎn)速與比例電磁閥的電流值一一對應(yīng)，且線性度非常高，可認(rèn)為在此范圍內(nèi)液壓調(diào)速系統(tǒng)是線性系統(tǒng);

(3)通過控制變量泵比例電磁閥的電流大小，HMCVT具備從零速到最大輸出轉(zhuǎn)速的全程無級調(diào)速能力。

綜上所述，比例電磁閥所固有的死區(qū)特性是為HMCVT設(shè)計線性控制系統(tǒng)必須要解決的問題。此外，設(shè)計的控制系統(tǒng)必須能充分發(fā)揮HMCVT從零速到最大輸出轉(zhuǎn)速全程無級調(diào)速的能力。

3 HMCVT起步過程的控制策略

HMCVT車輛的起步過程可歸納如下:駐車擋或空擋時踩下制動踏板，發(fā)動機點火起動;換入前進擋后，慢慢松開制動踏板，車輛緩慢起步;直至制動踏板完全松開時，車輛達(dá)到起步車速。整個過程中，駕駛員僅僅通過控制制動踏板停留的位置和松開的速度，實現(xiàn)對車速的主動控制，以應(yīng)對進庫、移庫和低速跟車等各種特殊工況的要求。

3.1 控制目標(biāo)

載貨汽車的大慣量特性和液壓調(diào)速系統(tǒng)在重載低速工況下的低效率問題，對HMCVT的起步控制提出了很高要求。綜合考慮起步過程的快速性和平穩(wěn)性，控制目標(biāo)可以歸納如下:

(1)起步無延時 在制動踏板完全松開之前，車輛已經(jīng)起步，即具有一定車速;

(2)起步過程中車速變化平穩(wěn) 在制動踏板從踩下到完全松開的過程中，車速從零速向起步車速連續(xù)無級變化，即變速器傳動比可連續(xù)無級變化。

3.2 控制策略

為明確起見，定義傳動比等于輸入轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速的比值。下文作圖時用到的“速比”定義為輸出轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速的比值，即傳動比的倒數(shù)，主要是為了避免在圖中出現(xiàn)傳動比無窮大的問題。

由機構(gòu)分析可知，車輛起步、HMCVT進入純液壓段以后，變速器輸出轉(zhuǎn)速、傳動比和變量泵比例電磁閥2的電流值滿足如下關(guān)系式:

式中:i為變速器總傳動比、i1為機械路徑輸入端固定傳動比、i2為機械路徑輸出端固定傳動比;Nout、Nin為變速器輸出轉(zhuǎn)速和變速器輸入轉(zhuǎn)速;k1、k2、k3為行星排的特性參數(shù);C、Cmin、Cmax分別為比例電磁閥2工作電流、比例電磁閥最小和最大工作電流值。

因此，通過控制比例電磁閥2的電流值，即可控制變速器的傳動比，進而控制變速器的輸出轉(zhuǎn)速。

3.2.1 起步階段最大傳動比的確定

從理論上說，HMCVT具備從零速到最大輸出轉(zhuǎn)速全程無級調(diào)速的能力，即傳動比可以從無窮大連續(xù)無級變化到1。但在實際操作中，考慮到起步后HMCVT處于純液壓段，低速重載工況下總效率只有20%左右［7］，為避免在低效區(qū)工作，設(shè)定馬達(dá)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為120r/min。根據(jù)式(3)可知，變速器輸出轉(zhuǎn)速Nout的最低值約為25r/min。

式中Nm為馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

已知發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速Nin為800r/min，通過式(4)可求得起步階段最大傳動比為

不考慮液壓系統(tǒng)的泄漏流量和油液的可壓縮性，根據(jù)式(5)和式(6)可知，HMCVT處于最大傳動比32時，變量泵的排量比εp為0.36，相應(yīng)的比例電磁閥的工作電流值C為0.34A。

式中:Vpmax、Vp和Vm分別為變量泵的最大排量與實際排量和馬達(dá)的實際排量;η為液壓系統(tǒng)靜態(tài)容積效率;ωp、ωm分別為泵和馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

為了保證車輛在坡道起步時不會溜車，需要對HMCVT起步時的最大傳動比進行校核。決定最大傳動比的主要因素有:最大爬坡度、地面附著系數(shù)和車輛最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，其計算式為

式中:G為車重;f為滾動阻力系數(shù);αmax為最大爬坡度;r為車輪半徑;Ttqmax為發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩;i0為主減速器傳動比;ηT為傳動效率。一般貨車的最大爬坡度約為30%，即αmax約為16.7°。試驗用北方奔馳載貨汽車的參數(shù)如表1所示。

表1 HMCVT試驗用車的參數(shù)

將上述參數(shù)值代入式(7)，可得

由此可知，設(shè)定的最大傳動比大于校核值，滿足在最大坡度的坡道上起步的要求。起步車速約為0.8km/h，可以滿足起步平穩(wěn)無沖擊的要求。

3.2.2 起步階段最小傳動比的確定

根據(jù)控制目標(biāo)，起步階段結(jié)束時車輛應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定的起步車速。其設(shè)定值必須考慮車輛進庫、移庫和低速跟車等特殊工況的要求。參考試驗用車原機械變速器的最低擋車速，設(shè)定起步車速為3km/h。因車輛起步時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速不能低于怠速轉(zhuǎn)速，故起步階段的最小傳動比的計算式為

式中:Nin為發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速;v為起步車速。由式(9)可得

3.2.3 過渡過程的傳動比控制策略

確定了起步階段的最大和最小傳動比，其間的過渡過程應(yīng)保證當(dāng)制動踏板勻速松開時，傳動比能從最大值32平穩(wěn)變化至最小值10。另外，當(dāng)變速器實際傳動比已大于最大傳動比時，應(yīng)該保證制動踏板的輕微下移都會使傳動比急劇增加，令馬達(dá)轉(zhuǎn)速和輸出力矩均迅速減至零，保證制動器對車輛具有可靠的制動效果。

利用e指數(shù)函數(shù)在零點附近變化平緩、遠(yuǎn)離零點時急劇上升的特點，可以設(shè)定起步階段過渡過程中傳動比與制動踏板位置之間的關(guān)系為

式中:i為變速器傳動比，B為制動踏板的位移，二者關(guān)系如圖3所示。

由圖3可見，傳動比的變化經(jīng)歷如下。

(1)制動踏板踩下位移較大、B＞0.2時，傳動比i＞74，可近似認(rèn)為傳動比為無窮大。此時變量泵的斜盤擺角為零，馬達(dá)轉(zhuǎn)速和輸出力矩為零，變速器沒有功率輸出。

(2)制動踏板松開初期，B從0.2減至0.12，傳動比從74(近似認(rèn)為無窮大)迅速降至32。在此過程中，制動器對車輪的制動力矩仍然大于馬達(dá)輸出力矩，車速保持為零。

(3)制動踏板松開后期，B從0.12逐漸減至0，傳動比從32平穩(wěn)降至10。在此過程中，制動器對車輪的制動力矩小于馬達(dá)輸出力矩，車輛在受控狀態(tài)下緩慢起步。

(4)制動踏板完全松開，B=0時，傳動比減至10，并維持不變，車輛達(dá)到穩(wěn)定的起步車速3km/h。

通過分析可知，上述傳動比控制策略可以實現(xiàn)HMCVT載貨汽車起步階段的預(yù)期控制目標(biāo)。

3.3 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)HMCVT起步階段的傳動比控制策略，設(shè)計開發(fā)了圖4所示的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)。

首先，目標(biāo)傳動比生成器根據(jù)制動踏板位置、變速器輸入轉(zhuǎn)速(即發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速)和變速器輸出轉(zhuǎn)速生成目標(biāo)傳動比，然后通過增量式PID控制模塊計算得到PWM占空比，調(diào)節(jié)變量泵比例電磁閥的電流值，使變量泵斜盤擺角發(fā)生改變，進一步使馬達(dá)轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，最后決定變速器輸出轉(zhuǎn)速。

通過試驗測定，當(dāng)PWM占空比為40%時，變量泵比例電磁閥的通入電流約為0.2A。據(jù)此，在控制系統(tǒng)中設(shè)計并加入了電磁閥死區(qū)處理模塊，將PID輸出的PWM占空比下限設(shè)為40%，直接跳過死區(qū)電流區(qū)段，而不是從零電流開始調(diào)節(jié)，解決了電磁閥死區(qū)可能引起的起步延時問題。

另外，增量式PID閉環(huán)控制不但可以實現(xiàn)對傳動比的精確控制，同時，利用PID控制系統(tǒng)參數(shù)適應(yīng)范圍寬、魯棒性好的特點，解決了電磁閥電流溫漂、容積式液壓調(diào)速系統(tǒng)的效率隨轉(zhuǎn)速和壓力而變等非線性問題。

4 HMCVT起步過程實車試驗

為了驗證液壓機械無級變速器HMCVT的起步控制策略的合理性和PID控制系統(tǒng)工作的正確性與可靠性，對試驗車的起步性能進行實車測試，試驗結(jié)果如圖6所示。圖6(a)為制動踏板位置與速比的時間歷程，圖中B表示制動踏板位置，i1表示速比計算值，i2表示速比試驗值。圖6(b)為制動踏板位置與變速器輸出轉(zhuǎn)速的時間歷程，圖中Nout2表示輸出轉(zhuǎn)速計算值，Nout1表示輸出轉(zhuǎn)速試驗值。

由圖5可知，起步過程中隨著制動踏板緩慢松開，速比逐漸增加(即傳動比減小)。當(dāng)t=3.5s時，變速器輸出轉(zhuǎn)速開始大于0，車輛起步，此時制動踏板位置約為0.08，速比約為0.03(即傳動比約為33)。隨后，輸出轉(zhuǎn)速繼續(xù)平穩(wěn)增加，直至制動踏板完全松開時，速比升至0.1(即傳動比為10)，變速器輸出轉(zhuǎn)速升至80r/min，相當(dāng)于車速3km/h。由圖6(a)可知，在整個起步過程中速比的試驗值i2與計算值i1吻合較好。而在圖6(b)中，輸出轉(zhuǎn)速的試驗值Nout1與計算值Nout2在t=4s之后吻合較好，在t=4s之前計算值Nout2略大于試驗值Nout1。其原因為:制動踏板踩下時，車輪受到制動力矩的作用，使得輸出轉(zhuǎn)速為零，而計算值未考慮制動力矩的實際影響，所以不為零。隨著制動踏板逐漸松開，制動力矩對輸出轉(zhuǎn)速的影響逐漸減小，試驗值與理論值逐漸重合。

由試驗結(jié)果可知，車輛起步平穩(wěn)、無延時，各個關(guān)鍵點的數(shù)據(jù)值與第3節(jié)中設(shè)計的控制策略相符，表明HMCVT的起步控制策略設(shè)計合理，PID控制系統(tǒng)工作正常，可以滿足HMCVT載貨汽車的起步控制要求。

5 結(jié)論

通過開環(huán)控制臺架試驗，證實了液壓機械無級變速器具備從零速到最高輸出轉(zhuǎn)速全程無級變速的能力;發(fā)現(xiàn)在采用電液伺服排量控制機構(gòu)的液壓調(diào)速系統(tǒng)中，變量泵比例電磁閥固有的死區(qū)特性對車輛的起步延遲有嚴(yán)重影響。針對載貨汽車的大慣量特性和液壓調(diào)速系統(tǒng)在重載低速工況下的低效率問題，綜合考慮起步過程的快速性和平穩(wěn)性，設(shè)計了與制動踏板位置相關(guān)的起步過程控制策略和相應(yīng)的電磁閥死區(qū)處理方法，并開發(fā)了增量式PID閉環(huán)控制系統(tǒng)。實車測試結(jié)果表明:車輛起步平穩(wěn)、無延時，控制策略設(shè)計合理，控制器工作正常，可以滿足HMCVT載貨汽車的起步控制要求。

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