盧師秋, 谷城, 彭柳雁, 唐紅云, 黃仁熠

(柳州上汽汽車(chē)變速器有限公司柳東分公司，廣西柳州 545005)

0 引言

隨著中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，自動(dòng)變速器成為車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中關(guān)鍵部件，各種形式的自動(dòng)變速器，如AT、DCT、CVT等，也得到快速的發(fā)展[1]。為了滿足國(guó)家日益嚴(yán)苛的油耗法規(guī)要求，踐行汽車(chē)企業(yè)節(jié)能減排的社會(huì)責(zé)任，以及滿足客戶對(duì)車(chē)輛舒適性的需求，自動(dòng)變速器的發(fā)展呈現(xiàn)多擋化、電氣化的趨勢(shì)[2-3]。

無(wú)級(jí)變速器(Continuously Variable Transmission，CVT)具有連續(xù)變化傳動(dòng)系統(tǒng)的速比、且換擋無(wú)沖擊的優(yōu)點(diǎn)，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能地運(yùn)行在效率較高的區(qū)域。因此，CVT的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用也得到了大力的發(fā)展，在市場(chǎng)中的份額也有上升[4-5]。

TCU(Transmission Control Unit，變速器控制單元)是自動(dòng)變速器開(kāi)發(fā)中極其重要的一環(huán)，自動(dòng)變速器控制策略以及匹配工作的好壞，直接影響到車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)性能、動(dòng)力性能以及舒適性能。在控制策略方面，為了進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力，減少行車(chē)過(guò)程中怠速停車(chē)時(shí)油耗，徐玄之[6]基于液力自動(dòng)變速器(AT)開(kāi)發(fā)了NIC(Neutral Idle Control，空擋怠速控制)功能，該功能在實(shí)車(chē)測(cè)試中，實(shí)現(xiàn)了0.2～0.3 L/(100 km)的節(jié)能效果。在匹配方面，羅勇等人[7]綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和CVT的效率，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛最佳經(jīng)濟(jì)性控制，相比只考慮發(fā)動(dòng)機(jī)最佳控制，燃油經(jīng)濟(jì)性有效提升約2%。

液力變矩器(Hydraulic Torque Converter，TC)作為多數(shù)CVT的起步離合器，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛起步增扭和柔性起步的功能。在起步階段，TC未鎖止時(shí)，傳遞效率比較低。因此，TC液力性能的選擇和控制策略的開(kāi)發(fā)是CVT提高燃油經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)方向。作者針對(duì)CVT的開(kāi)發(fā)，分析TC的液力特性，通過(guò)搭建整車(chē)模型和控制模型，對(duì)比不同TC液力性能以及NIC功能對(duì)整車(chē)經(jīng)濟(jì)性的影響，以便為了開(kāi)發(fā)新的CVT或者升級(jí)現(xiàn)有CVT時(shí)，更好地選擇適合的TC。

1 CVT結(jié)構(gòu)及怠速空擋原理

現(xiàn)有的CVT結(jié)構(gòu)由TC、DNR(Drive, Neutral, Reverse)離合器、鋼帶帶輪變速機(jī)構(gòu)、減速器以及差速器組成，如圖1所示。

TC一般由泵輪、渦輪、導(dǎo)輪以及鎖止離合器組成。泵輪與發(fā)動(dòng)機(jī)端連接，渦輪則與變速器端連接，導(dǎo)輪固定不動(dòng)，而鎖止離合器則是在滿足鎖止條件的情況下進(jìn)行結(jié)合。

圖1 CVT布置結(jié)構(gòu)

液力變矩器的液力特性關(guān)系[8]如公式(1)—(4)所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：αSR為轉(zhuǎn)速比；nTurb為渦輪轉(zhuǎn)速，r/min；nImp為泵輪轉(zhuǎn)速，r/min；βTR為扭矩比；tqTurb為渦輪扭矩，N·m；tqImp為泵輪扭矩，N·m；γCC為能容系數(shù)，N·m·min2/r2；φKF為K系數(shù)，r/(min·N1/2·m1/2)。

根據(jù)液力變矩器生產(chǎn)廠家提供的3組TC數(shù)據(jù)，分別記為T(mén)C#1、TC#2、TC#3，利用上述公式，可以計(jì)算得到與發(fā)動(dòng)機(jī)端相連的泵輪扭矩，如圖2所示。

圖2 三組液力變矩器轉(zhuǎn)速比與泵輪扭矩關(guān)系

由圖2可知，在泵輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，泵輪扭矩呈現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速比增加，先緩慢增長(zhǎng)(或下降)，然后迅速減少的趨勢(shì)。開(kāi)啟怠速空擋功能后，離合器處于滑摩或解鎖的狀態(tài)，當(dāng)TC轉(zhuǎn)速比處于較大值，使泵輪的扭矩小于轉(zhuǎn)速比為0時(shí)的扭矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載扭矩也隨之下降。

2 仿真模型

整車(chē)仿真模型及控制模型如圖3所示。

圖3 整車(chē)仿真模型

仿真方案均采用同一整車(chē)及變速器模型，通過(guò)在整車(chē)模型中更換TC性能數(shù)據(jù)或者在TCU控制邏輯中開(kāi)啟或者關(guān)閉NIC功能，來(lái)對(duì)比TC性能和NIC功能對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

3 結(jié)果分析

為了評(píng)估TC性能和NIC功能的節(jié)能效果，仿真采用NEDC作為測(cè)試循環(huán)。仿真結(jié)果如表1所示。

由表1和圖4可知：

(1)怠速時(shí)更低的TC泵輪(發(fā)動(dòng)機(jī))扭矩，油耗也會(huì)更低。

(2)開(kāi)啟NIC功能后，燃油經(jīng)濟(jì)性均有提升，如圖4(b)所示。

(3)關(guān)閉NIC功能時(shí)TC泵輪扭矩越大，開(kāi)啟NIC功能后帶來(lái)的節(jié)能潛力越大，如圖4(c)所示。

圖4 NEDC循環(huán)油耗對(duì)比

選取NEDC循環(huán)中t=30～45 s的區(qū)間，該區(qū)間為行駛過(guò)程中處于前進(jìn)擋、車(chē)速為零的工況。圖5為T(mén)C#3的仿真結(jié)果，可知：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在怠速轉(zhuǎn)速，由于開(kāi)啟了怠速空擋的功能，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降約49.63%，燃油消耗量下降約26.85%。

圖5 TC#3仿真結(jié)果

圖6和圖7分別是關(guān)閉NIC功能和開(kāi)啟NIC功能的對(duì)比。不同TC液力性能，怠速時(shí)的泵輪(發(fā)動(dòng)機(jī))扭矩也不一致，也會(huì)導(dǎo)致此時(shí)燃油消耗量不一樣。

圖6 關(guān)閉NIC功能發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)比

圖7 開(kāi)啟NIC功能發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)比

圖8為NIC開(kāi)啟前后的扭矩和燃油消耗量的對(duì)比。扭矩下降幅度和燃油消耗量下降幅度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，這與怠速時(shí)燃油消耗率有關(guān)。

圖9為怠速轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載扭矩和燃油消耗率的關(guān)系。圖9中空心圓點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試得到的燃油消耗率數(shù)據(jù)。在臺(tái)架上，扭矩接近為零的數(shù)據(jù)難以控制。因此，根據(jù)數(shù)據(jù)分布的規(guī)律，進(jìn)行了向外插值。

圖8 怠速扭矩和燃油消耗量對(duì)比

圖9 怠速轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和燃油消耗率的關(guān)系

由圖9可知：怠速轉(zhuǎn)速下燃油消耗率隨著扭矩的增加，先急劇下降后平緩。TC#1未開(kāi)啟NIC功能時(shí)，扭矩已經(jīng)處于較小值，開(kāi)啟NIC功能后，即使扭矩下降的幅度較大，由于燃油消耗率的快速上升，經(jīng)濟(jì)性能提升的效果有限。相比之下，TC#3未開(kāi)啟NIC功能時(shí)，扭矩處于中值偏小，開(kāi)啟NIC功能后，扭矩下降幅度雖然有限，但是燃油消耗率上升幅度較小，因此，經(jīng)濟(jì)性能提升得更明顯。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)TC的性能進(jìn)行分析，分析3種不同的TC液力性能和NIC功能的開(kāi)關(guān)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，以便開(kāi)發(fā)或升級(jí)CVT時(shí)，更好地選擇TC的性能和開(kāi)發(fā)TC的控制策略。通過(guò)以上研究，有以下的結(jié)論：

(1)選擇φKF較大(γCC較小)的TC和開(kāi)發(fā)NIC功能，有效降低怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，可以降低怠速的燃油消耗量；

(2)節(jié)能效果提升的幅度與TC的液力性能、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的燃油消耗率有關(guān)。