郝允志 孫冬野 秦大同 林歆悠

1. 重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點實驗室，重慶，4000442. 西南大學(xué)智能傳動工程技術(shù)研究中心，重慶，400715

0 引言

瞬態(tài)工況占?xì)W洲行駛循環(huán)工況(new european driving cycle, NEDC)和日本10-15循環(huán)工況行駛距離的比例均在30%以上，因此瞬態(tài)工況下的傳動系統(tǒng)優(yōu)化控制對提高車輛性能具有重要意義[1-2]。對于無級變速器(continuously variable transmission, CVT)，優(yōu)化速比控制，以合理的速比變化率跟蹤目標(biāo)速比，是提高車輛瞬態(tài)工況性能的關(guān)鍵。

為提高速比控制性能，需要對傳動系統(tǒng)的特性進(jìn)行研究。Kim等[3]、何仁等[4]對速比控制閥進(jìn)行了試驗研究，分別提出了優(yōu)化的模糊控制算法和滯后補(bǔ)償算法。Kim等[5]建立液壓系統(tǒng)模型，設(shè)計了改進(jìn)的PID速比控制算法。Kim等[6]、鄧濤等[7]考慮傳動損失、系統(tǒng)響應(yīng)滯后和功率儲備等因素，提出對發(fā)動機(jī)和變速器進(jìn)行集成控制，設(shè)計了τ算法、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償算法和轉(zhuǎn)速補(bǔ)償算法。

夾緊力控制與速比控制之間具有耦合關(guān)系?，F(xiàn)有的控制方法通常對速比和夾緊力進(jìn)行獨立控制，而不考慮兩者之間的耦合關(guān)系[8-10]。分析表明，僅通過調(diào)節(jié)主動輪油缸壓力來控制速比，不能充分利用液壓系統(tǒng)的工作能力。為提高瞬態(tài)工況下的速比控制性能，本文提出對夾緊力和速比進(jìn)行協(xié)同控制，利用兩者之間的耦合作用，通過聯(lián)合調(diào)節(jié)主從動輪油缸壓力來干預(yù)速比控制，擴(kuò)大速比變化率可控范圍。從速比跟蹤性能、經(jīng)濟(jì)性、動力性、工況適應(yīng)性、傳動可靠性和舒適性等方面，對耦合干預(yù)控制方法進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明該方法能夠在不降低車輛原有性能的基礎(chǔ)上，從多方面改善車輛性能。

1 速比變化率特性分析與試驗

為建立準(zhǔn)確的傳動系統(tǒng)模型和設(shè)計控制算法，首先討論速比變化率與車輛性能的關(guān)系，分析速比變化率的影響因素，并進(jìn)行試驗。

1.1 速比變化率與車輛性能之間的矛盾

速比變化率對車輛性能的影響主要包括兩個方面：①從經(jīng)濟(jì)性和動力性方面考慮，提高速比變化率能夠使發(fā)動機(jī)和變速器更快地過渡到目標(biāo)工況，使發(fā)動機(jī)沿最佳經(jīng)濟(jì)/動力線等設(shè)定工作線運行；②從舒適性方面考慮，希望限制速比變化率，防止造成車輛頓挫或前沖而影響舒適性。由此可見，如果擴(kuò)大速比變化率的可控范圍，在速比控制中包含對速比變化率的控制，有利于進(jìn)一步提高車輛性能。

1.2 速比變化率的可控參數(shù)

速比變化率的計算公式為

(1)

穩(wěn)態(tài)下的主從動輪夾緊力之比為

(2)

(3)

在特定工況下，即速比i和主動輪轉(zhuǎn)速np已知的情況下，Ki、RF、As和Ap由變速器的固有特性和結(jié)構(gòu)決定，因此只能通過調(diào)節(jié)pp和ps來改變速比變化率。

1.3 速比變化率試驗

主從動輪夾緊力與速比之間的關(guān)系難以精確地用解析式描述，夾緊力比值的理論值與實際值存在較大誤差，因此式(3)中的Ki和RF通過CVT臺架試驗確定，在不同轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)壓力條件下，突然改變主動輪油缸壓力，根據(jù)速比變化曲線即可得到速比變化率，試驗方法在文獻(xiàn)[10]中已有論述。

RF主要取決于轉(zhuǎn)矩比和速比，其中轉(zhuǎn)矩比定義為RT=Tp/Tpmax，Tp是在系統(tǒng)壓力ps和速比i時所能傳遞的轉(zhuǎn)矩，Tpmax為其最大值。試驗結(jié)果整理后如圖1所示，該結(jié)果用于對速比變化率的分析和計算。

(a)RF的試驗結(jié)果(b)Ki的試驗結(jié)果圖1 RF和Ki的試驗結(jié)果

2 基于主動耦合干預(yù)的速比控制

2.1 主動耦合干預(yù)控制方法的基本原理

所謂主動耦合干預(yù)控制，就是對夾緊力和速比進(jìn)行協(xié)同控制，利用兩者之間的耦合作用，通過聯(lián)合調(diào)節(jié)主從動輪油缸壓力來干預(yù)速比控制，擴(kuò)大速比變化率可控范圍。速比控制包括速比增大和速比減小兩種情況，下面分別論述。

2.1.1目標(biāo)速比大于實際速比

由于降低速比變化率比較容易實現(xiàn)，因此只需研究該控制方法所能達(dá)到的最大速比變化率。根據(jù)式(3)，為了得到最大速比變化率，將速比閥卸油口開至最大，則主動輪油缸壓力pp迅速減小，可得

(4)

在特定車輛工況下，式(4)中只有ps可以直接控制，RF隨ps的變化而變化。根據(jù)圖1a容易證明，RFps隨ps的增大而增大，則最大速比變化率為

(5)

可見，在速比增大時，如果在主動輪油缸壓力降至最低時仍不能滿足對速比變化率的要求，那么就需要通過增大從動輪油缸壓力來實現(xiàn)。

2.1.2目標(biāo)速比小于實際速比

為了充分發(fā)揮液壓系統(tǒng)所能提供的最大速比變化率，主動輪油缸壓力pp應(yīng)盡可能取最大值，當(dāng)主動輪油缸壓力低于最大值ppmax時，即pp

顯而易見，為了提高速比變化率，在主動輪油缸壓力達(dá)到最大值ppmax時，不應(yīng)再繼續(xù)增大從動輪油缸壓力。根據(jù)式(3)可得

(6)

為了覆蓋夾緊力比值范圍，主從動輪液壓缸工作面積需滿足關(guān)系式：1-RFmax(As/Ap)>0，由式(6)容易得到最大速比變化率為

(7)

可見，當(dāng)目標(biāo)速比減小時，如果要提高速比變化率，在主動輪油缸壓力低于最大值ppmax時，增大從動輪油缸壓力即可提高速比變化率。

對比式(5)和式(7)，由于psmax>ppmax，并且由圖1a容易推出，RF>1-RF(As/Ap)，所以在大多數(shù)工況下，增大速比所能實現(xiàn)的最大速比變化率大于減小速比所能實現(xiàn)的最大速比變化率，這對于提高動力性和安全性是有利的，因為CVT設(shè)計中對快速降擋的要求高于對快速升擋的要求。

2.1.3速比變化率可控范圍

為了定量分析主動耦合干預(yù)控制方式對速比變化率可控范圍的影響，下面以特定工況為例，分別對速比增大和速比減小兩種情況進(jìn)行估算。取Tp=50N·m，np=1500r/min，經(jīng)計算，結(jié)果如表1所示。采用主動耦合干預(yù)控制方式，在速比增大和減小時，最大速比變化率增大為原來的3.04倍和1.26倍。由此表明，主動耦合控制方式對擴(kuò)大速比變化率可控范圍具有十分明顯的效果。

表1 速比變化率可控范圍比較

2.2 主動耦合干預(yù)控制方法的實現(xiàn)

速比控制在很大程度上就是對速比變化率的控制。由于現(xiàn)有CVT中沒有主動輪油缸壓力傳感器，不能根據(jù)目標(biāo)速比變化率計算目標(biāo)油缸壓力，并對速比變化率采取簡單的開環(huán)控制方式，故只能通過實際速比計算速比變化率，采取閉環(huán)控制方式。速比控制和夾緊力控制模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

與傳統(tǒng)的控制模型相比，該模型只增加了夾緊力修正控制器模塊，其余的模塊不作改動。借鑒現(xiàn)有文獻(xiàn)中針對傳動系統(tǒng)特性而設(shè)計的控制算法[5]，夾緊力修正控制器采用帶滯后補(bǔ)償?shù)姆侄蜳ID控制算法。系統(tǒng)壓力控制量由兩部分組成：夾緊力控制器的輸出控制量和夾緊力修正控制器的輸出控制量。

2.3 傳動可靠性和傳動效率

設(shè)計夾緊力修正控制器應(yīng)注意以下兩點：①由于提高速比變化率是通過提高系統(tǒng)壓力來實現(xiàn)的，所以實際夾緊力高于目標(biāo)夾緊力，保證了轉(zhuǎn)矩的可靠傳遞；②為了提高系統(tǒng)效率，需要在速比誤差較小時，恢復(fù)傳統(tǒng)的夾緊力控制，此時夾緊力修正控制器輸出為零，以降低夾緊力和提高傳動效率。

2.4 速比變化率的限制與舒適性

耦合干預(yù)控制僅在當(dāng)前速比變化率不能滿足要求時才提高速比變化率，旨在提供一種擴(kuò)大速比變化率可控范圍的方法，兼容現(xiàn)有的速比變化率限制方法。在速比控制中需要對速比變化率進(jìn)行限制，避免對車輛舒適性造成不利影響，速比變化率限制方法已在許多文獻(xiàn)中有論述，如根據(jù)工況計算速比變化率限制值[7]，或直接以車速、加速度或發(fā)動機(jī)有效功率作為控制目標(biāo)等。

3 耦合干預(yù)控制法的控制性能分析

為研究耦合干預(yù)控制方法的性能，將其與常規(guī)控制方法進(jìn)行較為全面的對比，考察主動耦合干預(yù)控制方法的可行性和控制效果。前文已經(jīng)對與夾緊力控制相關(guān)的傳動可靠性、傳動效率、與速比變化率相關(guān)的舒適性進(jìn)行了討論，下面對速比跟蹤性能、經(jīng)濟(jì)性、動力性、惡劣工況適應(yīng)性進(jìn)行論述。

3.1 目標(biāo)速比跟蹤性能

本文采用基于功率需求的控制策略，加速踏板開度代表駕駛員對車輛的有效功率需求。目標(biāo)速比取決于加速踏板開度和車速，通過施加階躍的加速踏板開度就可使目標(biāo)速比發(fā)生突變。

行駛工況分為5個階段：①車輛以大油門起步加速至13km/h左右，此時變矩器處于解鎖狀態(tài)，目標(biāo)速比為最大速比；②加速踏板開度突然降至10%，目標(biāo)速比減小，車速保持基本穩(wěn)定；③加速踏板開度階躍至最大值，目標(biāo)速比突然增大，車輛處于急加速工況，變矩器在車速達(dá)到15km/h時閉鎖；④車輛加速至40km/h左右時，加速踏板開度突然減小至10%，目標(biāo)速比隨之減小，車速保持基本穩(wěn)定；⑤加速踏板開度再次階躍至最大值，目標(biāo)速比再次突然增大，車輛處于急加速工況。仿真結(jié)果如圖3所示，整個過程包括變矩器解鎖工況下的速比突增和突降，變矩器閉鎖工況下的速比突增和突降，共計四種突變工況下的目標(biāo)速比跟蹤性能仿真。

圖3 目標(biāo)速比跟蹤性能仿真結(jié)果

在工況①階段，兩種控制方法的車輛起步加速性能接近，這是因為起步時的初始速比和目標(biāo)速比都是最大速比。整個起步過程的速比變化率處于較低水平，且設(shè)計液壓系統(tǒng)時就保證了常規(guī)控制方法可以滿足起步工況對速比變化率的要求。

在工況②和④階段，目標(biāo)速比減小，耦合干預(yù)控制方法使系統(tǒng)壓力增大，速比變化率略有提高，速比誤差平均減小11%。

在工況③和⑤階段，目標(biāo)速比增大，耦合干預(yù)控制方法使速比變化率有了較大提高，平均速比誤差減小53%，加速性能優(yōu)勢明顯。

3.2 經(jīng)濟(jì)性

為了分析耦合干預(yù)控制方法對經(jīng)濟(jì)性的影響，進(jìn)行了循環(huán)工況仿真，結(jié)果如表2所示。通過暫時提高系統(tǒng)壓力來調(diào)節(jié)速比變化率，在一定時間內(nèi)，必然造成夾緊力增大而傳動效率降低，同時液壓系統(tǒng)損失也會增加。

表2 兩種控制方式經(jīng)濟(jì)性對比

兩種控制方式經(jīng)濟(jì)性對比結(jié)果表明，耦合干預(yù)控制方法對循環(huán)工況的燃油經(jīng)濟(jì)性影響較小，在美國城市道路工況(urban dynamometer driving schedule, UDDS)下經(jīng)濟(jì)性略有提高。這是因為耦合干預(yù)控制僅作用于目標(biāo)速比快速變化的工況，而在循環(huán)工況中的目標(biāo)速比變化基本都比較平緩。此外，速比變化率的提高使傳動系統(tǒng)達(dá)到高效率目標(biāo)工況點更快，彌補(bǔ)了因夾緊力增大而造成的功率損失。

3.3 動力性

在3.2節(jié)中已經(jīng)討論了起步加速工況，本節(jié)從超車加速工況考察動力性能。行駛工況設(shè)定為：①車輛正常起步，至車速基本穩(wěn)定在30km/h；②為了超車，加速踏板開度突然開至最大，車輛進(jìn)入急加速工況，仿真結(jié)果如圖4所示。耦合干預(yù)控制方法提高了車輛的超車加速性能，從30km/h加速到60km/h加速時間縮短約0.7s。

圖4 超車加速仿真結(jié)果

圖4中顯示，節(jié)氣門開度階躍為最大值后的短時間內(nèi)，采用耦合干預(yù)控制方法的車輛加速性能與常規(guī)控制方法性能接近，大約1s后才開始表現(xiàn)出動力性方面的優(yōu)勢。這是因為急加速工況下的速比變化率處于限制值，發(fā)動機(jī)功率主要用于給自身和飛輪加速，傳遞至車輪的功率并未得到快速增大。

3.4 惡劣工況適應(yīng)性

車輛由冰面打滑工況突然進(jìn)入正常路面是一種比較惡劣的工況，對該工況進(jìn)行仿真有利于考察耦合干預(yù)控制方法對工況變化的適應(yīng)性。行駛工況設(shè)定為：①車輛驅(qū)動輪(前輪)位于冰面上，后輪位于滾動阻力較大的路面，車輛啟動后隨即進(jìn)入打滑工況，并逐漸穩(wěn)定；②驅(qū)動輪突然進(jìn)入水泥路面，結(jié)束打滑過程，駕駛員加大油門使車輪快速脫離冰面，車輛加速行駛。雖然后輪隨后也進(jìn)入冰面，但由于后輪不提供驅(qū)動力，僅僅使車輛滾動阻力降低，因此對車輛的行駛狀態(tài)影響較小。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 驅(qū)動輪打滑工況仿真結(jié)果

車輪打滑工況屬于輕載工況，目標(biāo)速比較小，車輛驅(qū)動能力弱，在由低附著系數(shù)路面突然進(jìn)入高附著系數(shù)路面時，需要快速提高驅(qū)動能力，要求速比快速增大。由圖5可見，采用耦合干預(yù)控制法，在車輛進(jìn)入正常路面時具有更好的加速性能，變矩器閉鎖時間提前約0.5s，從而使車輛更容易通過具有低附著系數(shù)的路段。同時由于速比變化率的提高，更容易避免金屬帶的打滑，增強(qiáng)了對道路附著系數(shù)突變等特殊工況的適應(yīng)能力。

4 結(jié)論

(1)提出了基于主動耦合干預(yù)的無級變速器速比控制方法。利用夾緊力控制與速比控制之間的耦合作用，在保證傳動可靠的基礎(chǔ)上，通過聯(lián)合調(diào)節(jié)主從動輪油缸壓力來干預(yù)速比控制，暫時提高系統(tǒng)壓力，擴(kuò)大速比變化率的可控范圍。

(2)從速比跟蹤性能、經(jīng)濟(jì)性、動力性、惡劣工況適應(yīng)性、與夾緊力相關(guān)的傳動可靠性、與速比變化率相關(guān)的舒適性等方面，研究主動耦合干預(yù)控制方法的控制性能。對踏板開度突變工況、超車加速工況、車輪打滑工況和循環(huán)工況等工況進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：主動耦合干預(yù)控制法在保證可靠性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性的前提下，改善了速比跟蹤性能，提高了動力性，增強(qiáng)了對驅(qū)動輪打滑等惡劣工況的適應(yīng)性，其中目標(biāo)速比階躍工況下的速比跟蹤誤差減小11%～53%，從30km/h加速到60km/h超車加速時間縮短約0.7s。

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