金属带式无级变速器耦合问题研究

论文摘要

随着我国汽车的产量越来越高,越来越多的家庭拥有了私人汽车。物流的高速发展也使得对汽车的需求不断增加。2010年我国预计汽车销售量达到1800万辆。能源问题和环境问题变的更加重要。金属带式无级变速器（Push V-belt Continuously Variable Transmission）因其节能减排的优点越来越多的被应用在汽车上。金属带式无级变速器的传动比控制与夹紧力控制是其控制技术中最重要的两个部分,由于结构和传动机理的原因,传动比控制与夹紧力控制的耦合问题一直困扰着这个领域的研究人员。原有的解决方法为了解决耦合而使无级变速器的传动效率无法提高到更好的水平。目前由于气候、能源等各种问题,节能减排的呼声越来越高,而且金属带式无级变速器的传动效率研究也有了很大的进展。因此需要一种合适的控制方法能够解决耦合产生的影响,使金属带式无级变速器的传动效率的研究成果得到发挥。因此,本文在金属带式无级变速器的传动效率的研究基础上对金属带式无级变速器的传动比控制与夹紧力控制的耦合问题进行了以下几个方面研究：1)从金属带传动的运动学关系入手,对金属带式无级变速传动器的结构和传动机理进行了分析。结合金属环和金属片的受力分析建立了金属带传递转矩的数学模型。针对金属带式无级变速器传动效率较低的问题,从三个方面对传动损失产生的机理进行了研究,并建立了详细的数学模型。利用Matlab对传动损失的影响因素进行了仿真。结果表明,金属带式无级变速器的传动损失受夹紧力的影响非常明显。2)对金属带式无级变速器传动比控制与夹紧力控制之间的耦合关系进行了研究。分析了两者耦合关系的形成原因,确定了耦合的结构及逻辑关系,并建立了耦合关系的数学模型。提出了评价耦合影响程度的评价指标为传动比的变化量和传动比的变化率。通过对静态径向力学平衡、动态径向力学平衡和传递转矩时金属带的受力情况的理论分析,提出了除输入压力外,初始传动比、负荷扭矩和初始夹紧力也是相对增益的重要影响因素。并通过实验对理论分析的结论进行了验证。3)通过解耦理论对金属带式无级变速器传动比与夹紧力的解耦控制方法进行了研究。在此基础上设计并分析了针对耦合问题的三种夹紧力控制控制策略,在各种夹紧力控制模式下结合前人的研究,对耦合条件下的传动比控制策略进行了研究,分析了不同控制策略的特点及对耦合现象的影响。并对各种控制策略的解耦效果做了较为详细的分析。针对夹紧力的滑转控制模式进行了分析,提出了在这种强耦合的模式下,需要设计一套较为复杂的控制方法解决耦合问题。并在此基础上,提出了反馈线性化解耦和前馈式补偿PID控制两种方案,并对这两种方案的可行性进行了分析。4)通过实验,对滑转控制模式下金属带式无级变速器的夹紧力与传动比控制之间的耦合进行了研究。设计了滑转率测算方法,将偏移距造成影响进行了分析,并通过实验验证了测算方法的准确性。与未考虑偏移距的滑转率测算方法相比准确率提高了0.37%。在此基础上进一步的实现了以滑转率为目标的夹紧力控制,分析了影响滑转控制稳定的因素,为滑转控制下的耦合规律研究打下了基础。在实现了滑转控制的基础上,设计了两种滑转模式下不同负荷转矩与不同传动比所对应的滑转率为2%时的临界夹紧力测量方法。通过试验获取了临界夹紧力数据表,并用两种测量方法相互验证,保证了测量的准确定。在临界夹紧力确定的基础上,设计了获取耦合规律的实验方法。通过大量的试验,获取了滑转率为2%模式下,不同负荷转矩条件,不同初始传动比位置时,从动缸压力变化量与传动比相对增益量之间的关系。并分析了相对增益的变化规律和影响因素。在试验的基础上提出了,当夹紧力变化量较大而传动比相对增益由于结构原因而无法准确体现耦合关系时,将传动比变化率作为辅助手段描述金属带式无级变速器夹紧力与传动比的耦合关系。5)为了验证所设计的前馈式补偿PID解耦控制器的效果,在原有试验台的基础上,针对所需要测量的数据对对试验台架进行了改造,加装了所需要的传感器。提出了将耦合相对增益规律数据表转化为前馈数据表的两种方法,并利用实验方法获取的数据对计算方法的结果进行了修正。分析了在液压缸压力变化量足够大而使传动比变化至极限位置的情况,提出了利用传动比变化率对此条件下的前馈补偿值的补偿规则。分别在转矩阶跃工况下和传动比阶跃工况下对前馈式补偿PID解耦控制器的解耦控制效果进行了验证。试验结果表明,解耦控制器解耦效果明显,基本解决了滑转控制下的传动比控制与夹紧力控制的耦合问题。通过以上的研究,分析了金属带式无级变速器的夹紧力与传动比控制之间的耦合关系,确定了耦合产生的相对增益的影响因素。通过试验获取了金属带式无级变速器的夹紧力与传动比控制之间的耦合规律。并对解耦控制策略进行了研究和分析,确定了不同控制目标下的解耦控制策略,并针对以提高传动效率为目的的滑转率控制模式设计了前馈式补偿PID控制策略,并在试验台架上对控制策略进行了验证性试验。为将来整车控制提供了研究基础。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 无级变速器的发展及类型
• 1.2.1 无级变速器的发展
• 1.2.2 无级变速器的分类
• 1.2.3 金属带式无级变速器的优点
• 1.3 金属带式无级变速器的研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 金属带式无级变速器的传动机理
• 2.1 金属带式无级变速器结构及变速原理
• 2.1.1 金属带式无级变速器结构
• 2.1.2 金属带式无级变速器的变速原理
• 2.1.3 金属带式无级变速器传动比的变化范围
• 2.2 金属带式无级变速器的力学分析
• 2.2.1 金属环的受力分析
• 2.2.2 金属片的受力分析
• 2.2.3 带传递的转矩
• 2.3 金属带式无级变速器传动损失机理
• 2.3.1 带组构件间的相对滑动损失
• 2.3.2 金属锥轮变形使金属带在包络部分运行轨迹变化的功率损失
• 2.3.3 金属片在锥轮包罗范围内与金属锥轮间滑转损失
• 2.4 转矩损失仿真分析
• 2.4.1 金属带传递转矩与夹紧力
• 2.4.2 紧力与转矩损失仿真分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 金属带式无级变速器耦合现象分析及试验
• 3.1 无级变速器传动比与夹紧力控制的耦合关系
• 3.1.1 耦合关系
• 3.1.2 耦合关系的数学表达
• 3.2 无级变速器耦合关系影响因素分析
• 3.2.1 金属带传动径向力学平衡分析
• 3.2.2 耦合关系的影响因素
• 3.3 耦合现象影响因素试验分析
• 3.3.1 传动比大小对耦合的影响实验
• 3.3.2 传递转矩对耦合的影响实验
• 3.3.3 夹紧力对耦合的影响实验
• 3.4 本章小结
• 第4章 金属带式无级变速器解耦控制策略研究
• 4.1 解耦控制方法
• 4.1.1 实现解耦的方法
• 4.1.2 解耦控制应注意的问题
• 4.2 针对耦合现象的控制策略研究
• 4.2.1 夹紧力控制策略
• 4.2.2 针对耦合的传动比控制策略
• 4.3 滑转控制条件下的解耦综合控制策略
• 4.4 本章小结
• 第5章 滑转控制下耦合规律实验研究
• 5.1 滑转率的测算研究与试验
• 5.1.1 滑转率的定义
• 5.1.2 理论传动比的计算
• 5.1.3 传动比的测算
• 5.2 滑转率控制的实验研究
• 5.2.1 稳态下的滑转率控制
• 5.2.2 瞬态下的滑转率控制
• 5.3 滑转模式下的临界夹紧力标定实验
• 5.3.1 主从动缸控制电压与压力的关系标定
• 5.3.2 滑转控制下的临界压力试验
• 5.4 滑转模式下的耦合规律实验
• 5.5 本章小结
• 第6章 CVT前馈式补偿PID解耦综合控制试验研究
• 6.1 试验台架及试验测控系统
• 6.2 前馈数据表的获取方法研究
• 6.2.1 理论推导法获取前馈补偿数据表
• 6.2.2 试验获取前馈补偿数据表
• 6.2.3 前馈数据表的补偿规则
• 6.3 前馈式补偿PID控制实验
• 6.3.1 转矩阶跃工况下的解耦控制实验
• 6.3.2 传动比阶跃工况下的解耦控制实验
• 6.4 本章小结
• 第7章 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文创新点
• 7.3 工作展望
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读博士期间发表学术论文
• 攻读博士期间学术成果
• 致谢