金属带式无级变速器夹紧力及速比控制技术研究

论文摘要

金属带式无级变速器由于其良好的匹配性能以及驾驶舒适性,越来越受到市场的青睐,其关键技术包括夹紧力速比控制技术是难点,本文结合国际合作项目“新一代大功率密度无级变速器”项目开发,进一步挖掘自动变速器降低能量损耗的潜能,提出了一些创新结构及设计思想,并进行了大量的试验。结果表明：在保证变速器可靠地传递转矩的前提下,能量损失明显降低,进一步提高了整车的燃油经济性。本文主要的内容如下：1、无级自动变速器电液系统是CVT的执行机构,夹紧力控制、速比控制都是通过液压系统实现的。为此,课题先从液压系统原理入手,围绕低损耗、高密度及高效CVT的总体要求,对CVT的创新结构和策略做了详尽的说明。(1)采用了流量自适应的用双油泵回路,可满足变工况下对不同流量的需求,大大降低了液压溢流损失；(2)选用相同的比例电磁阀作为先导阀,在满足液压控制精度和可靠性的条件下,降低了液压系统复杂性和制造成本：(3)主从动轮的液压缸采用独立液压系统,主动液压缸径不再依赖从动缸径,可以独立设计,使得变速器结构设计更加合理；(4)主／从动缸的压力可以独立控制,可降低系统的总压力,提高CVT夹紧力、速比的控制精度。最后,建立了元件模块化的数学建模,通过硬件在环仿真研究了液压系统动态特性,通过模型的仿真结果和实测数据对比,两者达到了很好的一致性。2、传统夹紧力控制采用安全系数为1.3,变速器夹紧机构的能量损耗占很大一部分。为保证金属带传递可靠,在任何时候不出现打滑现象,进一步试验研究了不增加新的传感器的原技术方案。在搭建的专用CVT夹紧力试验台上,进行了大量的相关测试,发现了一个非常重要的关系：Fax|η=ηmax<Fax|i=imin<Fax,safe基于此试验数据,建立了以夹紧力为输入变量,速比为输出变量的状态方程,夹紧力为目标的极值搜索控制方法,即在满足系统平衡关系的约束条件下,自动调整输入使得输出达到最大值或最小值。这种在缓变的动态调整过程中自动搜索极值的控制方式称之为极值搜索控制,据此开发了极值搜索控制器,并在试验台上进行了相关试验,证实了极值搜索控制在稳态条件下对提高CVT效率的有效性。3、极值搜索控制方法可降低夹紧力,提高CVT传动效率。但CVT在变速过程中,极值搜索控制法的动态跟踪较慢。所以为了同时兼顾在动态变速时金属带不打滑,在稳态时效率高,课题重点研究了极值搜索控制法与传统夹紧力控制法的组合控制方式。即在相对稳定的工况下,采用极值搜索控制方式,而当控制系统检测到不稳定因素时,采用传统夹紧力控制方式,同时关闭极值搜索控制方式。组合控制策略既提高了CVT变速控制的鲁棒性及抗转矩的冲击能力,又可以提高整车的燃油经济性。4、极值搜索法和传统夹紧力组合控制方式是否完善还需通过变速器的耐久和可靠性试验验证。课题从带轮失效机理出发,为找出CVT控制失效的关键因素,开发了适合变速器耐久和可靠性测试的台架,并对测试方法和检测内容进行了分析。整车道路试验更是直接反应了CVT产品的状态,还对匹配的CVT车辆进行试验场的2.5万公里可靠性试验,并对油品进行了检测,结果表明磨损在合理的范围之内,室内试验和路面试验同时验证了组合控制方式的可靠性。5、嵌入式控制系统是CVT重点之一,也是CVT产业化技术的瓶颈之一,只有掌握了嵌入式系统的开发,CVT才真正拥有完全的自主产权。CVT嵌入式控制系统的内容包括：动力总成的一体化控制(即发动机与变速器的协调控制)、起步离合器控制、液力变矩器控制、CVT速比控制、CVT夹紧力控制、CVT系统故障诊断与CAN通信数据网络等核心技术组成。CVT嵌入式控制系统可分为嵌入式硬件系统和嵌入式软件系统两部分。论文在CVT前期课题的基础上,进一步丰富和完善了CVT软件系统和故障诊断系统,使国产CVT嵌入式控制系统从实验室走向了市场,并经受住了国内外巨大市场的严酷的考验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 无级变速器技术原理与发展趋势
• 1.2.1 无级变速器分类及原理
• 1.2.2 金属带式无级变速器发展趋势
• 1.3 CVT控制研究现状
• 1.4 本文主要研究内容及研究意义
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 本文研究内容
• 第2章 无级变速器液压系统数学建模
• 2.1 液压系统的原理
• 2.1.1 液压系统的功能
• 2.1.2 液压系统原理
• 2.2 液压系统数学模型
• 2.2.1 液压油泵数学模型
• 2.2.2 压力控制阀数学模型
• 2.2.3 先导电磁阀模型
• 2.2.4 液压缸容积建模
• 2.2.5 辅助回路和润滑回路建模
• 2.2.6 变速机构变速特性建模
• 2.3 模型仿真与验证
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于极值搜索的夹紧力控制研究
• 3.1 金属带传动机理及滑转率定义
• 3.1.1 金属带传动机理
• 3.1.2 滑转率定义
• 3.2 金属带滑转率数学模型
• 3.3 金属带夹紧力试验研究
• 3.3.1 金属带夹紧力试验台架
• 3.3.2 基于滑转率的夹紧力试验
• 3.3.3 基于滑转率的夹紧力试验结果分析
• 3.4 基于极值搜索的夹紧力控制研究
• 3.4.1 极值搜索控制
• 3.4.2 极值搜索控制器设置
• 3.4.3 极值搜索控制系统测试
• 3.4.4 基于极值搜索控制系统的鲁棒性能试验分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于极值搜索的夹紧力与速比一体化控制研究
• 4.1 无级变速器控制系统
• 4.2 速比控制动态模型
• 4.2.1 速比动态模型
• 4.2.2 稳态工况下主从动夹紧力比值κ0的测试
• 4.2.3 速比变化系数Ki测试
• 4.3 极值搜索和传统速比夹紧力一体化控制
• 4.4 传统速比夹紧力控制
• 4.4.1 绝对安全夹紧力策略
• 4.4.2 变速时的夹紧力控制
• 4.4.3 速比跟踪控制器及速比变化率限制
• 4.5 极值搜索控制器设置
• 4.6 极值控制器起作用逻辑规则
• 4.7 极值搜索和传统夹紧力控制一体化测试
• 4.8 本章小结
• 第5章 无级变速器控制系统开发
• 5.1 TCU硬件系统设计
• 5.2 嵌入式软件设计
• 5.2.1 控制策略应用程序
• 5.2.2 软件标定系统
• 5.3 本章小结
• 第6章 无级变速器可靠性试验
• 6.1 变速器机构磨损与失效分析
• 6.1.1 变速机构磨损方式
• 6.1.2 金属带滑移与变速机构失效
• 6.2 台架耐久可靠性测试和摩擦特性测试
• 6.2.1 固定速比的耐久测试
• 6.2.2 油品摩擦系数μ
• 6.3 道路可靠性及耐久试验
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文及成果
• 致谢