CVT效率臺架試驗與分析

黃宏成 徐繼財 聞居博

上海交通大學汽車電子控制技術國家工程實驗室

為進行金屬帶式CVT傳動效率與性能試驗,特地設計了專用的CVT動力總成(Powertrain)測試臺架,該裝置可模擬CVT車輛在不同道路和負荷情況、實際起步、加速和調速等動態過程。如圖1所示,試驗臺由電控汽油發動機、電磁測功儀、測量控制單元(TCU)、油門執行單元(ECU)、接口單元(SPU)、采集單元(DAY)、計算機控制單元(CCU),增速器與慣性飛輪等組成。本試驗裝置以電控汽油發動機作為動力源,而不采用電動機,是以求試驗動力與實際運行情況比較接近,其中的電磁測功儀和慣性飛輪是模擬汽車實際運行情況的主要設備,用于試驗的金屬帶式CVT是荷蘭VDT公司研制的P811型全液壓控制無級變速器。

圖1 CVT試驗臺Fig.1 CVT Tester

在實際裝配P811的車輛中,CVT檔位拉線和汽油發動機節氣門拉索經過匹配后,安裝在一起。車輛行駛時,駕駛員踩下加速踏板后,通過節氣門拉索直接操作節氣門開度,同時節氣門開度信號就這樣通過檔位拉線輸入給CVT。發動機的功率由節氣門開度決定,對應每一個節氣門開度值,以發動機最佳經濟性為目的,尋找發動機最優工作點,最終獲得以節氣門開度值為自變量,發動機轉速為因變量的最優目標發動機轉速函數,再以目標發動機轉速除以當前車速獲得目標速比,所以CVT與發動機是耦合的。

在本試驗中,為了測試CVT各種工況下的傳動效率與性能,發動機只是作為一種輸入動力源,發動機與CVT不要求耦合,所示發動機節氣門開度和CVT檔位拉線是分別控制。每次試驗時,把CVT檔位拉線確定在一個固定位置,通過計算機分別控制發動機節氣門開度和電磁測功儀轉矩,模擬各種輸入工況和負載。

1 試驗控制模式分析

該試驗臺可定義96個試驗步驟,用于全自動控制方式的試驗,能夠完成M/P、n/P、M/n、n/M 等4種常用控制方式的試驗,各種試驗設定參數如表1和圖2所示。

表1 各種試驗參數設定表Table 1 Various test parameter initialization

2 CVT調速性能試驗與分析

圖2 測功機各種控制模式Fig.2 control mode of dynamometer

M/P 、n/P 、M/n、n/M等4種控制模式,經常應用于發動機特性試驗,如何進行CVT效率臺架試驗,應對CVT本身的調速性能加以分析。

2.1 CVT調速性能試驗

試驗方式采用M/P控制模式,試驗時CVT檔位拉索長度不變,改變發動機節氣門開度和測功機轉矩,觀察發動機轉速變化規律。

試驗結果如圖3所示。當檔位拉索一定時,通過CVT速比調節,發動機輸出轉速為一定值,不隨節氣門開度,或電磁測功儀所加阻力矩的變化而變化。

2.2 試驗結果分析

根據柏努利方程,畢托管信號油壓Pv與發動機轉速nDR的平方成正比,即

圖3 兩個檔位拉索試驗結果Fig.3 Test results for two tap positions

CVT的液壓控制系統簡圖如圖4所示。畢托管信號油壓和從動輪油壓作用在主調壓閥右側,左側則受彈簧壓緊力和背壓作用。壓緊力由主動輪的軸向移動,通過反饋桿來控制的。

圖4 CVT液壓控制系統簡圖Fig.4 The hydraulic control system of CVT

即彈簧壓縮行程為：

式中：KR—彈簧剛度系數。

如圖5(a)所示,主調壓閥閥芯力平衡公式為：

式中：

pb—主調壓閥背壓,當檔位拉索一定時,是個固定值;

pDN—從動輪油壓。

電磁測功儀轉矩不變,發動機節氣門開度增大時,發動機輸出轉速增大,畢托管信號油壓增大,速比調節閥閥芯左移(如圖5(b)所示),主動輪油壓增大,主動輪工作半徑增大;同時,主調壓閥左側彈簧力減小,右側畢托管信號油壓增大,根據公式(3),從動輪油壓減小,從動輪工作半徑減小,這樣速比減小,發動機負載增大,轉速降低到原值或原值附近。

圖5 液壓閥示意圖Fig.5 Hydraulic valves

同樣,發動機節氣門開度不變,電磁測功儀轉矩增大時,發動機負載增大,轉速降低,畢托管信號油壓減小,速比調節閥閥芯右移,主動輪油壓降低,主動輪工作半徑減小;同時,主調壓閥左側彈簧力增大,右側畢托管信號油壓減小,根據公式(3),從動輪油壓增大,從動輪工作半徑增大,這樣速比增大,發動機負載減小,轉速上升到原值或原值附近。

從上述分析知道,當CVT檔位拉線一定時,發動機轉速恒定,不同的拉線長度,控制不同的轉速;只要節氣門開度和檔位拉線匹配正確,完全可以控制發動機在不同節氣門開度下沿最佳動力性(或經濟性)工作。

3 CVT效率臺架試驗與分析

通過測功機控制模式和CVT調速特性,可以確定CVT效率臺架試驗方法。

3.1 傳動比與CVT效率關系的試驗工況

CVT效率與轉矩比r、輸入轉速nin和傳動比iCVT有關,只觀察傳動比 iCVT與CVT效率之間關系時,把轉矩比r和轉速n設為定值,所以采用n/M試驗方法。通過CVT調速特性,由CVT檔位拉索長度,使發動機輸出轉速保持不變;通過測功機n/M控制模式,設定發動機轉矩不變,改變測功機轉速,使傳動比 iCVT變化。即CVT輸入轉速、轉矩設定,通過變化測功機轉速來改變CVT的傳動比。

試驗時,設定三種試驗工況：

試驗工況1：轉矩比r=0.4(發動機轉矩64 Nm),發動機轉速nin=2000 rpm;

實驗工況2：轉矩比r=0.6(發動機轉矩96 Nm),發動機轉速nin=2500 rpm;

實驗工況3：轉矩比r=0.6(發動機轉矩96 Nm),發動機轉速nin=3000 rpm。

3.2 轉矩比與CVT效率關系的試驗工況

觀察轉矩比r與CVT效率之間關系時,應把輸入轉速nin和傳動比iCVT設為定值,故采用 n/P控制模式進行試驗。通過CVT調速特性,由CVT檔位拉索長度,使發動機輸出轉速保持不變;通過測功機n/P控制模式,設定測功機轉速不變,即CVT輸入輸出轉速都不變,傳動比iCVT是定值;通過改變發動機節氣門開度值,來變化發動機的轉矩,即CVT轉矩比變化。

設定試驗工況：傳動比iCVT=1.0,輸入轉速nin=1500 rpm。

3.3 效率試驗結果與分析

各實驗工況的試驗數據整理后,轉速比與CVT傳動效率關系試驗曲線如圖4所示,轉矩比與CVT傳動效率關系試驗曲線圖如圖5所示。

3.4 試驗結論

1)傳動比icvt＜1.5,CVT效率比較低,而且上下變動差距比較大;傳動比icvt＞1.5時,CVT效率比較高,上升明顯,而且相對比較穩定。

2)轉矩比r在0.4～0.9范圍時,傳遞轉矩能力較強,傳動效率較高。

3)為充分發揮金屬帶傳動的傳動能力,又獲得較高的傳動效率,應使其實際傳遞轉矩為最大可傳遞轉矩的80%～90%,即轉矩比為r=0.8～0.9。

圖4 傳動比與CVT效率試驗曲線圖Fig.4 test curve with speed ratio and CVT efficiency

圖5 轉矩比與CVT效率試驗曲線圖Fig.5 test curve with torqure ratio and CVT efficiency

4 小結

為了測試CVT效率,搭建了CVT試驗臺架,該臺架的特點是動力源是電控汽油發動機;飛輪和電渦流測功機模擬實際路況負載;發動機節氣門開度和CVT檔位拉索分別控制。通過測功機控制模式和CVT調試特性分析,設計了CVT效率臺架試驗方案,觀察傳動比icvt與CVT效率時,由CVT檔位拉索長度確定發動機輸出轉速,并通過測功機n/M控制模式,設定發動機轉矩不變,而改變測功機轉速,使傳動比icvt變化;觀察轉矩比r與CVT效率時,由CVT檔位拉索長度確定發動機輸出轉速,并通過測功機n/P控制模式,設定測功機轉速不變,而改變發動機節氣門開度值,使CVT轉矩比變化。從試驗結果可知,為充分發揮金屬帶傳動的傳動能力,又獲得較高的傳動效率,應使其實際傳遞轉矩為最大可傳遞轉矩的80%～90%,即轉矩比為r=0.8～0.9。

[1]程乃士,汽車金屬帶式無級變速器-CVT原理和設計[M],北京：機械工業出版社,2008.1.

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