回流式無級變速器動力連續轉換的控制策略仿真研究

孫冬野 尹燕莉 郝允志 林歆悠 劉永剛

重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶，400030

0 引言

Macey等［1］于1987年首次提出了回流式無級自動變速傳動方式。Hohn等［2］闡述了采用i2型無級變速傳動系統的混合動力汽車的優越性。Miguel等［3］研制了功率分流式無級變速系統的混合動力SUV（sport utility vehicle）汽車。綜合上述文獻來看，針對功率分流式無級變速器的研究大多是在結構設計和性能分析方面進行的，目前對工況轉換控制方面的詳細報道還未見到。

回流式無級變速器在動力轉換［4］（無級與回流工況轉換）過程中，變速器效率和金屬帶功率流方向都發生了一定變化，并引起變速器輸出扭矩的突變，如何控制轉換過程中離合器的接合或分離、扭矩變化關系等，以滿足整車平順性的要求，是本文研究的重點。

1 結構與主要工作模式

回流式無級變速傳動系統具有以下主要關鍵部件：金屬帶無級變速裝置、定速比齒輪傳動裝置、行星排齒輪傳動裝置、濕式離合器、單向離合器和制動器，其結構簡圖如圖1所示。

圖1 回流式無級變速傳動系統結構簡圖

回流式無級變速傳動系統的主要工作模式如下（圖2）：

（1）空擋。傳動系統的所有離合器均處于分離狀態，此時傳動系統為空擋狀態，控制離合器L1使車輛起步。

（2）低速（回流）工況。接合離合器L1和L2，單向離合器L4輸入端比輸出端轉速高，因此單向離合器亦將發揮作用，此時汽車處于低速行駛工況。

（3）過渡工況。離合器L2分離，整個傳動系統功率的傳遞方式改為單向傳遞，發動機制動在此工況下已不再發揮作用。

（4）高速（純無級）工況。切斷離合器L1，將離合器L3接合，此時整個傳動系統使車輛進入高速行駛工況。

圖2 工作模式

2 動力連續轉換的控制策略

2.1 同步轉換點

變速器調速特性如圖3所示?？梢钥闯?，同步轉換點（定速比齒輪副速比if＝2.4704）是低速與高速工況的交點，此點處的兩個工況速比相同，這將作為轉換過程中的條件，即達到該點時發生工況轉換。

圖3 變速器調速特性

2.2 工況轉換控制策略

圖4表示回流工況、純無級工況、過渡工況（回流－無級、無級－回流）轉換的流程圖，圖中igm為目標速比；digm／dt為目標速比變化率；離合器L1、L2、L3的狀態sL、sL、sL為0表示分離，為1231表示接合；CVT＿to＿RP（純無級工況向回流工況轉換）的狀態sC為1表示純無級－回流工況轉換，為0表示純無級－回流工況轉換結束或處于其他工況；RP＿to＿CVT（回流工況向純無級工況轉換）的狀態sR為1表示回流－純無級工況轉換，為0表示回流－純無級工況轉換結束或處于其他工況。

圖4 轉換過程流程圖

2.3 回流－無級轉換控制策略

圖5為回流－無級轉換流程圖，主要轉換過程如下：

（1）目標速比滿足2.4＜igm＜2.4704，表明系統已有由回流工況－純無級工況轉換的趨勢，但為了避免循環轉換現象的出現，只有當igm＜2.4時，才開始實施轉換，此時，只分離離合器L2。

（2）目標速比igm＜2.4，逐步接合離合器L3，直到離合器L3接合完成，然后，分離離合器L1進入純無級變速工況。

圖5 回流－無級轉換框圖

2.4 無級－回流轉換控制策略

無級－回流轉換過程如圖6所示，該過程與回流－無級轉換過程類似，只是順序相反，在此不贅述。

圖6 無級－回流轉換框圖

3 轉換過程動力學模型和離合器控制

從回流－無級、無級－回流轉換過程分析可以看出，在轉換過程中，主要控制離合器L1和L3的接合或分離，因此，對離合器L1和L3建立詳細的動力學模型是必要的。

3.1 離合器L3接合過程動力學模型

圖7所示為離合器L3接合過程動力學模型。在離合器L3接合過程中，功率流方向為：發動機→金屬帶主動輪→定速比齒輪副→單向離合器L4→行星架，由行星架輸出的功率流一部分從齒圈輸出，一部分從太陽輪輸出（太陽輪輸出的功率一部分通過離合器L3輸出，一部分返回金屬帶主動帶輪）。

圖7 離合器L3接合過程動力學模型

按照功率流的方向，對變速器的各個部件進行了動力學［5］分析，并建立了如下數學模型：

式中，下標1～9分別表示輸入軸、金屬帶主動輪、從動輪、輸入齒輪、輸出齒輪、行星架、太陽輪、齒圈、主減速器輸出；下標10表示半軸及輪胎；下標2p、e、c、s、r、w分別表示從動輪、發動機、行星架、太陽輪、齒圈、車輪；Tk（k＝1，2，…，10，2P，e，c，s，r，w）為各部件轉矩；Ik（k＝1，2，…，10，2P，e，c，s，r，w）為各部件轉動慣量；ωk（k ＝ 1，2，…，10，2P，e，c，s，r，w）為各部件轉動角速度；α為節氣門開度；Tf為整車阻力扭矩；i為金屬帶速比；ηCVT為金屬帶效率；i0為主減速器速比。

3.2 離合器L1分離過程動力學模型

圖8所示為離合器L1分離過程動力學模型。在離合器L1分離過程中，功率流方向為：發動機→金屬帶主動輪→離合器L1→定速比齒輪副→單向離合器L4→行星架；發動機→金屬帶主動輪→金屬帶從動輪→太陽輪；最后，太陽輪和行星架輸入的功率流通過行星排結構輸出（行星排成為一個整體結構）。

圖8 離合器L1分離過程動力學模型

按照功率流的方向，本文對變速器的各個部件進行了動力學分析，并建立了如下數學模型：

3.3 離合器L3接合控制

離合器L3接合過程中，需在保證離合器壽命的前提下，能夠迅速穩定地進行接合［6］。以沖擊度［7］作為評價指標，對離合器接合過程進行控制［8]。

沖擊度j為車輛行駛過程中加速度a的變化率：

式中，v為車速；r為車輪半徑；Id為整車轉動慣量；Tt為整車驅動力矩。

由式（1）可以得到整車驅動轉矩：

式中，TL3為離合器L3的接合轉矩。

由式（3）、式（4）可以得到離合器L3接合轉矩變化率：

根據沖擊度標準：

由式（5）、式（6）可以確定離合器L3接合轉矩變化率的限定范圍。

3.4 離合器L1分離控制

由式（2）得到整車驅動轉矩：

式中，TL1為離合器L1的分離轉矩。

根據式（3）、式（7）可以得到離合器L1分離轉矩變化率：

由式（6）、式（8）可以確定離合器L1分離轉矩變化率的限定范圍。

4 仿真結果

以MATLAB／Simulink為平臺建立了整車仿真模型，選取ECE循環工況，對本文所研究的回流式無級變速傳動系統轉換過程進行了仿真分析［9－10］。為了更清楚地看出轉換過程的仿真結果，截取轉換過程和轉換前后共2s的仿真曲線。

圖9所示為回流－無級工況轉換的過程，可以看出，當到達轉換的時刻，速比保持在同步轉換點（if＝2.4704）這個數值下，直到轉換完成。變速器輸出轉矩在轉換過程中，由于變速器效率的變化，使得轉矩先是逐步增大后來又逐漸減小，轉換過程中，沒有動力中斷，沖擊度控制在5m／s3以內。

圖9 回流－無級轉換過程仿真

圖10所示為無級－回流轉換的過程，基本過程與回流－無級換擋的過程類似。仿真結果，沖擊度控制在5m／s3以內。

圖10 無級－回流轉換過程仿真

5 結論

（1）提出了一種無需動力切斷，通過控制離合器接合或分離的時刻，以及限制離合器扭矩變化率大小，來實現回流式無級變速器動力連續轉換的控制策略。

（2）建立了回流式無級變速器轉換過程中離合器分離、接合的動力學模型，并確定了離合器扭矩變化率的限定范圍。

（3）基于 MATLAB／Simulink平臺，對整車轉換過程進行了仿真分析，結果表明：在轉換過程中，無動力中斷，沖擊度控制在5m／s3以內。

［1]Macey J P，Vahabzadeh H.Geared－Neutral Continuously Variable Transmission：US，4644820［P］.1987－02.

［2]Hohn B R，Pinnekamp B.The Autark Hybrid：a Universal Power Train Concept for Passenger Car［C］／／International Gear Conference.London，UK，1994：253－258.

［3]Gomez M M，Mucino V H，Clark N N，et al.A Configuration for a Continuously Variable Powersplit Transmission in Hybrid－electric Vehicle Application［J］.SAE Paper，2004－01－0571.

［4]Xu Nuo，Chen Huiyan，Tao Gang，et al.Research on Shift Strategy of Tracklayer with Comprehensive［J］.Transacting of Beijing Institute of Technology，2007，27（9）：774－778.

［5]Sun Wentao，Chen Huiyan.Research on Control Strategy of Shifting Progress［J］.SAE Paper，2008－01－1684.

［6]Wang Jian，Lei Yulong，Ge Anlin，et al.Shift Strategy Research on Off－road Vehicle［J］.SAE Paper，2009－01－1358.

［7]翁曉明.濕式雙離合器變速器換擋品質的研究［J］.汽車工程 ，2009，31（10）：927－931.

［8]Wang Jian，Guo Konghui，Lei Yulong，et al.Support Vector Machine Theory Based Shift Quality Assessment for Automated Mechanical Transmission（AMT）［J］.SAE Paper，2007－01－1588.

［9]Kulkarni M，Shim T，Zhang Y.Shift Dynamics and Control of Dual－clutch Transmissions［J］.Mechanism and Machine Theory，2007，42：168－182.

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