汽車無級變速傳動系統特性研究

張子珍

(煙臺汽車工程職業學院 學生處， 山東 煙臺 265500)

0 引言

無級變速傳動技術，是指以汽車行駛工況為依據，實現速比連續變化，提升汽車的動力性和經濟性。此外，于汽車中搭載無級變速傳動系統，可以讓汽車在行駛過程中更加平穩，減少行駛沖擊，便于駕駛員操作和控制。汽車長期處于穩定運行狀態，有助于發動機處于最具經濟性的工作點。但是現階段汽車無級變速傳動系統還不夠完善，發動機無法一直在最佳經濟線上工作。本文從實際需求出發，著重對無級變速傳動系統的特性——控制策略進行研究，提出了應用綜合模糊控制的想法，提升發動機與傳動系統的匹配程度，最大限度地實現無級變速，確保汽車在復雜工況下也能平穩行駛。

1 無級變速傳動概念綜述

現階段，汽車行業常用的自動變速技術主要有3種，分別為：Automatic Mechanical Transmission(電子控制機械自動變速器)，簡稱AMT；Automatic Transmission(液力自動變速器)，簡稱AT；Continuously Variable Transmission(無級變速器)，簡稱CVT。其中AMT和AT屬于自動有機變速，嚴格意義上來講并不能稱之為無級變速技術。

1.1 無級變速傳動系統

無級變速傳動系統是指在允許范圍內，可以幫助汽車實現連續變速。且汽車行駛速度發生變化時，不會產生頓挫感和擾人的噪音，為駕駛員和乘客創造更具舒適度的駕乘環境。其次，無級變速傳動系統能夠簡化駕駛操作，為駕駛員創造便利，降低駕駛難度。于汽車中搭載無級變速傳動系統，可以從根本上提升汽車行駛時的動力性，進而確保能量得到充分利用，減少尾氣排放，這也符合我國現階段綠色環保的發展理念。因此，該系統擁有良好的發展前景和市場潛力。

1.2 無級變速傳動分類

以結構形式為劃分依據，無級變速傳統可以分為機械式、流體式和電動式三類。

(1) 機械式，相較于其他兩種形式，機械式發展時間較長，具有傳動比變化連續性強、變速范圍廣、傳遞功率穩等優點。機械式無級變速傳動系統也能夠進行進一步的劃分，分別為橡膠帶式、金屬鏈式和金屬帶式。這些系統都有著相同的運行特點，通過調整帶輪工作半徑，改變傳動比。在這之中，金屬帶式的實用性最強，也是本文的主要研究對象。

(2) 液體式，又分為液力式和液壓式[1-2]。液力式，以液力推動葉片傳動，具有提速快、減震性優良的優點。液壓式則是借助液壓輸送動力，幫助車輛完成變速。需要注意的是，電動式無級變速傳動系統只能用在電動汽車上，因電動汽車電池續航能力較差，變速效果也受到了相應的影響，這也是阻礙電動式變速傳動系統應用的主要因素。

(3) 電動式，電力傳動可分為電磁滑動式、直流電動機式、交流電動機式三類。電磁滑動式是在異步電動機中安裝電磁滑差離合器，改變勵磁電流來對速度進行調整，此類傳動方式成本較低而且結構比較簡單，但是發熱較嚴重，不適合長期負載。直流電動機式是通過對磁通的改變來實現速度調節，該方式成本較高，維護也比較困難。交流電動機式主要通過變極、調壓、變頻等方式對速度進行調節，該方式效率較高而且范圍大，適用功率寬，屬于比較先進優良的變速裝置。

2 金屬帶式無級變速傳動系統的特性研究

2.1 具體結構及工作原理

金屬帶式無級變速傳動系統的具體結構如圖1所示。

圖1 金屬帶無級變速傳動系統結構圖

主動輪組和從動輪組中配備了錐形結構的可動盤和固定盤，其表面的V形槽與金屬帶契合度高、嚙合性好?？蓜颖P所處位置更加靠近油缸，車輛在行駛過程中，可沿軸滑動。金屬帶結構簡單，只包含金屬環和金屬片。該系統的工作原理是將輸出軸和主動輪相連，發動機在高速運轉下，會產生強勁動力，由主動輪和金屬帶傳送至從動輪，從動輪根據所接受的動力和車輛的實際運行情況，輸出對應的轉速、轉矩，以達到無級變速的目的。車輛在行駛時，可以利用可動盤的軸向移動來改變汽車輪組的工作半徑，以達到改變傳動比的最終目的。需要注意的是，在調節傳動比時，應當以車輛的實際工況為參考依據，不能隨意進行調整。

2.2 速比分析

用D1代表主動輪組的工作直徑；用D2代表從動輪組的工作半徑；i代表傳動比，計算式為式(1)。

i=D2/D1

(1)

由式(1)可知，工作半徑的大小會直接影響到傳送比的最終數值。但是，車輛的工況容易受外部因素影響，輪組的工作直徑可能隨時發生變化。因此，i會在2.6—0.45這一范圍內浮動。用γ代表斜向運行角，用B代表包角，二者關系表達式為式(2)。

Β=π±2γ

(2)

車輛在進行無級變速時，可以假設金屬帶長度不變，用L代表，可以得出L和D1，D2之間的關系，如式(3)。

(3)

整理后，可以得到式(4)。

(4)

根據上述計算式，可以得出傳動比關系，如式(5)

(5)

3 金屬帶夾緊力傳動比控制分析

3.1 金屬帶夾緊力分析

金屬帶式無級變速傳動系統的工作內容分為兩方面：(1) 將發動機運轉時產生的動能傳送至驅動輪，且在傳送過程中，盡量減少能量消耗；(2) 根據車輛的實際運行狀況，自動調整傳動比，確保車輛在最佳狀態下行駛[2]。金屬帶夾緊力的大小會直接影響到傳動效率，當夾緊力較低時，金屬帶和帶輪之間嚙合性較差，易滑動，不僅會加大功率損失，還會加速二者的磨損，影響車輛的使用壽命。因此，對傳動比進行適當的調整，可以從根本上提升車輛的經濟性和動力性。但是需要注意的是，系統中的傳動比和夾緊力存在耦合效應，如果使用以往的原理，其分析結果會存在較大偏差。

車輛運行過程中，金屬帶會同時受到6個力的作用，分別為E(各金屬塊之間的壓力)、P(金屬塊與金屬板的正壓力)、FT(金屬塊和履帶輪的傳動力，也可以稱為切向摩擦力)、FR(金屬塊和帶輪間的徑向摩擦力)、FST(金屬環和金屬塊間的摩擦力)、N(金屬塊和錐輪間的正壓力)。假設金屬帶長度不變，用QDN代表從動輪油缸夾緊力，用QDR代表主動缸作用推力，那么帶輪所受到的總推力，如式(6)。

QDR=NDR(cosα?μDRR·sina)RDR·θDR

(6)

式中，NDR代表主動輪和金屬塊之間的正壓力；RDR代表主動輪節圓半徑；θDR代表金屬帶和主動輪之間的包角；μDRR代表主動輪徑向摩擦系數。利用這些已知參數，可以計算出主動輪油缸壓力表達式，如式(7)。

(7)

式中，ADR代表主動輪油缸面積。

3.2 傳動比控制分析

在進行傳動比分析時，主要從以下三方面入手：(1) 通過調整傳動比，控制離合器接合，確保車輛無論在何種工況下都能順利啟動，減少啟動沖擊對離合器造成的影響，以此來提升離合器的使用壽命； (2) 通過調整傳動比，確保發動機始終在最經濟工作點上運行，當車輛運行工況發生變化時，發動機也能快速的重回最經濟工作點[3]，讓燃油得到充分燃燒，控制尾氣排放；(3) 通過調整傳動比，讓車輛在更加平順的狀態下行駛，為用戶提供更好的駕乘感。為了實現以上目標，在制定控制策略時，應將各種車輛運行實況考慮進去。系統的傳動比變化范圍，如圖2所示。

圖2 傳動比變化范圍

由圖2可得，Ua代表車輛實際行駛速度；ne代表發動機轉速；i0代表主減速器傳動比；i2代表中間齒輪傳動比；r代表車輪半徑；i代表系統傳動比。因此，行駛速度和發動機轉速之間的關系式為式(8)。

(8)

(1) 車輛起步時的傳動比控制目標如下。

If(ne

If(ne≥Nd)

{if (it>imin)

It=Nd/ncvtout

if(it≤imin)it=imin；}

(2) 車輛在加速時的傳動比控制目標如下。

If(ne

If(ne≥Nd2)

{if(it>imin)

It=Nd2/ncvtout

if(it≤imin)it=imin；}

(3) 車輛在減速時的傳動比控制目標如下。

If(ne>Nd1){it=0.337×Rd1/(i2×i0×ua_old)；}

If(ne

{if(it

It=Nd1/ncvtout

if(it≥imin)it=imax；}

4 仿真實驗

為了證明金屬帶式無級變速傳動系統的綜合性能是否具有可應用性，我們對其進行了仿真實驗。假設工況如下：車輛以60%油門起步，在平穩行駛30 s后加速行駛，將油門提升至80%，又行駛40 s后，碰到阻力擾動，擾動持續了20 s，在130 s時油門再次回到60%，總體行駛時間為150 s[4]。在此種工況下，對搭載金屬帶式無級變速傳動系統和未搭載該系統的車輛進行仿真實驗。

(1) 未搭載金屬帶式無級變速傳動系統車輛的實驗結果

在調節控制參數后，車速的平順性有了較大改善，但是速比的跟隨性較差，致使發動機、離合器契合度低，轉速上下起伏較大。若為了提升速比的跟隨性再次調節控制參數，則會出現車輛加減速不受控制的現象。嚴重時，車輛在減速時，還會出現離合器滑動問題，這極大地影響了車輛行駛時的平順性，控制效果較差，可能會引發交通事故。

(2) 搭載金屬帶式無級變速傳動系統車輛的實驗結果

應用本文提到的系統后，無論是車輛處于何種運行階段，都可實現無級變速，車輛擁有良好的平順性，速比跟隨性也好。尤其是遇到阻力擾動時，發動機仍然可以位于最經濟工作點上，控制效果好。

除了對發動機和離合器轉速、車速變化曲線、實際速比等參數進行實驗，為了確保實驗全面性，進一步驗證系統的可行性，還對整車進行了實測。TCU-A代表未搭載金屬帶式無級變速傳動系統的實測數據，TCU-B代表搭載后的實測數據[5-6]。其油耗對比結果、動力性和經濟性對比結果，如表2、表3所示。

從表2、表3的對比結果可以看出，車輛在搭載金屬帶式無級變速傳動系統后，百公里耗油量比未搭載時有所下降，動力性和經濟性則得到了優化，無論是最高車速或是百公里加速耗時都優于從前。

表2 相同工況下車輛油耗對比結果

表3 動力性和經濟性對比結果

通過全面且多樣的仿真實驗，從多個方面證明了車輛在應用金屬帶式無級變速傳動系統后，無論是在起步平穩性、燃油利用率、最高車速以及加速效果等方面都有所提升。但是實驗數據相差并不大，證明該系統還有需要優化和改進的地方，仍然需要為此付諸努力。

5 總結

無級變速傳動系統相較于齒輪變速系統擁有更加全面優良的系統性能和更為廣闊的發展空間。本文著重對金屬帶式無級變速傳動系統進行了分析，通過研究其系統結構和工作原理，提出了以車輛實際運行情況為依據，設計綜合控制策略的構想。并通過仿真測試，證明車輛應用該系統后，起步、加速時車輛行駛平穩性不受影響，燃油利用率提升，油耗、尾氣排放量有所減少，發動機可以在最經濟工作點上工作，可以為駕駛員和乘坐者提供更加舒服的駕乘體驗，在未來擁有巨大的發展空間和應用前景。