实时道路环境下的汽车无级变速比控制研究

薛燕

（西安汽车科技职业学院 陕西 西安 710600）

引言

无级变速器实现了大范围内无级变速的功能，能够使汽车发动机与传动系统实现最优匹配，从而有效提升汽车的经济性以及动力性。无级变速器刚面世时，仅能提供十分粗略的控制策略，无法根据驾驶员意图以及道路环境进行合理调整，以此达到理想的效率。然而自20世纪60年代VDT公司研制出金属带式无级变速器起，无级变速器技术开始得到了迅速发展。我国从20世纪90年代开始研究金属带式无级变速器，与国外相比，目前我国这方面的技术仍处于起步阶段[1]。对此，本文以金属带式无级变速器为对象，研究其在实时道路环境下的无级变速比控制方法，以期能够促进我国在此领域的技术发展。

1 金属带式无级变速器结构与原理

目前应用最为广泛的金属带式无级变速器，其结构主要由带轮组以及传动带等构成。其中，带轮组的主要构件包括同为锥面结构的主动轮与从动轮，一方固定，另一方则能够轴向位移，通过改变轴向作用力，能够调节有效工作半径，实现传动比的调整。传动带由若干层金属环相叠构成并与带轮组的凹槽嵌合，再以此传递动力。主动轮与从动轮的速比可用式（1）来表示：

式中：n1表示主动轮的转速，n2表示从动轮的转速，R1表示主动轮的有效工作半径，R2表示从动轮的有效工作半径。

2 汽车动力传动模型构建

无级变速汽车的动力传动系统包括发动机、液力变矩器、无级变速器等部件构成[2]。对此，本文对上述部件动力学模型进行构建，以此作为下一步优化控制策略的基础。

2.1 发动机数值模型

发动机瞬态运行与稳态运行具有显著的不同之处，瞬态运行时，发动机输出转矩更小。在减速情况下，由于混合气浓度增大，此时的发动机输出转矩更大。因此，定义发动机瞬态运行时的输出转矩为：

式（2）中：Te、Tew分别为发动机瞬态运行和稳态运行时的输出转矩，λ为转矩下降系数，we为角速度。

当液力变矩器闭锁离合器为闭锁状态时，若r为汽车的车轮半径，i0为主减速比，net表示发动机转速，则在不同节气门开度与车速情况下最佳无级变速比的计算公式如下：

2.2 液力变矩器模型

液力变矩器在汽车起步以及低速行驶的情况下，通过变矩器油来传递转矩变化，能够达到缓冲和放大力矩的目的。但液力变矩器的最大传递效率低于1，且产生大量热量，这必然增加燃油消耗。因此，本文对液力变矩器在汽车起步以及低速行驶的情况下的工作模型进行优化构建。首先，对发动机与液力变矩器的工作范围重叠区进行分析，然后以此作为评估依据来评估发动机与变矩器的匹配度。在此过程中，考虑到瞬态工况下飞轮、泵轮和涡轮惯量等产生的转矩因素，本文提出了相应的优化方案，具体如图1所示。

图1 发动机-液力变矩器工作模型优化示意图

图2 无级变速器效率特性

2.3 无级变速器效率模型

为了使汽车无级变速比控制策略达到最优效果，本研究主要针对汽车发动机以及液力变矩器、无级变速器等传动部件的效率进行优化。无级变速器的效率而言，其影响因素较为复杂，如油品、锥盘、钢带等构件的影响等等。考虑到实际情况中，无级变速器各速比下的扭矩传递都有其上限，超出上限的区域实际上是无效区域，因此本研究中仅保留有效区域，所得出的无级变速器效率特性如图2所示。

3 基于需求功率的传动效率逆向寻优

传统的控制策略是以发动机的输出最大功率和发动机的最小油耗作为优化控制的目标[3]。换句话说就是认为传动系统中的其他部件效率对功率输出和汽车友好的影响是一个定值。但是在实际的应用中，其他部件的效率往往是不确定，并且在不断地变化。对此，笔者则提出一种基于需求功率的传统效率逆向寻优模型，采用逆向求解的方式，对发动机、液力变矩器和无级变速器进行动力优化。

3.1 液力变矩器特性逆向求解

对该问题的优化，其具体的思路为：利用需求功率以及行驶速度对传动系统进行逆向计算，得出发动机输出转矩与转速值；然后，以此得出节气门的最佳开度。但是在液力变矩器闭锁时，该逆向计算能够很容易地执行，而在液力变矩器解锁时，则需要通过下列公式来对液力变矩器特性进行逆向求解。

3.2 液力变矩器开闭锁控制

汽车在拥堵平直道路环境下行驶时，往往由于路况拥堵而频繁地加速、制动、再加速，使车速在闭锁车速上下徘徊，因此需要根据车速来确定液力变矩器开闭锁区域，并且设置车速回差。除了车速以外，在液力变矩器开闭锁控制方面还需要考虑实际需求功率的因素。与液力变矩器闭锁状态相比，增扭会降低五分之一以上的功率，而降扭则不仅降低功率更会降低扭矩。

对此，本文以满足需求功率为依据，对液力变矩器开闭锁进行控制，提出当满足需求功率时以闭锁状态运行，反之则以解锁状态运行，以此提高传动系统效率以及转矩输出。图3为液力变矩器解锁以及闭锁状态下的系统最大功率和效率示意图。

图3 液力变矩器解锁以及闭锁状态下的系统最大功率和效率

3.3 传动系统效率逆向寻优

根据上述基于需求功率的控制策略，本研究进行无级变速器速比和发动机节气门开度的计算，即逆向寻优算法的求取目标，计算流程框图如图4所示。

图4 传动系统效率逆向寻优计算流程框图

本研究通过上述的逆向寻优计算，最终得出液力变矩器解锁及开锁状态下，不同需求功率以及行驶速度环境中的无级变速比和节气门开度控制表。

图5 不同控制策略下的CVT效率

4 仿真分析

本研究所提出的汽车无机变速比控制方法，理论上能够实现汽车传动系统效率达到最优值。为了验证此控制方法的有效性，本文设计了相关试验，并进行仿真分析。该试验中，将发动机、无级变速器、升速箱以及测功机组成试验执行装置，并将控制策略写入主机，而相关数据的采集则由传感器实现。同时，考虑到瞬态工作情况下可能出现偏差，为了确保该试验的准确性，通过稳态试验获得基础数据，并根据这些基础数据来制定出目标控制表；另外，利用测功机测出试验所用传动系统的实际有效功率，并分别选择三组不同数据；在时速15~60 km/h的范围内，对发动机、无级变速器以及整个传动系统进行效率测试；最后，取若干次测试结果的平均值作为最终的测试结果。

通过上述的方法，可以得到如图5所示的结果。

通过上述的测试看出，采用本文所提出的优化控制策略，使传动系统在各种车速及功率情况下都有明显的效率提升。相比而言，在较低的相同功率下，低速和高速行驶时的效率提升程度更明显，而中速行驶时的效率提升较小；在较高的相同功率下，低速和中速行驶时的效率提升程度更明显，而高速行驶时的效率提升较小。这种情况说明传动系统的效率与无级变速器的效率是同步提升的，抵消了发动机效率降低所带来的影响，从而维持整个传动系统效率的提升。上述试验的结果证明，本研究中所提出的汽车无级变速比控制策略具有有效性。

5 结束语

本研究主要针对汽车在拥堵平直道路环境下的无级变速比控制策略进行了优化，提出了基于需求功率的控制策略，通过对发动机、液力变矩器、无级变速器的综合性优化措施，在保障汽车动力性以及安全性的基础上有效提升了传动系统的整体效率，实现了最优经济性。