匹配CVT和MT整车油耗仿真研究

满兴家，梁 玮，韩明江

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007)

0 引 言

汽车产业快速发展，汽车保有量逐年增长，人们对汽车依赖性也越来越强，进而对于汽车的驾驶性，舒适性有着越来越高的要求，而汽车自动变速技术则是提高汽车驾驶性和舒适性的有效方法之一，也是大众追求的目标；自动变速技术被认为是汽车的理想传动，改善和完善车辆传动系统的一个重要方面；无级变速器(Continuously Variable Transmission, CVT)能根据车辆行驶条件自动连续变化速比使驾驶员在驾驶无级变速传动汽车时避免了换档冲击的困扰。在理论上，CVT可以使发动机始终工作在理想区域，因此CVT逐渐成为了变速器主流[1]。此外，随着汽车产业的发展，能源与环境问题日益突出，为了有效应对汽车产业发展所带来的能源和环境问题，我国出台了四阶段油耗目标，我国要求乘用车CAFC 在2020 年降至5 L/100 km，2025年降至4 L/100 km[2]，因此各个主机厂对油耗问题日益重视，研究降油耗技术成为了各个主机厂共同课题。

无级变速器CVT的理论与控制研究在我国20世纪就已经开始。孙冬野等人[3]针对金属带式无级变速传动开展了运动学和动力学分析，深入地探讨了金属带作用力与速比和传递力矩的关系，推导出金属环张紧力和金属块间挤压力的理论计算公式。张凤和与张德珍[4]详述了金属带式无级变速器摩擦系数测定的实验方法，同时给定摩擦系数的可用范围。随着CVT的工程化应用深入，对液压控制系统越来越精细[5]，对传动效率要求越来越高[6-7]。杨阳等人[5]开展了基于响应速度和跟踪精度的CVT液压系统优化设计，优化后系统在动态响应性能及跟踪误差精度上都得到了较大的提高。袁晓红等人[6]对传统CVT的夹紧力控制策略进行改进，节气门开度从10%增加至50%的过程中,采用滑移控制的CVT的传动效率维持在80%～85%。但是，关于整车匹配CVT的油耗研究较少，特别是与匹配手动档MT在整车油耗的差异研究论文更少。

为了更好的匹配开发CVT车型，为CVT整车提升动力降油耗提供相应依据，笔者基于AVL-Cruise仿真软件利用一款现有MT车型油耗数据验证模型的准确性；再通过更新换变速器与整车阻力数据，推导匹配CVT的油耗，进而比较与分析CVT油耗和MT油耗差异，最后拓展到不同类型发动机下CVT油耗和MT油耗差异的分析。

1 CVT速比策略制定简介

CVT变速器可以通过液压系统控制其中一个V型带轮的轴向移动，使其节圆半径可变，而两个V型带轮的中心距没有变化，从而可以达到连续可变速比(传动比)，即实现了无级变速。档位无限的CVT变速器，在任何条件下都提供了使发动机在最佳经济状况工作的可能性[6]。

1.1 CVT转速调节特性制定

依据发动机的最佳经济运行线可制定CVT的经济转速调节特性。发动机的最佳经济点是指发动机以最小燃油消耗率输出某一固定功率，而将这些点连接起来即为最佳经济线，如图1。图中黑色点线为不同转速下发动机输出功率与燃油消耗率的曲线，最佳经济运行线则表现为这些曲线簇的外包络线，如空心方框中所示。找出外包络线上的点所对应的发动机扭矩、转速、功率、燃油消耗率以及节气门开度参数。所得的转速与节气门开度参数便可作出经济转速调节特性曲线。

图1 发动机功率与燃油消耗率曲线簇示意图

同理，依据发动机的最佳动力运行线可制定CVT的动力动力转速调节特性。利用发动机最佳动力运行线的定义，即每一个节气门开度或油门踏板开度下都能以最大功率输出，如图2所示，所得的转速与节气门开度参数关系曲线即为“动力转速调节特性曲线”。为了方便开展研究与分析，全文采用节气门开度代替整车动力请求。

图2 发动机节气门开度与功率曲线簇示意图

CVT综合转速调节特性可依据经济速调节特性与动力速调节特性进行制定。在节气门开度小于40%下，按照经济性转速调节特性；在节气门开度大于70%，按照动力性调节特性；节气门开度在40%至70%，为过渡阶段。过渡阶段的设计原则是确保整个调速特性单调递增，并且保持整个曲线的光滑，并且最小的发动机转速不低于1 100 r/min。得到的CVT综合转速调节特性如图3所示。

图3 实际运行线制定示意图

1.2 CVT速比Map制定

根据车速与发动机转速的公式，如式(1)，便可以作出CVT的速比策略，如图4所示。可见随着车速增加或者节气门减小，CVT速比都变小，这是文中所采用的策略。实际中CVT速比策略受多种控制参数影响，如道路坡度、大气温度等。笔者主要开展燃油经济性分析，故只用依据最佳经济运行性的转速调节特性制定速比Map，并且速比Map只与发动机的车速与节气门开度有关。此外，需要注意匹配不同发动机得到的最佳经济运行线不一样，从而速比Map也不一样。

(1)

式中：i′为变速器速比；n为发动机转速，r/min；r为轮胎滚动半径，m；i0为主减速比；ua为车速，km/h。

图4 CVT速比Map示例

2 模型构建与验证

2.1 模型构建

AVL-Cruise软件提供了整车、发动机及变速箱等模块，可以达到快速建模，对整车的动力经济性进行预测且可进行结果分析。以某款已量产且搭载小排量自然吸气发动机的轿车为研究对象，其主要的整车参数如表1。

表1 整车主要参数

按照CRUISE用户手册要求接好模型的物理连接与信号连接，建好的MT/CVT模型如图5所示。CVT模型与MT模型的主要区别在：①发动机之后CVT模型直接连接液力变矩器(Torque Converter)，因为实际的CVT是带液力变矩器且湿式的变速箱；②变速箱模块使用指定CVT模块，这与手动MT直接设置各个档位速比不一样，该模块只设置最大最小速比；③CVT模型比MT模型多了一个CVT Control模块，主要是依据车速与节气门开度给CVT模块计算出需求速比。

图5 CVT模型图与MT模型图对比

模型搭建好后，对各个模块输入参数。将实际车型、发动机、轮胎等数据输入至各个功能模块。除了上述存在差异模块的参数输入不一样之外，主要存在以下两点差异：①车辆整备质量。CVT重量比MT重约50 kg，故CVT的整备质量需要增加50 kg；②整车阻力参数。在液力变矩器锁上前，传动阻力会比较大，在阻力曲线上体现为低速段时CVT阻力会比MT高。

在计算任务设置中，CVT模型应用的是自动档(Automatic)设置，而profile里的档位全部设置为1，如图6所示。升降档策略设置成According to Velocity。其它更详细设置，请参考CRUISE的用户手册。

图6 CVT与MT换档点比较

2.2 模型验证

为保证仿真模型与实车一致性，确保试验数据的准确性，使用某款已量产搭载自然吸气发动机的车型实测数据与仿真数据进行比较。转鼓台架油耗试验与整车动力试验，均严格按国家标准进行[6]。仿真与实测结果的比较如表2所示。仿真值与试验值偏差范围在0.7%～2.6%，均满足±5%的偏差要求。可见，仿真结果与试验结果有着较高的一致性。

表2 仿真与实测结果对比

为比较分析CVT与MT匹配至整车上时的油耗差异时，确定的仿真方案为：在已验证的模型上开展CVT与MT匹配自然吸气发动机的整车油耗差异，再拓展到匹配涡轮增压以及缺内直喷发动机时CVT油耗和MT油耗差异比较分析。所使用的发动机主要参数见表3。

表3 发动机主要参数对比

3 结果与分析

3.1 仿真结果

表4给出了CVT和MT匹配自然吸气发动机E1，增压发动机E2，以及增压直喷发动机E3时综合油耗值以及之间的油耗差异。对自然吸气发动机，CVT油耗值比MT油耗低0.24 L/100 km，增压发动机CVT与MT油耗值差异为-0.04 L/100 km，而增压直喷发动机CVT油耗比MT油耗高0.19 L/100 km。相比MT油耗，从自然吸气发动机到增压直喷发动机，CVT从节油到不节油。可见，CVT比MT燃油消耗更高的结论并不能一概而论。为了进一步分析油耗差异原因，需要对变速箱差异与整车匹配进行分析。

表4 CVT与MT油耗差异结果对比

3.2 变速箱效率分析

手动变速箱MT是靠齿轮啮合实现力矩传递，而无极变速箱CVT是靠钢带实现力矩传递。钢带的夹紧力过大或过小都会严重影响其传递效率。表5列出了相同温度下实际测试得到的CVT和MT变速箱效率。可见，CVT的效率在所有工况下都远低于MT。特别是在大速比2.41时CVT与MT效率差别大于10%。此外，液力变矩器在锁止前也会造成明显的扭矩损失。通过效率比较来看，CVT效率并不占优势，随之油耗也不占优势。

表5 MT与CVT部分效率对比表

3.3 整车匹配分析

3.3.1变速箱运行点分析

在离合或液力变矩器锁止之后，变速箱的输入轴转速完全等同于发动机转速，输出轴转速与变速箱转速成正比关系。因此可以用发动机转速与车速的关系表征变速箱工况运行点，如图7所示。图中由点A、点B、点C与原点围成的区域是CVT变速箱可能运行点，由ABC三个特征点定义的。A点为以最大速比2.64能达到的最高车速，B点为最高车速时对应的发动机转速，C点为最小速比0.38能达到的最高车速。超出框线的点为离合器或者液力变矩器没有完全锁止时对应的运行点。可见，MT的运行点只落在6条固定直线上，而CVT运行点可以落在整个绿色框靠下而部分。为达到同一个车速，CVT需要的发动机转速更低，有利于降低CVT的综合油耗。

图7 变速箱工况运行图比较

3.3.2发动机运行点分析

整车匹配集成对整车综合油耗有至关重要的影响，性能良好的发动机与变速箱若匹配不当仍然会导致燃油经济性变差。仿真时设置每秒输出一个结果，NEDC循环共有1180 s，故有1 180个运行点。图8给出了CVT与MT匹配自然吸气发动机E1时工况运行点。图中黑色方框点为手动档MT车型运行点，圆点为CVT车型运行点，直线为最佳经济运行线，类似于等高线的线圈为等燃油消耗率线。若以燃油消耗率低于260 g/(kW·h)的区域称为发动机经济运行区域，则如图8中阴影面积所示。可见，CVT大部分工况运行点落在了发动机经济运行区域，并且跟随着该发动机最佳经济运行线。但是MT大部分工况点在经济运行区之外，只有使用6档时才进入经济运行区。

图8 CVT与MT工况运行点比较

通过上节可知，CVT在匹配发动机时是依据发动机的最佳经济运行线进行速比策略的制订，其通过调节速比使得发动机运行在经济区域。但是手动变速箱MT只有5个或6个档位，导致发动机运行在较高的燃油消耗点或者较低效率点。故可推断，对于自然吸气发动机E1，CVT使发动机大部分时间都运行在高效区，远远弥补了效率低导致的油耗增加量。因此合理解释了仿真结果中出现CVT车综合油耗低于MT车。

值得注意的是发动机不一样，其经济运行区域有着明显差别。图9给出了自然吸气、增压以及增压直喷发动机三种类型发动机经济运行区域的比较。相比自然吸气发动机E1，增压发动机E2经济区域的转速与扭矩跨度都更大，且向更低扭矩方向移动；增压直喷发动机E3的经济区域则更加大。若以270 g/(kW·h)或更高的等油耗率线比较，此趋势更加明显。由此可见，增压发动机E2与增压直喷发动机E3的经济运行区域更靠近手动档MT运行点，而CVT运行点则跟随经济运行区域在变化。此时，CVT运行点的优势被削弱，持平或甚至不能弥补效率低造成的油耗增加量。从而在仿真结果中出现CVT匹配增压发动机E2时综合油耗与MT持平，但是匹配增压直喷发动机E3时综合油耗高于MT。

图9 三种类型发动机经济区域比较

4 结 论

开展了CVT与MT匹配自然吸气、增压与增压直喷发动机的整车综合油耗研究，并从变速箱效率、变速箱运行点以及发动机运行点对CVT与MT油耗差异进行详细分析。主要结论如下：

(1) CVT速比MAP可以由发动机经济运行线与动力运行线进行初步制定。

(2) CVT通过无级变速可使发动机大部分时间都运行在高效区，从而弥补效率低导致的油耗增加量。

(3) CVT匹配自然吸气发动机或者有着较高经济运行区的发动机时，综合油耗有着明显优势，甚至可比MT车型更节油；反之，无显示优势。

(4) AVL-Cruise仿真软件是一个实用的工具，为控制策略的解析与研究提供了理论依据且缩短了整车产品开发周期。