回流式无级变速器动力连续转换的控制策略仿真研究

孙冬野 尹燕莉 郝允志 林歆悠 刘永刚

重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆，400030

0 引言

Macey等［1］于1987年首次提出了回流式无级自动变速传动方式。Hohn等［2］阐述了采用i2型无级变速传动系统的混合动力汽车的优越性。Miguel等［3］研制了功率分流式无级变速系统的混合动力SUV（sport utility vehicle）汽车。综合上述文献来看，针对功率分流式无级变速器的研究大多是在结构设计和性能分析方面进行的，目前对工况转换控制方面的详细报道还未见到。

回流式无级变速器在动力转换［4］（无级与回流工况转换）过程中，变速器效率和金属带功率流方向都发生了一定变化，并引起变速器输出扭矩的突变，如何控制转换过程中离合器的接合或分离、扭矩变化关系等，以满足整车平顺性的要求，是本文研究的重点。

1 结构与主要工作模式

回流式无级变速传动系统具有以下主要关键部件：金属带无级变速装置、定速比齿轮传动装置、行星排齿轮传动装置、湿式离合器、单向离合器和制动器，其结构简图如图1所示。

图1 回流式无级变速传动系统结构简图

回流式无级变速传动系统的主要工作模式如下（图2）：

（1）空挡。传动系统的所有离合器均处于分离状态，此时传动系统为空挡状态，控制离合器L1使车辆起步。

（2）低速（回流）工况。接合离合器L1和L2，单向离合器L4输入端比输出端转速高，因此单向离合器亦将发挥作用，此时汽车处于低速行驶工况。

（3）过渡工况。离合器L2分离，整个传动系统功率的传递方式改为单向传递，发动机制动在此工况下已不再发挥作用。

（4）高速（纯无级）工况。切断离合器L1，将离合器L3接合，此时整个传动系统使车辆进入高速行驶工况。

图2 工作模式

2 动力连续转换的控制策略

2.1 同步转换点

变速器调速特性如图3所示。可以看出，同步转换点（定速比齿轮副速比if＝2.4704）是低速与高速工况的交点，此点处的两个工况速比相同，这将作为转换过程中的条件，即达到该点时发生工况转换。

图3 变速器调速特性

2.2 工况转换控制策略

图4表示回流工况、纯无级工况、过渡工况（回流－无级、无级－回流）转换的流程图，图中igm为目标速比；digm／dt为目标速比变化率；离合器L1、L2、L3的状态sL、sL、sL为0表示分离，为1231表示接合；CVT＿to＿RP（纯无级工况向回流工况转换）的状态sC为1表示纯无级－回流工况转换，为0表示纯无级－回流工况转换结束或处于其他工况；RP＿to＿CVT（回流工况向纯无级工况转换）的状态sR为1表示回流－纯无级工况转换，为0表示回流－纯无级工况转换结束或处于其他工况。

图4 转换过程流程图

2.3 回流－无级转换控制策略

图5为回流－无级转换流程图，主要转换过程如下：

（1）目标速比满足2.4＜igm＜2.4704，表明系统已有由回流工况－纯无级工况转换的趋势，但为了避免循环转换现象的出现，只有当igm＜2.4时，才开始实施转换，此时，只分离离合器L2。

（2）目标速比igm＜2.4，逐步接合离合器L3，直到离合器L3接合完成，然后，分离离合器L1进入纯无级变速工况。

图5 回流－无级转换框图

2.4 无级－回流转换控制策略

无级－回流转换过程如图6所示，该过程与回流－无级转换过程类似，只是顺序相反，在此不赘述。

图6 无级－回流转换框图

3 转换过程动力学模型和离合器控制

从回流－无级、无级－回流转换过程分析可以看出，在转换过程中，主要控制离合器L1和L3的接合或分离，因此，对离合器L1和L3建立详细的动力学模型是必要的。

3.1 离合器L3接合过程动力学模型

图7所示为离合器L3接合过程动力学模型。在离合器L3接合过程中，功率流方向为：发动机→金属带主动轮→定速比齿轮副→单向离合器L4→行星架，由行星架输出的功率流一部分从齿圈输出，一部分从太阳轮输出（太阳轮输出的功率一部分通过离合器L3输出，一部分返回金属带主动带轮）。

图7 离合器L3接合过程动力学模型

按照功率流的方向，对变速器的各个部件进行了动力学［5］分析，并建立了如下数学模型：

式中，下标1～9分别表示输入轴、金属带主动轮、从动轮、输入齿轮、输出齿轮、行星架、太阳轮、齿圈、主减速器输出；下标10表示半轴及轮胎；下标2p、e、c、s、r、w分别表示从动轮、发动机、行星架、太阳轮、齿圈、车轮；Tk（k＝1，2，…，10，2P，e，c，s，r，w）为各部件转矩；Ik（k＝1，2，…，10，2P，e，c，s，r，w）为各部件转动惯量；ωk（k ＝ 1，2，…，10，2P，e，c，s，r，w）为各部件转动角速度；α为节气门开度；Tf为整车阻力扭矩；i为金属带速比；ηCVT为金属带效率；i0为主减速器速比。

3.2 离合器L1分离过程动力学模型

图8所示为离合器L1分离过程动力学模型。在离合器L1分离过程中，功率流方向为：发动机→金属带主动轮→离合器L1→定速比齿轮副→单向离合器L4→行星架；发动机→金属带主动轮→金属带从动轮→太阳轮；最后，太阳轮和行星架输入的功率流通过行星排结构输出（行星排成为一个整体结构）。

图8 离合器L1分离过程动力学模型

按照功率流的方向，本文对变速器的各个部件进行了动力学分析，并建立了如下数学模型：

3.3 离合器L3接合控制

离合器L3接合过程中，需在保证离合器寿命的前提下，能够迅速稳定地进行接合［6］。以冲击度［7］作为评价指标，对离合器接合过程进行控制［8]。

冲击度j为车辆行驶过程中加速度a的变化率：

式中，v为车速；r为车轮半径；Id为整车转动惯量；Tt为整车驱动力矩。

由式（1）可以得到整车驱动转矩：

式中，TL3为离合器L3的接合转矩。

由式（3）、式（4）可以得到离合器L3接合转矩变化率：

根据冲击度标准：

由式（5）、式（6）可以确定离合器L3接合转矩变化率的限定范围。

3.4 离合器L1分离控制

由式（2）得到整车驱动转矩：

式中，TL1为离合器L1的分离转矩。

根据式（3）、式（7）可以得到离合器L1分离转矩变化率：

由式（6）、式（8）可以确定离合器L1分离转矩变化率的限定范围。

4 仿真结果

以MATLAB／Simulink为平台建立了整车仿真模型，选取ECE循环工况，对本文所研究的回流式无级变速传动系统转换过程进行了仿真分析［9－10］。为了更清楚地看出转换过程的仿真结果，截取转换过程和转换前后共2s的仿真曲线。

图9所示为回流－无级工况转换的过程，可以看出，当到达转换的时刻，速比保持在同步转换点（if＝2.4704）这个数值下，直到转换完成。变速器输出转矩在转换过程中，由于变速器效率的变化，使得转矩先是逐步增大后来又逐渐减小，转换过程中，没有动力中断，冲击度控制在5m／s3以内。

图9 回流－无级转换过程仿真

图10所示为无级－回流转换的过程，基本过程与回流－无级换挡的过程类似。仿真结果，冲击度控制在5m／s3以内。

图10 无级－回流转换过程仿真

5 结论

（1）提出了一种无需动力切断，通过控制离合器接合或分离的时刻，以及限制离合器扭矩变化率大小，来实现回流式无级变速器动力连续转换的控制策略。

（2）建立了回流式无级变速器转换过程中离合器分离、接合的动力学模型，并确定了离合器扭矩变化率的限定范围。

（3）基于 MATLAB／Simulink平台，对整车转换过程进行了仿真分析，结果表明：在转换过程中，无动力中断，冲击度控制在5m／s3以内。

［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]翁晓明.湿式双离合器变速器换挡品质的研究［J］.汽车工程 ，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.

［10]Guo X，Fu C，Cheng F，et al.Modelling and Simulation Research of Dual Clutch Transmission Based on Fuzzy Control［J］.SAE Paper，2007－01－3754.