论无级变速器在汽车产业中的应用

　　1 引言

　　目前在汽车上广泛使用的自动变速技术是将液力变矩器和行星齿轮系组合的自动变速器技术，在主要汽车制造商生产的轿车中的平均装车率已经达到70%。但是液力变矩器和行星齿轮系的组合有着明显的缺点：传动比不连续，只能实现分段范围内的无级变速；液力传动的效率较低，影响了整车的动力性与燃料经济性。所以汽车行业早就开始研究其它新型变速技术，无级变速（CVT）技术就是其中有前景的一种。

　　2 无级变速器的使用特性

　　2.1 经济性

　　CVT可以在相当宽的范围内实现无级变速，从而获得传动系与发动机工况的匹配，提高整车的燃油经济性。德国的大众公司在自己的Golf VR6轿车上分别安装了4-AT和CVT进行ECE市区循环和ECE郊区循环测试，证明CVT能够有效节约燃油。

　　2.2 动力性

　　汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速能力。汽车的后备功率愈大，汽车的动力性愈好。由于CVT的无级变速特性，能够获得后备功率的传动比，所以CVT的动力性能明显优于机械变速器（MT）和自动变速器（AT）。

　　2.3 排放污染杂物

　　无级变速的速比工作范围宽，能够使发动机以工况工作，从而改善了燃烧过程，降低了废气的排放量。公司将自已生产的无级变速装车进行测试，其废气排放量比安装4-AT的汽车减少了大约10%。

　　2.4 成本

　　CVT系统结构简单，一旦汽车制造商开始大规模生产，CVT的成本将会比AT小。由于采用该系统可以节约燃油，随着大规模生产以及系统，材料的革新，CVT零部件（如传动带或传动链，主动轮，从动轮和液压泵）的生产成本，将降低20%-30%。

　　3 CVT工作原理介绍

　　CVT的主要结构和工作原理如图3-1所示，该系统主要包括主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。金属带有两束金属环和几百个金属片构成。主动轮组和从动轮组都有可动盘和固定盘组成，遇有工作靠近一侧的轮上滑动，另一侧则固定。可动盘与固定盘都是锥面结构，它们的锥面形成V型槽来与V型金属传动带主动轮齿合。发动机输出轴输出的动力首先传递到CVT的主动轮，然后通过V型传动带传动到从动轮，经减速器、差速器传递给车轮来驱动汽车。工作通过主动轮与从动轮的可动盘轴向移动来改变主动轮、从动轮锥面与V型传动带齿合的工作半径，从而改变传动比。可动盘的轴向移动量是有驾驶者根据需要通过控制系统自动调节主动轮、从动轮液压泵油缸压力来实现的。由于主动轮和从动轮的工作半径可以实现连续调节，从而实现了无级自动变速。

　　在金属带式无级变速器的液压系统中，从动油缸的作用是控制金属带的张紧力，以保证来自发动机的动力高效、可靠的传递。主动油缸控制主动锥轮的位置沿轴向移动，在主动轮组金属带沿V型槽移动，由于金属带的长度不变，在从动轮组上金属带沿V型槽向相反的方向变化。金属带在主动轮组和从动轮组上的回转半径发生变化，实现速比的连续变化。

　　汽车开始起步时，主动轮的工作半径较小，变速器可以获得较大的传动比，从而保证驱动桥能够有足够的扭矩来保证汽车有较高的加速度。随着车速的增加，主动轮的工作半径逐渐减小，从动轮的工作半径相应增大，CVT的传动比下降，使得汽车能够以更高的速度行驶。

　　4 现代无级变速器汽车动力传动系的控制应用

　　4.1 汽车动力传动系统一体化智能控制

　　4.1.1 一体化控制思想

　　汽车动力传动系统一体化控制是指应用电子技术和自动变速理论，以电子控制单元（ECU）为，通过液压执行机构控制离合器的分离和结合、选换挡操作，并通过电子装置控制发动机的供油实现起步、换挡的自动操作。其基本的控制思想是：根据驾驶员的意图（加速踏板、制动踏板、操纵手柄等）和车辆的状态（发动机转速、输入轴转速、车速、档位），依据适当的控制规律（换挡规律、离合器结合规律），借助与相应的执行机构（离合器执行机构、选换挡执行机构）和电子装置（发送机供油控制电子装置）对车辆的动力传动系（发动机、离合器、变速器）进行联合操纵。

　　4.1.2 一体化控制方式

　　控制系统的功能是依据驾驶员的意图和车辆行驶环境的变化，自动调节基础传动部件的传动比和工作状态，以实现传动系效率的和车辆整体性能的。一般来说，车辆控制系统主要有车辆数据采集系统（传感部分）、电子控制单元和执行机构三大部分组成。

　　a 车辆数据采集系统（传感部分）的组成控制系统中，车辆按照驾驶员的意图形式和工作，车辆控制系统必须能够正确识别和实现驾驶员的操纵。驾驶员意识的识别是通过传感器对车辆控制机构的变化进行检测，并经过分析获得。

　　在汽车上使用的传感器主要有以下几种：磁电式传感器、磁阻式传感器、光电式传感器、霍尔式传感器、热敏式传感器、变阻式传感器、压电晶体式传感器等。在动力传动系统中变速器部分使用的传感器有：发动机转速传感器、车速传感器、节气门开度传感器、离合器位移传感器等。其中发动机转速传感器、车速传感器和霍尔式传感器等利用信号原理的传感器，节气门开度传感器和离合器位移传感器均使用变阻式传感器。

　　除传感器以外，其它信号通过开关和控制器或其他方式进行信号传递。常用的开关有多功能开关、强制抵挡开关等。开关也是很重要的信息输入手段。

　　b 电子控制单元，电子控制单元是整个控制系统的。其功能是依据驾驶员意图和车辆的运动状态参数检测与提供的信号，进行档位转换或工作状态改变。电子控制单元的主要功能有：信号采集和预处理、驾驶员操纵意识识别、车辆状态识别、换挡决策（换挡规律）、换挡品质控制、故障诊断功能、输出和显示等功能。

　　新一代的控制其功能很全面，控制性能也很好，使用高性能的16位或32位微处理器，有些甚至试用了定制的微处理器，包含了控制需要的大部分功能，简化了控制电路而且增强了电路的功能和可靠性。比如日本的JATCQ公司的产品均使用NEC和摩托罗拉16位和32位微处理器；德国的ZF使用摩托罗拉32位POWERPC微处理器开发了5档自动变速器--SHP19的换挡控制器。由于控制器的微处理更新换代，使换挡控制比较复杂，而且由于处理器的外围电路扩展，使输入输出功能更加强劲。为了使控制性能获得跟大的提高，在这些控制器中不仅使用了控制程序，还使用了嵌入式实时操作系统。

　　c 执行机构控制系统的输入信号以后，送到控制器进行数据处理，数据处理结束以后，电子控制单元的控制信号将通过执行机构实现对动力传动系统工作状态的改变，保证对车辆性能的控制。同时执行机构保证换挡品质的控制。实现档位切换的执行结构一般都使用电磁阀。

　　4.2 智能控制技术及其在动力传动系统中的应用

　　4.2.1 智能控制技术

　　智能控制的产生来源于被控制系统的高度复杂性、不确定性及人们对控制性能越来越高的要求。这种被控系统难以用的数学模型（微分方程和差分方程）来描述。而作为智能控制方法之一的模糊控制与传统控制相比，具有3个优点：可以从行为上模拟人的模糊推理和决策过程；不需要建立数学模型即可实现较好的控制；可以实现非线性控制任务，而常规控制器对非线性特性通常难以实现控制要求。

　　智能控制技术作为自动控制技术的前沿，以智能控制理论、计算机技术、人工智能、运筹学为基础，适用于被控对象和环境具有未知或不确定因素、数学模型难以建立、运行环境和工况发生不可预测的变化等场合。一个好的智能控制系统应能满足多目标与多性能指标要求，能利用知识进行推理和学习，能适应对象特性和运行条件的变化，具有较好的鲁棒性、适应性、容错性、实时性和多样性。

　　4.2.2 智能控制技术在汽车动力传动系统中的应用

　　汽车是一个复杂的多自由度系统，在外界不确定因素的作用下，其动态特性会发生很大变化甚至失稳。许多都在寻求一种有效方法控制汽车的动态特性，使之满足要求。由于智能控制的性能优于传统控制，因而在汽车领域得到广泛的应用。

　　a 发动机控制发动机技术决定和影响着整车基本技术的发展。由于激烈的市场竞争和新的燃油排放标准的制定和实施，发动机技术己从单纯追求功率和可靠性转移到追求良好的燃油经济性和降低废气排放。发动机的控制包括：燃油喷射控制、点火时刻控制、爆震控制、怠速转速控制、废气再循环控制和空燃比闭环控制等。

　　90年代初，菲亚特公司成功地实现了发动机怠速的模糊控制。随后，三菱公司也不甘落后，提出了相关计划。90年代中期，Martinez和Jamshidi将模糊控制运用到发动机中，控制发动机怠速转速和空燃比，其结构原理如图4-1所示

　　该模糊控制器输人速度和加速度的误差，经模糊运算得出一个合适油门开度值u。不久，Ma-jors等人成功地运用神经网络理论实现了发动机燃料空气比的控制。

　　b 传动系统控制，90年代初，福特公司和宏达公司已经就神经网络和模糊逻辑系统在汽车的动态特性与控制中的应用进行了许多研究，日产公司率先用模糊控制器控制汽车传动系的变速规律和防抱死制动系统的压力调制器。许多都在寻求一种有效方法控制汽车的动态特性，其原理如图4-2所示。该模糊控制器以汽车速度、加速度、油门开度、道路阻力、制动时间和当前变速情况为输入，经模糊运算后得出合适的换档值。

　　5 总结

　　汽车动力传动一体化控制系统是采用高性能微控制器对动力传动系统卖施一体化控制的产物。随着汽车电子技术的发展和生活水平的提高，人们对汽车性能的要求也越来越高，依靠微控制器对汽车动力传动系统进行整体控制已成为国内外竞相发展的一项技术。同时，智能控制技术在汽车控制领域被日益广泛应用，使得智能控制技术也成为汽车整体控制的重要发展方向之一。