发动机与双状态无级变速器匹配的研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 7 4 2.01MB 65 页 15积分
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摘 要
动力性与燃料经济性是车辆最重要的性能，双状态无级变速器车辆的动力性
与燃料经济性的好坏，在很大程度上取决于发动机、液力变矩器、CVT 的性能、
传动系的形式和参数的选择，即取决于发动机、液力变矩器和 CVT 三者之间的合
理匹配的程度。
本文首先对车辆传动系统的性能进行分析，建立了发动机、液力变矩器、CVT
的数学模型，并以此为根据研究了发动机与液力变矩器的匹配策略，提出了共同
工作的评价指标和评价方法。
根据建立的发动机与液力变矩器的数学模型，及二者之间的匹配策略，利用
Matlab 语言编制发动机与液力变矩器的匹配程序。提出了程序的总体结构，以及
建立了各个模块的功能。
依据实例对发动机与液力变矩器的匹配性能进行分析，分别评价了其共同工
作的输入、输出特性，以及它们对车辆的起步性能、动力性及燃油经济性的影响。
通过共同工作的评价指标，确定最佳匹配。
以实例分析，根据发动机的转速调节特性，计算 CVT 的最佳经济性和最佳动
力性目标速比，并分析了速比变化率对车辆加速性能的影响。
研究发动机与双状态无级变速器的匹配，采用车速来控制液力变矩器闭锁，
计算出不同节气门开度下，车辆的闭锁车速，确定液力变矩器与 CVT 的各自的工
作区间。
关键词：双状态 发动机 液力变矩器 CVT 匹配
ABSTRACT
The most important characteristics of vehicle are dynamic performance and fuel
economy. It depends on the engine characteristics, torque converter characteristics and
CVT characteristics, it also depends on match of the engine, torque converter and CVT.
Based on the analysis of performance of transmission system, an integrated
mathematical model of automobile (including engine, torque converter and CVT)was
established. This text introduces the match strategy between engine and torque converter,
and the evaluating indicators of optimal matching.
By using the established engine and torque converter model, and the match
strategy between engine and torque converter, this text prepare the program of the
match of engine and torque converter with MATLAB. The overall structure of the
program was presented. And the establishment of each module was established.
By using an example, this text analyzes the matching performance of engine and
torque converter, evaluates the input, output characteristics of their joint work, and
analyzes the impact to vehicle starting, power and fuel economy. This text determines
the best match by using Evaluation of their joint work.
Based on the engine speed regulation characteristics, this text calculates the best
ratio of dynamic performance and fuel economy of CVT, and analyzes the influence of
vehicle acceleration. Using vehicle speed to control the clutch, this text calculates the
vehicle speed when the vehicle is beginning to only use CVT to work, determines the
work area of the torque converter and the CVT.
Key Words: double state, engine, torque converter, CVT, match
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1
§ 1.1 无级变速器的分类． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
§ 1.2 金属带式无级变速器的优缺点．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3
§ 1.3 起步装置的应用 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3
§ 1.4 国内外的研究现状．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5
§ 1.4.1 国外研究现状 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5
§ 1.4.2 国内研究现状 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 6
§ 1.5 论文主要研究内容 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 6
第二章 发动机与双状态无级变速器的建模．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8
§ 2.1 发动机模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8
§ 2.2 液力变矩器的工作原理及模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 11
§ 2.2.1 液力变矩器的基本工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 11
§ 2.2.2 液力变矩器模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 12
§ 2.3 金属带式无级变速器模型 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 14
§ 2.4 本章小结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 15
第三章 发动机与液力变矩器的匹配策略．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 16
§ 3.1 发动机与液力变矩器共同工作的输入特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 16
§ 3.2 发动机与液力变矩器共同工作的输出特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 17
§ 3.3 发动机与液力变矩器匹配的评价指标．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 19
§ 3.4 本章小结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 21
第四章 发动机与液力变矩器匹配程序开发．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 22
§ 4.1 发动机与液力变矩器匹配计算方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 22
§ 4.1.1 液力变矩器与发动机共同工作的计算式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 22
§ 4.1.2 评价指标算式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 23
§ 4.2 匹配软件的总体结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 24
§ 4.3 匹配软件的主要模块设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 26
§ 4.4 匹配软件的界面设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 28
§ 4.5 本章小结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 29
第五章 发动机与液力变矩器匹配结果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 30
§ 5.1 发动机与液力变矩器特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 30
§ 5.2 共同工作输入特性评价．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 32
§ 5.3 共同工作输出特性评价．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 35
§ 5.4 本章小结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 36
第六章 发动机与 CVT 的匹配分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．38
§ 6.1 发动机的转速调节特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 38
§ 6.2 CVT 的传动控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 39
§ 6.2.1 CVT 目标速比的确定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．39
§ 6.2.2 不同工况下的速比控制规律．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41
§ 6.3 速比变化率对汽车加速性能的影响．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41
§ 6.4 本章小结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．43
第七章 发动机与双状态无级变速器的匹配．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 45
§ 7.1 发动机与液力变矩器、无级变速器的合理匹配．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．45
§ 7.2 液力变矩器的闭锁控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 45
§ 7.2.1 闭锁式液力变矩器的工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 45
§ 7.2.2 液力变矩器的闭锁方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 46
§ 7.3 匹配分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 48
§ 7.4 本章小结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 49
第八章 全文总结和工作展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 50
§ 8.1 全文总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 50
§ 8.2 工作展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 51
附 录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 52
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 59
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 62
致 谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 63
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
汽车的问世极大的推动了人类社会文明向前发展，同时也改变了社会结构，
使得汽车成为人类生活中不可缺少的重要的交通工具。汽车工业也在国民经济中
占据着重要的地位，甚至成为支柱产业。但是，在汽车一百多年的发展历史上，
汽车产业的蓬勃发展，汽车生产能力的不断提高，使得世界汽车的保有量不断增
加，能源消耗量的大量增加，造成地球能源紧缺以及汽车尾气排放对大气环境的
污染，已经严重的破坏了地球的生态环境平衡。如何有效的节省能源和防止地球
大气环境污染，已经成为 21 世纪汽车所面临的重大课题。
为了解决能源紧张的问题，世界各国着力开发研究汽车新能源及其应用技术。
为了有效解决汽车尾气对大气环境的污染问题，各国也制定了严格的节能和排放
限制的法规。为此，各厂家采用了具有特色的机内外相应的技术措施，并且已经
取得了良好的效果[1]。
虽然汽车的技术，随着节能和排放限制法规要求的不断强化，得到了空前的
发展，而且发动机技术也得到了进一步完善，但是为了充分发挥发动机的优越性
能，以完善汽车的综合性能，汽车传动系统的合理匹配已经成为重要的环节。
随着人类对生活质量的要求的不断提高，汽车的驾驶舒适性和疲劳强度越来
越受到重视。汽车传动系的自动变速恰好可以解决这一要求，同时，这也是汽车
发展到高级阶段的标志。所以在这种市场背景下，无级变速器以其优越的性能越
来越多的被应用到现代的汽车中来。
§ 1.1 无级变速器的分类
人们很早就认识到汽车无级变速的重要意义，通过无级变速，可以提高汽车
的舒适性、降低驾驶劳动的强度。早在 1886 年，V型橡胶带式无级变速传动，已
经应用于汽车[2]。无级变速传动的类型和在汽车上的应用，如表 1.1 所示。
百余年来，无级变速器的发展是随着汽车技术的发展而发展。人们相继研究
出了许多种类的无级变速传动装置，现在正在开发和已经应用于实际车型的无级
变速传动系统种类繁多。其中，应用最广泛的无级变速传动主要有两大类：靠挠
性的带或链与带轮之间的摩擦力传动的“带传动式”（Belt Drive）和靠刚性转动体
的摩擦力传动的“牵引传动式”（Traction Drive）[3]。
早期采用橡胶带来实现带传动式无级变速，由于在高速工况下，带的支撑不
连续，将导致带滑移，从而增加了带所受的力，使磨损加剧，进而影响带的使用
发动机与双状态无级变速器匹配的研究
2
寿命。现在的带传动式无级变速器多采用金属带式（图 1.1）或金属链式。由于结
构的因素，金属带式无级变速传动在传动比范围、传动效率、工作可靠性、以及
带的使用寿命及工作噪音等方面都优于金属链式无级变速传动[4]，所以，金属带式
无级变速传动就成了国内外研究和应用的重点。
表1.1 无级变速传动的类型及其应用情况
无级变速传动的类型
应用厂商（无级变速器型号）
主要生产厂家
V型带传动
橡胶带式
（Variomatic）
荷兰达夫公司
美国盖茨公司
复合带式
DAIHATU
日本阪东公司
SUZUKI
AICHIKIKAI
金属带式
SUBARU (ECVT iCVT)
荷兰 VDT 公司
HONDA (Multimatic)
NISSAN (Hyper CVT)
FIAT FORD （VSCT）
BMW ZF GM VW
金属链式
(SUZUKI S-CVT)
美国 Borg warner 公司
AUDI (Multitronic)
牵引传动
曲面式
NISSAN
日本精工株式会社
TOYOTA 等
英国 Torotrak 公司
圆锥式
Vadetec
液压传动
油泵+液
压马达
（特种车辆）
美国 GE 公司
图1.1 金属带式无级变速传动
第一章 绪论
3
§ 1.2 金属带式无级变速器的优缺点
典型的汽车有 46个档位，驾驶员在换挡时常常会感觉到冲击。而无级变速
器在设计范围内，速比是连续变化的，从而使驾驶员在驾驶车辆时避免了换挡冲
击的影响，提高了驾驶舒适性。在理论上，无级变速器在换挡的过程中，发动机
始终工作在理想的工作区域，不会引起发动机转速的突变，所以，无级变速器可
以延长发动机的使用寿命。总之，无级变速传动的优点如下[4、5]：
1.驾驶舒适，操作方便
在驾驶过程中，驾驶员无需换挡，消除了人为因素的影响，使得汽车驾驶平
顺，舒适。同时，简化了驾驶的操作，降低了驾驶的劳动强度，提高了安全性。
在交通拥堵现象日益严重的今天，操作简单，驾驶舒适成为越来越多人选择汽车
时首先考虑的要求。
2.提高动力性和燃油经济性
无级变速器在设计范围内，速比连续可调的特性，可使发动机工作在最佳的
工作区域，因此无论在动力性还是在燃油经济性上，无级变速器都要优于其他结
构的变速器。
3．降低有害物质排放
由于无级变速器在较宽的速比变化范围内速比连续可调，将发动机维持在理
想区域内处于稳定工作状态，减少了发动机在不稳定状态下的工作时间，从而提
高了发动机的排放性能，减少对大气环境的污染。
§ 1.3 起步装置的应用
由于结构的原因，无级变速器的起步性能较差，为了提高汽车的起步性能，
人们研究了多种起步装置来提高汽车的起步性能[6]。
1.采用液力耦合器作为起步装置
如图 1.2 所示，发动机将动力传给液力耦合器的泵轮，通过液力传动，泵轮将
动力传给涡轮，通过涡轮轴将动力输出到无级变速器。通过液力耦合器的液力缓
冲作用而起到改善车辆起步性能的作用。
摘要：

摘要动力性与燃料经济性是车辆最重要的性能，双状态无级变速器车辆的动力性与燃料经济性的好坏，在很大程度上取决于发动机、液力变矩器、CVT的性能、传动系的形式和参数的选择，即取决于发动机、液力变矩器和CVT三者之间的合理匹配的程度。本文首先对车辆传动系统的性能进行分析，建立了发动机、液力变矩器、CVT的数学模型，并以此为根据研究了发动机与液力变矩器的匹配策略，提出了共同工作的评价指标和评价方法。根据建立的发动机与液力变矩器的数学模型，及二者之间的匹配策略，利用Matlab语言编制发动机与液力变矩器的匹配程序。提出了程序的总体结构，以及建立了各个模块的功能。依据实例对发动机与液力变矩器的匹配性能进行...

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