汽车无级变速传动系统建模与控制策略仿真研究
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摘 要
与有级变速器相比，无级变速器避免了齿轮传动传动比不连续的缺点，具有
连续改变速比的特点，因而它能实现真正意义上的无级变速，是汽车理想的变速
传动装置，目前已经得到了广泛的关注和迅速的发展。其中以金属带式无级变速
器的发展较快，研究也较成熟。液力变矩器作为汽车的起步装置，具有使汽车起
步平顺、缓解发动机与路面的冲击力，保证发动机低速时不熄火等优点，因此，
由液力变矩器与金属带式无级变速器组成的无级变速传动系统可以说是一种比较
理想的传动系统，研究其传动特性对于提高汽车的性能具有很好的现实意义。
对于由液力变矩器和金属带式无级变速器组成的无级变速传动系统，其研究
集中于两个方面：一个是发动机、变矩器、金属带式无级变速器三者之间的合理
匹配问题；二是对于金属带式无级变速器速比的控制问题，因为对于速比的控制
直接影响到发动机能否工作在最佳状态。
本文的主要内容围绕以上两点进行展开。首先，通过分析金属带式无级变速
器的结构和传动特性得出了速比与带轮主动缸位移的关系，为速比控制系统的建
立提供数学基础。利用发动机的试验数据，建立了发动机的数学模型，得出了发
动机的最佳经济性和最佳动力性转速调节特性曲线，并由此确定了发动机与无级
变速器的匹配策略及其目标速比；利用液力变矩器的试验数据，得出了其数学模
型，分析了其与发动机共同工作的特性，并据此提出了一种发动机、液力变矩器、
金属带式无级变速器三者之间的匹配策略。
其次，对金属带式无级变速器速比的液压控制系统进行了深入研究，建立了
其速比的液压系统数学模型；之后在建立的速比液压系统模型的基础上，根据提
出的匹配策略，设计了以液压系统比例电磁铁的电压信号为控制对象的速比模糊
自适应 PID 控制系统。
最后，依据所建立传动系统各个环节的数学模型和控制策略，利用仿真环境
MATLAB/SIMULINK 建立了其仿真模型以及整车模型。通过对整车模型进行起
步、加速、加速受阻、减速几种工况的仿真，验证了所建模型以及所提出的控制
策略的正确性。
关键词：发动机 液力变矩器 无级变速器 匹配 仿真
ABSTRACT
Continuously Variable Transmissions (CVT) could make up for the disadvantages
of the former type, and have fabulous merits provided by continuous speed ratio,
because of which CVT practically performs the function of continuous speed changing.
CVT proves to be the ideal speed altering transferring set which has drawn great
attention worldwide. Among different categories of CVT, the one with strap is the most
popular kind. As the starting part of automobiles, Hydraulic torque converter could
smooth the vehicles’ starting procedure, decrease the impact force of the engine and
road and guarantee the flameout for low-speed engine state. Therefore, the transmission
system will be qualified for almost all situations emerged, and relevant research on it
will be of great significance to improve the automobile’s functions.
There are maily two aspects to study on transmissions constitued of hydraulic
torque converter and CVT: First, the reasonable matching for the engine, converter and
the CVT;Second, the control of the speed ratio of CVT.
This paper revolves around the two points mentioned above. Firstly, by analyzing
the structural and transmitting features of CVT the relationships between speed ratio
and displacement of the strap’s active cylinder which provides mathematic basis for the
control system. Afterwards the engine’s mathmatic model is built along with the
optimized economical and dynamic curves patterned by characteristics of the engine,
after which the matching tactic for engine and CVT and the targeted speed ratio are
gained. Then hydraulic torque conveter’s mathematic model is acquired from the
experimental data, and the overall matching tactic among the engine,CVT and converter
is obtained.
Secondly, further research is conducted on the speed hydraulic control along with
the mathematic modeling of hydraulic system. Then the respective matching tactic is
completed and a fuzzy PID control method for the hydraulic system, the volt signal of
the electric magnetic being the control object.
Finally, based on the work of mathematic models and matching tactics, the whole
automobile’s model is built in the environment of MATLAB and SIMULINK. By
analyzing the simulation results of several classic situations such as starting,
accerlerating, decelerating, the flexibility, reliability and accuracy of the method
presented by this paper is justified.
Key Words：Engine，Torque Converter，CVT ，Matching，Simulation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ...................................................................................................................1
§1.1 课题提出的意义 ...............................................................................................1
§1.2 无级变速器(CVT)的优点 ................................................................................ 3
§1.2.1 燃油经济性 .............................................................................................. 3
§1.2.2 动力性 ...................................................................................................... 3
§1.2.3 有害物的排放 .......................................................................................... 3
§1.2.4 操控性能 .................................................................................................. 3
§1.2.5 舒适性 ...................................................................................................... 4
§1.2.6 可靠性 ...................................................................................................... 4
§1.2.7 成本低 ...................................................................................................... 4
§1.3 无级变速器(CVT)的分类 ................................................................................ 4
§1.3.1 液体传动式无级变速器 ......................................................................... 5
§1.3.2 电力传动式无级变速器 ......................................................................... 5
§1.3.3 机械传动式无级变速器 ......................................................................... 6
§1.4 无级变速器(CVT)的发展历程 ........................................................................ 6
§1.4.1 国外无级变速器(CVT)的发展历程 .......................................................6
§1.4.2 国内无级变速器(CVT)的发展历程 .......................................................7
§1.5 论文的主要研究内容 .......................................................................................8
第二章 无级变速传动系统的结构和传动原理 ...........................................................9
§2.1 无级变速传动系统的结构 ...............................................................................9
§2.2 无级变速传动系统的传动原理 .....................................................................10
§2.3 金属带式无级变速器的速比及速比范围 ..................................................... 11
§2.4 本章小结 .........................................................................................................13
第三章 发动机与 CVT 的匹配 ...................................................................................14
§3.1 发动机数学模型 .............................................................................................14
§3.1.1 发动机输出转矩的数值模型 ............................................................... 14
§3.1.2 发动机有效燃油消耗的数值模型 ....................................................... 16
§3.2 发动机转速调节特性 .....................................................................................18
§3.3 CVT 速比控制目标的确定 .............................................................................20
§3.4 本章小结 .........................................................................................................22
第四章 发动机、液力变矩器与 CVT 的匹配 ...........................................................23
§4.1 液力变矩器数学模型的建立 .........................................................................23
§4.1.1 液力变矩器转速比 ............................................................................... 24
§4.1.2 液力变矩器容量系数 ........................................................................... 24
§4.1.3 液力变矩器变矩系数 ........................................................................... 25
§4.1.4 液力变矩器传递效率 ........................................................................... 26
§4.2 发动机与液力变矩器的合理匹配 .................................................................27
§4.2.1 共同工作输入特性 ............................................................................... 27
§4.2.2 共同工作输出特性 ............................................................................... 28
§4.3 发动机、液力变矩器与 CVT 三者匹配原则的确定 ...................................29
§4.4 CVT 调节车速的确定 .....................................................................................30
§4.5 本章小结 .........................................................................................................30
第五章 金属带式无级变速器速比液压系统模型 .....................................................31
§5.1 电液比例控制器的数学模型 .........................................................................31
§5.1.1 比例放大器的数学模型 ....................................................................... 31
§5.1.2 衔铁的数学模型 ................................................................................... 32
§5.1.3 电液比例控制器的数学模型 ............................................................... 33
§5.2 阀控液压缸动力机构的数学模型 .................................................................34
§5.2.1 滑阀的数学模型 ................................................................................... 35
§5.2.2 液压缸的数学模型 ............................................................................... 35
§5.2.3 阀控液压缸动力机构的数学模型 ....................................................... 36
§5.3 CVT 速比液压系统模型 .................................................................................38
§5.3.1 CVT 速比液压系统的传递函数模型 ................................................... 38
§5.3.2 CVT 速比液压系统模型的稳定性分析 ............................................... 39
§5.4 本章小结 .........................................................................................................40
第六章 金属带式无级变速器速比控制系统 .............................................................41
§6.1 模糊自适应 PID 控制原理 ............................................................................ 41
§6.1.1 模糊自适应 PID 控制系统的结构 .......................................................41
§6.1.2 模糊自适应 PID 控制器的设计思路 ...................................................42
§6.2 CVT 速比控制系统原理设计 .........................................................................43
§6.3 CVT 速比控制系统模糊自适应 PID 控制器的设计 .................................... 44
§6.3.1 模糊自适应 PID 控制器的结构 ...........................................................44
§6.3.2 输入输出量的模糊化 ........................................................................... 45
§6.3.3 模糊控制规则 ....................................................................................... 46
§6.3.4 模糊推理 ............................................................................................... 48
§6.3.5 输出量的模糊判决 ............................................................................... 48
§6.4 CVT 速比控制系统设计 .................................................................................50
§6.5 本章小结 .........................................................................................................50
第七章 汽车无级变速传动系统建模与仿真 .............................................................51
§7.1 发动机仿真模型 .............................................................................................51
§7.2 液力变矩器仿真模型 .....................................................................................51
§7.3 CVT 速比系统仿真模型 .................................................................................52
§7.4 CVT-传动系统仿真模型 .................................................................................53
§7.4.1 CVT 模型 ............................................................................................... 53
§7.4.2 驱动轴动态模型 ................................................................................... 54
§7.4.3 整车运动模型 ....................................................................................... 54
§7.4.4 CVT-传动系统仿真模型 ....................................................................... 54
§7.5 输入控制模型 .................................................................................................55
§7.6 无级变速汽车整车仿真模型 .........................................................................55
§7.7 整车仿真分析 .................................................................................................56
§7.7.1 起步工况仿真 ....................................................................................... 57
§7.7.2 加速工况仿真 ....................................................................................... 60
§7.7.3 加速受阻工况仿真 ............................................................................... 62
§7.7.4 减速工况仿真 ....................................................................................... 63
§7.8 本章小结 .........................................................................................................65
第八章 全文总结与展望 .............................................................................................66
§8.1 全文总结 .........................................................................................................66
§8.2 展望 .................................................................................................................66
参考文献 .........................................................................................................................68
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................70
致 谢 .............................................................................................................................71
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题提出的意义
当今现代社会，科学技术日新月异，不断发展进步，人们的生活节奏也随着
不断加快，因此在讲究工作效率的今天，汽车已经成为人们日常生活中必不可少
的交通工具。而在科学技术迅猛发展的条件下，能源危机的出现使人们对汽车的
使用性能不得不提出更高更好的要求。在经过了近一百多年的发展和研究之后，
发动机方面的技术已日臻完善，如果说单一地再考虑提高发动机的动力性、燃油
经济性或者对发动机排出的尾气进行控制以减少有害物的排放的话，那么在这些
方面难以再有新的突破和飞跃。但是，车辆行驶性能的好坏，不只是仅仅决定于
发动机的性能，而且很大程度上还依赖于变速器以及其与发动机匹配的合理不合
理。伴随着电工电子技术和自动控制技术的迅猛发展，应用在变速器上的控制技
术越来越完善和成熟，结构上也更加丰富化，已经越来越多地应用在了车辆上，
已然成为现代汽车技术与现代汽车工业发展的潮流之一[1]。
目前，汽车上广泛使用的变速器主要有两大类，一类是传统的有级式齿轮传
动的变速器(Manual Transmission,MT)，也就是所说的手动变速器。另一类变速器
是自动变速器。虽然手动变速器仍应用较多，但是其频繁的操作过程(需要不时地
踩下离合器踏板同时推动变速杆换挡，据统计一小时内操作次数可以达到上百次)
容易使人产生疲倦感，造成精力上的不集中，因而影响到开车时的注意力。如果
稍有操作上的不当很可能导致交通事故的发生。而且现在越来越多的人正在加入
到学车的队伍中来，由于性别、年龄、学历、职业等各方面存在着差异，难以进
行统一水平的驾驶训练。而相比之下，自动变速器有了其优势所在，由于自动变
速器无需手动换挡，可以实现自动换挡的功能，这样就节省了人们的体力，大大
方便了人们的操作过程，因此正在得到越来越多的人的亲睐。
应用在汽车上的自动变速器根据其结构和控制方式的不同主要分为三种：电
子控制的机械式自动变速器(Automatic Mechanical Transmission，AMT)、液力自动
变 速 器 (Automatic Transmission ，AT) 和无级变速器(Continuously Variable
Transmission，CVT) [2]。
电子控制的机械式自动变速器(AMT)是在传统的手动齿轮式变速器基础上经
过改进而得出的。它是揉合了 AT(自动)和MT(手动)两者优点的机电液一体化的自
动变速器。AMT 既可以实现自动变速的功能，同时又具有传统手动变速器的优点，
比如布置形式简单紧凑、造价低廉，而最主要的是可以保留齿轮传动传动效率高
汽车无级变速传动系统建模与控制策略仿真研究
2
的优势。由于是在机械式变速器的基础上得到的，因而它没有改变原变速器的总
成部件，只是用自动控制的换档机构代替了原来的手动换挡杆部分，生产继承性
好，投入的改造费用少，非常容易被生产厂家接受。而它的不利之处在于它还没
有实现动力换挡。
液力自动变速器(AT)，是在行星齿轮变速器的基础上配备液力变矩器和液压
操纵系统，三者组合而成的一种自动变速器。由于行星齿轮变速器仍然是有级传
动，因此液力自动变速器仍然有很多挡位，只是分阶段的在某一特定范围内为无
级变速器。由于不在采用手动变速器和离合器，液力自动变速器具有操作容易、
驾驶舒适、能减少驾驶者疲劳的优点。而且由于采用了液力变矩器，保证了在阻
力较大的路面上行驶时，发动机不会在低转速时熄火，这使驾驶员可以集中精力
地注视路面交通而不会被换挡搞得手忙脚乱。液力自动变速器目前在国外应用的
比较多，2008 年液力自动变速器在轿车上的装备率，美国达 95%左右，日本在大
中型轿车上的装备率达 80%以上。液力传动在城市客车上应用的也较广泛，其装
备率美国是 100%，西欧国家大约为 95%。另外，其在工程机械、军用车辆上的应
用也很普遍。不过，这种自动变速器也有其自身的缺点，比如机构复杂、质量重、
价格较贵，同时也比较费油，加速较慢。从兴起之日发展到现在，液力自动变矩
器已经有了近七十年的发展历史，其技术已经发展得比较完善，再发展新技术的
潜力已经不太可能具有，但一直存在的某些缺陷比如上面说到的耗油多、加速较
慢等问题还没有得到实质性的改善。
对于以上所述的手动变速器和自动变速器，它们都有一个共同的特点，那就
是它们实质上都是有级式传动的变速器。而对于有级变速的汽车来说，其在换挡
变速的过程中，无论是从低挡到高挡还是高挡到低挡都会造成发动机处于一种经
常加速或者减速的状况，因而不能保证发动机稳定地工作在利用率较高的转速范
围内。如此，不仅会对传动系统产生很大的冲击，而且会造成燃油消耗的增加以
及大量有害排放物的生成，不仅浪费能源而且对环境也造成了严重的污染。因此，
要使发动机始终运转在最优的高效率区，处于稳定的工作状态，降低燃油的消耗
和废气污染，无级变速器 CVT 可以说是最佳的选择[3,4]，无级变速器 CVT 的变速
比是一系列连续的值，所以它能够实现真正意义上的无级变速，而且由于没有了
有级变速箱的换挡过程，从而使动力的传递更加平稳，能够保证汽车时常处在性
能优良的状态下行驶，从而能够实现较好的经济性、动力性和驾驶的平顺性，同
时也能够降低排放的成本。
第一章 绪论
3
§1.2 无级变速器(CVT)的优点
§1.2.1 燃油经济性
无级变速器(CVT)能够在非常宽的传动比范围内实现无级变速，通过它的无级
调速作用可以使汽车适应不同的速度要求，可以获得传动系统与发动机的最佳匹
配，使发动机能较长时间地保持在最佳工况，因而提高了整车的燃油经济性。德
国的大众公司已在自己的 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，证明了 CVT 能够有效节约燃油，其试验油耗对比如
表1-1 所示。
表1-1 4 AT 和CVT 试验油耗对比
试验油耗(L/100km)
4-AT
CVT
ECE 市区循环
14.4
13.2
ECE 郊区/远程循环
10.8
9.8
90km/h 匀速
8.3
7.0
120km/h
匀速
10.3
9.2
§1.2.2 动力性
由汽车理论的知识可以知道，汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速
能力。汽车的后备功率越大，汽车的动力性越好[5]。由于 CVT 的无级变速作用，
能够充分利用发动机的最大转矩来获得最大的后备功率，所以 CVT 的动力性明显
地优于机械式变速器和液力自动变速器。CVT 汽车的加速性能(0~100 公里/小时)
比AT 汽车加速性能提高 7.5%~11.5%，高速状态时，加速性能优于 MT 汽车[6]。
§1.2.3 有害物的排放
由于与发动机之间采用的是闭环控制，因此通过时时地调节 CVT 的速比值能
够保证发动机时刻工作在经济性较好的转速范围内，从而可以大大改善燃烧过程，
降低有害物质如氮氧化物、氢化物等的排放量，与此同时还可以延长三元催化器、
氧传感器的使用寿命。德国 ZF 公司将自己生产的 CVT 装车进行了测试，结果表
明其有害物质的排放量比装备 4-AT 的汽车减少了大约 10%[7]，大大减少了对环境
的污染。
§1.2.4 操控性能
以装备液力变矩器的无级变速器为例可以很好地说明无级变速器良好的操控
性能。由于变矩器的减速增扭作用，可以保证汽车起步更快、加速更加顺畅。而
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摘要与有级变速器相比，无级变速器避免了齿轮传动传动比不连续的缺点，具有连续改变速比的特点，因而它能实现真正意义上的无级变速，是汽车理想的变速传动装置，目前已经得到了广泛的关注和迅速的发展。其中以金属带式无级变速器的发展较快，研究也较成熟。液力变矩器作为汽车的起步装置，具有使汽车起步平顺、缓解发动机与路面的冲击力，保证发动机低速时不熄火等优点，因此，由液力变矩器与金属带式无级变速器组成的无级变速传动系统可以说是一种比较理想的传动系统，研究其传动特性对于提高汽车的性能具有很好的现实意义。对于由液力变矩器和金属带式无级变速器组成的无级变速传动系统，其研究集中于两个方面：一个是发动机、变矩器、金属带式...
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