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力帆无级自动变速器的最优标定

时间:2022-03-02来源:

导语:通过对力帆无级自动变速器标定匹配的分析研究和开发实践,从系统的观点出发,本文提出一种基于发动机和变速器与整车匹配的最优标定概念,经过最优标定的发动机和变速器,作为一种动力总成平台,其整体性能不再受匹配车型变化的影响,可以和各种新开发或改款的车型匹配,届时毋需再作标定。这对于节省每次数以百万计的标定费用和耗时十八个的月以上的标定周期均有积极意义,值得深入研究。

  力帆乘用车公司已先后推出力帆520、620和320等三款自动变速器车型,它们均选用了通常被称作CVT(Continuously Variable Transmission)的金属带式无级变速器,这是当前最先进的汽车自动变速器之一。为力帆配套的CVT是由湖南江麓容大公司自主开发研制的,容大公司拥有完全自主的知识产权。现在已有近五千辆不同型号的力帆CVT在国内外运行。它们全部采用为手动变速器标定匹配的发动机电控单元。这些电控单元和CVT的电控单元之间也没有CAN通讯,但让人意外和印象深刻的是:在整个标定匹配过程中,尚未发现这种状态对CVT的标定匹配有任何影响!笔者曾经是力帆CVT项目的主要负责人,之前全程参与了上述CVT车型的开发研制和标定匹配,这种亲历亲为不仅加深了对发动机、CVT和整车之间的标定匹配的认识。同时更让笔者深刻地认识到:在标定问题上如果不能独立自主,国产自动变速器的开发研制就依然会受制于人,因此,对力帆无级自动变速器最优标定的探索和追求就来源于这种体会和认识!

  CVT的标定匹配对力帆是一项全新的挑战!力帆是通过分析计算和在线修改控制脉谱来研究CVT的标定匹配。力帆的条件较为有限,既无底盘测功机,也缺少必要的测试设备。因此,分析计算和道路试验就是力帆CVT标定匹配的主要手段,通过发动机台架测取的发动机部分负荷使用速度特性,就是主要的计算依据,发动机功率和比油耗的多项式模型就是通过这些测试数据建立的。由于分析计算是力帆CVT标定匹配中的关键环节,故多项式模型的阶次至关重要。曾先后采用最小二乘法和极大似然估计来确定多项式模型的阶次。经分析比较后发现:前者容易拟合过头,将数据噪声纳入多项式模型,故所有多项式模型的阶次均由极大似然估计来进行选取。图一图二是力帆479Q3发动机部分负荷使用速度特性,图三图四是力帆479Q2发动机的负荷特性,图五是利用极大似然估计来确定多项式模型的阶次得到的负荷特性曲线拟合良好度,表一是479Q2发动机的负荷特性曲线用最小二乘法拟合时的残差平方和与决定系数。

 

 

 

 

 

  所有介绍CVT的文献资料和教科书都会特别指出:由于能够无级变速,发动机就能够始终工作在高功率区,故整车的动力性能有可能最佳,发动机也能够始终工作在最经济区,整车的燃油经济性也有可能最佳,这两个最佳能否实现!怎么实现!就是CVT的标定匹配与其它各种汽车变速器的重大区别,同时也是CVT开发研制过程中最主要的研究内容。所有的分析计算和道路试验都与这两个最佳息息相关!表二是不同节气门开度下根据发动机的功率和比油耗模型得到的计算值。事实上,计算和道路试验都证实,CVT确实能将发动机的功率发挥到极致!故整车的动力性能最佳完全能够实现。只是需要兼顾整车油耗、噪声、振动以及发动机的使用可靠性和寿命,否则就有可能得不偿失。例如:力帆320CVT在节气门开度为90%的工况下,发动机转速5400转和6000转对应的最高车速分别是每小时170公里和176公里。百公里油耗分别是13.75升和15.40升,车速仅仅增加了3.5%,油耗却增大了12%!

  整车燃油经济性的标定就复杂得多,,我们对数百个测试数据逐个计算后发现:发动机工况标定在最低比油耗处,对应的整车百公里油耗并不低!令人惊讶的是:在各个不同的节气门开度下,几百个计算结果无一例外,都是发动机的转速越低,整车的百公里油耗就越低,表三是相关的计算结果。但让人遗憾的是:我们不能完全按照这些计算结果来标定CVT。因为汽车的牵引特性要求发动机的工作转速必须大于转矩曲线上斜率为零的点所对应的转速,汽车方能稳定行驶;而驾驶性能涉及整车转矩响应、噪声和振动。对于中小排量的汽车而言,驾驶性能往往要求发动机转速高于稳定行驶所需的转速。否则车身就有可能发生振动和异响;油门响应涉及驾驶意愿,由于发动机本身的功率和转矩的节气门特性就是非线性的(见图六)。在标定匹配时需要格外关注,油门响应才不会过于迟滞,所以,CVT标定匹配的重点和主要任务就是在充分满足上述要求的前提下,实现整车燃油经济性的相对最佳!

 

  在上述分析计算和长期道路试验的基础上,笔者提出临界车速和临界点的概念,它们能为动力总成平台的标定匹配提供特别的方便。所谓临界车速,就是在坡度等于零的水平路面上,整车和发动机某个工况唯一对应的稳定行驶车速,它由汽车的功率平衡方程求出。发动机有多少个工况,就有多少个对应的临界车速。只有在发动机、变速器和整车组成的具体的车辆系统中,临界车速才有实际意义。临界点则是目标转速特性场中和临界车速对应的点。在车辆行驶工况保持不变的前提下,当节气门开度发生变化时,若新的发动机工况对应的临界车速大于当前车速,则表明发动机的后备功率为正值,车辆将加速行驶并趋向新的临界车速,反之亦然,若新的临界车速小于当前车速,则车辆将减速行驶并趋向新的临界车速;而在节气门开度保持不变的前提下,当坡度发生变化时,车速必然要发生变化,坡度大于零,车速降低,坡度小于零,车速增大,这就是临界车速和临界点的本质含义。它是判断发动机后备功率正负和路面坡度正负的分界点,它同时也为选择最小传动比提供了新的方法和途径。

  力帆CVT的标定匹配是通过目标转速特性来分析研究的,目标转速特性全面反映了发动机、变速器和整车之间的本质联系。它不直接涉及发动机转矩、功率、比油耗和整车参数。但它对CVT的标定匹配具有无可替代的特殊作用,直观、方便且一目了然!临界车速和临界点对标定匹配的特殊贡献就是通过它来实现的,它们将无级变速从一个空洞抽象的概念变成具体标定匹配实践中、一个个实实在在的标定工况点!图六是力帆320CVT的目标转速特性场。为实现整车燃油经济性相对最佳的目标,我们利用临界车速对和临界点它进行标定。根据前面的讨论,在满足稳定行驶、驾驶性能和油门响应等条件的前提下,在各个不同的节气门开度下挑选尽可能低的临界车速,然后在特性场中绘出对应的临界点,并逐点绘出通过该点的水平线,这些水平线和表征最大传动比和最小传动比的斜线就构成了控制脉谱。只需数分钟就可以在线输入CVT的电控单元,从而改变整车的燃油经济性能。特别值得指出的是:按临界车速模式标定并满足排放法规和整车性能要求的动力总成平台,在和其他车型匹配时,除了临界车速会发生变化外,发动机的使用工况和原匹配车型完全一致。这一结论已在共用同一动力总成平台进行试验的力帆320和620这两个完全不同的车型平台上得到初步验证。同时二十八工况测试也表明:按临界车速模式标定的CVT排放能够满足国Ⅳ要求。表四是它们的相关结构参数,表五是相同的控制脉谱分别对应的临界车速。

 

  前面已经指出:在确定最小传动比时,CVT和其它汽车变速器都可以利用临界车速和临界点。在图六的目标转速特性场中,对CVT而言,根据临界点的含义,如果将最小传动比线选择在所有临界点的右边,就可以提高发动机的负荷率,降低整车的百公里油耗,见表五。对其它的汽车变速器而言,在发动机的最大功率范围内确定整车的最高车速时,只需求出对应的、负荷率较高并满足整车最高车速要求的临界车速并绘出临界点,根据从原点出发并通过该点的最小传动比线,就可以得到明确的主减速比。

  上述对标定匹配的分析和总结帮助笔者形成了对最优标定的粗浅认识:最优标定是针对由发动机和CVT有机组成的动力总成平台而言,是在发动机自身标定良好的前提下,由CVT提供相对最佳的传动比来满足整车性能要求。CVT按上述临界车速模式标定后,只要节气门开度不变,则无论临界车速怎样随不同的整车参数发生变化,发动机的转速都不会改变,始终在满足排放和性能要求的稳定工况下、沿着水平运行线运转,这是临界车速模式最为鲜明的特征。它对最优标定具有特殊意义。这样的动力总成平台在和其它新开发车型匹配时就毋需重新标定!这样就可以消除重新标定对新车型开发的制约和影响,不仅能够降低开发成本,同时还可以显著缩短新车型的开发周期。因此,动力总成平台的最优标定应该得到特别的重视和更加深入的研究!这也是笔者撰写本文的根本原因。

标签: 自动变速器

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