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车用多模式无级变速器的性能与试验研究

王振  
【摘要】:车用多模式无级变速器可以充分适应车辆行驶复杂工况,在扩大调速范围和功率容量、提高传动效率等方面极大地拓展了传统无级变速器(Continuously Variable Transmission,CVT)的适应能力。此外,还能通过配备能量存储装置,为车辆提供混合动力功能。但其设计方案以及工作模式是相当复杂的,现有分析方法均针对特定结构原型,而无法在设计阶段处理设计方案和工作模式的多样性。本文研究的目的即为寻求该类装置分析和设计的一般方法,对所设计的多模式无级变速器的行驶动力学、燃油经济性、功率流可逆性进行研究,并对其稳态性能进行试验验证,以期为多模式无级变速器的自主设计研发提供理论和试验依据。主要研究内容如下:(1)功率分流行星传动能量理论研究。差动轮系、单环路系统和双环路系统是多模式无级变速器的核心部件。首先根据运动学方程、力矩平衡方程和功率平衡方程,建立了差动轮系功率分配系数,进而构建了单环路系统和双环路系统的内部功率流判定准则。运用结点功率法给出了差动轮系、单环路系统和双环路系统的效率方程,在此基础上,总结了内部功率流和系统效率分析的一般步骤,可用于对三环路及以上系统装置的内部功率流和效率特性分析。(2)多模式无级变速器设计准则。提出了三种多模式无级变速器设计方案,并给出了它们的结构简图、调速特性、功率流特性和效率特性。提出了多模式无级变速器概念,建立了多模式无级变速器设计准则,通过给定CVT速比范围,系统速比范围,无级变速支路功率分流比限定范围,确定差动轮系和定比机构的结构参数。给出了三个多模式无级变速器的设计算例,并讨论了结构参数对CVT负载的影响。(3)装备多模式无级变速器的整车行驶动力学研究。建立了装备单环路系统、直接+XP型(顺时针环流)多模式无级变速器、XP+PX型多模式无级变速器、无限式无级变速器(Infinitely Variable Transmission,IVT)的整车键合图模型,并推导出它们的系统状态方程。给定动力传动系统参数,变速器结构方案和参数,建立了整车仿真模型,选取UDDS循环工况,采用最佳·燃油经济性控制策略,进行了整车行驶动力学研究。(4)并联混合动力系统性能研究。提出了一种新型并联混合动力系统,其采用PX型单环路系统,可有效规避无级变速器的扭矩和功率容量,通过中联两挡变速器,扩大了该PX型单环路系统的调速范围。针对再生制动模式,对PX型单环路系统的功率流可逆性进行了验证。建立了该动力传动系统的键合图模型,并推导了其系统状态方程。给定动力传动系统参数和控制参数,变速器结构方案和参数,建立了整车仿真模型,选取US06循环工况的高速公路工况,采用基于规则的控制策略,对该动力传动系统性能进行了研究。(5)装备多模式无级变速器的整车燃油经济性研究。提出了四种多模式无级变速器方案,给出了它们的设计参数、速比范围和规格。建立了五种变速器方案的效率模型。根据发动机效率模型,变速器效率模型,车辆动力学模型,给定工况,通过离线优化算法计算了最优传动比,查表最优传动比可实现等效燃油消耗最小化控制策略。建立了后向车辆仿真模型,选取UDDS循环工况,对五种变速器方案的燃油经济性进行了评估。(6)多模式无级变速器性能试验验证。研发了多功能模块化功率分流行星传动试验台,调整差动轮系模块和定比减速器模块可实现多模式多挡有级变速器。通过多模式多挡有级变速器来近似验证多模式无级变速器的稳态性能。作为其它性能验证的前提和基础,首次针对XP型和PX型单环路系统,在功率分流、逆时针环流、顺时针环流三种内部功率流状态下进行了全面试验。将试验结果与理论模型结果进行比较,验证了功率分流行星传动的能量理论。


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