第36卷第5期2006年9月
吉林大学学报(工学版)
JoumalofJilinUniversity(En西nee“ngandTechnologyEdition)
V01.36Sept
No.52006
文章编号:1671—5497(2006)05—0650—04
汽车下长坡时发动机制动CVT控制策略
董伟,于秀敏,张友坤
(吉林大学汽车工程学院,长春130022)
摘要:建立了汽车下长坡时发动机制动模拟实验台,通过试验获得了发动机的制动力矩曲
线。建立了汽车下长坡时传动系统的双质量惯性模型,利用MATLAB软件的SIMuLINK进行
了仿真,研究了汽车下长坡工况发动机制动时的cVT控制策略,验证了下长坡工况利用发动
机制动CVT控制策略的正确性。
关键词:车辆工程;发动机制动;双质量惯性模型;金属带式无级变速器;控制策略中图分类号:U463.53
文献标识码:A
CVTcontrolstrategiesfIDrenginebrake
on
longdownlliUofVehicle
DongWei,YuXiu—min,ZhangYou—kun
(coZ妇口矿A咖mot面eE,划聊e一昭,五zin‰而e乃渺,舭。哪^吼130022,吼inn)
Abstract:Asimulationtestbedfbrtheenginebmkewhenthevehicletlleenginebrakeestablishedforthe
torque
curve
coasts
on
lastingdownhillwasbuilt,andtwo.massdownhill.
the
inertialmodel1、hesimulation
on
wasobtained
by
theteston
thetestbed.
lasting
Awaswas
transmission
svstemfort}le
conditionofvehicle
perfo珊edusingMATLAB/SIMULINKtostudythe
CVTcontml
strategieswhenenginebrakes
long
downhillofthevehicleandtheencouragingresultswereachieVed.
Keywords:vehicleengineering;enginebrake;two—massinertialmodel;CVT;eontmlstrategy
为了使汽车在下长坡时具有足够的持续制动能力,应考虑充分利用发动机的辅助制动,这是最简单、成本最低、使用比较可靠的方法。以往的研究表明‘1J,汽车下长坡时要稳定车速很困难。因此,一般采用发动机动制动、排气制动与缓行器联
合作用的控制方式来达到稳定车速的目的口。。
1发动机制动特性
1.1发动机制动原理
发动机处于怠速状态时,所发出的能量只用
于维持它本身的运转,如果由于外界的原因提高
发动机的转速,则摩擦阻力增加,发动机相当于一个消耗能量的负载。因此,可以通过试验找到发动机作为负载的阻力矩与发动机转速之问的发动机制动力矩关系曲线。
1.2试验台架说明及试验结果
图1为试验台架示意图,其中1、6为用于反
但是,这样会增加成本,使控制复杂,并且没有充分利用发动机的制动力。为解决这一问题,本文将无级变速器引入这一研究领域,以南京菲亚特一款无级变速器车为例进行了实验研究和建模仿真分析。
收稿日期:2006_03—10.
基金项目:教育部科学技术研究重点项目(02163).
作者简介:董伟(1976一),女,博士研究生.研究方向:CVT车辆下坡发动机制动控制.E—mail:dwei@jlu.edu.cn通讯联系人:于秀敏(1960一)男,教授,博士生导师.研究方向:汽车发动机电控.E—mail:yu)(iumin@sohu.com
万方数据
第5期董伟,等:汽车下长坡时发动机制动CVT控制策略
。651・
拖的直流电力测功机;2、5为扭矩仪,可测得两个半轴的转速和扭矩;3为主减速器;4为金属带式
无级变速器(CVT);7为发动机;8为数据采集、滤
波、模数和数模转换的电路板;9为电脑,用c语
言程序控制。
图l试验台架示意图
Fig.1
SketdI
mapOftestbed
在进行试验时,控制离合器结合,控制cVT的速比为某一稳定值(由于cVT的效率在速比为1时最大,所以定为1)。利用直流电力测功机的反拖作用,通过电脑程序控制测功机转速,从而带动发动机转速增加,同时记录下扭矩仪测得的两个半轴的转矩L、疋,转速Ⅳ,、Ⅳ2以及发动机转速n。。CVT输入轴转速n。,输出轴转速n:。通过式(1)可得到发动机的制动力矩疋,从而得到发动机的制动力矩和发动机转速之间的关系曲线,如图2所示。
t:三单疋2京看
(1)
.
式中:i。W为cVT的速比;i。为主减速器的传动
比;田为整个传动系统的效率。
图2发动机制动力矩曲线
Fig.2
Cur、,eof
enginebral【etorque
2传动系统的双质量惯性模型
为了便于研究,将具有无级变速器的动力传动系统简化为具有两个旋转质量的惯性模型系
鲥3,4|。在汽车下坡行驶工况,发动机相当于负
载,此时的双质量惯性模型如图3所示。
万
方数据图3双质量惯性模型
Fig.3
Double
gr惦sinertialmodd
几∞d=咒一%vT。。。(2),。∞。=孔Ⅵ-i。一t
(3)icvT
3∞e/∞d
(4)孔vT-。。t=孔vuicvT叼
(5)dicvT
‘.
叫e
2—;F∞d+∞d。cVT
(6)
将式(2)一(6)合并整理可得
∞。2——]再百磊F—L五:竖等等盘㈩
7,
式(2)一(7)中:L为转动惯量,包括与整车平移cVT输出轴上的角加速度;∞。为CVT输入轴上
的角加速度;死为由汽车风阻和滚动阻力以及重为cVT输入力矩;孔。,。。为cVT输出力矩。
目标速比的确定
汽车在较长坡道上下坡行驶时车速不能太快
(存在着危险)也不能太慢(影响道路通畅),因此kH∥h。汽的平衡bJ,如式(8)所示。通过式(9)可求得在某塑+R+‰:Gsin日
(8)一
』,=—————————■———————一
(Gsin口一FL—FRo)rd
(9)
。叼
质量等效的转动惯量及cVT输出轴以后转动部分等效的转动惯量;.,。为转动惯量,包括发动机转动惯量和cVT输入轴部分的转动惯量;∞。为
力分力转化到CVT输出轴上的等效力矩;孔。‰
3发动机制动CVT控制策略
3.1
希望汽车在下坡行驶时能够以某一合适的车速稳定行驶,在二般的坡道上应为30~40车要在坡道上匀速行驶,必须保证汽车所受力矩
一坡度坡道上以某一车速匀速下坡行驶所需的目
标发动机制动力矩。
式中:G为整车的重力;臼为道路坡度;R为风阻;
・652・
吉林大学学报(工学版)
第36卷
FR。为滚动阻力;rd为车轮半径;i为整个传动系的
速比;疋为发动机制动力矩。
利用试验得到的发动机制动力矩曲线(图2)求出目标发动机转速。根据目标发动机转速和采样时刻的实际车速可求得目标速比,即可对CVT
进行速比控制。
3.2
CVT速比控制策略
CVT速比控制过程的实质是CVT速比变化
率的控制过程,如图4所示。如果直接控制无级变速系统的速比而不考虑速比变化率影响,则系统瞬态特性难以控制。因此,合理地确定速比变化率是CVT速比控制的关键。作者将速比控制系统作为一个理想系统,通过cVT速比控制器具体参数的确定来实现cVT调节特性的控制。令速比变化率为
警=州卜¨后:詈岫心。叫出
(10)
式中:i为CVT实际速比;i。为CVT目标速比;后。
为比例控制参数;||}:为微分控制参数;南。为积分控制参数。
合理地选择PID参数,可以使实际速比对目标速比具有良好的跟随性,同时使发动机调速平
稳,车速响应平滑。
图4闭环控制系统示意图
ng.4
Sketch
mapofdOsed-100pcOntrolsystem
4控制策略仿真分析
4.1仿真模型的建立
利用SIMuLINK对汽车下坡发动机制动工况进行了建模∞娟J,如图5所示。其中s远nalbuilder模块为目标车速和坡度;mubiaoengineTz模块为利用式(9)求得的目标发动机制动力矩;mubiao
engine
ne模块为利用图2所示的发动机制动力矩
曲线求得的目标发动机转速;mubiaosubi模块为根据目标发动机转速和当前车速求得的目标速
比;PIDcontroller模块为对CVT速比进行PID控制;engineTz模块为根据采样时的发动机转速利
用图3发动机制动力矩曲线算出此时的发动机制动力矩;CVT
and
vehicle模块为利用汽车下坡行
万
方数据酗
’l!三=:望!!曼
signaIbuilder
臣~
帅
T鬲一mne
巧一亿
mubiaoengine
Tzz
:区塑
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mubiao
subi
◆。▲▲Ⅲ
霉一
df/mNe
置
__——
ne
podu
Ve
口
__一
Ve
图5控制策略仿真分析模型
ng.5
SimulationmodelofCVTcontrol
驶传动系统的双质量惯性模型来估算cVT速比控制后的车速、发动机转速和速比的值。4.2控制策略可行性仿真分析
由于我国公路的坡度一般为3%~8%,为了验证模型的正确性,取最大坡度podu为8%进行仿真分析;目标车速分V—mubiao=40km/h和30k肌7h两种情况;初始车速分别为%=50kⅡ∥h和
K=20
k瑚/h两种情况。仿真结果如图6(A—D)
所示。
由图6中4个工况的仿真结果可知,无论汽
车以高于目标车速的初始车速(50kzn/h)下坡还是以低于目标车速的初始车速(20k—n/h)下坡,
都可以通过CVT的速比控制实现以稳定车速下
55,
50
■45
g
邑40
>
3530
0
5
10
15
202530
∥s
第5期董伟,等:汽车下长坡时发动机制动CVT控制策略
’653・
30282624222018
图6仿真结果
Fig.6
Silnlllationreslllt
坡行驶,这充分说明了汽车下长坡时发动机制动过程中CVT控制策略的可行性。
4.3速比变化规律对制动特性的影响
从图6可以发现,A工况的车速变化不够平稳,在短时间内迅速降到30k—n/h,而后车速逐渐
增加到目标车速40k-n/h,车速反向变化较大,说
明速比变化率对制动特性有较大的影响,对此进行了仿真分析,仿真结果如图7和图8所示。
50484644424038
图7速比变化仿真结果
Fig.7
SimIlla伽n
r鹤un0fspeed鞠tioch粕ge
504846
“
424038
图8车速变化仿真结果
ng.8
Simllla60nr髑ultofvelodtychange
图中曲线1表示较小的速比变化率;曲线2表示中等的速比变化率;曲线3表示较大的速比变化率。设仿真的初始条件为初始车速50
km/
h,目标车速40kIn/h,初始速比1.0,坡度8%。由图7速比变化图可以看出,速比变化率较大时,发动机转速和车速有较大的变化,发动机调速不平稳,汽车响应不平滑。在图7中不能判断出曲线1和2的优劣,这要通过图8的车速变化曲线来判断。从图8可以看出,速比变化率较小时,车速变化较慢,同时伴随着车速的负向超调,即在一
万
方数据段时间内车速低于目标车速,然后才逐渐上升到目标车速,因此稳定在目标车速所需时间较长。对于中等大小的速比变化率能够在较短的时间内
平稳地达到目标车速。因此,在汽车下坡时的发动机制动cVT速比控制过程中一定要对速比变化率进行限制。
5
结束语
作者首次对无级变速器车辆下坡时发动机辅
助制动控制过程进行了仿真研究,完善了无级变速器在下坡工况的控制策略模型。同时通过仿真验证了控制策略的可行性和仿真模型的正确性。并且分析了速比变化规律对制动特性的影响,为今后在实际道路上的整车试验奠定了理论基础。
参考文献:
[1]余强.汽车下坡持续制动性能研究[D].西安:长安
大学汽车学院,2000.
Yu
Qiang.
Study
on
downhill
continuousbrakingper—
fomance
of
automobile[D].xian:college
ofAutomo—
bile,ChaJlg各n
University,2000.
[2]余强,陈荫三,马建,等.发动机制动、排气制动与缓
行器联合作用的模糊控制系统研究[J].汽车工程,
2004,26(4):476_480.
Yu
Qiang,Chen
Yin—san,Ma
Jian,eta1.Aresearch
on
fuzzycontmlsystemwithcombinationofenginebrake,
既haustbmkeandretarder[J].AutomotiveEngineer.
ing,2004,26(4):476_480.
[3]周云山,钟勇.汽车电子控制技术[M].北京:机械工
业出版社,2004.
[4]葛安林.自动变速器(八)——无级变速器cVT(下)
[J].汽车技术,2001,12:14,26.
GeAn—lin.Antomatic
transmission(Ⅷ)一continuously
variabletmnsmission(cVT)(panB)[J].Automobile
Technology,2001,12:14,26.
[5]顾柏良.BOscH汽车工程手册[M].北京:北京理工
大学出版社,2005.
[6]日麈自勤卓株氏会社.cVT付墨卓而制御装置[P].
日本,1999m5-25.[7]Masayuki
Yasuoka,Masaaki
uchida,shusakuKataku—
ra,et
a1.An
integratedcontmlalgorithmfor
an
SI
en—
gineanda
cVT[c]∥sAE1999旬1—0752.
[8]安逵和孝,芦浞裕之,越智德昌,等.cVT变速老活
用L允卓嗣自勤制御夕叉于厶④朗凳[c]∥自勤卓技衍会揄文集.日本:自勤卓技衍会,2004:151—155.
第36卷第5期2006年9月
吉林大学学报(工学版)
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V01.36Sept
No.52006
文章编号:1671—5497(2006)05—0650—04
汽车下长坡时发动机制动CVT控制策略
董伟,于秀敏,张友坤
(吉林大学汽车工程学院,长春130022)
摘要:建立了汽车下长坡时发动机制动模拟实验台,通过试验获得了发动机的制动力矩曲
线。建立了汽车下长坡时传动系统的双质量惯性模型,利用MATLAB软件的SIMuLINK进行
了仿真,研究了汽车下长坡工况发动机制动时的cVT控制策略,验证了下长坡工况利用发动
机制动CVT控制策略的正确性。
关键词:车辆工程;发动机制动;双质量惯性模型;金属带式无级变速器;控制策略中图分类号:U463.53
文献标识码:A
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longdownlliUofVehicle
DongWei,YuXiu—min,ZhangYou—kun
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Abstract:Asimulationtestbedfbrtheenginebmkewhenthevehicletlleenginebrakeestablishedforthe
torque
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lastingdownhillwasbuilt,andtwo.massdownhill.
the
inertialmodel1、hesimulation
on
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by
theteston
thetestbed.
lasting
Awaswas
transmission
svstemfort}le
conditionofvehicle
perfo珊edusingMATLAB/SIMULINKtostudythe
CVTcontml
strategieswhenenginebrakes
long
downhillofthevehicleandtheencouragingresultswereachieVed.
Keywords:vehicleengineering;enginebrake;two—massinertialmodel;CVT;eontmlstrategy
为了使汽车在下长坡时具有足够的持续制动能力,应考虑充分利用发动机的辅助制动,这是最简单、成本最低、使用比较可靠的方法。以往的研究表明‘1J,汽车下长坡时要稳定车速很困难。因此,一般采用发动机动制动、排气制动与缓行器联
合作用的控制方式来达到稳定车速的目的口。。
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1.1发动机制动原理
发动机处于怠速状态时,所发出的能量只用
于维持它本身的运转,如果由于外界的原因提高
发动机的转速,则摩擦阻力增加,发动机相当于一个消耗能量的负载。因此,可以通过试验找到发动机作为负载的阻力矩与发动机转速之问的发动机制动力矩关系曲线。
1.2试验台架说明及试验结果
图1为试验台架示意图,其中1、6为用于反
但是,这样会增加成本,使控制复杂,并且没有充分利用发动机的制动力。为解决这一问题,本文将无级变速器引入这一研究领域,以南京菲亚特一款无级变速器车为例进行了实验研究和建模仿真分析。
收稿日期:2006_03—10.
基金项目:教育部科学技术研究重点项目(02163).
作者简介:董伟(1976一),女,博士研究生.研究方向:CVT车辆下坡发动机制动控制.E—mail:dwei@jlu.edu.cn通讯联系人:于秀敏(1960一)男,教授,博士生导师.研究方向:汽车发动机电控.E—mail:yu)(iumin@sohu.com
万方数据
第5期董伟,等:汽车下长坡时发动机制动CVT控制策略
。651・
拖的直流电力测功机;2、5为扭矩仪,可测得两个半轴的转速和扭矩;3为主减速器;4为金属带式
无级变速器(CVT);7为发动机;8为数据采集、滤
波、模数和数模转换的电路板;9为电脑,用c语
言程序控制。
图l试验台架示意图
Fig.1
SketdI
mapOftestbed
在进行试验时,控制离合器结合,控制cVT的速比为某一稳定值(由于cVT的效率在速比为1时最大,所以定为1)。利用直流电力测功机的反拖作用,通过电脑程序控制测功机转速,从而带动发动机转速增加,同时记录下扭矩仪测得的两个半轴的转矩L、疋,转速Ⅳ,、Ⅳ2以及发动机转速n。。CVT输入轴转速n。,输出轴转速n:。通过式(1)可得到发动机的制动力矩疋,从而得到发动机的制动力矩和发动机转速之间的关系曲线,如图2所示。
t:三单疋2京看
(1)
.
式中:i。W为cVT的速比;i。为主减速器的传动
比;田为整个传动系统的效率。
图2发动机制动力矩曲线
Fig.2
Cur、,eof
enginebral【etorque
2传动系统的双质量惯性模型
为了便于研究,将具有无级变速器的动力传动系统简化为具有两个旋转质量的惯性模型系
鲥3,4|。在汽车下坡行驶工况,发动机相当于负
载,此时的双质量惯性模型如图3所示。
万
方数据图3双质量惯性模型
Fig.3
Double
gr惦sinertialmodd
几∞d=咒一%vT。。。(2),。∞。=孔Ⅵ-i。一t
(3)icvT
3∞e/∞d
(4)孔vT-。。t=孔vuicvT叼
(5)dicvT
‘.
叫e
2—;F∞d+∞d。cVT
(6)
将式(2)一(6)合并整理可得
∞。2——]再百磊F—L五:竖等等盘㈩
7,
式(2)一(7)中:L为转动惯量,包括与整车平移cVT输出轴上的角加速度;∞。为CVT输入轴上
的角加速度;死为由汽车风阻和滚动阻力以及重为cVT输入力矩;孔。,。。为cVT输出力矩。
目标速比的确定
汽车在较长坡道上下坡行驶时车速不能太快
(存在着危险)也不能太慢(影响道路通畅),因此kH∥h。汽的平衡bJ,如式(8)所示。通过式(9)可求得在某塑+R+‰:Gsin日
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质量等效的转动惯量及cVT输出轴以后转动部分等效的转动惯量;.,。为转动惯量,包括发动机转动惯量和cVT输入轴部分的转动惯量;∞。为
力分力转化到CVT输出轴上的等效力矩;孔。‰
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3.1
希望汽车在下坡行驶时能够以某一合适的车速稳定行驶,在二般的坡道上应为30~40车要在坡道上匀速行驶,必须保证汽车所受力矩
一坡度坡道上以某一车速匀速下坡行驶所需的目
标发动机制动力矩。
式中:G为整车的重力;臼为道路坡度;R为风阻;
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吉林大学学报(工学版)
第36卷
FR。为滚动阻力;rd为车轮半径;i为整个传动系的
速比;疋为发动机制动力矩。
利用试验得到的发动机制动力矩曲线(图2)求出目标发动机转速。根据目标发动机转速和采样时刻的实际车速可求得目标速比,即可对CVT
进行速比控制。
3.2
CVT速比控制策略
CVT速比控制过程的实质是CVT速比变化
率的控制过程,如图4所示。如果直接控制无级变速系统的速比而不考虑速比变化率影响,则系统瞬态特性难以控制。因此,合理地确定速比变化率是CVT速比控制的关键。作者将速比控制系统作为一个理想系统,通过cVT速比控制器具体参数的确定来实现cVT调节特性的控制。令速比变化率为
警=州卜¨后:詈岫心。叫出
(10)
式中:i为CVT实际速比;i。为CVT目标速比;后。
为比例控制参数;||}:为微分控制参数;南。为积分控制参数。
合理地选择PID参数,可以使实际速比对目标速比具有良好的跟随性,同时使发动机调速平
稳,车速响应平滑。
图4闭环控制系统示意图
ng.4
Sketch
mapofdOsed-100pcOntrolsystem
4控制策略仿真分析
4.1仿真模型的建立
利用SIMuLINK对汽车下坡发动机制动工况进行了建模∞娟J,如图5所示。其中s远nalbuilder模块为目标车速和坡度;mubiaoengineTz模块为利用式(9)求得的目标发动机制动力矩;mubiao
engine
ne模块为利用图2所示的发动机制动力矩
曲线求得的目标发动机转速;mubiaosubi模块为根据目标发动机转速和当前车速求得的目标速
比;PIDcontroller模块为对CVT速比进行PID控制;engineTz模块为根据采样时的发动机转速利
用图3发动机制动力矩曲线算出此时的发动机制动力矩;CVT
and
vehicle模块为利用汽车下坡行
万
方数据酗
’l!三=:望!!曼
signaIbuilder
臣~
帅
T鬲一mne
巧一亿
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Tzz
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mubiao
subi
◆。▲▲Ⅲ
霉一
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口
__一
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图5控制策略仿真分析模型
ng.5
SimulationmodelofCVTcontrol
驶传动系统的双质量惯性模型来估算cVT速比控制后的车速、发动机转速和速比的值。4.2控制策略可行性仿真分析
由于我国公路的坡度一般为3%~8%,为了验证模型的正确性,取最大坡度podu为8%进行仿真分析;目标车速分V—mubiao=40km/h和30k肌7h两种情况;初始车速分别为%=50kⅡ∥h和
K=20
k瑚/h两种情况。仿真结果如图6(A—D)
所示。
由图6中4个工况的仿真结果可知,无论汽
车以高于目标车速的初始车速(50kzn/h)下坡还是以低于目标车速的初始车速(20k—n/h)下坡,
都可以通过CVT的速比控制实现以稳定车速下
55,
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第5期董伟,等:汽车下长坡时发动机制动CVT控制策略
’653・
30282624222018
图6仿真结果
Fig.6
Silnlllationreslllt
坡行驶,这充分说明了汽车下长坡时发动机制动过程中CVT控制策略的可行性。
4.3速比变化规律对制动特性的影响
从图6可以发现,A工况的车速变化不够平稳,在短时间内迅速降到30k—n/h,而后车速逐渐
增加到目标车速40k-n/h,车速反向变化较大,说
明速比变化率对制动特性有较大的影响,对此进行了仿真分析,仿真结果如图7和图8所示。
50484644424038
图7速比变化仿真结果
Fig.7
SimIlla伽n
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504846
“
424038
图8车速变化仿真结果
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Simllla60nr髑ultofvelodtychange
图中曲线1表示较小的速比变化率;曲线2表示中等的速比变化率;曲线3表示较大的速比变化率。设仿真的初始条件为初始车速50
km/
h,目标车速40kIn/h,初始速比1.0,坡度8%。由图7速比变化图可以看出,速比变化率较大时,发动机转速和车速有较大的变化,发动机调速不平稳,汽车响应不平滑。在图7中不能判断出曲线1和2的优劣,这要通过图8的车速变化曲线来判断。从图8可以看出,速比变化率较小时,车速变化较慢,同时伴随着车速的负向超调,即在一
万
方数据段时间内车速低于目标车速,然后才逐渐上升到目标车速,因此稳定在目标车速所需时间较长。对于中等大小的速比变化率能够在较短的时间内
平稳地达到目标车速。因此,在汽车下坡时的发动机制动cVT速比控制过程中一定要对速比变化率进行限制。
5
结束语
作者首次对无级变速器车辆下坡时发动机辅
助制动控制过程进行了仿真研究,完善了无级变速器在下坡工况的控制策略模型。同时通过仿真验证了控制策略的可行性和仿真模型的正确性。并且分析了速比变化规律对制动特性的影响,为今后在实际道路上的整车试验奠定了理论基础。
参考文献:
[1]余强.汽车下坡持续制动性能研究[D].西安:长安
大学汽车学院,2000.
Yu
Qiang.
Study
on
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[2]余强,陈荫三,马建,等.发动机制动、排气制动与缓
行器联合作用的模糊控制系统研究[J].汽车工程,
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Yu
Qiang,Chen
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业出版社,2004.
[4]葛安林.自动变速器(八)——无级变速器cVT(下)
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GeAn—lin.Antomatic
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