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
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ＣＶＴｃｏｎｔｍｌ
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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
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＿＿——
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Ｖｅ
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＿＿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。
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ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｎｔｍｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒ
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