CN103786571A - 基于少档位变速机构实现车辆持续大功率输出的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于少档位变速机构实现车辆持续大功率输出的方法。动力总成动力及传动匹配输出包括两个阶段，第一阶段变速机构输出端的转速从0开始到设定转速阶段，内燃机和第二动力同时输出动力给液力变矩器，液力变矩器的传动比改变；第二阶段变速机构输出端的转速超过设定转速后，内燃机和/或第二动力输出动力给液力变矩器，液力变矩器的传动比不变，变速机构的输入转速等于液力变矩器端输出转速，变速机构输出转速等于变速器输入转速除以变速机构的传动比。本发明方法使车辆在少档位甚至单挡位的情况下，使匹配后车辆动力系统的功率和扭矩曲线更加接近汽车理想动力系统发动机特性的等功率发动机特性曲线，提高车辆的动力性，同时可以改善经济性。

Description

基于少档位变速机构实现车辆持续大功率输出的方法

技术领域

本发明属于汽车动力系统动力输出控制技术，具体涉及一种少档位变速机构条件下，实现车辆持续大功率输出的方法。

背景技术

目前，汽车普遍应用的发动机为活塞式内燃机，其相对理想的等功率发动机存在低转速区后备功率小、驱动力不足等明显的缺陷，这一缺陷导致车辆的动力曲线偏离理想的装有等功率发动机车辆的动力曲线，从而使整车动力性不强、经济性不好。为了克服活塞式内燃机这一缺陷，使装有活塞式内燃机车辆的动力曲线更接近理想动力曲线，同时保证汽车的动力性和经济性，目前常用的方法为，在活塞式内燃机后增加多档变速机构，组成具有多个档位的车辆动力总成，动力总成可以输出多条类似活塞式内燃机的动力曲线，这些曲线均与等功率发动机动力曲线相切，切点为各个档位时动力总成能发出最大功率的发动机转速，简称功率点。汽车功率点越多，代表汽车对各种路面的适应性越好，既动力性越好，同时有助提高车辆工作在发动机经济区的概率，提高车辆经济性。因此，目前汽车设计中变速机构呈多档化趋势发展。但多档化也带来了机械结构复杂、整车重量增加、机械制造成本提高等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于少档位变速机构实现车辆持续大功率输出的方法，克服上述持续大功率输出需要配置多档位变速机构的技术偏见，实现车辆动力结构的优化及动力综合性能的提升。

本发明的技术方案是：基于少档位变速机构实现车辆持续大功率输出的方法，动力总成包括内燃机，第二动力，液力变矩器和有挡位的变速机构，动力总成动力及传动匹配输出包括两个阶段，第一阶段变速机构输出端的转速从0开始到设定转速阶段，内燃机和第二动力同时输出动力给液力变矩器，液力变矩器的传动比随内燃机和/或第二动力的输出转速变化而改变，变速机构的输入转速等于变矩器端输出转速，变速机构输出转速等于变速机构输入转速除以变速机构第一传动比；第二阶段变速机构输出端的转速超过设定转速后，内燃机和/或第二动力输出动力给液力变矩器，液力变矩器的传动比不变，变速机构的输入转速等于液力变矩器端输出转速，变速机构输出转速等于变速机构输入转速除以变速机构的传动比或变速机构第一传动比。

上述设定转速是指车辆低速行驶车速对应的变速机构输出端的转速，针对不同的车型，设定转速而不同，如车速为30千米/小时，或40千米/小时，或50千米/小时，或60千米/小时对应的变速机构输出端的转速。上述第一传动比是变速机构不换挡时固有的传动比；上述变速机构的传动比指的是变速机构换挡时各挡位对应的传动比。

由于本发明在低于变速机构输出端的设定转速行驶时，采用内燃机和第二动力联合动力输出，大大提高动力总成低速时的扭矩输出；同时，利用液力变矩器的传动比的变化，改变变速机构输出端的转速，适应发动机、第二动力输出转速的变化，匹配最佳的发动机、电机及车辆持续大功率输出，而无需更换变速机构的挡位；

当变速机构输出端的转速超过设定转速后，液力变矩器的传动比不变，变速机构输出转速等于变速器输入转速除以变速机构的传动比，此时，内燃机和/或第二动力输出动力给液力变矩器，可通过更换一或两次挡位，实现变速机构输出端的转速，适应发动机、第二动力输出转速的变化，匹配最佳的发动机、电机及车辆持续大功率输出，实现车辆高速行驶。

所述变速机构是具有不超过三个前进挡位和一个倒车档位的变速器。

上述优化的方案中，车辆一档行驶时，发动机、第二动力同时动力输出；当车速对应的变速机构输出端的转速不超过所述的设定转速时，变速机构输出端的转速等于变速器输入转速除以变速机构第一传动比，而此时变速器输入转速等于液力变矩器的输出转速，液力变矩器的输出转速等于液力变矩器的输入转速除以液力变矩器的传动比，而该阶段液力变矩器的传动比随内燃机和/或第二动力的输出转速变化而改变，实现变速机构输出端的转速，适应发动机、第二动力输出转速的变化，匹配最佳的发动机、电机及车辆持续大功率输出；实现车辆的低速大扭矩输出。

当车速对应的变速机构输出端的转速超过所述的设定转速后，液力变矩器的传动比锁定不变，当发动机和/或第二动力输出；发动机和/或第二动力的输出转速继续增加时，可通过变速机构换挡实现适应发动机、第二动力输出转速的变化，匹配最佳的发动机、电机及车辆持续大功率输出。

所述变速机构是具有一个前进挡位和一个倒车档位变速器。

在优化的方法中，变速器只有一个前进挡，车辆行驶过程中，当车速对应的变速机构输出端的转速不超过所述的设定转速时，发动机、第二动力同时动力输出；变速机构输出端的转速等于变速器输入转速除以变速机构第一传动比，而此时变速器输入转速等于液力变矩器的输出转速，液力变矩器的输出转速等于液力变矩器的输入转速除以液力变矩器的传动比，而该阶段液力变矩器的传动比随内燃机和/或第二动力的输出转速变化而改变，实现变速机构输出端的转速，适应发动机、第二动力输出转速的变化，匹配最佳的发动机、电机及车辆持续大功率输出；实现车辆的低速大扭矩输出。

当车速对应的变速机构输出端的转速超过所述的设定转速后，发动机和/或第二动力输出；变速机构输出端的转速等于变速器输入转速除以变速机构第一传动比，而此时变速器输入转速等于液力变矩器的输出转速，液力变矩器的输出转速等于液力变矩器的输入转速除以液力变矩器的传动比，液力变矩器的传动比锁定不变，变速机构输出端的转速直接随内燃机和/或第二动力输出转速变化，实现车辆高速行驶，而无需换挡。

在第一阶段，当第二动力输出转速和/或发动机转速上升时，液力变矩器输入转速上升，液力变矩器输出转速在液力变矩器传动比减小的作用下，变速机构的输出转速提高，车速提升。

在第一阶段，当第二动力输出转速与发动机转速不变时，液力变矩器输入转速不变，液力变矩器的传动比不变，液力变矩器的输出转速不变，变速机构的输出转速不变，车速不变。

所述第二动力与内燃机部并联输出。

所述第二动力是电机的电动动力。

本发明方法使车辆在少档位甚至单档位的情况下，克服活塞式内燃机汽车在低转速下后备功率小的缺陷，使匹配后车辆动力系统的功率和扭矩曲线更加接近汽车理想动力系统发动机特性的等功率发动机特性曲线，提高车辆的动力性，同时可以改善经济性。又可以使车辆匹配由多挡化向少档位甚至无挡位化、电控化发展。本发明适用于越野车辆。

附图说明

图1 本发明动力总成示意图。

图2本发明与传统匹配方法动力总成输出扭矩对比曲线；

图3本发明与传统匹配方法动力总成输出功率对比曲线；

图4本发明与传统匹配方法相同档位数时驱动力与车速关系对比曲线；

图5本发明匹配2档系统与传统5档、10档系统驱动力对比曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明方法动力总成包括内燃机一下称为发动机100，电机200；发动机100和电机200的动力并联输出给液力变矩器300，液力变矩器300的输出到变速器400，变速器400是手动挡的变速器400，只用一个前进挡位和一个倒车档位的机械式变速器。

发动机控制器ECU110用于控制发动机的输出，电机控制器210用于控制电机的输出，整车控制器500分别用于控制发动机控制器ECU110、电机控制器210、液力变矩器300和变速器400。

上述结构在车辆行驶过程的控制方法是：即本发明的方法是车辆起步时，发动机转速随节气门开度，按照控制系统要求从0迅速上升到怠速，车辆启动后，电机转速与发动机转速同步上升，液力变矩器输入转速与发动机转速同步上升，输出转速在液力变矩器的传动比下降，输出降低转速增加扭矩，特别可以实现传动比随转速的升高而线形变化减少，液力变矩器的瞬时输出转速值等于液力变矩器瞬时输入转速除以变矩器的瞬时传动比，变速器的输入转速等于变矩器端输出转速，其输出转速等于变速器输入转速除以变速器的第一传动比；在上述过程中（第一阶段），由于液力变矩器和电机的作用，液力变矩器和电机在整车电子控制系统的作用下，输出转速和扭矩，使动力总成输出端即变速器输出端转速按设定要求缓慢从0上升至所述控制系统设定转速，并同时将对应扭矩输入给变速器之后的传动系统，驱动车速平稳提升，在此段工作过程中，由于整个动力总成的传动比线形变化，动力总成输出端转速上升速度比发动机转速上升速度缓慢。车辆在此阶段行驶时，当第二动力输出转速与发动机转速不变时，液力变矩器输入转速不变，液力变矩器的传动比不变，液力变矩器的输出转速不变，变速机构的输出转速不变，车速不变。

在动力总成输出端转速达到所述控制系统设定转速后，整车控制器使液力变矩器锁定，传动比不再变化，整个动力总成传动比固定，因此电机转速依然与发动机转速同步上升，液力变矩器输入转速与发动机转速同步上升，输出转速等于变矩器输入转速除以变矩器的固定传动比，变速器的输入转速等于变矩器端输出转速，其输出转速等于变速器输入转速除以变速器的第一传动比，在此段工作过程中，动力总成在整车电子控制系统的作用下继续发出所需扭矩，持续为车辆提供动力，直到车辆加速到所需车速。根据实际控制需要，可以将电机和液力变矩器的增力范围调整。动力系统输出扭矩的目标特性是等功率发动机的扭矩特性或者接近等功率发动机的扭矩特性，如图2中曲线5所示。

车辆正常行驶时，当动力总成转速低于设定转速时，变矩器速比变化，变矩器瞬时输入转速等于对应发动机瞬时转速，变矩器瞬时输出转速等于变矩器瞬时输入转速除以变矩器瞬时速比，变速器瞬时输入转速等于变矩器瞬时输出转速，变速器瞬时输出转速等于变速器瞬时输入转速除以变速器传动比，此时车辆的瞬时车速等于变速器瞬时输出转速除以车辆传动系传动比。当动力总成转速高于设定转速时，变矩器速比固定，此时车速等于发动机瞬时转速除以变矩器固定的速比，再除以变速器速比，再除以车辆传动系传动比。

本方法在动力总成低于设定转速时，由于电机和变矩器的辅助作用，使整个动力总成可以实现低速大扭矩的特性，而相对的采用传统发动机的普通车辆，在动力总成转速低于一定设定值后，动力总成无法提供出足够扭矩，只能通过配合多档机械变速箱，并在此时将档位调整到更大传动比的档位后，动力总成才能输出需求扭矩,在这过程中需要通过换档实现。

如图2所示，曲线1为理想等功率发动机曲线，曲线4为传统动力总成输出的功率曲线，曲线3为通过单纯调整发动机特性后，输出功率高于传统动力总成曲线4。曲线3、曲线4仅在发动机转速为2200转时的最大功率点与理想曲线1相交，该点即功率点。若采用本发明方法，增加电机和液力变矩器的增扭，可以匹配出的动力总成驱动力曲线组为2，曲线2在发动机转速在1600转/分至2200转/分之间均等于理想功率曲线1，使功率曲线形成了最大功率带，该功率带的形成，可以使车辆在最大功率点工作的时间增加，发动机全转速范围内动力总成输出的功率均好于传统动力总成。由此可知，本发明方法完全实现了车辆持续大功率输出。

采用本发明方法动力总成输出扭矩曲线更趋合理，如图3所示，采用本发明方法匹配的动力总成输出扭矩特性曲线6，与理想等功率发动机动力总成输出扭矩特性曲线5、调校后某越野车辆动力总成输出扭矩特性曲线7及传统动力总成输出扭矩特性曲线8，可以看出，曲线7、曲线8仅在发动机转速为2200转时的最大功率点与理想曲线5相交，而曲线6在发动机转速在1600转/分至2200转/分之间均等于理想扭矩曲线5，使扭矩曲线形成了最大扭矩带，该扭矩带的形成，可以使车辆发出稳定、持久的驱动力。曲线6相对曲线7、曲线8高出部分的扭矩，均为采用了新方法后，由电机和液力变矩器共同提供。

对比采用本发明方法匹配前后相同档位变速装置动力总成输出扭矩，如图4所示，曲线9表示理想的等功率发动机驱动力曲线，车辆匹配的理想驱动力曲线是与该曲线重合，但受机械设计水平的限制，目前仅能匹配出类似曲线组11的驱动力曲线。若采用本发明方法，在电机和液力变矩器的增扭作用下，可以匹配出的动力总成驱动力曲线组为10，由图4可以看出，相对传统匹配方法匹配出的驱动力曲线组11，曲线组10更加接近理想驱动力曲线9，局部可以与曲线9重合， 而曲线组11仅在功率点工作时才与曲线9重合，在车辆低速行驶时，曲线组9、曲线10的动力性能明显好于曲线组11。实践证明，动力曲线为10的某越野车辆相对动力曲线为11的越野车辆在发动机中低车速时，经济性也有所改善。

再对比本发明方法匹配出的单档变速器系统的驱动力曲线14与传统五挡变速器系统的驱动力曲线13、十挡变速器系统的驱动力曲线15，如图5所示，从图中可以看出曲线14可以覆盖曲线13、曲线15的工作区间，局部驱动力好于曲线13、曲线15。由此可见，本发明方法可以满足汽车使用要求的前提下减少动力总成中变速器的挡位数，最终可以取消变速器的档位，实现单档变速器车辆。

可见，采用本发明方法匹配车辆动力系统的功率和扭矩曲线更加接近具有理想汽车动力系统发动机特性的等功率发动机的特性曲线。采用新方法设计的动力总成具有机械结构简单、整车重量轻、机械制造成本低等优点。经过对比可以看出，采用单档变速器的车辆，整车加速性能可以至少提高20%。

Claims (7)

1.一种基于少档位变速机构实现车辆持续大功率输出的方法，其特征是动力总成包括内燃机，第二动力，液力变矩器和有挡位的变速机构，动力总成动力及传动匹配输出包括两个阶段，第一阶段变速机构输出端的转速从0开始到设定转速阶段，内燃机和第二动力同时输出动力给液力变矩器，液力变矩器的传动比随内燃机和/或第二动力的输出转速变化而改变，变速机构的输入转速等于变矩器端输出转速，变速机构输出转速等于变速机构输入转速除以变速机构第一传动比；第二阶段变速机构输出端的转速超过设定转速后，内燃机和/或第二动力输出动力给液力变矩器，液力变矩器的传动比不变，变速机构的输入转速等于变矩器端输出转速，变速机构输出转速等于变速机构输入转速除以变速机构的传动比或变速机构第一传动比。

2.如权利要求1所述基于少档位变速机构实现车辆持续大功率输出的方法，其特征是所述变速机构是具有不超过三个前进挡位和一个倒车档位的变速器。

3.如权利要求1所述基于少档位变速机构实现车辆持续大功率输出的方法，其特征是所述变速机构是具有一个前进挡位和一个倒车档位变速器。

4.如权利要求1或2或3所述基于少档位变速机构实现车辆持续大功率输出的方法，其特征是在在第一阶段，当第二动力输出转速和/或发动机转速上升时，液力变矩器输入转速上升，液力变矩器输出转速在液力变矩器传动比减小的作用下，变速机构的输出转速提高，车速提升。

5.如权利要求1所述基于少档位变速机构实现车辆持续大功率输出的方法，其特征是在第一阶段，当第二动力输出转速与发动机转速不变时，液力变矩器输入转速不变，液力变矩器的传动比不变，液力变矩器的输出转速不变，变速机构的输出转速不变，车速不变。

6.如权利要求1或5所述基于少档位变速机构实现车辆持续大功率输出的方法，其特征是所述第二动力与内燃机部并联输出。

7.如权利要求1或5所述基于少档位变速机构实现车辆持续大功率输出的方法，其特征是所述第二动力是电机的电动动力。

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