（车辆工程专业论文）剖分变径链式cvt虚拟样机研究与分析.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 i l l l l l l f ll f l l l l l f f i ll l r f ll r l l f i j l l l l lj f l l y 17 3 9 4 6 8 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：蔓生丛日期：坠塑肇土业，a 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：立盈逸 指导教师签名：丞恤 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 采用无级变速器的汽车传动系统能更好地与发动机工况进行匹配，提高汽车的燃油经 济性与动力性。无级变速器的每一次革新都对汽车整车性能的提高起到了关键的作用，在 资源日益紧张与环境不断恶化的今天，研究与改进汽车无级变速器就显得非常重要。本文 提出了剖分变径链式c v t 设计方案，通过应用虚拟样机技术较为深入地研究了剖分变径 链式c v t 的动力学特性。 本文阐述了剖分变径链式c v t 的工作原理，分析了其各组件的受力特性，确定了剖 分变径链式c v t 虚拟样机的基本参数。应用c a t i a 建立了剖分变径链式c v t 的三维模 型，通过装配分析与干涉检测，保证了分析模型的正确性，为剖分变径链式c v t 的特性 研究奠定了一定的技术基础。 基于c a t i a 与a d a m s ，以虚拟样机技术的相关理论和功能虚拟样机的实现过程为基 础，利用m s c 公司开发的接口软件s i m d e s i g n e r ，把在c a t i a 中建立的剖分变径链式c v t 模型导入a d a m s ，添加合适的运动副约束与接触力，建立其虚拟样机模型。通过脚本分 段仿真，选择合适的积分器，设立合理的仿真参数，对输入轴添加不同的驱动，测出输出 轴的转速、输入轴所受转矩以及主、从动锥轮所受的轴向力，分析测量结果与理论输出之 间的相对误差，验证了剖分变径链式c v t 传动的可行性、正确性。 本文提出的剖分变径链式c v t 设计方案，突破了传统的c v t 结构方式，可以传递更 大的转矩，消除了金属带式c v t 直母线偏移问题。通过对剖分变径链式c v t 的虚拟样机 特性研究，为其物理样机的研制奠定了一定的理论基础。 关键词：剖分变径链式c v tc a t i a 虚拟样机a d a m s 特性研究 p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fc v t i ss t u d i e d t l l i sp a p e rd e s c r i b e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs u b d i v i s i o nv a r i a b l ed i a m e t e rc h a i nc v t a n dt h es t r e s sc h a r a c t e r i s t i c so fe a c hc o m p o n e n ta r ea n a l y z e d t h e nb a s i cp a r a m e t e r so ft h e v i r t u a lp r o t o t y p eo fs u b d i v i s i o nv a r i a b l ed i a m e t e rc h a i nc v ta r ed e t e r m i n e d t h r o u g hc a t i a s o f t w a r e ，i t s t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e li se s t a b l i s h e d t h e nt h e a s s e m b l i n ga n a l y s i sa n d i n t e r f e r e n c ed e t e c t i n ge n s u r et h ea c c u r a c yo ft h em o d e l t l l i sl a y sac e r t a i nt e c h n o l o g i c a lb a s i so f s u b d i v i s i o nv a r i a b l ed i a m e t e rc h a i nc 矿r b a s e do nc a t i aa n da d a m s ，w i t ht h et h e o r yo fv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g ya n d i m p l e m e n t a t i o np r o c e s so ff u n c t i o nv i r t u a lp r o t o t y p e ，u s i n gm s c s i m d e s i g n e rs o f t w a r e ，t h e s u b d i v i s i o nv a r i a b l ed i a m e t e rc h a i nc v tm o d e li nt h ec a t i ai si m p o r t e di n t oa d a m s t h e n a p p r o p r i a t ej o i n tc o n s t r a i n ta n dc o n t a c tf o r c ea r ea d d e da n dt h ev i r t u a lp r o t o t y p ei se s t a b l i s h e d t h r o u g hs c r i p t s e c t i o ns i m u l a t i o n , t h ea p p r o p r i a t ei n t e g r a t o ri ss e l e c t e da n dr e a s o n a b l e s i m u l a t i o np a r a m e t e r sa r es e t a n dt h e na d dd i f f e r e n tm o t i o n si nt h ei n p u ts h a f t t h es p e e do ft h e o u t p u ts h 硪，t h et o r q u eo ft h ei n p u ts h a f t , t h ea x i a lf o r c eo ft h ec o n ep u l l e yi sm e a s u r e d s ot h e r e l a t i v em i s t a k e sb e t w e e nt h em e a s u r e da n dt h e o r e t i c a lc o n s e q u e n c ec a l lb ea n a l y z e d t h er e s u l t v e r i f i e sf e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo fs u b d i v i s i o nv a r i a b l ed i a m e t e rc h a i nc v t t h ed e s i g np r o p o s a lo fs u b d i v i s i o nv a r i a b l ed i a m e t e rc h a i nc v ti nt h i sp a p e rc a n t r a n s m i tm o r et o r q u ea n de l i m i n a t et h eo f f s e tp r o b l e mo ft h eb e l t c 叨w h i c hb r e a k st h r o u g ht h e t r a d i t i o n a ls t r u c t u r eo fc v t t h r o u g ht h ec h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so fv i r t u a lp r o t o t y p eo f s u b d i v i s i o nv a r i a b l ed i a m e t e rc h a i nc v t ，t h e o r e t i c a lf 0 m l d a t i o no fi t sp r o d u c t i o ni sl a i d k e y w o r d ：s u b d i v i s i o nv a r i a b l ed i a m e t e rc h a i nc v tc a t i av i r t u a lp r o t o t y p ea d a m s c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i s 武汉科技大学硕士学位论文 第1 i i 页 目录 摘要i a i s 1 【。a ；t i i 第一章绪论1 1 1 无级变速器简介l 1 2国内外c v t 发展和研究情况2 1 2 1 国外情况2 1 2 2国内情况3 1 3 课题的来源及意义4 1 4 本文研究的主要内容5 第二章剖分变径链式c v t 构造及传动原理6 2 1 方案分析。6 2 2 剖分变径链式c v t 构造6 2 3 剖分变径链式c v t 传动原理7 2 4 剖分变径链式c v t 调速原理7 嚣_ 2 4 1剖分变径链式c v t 的几何关系及基本参数7 2 4 2 调速原理8 2 5 基本工作参数9 2 6 本章小结9 第三章剖分变径链式c v t 传动特性分析l o 3 1 链传动特性分析l o ? 3 1 1 摩擦传动原理与摩擦因数1 0 3 1 2 剖分变径链式c v t 链上作用力及各力之间的关系l o 3 2 链轮受力分析13 3 3 锥轮受力分析1 4 3 4 剖分变径链式c 链传动的传动能力1 5 3 5 本章小结1 5 第四章剖分变径链式c v t 结构设计与实体建模。1 6 4 1c a t i av 5 简述1 6 4 2 剖分变径链式c v t 零部件主要设计参数1 6 4 2 1 链轮最小轴径1 6 4 2 2 链轮最大、最小半径一1 7 4 2 3 主、从动锥轮锥角口及轴向行程j 17 4 2 4 链条设计及链节数的确定1 8 4 3 剖分变径链式c v t 零部件实体建模1 9 4 4 模型的装配与干涉检测2 2 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 4 4 1装配2 2 4 4 2 干涉检测2 4 4 5 本章小结2 4 第五章剖分变径链式c v t 虚拟样机模型的建立2 5 5 1 虚拟样机技术概述2 5 5 2 基于a d a m s 的功能虚拟样机2 6 5 2 1 m s c s i m d c s i g n c r 简介2 6 5 2 2a d a m s 主要功能模块介绍2 7 5 2 3a d a m s 的理论基础2 8 5 2 4 剖分变径链式c v t 虚拟样机模型的建立2 9 5 2 4 1c a t i a 模型的导入2 9 5 2 4 2c m d 文件的导入3 0 5 2 4 3 运动副( j o i n t s ) 约束的添加。3 0 5 2 4 4 接触力( c o n t a c t ) 的添加3 0 5 3 实现的虚拟样机。3 3 5 4 本章小结3 4 第六章剖分变径链式c v t 虚拟样机动力学仿真与结果分析3 5 6 1仿真模型的初始状态调整3 5 6 1 1 驱动( m o t i o n ) 的添加3 5 6 1 2 模型验证3 5 6 1 3 分段仿真控制3 5 6 1 3 1 多接触问题求解困难的主要表现及其产生的可能原因3 6 6 1 3 2 分段仿真概念及相关命令。3 6 6 1 4 积分器的选择3 7 6 2 剖分变径链式c v t 虚拟样机仿真验证与结果分析3 7 6 2 1空载情况下输入转速恒定的仿真分析3 7 6 2 2 空载情况下输入转速按线性规律变化的仿真分析4 0 6 2 3负载情况下输入转速恒定的仿真分析4 2 6 2 4 传动比一定情况下的仿真分析4 4 6 3 本章小结4 5 第七章全文总结4 6 7 1 主要结论4 6 7 2 研究展望4 6 参考文献4 7 致谢5 0 硕士期间发表和完成的论文5 1 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 无级变速器简介 第一章绪论 历经百余年的发展，汽车工业取得了很大的进步，在给人们带来极大的方便的同时， 由于汽车保有量的急剧增长，使得全球的环境污染、能源危机、气候变化等问题愈演愈烈。 在日益工业化的今天，保护环境、节约能源已成为人类可持续发展的重要研究课题。因此， 采用现代最新的技术，降低汽车的能源消耗和减少尾气排放已成为车辆科技的主要发展方 向。传动系统对汽车技术的进步起着极其重要的作用，作为传动系统的主要部分- 汽车 变速器，它的每一次革新都对汽车整车性能的提高起到了关键的作用，而无级变速器一直 被认为是汽车变速器的最终归属，所以研究与改进汽车无级变速器就显得非常重要【l 】。 无级变速器( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) 简称c v t ，作为汽车动力传动系统 的主要部分，一直以来，它都是人们追求的终极目标。采用c v t 的汽车，能有效的实现 发动机与外界载荷的最佳匹配及整车的综合控制，达到实现整车最佳性能的目的，实现全 程无级自动变速，没有换档冲击，车速变化平稳，并且可以平滑地起步、加速，乘坐舒适 性明显改善。目前，c v t 有很多种类型，但是受到大部分无级变速器造价较高、结构相当 复杂、传递功率过小、传递转矩较小等因素影响，使得其不能在汽车上得到广泛的应用， 。 只有相当少的一部分无级变速器能配置到汽车上，并得到不少汽车生产厂商与汽车消费者 的认可，其产量在全球每年也在逐渐的增长，并不断的发展壮大。目前，美国、日本、以 及韩国无级变速器的装车率非常高，可达到8 0 9 0 左右；有分析表明，欧洲和中国的 无级变速器在未来的使用率都将会有很大幅度的增长。 “ 经过近一个世纪的发展，汽车无级变速器主要有以下几种类型【2 】： 液力变矩器，作为很早就用于汽车传动系统的无级变速器，现今已成功的装备于高档 汽车中。但是其传动的效率过低，而且在变速比大于2 时，其效率急剧下降，因此，没有 能广泛的推广开来。目前，作为起步离合器，使用在汽车传动中。 宽v 形胶带式无级变速器，这是荷兰在半个世纪以前，使用的比较早期的c ，主 要装备在小排量微型汽车上。由于胶带较低的寿命和传动效率，限制了其发展，在历史的 长河中基本上被淘汰。 金属带式无级变速器，作为胶带式c v t 的升级产品，由荷兰v d t 公司的工程师v a n d o o m e 发明，大幅度的提高了汽车传动的效率、功率、寿命和可靠性，经过近4 0 多年的 发展，产品研究已相当成熟，在汽车无级传动领域具有极其显赫的地位。 另外，还有摆销链式无级变速器，环盘滚轮式无级变速器等，都用于装备在汽车上。 随着电子科技的发展，计算机控制的c v t 轿车速比工作范围更宽，能使发动机在外特性 曲线的低油耗区内以最佳工况运转；随着计算机硬件与软件的更新换代，c v t 未来的产品 将更加的先进，科技含量将更高。同时，新的c v t 产品还在不断的研发中，本课题研究 的新型剖分变径链式c v t 就具有很高的代表性。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 2 国内外c v t 发展和研究情况 1 2 1 国外情况 无级变速器在汽车上的商业化装备是在近三十年的时间内逐渐运用起来的，但是其发 展源头可以追溯到1 9 世纪末。c v t 在国外的发展，大致可以分为以下三个阶段【3 j 【4 j ： 探索阶段( 1 8 8 6 - - - 1 9 5 8 ) ：德国戴姆勒奔驰公司是在汽车上使用c v t 技术的鼻祖，早 在1 8 8 6 年就将v 型橡胶带式c v t 安装在汽油机汽车上，这就是最早期的无级变速器。从 这个时候开始，就有越来越多的人开始研究机械摩擦传动式的无级变速器，但是受到当时 很多技术的限制，例如，制造工艺水平低下，材料、润滑等技术跟不上，使得c v t 的发 展比较缓慢。c v t 发展具有转折点的时间是在1 9 5 8 年，荷兰d a f 公司的h v a nd o o m e 博士，也就是现代c v t 的创始人，成功的研制了双v 带橡胶带式无级变速器，并将其装 备在d a f 公司开发制造的一款小排量经济型轿车上。受结构和材料等方面的影响，此款 c v t 存在着诸多的缺陷，主要表现在：传递功率过小、胶带寿命较低、体积过大、传动效 率过低等，这些都限制了其进一步的发展，使得其没有在汽车上得到大力的推广。在此期 间，德国的p i v 从1 9 5 6 年起，开始研制链传动的c v t ，并取得了一定的成果；同时，德 国的大众汽车也在轿车上装有过此种无级变速器。 发展阶段( 1 9 5 8 1 9 8 7 ) ：从上世纪六十年代开始，h v a nd o o m e 博士开始研制能传递 大功率、传递效率高、结构紧凑的无级变速器，并提出用金属带代替胶带，获得了极大的 成就。在理论领域，金属带的出现，也改变了传统的带传动理论。七十年代初期，h v a n d o o m e 博士组建了自己的v d t 公司，着力打造研究这种金属带传动式的c v t 。1 9 7 8 年， v d t 公司成功的将单钢环块金属v 带式c v t 装配在2 0 0 辆菲亚特轿车上，从此，c v t 进 入了试运行的市场阶段。在此后的时间里，经过不断的研制，v d t 公司改良设计出一种更 好、成本更加低廉的金属v 带，这就是现在使用比较广泛的双钢环块金属v 带。但是，受 到v 带工艺生产复杂性的限制，其真正进入商品化阶段在1 9 8 7 年才得以实现。而后世界 上的三家大型汽车生产商，即美国的福特、日本的富士重工以及意大利的非亚特都采用了 该项技术【5 1 。与此同时，德国的z f 公司也成功的开发出z f e c o t r o n i ec v t ：另外，链式、 脉动式等无级变速器也得到一定程度的发展。总体说来，在此阶段，荷兰与德国的c v t 在市场上处于领先地位，并基本上占有了大部分的市场分额。 逐渐成熟阶段( 1 9 8 7 - , - 至今) ：进入上世纪九十年代，世界各行各业对于节能减排的 反应越来越强烈，因此，汽车行业对c v t 日渐重视，这也使得其进入了一个快速发展时 期，尤其是在小型轿车上，更是被视为关键技术。全球科技的迅猛发展，电子计算机技术 和自动控制技术逐渐运用到c v t 中，使其发展上了一个新的台阶。1 9 8 8 年，日本n s k 公 司开始研制半环环盘滚轮式c v t 。1 9 9 2 年，德国的z f 公司和l u k 公司研制的摆销链式 c v t ，在奥迪a 4 与a 6 上装配成功，1 9 9 4 年实现批量生产【引。1 9 9 5 年，t o r o t r a k 、n s k 及m e r e c e d e sb e n z 成功研发出全环环盘滚轮式c v t 。1 9 9 9 年1 0 月，m u l t i t r o n i e 无级变速 器成功装备在a u d ia 62 8 l 轿车上，它采用了金属链式，传递扭矩能力高达3 1 0 n , ， 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 能将自动变速器的舒适自如与手动变速器的经济性和动力性合二为一；此外，由于 m u l t i t r o n i c 采用了多片湿式离合器和不等长滚动链节结构，它具有很多的优点：质量轻、 传动效率高、反应快，运动噪声小等。2 0 0 1 年丰田公司开发出了新一代的丰田混和动力 c v t 系统( t h s c ) ，该系统具有轻便、紧凑、高效的优点，极大地提高了整车的加速性能， 而且拥有最佳的乘坐舒适性和燃油经济性。日产的h y p e r c v t - m 6 是世界上首款应用于2 l 级别汽车上的c v t ，该车比传统自动变速器车辆减少了约2 0 的油耗，起步加速性能也有 很大的提高。当前，全世界各大汽车厂商为了提高产品的竞争力，都大力进行c v t 的研 发工作。现在n i s s a n 、t o y o t a 、f o r d 、g m 、a u d i 等著名汽车品牌中，都投入了很 大的力量研发与配备c v l 变速器。 在c v t 技术理论研究方面，荷兰、日本、德国、美国、英国、瑞典等国家的科学家 与工程师在该领域已经拥有了很多的成果，并有相关的著述，目前，研究者们对c v t 传 动的动力学、运动学以及力学模型都有不同的看法。但是，受到技术知识产权的保护，各 种指导设计的相关技术资料很少，也限制了其他国家技术的发展。纵观看来，在欧美日等 发达国家，对于c v t 的研制，一直都处于世界领先地位。 1 2 2 国内情况 在我国，目前国内的汽车变速器制造依旧以自动变速( a t ) 与手动变速( m t ) 为主， 但是，一直以来，c v t 都在以其无发比拟的优越性吸引着国内汽车行业的注意力。在技术 开发方面，我国对于c v t 的研究工作是最近几年才开始的，其研究成果远远落后于国外 的先进技术，不过在九五期间，我国将轿车金属带式无级变速器的开发和研制列入国家重 大科技攻关计划。东风汽车公司、吉林工业大学、东北工业大学和湖北汽车工业学院共同 承担了这个重大科技攻关项目，对c v t 技术的实用化进行了研究，在c v t 传动机理、控 制策略、建模与仿真等方面取得了突破性进展。 通过技术引进，反向工程，与国外著名汽车企业合作等方式，最近两三年，我国的c v t 产业也在迅猛的发展，并取得了很大的进步，已经有部分c v t 投入生产并实现整车装配。 2 0 0 9 年，东风日产推出了配备全新c v t 的日产新轩逸、2 0 1 0 款新天籁、新一代奇骏。湖 南容大汽车电子技术有限公司自主研发了用于南京菲亚特轿车的r dc v t1 5 0 型无级变速 器，整车通过了国家汽车质量监督检测中心的测试，基本性能达到国内外同类产品的技术 水平。重庆工学院程乃士教授自1 9 9 6 年起开始研发金属带式无级速器，2 0 0 7 年其自主研 发的汽车金属带式c v t 示范生产线已建成。这项技术获得e m c v t 国家专利，比手动挡 节油1 0 , - - 1 5 ，自动变速最佳工作状态超过国外技术2 0 公里 6 1 。2 0 0 8 年7 月下旬，我国 第一条年产2 万台( 套) 的国产轿车无级变速器( c v t ) 总装生产线，在湖南省长沙市西城 实业集团高科技园正式投产。奇瑞、吉利、比亚迪、力帆等自主品牌汽车厂家在几年前开 始对c v t 领域进行大规模投入，已经有配备c v t 的相关车型推入市场。2 0 0 9 年4 月，搭 载湖南江麓容大生产的c v t ，力帆1 3 排量的5 2 0 c v t 车型上市；2 0 1 0 年上半年，奇瑞公 司自主研发的cv t 变速箱全面投产，将匹配1 弛o l 主流排量区间的发动机。在即将开 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 幕的2 0 1 0 年北京车展上，官方透漏比亚迪l 3 将以自主研发的1 8 l c v t 为主打车型。 奇瑞、比亚迪、湖南容大等国内公司已经拥有完全自主知识产权的c v t 研发技术， 并且已经投入生产，对我国汽车工业的发展起到了极大的促进作用，在提高我国自主品牌 汽车技术水平和国际竞争力方面，具有重要的现实意义。 1 3 课题的来源及意义 本课题是湖北省机械传动与制造工程重点实验室基金项目( 批号：2 0 0 7 a 0 7 ) 剖分变 径c v t 传动机理研究中的一部分研究内容，该项目旨在研究开发一种结构简单、成本 低廉的新型汽车无级变速器。 无级变速器作为理想的传统系统，与其他传动机构相比较，它拥有普通有级式变速器 所无法比拟的优点，其操纵性与乘坐舒适性均可与液力自动变速器( a t ) 相媲美，而燃油 消耗率及传动效率却高于a t ，在最大限度内，充分地发挥发动机特性，能让汽车的燃油经 济性与动力性获得最佳的匹配，使其拥有一个没有“漏洞”的牵引性能【6 】。在同等条件下， 与机械有级变速器( m t ) 及液力自动变速器( a t ) 相比较，c v t 具有以下几个良好的性 能优势【刀： 第一，动力性与经济性。在传动比很大的范围内，c v t 能实现无级变速传动，从而使 得发动机与变速器能获得最佳的匹配，提高汽车整车的燃油经济性与动力性。在汽车加速 性能方面，c v t 比a t 提高了7 5 一1 1 5 ；燃油经济性方面，c v t 汽车要比a t 汽车提高约 6 - - 1 7 ，与m t 相当。 第二，排放。c v t 较宽的速比范围，使汽车发动机在最佳工况下运行，极大的改善了 燃烧过程，减少了尾气的排放。 第三，传动效率。在目前开发的产品中，c v t 的传动效率要高于自动变速器( a t ) 。 另一方面，虽然无级变速器具有较好的传动特性，但其传动效率却未达到m t 的水平。因 此，在这个技术性能方面，还有很大的发展空间。 第四，成本。c v t 结构简单，但零部件数量过多，关键零件的加工过程复杂，使得前 期c 的生产成本过高；但是随着产品技术含量、材料加工工艺水平的提高以及大批量的 生产，目前c v t 的生产成本己远小于a t 。 第五，寿命和可靠性。c v t 的可靠性取决于控制系统与主传动结构等关键组件。随着 技术的革新，材料冶炼的进步，以及设计的合理性，目前，该c v t 结构质量非常高，使用 可靠。在日本s u b a r u 试验结果中，现今的c v t 具有与汽车同等的寿命。 近年来，无级变速器的研究越来越广泛，研制的种类和形式也很多，许多类型的产品 已实现系列化标准生产。当然，在现有的无级变速器中，使用比较普遍的金属v 带式仍然 有它的局限性，传递的功率较小，其存在的主要问题是由于在带传动的过程中，带与锥轮 之间的挤压会产生很大的摩擦力，导致金属带的磨损，降低了使用寿命，使得传递效率也 很低【8 】。 本课题在国内外学者相关研究成果的理论基础上，提出了一种新的无级变速器结构， 即剖分变径链式c v t ，是一种新的设计思想，它改变了原有很多类型的无级变速器主、从 动轮的直径变化方式，与金属v 带无级变速器相比，传递功率更大，传递效率更高，能有 效降低汽车制造成本，满足普通用户的消费要求。 在当前对无级变速器的研究中，热点主要集中在电液控制系统的控制策略上，但是基 于虚拟样机技术的c v t 研究还不多。文献【9 】【l o 】主要对金属带式c v t 虚拟制造建模与其装配 过程进行了仿真分析和研究。本文是在新产品投入生产之前，借助于计算机相关软件，拟 对剖分变径链式c v t 虚拟样机的实现方法及技术做一些初步研究，为最终实现剖分变径链 式c v t 虚拟设计奠定基础。本文的研究工作是对剖分变径链式c v t 虚拟产品的性能进行动 态仿真测试，得到产品性能参数，观察设计方案的合理性，及时发现问题，进而对产品设 计进行最优化的设计，为剖分变径链式c v t 物理样机的试制提供理论依据。 1 4 本文研究的主要内容 本文的研究目的是通过采用现代c a d c a e 技术，建立一个能装备于微型轿车的新型 剖分变径链式c v t 虚拟样机；在利用多体动力学理论的基础上，运用机械系统动力学仿 真软件a d 舢订s 对其进行仿真分析，再根据仿真结果，验证该c v t 传动的可行性、正确 性，分析影响该系统的主要参数，研究它的影响程度，为该无级变速器物理样机的试制奠 定一定的理论基础。 研究的主要内容有： 1 ) 通过方案分析，确定剖分变径链式c v t 的结构，研究其传动原理与调速原理， 阐述与剖分变径链式c v t 研究有关的几何关系参数，并确定该c v r 虚拟样机相关基本工 作参数； 2 ) 研究剖分变径链式c v t 传动特性，在提出假设模型的基础上，分析链节与链节之 间力的作用关系、分体链轮块的受力、锥轮的受力以及金属链的传动能力； 3 ) 根据研究要求，确立剖分变径链式c v t 的主要结构参数；利用c a t i a 机械设计模 块，建立其三维零部件实体模型；采用自顶向下与自底向上的混合装配方法，对剖分变径 链式c v t 进行装配以及装配分析与干涉检测，确保剖分变径链式c v t 模型的正确性； 4 ) 在以虚拟样机技术的相关理论和功能虚拟样机的实现过程为基础，利用m s c 公司 开发的接口软件s i m d e s i g n e r1 1 2f o rc a t i av 5 r 1 7 ，把在c a t i a 中建立的剖分变径链式 c v t 模型导入到a d a m s v i e w 中，经过简化和模型的修改，通过约束和驱动的添加，建 立虚拟模型，从而为下一步的仿真分析作好准备： 5 ) 在建立虚拟模型的基础上，通过脚本分段仿真，选择合适的积分器，设立合理的 仿真参数。对输入轴添加不同的驱动，测量输出轴的转速、输入轴所受转矩以及主、从动 锥轮所受的轴向推力。对测量结果与理论输出之间进行误差分析，验证剖分变径链式c v t 传动的可行性、正确性； 6 ) 总结本文的工作，概括研究成果，同时指出本文存在的不足之处，并提出进一步 可能的研究方向。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 方案分析 第二章剖分变径链式o t 构造及传动原理 剖分变径链式c v t 是一种新型的无级变速器，与其他无级变速器相比，新型剖分变 径链式c v t 结构简单、成本低廉，改变了传统的金属带式的传动模式，没有金属带式c v t 所产生的对传动带侧面挤压力大而导致磨损过大的问题，也没有金属带式c v t 直母线偏 移的问题，可以传递较大的转矩，能更有效的提高车辆的燃油经济性与动力性。 剖分变径链式c v t 构造 图2 1 为剖分变径链式c v t 的结构原理图： 1 、2 0 主、从动传动轴2 、1 9 主、从动导向盘3 、1 8 主、从动链轮 4 、1 7 主、从动锥轮 5 、1 6 拔叉 6 、1 5 调速轴承 7 、1 3 主从动拔叉轴 8 、1 4 一轴承盖 9 调速杠杆l m 调速蜗轮 1 1 调速蜗杆1 2 步进电极 2 1 传动链 图2 1 剖分变径c v t 传动机构原理图 如图2 1 所示，剖分变径链式c v t 由主动轮组、从动轮组和传动链以及调速机构组成。 其中，主动轮组和从动轮组由传动轴、固定导向盘、分体链轮、活动锥轮组合而成。在此 结构中，固定导向盘与传动轴采用花键连接，两者间无轴向移动，锥轮与传动轴之间通过 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 滚动球键连接，以保证锥轮与传动轴周向保持相对静止，轴向可以往复运动，分体链轮由 整体链轮在径向等分成若干个分块，分块通过导向盘销轴和锥轮销轴分别与固定导向盘和 锥轮连接。 传动链根据齿形链传动原理设计，其整体由链销轴、链节和导向链板组成，通过链销 轴连接多组链节与导向链板，从而构成一个完整的传动链，根据传递扭矩的不同相应增减 链条的宽度。调速机构由拨叉、调速杠杆、蜗轮轴、调速蜗轮、调速蜗杆以及步进电机组 成：拨叉上部与调速杠杆两端连接，发生相对的移动；拨叉下部与锥轮连接，两者在周向 可以相对转动，无相对的轴向位移；步进电机带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，调速蜗 轮带动调速杠杆转动，改变拨叉在传动轴上的轴向位移，从而改变锥轮的轴向位移，达到 改变分体链轮块径向位移的目的。 2 3 剖分变径链式c v t 传动原理 剖分变径式c v t 的基本原理：通过调整链传动的两链轮间直径来实现主、从动传动 轴速比的变化。传动链两端绕在分体链轮块上，如图2 1 所示，通过调速杠杆，改变锥轮 的轴向位移，使分体链轮块在导向盘及锥轮上处于不同的径向位置，保持链轮半径的连续 变化。当锥轮有靠近导向盘的趋势时，链轮分体径向膨胀，链轮工作直径变大；反之，当 锥轮有远离导向盘的趋势时，链轮分体径向收缩，链轮工作直径变小。这样，通过改变主、 从链轮的直径大小，达到无级变速的目的。 调速杠杆采用蜗轮蜗杆传动机构进行调节，设置合适的主、从动杠杆比，改变主、从 动锥轮的轴向移动，通过蜗轮蜗杆结构与杠杆机构实现主、从动锥轮的联动，实现精确的 无级调速。 车辆起步时，主动链轮直径处于最小值，而从动链轮直径处于最大值，实现较高的传 动比，传递更大的转矩。随着车速的增加以及各个传感器信号的变化，计算机电子控制系 统控制步进电机的运转，即控制主、从动锥轮的轴向位移，从而控制链轮的直径大小，最 终改变链轮直径的连续变化，保证在整个变速过程中实现车辆的平稳行驶，实现较高的燃 油经济性以及良好的汽车动力性【l l 】。 2 4 剖分变径链式c v t 调速原理 2 4 1 剖分变径链式c v t 的几何关系及基本参数 剖分变径链式c v t 的独特结构，决定了传动链在主、从动分体链轮上的包角是分段 接触的。为了便于计算，在此，我们把传动链与接触的分体链轮块之间的连线近似于圆弧 如图2 2 所示。根据传动链的运动状态，将整个运动分成四个部分，即主动链轮包角部分幻、 主动链轮导出至从动链轮导入部分6 c 、从动链轮包角部分甜、从动链轮导出至主动链轮 导入部分如【2 1 。 广 第8 页 嵩耋凇蠹一挈蛾一 峰一 j ，i ( 2 1 )k j、工， a 甲、t 、从动链轮运动角速度( 删j ) ： 、乞主、从动链轮节圆半径( 所聊) 。 则有，链传动的最大、最小传动比： ( 2 2 ) k = 逸 范围篙差删锻雠和哪龇彻蚴撇徽c 慨2 3 。 1 蛳 ( ) 最大嚣鎏硼瞅小默瑚蛾式c 吐燃蝴伸嘞和 最大节圆半径。 。土、从功惩轮的最小节圆半径和 回速一黧：；竺!，的变化主要跟、吃有关，当步进电机驱动 麓竺巍一一蒜 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 作位置的变化。也就是说，在七一定的情况下，、吃在蜗轮蜗杆的运动中发生改变，导 致传动比f 的变化，从而达到调速的目的。 2 5 基本工作参数 本文对于剖分变径链式c v t 的虚拟样机，拟定的基本工作参数如表2 1 所示。 表2 1 剖分变径链式c v t 虚拟样机的基本参数 最大功率最大转矩最高输入转速最高车速 ( k w )( n m ) 变速器传动比 ( r m m )( 砌j i l ) 3 0 6 00 8 也05 0 0 01 2 0 2 6 本章小结 本章通过方案分析，确立了建立剖分变径链式c w 的结构，深入研究了其传动原理 与调速原理，阐述了与剖分变径链式c 、厂r 设计有关的几何关系，并确立了研究剖分变径 链式c 的基本工作参数。 备能力的摩擦力，即【2 】 f ：曼：丛 ( 3 1 ) kk 式中，f 一计算摩擦载荷( n ) ； r 一名义摩擦力( n ) ： 一法向压力( n ) ； 厂一接触面间的滑动摩擦因数或油膜牵引系数( 本文取f = o 0 8 ) ； k 一可靠性系数，动力传动取k = i 2 1 5 。 摩擦传动的传载能力取决于摩擦因数或牵引系数和摩擦副的接触强度。摩擦因数是设 计无级变速器传载能力的计算依据，也是研究摩擦机理的特征值【2 1 。 摩擦传动有千式和湿式两种，其传动机理不一样。剖分变径链式c v t 链传动属于混 合摩擦，即既有干式摩擦，又有湿式摩擦。也就是说，该c v t 链传动机理是一种包括液 体的摩擦行为、固体的摩擦行为、液体和固体相互作用形成的第三物体的摩擦行为【1 2 1 。 3 1 2 剖分变径链式c v t 链上作用力及各力之间的关系 为了方便分析，需要简化模型，现作如下假设： 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 1 ) 零件之间的约束为理想约束，忽略金属链组件各个构件之间的滑动和摩擦； 2 ) 将主、从动分体链轮，链板看作刚体； 3 ) 忽略链销轴与导向链板之间的接触力，把链销轴与有内导向的m 片链板组成一个 刚体，把另外片链节作为另一个刚体。 金属链在运行过程中，链条通过导向链板限制其在轴向的移动，本节主要分析在剖分 平面上，主、从动单个链节所受的作用力，如图3 2 ( f 1 ) 和图3 3 ( f 图3 3 主、从动轮中单个链节受力分析( f q o ，f = 0 ； 当q q o ，f = k ( q o - q ) 一c 一s t e p ( q ，q o d ，l ，g o ，o ) ： 单侧冲击曲线如图5 8 所示： q0 jic只= c xq xs t e p 叫卜d ；1 、 f l q o dq o ( 5 3 ) ( 5 4 ) d ，1 ，q o ，o ) 弹性力 图5 8 单侧冲击力函数曲线图【2 4 】 从公式( 5 3 ) 、( 5 4 ) 以及图5 8 中可以看出，只有在q q o 的条件下，i m p a c t 接触力 函数所包含的压缩弹簧力和压缩阻弹性力才存在，在其他条件下，即q q 。时，其函数所 包含的力都为零。这与链条与分体链轮块之间的接触力存在情况是一致的，因此