轻型商务车变速器设计

第一章.绪论1.1课题背景及其意义无级变速器，也称连续可变变速器[15]。无级变速是一个比较古老的说法,最先取得成功和应用的是十八世纪德国Daimlar-Benz公司制造的汽油发动机，它是一种V形橡胶皮带无级变速器，但是，由于其传输转矩容量、可靠性、使用寿命等各方面的条件限制下，其应用范围非常有限。因此，自轻型商务车问世百余年来，其最基础的传动方式就是有级齿轮。但在1970年代中期，荷兰VanDoorne'sTransmissieB.V公司研发了一种金属皮带式的无级变速传动装置，并将其简称为VDT-CVT。该无级自动变速器解决了以往各种传动方式的不足，使其达到了真正的无级变速。VDT-CVT自1987年正式上市被使用后，至今已被全球各大车企采用，并自行研发。无级变速技术是目前最先进的轻型商务车传动技术之一，CVT技术正逐步被各国轻型商务车厂商所重视。目前，CVT的车型有奥迪A6，奥迪A4，南京菲亚特。CVT的综合性能优于手动变速器（MT）和自动变速器（AT)，可以与发动机进行更好的动力匹配，因此，CVT成为当前轻型商务车发展的主要方向之一。第二章．无极变速器的结构组成和工作原理2.1无级变速机构它包括一个金属传动带，一个主动轮组，一个被动轮组。其中，主动轮和被动轮组均为活动圆锥盘和静止圆锥盘。如图2-1图2-1无极变速机构示意图2.2CVT的总体结构如图2-2所示。发动机扭矩由飞轮阻尼或扭矩变换器传输至CVT。在前进挡的倒挡上，每个后挡都有一个多片离合CVT，它可以用行星齿轮和两个离合器来完成前进和后退。CVT是通过调整主锥轮和从动锥轮压室的压力来驱动可滑动锥轮，从而达到变速和变速的目的，并确保在较低的压力下锥轮斜面与钢带之间的接触压力达到充分的接触压力。如图2-3所示图2-2CVT的总体结构图2-3无极变速器剖面VT2-VT3包括许多部件，按照各自的功能可以分成三类。第1类一机械传动装置该部分的作用是提供机械驱动和扭矩传送。第2类一控制系统与控制系统相关的部件，根据负载状况和行驶需求，在一定时间内，控制系统必须确保变速器能够传输功率，并且在一定时间内改变传动比。第3类一外部连接装置和与传动装置的外部相连的部件。在这些部件中，有的在变速箱里面，有的和变速箱相连接，还有一些部件是整个体系的一部分，但它们分散在车身的其它地方。其工作原理如图所示图2-4CVT基本工作原理2.3CVT的特点由上述CVT的组成及工作原理，不难得出它具有以下特点:（1）CVT能够在较大的范围内进行无级调速，使其与发动机工作状态相符合，从而改善轻型商务车的经济性。（2）轻型商务车的爬坡性能和加速性能取决于轻型商务车的后备功率，备用动力越多，车辆的动力性能也就越好。CVT具有无级变速特性，使其具有最大的备用功率，因此CVT的动力性能要比其他类型的变速器好很多。（3）CVT具有较大的速比工作范围，可以在最优状态下运行，提高燃烧性能，减少尾气排放。（4）因为CVT的速度比一直在变化，因此车辆的加速度和减速都很平稳，并且很安全。（5）CVT没有常规变速箱的传动齿轮，也就没有常规的变速器进行换档阶段的跳跃，所以CVT轻型商务车在换档时的顿挫也会随之消失。CVT变速箱的线性输出使得驾驶者在实际驾驶CVT车辆时会有很好的动力输出，这也符合当今消费者对驾驶舒适性的需求[1]。（6）CVT系统的构造相对来说比较简单，CVT零件的数量（大约200个）比AT（500个）要少将近300个，因此CVT传动系统的总质量要轻一些，生产成本也要低一些，当然，它的重量也会相应地减轻，在减少车身重量的情况下，车辆的燃油消耗会减少，加速度也会增加[1]。缺点：（1）CVT在传递扭矩的时候，主要是由钢皮驱动，对钢材的强度和刚度都有很高的要求，但目前的材料限制，在一定的韧性下，钢带所能承受的最大拉力和扭矩都是有限的。通常情况下，轻型商务车在排量大于2.8升或扭矩大于280Nm时，很难安装CVT。(2)为了使CVT达到最优的传动比，需要采用精密的电控和液压控制。这种改变滑轮工作半径的主要是由液压来控制锥盘的夹持力。(3)尽管CVT零部件数量少，结构比较简单，但CVT一旦发生故障通常会非常严重，所以维护起来花费很大。(4)CVT属于摩擦传动，所能传递的最大功率收摩擦力矩的限制，由于是摩擦传动，所以它的传动效率也不高，这些也是带式无级变速器的现有技术瓶颈。由于受所能传递的最大功率的限制，目前CVT多用在排量比较小的轻型商务车上。2.4CVT和传统Auto的区别CVT与传统的Auto相比，有两个最大的不同：首先，该系统省却了繁琐、笨拙的齿轮组合变速装置，仅采用两组圆锥齿轮进行换档。传动机构主要依靠主、从动轮、金属皮带、辊子等实现无级变速。其次，其速度比率是连续的，是一组连续的数值。此使用该种变速器有以下这些优势:（1）当车辆速度不变时，引擎的速度就会降低。（2）改善排放控制/减少燃油消耗量（3）NVH(噪音、振动、刺耳声)相对比较低的。（4）加速比较平稳。（5）在山区道路上能够驾驶灵活。（6）结构更简单，体积更小。第三章．轻型商务车无级变速器的类型无级变速器的种类按照不同的形式可以分很多种,因此，根据其运行模式和驱动方式，可以分为三种类型：机械式、电动式、流体式三大类。图3-1无极变速器制式介绍3.1电传动式无级变速器的应用此类无级变速系统由发电机、控制系统和牵引马达三部分构成。它具有传输功率大、易于控制、传动效率高、噪音分贝小、环境污染少、自动化程度相对高、元件配置简单、可以用燃料电池代替原动机等优点[2],特别是在当前，能源与环境问题日趋严峻的今天。各国都在致力于解决环保与能源问题上的各种研发，由此加快点传动式无极传动系统的发展速度。但是，由于它的体积大、造价高，特别是在手动控制的情况下，控制器的结构也很复杂，因此，当前电传动式无级变速器只适合用在矿山自卸车、大型铲运机和轮式装载机。3.2流体式无级变速器的应用液体型CVT有两类，一种是液力CVT，另一种是液压CVT。广泛应用于轿车，公交车，商用车，重型车，工程车等。3.2.1液力无级变速器液压机械式无级变速是目前发展最成熟、使用范围最广、综合性能最好的一种[2]。一般的液压传动系统由三个部件构成：泵轮、涡轮和导轮。在原动机的作用下，泵轮转动，产生动力，将机械能转化成油液，产生一定动能的油液，将它转化为机械能，通过与涡轮连接，驱动轻型商务车。涡轮机在轻型商务车运行工况的改变中发挥了转矩的作用，并相应地改变了车速。可在较大的范围内持续地改变输出速度，构成液力机械无级变速。由于液压传动系统的变速范围很小，通常会在后边加入一阶机械传动，液力无级变速又称为变矩器，通过液压油的动能来传输能量，利用离合器的功能，也能使转速、力矩连续地改变，因此，致使轻型商务车起步平稳，加速更加迅速柔和，并具有良好的阻尼特性，能够很好地适应外部负荷的频繁变动[10]。它的主要缺陷：结构比较繁琐，成本较大，效率不高。它的主要优势：使用简便、驾驶员换挡次数少、传动比转换性好、持续、平滑、舒适度好、排放污染小、减少驾驶员疲劳、为驾驶员增加安全性。3.2.2液压无级变速器液压机械无级变速器（HMT），采用静力无级调速器，行星减速轮系和分流汇流机构所构成的[11]44-48。液压CVT的变速范围广，易于控制，使其达到最优的稳定性，尤其适合于复杂工作环境的工程车辆。所有，液压式CVT已被普遍应用在各样的机械行业，特别是在工程机械方面。但是，目前轻型商务车液力驱动还面临着两个主要问题：一是传动效率不高，以目前的液压技术程度来看，其最大效率仅为75~85%，在一些工作条件下仅为50%~70%。在轻型商务车启动或者低功率运行时，它的效率将会越来越低，二是由于高功率的油泵和电机难以生产，所以更加难以实现高精度的加工[10]12-14。液压无级变速器有着以下特点：（1）能适应不断变化的外部负载，并且能实现连续无级变速。确保引擎处于最佳的动力点或节能点，从而改善了轻型商务车的动力性、经济性以及操作效率。（2）采用油液作为传输媒介，起到减振作用，减少动力系统的动态负荷，预防引擎过载、熄火，延长有关部件的使用年限。（3）具有良好的缓冲性能，能有效地降低震动，降低噪音，改善乘坐舒适度。（4）低稳速运行可以改善轻型商务车在恶劣的条件下的通过率和低转速工作品质。（5）它具有轻巧、容易实现自动控制的特点，减轻了人工的劳动强度。与机械式无级变速器做比较的话,它具有传动功率大、使用寿命长、体积小、质量轻、惯性低、结构紧凑、安装方便等优点。综上所述,可以得出,液压机械无级变速传动在工程车辆等大功率传动领域还是有着明显的优势和广阔的发展前景。3.3机械式无级变速器机械式无级变速变速器是在一般机械传动的基础上，加入微电脑控制的电液伺服自动变速装置，目前已在一些低档轿车，局部卡车和商业车辆中使用。机械式无级变速器有着组成结构简单，相对来说可靠性比较高，无级调速比较简单等许多优点。下章着重介绍一下机械式无极变速器。第四章．机械式无级变速器4.1轻型商务车机械式无级变速器的工作原理机械式无级变速器是一种传动机构，它包括三个部件：变速、调速、压力和输出机构。它的工作原理是利用一种以联轴器（或凸轮）装置为脉冲发生器，把输入轴的等速旋转转化成摇臂的往复运动，然后，利用单向超越离合器，把摇杆的往复摆动转化成一个单向的脉动转动，无级变速主要是利用变速机构来改变杆机构中各个杆的大小比例，让摇臂的摆角及其平均摆动速率持续变化[8]。它的作用特点就是：当输入速度恒定时，可以使输出轴的速度在某一特定的区间内不断地改变，用来适应各种运行条件下机械或生产系统的需要。当与减速齿轮相配合时，可以使变速范围和转矩得到更大的扩展，从而达到提高产品的产量、满足产品转换的要求、节能、自动化等各方面的要求。因此，机械式无级变速器是一种普遍使用的传动部件，已经被普遍地使用在各个行业[4]。4.2轻型商务车机械式无级变速器的发展机械式无级变速装置诞生于十九世纪七十年代，但因材料、工艺等因素的制约，其发展相对缓慢。直至二十世纪七十年代以后,70年代之后，首先，由于先进的熔炼、热处理、精密加工、数控机床等技术和牵引传动理论以及润滑油的产生和发展，才逐渐克服了制约因素；其次在达到机械化、自动化以及提高机械工作性能的同时，我们生活中对无级传动系统应用的需求也日益增多。所以，在这样的情况下，机械式的无级变速传动以飞快上升的趋势迅速发展。日本，德国，意大利，美国，俄国等是机械式无级变速器研制开发的几个核心大国。4.3轻型商务车机械式无级变速器的优点二十世纪八十年代开始发展起来的轻型商务车机械无级变速器是一种新型的传动形式，它的优点是结构组成简单，传动效率较高，并且相对其他变速器来说环境适应性较强，传动稳定十分可靠，操作和维修都比较方便[6]。与原来广泛使用的MT和AT相比，其优势也是显而易见的。（1）轻型商务车机械式无级变速器的发展是顺应了轻型商务车传动系统从手工到自动化的发展趋势。实现了无级变速器的自动平滑，操作简单，避免了MT、AT在换挡过程中产生的跳动和撞击，它减少了人工作业的工作量，减少了噪音，增加了驾驶的舒适度和安全可靠性。（2）轻型商务车机械无级变速器是有着恒定的功率特性，其输出扭矩与速度呈反比关系，特征曲线呈双曲线，以满足车辆传动系统的恒定输出功率需求；与MT、AT的分档变速箱相比，CVT的变速是连续的，它的速度快、平稳，所以它能够更好地满足车辆在不同的道路条件下的行驶需求。（3）因为轻型商务车机械的无级变速器可以根据不同的行驶条件，及时地调节变速，这样它就可以达到最优的工况，达到最优的性能，同时不会产生任何的碰撞和动力损失，达到最优的燃油经济性；由于燃烧充分，尾气排放量降低，对环境友好（比AT节省10%~17%的燃油消耗，降低10%左右的废气）。另外，CVT的特点是结构简单，造价低，维护操作简单，效率可高达90%，工作也比较稳定。所以，可以说无级变速器是目前最先进的一种新型变速器。目前，全球有数百万辆不同型号的车辆都使用了这种技术，在未来的发展中，它将会是轿车传动的主要类型，并且可以得到更好的发展和更广泛的应用。4.4轻型商务车机械式无级变速器的类型机械式无级变速按其驱动方式可分为摩擦式、链式、带式和脉冲式四大类，按结构可分成三十多类结构形式。现在主要是着重介绍一下四大类无级变速器，其结构特征和用途各有不同[5]。4.4.1摩擦式无级变速器摩擦式无级变速器指的是利用主和从动刚性部件（或者其它类型的可达N=(150-175)kW）的输出速度，通常为n1=(750,150,3000)r/分钟；一种传动装置，其输出转速可以正、反转、加速或减速，最小转速可以由中间元件降到零），在接触面上产生的摩擦和油膜牵引，并且可以在接触点上改变工作半径来实现连续换挡。摩擦型无级变速传动系统包括三个部件：摩擦变速传动，传递动力；确保产生摩擦力所必需的压力装置；一种能使速度发生变化的速度调节器。优点：摩擦式无级变速器具有运行平稳，噪音小，可广泛使用在食品、电子、轻工、化工、包装等众多的领域。缺点：摩擦型无级变速器具有较高的副接触特性，传动力矩低、使用寿命短[7]。4.4.2链式无级变速器链式无级变速器是一种以链轮和钢制柔性链为传动件进行运动与传递动力的机械换档设备。该变速器是一种应用较广、开发较早的普通传动装置。链式无级变速传动系统包括三大部件：链轮、链条、调速机构、链张紧加压机构，通过主、从动链轮的两对圆锥圆盘的轴向运动来实现速度的调节。优点：它与带式无级变速器相比，结构更加紧凑的原因是因为链式无级变速器具有更高的功率和耐磨性，使用寿命周期长；钢链因其弹性远比V型皮带大得多，因而具有较低的滑力和精确的调速。与刚性摩擦变速器相比，相对于刚性摩擦变速器来说，链条更具有弹性，能够在不损坏齿轮表面的细小缺陷的情况下无损地通过；不像刚性摩擦变速器那么灵敏，不会在接触表面产生局部腐蚀，从而导致传动轨迹被破坏。其不足之处在于结构复杂、制作难度大，至今尚无正规的产品。4.4.3带式无级变速器其变速传动机构类似于链式变速器，由两对从动带轮和张紧带构成，其工作原理是：通过将驱动皮带的左右两侧与圆锥圆盘相接触后产生摩擦，并通过改变圆锥圆筒的轴向间距来调节其与驱动皮带的接触位置及工作半径，达到无级变速。目前最常用的是无级变速器，它能让三角皮带工作在径向上运动[14]。优点：它的结构简单，易于无级变速，工作稳定，能吸收震动，并有过载保护功能，成本低和更换操作简单等。缺点：外观尺寸比较大，变速局限性较大，起步等低速度，转矩工况等仍然需要使用扭矩转换器或启动离合器[9]。其他传动的广泛使用在金属切削机床、纺织机械、造纸机械、印刷机械上以及化工和食品方面的相关领域。4.4.4脉动式无级变速器脉冲式无级变速器的三大主要部件构成分别是传动机构，输出机构和速度控制机构。优点：它的特点与摩擦式无级变速器相比，它的传动装置是一种几何闭合式的低副机构，工作具有很高的可靠度、承载性能高、速度变化性能比较平稳。除此以外它的组成结构简单，体积小，制造比较容易，价格低廉等优点。缺点：但由于连杆在运动过程中的惯性力很难达到均衡，而超越离合器是传动系统中的一个薄弱环节，因此限制了它的使用。虽然国内外已经进行了大量的研究工作，但是还存在一些问题：（1）动力学特性(振动、噪声等)较差,附加动载荷以及速度波动脉动值大,传动效率低。（2）在带有滑动子的机械装置（例如脉动发生器）中，会有着许多对误差敏感、妨碍稳定运行的过度限制。由于过约束体系的阻尼和超静定特性，会造成各部件和各运动副元件在运行时发生强迫变形，从而使各机构的受力大幅增加，从而降低机械效率，加速齿轮的磨损，由此降低机械工作的可靠性、精度要求和使用周期。（3）目前对此变速器的关键组件：超速离合器的承载性能、工作过程、动力学特性的相关问题上匮乏对系统的理论分析[12]11-112。在世界范围内，德国、美国、日本等国家，技术先进，主要是德国GUSA和美国ZERO-MAX系列[16]。当前这类变速器普遍适用于低功率、中低转速、对旋转均匀度要求不高的情况，广泛用于纺织，化工，轻工，建筑，塑料，造纸，食品，制药等行业，以及各类机械设备的输送设备。在起重机机械和一些机床的进给箱中也有应用，还可用于吊车、某些机床的送料盒。此类变速器具有许多优点，因此它的应用范围将会越来越广，对这类变速器的需求量也会越来越大[16]。4.5轻型商务车机械式无级变速器的改进措施通过查阅相关CVT的资料可知道机械式无级变速器最主要的缺点有以下几类：（1）金属带材料的材质、形状、结构和参数都有待进一步改善和完善，其传递扭矩的能力也有待进一步提去改进提高。（2）在传动时，皮带的轴向位移会造成主、从动带轮的中心平面不在一个水平面上，造成带在运行时的变形，造成带的进、出两个方向的碰撞，噪声大，传动不平稳，带的使用寿命会大幅度降低。现有的改进设计方法是将带轮与金属带接触时的圆锥形状改为圆锥，而使主、从动带轮沿对称方向转动，使两个带轮的中心平面不发生偏移。（3）在实际操作中，也存在一些不足之处，比如在启动和低速时，总会有一种无级变速器独一无二的滞涩、不流畅的感觉。在紧急停车后重新启动，有时会出现低速不能启动的情况。（4）控制系统也存在很多问题，主要问题有换档调速器、传动皮带的夹持力和启动控制等。针对上述的缺点本文主要就（1）和（2）两条问题进行结构上的优化改进，从优化前后的数据对比上显示达到一定优化改进效果。4.5.1对金属V带的结构优化改进当前已经投入生产和广泛使用的两种传动V带，不管是VDT金属V带或者是传统的多片链式V带都有着零件繁多，制造技术繁琐，成本价格偏高，导致装有无级变速器的轻型商务车比手动档的轻型商务车要贵得多，不益于能更好的开发轻型商务车市场等相关问题。因此对现有的金属V带进行结构或材质上的设计改进，主要从本低廉、工艺操作简单不复杂，、性能稳定和实用等方面着手提出解决方案。传统金属片式V带具有以下缺点：（1）一根V带要200～300块金属片，每块金属片有5个工作面，一共就有300×5=1500个工作面，为了保持这1500个工作面的精度、粗糙度的一致，会导致加工量很大，造成成本支出过高。（2）金属片V带的重量较大，使用钢材较多。这些问题，在金属片V带的基础上，很难改进，为此只能另找出路，经过研究，提出柱绳式V带的新结构。柱绳式V带由并列的钢柱为经线，钢丝绳为纬线，将其编织在一起，再在外边压上橡胶而成。为了看清骨架结构情况，图中骨架用粗实线，外廓用细实线，首先，要承受皮带轮V形槽面的正压力，就要有一定强度的钢制件，这里将原金属片换成金属柱，它的优点是能承受较强的正压力和摩擦力，但圆柱之间不接触，因此对精度的要求就会很低。其次，为了将金属柱连接在一起，用钢丝绳像织布一样编织起来。其结构如图4-1所示。图4-1新型复台链带本新型链带是由钢柱1和钢丝绳2组成，钢柱两头端面铣为与带轮楔角配合的圆锥面，钢柱的中间部分尺寸减少，为钢丝绳提供空间，然后用钢丝绳均匀地将钢柱缠绕起来，形成一根完整的型带。传动中，钢柱受轴向压力，而钢丝绳承受纵向拉力。这种V带，较前述V带的优点有：（1）圆柱不互相接触，要求加工精度低，成本成倍下降；（2）一根V带的圆柱数一般为50～60根，比前述V带金属片为250～300片少数倍，因此，重量轻数倍；（3）钢丝绳的各向柔性比环形钢带好，不易疲劳，且为标准件，价格低下。查阅相关此优化改进型V带，与传统金属V带进行有限元仿真对比分析，发现在CVT的性能改进上有以下优势：（1）本新型V带的单根的传动功率在11Kw以上，最大滑差率为2.3%。（2）本新型V带的可传递扭矩为200Nm以上，并能连续的运转300小时以上，带体无明显的损坏，达到设计的性能要求。与传统V待传递的扭矩增大了90%,同时运行可靠性程度也得到了极大的改善。4.5.2对带轮的结构优化改进在转矩传递时，由于传动部件的结构特殊，CVT在工作时带轮会发生轴向形变，使得带轮和金属带受力情况复杂,对整个CVT的传动性和寿命都能产生很严重的影响，本文以从动带轮（实物如图4-2所示）的结构优化进行说明。图4-2从动带轮实物图对既有从动带轮进行CATIA三维建模并进行有限分析得到其在不同场景下发生的形变程度，如相同轴向力不同转速比下的轴向形变、相同转速比不同扭矩下的轴向形变等，可得到传统的从动带轮存在的轴向变形的影响区域，仿真显示带轮包角中心位置的轴向变形量对带轮传动效率有很大影响。对于从动带轮而言，在速比一定的情况下，带轮等效刚度越大，转矩损失越小，因此可将从动带轮的等效刚度最大作为优化目标，同时为保证带轮工作具有实时性、不会产生迟滞，需要保证带轮的转动惯量尽可能小。优化后的从动带轮结构如图4-3所示：图4-3从动带轮结构参数优化示意对优化后的从动带轮进行有限元仿真分析结果与既有的带轮之间如下：（1）优化后的带轮轴向变形量得到了减小，当轴向变形量减小，带轮相应的等效刚度增大，从而验证了优化结果的可靠性；（2）在相同等效刚度、不同转矩下及相同转矩、不同等效刚度下，优化前后的带轮的转矩损失变化趋势一致，因此优化后的带轮在转矩损失上与优化前基本无异；（3）带轮发生轴向形变时会导致带轮轴的挠曲，带轮轴的挠曲进而会影响齿轮与中间轴齿轮的啮合产生偏载，优化后的从动带轮的挠曲效应得到极大改善。第五章．结论由综上所述可以得出在机械式、电动式及流体式三者相比较时,机械无级变速器其特点是输出恒定的功率、高的传动效率、大的转矩和转矩、并且结构紧凑、工作可靠、维修操作方便简单、成本费用低、类型也较多、其使用范围的局限