（光学工程专业论文）金属带式无级变速器的控制及效率研究.pdf

摘要 论文题目：金属带式无级变速器的控制及效率研究 学科名称：车辆工程 研究生：张海源签名： 指导教师：刘凯教授签名： 周春国副教授签名： 摘要 帅帅咖m 吣咖舢删硼硼 y 2 12 7 9 4 1 金属带式无级变速器( 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 ，c v t ) 作为汽车的变速传动 装置，可以实现无级变速，具有传动比连续、操作方便和传递动力平稳等特点，是很理想 的传动装置，正获得越来越大的发展。本文首先对金属带式c v t 的传动机理进行了分析， 根据其传动的几何关系，分析了变速器的传动比及变速范围，确定了带轮夹紧力与传动比、 带传递的转矩之间的关系。以m a t l a b 为工具，对带轮作用力进行了数值分析。通过c v t 无级变速试验台的试验研究，验证了理论研究的正确性，进一步说明了轴向推力与传动比 之间的关系。建立了整车传动系统的数学模型，分析速比变化率对汽车加速性能的影响。 根据试验台的相关知识，对电液控制系统进行研究，建立了液压系统的数学模型，确 定c v t 的速比变化率与控制系统的占空比及主、从动带轮油缸的压力差有关。从硬件和 应用软件两方面设计了电控系统，研究了速比控制策略。 在上述研究的基础上，设计了f u z z y p i 复合速比控制器，利用m a t l a b 的模糊工具箱 建立了模糊控制器。建立以无级变速汽车动力性和经济性相协调为目标的整车动态仿真模 型，采用f u z z y p d 控制和f u z z y p i 复合控制两种方法对汽车的不同工况进行仿真分析， 结果表明f u z z ) ，p i 复合速比优于f u z z y p d 控制法，实现了发动机与c v t 的合理匹配， 具有一定的实用价值。对试验结果进行分析，与仿真结果基本一致，从而得到仿真模型合 理的结论。 从金属带式c v t 的结构入手，将金属带组件的功率损失确定为四个部分，考虑滑动 对功率的影响并得到功率损失的计算公式。以传动比o 4 2 、1 o o 、2 3 5 为例，对各项功率 损失进行定量分析，确定c v t 功率损失的主要形式是金属块与带轮间的摩擦功率损失， 得到传动比为1 0 0 时效率最高的结论。本课题的研究为金属带式无级变速器系统的研究 起到一些积极的作用。 关键词：金属带式c v t ；力学分析；电液控制；控制策略；摩擦功率损失 本研究得到“陕西省重点学科( 车辆工程) 建设专项资金资助项目”( 项目编号： 1 0 2 - - 0 0 x 9 0 4 ) 的支持。 t i t l e ：r e s e a r c ho nc o n t r o la n d e f f i c l e n c y o fm e t a lb e l t c v t m a j o r ：v e h i c l ee n g i n e e r i n g n a m e ：z h a n gh a i y u a n s u p e r v i s o r ：p r o f l i uk a i a s s o c i a t ep r o f z h o uc h u n g u o a b s t r a c t s i g n a t u r e ：垫生弛2 s i g n a t u r e ： s i g n a t ur e i 主叁2 丝幽乡 a sat r a n s m i s s i o na n ds p e e dt r a n s f o r m i n gd e v i c e f o rv e h i c l e ，m e t a lb e l tt y p ec v t f c o n t i 姗o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) h a st h ec h a r a c t e r i s t i co f a c h i e v i n gs t e p l e s ss p e e dc h a n g e ， c o n t i n u o u ss p e e dr a t i o ，e a s yo p e r a t i o na n ds t e a d yp o w e rt r a n s m i s s i o n ，s oi t i sak i n do fi d e a l t r a n s i i l i s s i o nd e v i c ea n dg a i n i n gf u r t h e rd e v e l o p m e n t t h i s t h e s i sf i r s t l ya n a l y s e s t h e t 眦s m i s s i o nm e c h a l l i s mo fm e t a lb e l tt y p ec v t , a n d t h e na n a l y s e st h es p e e dr a t i oa n dc h a n g e r a n g eo fc v ta c c o r d i n g t oi t sg e o m e t r i c a lr e l a t i o n s h i po ft r a n s m i s s i o n ，d e t e r m i n e st h er e l a t i o n b e t w e e nt h ep u l l e y sc l a m p i n gf o r c ea n dt h et r a n s m i s s i o nr a t i o ，t h eb e l tt r a n s m i s s i o nt o r q u e a n dt h e nan l 】m e r i c a la n a l y s i so fp u l l e y sc l a m p i n gf o r c ei sm a d e i nu s i n gm a t l a b t h r o u g ht h e e x d e r i m e n t so nc v tt e s t b e d ，i ts h o w st h a tt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hi sc o r r e c ta n da l s os h o w s w h a tt h er e l a t i o ni sb e t w e e nt h ep u l l e y sc l a m p i n gf o r c ea n dt h et r a n s m i s s i o nr a t i o t h e na s v s t e m a t i cm a _ c 1 1 e m a t i c a lm o d e lo ff i n i s h e dv e h i c l ei sb u i l tt oa n a l y s et h ei n f l u e n c eo fs p e e d r a t i ov a r i a b l er a t eo nt h ea c c e l e r a t i o np r o p e r t i e s a c c o r d i n gt ot h er e l a t e dk n o w l e d g eo ft h e t e s t - b e d ，t h i s t h e s i sa l s os t u d i e st h e e l e c t r o - h v d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ，b u i l d st h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fh y d r a u l i cs y s t e m ，a n da tl a s t m a k e s 也ed e c i s i o nt h a ts p e e dr a t i ov a r i a b l er a t eo fc v t i sc o n c e r n e dw i t ht h ed u t yc y c l eo f c o n 缸d ls v s t e ma n dt h ep r e s s u r ed i f f e r e n c eo f d r i v ea n dd r i v e np u l l e y so i lc y l i n d e r s d e s i g n st h e e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mf r o mt w oa s p e c t so fh a r d w a r ea n da p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，a n d s t u d i e st h es p e e dc o n t r o ls t r a t e g y b a s e do nt h ef o r i n e rs t u d y ，t h i st h e s i sd e s i g n sf u z z y - p ic o m p o s i t es p e e dr a t i oc o n t r o l l e r , a 1 1 db u i l d st h ef u z z yc o n t r o l l e ri nu s i n gm a t l a bf u z z yt o o l b o x t h ei n t e g r a t e dd y n a m i c s i m u l a f i o nm o d e lt h a ti sf o rt h ep u r p o s eo fp e r f o r m a n c ea n dm i n i m u mf u e lc o n s u m p t i o n 1 s e s t a b l i s h e d ，v a r i o u ss t a t e so fc a ra r es i m u l a t e da n ds i m u l a t i o nr e s u l t s a r ea n a l y z e di nd e t a i l w h e nt h er a t i oc o n t r 0 1 1 e ru s i n gf u z z y - p dc o n t r o la n df u z z y p ic o m p o s i t ec o n t r o l s i m u l a t i o n s t r e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e li sb e t t e rt h a nt h a to f t h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d ，b r i n ga b o u t r a ：t l o n a l m a t c h i i l go fe n g i n ea n dc v t , h a v ep r a c t i c a lv a l u e t h ea n a l y s i so f t e s tr e s u l t ss h o wt l l a tt h e y a f e 妇i c a l l yt h es 锄ea ss i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h u so b t a i nt h i sc o n c l u s i o n t h a ts i m u l a t i o nm o d e j1 s r e a s o n a b l e ，a n dt h ef o r m e rs i m u l a t i o na n a l y s i s r e s u l t sa r er e l i a b l e f r o mm e 咖c 眦o f m e t a lb e l tc v t , t h ep o w e rl o s so fm e t a l b e l tc o m p o n e n t s 吣 d e t e m i n e da sf o u rp a r t s b ys y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r i n g t h ee f f e c to ft h es l i po nt h ep o 啪rl o s s , m ec a l c u l a t i o nf o m l u l a t eo fp o w e rl o s sw a sf o u n d t a k et h et r a n s m i s s i o nr a t i o - 0 8 5 ，卢1 o o a n di = 2 3 5f o re x 锄p l e s ，e v e r yp o w e rl o s sw a s c a l c u l a t e d r e s u l t si n d i c a t et h a tf r i c t l o nb 咖e e n s e g m e n t 觚dp u l l e yi st h em a i nf a c t o ra n de f f i c i e n c yi s t h eh i g h e s tw h e n 仃锄s m l s s l o nr a t l o e q 砌st o1 0 0 t h i st o p i cr e s e a r c hh a sh a d c e r t a i np o s i t i v er o l et om e t a lb e l tt y p ec v ts y s t e m r e s e a r c h k e yw 。r d s ：m e t a lb e l tt y p ec v t ；m e c h a n i c a ta n a l y s i s ；e l e e t r 。h y d r a u l i cc 。n 仃o l ；c 。咖1 s t r a t e g y ；f r i c t i o np o w e r l o s s m sr e s e a r c hi sf u n d e d b yc t s p e c i a lf u n d s s u p p o r t i n gp r o j e c t o fk e yd i s c i p l i n e 唧c l e e n g m e m g ) b u i l d i n g i ns h a a n x ip r o v i n c e ( p r o j e c tn u m b e r ：1 0 瑚0 x 9 0 4 ) l i 目录 目录 目录i 1 绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外金属带式c v t 的研究进展1 1 2 1 国外金属带式c v t 的发展概况1 1 2 2 国内金属带式c v t 的发展概况2 1 2 3 金属带式c v t 未来的研究趋势3 1 3 金属带式c v t 的工作原理及技术关键3 1 3 1 金属带式c v t 的工作原理3 1 3 2 金属带式c v t 的技术关键4 1 4 论文主要内容5 2 金属带式c v t 的结构及力学分析7 2 1 带传动的基本运动关系7 2 1 1 金属带式c v t 的结构分析7 2 1 2 速比和速比变化范围8 2 1 3 带轮包角和带传动的斜向运行角8 2 2v 型金属带传动的动力学分析9 2 2 1 金属带轴向推力的确定9 2 3 金属带式c v t 的试验研究1 4 2 4 金属带式c v t 动力传动系统的简化动力学模型1 7 2 4 1 整车动力传动系统模型的建立1 7 2 4 2 目标速比的确定1 8 2 4 3 速比变化率对汽车加速性能的影响1 9 2 4 4 动力传动系统的状态方程2 0 2 5 本章小结2 1 3 金属带式c v t 电液控制系统2 3 3 1 金属带式c v t 液压系统分析2 4 3 2 主要电磁阀的分析2 6 3 2 1 夹紧力控制阀的建模和特性分析2 6 3 2 2 速比控制阀的建模和特性分析2 8 3 2 3 液压控制系统对速比变化率的影响3 0 3 3 金属带式c v t 电控系统3 1 3 3 1 电控系统的硬件结构与设计3 l 3 3 2 接口电路的设计3 3 l 西安理工大学硕士学位论文 3 3 3 金属带式c v t 控制策略及电控系统的软件设计3 4 3 4 本章小结3 6 4 无级变速传动系统的速比模糊控制研究及仿真分析3 7 4 1 金属带式c v t 速比控制研究3 7 4 1 1 速比模糊控制器3 7 4 1 2 模糊控制器的设计3 8 4 1 3 仿真研究中的参数确定4 0 4 2 装备c v t 的整车模型4 l 4 2 1 整车及各部分仿真模型4 2 4 2 2 仿真结果分析4 3 4 3 本章小结5 0 5 金属带式c v t 摩擦功率损失研究5 1 5 1 功率损失数学模型5 l 5 1 1 金属块与带轮间的径向摩擦功率损失5 l 5 1 2 金属块与带轮间的切向摩擦功率损失5 3 5 1 3 金属块鞍面与最内层钢带环的摩擦功率损失5 5 5 1 4 钢带环间的相对滑动功率损失5 6 5 2 算例分析与讨论。5 7 5 3 本章小结5 8 6 结论5 9 6 1 全文工作总结5 9 6 。2 不足与展望6 0 致谢6 l 参考文献6 2 作者在攻读硕士学位期间发表的论文6 5 i i 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 迄今一百多年来，汽车业的迅速发展，带来了高度的物质文明，对世界经济的迅速发 展做出巨大贡献，但是也带来了许多难以解决的问题，如排气中的游离粒子和氮化物引起 的大气污染、二氧化碳带来的越来越严重的温室效应，大量消耗燃油引起能源的枯竭等。 所以，环境保护及能源节约已成为汽车发展的主要问题，甚至与人类发展休戚相关。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 ) 已经有一百多年的历史，是汽车 的理想传动装置，人们一直将其视为追求的目标。为了更完全的发挥c v t 的优点，提高 汽车的传动性能，发动机与c v t 的综合控制成为一种必然发展趋势。而c v t 的速比控制 又是控制系统的主要内容，汽车性能的优劣与速比控制效果息息相关。采用电子控制技术， 对装配金属带式无级变速系统的汽车，将发动机和c v t 综合进行控制，实现动力传动系 统的综合控制，从而更好的发挥无级变速的优点。装配金属带式无级变速系统的汽车，发 动机控制模块、c v t 控制模块、a b s 控制模块之间也实现了交互通讯，汽车的整体性能 得到提高。为了使无级变速传动系统和发动机能够很好的匹配，各汽车商使变速器有了很 长远的发展。 目前，按照变速特点汽车变速器可以分为两大类：一是有级变速器，二是无级变速器。 按照执行变速的方式来分，可分为手动执行变速和自动执行变速两种即手动和自动。按照 使用的介质和传动方式可以分为液压式、电气式和机械式三大类，在汽车领域中，机械式 c v t 为主要研究和使用的领域。可以将机械式c v t 分为以下几类：摩擦盘式c v t 、半环 式c v t 、链传动式c v t 和v 型带式c v tn 1 。金属带式c v t 就是一种新颖的机械摩擦式 变速器，用金属带替换了胶带，因此结构更简单，承载能力更强，变速范围大，大幅度的 提高了传动效率、可靠性、功率和寿命。特别是与以往多种无级变速器相比，传递功率更 大，应用范围更广，尤其是大功率范围内的机械传动装置中。近几年来，它在轿车变速器 中应用成功后，人们普遍的看好它显示的所有优越性，受到了全球工业界的重视。一直以 来，汽车厂家将汽车变速器作为技术关键，多年以多级齿轮传动式和液力机械式为主，金 属带式c v t 的成功研发，因为其具有更好的经济性、动力性、舒适性等优点，且操作更 简便，使之成为当今理想的汽车传动系统之一n 1 。 1 2 国内外金属带式e t t 的研究进展 1 2 1 国外金属带式e t t 的发展概况 无级变速技术，通过金属带和主、从动轮相配合，改变主、从动轮的工作直径，传递 动力。c v t 实现了传动比的连续变化，通过控制系统使传动系统与发动机实现最佳匹配， 来提高整车的经济性、动力性以及乘坐舒适性，使驾驶员的操纵更加简单方便，所以是理 想的汽车变速器之一。 西安理工大学硕士学位论文 百余年来，c v t 技术迅速发展。在汽车上最早采用无级变速器技术的是德国奔驰公 司，该公司早在1 8 8 6 年，就将v 型橡胶带式无级变速器装配在汽油机的汽车上。荷兰的 d a f 公司在1 9 5 8 年研制成功双v 型橡胶带式无级变速器，装配在该公司生产的轿车上， 但是双v 型橡胶带式无级变速器具有以下缺点：胶带寿命低，传递功率低( 转矩 r m 。，所以k 1 。调速范围r 。增大时，s i n 五m 。同时增大，s i n 九。随a 增大 2 金属带式c v t 的结构度力学分析 而减小。因此，运行直径。最小时，包角d 一是最小的，但是d 。不能过小，一般限定 口5 x 6 ，口。币2 九。 本文的c v t 选用v d t 公司生产的p s l l 型c v t 作为研究对象“1 。其主要参数如 下表所示： 表2 - l 无级变速器的相关参数( i ) 名称 符号数值单位 带轮的安装轴径 乩 带轮允许的最小工作半径 ，珈。 中心距a 1 6 0 钢带环故度 l 主、从动带轮外径 ，2 主、从动带轮最大工作半径 ，珈。 主、从动带轮虽大节圆半径 。 主、从动带轮最小节圆半径 1 q r 2 i 传动比 变速范围 r 2 2v 型金属带传动的动力学分析 2 2 1 金属带轴向推力的确定 由文献“1 可知，主动带轮轴向推力和从动带轮轴向推力的理论计算和文献“1 的实验 研究不一致，根据文献“1 的实验知，带轮的轴向推力受转矩比即c v t 所传递的转矩与最 太转矩之间的比值和所传递的虽大转矩的影响极小，尤其是当转矩比， 0 5 时，轴向推 力比几乎不受转矩比的影响。在金属带式c v t 的工作过程中，转矩比一般 05 ，所以， 可以忽略转矩比对轴向推力的影响，带轮轴向推力主要取决于传动比。 图2 - 3 金属带传动模型示意图 图2 4 金属带传动工作原理 f i 9 2 - 3 m o d e lo f m e t a lb e l t t r a n s m i s s i o nf i g2 4 w o r k i n g p r i n c i p l e o f m e t a l b e l t t r 蚰s m i s s i o n 西安j e _ v - 大学硕士学位论文 金属带式c v t 的带轮轴向推力与金属带的传动机理有关，图2 4 为金属带传动原理 示意图。在速比变化过程中，不考虑金属带的偏差，并且忽略离心力和弯曲刚度的影响， 在金属带与锥形带轮锥面接触处，从金属带上取一个无穷小的受力单元做研究对象，受力 分析如图2 3 所示。其切向受力和法向受力的平衡关系如下： 切向方向：d t = 2 d s ，( 2 1 1 ) 法向方向：昙打d ：2 d ns i n 口一d s 。c o s 口 ( 2 1 2 ) 则在此单元上的摩擦力与带轮啮合面法向力的关系为：d s = f r b d n ( 2 1 3 ) 在c v t 的运行过程中，滑动摩擦是无法避免的，假设摩擦力在圆周切线方向和圆周 垂直方向的摩擦力分配系数为c ，则两个方向的摩擦力可表示为： d s ，= c d s0 c 1 ( 2 1 4 ) d s = 1 一c 2 劣，正负号分别为用于带轮轮副相向、相离运行的两种工况 9 1 0 ( 2 1 5 ) 由公式( 2 1 1 ) - ( 2 1 5 ) 可知：d t = 厶财缈 ( 2 1 6 ) 其中厶+ 为等效摩擦系数：厶2 _ s i n 忑蒜 ( 2 - 7 口干飞，l 一，：口 对公式( 2 1 7 ) 在整个带轮上的包角进行积分，得到金属带上力的分布和包角的关系： 丁) = e 矗矿 ( 2 1 8 ) 鲁：e 龙妒 ( 2 1 9 ) n v 一 2 金属带传递的转矩由带的张力决定的部分为：m 。= 伍一乏江= 乏r g 厶妒一1 ) ( 2 2 0 ) 通过对法向力州的轴向分量对带在轮上的包角进行积分，得出轴向推力兄( 假设忽 略端面上切向摩擦力搬。的轴向分量) “珀1 ： 瓦：丝2 警咖一1 ) (22lf 1 “ r b c r1 ， 、1 7 由式( 2 1 8 ) ( 2 2 1 ) 可以得到轴向推力、带传递的转矩的关系如下： f 一：坐坐堡竺 ( 2 2 2 ) 1 “2 厶c - r 、7 根据上式可知，带轮轴向推力与带传递带的转矩、带轮的工作半径( 即与传动比有关) 、 带传动的摩擦力分配系数和摩擦系数有关，从而可以得到带轮轴向推力与转矩、传动比的 关系。 可以将带轮轴向推力和油缸液压力之间的关系描述如下： 吃= p k a k ( 2 2 3 ) 式中的r 为带轮油缸中的液压，a k 为油缸的有效面积，k = i 、2 分别对应主、从动 带轮。 1 0 2 金属带式c v t 的结构及力学分析 在通常传递转矩情况下，一般c 1 “，当c = l 时，传递转矩的最小轴向推力为： f ；：丝竺竺 ( 2 2 4 ) 一“ 2 厶r 、。 最小的压力为：尸m l 。= 焘 ( 2 2 5 ) 金属带式c v t 中，控制系统单是确定一个带轮油缸的液压力，另一个带轮油缸则是 通过调节带轮油缸的充油量来实现c v t 的速比变化，根据金属带和带轮副的相互作用力 平衡关系，对带轮油缸的液压力进行调节。一般的，金属带式c v t 通过控制系统控制的 是从动轮油缸的液压力 1 2 1 。作用在从动轮上的转矩为m 2 = m e ，通过公式( 2 2 3 ) 和( 2 1 ) 计 算，保证可靠传递转矩、不在从动轮上打滑的情况下，从动轮的轴向推力为： 2 篆 亿2 6 ， m i n 罴 ( 2 2 7 ) 为保证发动机扭矩安全传递，同时为了传动具有高传动效率，从动轴的工作压 力根据实验结果1 ，可以得到： ：要坐竖 ( 2 2 8 ) 2 2 厶1 a 足2 、 其中t e 为发动机转矩( n m ) 。 根据式( 2 2 8 ) ，可得到从动轮夹紧力在主动带轮油缸上的轴向负荷如下： 巳一c o t ( o r + p ) x c t 一( 1 + ，) 只 ( 2 2 9 ) 等= 学( 1 _ 力愣刁 乓 4 、“l2 厶j 、。 其中：口：s i n al n 坐 ( 2 3 1 ) l 晚1 一y 肛= a r c t a n ( f ) ，i = 1 ，2 ( 2 3 2 ) 包角大于万时，主动轮上的修正摩擦系数厶：j 表厶：三：， ( 2 3 3 ) 包角大于万时，从动轮上的修正摩擦系数厶： 三i ；三： ( 2 3 4 ) y 为牵引系数，7 = l ( r f ) “3 1( 2 3 5 ) 在通常的使用情况下，当o 。2 5 y o 4 5 时，令y ：i n # 上，可将其简化为： y = a y + b ( 2 3 6 ) 其中口= 2 2 9 ，6 = 0 0 6 “。贝0 由式( 2 3 2 ) 可知： 西安理工大学硕士学位论文 伊：掣( a 7 + b ) 伊2 百+ ， ( 2 3 7 ) 鲁：二：!：二二：三1-sina)1(1一y)+lc20厶so!y q 3 8 ， b 4 、l2 厶。j 将y 代入上式，经过整理后得到b 的一元二次方程如下： 瓦a ：f 型孑+ b f 等s + c 亚= 0 解一元二次方程得到： ( 2 3 9 ) 口b 口警等+ m k 。ea n _ 4 t g p x 警鲁一， 口警c 争 亿4 。， 因此可以确定主动轮油缸的压力为： p ：上生( 2 4 1 ) 将上述参数值代入公式( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ，经过计算得钢带环初张力： 兀：f o 一百x t a n a ( 2 4 2 ) 空载时，带环直线段张力正，疋，因为金属块间的推压力造成的带环张力增量瓦为： k 坐竺老嘉掣 互= 珥一r l l 肾格一如之) 亿4 3 、 从而得到传递转矩时，带环的张力墨，疋： l 正= 互+ 【疋= 疋+ f 2 4 4 ) 以f _ 2 3 5 、i ：1 矛1 1 i ：0 4 2 为例，根据表2 - 1 的一些数据，对c v t 的相关参数进行计 算，其余数据是经过计算和查表得出的，详见下表： 2 金属带式c v t 的结构及力学分析 表2 - 2 无级变速器的相关参数( 2 ) t a b 2 2p r i m a r yp a r a m e t e ro fc v t ( 2 ) 数值 名称符号单位 i = 2 3 5i = 1f - 0 4 2 转矩储备系数 艿111 带轮锥面锥角 口 1 11 11 1 度 带轮与金属片侧面的摩擦系数j 由 0 10 10 1 a r c t a n ( l 6 ) p 5 7 ( 0 1 15 7 ( 0 1 15 7 ( 0 1 ) r a d 系数 口 2 2 92 2 92 2 9 牵引系数 y0 7 6 6o 6 20 5 4 带的直线边与两轮轴连线的夹角 允15 4 ( 0 2 6 )o 1 4 6 ( 0 2 5 5 ) r a d m m 摇摆棱至鞍面的距离 a h11l 钢带环与金属块间的摩擦系数 吨 0 10 10 1 i 衄 金属带传动中心距 彳1 6 01 6 01 6 0 1 1 1 工n 金属带工作长度 三6 6 06 6 06 6 0 主动轮最大输入转矩 m a 1 6 0 x 1 0 31 6 0 1 0 31 6 0 1 0 3n h i 1 将表中的数据代入公式( 2 2 6 卜( 2 4 4 ) ，经过计算得出表( 2 3 ) 表2 - 3 无级变速器的相关参数( 3 ) t a b 2 3p r i m a r yp a r a m e t e ro fc v t ( 3 ) 数值 名称符号单位 i = 2 3 5i = li = o 4 2 m m 主动轮节圆半径 ，1 3 1 55 4 1 7 3 6 r n m 从动轮节圆半径 吃 7 4 55 4 13 0 9 主动轮包角a a 2 8 6 万 3 4 2r a d 从动轮包角a r 3 4 2 7 2 8 6 r a d 主动轮轴向推力艮 2 7 5 6 01 7 3 0 01 5 7 0 0n 从动轮轴向推力如 2 4 9 3 01 2 9 0 01 0 6 7 0n 金属带传动对轴的作用力f s 6 6 2 64 8 0 75 0 7 6n 传递转矩时带环紧边张力 死 3 7 4 6 2 3 5 93 1 7 2n 传递转矩时带环松边张力乃 3 3 9 02 1 3 3 2 9 0 6n 主、从动轮的推力比为： t = f l a | f 也 f 2 4 5 ) 1 3 西安理工大学硕士学位论文 其中，k 为主动轮轴向推力，为从动轮轴向推力。以m a t l a b 为工具对c v t 主、 从动带轮的轴向推力进行数值分析，分析结果如下图所示： 图2 - 5 主、从动带轮轴向推力与传动比的关系图2 - 6 主、从动带轮轴向推力比与传动比的关系 f i g 2 5r e l a t i o nt h a tt r a n s m i s s i o nr a t i ow i t ha x i a lf i g 2 6r e l a t i o nt h a tt r a n s m i s s i o nr a t i ow i t hr a t eo f f o r c eo fd r i v ea n dd r i v e np u l l e y a x i a lf o r c eo fd r i v ea n dd r i v e np u l l e y 由公式( 2 1 4 ) 知，带轮轴向推力是传动比、输入转矩和摩擦系数的函数。并由上图可 知主、从动轮的轴向推力随传动比的增加而减少，与参考文献n 1 的实验一致。首先控制 系统根据输入转矩的大小确定从动带轮夹紧力，然后根据主、从动轮夹紧力的平衡关系确 定另一带轮的轴向推力，从而确定系统在此平衡状态下需满足的夹紧力及速比条件。并且 表陀1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 的数据为后面效率的计算做出基础。 试验“甜表明金属带传递的转矩比较高时，由金属片间的推力传递金属带大部分的传 递转矩。在稳态情况下，仅仅在主动带轮出口处较小的包角范围内金属片间才存在推挤力， 但是在从动带轮的整个包角范围内的金属片间均存在连续变化的推挤力，当输入转矩比越 高时，在主动轮上既增大负荷力的幅度又增大其包角范围，然而在从动轮包角范围上从动 轮只增大其幅度。但是，不管速比如何，其分布方式是一致的 1 8 1 。在高速换档的瞬时状 态，与稳态情况相比，金属片间推挤力的分布方式不发生变化。因此，为了提高系统的传 动效率减小功率损失，金属带式c v t 应尽可能在恒定的较高转矩比的情况下工作”。 2 3 金属带式c v t 的试验研究 本课题试验台采用独立台架设计，通过电机在不同速度，进行无级变速器的动态演示， 得出不同工况中的油压、转速等参数，并且通过电脑得到无级变速器的某些参数，以及工 作过程和制动过程中各主要参数的曲线显示。 通过c v t 无级变速试验台的试验研究，深入理解c v t 的原理，了解c v t 的结构， 试验系统的总体布局如下图所示。本试验台建立硬件和软件相结合的控制系统，试验系统 包括模拟发动机的一台9 0 k w 交流变频电机、一个控制电机的变频器、金属带式c v t 、 e c u 、固定负载、电磁式制动系统以及输出系统和显示仪表等，试验台的布局如图2 7 所 1 4 j_培丑r辖匠暴刁睾蒋婶刁毒需州 2 金属带式c v t 的结构厦力学斜t 示，通过驱动电机和电磁式制动系统对发动机的电机转速进行控制，模拟汽车不同的工作 过程和制动工况。 i 墨；一”8 热 1 1 ：e 2 ；l 他。州 ；篡；i 罐! 缪 + 霉墨爹- 一i ? l矧 图28 某时间段内启动工况下带轮转速的变化 图2 _ 9 某时间段内启动工况下传动比的变化 f i 9 2 - 8 v a r i a t i o no f p u l e yr o t a t i o ns p e e d w h e n f i g2 9 v a r i a t i o n o f t r a n s m i s s i o nr a t i o w h e n s t a r t i n gc o n d i t i o n s i na g i v e n t i m e s l a t t i n gc o n d i t i o n s i na g i v e n t i m e 试验模拟的某时间段内启动工况下带轮转速的变化如图2 - 8 所示，则传动比变化如图 2 - 9 所示。初始o 5 s 主动轮开始转动，由于金属带传递的扭矩还不能克服从动轮所承受 的阻力矩，所以从动轮转速为零，此时速比为无穷大，数据不可用；2 5 5 s 内从动轮瞬间 发生转动，由于冲击的原因，速比不稳定，因此数据不予以采用。理论研究是在理想状态 西岳理工大学硕士学位论文 下进行的，不存在以上试验中的现象。在后面章节中还与仿真结果进行详细的对比分析。 下图为金属带结构图和结构建模转换的二维示意图，认真观察无级变速器的结构， 了解无级变速器的工作原理。由显示仪表的数值可以得到主、从动轮油压值，舍弃无效 数据和不稳定状态的数据，通过计算得到传动比与主、从动轮轴向推力的关系如图2 - 1 2 所示，传动比与主、从动轮轴向推力比的关系如图2 1 3 所示。 图2 1 0 金属带结构例 图21 l 金属带式c v t 结构简图 f i 9 2 t o p r a c t i c a lp i c m r e o f m e t a l b e l t $ t r u c t u m f i g 2 1 1s t r u c t u r e m e t a lb e l t t y p e c v t 理论计算是在理想状态下进行的，而试验中，由显示仪表读取的液压值是在试验系统 模拟汽车工作过程中得到的，由于存在摩擦、滑动、系统误差以及读数的偶然误差等，造 成和理论值有一定的差别。与图2 5 和2 - 6 进行比较，认为试验结果与理论计算基本一致， 初步验证理论计算的正确性。 x l r 。l，。 孓卜 ”e 重要墓盈 ； f 盲r 叶吉右吉_ 苜卞扣j 图2 1 2 主、从动带轮轴向推力与传动比关系图2 1 3 主、从动带轮轴向推力比与传动比关系 f i g2 1 2 r e l a t i o n t h a t t r a t l s m i s s i o nr a t i o w i t ha x 叫 f i g2 - 1 3 r e l a t i o n t h a t t r a n s m i s s i o nr a t i o w i t h i a t e f o r c eo f d r i v e 明dd r l v e np u l l e y f o r c eo f d r i v ep u l l e y 蛐dd r i v e np u l l e y 从图中可咀看出传动比在小于10 0 和大于10 0 的阶段，主、从动轮的轴向推力大小 是稳定的，试验值较理论值大02 k n 左右，是因为试验是在有负载的情况下得到的数值， 另外还存在滑动和视觉误差等原因。在传动比达到l0 0 的瞬间，油压存在一个明显波动， 当传动比到达10 0 后，转速迅速增大，并且主、从动轮工作状况发生明显改变，导致产 一 u 抽如 2 金属带式c v t 的结构及力学分析 生轴向推力的液压力出现突变，随之油压因此突然增大。理论计算是以主动轮的最大输入 转矩已知为前提，根据计算公式得到的，而试验中，由显示仪表得到的油压值是在试验系 统模拟的工作过程中得到的，发动机的转速是变化的，并且在传动比为1 0 0 左右时转速 最大，因此此时油压存在一个波动，所以带轮的轴向推力也出现了一个突变。但是总的说 来，试验值与理论值的规律和大小是基本吻合的，进一步说明了传动比与主、从动轮轴向 推力比的关系。 2 4 金属带式c v t 动力传动系统的简化动力学模型 2 4 1 整车动力传动系统模型的建立 现代汽车采用电控节气门，可以实现无级变速系统和发动机单独控制