（机械制造及其自动化专业论文）汽车无级变速复合材料v带的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着人民生活水平的日益提高和能源供给的相对紧张，人们越来越要求汽车 乘坐舒适、节能省油、操纵简单，这样汽车变速箱和发动机就得更好的柔性配合， 使发动机始终工作在最佳经济区域；但传统的齿轮变速箱只有几个固定速比，无 法满足内燃机转速与车速之间的适时匹配，这就要求变速箱有足够的档位，当汽 车档位无限多时即为无级变速。 目前机械无级变速器( c v t ) 中大约可分为摩擦式、液力传动式、电磁传动式 等几类，其中己实现装车量产的是摩擦式中的带式无级变速器。 带式无级变速器上世纪六十年代量产以来，其关键部件传动带v 带由双 橡胶v 带过渡到v d t 金属带，历经近二十年，虽然使用性能不断得到提高，但仍 没有完全体现出无级变速在理论上的诸多优越性；经过全球技术工作者不懈的努 力，到了2 0 0 2 年，汽车无级变速器带有了很大突破，一汽中国大众推出一款新型 带式无级变速车：奥迪a 6 ，改用的是多片链带，使奥迪a 6 成为了第一辆无论在 动力性和燃油经济性都优于手动档的无级变速车口9 1 ，带式无级变速器迎来了新的 发展高潮。 目前已经装车使用的两种传动带无论是v d t 金属带，还是大众的多片链带都 存在着诸多问题：零件多，制造工艺复杂，成本高，导致装有无级变速器的车辆 比手动档要贵，不利于更好的开发市场。于是有必要研究出一种新型v 带，要求 成本低廉、工艺简单、性能相当实用。 针对此，申请了重庆市科委攻关项目“汽车无级变速器新型复合材料v 带” ( 合同号6 6 3 4 ) ，目的是提出一或几种种新型复合v 带，较v d t 金属带或大众的 多片链带取材于廉价的材料、工艺简单、性能相当，以促进带式无级变速器的更 快发展，加强本市汽车产业的竞争力。由于钢丝绳的柔性好，且为标准件，价格 比环形带便宜，采用钢丝绳代替环形轧制环型钢带；金属片上铣有t 型槽防止钢 丝绳与金属片脱落，结构简单紧凑，命名为多片金属v 带，并结合v 带的结构特 点，分析其在传动过程中金属快和钢丝绳组的运动学、力学关系，从宏观上分析 了其传动机理，然后通过分析动力传递过程中金属快、钢丝绳和带轮的受力，推 导求解金属快、钢丝绳的各种受力的数学解析式，并根据得到的数学解析式，推 导出了v 带的功率容量和制约其传动能力的因素，并用有限元分析软件进行了分 析，为优化设计和试验做好了准备，然后进行了相应的性能试验与理论设计对比。 但在对这种v 带进行长期实验后，又发现了它的很多缺点，这些缺点有： ( 1 ) 一根v 带要2 0 0 3 0 0 块金属片，每块金属片有5 个工作面，一共就有 重庆大学硕士学位论文中文摘要 3 0 0 5 = 15 0 0 个工作面，为了保持这1 5 0 0 个工作面的精度，粗糙度，一致性，造成 加工量很大，成本很高。 ( 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，并结合柱绳式v 带的结构特点，分析其在传动过 程中钢柱和钢丝绳组的运动学、力学关系，从宏观上分析了其传动机理，然后通 过分析动力传递过程中钢柱、钢丝绳和带轮的受力，推导求解了钢柱、钢丝绳的 各种受力的数学解析式，并根据得到的数学解析式，推导出了柱绳式v 带的功率 容量和制约其传动能力的因素，然后用有限元分析软件进行了分析，为优化设计 和试验做好了准备，最后进行了相应的性能试验与理论设计对比。 实践证明柱绳式v 带是一个比较可行的。对无级变速器的低成本化和国产化 都有一定的实际意义。 关键词：复合，金属v 带，钢丝绳，有限元，建模，仿真，试验 i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es t a n d a r do f l i v i n go f o l l rp e o p l ea n dt h er e l a t i v el a c k o f t h ee n e r g y s u p p l y , m a n k i n d c o m et oa s kf o ra u t oe a s yt oc o n t r o l ，c o m f o r t a b l et ot a k e ， a n dh a v eg o o de c o n o m i c a lp r o p e r t y , s ot h eg e a rb o xs h o u l dc o o p e r a t ew i t ht h ee n g i n e w e l l ，l e a dt h ee n g i n et oa l w a y sw o r k i nt h em o s to p t i m i z e d a r e a ；b u tt h et r a d i t i o n a lg e a r b o x o n l y h a v es o m ef i xr a t i o ， c a n n o ts a r i s f yt h et i m i n gc o o p e r a t eb e t w e e nt h er o t a t es p e e do fe n g i n ea n ds p e e d o ft h ea u t o ，w h i c hr e q u i r eg e a r - b o xh a v ee n o u g hs t e p ，w h e nt h en u m b e ro ft h es t e pi s i n f i n i t yn a m e d c o n t i n u o u sv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ( c v t ) t h ec o n t i n u o u sv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ( c v t ) c a r lb ec l a s s i f e df r i c f i o n ，f l u i d t r a n s m i s s i o n ，a n de l e c t r o m a g n e t i ct r a p s m i s s i o n a n ds oo n ，w h i c hi m p l e m e n t a t i o nt h e a s s e m b l ei st h em e t a lv b e l tc v t t h ek e yc o m p o n e n tv b e l tc h a n g ef r o mr u b b e rv b e l tt ov d tm e t a lv b e l ta f t e r t h ev b e l tc v t i m p l e m e n t a t i o n t h ea s s e m b l eo nt h ea u t o sf r o m1 9 6 0l a s tc e n t u r y , a l o n g t h et w e n t yy e a r s ，t h o u g ht h ep e r f o r m a n c ec o m et eb es t r e n g t h e n e d ，c a n n o ts h o wt h e m o s to ft h em e r i to ft h ep e r f o r m a n c eo fc o n t i n u o u sv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ( c v t ) i n p r i n c i p l e ；w i t h t h ec o n t i n u o u sh a r dw o r ko fs c i e n t i s ta l lo v e r tt h ew o r l d ，g r e a tb r e a kh a v e t a k e n p l a c e i nv o l k s w a g e nc h i n aw h od e v e l o pan e wv - b e l tc o n t i n u o u sv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ( c v t ) m u l t i t r o r d cc v t ，w h i c ha s s e m b l et h en e wm e t a l p a t h c h a i n v - b e l t ；t h e a u t ow h i c ha s s e m b l es u c hk i n do ft r a n s m i s s i o ni sb e t t e rt h a nt h e m a i l - t r a n s m i s s i o nn om a t t e ri nt h ed r i v ep e r f o r m a n c et h a nt h ee c o n o m i c p e r f o r m a n c e ， w h e t h e rv d tm e t a lv - b e l to rt h e p a t h c h a i nv b e l tw h i c h a s s e m b l e do nt h ea u t o s h a v em a n yp r o b l e m s ：t o om a n yc o m p o n e n t s ，h a r dt o m a n u f a c t u r e , h i g hc o s t ，a l l o f a b o v el e a dt h ec v tc o s tm o r et h a nm a n t r a n s m i s s i o n s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pa n e wv b e l tw h i c hh a v el o wc o s t ，e a s yt om a n u f a c t u r ea n dg o o dp e r f o r m a n c e s ow e a p p l i c a t i o n t h e i t e m s t u d yo nn e wc o m p o s i t em a t e r i a lv - b e l tf o rc o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o n e q u i p p e d o na u t o s f r o m c h o n g q i n gt e c h n o l o g i c a l c o m m i t t e ef n 0 6 6 3 4 ) ，i no r d e rt og i v eo n eo rm o r en e wc o m p o s i t ev - b e l tm a d ef r o m c h e a p e rm a t e r i a l ，w i t he a s yt e c h n o l o g yi no r d e rt oi m p r o v et h ed e v e l o po ft h em e t a l v b e l tc v t f o rt h es t e e lw i r eh a v eg o o df l e x i l i t yw h i c hi ss t a n d a r dc o m p o n e n tc h e a p e rt h a n m e t a lr i n g ，s ow eu s et h es t e e lc a b l et a k et h ep l a c eo f t h em e t a lr i n gn a m e d p a t c hm e t a l 1 i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 v b e l t ；b ya n a l y z i n gt h ew o r k i n gf o r c e so nb l o c k s m e t a lw i r ea n da x i a lf o r c e so i l p u l l e y so f t h em e t a lp u s h i n gv - b e l td u r i n g t o r q u et r a n s m i t t i n g ，f o r m u l a sf o rc a l c u l a t i n g t h ew o r k i n gf o r c e sa n dt h ea x i a lf o r c e so n p u l l e y sa y ed e d u c e dc o n s i d e r i n gt h es t r u c t u r e f e a t u r eo ft h ev - b e l t ，a n df r o mt h er e s u l ta b o v ef i n dt h ef a c t u r ec o n f i n et h e p o w e r c a p a c i t y , a n dt h e na n a y z e d t h ec o m p o n e n tw i t h e f a ，p r e p a r i n gf o rt h eo p t i m i z e d d e s i g na n de x p e r i m e n t a f t e r l o n ge x p e r i m e n t ，w e f i n dm a n y s h o r t c o m i n g o ft h i sk i n g o f v - b e l t ，s u c h a s ： ( 1 ) o n e v - b e l ti sc o m p o s e2 0 0 3 0 0m e t a lb l o c k s ，e a c hm e t a lb l o c kh a v ef i v ew o r k f a c e ， t o tm o r et h a n1 5 0 0 ，h a r dt or e t a i n p r e c i s i o n ，d e g r e eo f r o u g h n e s s ( 2 ) b i gw e i 曲lu s e t o om u c hs t e e l i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m sw es h o u l df i n dan e ww a y w eg i v eii l e w s t r u c t u r en a m e dp i l l a r - w i r ev - b e l t b ya n a l y z i n gt h ew o r k i n gf o r c e so np i l l a r , m e t a l w i r ea n da x i a lf o r c e s0 1 1p u l l e y so f t h e p u l l i n gf o r c eo f v - b e l td u r i n gt o r q u et r a n s m i t t i n g ， f o r m u l a zf o rc a l c u l a t i n gt h ew o r k i n gf o r c e sa n dt h ea x i a lf o r c e so n p u i e y sa r ed e d u c e d c o n s i d e r i n g t h es t r u c t u r ef e a t u r eo f t h e v - b e l t , a n df r o mt h er e s u l ta b o v ef i n dt h ef a c t u r e c o n f i n et h ep o w e r c a p a c r ) ；a n dt h e na n a l y z e dt h ec o m p o a e a tw i t he f a ，p r e p a r i n g 向r t h eo p t i m i z e dd e s i g na n de x p e r i m e n t w ef i n dp i l l a r - w i r ev - b e l ti sak i n do f f e a s i b l e m e t h o d ，h a v eh i 曲m e a n i n go nh o m e m a d ec v t k e y w o r d s ：c o m p o s i t e ，m e t a lv - b d t , c v t , r e c t a w i r e , f e m ，m o d e l ，e x p e r i m e n t 重庆人学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 课题意义及来源 随着人民生活水平的日益提高和能源供给的相对紧张，人们越来越要求汽车 乘坐舒适、节能省油、操纵简单，这样汽车变速箱和发动机就得更好的柔性配合， 使发动机始终工作在最佳经济区域；但传统的齿轮变速箱只有几个固定速比，无 法满足内燃机转速与车速之间的适时最佳匹配，这就要求变速箱有足够的档位， 当汽车档位无限多时即为无级变速【4 ”。 目前机械无级变速器( c v t ) q ，大约可分为摩擦式、液力传动式、电磁传动式等 几类【2 ”，其中已实现装车量产的是摩擦式中的带式无级变速器【4 ”。 带式无级变速器上世纪六十年代量产以来，其关键部件之一传动v 带逐渐由 双橡胶v 带过渡到v d t 金属带，历经近二十年；虽然使用性能不断得到提高，但 仍没有完全体现出无级变速在理论上的诸多优越；到了2 0 0 2 年，经过全球技术工 作者不懈的努力，中国一汽大众推出一款新型带式无级变速车：奥迪a 6 ，其传动 v 带改用的是多片链式v 带，使奥迪a 6 成为了第一辆无论在动力性还是燃油经济 性都优于手动档的无级变速车【39 】，带式无级变速器迎来了新的发展高潮f 1 3 】。 目前已经装车使用的两种传动v 带无论是v d t 金属v 带，还是大众的多片 链式v 带都存在着诸多问题：零件多，制造工艺复杂，成本高【5 1 ，导致装有无级 变速器的车辆比手动档要贵 1 7 】，不利于更好的开发市场。于是有必要研究出一种 新型v 带，要求成本低廉、工艺简单、性能相当、实用。 针对此，申请了重庆市科委攻关项目“汽车无级变速器新型复合v 带的研制与 开发”( 合同号6 6 3 4 ) ，目的是提出一种甚至多种新型金属复合v 带，较v d t 金属 带或大众的多片链式v 带取材于廉价的材料、工艺简单、性能相当，以促进带式 无级变速器的更快发展，加强本市汽车产业的竞争力。 1 2 传动带的分类及发展现状1 卜 3 】 1 2 1 平带 平带是各种传动带发展最早的一种。平带一般分为普通平带、编织带、尼龙 基复合平带和高速环形平带四种。平带以棉、麻、尼龙等织物为承载层，外面覆 以胶帆布来保护基体材料并承担一部分载荷。具有结构简单，可长距离传输动力 等特点，在各种机械中得到广泛应用。 伴随着高新技术的崛起，出现了一种以化纤帆布和帘布为芯体的无接头和热 接头环型平带，它以强度大、噪音低、传动平稳、无需接头和寿命长为特点，使 重庆大学硕士学位论文1 绪论 用领域不断扩大，并在微型传动带中形成主流。 1 2 _ 2 v 带 1 9 1 7 年，j g a t e s 发明了第一根由绳芯和包布纤维增强的橡胶v 带，发展到现 在v 带大致可分为两大类：传统v 带和新型v 带。 传统v 带主要可分为普通v 带、窄v 带、宽v 带、联组v 带、齿形v 带、 大楔角v 带等。它们的主要基体材料是橡胶，在内添加棉绳芯、帘布芯或尼龙片 基作为抗拉、抗压的增强手段。具有制造成本低、工艺简单、传动平稳、相同的 预紧力下产生的摩擦力大、传动比大、结构较紧凑等优点，得到了广泛应用。 为了提高v 带寿命、曲揉度和横向刚度，改善v 带增强体的受力状况，我国 在八十年代提出了结构线绳化、骨架材聚酯化和底胶短纤维化【6 1 的口号，使v 带 性能得到了长足进步。随着近几年新材料、新工艺和对传动带性能新要求的出现， v 带胶料也由氯丁胶走向氢化丁晴胶，骨架线绳由聚酯走向纺轮【4 j 这些工艺都使传 动带的曲揉度、横向刚度和承载能力有了很大的改进。 但随着新兴技术的出现，传统橡胶v 带在某些领域已不能胜任新技术的要求， 这迫切要求我们发展一种新型v 带，作为传统橡胶v 带的升级产品来适应新技术、 新产品、新工艺的要求。无级变速器上的金属v 带就是一个很明显的例子。 无级变速器是汽车理想的传动调速方式，可显著地提高汽车的动力性和燃油 经济性。为了更好的提高汽车的动力性和燃油经济性，1 9 5 8 年，荷兰的d rh v d o n n e 设计了一种双橡胶v 带无级变速器，即a m m a t i c s 无级自动变速器，并装 于d a f 公司的小型轿车上；此后约有1 2 0 万辆轿车装备了a r o m a t i c s 无级自动变 速器，取得了良好的经济效益。后来由于橡胶v 带无级变速器的功率容量有限、 效率低，d rhvd o n n e 又研究出v d t 金属v 带无级变速器。该变速器关键部件 金属v 带结构如图1 所示，由数百块金属块以及这些金属块双肩夹着的两组十余 层的薄钢环组成。金属块厚度为1 4 m m 2 2 m m ，在两侧工作带轮压挤力作用下传 递动力。每组金属环由十余层厚度为o 1 8 m m 的带环叠合而成，金属环的功用是提 供预紧力，在动力传递过程中，支撑和引导金属块的运动，有时也承担部分转矩 的传递弛h 2 ”。由于独特的结构，这种v 带与传统橡胶v 带传动机理有很大不同眠 在使用中v d t 金属v 带无级变速器在传动比范围、传动带寿命、工作可靠性、 传动效率及运转噪音方面性能卓越 5 1 。截至2 0 0 1 年，金属v 带已累计生产四百万 套，计划2 0 0 4 年年产三百万套 。可见，世界对金属v 带的需求量巨大，且需求 里逐年上升趋势。但这种金属带结构复杂、制造工艺要求极高、导致成本增高， 受离心力影响大，不利于推广i l2 1 。考虑到这些问题，日本又开发出了一种新型h 型带“刈( 如图1 2 所示) ，也是由数百块金属块组成，金属块形状略有变化，材料 变钢为铝合金，提供预紧力的拉伸相也由两组十层钢环变为两条复合材料带，这 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 样与v d t 金属v 带相比减轻了重量、降低了成本，但传动功率略有下降”。另外 国内也有人相应提出了新专利。 图1 1 金属v 带结构 f i 9 1 1 s u c n l i o f t h em e t a lv - b e l t 。留 图1 2h 型带结构图 f i 9 1 2 s t r u c t u r eo f h - b e l t 1 2 3 特殊带 主要包括圆型带、双面v 带和多楔带。其中圆型带( 如图1 3 ) 是断面为圆形的 传动带。分为圆绳带、圆尼龙带和圆皮带等，一般直径为2 m m 1 2 m m 之间，装 卸容易、结构简单。 双面v 带( 如图1 4 ) 的截面为六角形，四个侧面均为工作面，承载层为绳芯， 分布在传动带的中间。它可以正反两面工作，由于带体较厚，曲揉性差、寿命短、 效率低，一般多用于多从动轮传动。 多楔带( 截面如图1 5 所示) 是五十年代国外研制成功的一种新型传动带，它足 三角带和平带相结合的产物，工作面是楔的侧面。合理的结构使它具有平带和三 重庆人学硕十学位论文 1 绪论 角带的优点，并能克服这两种带的缺点是一种很有发展前途的新型传动带。 图1 3 圆带 f i 9 1 3 c i r c l eb e l t 图1 4 双面v 带 f i 9 1 4 d o u b l ev - b i t 图1 5 多楔带 f i 9 1 5w e d g e sb e l t 1 2 4 啮合带 啮合带亦称齿形带或同步带，主要分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带两种( 如 图1 6 】。同步带兼有齿轮传动、链传动和带传动的共同特点，具有重量轻、噪音低、 无需润滑的特点而广泛应用于自动化机械中。目前所知的同步带的主要失效形式 为带齿根裂纹和带齿面磨损。为提高同步带的寿命、承载能力、降低噪音和提高 运动精度，近来有人对圆弧齿同步带的齿形进行了改进，应用效果明显。1 2 1 碴啥 a 1b 1 幽1 6 同步带 f i 9 1 6i n - p h a s eb e l t 1 2 5 多片链式v 带 为了更好的发挥带式无级变速器的优势，增强传动带的稳定性和功率容量， 一汽奥迪公司开发出了一种类似于摩托车连带的多片链式v 带由钢柱和多个薄钢 片组成，最大传递扭矩可达3 0 0 n m ，功率为1 0 0 k w 。2 0 0 2 初，装车于奥迪a 6 4 重庆人学硕+ 学位论文1 绪论 取得了成功，使奥迪a 6 成为第一个无论在经济性还是动力性方面都超过手动变速 器的带式无级变速汽车，成本仅仅略为提高。 图1 7 多片链式v 带式无级变速器 f i 9 1 7e x c e s s i v e p a t c hc h m u v - b e l t c v t 1 3 无级变速传动的分类【2 8 】 无级自动变速传动具有常规变速传动无法比拟的优点，它可以显著提高汽车 的经济性，改善汽车的动力性，降低发动机排放污染，减少汽车行驶冲击，使汽 车行驶平顺，它可以简化驾驶操作，减轻驾驶疲劳，提高行驶安全性。在计算机 技术高速发展的今天，结合电予控制技术，将发动机和无级变速器结合在一起实 现汽车动力传动系的综合控制可以使无级变速器的优越性更为显著。 无级变速传递系统按其结构形式可分为电力式、液力式和机械式三种。由于 电力式无级变速传动自重大、成本高、能耗大、故常用在重型矿用车上。液力式 无级变速传动有静压传动和动液传动两种。静压传动效率低、结构复杂、造价高， 所以一直未在汽车上应用。而动液传动( 液力变矩器) 所能传递的转矩变化范围 较小，效率又低所以它常要与有级机械变速传动组合，构成能自动换挡的液力机 械自动变速器。目前，它在车辆中获得较多的应用。但是，它的结构复杂、造价 高、传动效率低等缺点仍然困扰着汽车界。 机械式无级变速传动具有结构简单紧凑、操纵方便、造价低等优点，目前在 汽车上获得应用的机械式无级变速传动分两大类：靠刚性转动体接触的摩擦力传 递动力的“牵引传动式”( t r a c t i o nd r i v e ) ；靠挠性的带或链与带轮的摩擦力传递动力 的“带传动式”( b d td r i v e ) 。牵引传动式的无级变速传动的形式多样，其中以曲面型 ( t o r p i d l y ) ：蓑优i 4 0 】。这种形式的c v t 具有良好的动态性能，并具有能从正转运动状 态连续过渡反转运动状态的特性，因此它不需要前进离合器和正反转的切换机构。 但是，在这种形式的c v t 的接触刚体之间需要较大的接触压力，转动体工作面的 精度和刚性要求商，并需要专用润滑油，同时，其耐久性和可靠性的问题还没有 重庆人学硕士学位论文1 绪论 彻底解决，因此目前还没有批量生产。在带传动式的无级变速传动中，由于结构 因素使金属带式无级变速传动在传动比范围、传动带寿命、工作可靠性、传动效 率及运转噪音等方面均优于金属链式无级变速传动。研究表明1 4 “，在机械式无级 变速传动中，金属带式无级变速传动无论在转矩传递能力还是在传递效率方面均 优于其它类型的机械式无级变速传动，因此，金属带式无级变速是国内外汽车传 动研究和推广的重点【】“。 1 3 1 带式无级变速传动与v d t 公司 汽车无级自动变速传动首先获得成功地应用是v 型橡胶带式无级自动变速传 动。它最早出现在1 8 8 6 年由德国d a i m l e r - b e n z 公司生产的汽油机汽车上【4 】1 2 ”。而 后，荷兰达夫( d a f ) 公司h v a nd o n n e 博士于1 9 5 8 年研制成功双v 型橡胶带式无 级自动变速器，即 a r o m a t i c s ”无级自动变速器。并装备于d a f 公司的小型轿车上。 后经改进，于1 9 7 5 年起装各于v o l v o3 4 0 系列轿车上。据统计，此后约有1 2 0 万 辆轿车装备了a r o m a t i c s 无级自动变速器 16 】。由于橡胶带式无级自动变速传动传递 功率容量有限，效率低阱】。因此，h v a nd o o m e 博士自六十年代开始研究能传递 功率容量大，效率高，结构紧凑的无级自动变速传动，并研究成功了金属带式无 级自动变速器。初期称这种新型的金属带式无级自动变速器为“t r a n s m a t i c ”变速器。 1 9 7 2 年，h v a nd o n n e 博士成立独立公司，即v a nd i o n n e st r a n s m i s s i o n sb v 公 司，简称v d t 公司。以后称这种金属带式无级自动变速器为v d t c v t 。v d t c v t 商品化直到1 9 8 7 年左右才实现。当时有三个较大的汽车厂接受了v d t c v t 技术 1 4 7 。 1 9 8 7 年，日本s u b a r u 汽车厂首先将电子控制的v d t - c v t 装备于j u s t y 汽车( 排 量为1 1 2 升) 上。继s u b a r u 后，欧洲的f o r d 和f i a t 也将v d t - c v t 装备于排量 为1 1 1 6 升轿车上，并投放市场。现在，世界上己有三个v d t - c v t 专业生产厂。 到1 9 9 6 年，装备v d t - c v t 的轿车己达1 2 0 多万辆，轿车发动机排量多在0 6 3 3 升，甚至成功地应用于f 一1 赛车上【3 5 。 九十年代，在总结八十年代产品开发和使用经验的基础上，v d t 公司研制成 功了传递转矩容量大，性能更佳的第二代v d t - c v t 传动器。试验结果表明，具有 v d t c v t 的汽车的性能优于装备液力机械自动变速器的同类汽车。为进一步加速 发展扩大市场，1 9 9 5 年5 月v d t 公司归属于德国r o b e r t b o s c h 公司。 1 3 2 带式无级变速器的工作原理 c v t 的主要结构和工作原理如图1 7 所示，该系统主要包括主动轮组、从动 轮组、传动带和液压泵等基本部件。主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组 成，与油缸靠近的一侧带轮可以在轴上滑动，另一侧则固定。可动盘与固定盘都 是楔形面结构，它们的楔形面形成v 型槽来与v 型传动带啮合。发动机输出轴输 6 重庆大学硕+ 学位论文i 绪论 出的动力首先传递到c v t 的主动轮，然后通过v 型传动带传递到从动轮，最后经 减速器、差速器传递给车轮来驱动汽车。当主动带轮轴向夹紧力增加，主动轮可 动部分向主动轮固定部分靠近，主动带轮间距减小，因带轮的v 型楔面作用，传 动带沿带轮径向向外滑移，作用半径增大。在变速过程中，由于传动带长度一定， 从动轮可动部分受传动带力的作用，背离从动轮固定部分向外移动，从动锥轮间 距将增大，从动轮的作用半径因此减小，从而使无级变速传动比减小。当主动带 轮轴向夹紧力减小，则有相反的作用过程，导致无级变速传动比增加。传动带无 级变速传动正是通过调整作用在主、从动轮的轴向夹紧力，从而改变了传动带在 主、从动轮上的作用半径，进而实现无级调速的。 1 发动机飞轮；2 离合器；3 主动轮液压控制缸；4 主动轮可动部分；5 油泵；6 从动 轮液压控制缸：7 从动轮可动部分；8 中间减速器；9 主减速器与差速器；1 0 ，传动带。 图1 7带式无级变速器基本结构 f i g1 7 t r a n s m i s s i o ns l r u c t u r ea n dw o r k p r i n c i p l eo f m e l t - c v t l 。3 3 橡胶带式无级变速器 鉴于c v t 的种种优点，德国奔驰公司早在18 8 6 年就将v 型橡胶带式c v t 安 装在该公司生产的汽油机汽车上。1 9 5 8 年，荷兰的d a f 公司h v a n d o n n e 博士 研制成功了名为a r o m a t i c s 的双v 型橡胶带式c v t 如图1 8 所示，并装备于d a f 公司制造的d a f f o d i l 轿车上，其销量超过了1 2 0 万辆 2 1 。但是由于橡胶带式c v t 存在一系列的缺陷：功率有限( 转矩局限于1 3 5 n m 以下) ，离合器工作不稳定，液 压泵、传动带和夹紧机构的能量损失较大，橡胶带寿命短因而没有被汽车行业普 遍接受。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 8 橡胶带式无级变速器 f i g1 8 r u b b e r b e l tc v t 1 3 4 金属带式无级变速器 然而提高传动带性能和c v t 传递功率极限的研究一直在进行，荷兰的d a f 公司h v a nd o n n e 博士研制成功了将液力变矩器集成到c v t 系统中，主、从动轮 图1 9 金属带结构 f i 9 1 9 s t r u c t u r eo f m e t a lv - b e l t 的夹紧力实现电子单元( e c u ) 控制，在c v t 中采用节能泵，传动带用金属带代替 传统的橡胶带。新的技术进步克服了c v t 系统原有的技术缺陷，导致了传递转矩 容量更大、性能更优良的第二代c v t 的面世。装车后，其动力性略优于齿轮变速 箱，加速平稳，燃油经济性大致相当1 4 1 。截止2 0 0 1 年，与v d t 金属v 带式无级 变速器匹配的金属v 带，已累计生产四百万套，计划2 0 0 4 年年产三百万套，并近 期在日本投资建立第三家生产金属v 带的企业。可见，世界对无级变速器的需求 重庆大学硕士学位论文 量巨大，且需求呈逐年上升趋势。 1 3 5 多片链带式无级变速器 金属带式无级变速器在汽车应用中取得了良好的效果，但是其结构复杂，工 艺要求极高，不利于制造和制定控制策略 1 0 1 。2 0 0 1 年6 月，中国一汽大众推出了 m u l f i t r o n i cc v t ( 如图1 7 ) ，采用一种新型全钢多片链式v 带，采用湿式多片式离 合器代替液力变矩器，能传动更大的力矩( 3 1 5 n m ) ，更高的速比范围( 1 ：2 5 4 ) 口州， 更好的灵活性。变速器中新装有扭矩传感器和双活塞液压提高了变速器的工作效 率，改善了行驶性能。安装有m u l t i t r o n i cc v t 的奥迪车，具有极其出色的行驶性 能和燃油经济性能，其0 1 0 0 k m h 的加速时间为8 o s ，甚至比装有5 档手动变 速器的车快o 1s ，按照欧洲燃油标准，比5 档手动变速器的同系列车行驶每公里少 0 2 l 。因此，奥迪公司宣布这是第一台无论加速性能还是燃油经济性都优于手动档 变速器的无级变速器，达到了质的飞跃【”。 1 4 v d t 金属带 为了提高v 带的传递功率，人们发明了金属v 带，在v 带轮廓尺寸相同时， 金属v 带较橡胶v 带的传动功率可成十倍的数量级增长，说明金属v 带具有很大 的优势。早在上世纪六十年代，荷兰的h 。v a n d o n n e 博士就已经开发出了金属v 带，时至今天已经几十年了，金属v 带在传动带领域中仍没有引起太大的反响， 使用效果也没有理论上那么优异，究其原因是由于金属v 带独特的结构特征使其 在理论研究、制造工艺和实用性上存在着诸多困难。为此，本文对金属v 带近年 来的结构发展进行了总结。 1 4 1 金属带结构的发展【1 2 1 1 a ) 第一代金属带 由于橡胶v 带的种种优点，工程师们希望把它应用在某些大功率传动上，但 后来发现，橡胶v 带承受不了轴向压紧力而导致寿命和效率以及传动功率的低下 口 ，于是就采用刚度和强度更高的金属代替橡胶作为基体材料构成金属v 带，为 了保证金属v 带的柔性，将金属制成很薄的块块，再在上面留有通槽，安放层层 叠合的数层金属薄环3 ，使金属块1 密排成圆；金属环3 的上方插有销子2 ，固定 金属块与金属环的几何位置，使各个部件组成完整紧密的型带，金属块下有倾角， 来减少带在带轮上转动时，金属块摆棱线4 ( 节圆线) 以上的间隙，避免对金属环 造成不必要的应力( 如图t “所示) 。这就是第一代会属v 带( 如图1 1 2 所示) 。 该型金属带由于基体材料为金属，可承受的轴向压紧力成倍提高，进而提高 了传动带的传动效率和可传递转矩容量，与橡胶v 带轮廓相同时，其可传递的功 率是橡胶v 带的数十倍，传递转矩不变前提下，大大降低了传动机构的尺寸，顺 里壅叁堂堡主堂壁笙茎一上量鱼 应了机械工业对机构小型化、紧凑化的要求。 图1 1 1 轮缘上金属块间夹角 f i 9 1 1 1 t h e c o m e r b e t w e e n t h e m e t a l b l o c ko h t h e r i m l23 4 图1 1 2 第一代金属带 f i 9 1 1 2 f i r s tg e n e r a t i o nm e t a lb e l t b 1 第二代金属带 金属v 带的出现，改变了人们对传动带的传统观念，使传动机构的小型化、 紧凑化成为可能。但在使用中发现金属v 带的寿命没有预想的那样长，可传递的 功率也不够大且有噪声。 研究中发现，在带轮上转动时金属块节圆线以上的部分之间有间隙( 如图1 ) ， 由于作用在各个金属块的压力不均，在与带轮节圆半径变化时金属块之间产生径 向错动，金属环与金属块之间又有相对滑动，且频繁相互碰撞，导致与金属块接 触的外层金属环寿命大大降低【5 】，金属环滑动不平顺，产生了噪音，影响了传动带 的动力性和效率 2 1 。金属环又极薄，承受的拉力有限。金属环成为金属v 带功率 容量和寿命的制约因素。 针对此，第二代金属带结构发生较大变化( 如图1 1 3 ) ，金属块l 变为h 型； 金属环3 也由一组变为两组、每组 4 层的央在金属块两边双肩的狭缝中，降低每 层金属环所受的拉力，提高金属带的功率容量；金属块头部前面增加了一个凸起， 后面有一凹坑，称为导向器2 ，当金属块1 紧密地叠合在一起制成型带时，它们刚 好配合，来限制金属带运行时金属块的径向错动【2 l 】；金属块节圆线4 以下仍有倾 角。由于金属带转矩的传递主要是靠金属块间的推挤力【1 9 】 2 0 1 ，金属带传递的效率 1 0 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 与厚度成反比【1 8 ，另外也为保证金属带传递平顺，金属块的厚度由6 m m 降为 2 2 5 m m 。这样金属带的传动效率得到了提高，噪音也得到了很大的缓解，可传递 转矩也由数十n 1 1 1 ，发展到数百n i n 。 1 3 2 4 图1 1 3 第二代金属带 f i 9 1 1 3 s e n c o n dg e n e r a t i o nm y r a lb e k 采用了第二代金属带前期产品后，金属v 带的传动效率得至4 了很大提高，噪 音也得到了很好的控制，但与其他传动方式相比较，效率仍然很低。 经过多年研究发现：由于金属v 带独特的结构使其转矩的传递与传统的传递 转矩的方式不同：不是靠紧边与松边的拉力差，而是靠金属环在带轮两边的拉力 差和金属块间的推挤力联合作用下传递的( 如图1 1 4 所示) ，有时金属环甚至要承 受一半的转矩。金属环在传动中还起到滑动导轨的作用。这样大多数工况下金属 环受到拉力和摩擦力的联合作用，金属环又极薄，很难承受大转矩，制约了金属v 带的可传递转矩容量。 图1 1 4 金属带的结构及力的作用放大示意图 f i 9 1 1 4 t h es t r u c t u r ea n dt h er o l eo f f o r c e n目 重鉴盔堂堡主堂垡丝奎 一! 塾堡 0 5 倒 型 霞 雁 00 51527j 3 速比 图1 1 5 金属环与金属块肩部相对速度曲线 f i 9 1 t 5 t 1 1 er e l a t i v e l yv e l o c i t yb e t w e e nt h em e t a lr i n g sa n dm e t a l b l o c ks h o u l d e r 很多专家研究后发现金属环间、金属环与金属块以及金属块与带轮间的相对 滑动造成了部分效率损失p 5 1 1 3 6 1 。对此，对第二代金属v 带进行了部分改良( 如图 1 1 5 ) ：金属块l 的形状大致不变，各部分的尺寸比例略有调整。头部宽度与节圆 线4 长度的比例变大，增大与金属环3 的作用面，金属环宽度也相应增加；考虑 降低金属带运行时产生的噪音【3 4 1 和金属环由于相对速度造成的剪应力口”，金属环 层数降低，由1 4 层降为9 层，金属环厚度不变：因此金属块的颈部缩短，以紧密 的和金属环组配合。节圆线以下与带轮接触的两个侧面增加了刻痕5 ，来破坏运行 时金属块与带轮间的油膜，提高传动带与带轮的摩擦系数和提高传动带的传动效 率川。 3 1 24 图1 1 6 第三代金属带 f i 9 1 1 6 t h i r dg e n e r a t i o nm e t a lb e l t