（机械制造及其自动化专业论文）金属带式无级变速传动结构参数优化设计研究.pdf

同济大学硕士学位论文金属带式无级变速系统结构参数优化设计研究 摘要 与有级变速相比，无级变速具有明显的优点，是车辆传动系统的发展方向。金属带式无 级变速传动( c v t ) 就是其中最有发展前景的一种。在国外，c v t 已在许多乍型上得到了 实际应用，而在国内还没有实际应j j 的例子。 本文首先总结与回顾了无极变速传动的历史与现状。详细分析了金属带式c v t 的几何 结构，建立了以速比和速比变化率为主要参数的运动学模型，可作为金属带式c v t 结构参 数设计计算的依据。研究了c v t 轴向偏移与c v t 传动参数的基本关系，推导出其数学表达 式，并提出了对直带轮、曲带轮消减偏移值的数种可行方案。 通过对国内外金属带式c v t 各种动力学模型的总结与分析，建立了既考虑金属推块与 带轮间径向摩擦力又包含切向摩擦力的动力学模型。对金属带式c v t 的传动机理作出详细 的说明，得出了金属带张力与金属推块挤推力计算的数学表达式。通过数值计算，讨论了不 同传动比情况下，金属带张力与金属挤推力的分布规律。 以建立的运动学、动力学模型为基础，建立了金属带、金属推块和带轮结构参数的优化 数学模型。采用序列二次规划( s q p ) 算法，编制了基于m a t l a b 软件的优化设计应用软 件。经算例计算，所开发的应用软件正确、可行，可以获得比现行方案更为优化的设计结果， 计算结果可以为c v t 改进设计提供依据，具有实用价值。 【关键词】金属带式c v t 金属推块数学模型优化设计 同济大学硕士学位论文 金属带式无级变速系统结构参数优化设计研究 a b s t r a c t c o m p a r ew i t ht h eg e a rr a d i ot r a n s m i s s i o n , t h ec 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 ) h a s e v i d e n t l ya d v a n t a g e t h em e t a lp u s h i n gv - b e l tw a si nt h ef o r e g r o u n do fi t m o r ea n dm o r e a u t o m o b i l e sh a sb e e na s s e m b l e dc v ti nt h ew o r l d ，b u tn o wt h e r eh a v en op r a c t i c a l i t i e si nc h i n a t h et h e s i sf i r s ts u m m a r i z e da n dr e v i e w e dt h eh i s t o r ya n da c t u a l i t yo fc v t s t h eg e o m e t r y m a c h i n e r yo f c v t sh a sb e e ns t u d i e di nd e t a i l b a s e do nt h ek e yp a r a m e t e r sa b o u ts p e e dr a t i oa n d s p e e dr a t i or a t e t h ek i n e m a t i c sm o d e lw a se s t a b l i s h e d t h er e l a t i o n sb e t w e e nm e t a l b e l t m i s a l i g n m e n ti na x i a ld i r e c t i o na n dt r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sw e r es t u d i e d b yd e s i g n i n gc u r v e d g e n e r a t i n gl i n ep u l l e yo ra d j u s t i n gt h ea x i a ld i s p l a c e m e n to ft h ep u l l e y ，a n dt h ed e g r e eo f m i s a l i g n m e n to f t h em e t a lb e l tw a sd e c r e a s e d 。 m e c h a n i c sm o d e lo ft h em e t a lr i n ga n dt h eb l o c ki n c l u d ef r i c t i o ni nr a d i a la n dt a n g e n tw a s e s t a b l i s h e d t h et h e s i sc l a r i f i e dt h em e c h a n i s mi nd y n a m i c so fc v t t h em a t h e m a t i ce x p r e s s i o n s a b o u tt h em e t a lr i n gf o r c ea n db l o c k - p u s h i n gf o r c ew a se d u c e d ，a n dd i s c u s s e dt h e i rd i s t r i b u t i n g r u l e s b a s e do nt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sm o d e l ，t h et h e s i ss e tu pt w oo p t i m i z e dm o d e li np u s h i n g v - b e l ta n dp u l l e y f o rm o d e ls i m p l i f i c a t i o n st h em o n o t o n i c i t yo ft h ed r i v eb e l tm o d e la n dt h e p u l l e ym o d e lw a su s e d c o m p i l ew i t hm a t l a b 6 5 ，t h ea p p l i c a t i o n sh a sb e e nd e v e l o p e d f r o m c a l c u l a t e dw i t hi t , t h i sm o d e ls h o w sam o r eo p t i m u md a t at h a nt h a ti ne x i s t e n c e i tc o u l db eu s e d i nc v td e s i g nt oi m p r o v et h ec o n f i g u r a t i o n , a n db ep r o v i d e dw i t hu t i l i t i e s k e yw o r d s ：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 ) ，m e t a lb l o c k , m a t h e m a t i cm o d e l ，o p t i m i z e d e s i g n 同济大学硕士学位论文金属带武无级变速传动结构参数优化设计研究 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，经整理后 撰写成硕士学位论文“金属带式无级变速传动结构参数优化研究”。论文中除已经注明引用 的内容外，对论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。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或朱公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 4 年1 1 月1 5 日 同济大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 1 课题的背景 第一章绪论 1 1 课题的背景、研究的目的及意义 目前汽车的首选动力依然是内燃机( i c e ) ，因为内燃机具有体积小、重量轻、制造成本 低等诸多优点。随着人们环境意识的不断提高，越来越多地关注到由内燃机燃烧所排放出来 的有害物质，世界各国对汽车废气排放制订了越来越严格的政策，使汽车生产厂商不得不投 入大量人力物力开发研制燃油替代动力。近些年不断有电动汽车和氢动力汽车等新型动力驱 动汽车问世，但由于技术上和经济上的原因，这些新动力短时间内不可能替代内燃机。因此 在未来相当长的时期内燃机仍将被广泛地使用【l j 。 汽车百余年的发展史中，变速器一直起着不可或缺的作用，一是因为汽车工作工况较复 杂，载荷及速度的变化范围较大，还有停车倒车的需求。二是因为内燃机的功率特性与汽车 发动机理想的功率特性存在较大差异( 如图1 1 所示，其中1 代表理想发动机，2 代表蒸汽 发动机，3 代表活塞式发动机，4 代表阻力功率线) ，通过变速器后，如图1 2 所示活塞式发 动机的功率特性得到改善。因此变速器是装备内燃机的汽车动力传动装置中必不可少的一个 重要部分，并在很大程度上决定了汽车的两大性能：动力性和经济性。同时对汽车的驾驶性 能、乘座舒适性、排放性能和通过性能也起着重要作用。 功率p功率 t 母l ；， 汐_ 图1 1 内燃机功率特性图1 2 装有三档变速器的内燃机功率特性 因此，汽车变速器技术的核心就是如何使汽车发动机的使用功率特性尽可能接近理想的 发动机功率特性，同时保证较高的传递效率和可靠性。自汽车问世以来，传统的人工操作有 同济大学硕士学位论文第一章绪论 级变速器的档位一直在增加，目前主流的手动变速器档位前进档已达4 5 个，档位再增加必 然带来结构复杂、重量体积增火以及操作不便等众多问题。在档位有限的情况下，转速发生 突变时常使发动机处于非稳态工况，这样汽车排出的有害物质多，污染严重。随着电子技术 和自动控制技术的迅速发展，自动变速器技术越来越完善，形式也越来越多，在一定程度上 缓解了上述矛盾，使其在汽车上的应用也越来越广泛，成为现代汽车与现代汽车j 业的重要 标志之一。 无级变速器c v t ( 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 ) 就是这种自动变速器在的一种， 与有级自动变速器不同的是，它避免了齿轮传动比不连续和零件数量过火的缺点，具有传动 比连续、传递动力平稳、操纵方便等显著优点，成为当前较为理想的汽车变速器。目前，全 世界主要汽车公司都将c v t 作为自己优先发展项目，也陆续推出了多种装备有c v t 变速器的 小汽车，截止2 0 0 0 年，全世界装备有c v t 变速器的汽车已达4 0 0 万辆之多。我国国家科技部 也将金属带式无级变速器的电子控制技术作为“九五”重点科技攻关项目，众多高等院校和 科研院所参与其中。 1 1 2 研究的目的及意义 本文主要是在对金属带式无级变速传动运动学和动力学研究成果的基础上，运用优化设 计方法，对金属带及其推块、带轮进行结构参数方面的研究，建立了它们的优化数学模型， 并运用m a t l a b 软件对其结构参数进行了优化计算，主要目的在于能够在金属带式无级变 速器的进行理论和实践研究时采用一种新的方法，提供一个新的研究手段。虽然对无级变速 传动系统的研究已有了很多年时间，但目前在国内，开展这方面研究的个人和团体几乎没有。 文中所使用优化方法及有关参数均来自相关国外资料，由于所收集的资料不一定完整，因此 只对金属带及其带轮的优化进行了一些研究分析，对整个系统建立相应的数学模型及优化计 算在待于以后进一步的研究，因此分析问题的角度和得出的结论未免会有局限性和片面性。 即便如此，如果能在无级变速传动结构参数优化设计方面迈出第一步，为整个系统的优化设 计打下良好的基础的话，这也将是本人最大的欣慰。 1 2 1o c t 的结构 1 2 c v t 的结构与工作原理 图1 3 为奥迪a 6 “m u l t i t r o n i c ”所使用的c 3 t 传动系统示意图【3 】 也是典型的c v t 系 统结构示意图。各个部分的功用主要是【4 】： 2 同济大学硬学位论文 第一章绪论 起动离台器 目前用作汽车起步的装置有湿式离台器、电磁离台器、液力变矩器三种。目的是使汽 车以足够大的牵 1 ) j x f 顺地起步，提高驾驶舒适性。必要时切断动力传递。 ( 2 ) 行晨齿轮机构 c v t 的行星齿轮机构采用的是行星齿轮机构，行星架上吲定有行星齿轮和支架，行星齿 轮机构可以实现减速的变向，另一方面为控制油泵提供动力。 _ _ _ _ 淤 。姻燃 l ，! 蟹f 1 ( 3 ) 无级变速机构 翻l3 典型c 竹结构示意图 匝 无级变速机构由金属传动带和主、从动带轮组成。金属传动由数百个金属推块与两组金 属带组成，每个金属推块的厚度约为i 蚰在两俯带轮挤压力作用下传递动力。每组金属 带由数片厚度为01 8 哪的金属带叠台而成，金属带的功用是提供预紧力，在动力传递过程中 支撑和引导金属推块的运动有时承担部分转矩的传递。主、从动带轮由可动和不可动锥盘 组成。 ( 4 ) 控制系统 控制系统是用来实现c t t 系绕传动比无级自动变化的。在c o t 系统中，采用机一擅控制 系g 臧电一液控制系统。它主要由油泵( 齿轮泵或滚子叶片泵) 、液压调节阀( 遮比和带与轮 问压紧力的调节) 、传感器( 油f 3 1 自发动机转速) 和主、从动带轮的液压缸及管道组成实现 嘲 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 传动无级变速的调节。速比控制、夹紧力控制和起步离合器的控制是无级变速控制系统的关 键。 ( 5 )中间减速机构 由于无级变速机构可提供的速比变化范围为2 6 o 4 4 5 左右，不能完全满足整车传动比 变化范围的要求，故设有中间减速机构。 1 2 2o t 的工作原理 ( 1 ) 前进时，前进离合器接合，倒档离合器松开。动力从输入轴传到行星架，经前进离合 器传递到太阳轮，通过太阳轮带动主动带轮，再由v 型金属传动带将动力传递到从动 工作带轮，带轮的可动部分和不可动部分形成的v 型槽与v 型金属带啮合。在工作 中，当主、从动工作带轮和可动部分在油缸内液压力作用下作轴向移动时，连续改变 了金属传动带的工作半径，从而改变了传动比。然后动力经中问减速器，主减速器与 差速器传递到车轮。 ( 2 ) 倒档时，前进离合器松开，倒档离合器接合。行星齿轮机构的齿圈被固定，内行星齿 轮与太阳轮啮合，外行星齿轮与行星齿圈进行内啮合，经这一双行星齿轮机构，传递 到太阳轮的力矩方向发生改变，后面的力矩传递路线与前进时相同。 1 - 2 3c v t 的特性 为了考查c v t 系统有汽车中应用的实际效果，日本s u b a r u 、德国大众z f 、美国c h r y s l e r 、 f o r d 等各国汽车公司都对其进行了对比试验。即同类汽车分别装备c v t 、有级机械变速器( 耵) 和液力机械自动变速器( a t ) ，在同等条件下进行性能比较。比较结果综合如t i 2 j ： 动力性能 由于o c t 能实现传动比的连续变化，可得到传动系与发动机工况的最好匹配，整车的动 力性能和燃油经济性相应得到提高。c v t 汽车加速性能( 0 1 0 0 公里4 , 时) 比a t 汽车加速 性能提高7 p 1 1 5 ，速度较高时，加速性能优于册汽车。z f 公司9 7 年测试c v t 汽车的经 济性比4 档a t 汽车至少提高1 0 ，与5 档l 盯汽车相当或略优【l l 。 传动效率 无级变速器的传动效率一直是人们关注的焦点问题之一，由于它并没有取消起动装置， 变速器的控制同样也会消耗相当大的一部分功率，因此与手动变速器相比并没有优势。 变速装置的传动效率将影响汽车的经济性和动力性，富士重工于1 9 8 8 年对装备c v t 的 s u b a r uj u s t y 汽车进行效率测定，结果为：b c v t9 0 ：5 档机械变速器9 3 ；3 档自动变速 4 同济大学硕士学位论文第一章绪论 器8 2 8 5 。据最近试验结果，c v t 传动效率已在9 2 - 9 6 之间，比机械变速器效率略低【l j o 燃料经济性 c v t 系统虽然具有最佳传动特性，但是由于它的传动效率还未能达到机械传动的水平， 致使c v t 汽车的燃料经济性和动力性朱能显著地超过多档机械变速器。但是它与手动变速方 案相比在保持较高效率的前提下运动惯性很小。与此同时，因为无级变速传动能使发动机不 受车速的限制而 ：作在最高效率区，与常规变速器相比其更具有燃油经济性。 在为儿年前美国环境保护协会城市与高速交通测试中，z f 公司指出1 1 】：“与传统4 档 自动变速器相比，使用无级变速器至少可以节省1 0 的燃油。”同时在o 一- 6 0 m p h 的起动测试 中，c v t 变速器要快一秒多时间。其潜在的燃油经济性还可以从最近本田公司所推出的c i v i c 系列家用车中看出，装备常规自动变速器的c i v i c 车。行走在城市或高速公路上每加仑燃油 可行驶在2 踮3 5 英里，同样的车辆装备c v t 后可达3 4 3 8 英里。 排放 无级自动变速器具有较宽的速比变化范围，可使发动机经常处于经济转速区域内运转， 从而降低了排气污染。z f 公司试验测定汽车装备c v t 系统后，其有害排放物比装备4 档自动 变速器的汽车将减少1 0 左右。 可靠性和寿命 c v t 的可靠性和寿命主要取决于金属带传动工作组件和控制系统，据1 9 9 8 年资料表明，在 6 0 万个使用的c v t 中，出现故障的只有1 4 7 个，故障率为0 0 2 5 。可见，该系统质量高、使用 可靠。而采用高强度优质材料、精密制造技术与无限寿命设计方法设计和制造的金属材料工 作组件可达到与发动机同寿命。 成本， 产品的成本依赖于产品的技术含量、材料、制造工艺及工艺装备等因素。由于c v t 关键 零部件需采用优质钢材，加工过程较为复杂，以液力变矩器不起动部件的c v t ，其成本价格 接近液力机械自动变速器；若采用其它类型的起动部件，其成本可低于液力机械自动变速器。 在1 9 9 8 年的美国汽车市场上，装备c v t 的h o n d ac i v i c 轿车比装备4 档a t 的轿车便宜2 0 0 多美元。生产c v t 成品的主要厂家v d t 公司，也正在通过不断地改进传动零件的结构及零部 件加工工艺过程等措施，来降低产品的成本，提高产品的竞争能力。 本文研究的对象主要是金属带式c v t ，虽然在原理上它具有上述一系列的优点，但受摩 擦传动的限制，它所传递的动力仍然较小：而且由于结构上的原因，还存在低速起动速度不 升反降的缺陷以及金属带偏移等不足。其应用依然具有局限性，目前还不足以取代手动和自 5 同济大学硕士学位论文第一章绪论 动变速器的主流地位。随着人们对经济、社会可持续发展认识的不断提高，各大汽车生产厂 商和科研院所都展开了混合动力和( 或) 混合传动汽车的研究，在所开发的方案中，装备有 c v t 的混合传动装置能很好地解决上述不足，充分发挥其优势，使c v t 技术的研究与应用开 发又进入了一个新的阶段。 1 3c v t 的类型 无级变速传动类型传动很多，主要可分为机械式、流体式和电动式三人类，如图1 4 所 示【5 j o 本课题所涉及为金属带式无级变速器，因此以机械式为主作简单介绍，在机械式无级 变速器中应用最广泛的是金属带式和牵引环式。 广胶带式 i 金尾带式 f 带传动式1 链带式 广1 蚓一- f 裂碱醮辙 无级变速器1l 禳珠式 b 瞄它 l 电动式。i t j - - 赋 1 3 1 带传动式( d e l td r i v e ) 图1 4 无级变速器的类型 用挠性的带或链与带轮的摩擦力传递动力。人们首先应用的是橡胶带式，它装用于d a f 公司的微型轿车及v o l v 0 3 4 0 系列轿车上，但因传递功率容量低，而被橡胶与金属带、金属 带及链带等形式所取代。其中又以v d t ( v a nd o o n r e st r a n s m i s s i o n ) 的金属带最为成功。除 这类湿式带外，最近由树脂和铝合金构成的干式带也问世。结构型式如图1 5 所示。 6 同济大学嘎学位论史第一章堵论 晦埝 腔带式 132 牵引转动式( t r a c t i o nd r i v e ) 金属带式 链* 式 圉15 带传动式 它是以刚性转动体接触的摩擦力传递动力形式多样，其中以t o r o i d a 最优，简称牵 引环式( 见图16 ) ，它具有良好的动态响应性能且能从正转过渡到反转因此它无需前进 离全嚣和正反转运动的切换机构。但其接触刚体间接触压力大，要特菲的粘性报高的润滑油， 利用油膜在金属表面之同形成高的牵日i 系数来传递动力。帮提高接触疲劳寿命和弯曲寿命， 以及开发出粘性高、牵引系数大的滑滑油是其能舌进入市场的关键问题。它的特点是可提高 传递扭矩的容量。 带霉 132 其它类型 卿环式 圈l6 牵引传动式 圆锥环式 其它类型还有凸轮式、圆锥式、曲柄式、行星齿轮式、摩擦盘式等t 其相应结构如图1 j 所示 器象窆 目济大学爰学位论文 第一章绪论 扩“鬻罗 尊，1 熊。 醢b b b 峪” 行齿轮式 圈l7 其它c v t 类型 摩擦盘式 1 4c v t 发展历史、应用进展及前景展望 i 4 lc v t 发展历史 无级变速传动( c v t ) 并不是什么新事物，法国 l e o n a r d od av i n c i1 4 9 0 年就勾画出 其设计草图。它在汽年上的应用差不多和汽车产生的时间一样长，与常规的传动方式相比 更是如此。早在1 8 7 7 年菱国 h u n t 精明出最早的t o r o i d m 牵引环式传动无级变速器井申请 了专利1 8 8 6 年德国d a i m l a rb e n z 公司生产的汽油机汽车上就采用了v 型橡胶带式无级自 动变速系统“。1 9 3 0 年人们研制出在普通发动机上单独只使用牵引环式传动的变速系绑”t 经过大量的试验后，出于成本的考虑最终才决定采用现在的有级变速方案。早期许多的c 盯 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 系统都只是简单地使用橡胶带和锥形带轮，都与1 9 5 8 年荷兰d a f 公司开发的类似。但d a f 公司的c v t 只能用在0 6 l 的发动机上，其过大的噪声和迟缓的起动刺伤了人们对c v t 系统的 热情【3 】。这些缺乏创新的失败，使汽车制造商们尤其是美国的制造商都避免使用c v t 系统。 c v t 取得里程碑式的成绩是在上世纪七十年代中期，v d t 公司与菲亚特公司合作研制出能传递 功率容量大、效率高、结构紧凑的名为t r a n s m i t i c 金属带式无级自动变速器，使无级变速器 的研究和应用取得突破性进展。 1 4 2c v t 研究应用进展及其展望 近年来，燃油发动机研发进展减缓，汽车生产商们投入火量资源开发氢电力汽车( h e v s ) 和燃料电池汽车，c v t 技术的研发也得到飞速发展，其至是美国的生产厂商在近几年也涉足 c v t 的研究并已显露出一些新的设计，2 0 0 2 年通用汽车就在一些车型上装备金属带式c v t 以 备用户自选。 在c v t 开发方面，日本和德国继续保持领先地位，日产推出的作为可选件的 “e x t r o i d c v t ，装备在其家用皇冠车c e d r i c 和g l o r i a 女用豪华轿车上，采用的牵引环式 结构的c v t 比带式c v t 成本更高，日产公司解释道更高的成本已溶入其豪华轿车的价格中。 e x t r o i d 车使用高粘度润滑油将动力在圆盘和滚动环间传递，优于金属金属接触，装备 的变矩器以提供“额外的变速范围”。更为重要的是，虽然e x t r o i d 变速器附加增压器才可 使日产3 0 升v 6 发动机产生2 8 5 l b - f t 的动力，但这依然是c v t 动力传递的最新纪录i l j 。 奥迪公司推出的新c v t 变速器具备了比传统自动变速器更低的油耗和比手动变速器更高 的起步加速性能。同时，奥迪还宣称装备c t 的轿车仅有少量的价格上升。这种被称为 “m u l t i t r o n i c ”的c v t 变速器采用了链销压板来取代v 形传动带，可以提供2 8 0 l b f t 的扭 矩，另外，奥迪称装自己有m u l t i t r o n i c 变速器的a 6 轿车起步加速从o l o o k m h 比齿轮方 式自动变速器快1 3 秒，比经过优化的五速手动变速器也快o 1 秒 引。如果成本能进一步降 低，这种类型的变速器将可用于世界上绝大多数的汽车上。 近年来许多小型车都已采用c v t ，还有一些在不久的将米也会采用。日产、本田以及富 士重工的s u b a r u 车最近均来用了荷兰的v a nd o o r n e 公司生产的金属带式c v t 变速器在其小 型车上。钤木和日本大发也在共同与一日本公司a i c h i 联合开发的c v t 技术，他们用铝金属 与其它塑性物质的组合带来加固“a r a m i d ”( 芳族原配腊) 纤维，其c v t 采用辅助传动装置 起动以避免低速打滑，变速达到6 m p hc v t 才正常运作。 1 9 9 7 年以前，c v t 技术研究的焦点集中在传动带的设计和动力传递上。现在，在v d t 公 司和其它一些公司生产的传动带充分有效的前提下，研究重点转移到c v t 控制和执行上来。 日产汽车在1 9 7 0 年起即在c v t 研究上处于领先地位，近来他们采用对金属带式c v t 的仿 9 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 真，通过其滑动机理研究和分析c v t 的滑动界限和负荷能力，用以动态地改进传动带技术， 这使得易于采用计算机模拟对c v t 进行建模和分析，形成更快的开发和设计。日产研制的带 式c v t 由于其负荷能力的限制而采用了变矩器，随后有数家公司也采用了这一方案，变矩器 的存在可实现低速运行，且低速时汽车可不产生加速，同时也增强了空载与爬坡处于极低速 时的操作灵活性。日产的e x t r o i d 变速器就是这样一种“平稳起动，无振动，低速稳定的” 变速器。 c 、r t 的控制近来备受研究者重视。要想使c v t 实现良好地运行离不开智能的控制算法， 优化的c v t 性能需要集成控制，例如日产公司开发的旨在“获得最低油耗性能的发动机转 矩”的控制系统，控制系统根据目标转矩、车速、油耗预期值来设定所需的c v t 传动比。本 田公司也开发其c v t 智能控制算法，它不仅考虑剑发动机自身的热效率，还考虑了传动系统 本身及其相应部件的损失，在样机上用本田的算法进行测试与常规算法相比省油1 。在保证 不出现故障的前提下，本田公司称其算法非常合理，因此将成为“下一代动力控制基础技术 之一”f 1 1 。 尽管c t 变速器已投入生产，许多控制问题仍然值得大量地反复地去试验加以解决。研 究所关注的一个焦点是动力传递的数字表达式显示主动带轮和从动带轮间推块的倾斜和带轮 的变形将影响带轮所获得的传动比。因此，必须在未来的应用中对c v t 性能的综合模型进行 传动优化。随着更多基础研究的进行，这一类设计问题将得到解决，研究也会更专门化。设 计的c v t 系统也将更精确。 c v t 传动系统从研究开发到走上生产线，制造技术的研究也越发重要，c v t 系统需要使工 作充分有效的高精度零部件。1 9 9 8 年本田公司研制出其带轮活塞，他们发现原来的活塞由于 传统的制造工艺使用中其厚度剧减( 最大可达3 2 ) ，他们研制出四步成型工艺确保“厚度始 终如一”，提高了效率和性能，同时成型过程中的硬化措施也进一步提高了带轮活塞的强度。 c v t 的尺寸和重量长期来备受关注，常规的自动变速器重量已远大于手动变速器。许多 轿车装备的自动变速器重量控制在比装配手动变速器重型5 0 1 5 0 磅。c v t 变速器重量更大， 为了解决这一问题，奥迪公司最近推出了首次用于轿车的镁合金制箱体，与常规自动变速器 相比减少了近1 6 磅的重量【3 j 。 虽然c v t 技术可以延缓燃油发动机的使用期，但它自身并不会由于燃油发动机的淡出 而是消亡，有几家公司目前正在着手研究c v t 在氢电力汽车上的工作情况，日产最近开发 的氢电力汽车具有“在相同的驱动能力前提下，燃油经济性优于现有汽车”1 1 4 1 。电动汽 车在低速时创新的双发动机设计，避免了由于c v t 系统的存在而出现的低速转矩问题。 低动力电动机在起动和换向换档时替代机械传动装置进行工作，使起动情况下不使用变 矩器成为可能，也省去了为此所附加的行星排及相应的湿式多片式变换离合裂m j 。 1 0 同济大学硕士学位论文第一章绪论 因此，电动汽车使用c v t 能够更优化，动力系统的电动部分避免了使用c v t 带来的低 速问题，仍然保持了其良好的燃料经济性和高速时的动力传递性能。同时“能用于大功率下 的c v t 系统可产生更多大功率汽车上的应用 1 1 1 。虽然，汽车制造商不需为每一款车开发独 有的c v t 系统，他们可以直接将最新性能的c v t 系统装配在各种型号的汽车上去。韩国起 亚( k i a ) 汽7 f 计划采用一种新颖的方式，将c v t 系统与他们的一些应用方案混合，起弧最 近的系统试验表明“使c v t 运行在发动机均速状态下而电动机不论驱动环境如何而：r 作在 恒功率状态”【l 】，因此，汽油发动机和电力发动机都工作在其优化状态，加速时由c v t 来提 供动力，起皿同时为其电动c v t 燃油发动机一体机推出控制系统以优化这种新配置下的燃料 经济性。 从金属带式c v t 的应用研究情况和c v t 变速器已装用数百万台的事实可以看出，金属 带c v t 传动技术己逐步成熟，人们主要从两个方面对金属带c v t 进行研究，以进一步提高 c v t 的性能。一方面是传动性能的实验研究和金属带式c v t 部件的改进设计，以提高变速 器本身的承载能力和传动效率的研究。另一方面是金属带式c v t 发动机道路载荷大系 统的匹配控制研究，通过实验分析结合仿真研究得到系统的优化匹配规律，以提高汽车动力 传动系统的整体效率，降低排放及充分发挥动力。在金属带式c v t 应用研究方面以汽车公 司、研究所的研究成果最为突出、实用，以应用为背景，以实验研究为主要手段，金属带式 c v t 应用技术已日臻成熟。 国内对汽车无级变速器的研究最早可追述到6 0 年代砸1 ，清华大学的宋镜瀛教授对汽车 橡胶带无级变速器进行了研究，用传统的e u l e r 理论对橡胶v 带无级变速传动进行了分析 对弯曲、拉伸所产生的带应力及应力对带疲劳寿命的影响进行了分析并提出了相应结构上的 改进措施，以及汽车车速油门两参数匹配控制的简单原理。8 0 年代湖南江南汽车制造厂引 进国外技术，生产了o 5 5 升轿车用橡胶带无级变速器。8 0 年代中期哈尔滨工业大学载人航 天器设计教研室的杨涤教授在美国作访问学者期间，与美国c a l i f o r n i a - d a v i s 大学的 a n d r e w 九f r a n k 教授合作，从纯控制理论的角度，对o t t 非线性动力传动系统进行了实验 和仿真研究。8 0 年代末东北大学的程乃士教授从德国同国后，开始了o t 钢带的试制工作， 并有了一定的初步结果，应用键合图理论，推导了r o t 公司p 8 1 1 变速器液压控制系统的状 态方程，但没有具体的参数和仿真结果。9 0 年代初北京理工大学的姜正根教授在兵器工业 部的资助下，开展了c v t 的研究，在购买了国外的钢带后，设计制造了简单的实验装置，但 由于同为兵器工业部的长安集团对该项目不认可，c v t 项目没有进步的进展。姜教授也对 离心飞锤式c v t 进行了实验研究。张滨刚在d c s u n 教授分析的基础上对金属带c v t 的 受力进行了分析。清华大学曾尝试对金属带c v t 进行研究。武汉工学院也试图对汽车牵引 式c v t 进行研究。9 0 年代初，华南理工大学黄向东教授从意大利学成归国，在国家自然科 学基金青年基金的资助下，开展了金属带c v t 的研究，试制了h 型金属钢带对c v t 的匹配 控制规律进行了研究，并推导了c v t 过渡状态的理想调速率，指出了速比调节的方向和速 同济大学硕士学位论文第一章绪论 率，该调节规律申请了国家专利。上海交通大学花家寿教授在上海齿轮箱厂的资助下，以v d t 公司的p 8 1 1 样机为实验件搭建c v t 传动实验台。同济大学工程机械系黄宗益教授在上海 市科委的资助下对自动变速器进行了一些理论分析。1 9 9 6 年吉林工业大学裘熙定教授和周 云山教授受国家计委“九五”攻关项目的资助，与东北大学程乃士教授，二汽底盘部，湖北 工学院罗永革等尝试在二汽e q 6 4 8 0 型2 升面包车上装用金属带c v t ，2 0 0 2 年完成了样机 的初步试制，由于裘教授退休，周教授出国，该项目进展没有迸一步的报道。长春齿轮箱厂、 唐山齿轮箱厂、桂林齿轮箱厂等企业也曾开展过汽车无级自动变速器的研究。 1 5 本文研究主要内容及结构安排 1 5 1 本文研究的主要内容 虽然c v t 技术的发展已经历了几十年的时间，但它还存在着一些不完善之处，严重阻 碍了其进一步的发展与应用。我国对c v t 技术的研究目前仍处在起步阶段，与国外先进技 术相比还有很大差距，尤其是对c v t 传动机理的深入认识以及c v t 系统结构参数方面还很 少全面系统的分析研究，本文立论中心主要围绕这几个方面进行。 对c v t 系统的结构参数进行详细的分析，系统地建立金属带运动学模型。对金属带轴 向偏移现象提出消除和改进的方法。 通过传动机理分析建立金属带数值分析动力学模型，研究了金属带张力和金属推块挤推 力的计算及其分布规律。 运用优化方法对金属带、金属块及其带轮结构参数进行了分析，建立了相关的优化数学 模型，为进一步系统地、全面的c v t 优化设计打下良好的基础。 基于m a t l a b 软件对所建立的金属带、金属推块及其带轮二个子系统的优化数学模型编制 优化计算程序，进行示例计算 讨论计算结果，对其影响因素作出仔细分析，对改进c v t 结构参数提出具体的建议，。 1 5 2 本文的结构安排 1 2 同济大学硕士学位论文第一章绪论 i 本文的研究对象：金属带式无级变速传动系统的运动学、动力学建l l 模与分析，金属带及带轮优化模型的建。谚及结构参数优化计算。i b 金属带式无级变速器运动学分析 u 分析金属带轴向偏移现象并提 i j 消除轴向偏移的方法 u 金属带式无级变速器动力学分析 u 建立金属带、带轮的参数优化模型 n 结构参数的优化计算 1 6 本章小节 1 、 无级变速器是当今最理想的汽车传动变速器。本章讨论了无级变速传动的特性，尤其是 在动力性和经济性、废气排放、操作舒适性方面与有级机械式变速器( m t ) 、液力机械自 动变速器( a t ) 相比所具有的独特优势。 2 、通过奥迪a 6 “m u l t i t r o n i c ”变速器的系统组成介绍了无级变速器的工作原理及其典型 结构。 3 、通过大量文献资料搜集整理了当前世界各主要汽车生产厂商所生产的各种类型的无级变 速器产品：归纳了无级变速器的种类，介绍了多种类型无级变速器的结构。 4 、介绍了汽车无级变速器的发展历史及国外、国内研究的详细动态，对汽车无级变速传动 的将来做出展望。 5 、明确了本文在金属带式无级变速器运动学及受力分析基础上进行结构参数优化设计研究 的总体思路。 1 3 同济大学硕士学位论文 第二章金属带式无级变速器的结构及运动关系 第二章金属带式无级变速器的结构及运动关系 2 1 1 金属推块式c v t 2 1 金属带式无级变速器的结构 金属带无级自动变速器c v t 由可轴向分合的楔形带轮和金属带组件构成，变速原理类 似于v 形橡胶带无级变速传动。金属带c v t 技术的产生可追述到v 形橡胶带传动，1 9 2 8 年，荷兰d r h u bd o o m e 兄弟创立了v a nd o o m e sa u t o m o b i e lf a b r i e kn v 汽车厂，1 9 5 8 在e i n d h o v e n 制造了橡胶带自动变速器v a d o m a t i c ，v a d o m a t i c ( 1 4 l ，5 1 k w ) 采用了离心式 离合器，橡胶v 形带。6 0 年代荷兰的汽车设计者开始研究结构更紧凑、传递功率更大的c v 1 r i 叫，经过分析，他们认为金属带可以传递更大的功率密度。具有推力性能金属钢带的发现 纯属偶然，1 9 6 5 年，v a no o o r r l e 为了使钢带具有更好的柔韧性钢带做得很薄，但在带轮侧 向夹紧力的作用下i 钢带很容易弯曲所以增加了一些活动辅助支撑块，实验发现钢带主要靠 钢片的推力传递动力，这就是现代c v t 金属带的雏形。 1 9 7 3 年，第一台装用钢带的c v t 变速器装用在d a f 6 6 汽车上，因为耐久性、可靠性、 噪声及高的制造成本，没有大批量生产。之后，钢带又重新作了设计，即应用比较成功的、，d t 金属钢带。由于v a nd o o r n e 先生的去世，c v t 技术的发展受到了挫折，在芬兰t i l b u r g 的c v t 工厂，在大规模生产方面遇到了困难，在荷兰政府的资助下度过了难关。如今v 盯 取得了巨大的发展，1 9 9 5 年并入德国r o b e r tb o s c h e 集团，9 6 年年产v d t 钢带2 3 万套。 到2 0 0 1 年中期，全球c v t 增长到年产1 百万套，2 0 0 4 年将达到年产3 百万套。随着越 来越多的汽车生产厂家对c v t 技术产生了兴趣，1 9 9 9 年下半年，t i l b u r g 诞生了第二个c v t 制造厂，2 0 0 4 年，在日本将建立另一个v d t 工厂。 v d t 是目前已投产的c v t 中应用最广泛的一种，其组成与工作原理如图2 1 所示，发 动机动力5 经起步装置4 传至c v t 的主动工作带轮( 2 a ) ，再由关键部件一v 型金属带9 疳动力传递到被动工作带轮( 6 a ) ，最后动力经减速器7 、主减速器与差速器8 到达车轮。车 辆行驶时，当主、被动工作带轮的可动部分通过控制高压油使其按需要作轴向移动时，在带 轮轴向移动夹紧力作用下，改变了主、被动轮的工作半径比，从而实现了外界对汽车的变速 器要求。这时的金属带不再是靠拉力作用而运动，而是依靠金属推块的不间断推力作用而产 生运动的，冈此又叫做金属推块式c v t ( m e t a lp u s h i n gv - b e l t ) 。 1 4 同济大学硬学位论文第= 章盘 带式 袅壹遣辱的结构及封关 霉麓 e c v t ( 栅i ) n c v t ( h 产1 f o r d _ c t x ( 福特) 蟪 圈2 i c v t 的主要机型的结构图 葡济 学硕学位语文 尊= 章盎带武i 鳗壹连器的结构厦 甘关 圈2 iv d t z v t 传动组成与t 作简圈 l 油磊2 a 、主动i 作轮不动部分2 主动i 作轮日动鼢i 主动轮渡拉制缸4 离合器5 发 动机飞轮缸札动i 作轮不动部分6 从动i 作轮日动部分7 中月勰嚣与差带器，盘扁传动 带l n 从动轮液e 控制缸 由几百片( 现已达4 0 0 多片) v 型金属推抉( 元件) 和两组金属环组成高柔性的金属带 ( 见图22 ) ，每个金属v 型块厚度为l4 哪砣2 m m 在两侧工作轮挤压力作用下，推挤前进 来传递动力。两边的金属环由多层薄钢带，厚度为01 8 m m 的带环叠合而成，在传动中正确引 导金届推块的运动5 1 。较薄的厚度对减少运转噪声十分重要。较多的元件与带轮接触，降低 接触面压力，还可允许其表面偶尔出现一两片损坏，亦使得耐久性提高。这种带的特点是使 带轮可以以最小的卷绕半径工作速比工作范围大，转矩传递容量高。 图23 金属带及推块 同济 学再士学位语文摹= 幸畚 誊式无最变逮嚣曲结构厦逗葫关系 2 1 1 链帝式c v t 链带式c v t 是带的另一种型式( 见图2 3 ) 。类似自行车的链条，它由3 部分组成：内 联接片，压板联接片和连接它们的浮动销，销相互滚动，使链条在弯曲时摩擦力小且具柔 性。销的表面被冲压压如国3 b 所示以使其与轮的接触随旋转半径的减小而从移到下，使 链表面保持磨损稳定。键轮表面的沿轮向凸起是防止链因摩擦因数下降而打滑。链可不必有 同定周节，从而消除纯音色有利于降低噪声。它比金属带简单价廉。图24 列出了其它链 带形式。 驹嚼 f m a a c h a8 0 q 虬m h c a ( a ) 链传动喘与轮之问接触的形状 图2 a 链式c v t 传动圈2 5 其它链带形式 2 2 金属带式无级变速器基本运动关系 22 i 速比与速比变化范田 i 2 讲2 d d p0 式中，u ”魄为主、被动轮的转速；嗥、d i 为主、被动轮的工作半径。 最大逮比i 一，即c v t 最低速比i h 从动力性考虑的速比为： j 一2 d “d - k l 哂 0 2 1 式中，0 为匹配同一车辆手动变速器的1 挡速比：k i - 1 k k 是c v t 是发动机匹配时 发动机的转矩利用系数，1 k 为汽车起步时发动机的转矩，k l = l 0 5 i1 最小速比i t 阳超