（车辆工程专业论文）新型复合分汇流式无级变速器的研究及样机设计.pdf

摘要 在车辆等机电设备中，变速器是传动系中最关键的一环，其功能是适当调节 传动比，使执行机构按预期的速度和作用力变化规律输出运动和功率、达到动力 源与负载的工作特性动态地实现匹配，以保证车辆的正常运行，乃至获得较佳或 最佳的整体性能。机械式、电传动式、液压及液力传动式等类型的手动或自动变 速传动在现代车辆中均有应用，尤其机械式的因成本、比体积、比重量较小，传 动效率较高等优点而应用最广，但难以获得无级变速的完美传动特性。即使目前 存在着某些基于摩擦的纯机械式无级变速传动( c v t ) ，然而由于其功率容量和可用 的变速比范围相当有限等缺点，仅适合于所需功率和变速比范围不大的低排量轿 车和摩托车等场合。而电、液等传动的特点则几乎正好相反，但其成本、比体积、 比重量较高、传动效率稍低等缺点是其广泛应用的瓶颈。 随着人们对汽车性能要求的不断提高，传动系统的功能和结构由简单渐趋复 杂，并有从单功率流传动向双及多功率流复合传动、从有级向无级变速方向发展 的趋势，已成为车辆等机电系统中最复杂、技术含量最高的机电一体化总成之一。 故复合、高效的新型传动元件或系统成了国内外本领域研究的热点，重点集中在 高效率地实现无级自动变速及减少能耗，扩大变速比范同和传递功率的能力，提 高可靠性、耐久性，实现紧凑化、轻量化、智能化和环保化等方面。 本论文在分析了现有各种复合c v t 所存在的固有问题的基础上，对一种首创 性提出的新型复合分汇流式无级变速系统进行研究。本文的主要内容包括四个方 面：首先对新型复合分汇流式无级变速系统的基本原理进行了详尽的阐述，在此 基础上系统地总结归纳出正反双模式分汇流无级变速系统的各种可能复 合模式、拓扑结构及布置形式。通过分析比较从中筛选出传动效率高、 实用性强、应用前景最优的“基本型”；通过一个“基本型”的机一机组合 实例来对基本原理进行了阐述，以及各种参数的计算方法；接下来结合混合动力 车的动力系统，对新型复合分汇流式无级变速系统在此方面的应用进行了分析计 算；最后进行了样机参数的选择、及其样机结构的设计、加工和试制，为进一步 实验工作的开展做好铺垫。 本文通过基本原理的阐述和实例的分析比较得出新型复合分汇流式无级变速 系统在扩大速比变化范围的同时，还保持有较高的传动效率，并且系统具有较好 的价格优势，故作为车用自动变速器的应用推广前景较好。 关键词复合分汇流式无级变速系统；功率分流；双向汇流 a b s t r a c t a b s t r a c t a m o n gm a n y m e c h a t r o n i es y s t e m s ，s u c ha sav e h i c l e ，t r a n s m i s s i o np l a y sav e r y i m p o r t a n tr o l e i t sm a i n f u n c t i o ni sa p p r o p r i a t e l ya d j u s t i n gt r a n s m i s s i o nr a t i o s ，s ot h a t t h e e x e c u t i n gm e c h a n i s mc a no u t p u t m o t i o na n dp o w e ra c c o r d i n gt o a n t i c i p a t e d v a r i a t i o nr u l e so f s p e e da n de f f o r t ，t or e a l i z et h em a t c hb e t w e e np o w e ru n i ta n dl o a d d y n a m i c a l l y ，a s s u r i n gn o r m a lo re v e no p t i m u mw o r ko ft h em a c h i n ew i t hb e t t e r o r b e s t p e r f o r m a n c e s m a n u a l o r a u t o m a t i c ( m e c h a n i c ，e l e c t r i c ，h y d r a u l i c a n d h y d r o d y n a m i c ) t r a n s m i s s i o n sa r ec o m m o n l y u s e do nm o d e r nv e h i c l e s ，e s p e c i a l l y , t h e m e c h a n i co n e sa r em o s tw i d e l yu s e dd u et ot h e i ra d v a n t a g e si nc o s t ，e f f i c i e n c y ， v o l u m ea n dw e i g h t ，d e s p i t et h el a c ko fp e r f e c tf e a t u r eo fc o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o nr a t i o e v e nt h o u g ht h e r ee x i s ts o m 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 s ( c v t s ) b a s e d o nm e c h a n i c a l f r i c t i o n ，b u t t h e i rs m a l lc v tr a t i oa n d p o w e r t r a n s m i t t a b i l i t ym a k et h e mo n l ya p p l i c a b l et o l i m i t e dc a s e s ，s u c ha ss m a l lc a r sa n d m o t o r c y c l e s w h i l ee l e c t r i ca n dh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n sa r eo n t h eo p p o s i t es i t u a t i o n ， b u tt h ed i s a d v a n t a g e si nc o s t ，e f f i c i e n c y , v o l u m ea n dw e i g h ti m p e d et h e i rp o p u l a ru s e w i t ht h ee v e r g r o w i n gd e m a n d s o fv e h i c l e p e r f o r m a n c e s ，f u n c t i o n a l i t y a n d s t r u c t u r eo ft r a n s m i s s i o nu n i t sa r et r a n s f o r m i n gf r o ms i m p l et oc o m p l e x ，t h et r e n di s t ot r a n s f o r mf r o ms i n g l ep o w e rf l o wt oc o m p o s i t ed o u b l eo rm u l t i p l ep o w e rf l o w ，a n d f r o ms t e p w i s er a t i o c h a n g et os t e p l e s sr a t i o - c h a n g e t h et r a n s m i s s i o nu n i t sb e c o m e o n eo ft h em o s tc o m p l e xa n dt e c h n o l o g y i n t e n s i v em e c h a t r o n i ca s s e m b l i e s t h e r e f o r e a th o m ea n da b r o a d ，r e s e a r c ho fc o m p o s i t ea n dh i g he f f i c i e n c yt r a n s m i s s i o n sa l r e a d y b e c o m e st h ef o c u so ft h ed o m a i n ，w h i c hc o n c e n t r a t e so nt h ea s p e c t so fr e a l i z i n g e f f i c i e n t l y a u t o m a t i cr a t i ov a r i a t i o n ，r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ，e n l a r g i n gr a t i o v a r i a b l e r a n g e a n d p o w e rt r a n s m i t t a b i l i t y , e n h a n c i n g r e l i a b i l i t y a n d d u r a b i l i t y ， a c h i e v i n gc o m p a c t n e s s ，l i g h t w e i g h t ，i n t e l l i g e n c ea n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n - b a s e do na n a l y s e so fi n t r i n s i cd e f e c t so ft h ee x t a n tc o m p o s i t ec v t s ，an e wt y p e o f p o w e rs p l i t c o n v e r g e n tc o m p o s i t ec v t s y s t e m sw i t ho u ro w no r i g i n a l i t yi ss t u d i e d i n t h i sd i s s e r t a t i o n t h ec o n t e x ti n c l u d e s f o u r a s p e c t s f i r s t l y ，i t e l a b o r a t e st h e p r i n c i p l e s o ft h en e wc o m p o s i t ec v ts y s t e m s ，t h e n ，o nt h i sb a s e ，s y s t e m a t i c a l l y s u m m a r i z e sa l lt h ep o s s i b l ec o m p o s i t em o d e l s ，t o p o l o g i c a l s t r u c t u r e sa n dl a y o u t s t h e nb yc o m p a r i s o n ，i ts e l e c t st h em o s tp r o m i s i n go n ew i t hh i g he f f i c i e n c y ，b e t t e r r e a l i z a b i l i t y a n da p p l i c a b i l i t ya st h e b a s i cm o d e l ：i t t a k e st h eb a s i cm o d e lt o 1 1 t 华南理工大学硕士学位论文 i l l u s t r a t e w o r k i n gp r i n c i p l e sa n dp a r a m e t e rc a l c u l a t i o n so f t h em e c h a n o m e c h a n i c a l s u b t y p eo ft h ec o m p o s i t ec v t s f u r t h e rm o r e ，t h r o u g hac a s es t u d yo fh e v ( h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ) p o w e r t r a i n ，i t s h o w st h e a p p l i c a t i o n o ft h ee l e c t r o - m e c h a n i c a l s u b t y p et h ec o m p o s i t ec v t s i nt h i ss p e c i f i cd o m a i n f i n a l l y , i tr e p o r t st h ep a r a m e t e r s e l e c t i o n 。s t r u c t u r a ld e s i g na n dr e a l i z a t i o no f ap r o t o t y p eo ft h ec o m p o s i t ec v t a l l t h e s ea r ep r e p a r a t i o n sf o rf u r t h e r e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h i sd i s s e r t a t i o n c o n c l u d e s ，t h r o u g hi l l u s t r a t i n g t h eb a s i c p r i n c i p l e s a n d a n a l y z i n ge x a m p l e s ，t h a t t h i sn e w t y p eo fc o m p o s i t ec v t s a r ec a p a b l eo fm a i n t a i n i n g r e l a t i v e l yh i g h e rt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n de x t e n d i n g t h ec o n t i n u o u s l yv a r i a b l er a t i o r a n g e ，w h i l eb e i n gc o s t c o m p e t i t i v e ，s ot h a ti tr e p r e s e n t sp r o m i s i n g a p p l i c a b i l i t yo n t o a u t o m o t i v et r a n s m i s s i o n s k e y w o r d s p o w e r s p l i t c o n v e r g e n tc o m p o s i t ec v t ；p o w e rs p l i t ；d u a l d i r e c t i o n c o n v e r g e n c e 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 奄呷主纸 日期：纱尹年月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：妒中年，月，。日 日期：沙矿年f 月p 日 文 批瓤 第一章绪论 第一章绪论 一般来说车辆驱动轮所需要的转矩、转速的变化范围与发动机所能提供的转 矩、转速的变化范围有很大的偏差，无法满足汽车的牵引力和车速能在相当大的 范围内变化以适应路面状况和驾驶者的需要。为此车辆中引入了传动系，传动系 的任务可概括为：通过变换其传动比，以调节或者变化发动机的性能，将发动机 发出的功率经济而方便地传至车轮，很好的适应外界负载与道路条件的需要，即 使动力传动系提供的特殊场与车辆所需的特殊场获得最佳的匹配。 “经济”的含义是：1 传动变速部分本身效率高而且稳定。2 发动机相应的 工作区域效率也很高。这就要求把动力一一传动系统作为一个整体来进行研究， 而不是孤立地研究传动系部件，如离合器、变速器、等等，而是将其看作一个系 统工程，研究系统内各部件之间的有机联系以及系统与外部负载、道路条件、周 围环境所反虑的行驶要求等之间的相互关系。协调控制各部件的工作，充分挖掘 各自的潜力，以实现最佳匹配。 变速器作为传动系中最重要的部件，其基本功能包括：1 改变传动比，扩大 驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应不断变化的行驶条件，同时使发动机在有 利( 功率较高而耗油率较低) 的工况下工作；2 在发动机旋转方向不变的前提下， 使汽车能倒退行驶；3 利用空挡，中断动力传输，以使发动机能够启动、怠速， 并便于变速器便于换档或进行动力输出1 1 1 。 1 1 变速器的类别 变速器由变速传动机构和操纵机构组成，需要时，还可以加装动力输出器。 变速器按照操纵方式的不同可以分为三种： 1 1 1 手动变速器 手动变速器是最常见的变速器( m a n u a lt r a n s m i s s i o n ) ，简称m t 。它的基本 构造用一句话概括，就是两轴中轴，即指输入轴、轴出轴和中间轴，它们构成 了变速器的主体，当然还有一根倒档轴。手动变速器又称手动齿轮式变速器，含 有可以在轴向滑动的齿轮，通过不同齿轮的啮合达到变速兼变矩的目的。 典型的手动变速器结构及原理如图l 一1 所示。输入轴也称第一轴，它的前端 花键直接与离合器从动盘的花键套配合，从而传递由发动机过来的转矩。第一轴 华南理工大学硕士学位论文 上的齿轮与中间轴齿轮常啮合，只要轴入轴转动，中间轴及其上的齿轮也随之转 动。中间轴也称副轴，轴上固连多个大小不等的齿轮。输出轴又称第二轴，轴上 套有各前进档齿轮，可随时在操纵装置的作用下与中间轴的对麻齿轮啮合，从而 改变本身的转速及扭矩。输出轴的尾端有花键与传动轴相联，通过传动轴将力矩 传送到驱动桥减速器。 由于变速器输入轴与输出轴以各自的速度旋转，变换档位时存在一个“同步” l ，粤迂讲1 _ 雕譬 ：f 攥ii 。上t 上童- r l p 。 l o工l 图l 一1 典型的手动变速器结构及原理 f i g 1 - - 1t y p i c a lm a n u a lt r a n s m is s i o n s t r u c t u r ea n dt h e o r y 问题。两个旋转速度不一样齿轮强行啮合必然会发生冲击碰撞，损坏齿轮。因此， 旧式变速器的换档要采用”两脚离合”的方式，升档在空档位置停留片刻，减档要 在空档位置加油门，以减少齿轮的转速差。但这个操作比较复杂，难以掌握精确。 因此设计师设计出“同步器”，通过同步器使将要啮合的齿轮达到一致的转速而顺 利啮合。目前全同步式变速器上通常采用的是惯性同步器，它主要由接合套、同 步锁环等组成，它的特点是依靠摩擦作用实现同步。接合套、同步锁环和待接合 齿轮的齿圈上均有倒角( 锁止角) ，同步锁环的内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接 触产生摩擦。锁止角与锥面在设计时已作了适当选择，锥面摩擦使得待啮合的齿 套与齿圈迅速同步，同时又会产生一种锁止作用，防止齿轮在同步前进行啮合。 当同步锁环内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触后，在摩擦力矩的作用下齿轮转 速迅速降低( 或升高) 到与同步锁环转速相等，两者同步旋转，齿轮相对于同步 锁环的转速为零，因而惯性力矩也同时消失，这时在作用力的推动下，接合套不 受阻碍地与同步锁环齿圈接合，并进一步与待接合齿轮的齿圈接合而完成换档过 程 2 1 。同步器的工作原理基本如此。 手动变速器的优点在于： 传动效率高，传动负荷大，结构、制造、维修简单方便，速比变化范围大。 手动变速器的缺点在于： 1 ) 由于传动比变化值比较确定，所以不能自动变速，不能满足各种使用工况 的要求，导致费油不经济； 第一章绪论 2 ) 不能自动变速，增加了驾驶员的疲劳，降低了行驶的安全性，也提高了对 驾驶员技术的要求； 3 ) 与自动变速相比，不利于环保。 1 1 2 自动变速器 传动比的选择和换档是自动进行的。所谓“自动”，是指机械变速器每个档位 的变换是借助反映发动机负荷和车速信号系统来控制换档系统的执行元件而实现 的，驾驶员只需操纵加速踏板以控制车辆的行驶速度。 1 ，1 2 1 自动变速器开发研究的必要性 汽车工业1 0 0 多年的历史，主要是传动系的技术史，而8 0 年代中期又是这段 历史发展中的转折点。电子技术和现代控制理论的飞速发展引起现代汽车技术的 革命性进步，从根本上改进汽车的安全性、舒适性、经济性，另方面，电控技 术的应用以车辆驾驶的自动化和简单化为目标，降低操作强度，改善人机环境， 最终实现智能驾驶，这些都是当前国际上汽车工程技术人员的研究热点【引。 自动变速是汽车电子控制技术发展的重要方向之一，据不完全统计，在交通 负荷大的市区中，如果使用传统的机械式变速箱( m t ) ，汽车的每行驶1 0 0 公里， 驾驶员须换档4 0 0 6 0 0 次，踏离合器6 0 0 7 0 0 次，平均每分钟要连续完成2 0 3 0 次手脚协调动作。繁重的操纵，不仅分散了驾驶员对环境的注意力，而且是老 人，残疾人等驾驶者的障碍。据交通部门统计分析，l 4 1 3 的城市交通事故由 此引起。在中国，随着私人汽车市场份额的升高，非职业驾驶者迅速增加，交通 事故隐患不断上升。随着私家车的逐步普及，数以百万计的非职业司机对于汽车 驾驶的简单化、舒适性和安全性提出了十分迫切的要求。另外，在城市运行工况 行驶时，熟练驾驶员和非熟练驾驶员的油耗可相差1 0 以上，离合器摩擦片的更 换频率相差2 0 以上。因此，自动变速器对于提高车辆的动力性和经济性、降低 排放污染、延长零部件的使用寿命具有举足轻重的意义。 1 1 2 2 自动变速器的种类及优缺点 迄今为止，汽车自动变速器的研究已经有七十余年的历史，自动变速箱的发 展也经历了几个阶段，而按照实现自动变速的原理，主要可分为三类： 类是由液力变矩器和行星排齿轮变速箱组成的机械液力式自动变速器 ( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ) ，简称a t ： 华南理t 大学硕士学位论文 液力传动是以液体为介质的叶片传动机械，其基本形式为液力耦合器与液力 变矩器，确切的更准确的定义是：工作轮叶片与工作液体相互作用，引起机械能 与液体能的相互转换，并以此来传递动力，通过液体动量矩的变化来改变转矩的 一种传动元件。液力变矩器具有无级连续变速和变矩的能力，对外部负载有良好 的自动调节和适应性能，故根本上简化了操纵。它使车辆起步平稳，加速迅速、 均匀、柔和，加之液体本身特有的减震性能，又进一步降低了传动系的尖峰载荷 和扭矩振动。 图1 2 为简单的液力变矩器示意图，由泵轮b 、涡轮t 和导轮d 所组成，在 结构上它的液力耦合器不同之处在于它的工作轮叶片大都弯曲成一定的角度，且 有固定不动的液流导向装置一一导轮，导轮通过单向轮f 或直接固定在壳体上。 f 图l 一2 液力变矩器的工作原理图 f i g 1 2t h ep r i n c i p l eo fh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e r 液力变矩器的循环圆内充满着工作液体，不工作时液体处于静止状态，不传 递任何能量。工作时，发动机带动泵轮b 旋转；并将发动机转矩t b 传递至泵轮； 泵轮内叶片带动工作液体一起作牵连的圆周运动u 。和迫使液体沿叶片间通路作 相对运动w 。，液体在离开泵轮时获得一定的动能和压能，从而将发动机的机械能 转变成液体的能量( 动能和压能) 。液力高速地进入涡轮，迫使涡轮开始旋转，并 且使涡轮轴上获得一定的转矩去克服外界的阻力做功。液体冲击叶片时，一部分 液能转变成机械能，使液体所具有的动能和压能降低。由涡轮出口处的液体流入 导轮，由于导轮固定不转，即转速n o = 0 ，因此，不管导轮上有无转矩作用，导 轮上的功率始终为零，即液流在导轮内流动时，没有能量的输入和输出。因无旋 转的牵连运动，故相对运动就是液流的唯一的绝对运动。 液体流过导轮的叶片时，相对运动速度可发生两种变化：一是速度大小发生 变化，根据管中流体的伯努利方程，只有当叶片间的通路断面发生变化时才有可 4 第一章绪论 能，如迸、出口处的断面相等时，则速度绝对值相同；二是速度的方向改变，液 流进入叶片以后和离开叶片以前，其运动方向完全由叶片的形状和进、出口的安 装角所决定。由于液流速度的大小和方向的改变都导致液流动量矩的变化，而动 量矩的变化将导致在导轮上承受液体转矩的作用或产生给予液体的反作用转矩。 导轮的主要作用就在于此。导轮在给液体反作用转矩的同时改变液流中液能的形 式，一般是将液体的压能变为液流的动能进入泵轮，这样泵轮出口时液流将具有 更高的动能，同时冲击涡轮时，使涡轮吸收更多的液能，以获得较高的转矩和转 速，然后液流从涡轮又流入导轮，重复这一循环。由于液力变矩器自动变速变矩 范围不够大，因此在涡轮后面再串联几排行星齿轮提高效率，液压操纵系统会随 发动机工作变化自行操纵行星齿轮，从而实现自动变速变矩。 它的优点在于具有无级连续变速和变矩的能力，可以从根本上简化了驾驶员 的操纵，而且车辆起步平稳，加速迅速、均匀、柔和，加之液体传动本身特有的 减振性能，又进一步降低了传动系的尖峰载荷和扭转振动，从而可以延长传动系 的使用寿命，提高乘坐舒适性和车辆平均速度以及行驶安全性和通过性等； 它的缺点也很明显，从经济的角度来看：它的效率不太高，它的最高效率不 太高，高效范围不大，总的来讲效率低，致使发动机的油耗量增大：变矩范围有 限；加之本身结构复杂，造价偏高也是其大范丽内推广的一个难题。 做传动比 图l 一3v 型带式无级变速器 f i g 1 3c 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 i lw i t hv s h a p es t r a p 另外一种是机械无级变速器( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ) ，简称 c v t i4 1 。省油、降低排气污染、操纵方便、行驶舒适的机械无级传动( c 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 ) 一直是人们追求的目标。早期通过双锥体改变接触半径实 现传动比连续变化的办法，因接触部分挤压应力太高而难于实用化，后发展为皮 华南理工大学硕士学位论文 带传动。目前技术上又有突破，以将原来d a f 汽车的橡胶材料的无级传动皮带， 改为由许多薄钢片穿成的刚环，使其与两个锥轮的槽，在不同半径上“咬和”来 改变速比，这就是v d t ( v o nd o o r n e st r a n s m i s s i o n ) ，它己于1 9 8 2 年正式作为产 品装车出售。1 9 8 7 年夏天美国福特公司在市场上首次推出装有这种刚环c v t ，意 大利菲亚特公司和鲍格一温纳公司也成批投产。日本富士重工1 9 8 4 年也宣称 “e c v t ”的无级传动已实现。 图1 3 是v 型皮带式无级变速器的基本结构和工作原理。车辆发动机动力经 无级变速传动的刚环和两个锥轮的槽来传递( a 图) ，由主动带轮传到从动带轮， 再经过主减速器。最后驱动车轮。两个皮带轮的中心距是固定的，但皮带轮在轴 上的轴向距离是可变的。当主动带轮的r 。在最小半径时，从动带轮的r 。在最大半 径时，传动装景处于低速挡传动比( b 图) ，根据需要作用在两皮带轮上面的轴向 力f p 与f s 的大小是变化的、可控制的。如果轴向力使r 。增大，r 。减小，则传动比 也逐渐随之减小，直到变到r 。最大，r s 最小，达到本装置的高档( 超速挡) 的传 动比( 图c ) 。由于锥形轮轴向距离是连续变化的，所以c v t 传动比也是连续变化 的。其变化的传动比f ，定义为两半径之比，或两旋转角速度之比： f = b r p = 鸭 ( 1 一1 ) c v t 的优点在于是真正的无级变速，重量轻，体积小，零件少，与a t 比较 具有较高的运行效率，油耗较低。这点从理论上来看非常明显，可以始终使发动 机工作在经济工况下，从而大幅度省油； 但是由于其传动是基于摩擦传动的，故最主要缺点就是效率不高，以致其设 计初衷在实际的使用过程中与手动变速箱相比并不省油。另外其功率容量及可用 的变速比范阐也较偏低。 第三类是将传统的固定轴式变速箱或行星排齿轮箱结合微电子技术来实现自 动换档的机械式自动变速器( a u t o m a e dm a n u a lt r a n s m i s s i o n ) ，简称a m t a m t 在机械变速器( 手动波) 原有基础上进行改造，主要改变手动换档操纵 部分。即在总体传动结构不变的情况下通过加装微机控制的自动操纵系统来实现 换挡的自动化。因此a m t 实际上是由一个机器人系统来完成操作离合器和选档 的两个动作。 优点在于既保留了原齿轮变速器效率高、成本低的长处，而且还具有液力自 动变速器的自动换档性能。 难点在于换档品质的协调，车辆的起步和变速过程中对油门开度、离合器结 合以及换档三者之间按照实在最佳换档规律、离合器最佳结合规律、发动机油门 的自适应调节规律进行微电子控制协调还是有一定困难的。 1 1 3 半自动操纵式变速器 包括两种型式，一种是常用的几个档位自动操纵，其余档位则由驾驶员操纵： 另一种是预选式，即驾驶员预先用按钮选定档位，在踩下离合器踏板或者松开加 速踏板时，接通一个电磁装置来进行换档。 1 2 课题背景 无级变速器可以省油、降低排气污染、操纵方便、行驶舒适，但不具有传动 载荷能力大，速比变化范围大，传动效率高的优点，传统的齿轮式机械变速器具 有的传动稳定，传递效率高的优点，但是其没有液力传动或者c v t 那样无级变速 的特性。随着人们对汽车性能要求的不断提高，传动系统的功能和结构由简单渐 趋复杂，并有从单功率流传动向双及多功率流复合传动、从有级向无级变速方向 发展的趋势，已成为车辆等机电系统中最复杂、技术含量最高的机电一体化总成 之一。故复合、高效的新型传动元件或系统成了国内外本领域研究的热点，重点 集中在高效率地实现无级自动变速及减少能耗，扩大变速比范围和传递功率的能 力，提高可靠性、耐久性，实现紧凑化、轻量化、智能化和环保化等方面。本文 在此基础上提出了一种新的功率分流双向汇流的复合无级变速器系统。 1 3 课题来源及其预期目的 本课题是在国家自然科学基金( n o 5 0 2 7 5 0 5 3 ) 和广东省自然科学基金( n o 0 2 0 8 5 7 ) 的支助下开展的。本课题的预期研究成果是系统地总结归纳出正反双模式 分汇流无级变速系统的各种可能复合模式、拓扑学形态、结构及布置形式，全面 阐明其工作机理、适用条件与范畴等。从中筛选出传动效率高、实用性强，特别 是具有适合车船等交通工具应用及一般工程应用前景的推荐“基本型”。阐明上述 基本型在匹配、布置和结构设计方面的特点，初步提出其专有的评价指标体系， 阐明其分流机构之机械功率流主干分路与机、电、液或其它传动构成的调速功 率流分路间的关系，提供其汇流机构的各种有效组合方式及其主要参数的确定依 据，确定换段机构多个速比分配需要遵循的准则及其自动交替换段的规律，初步 形成这类系统机构及结构优化设计的成套理论与方法。并且在总结上述基本型在 自动控制方面的特性，初步提出其专有的控制逻辑、策略和规则，初步形成相应 的成套优化控制理论与方法。 本课题除了进行自动变速箱的研究分析，还着眼将此分汇流动力系统直接应 华南理t 大学硕士学位论文 用于h e v 方面的研究开发服务，在学术上和实用价值上也瞄准了高于目前国内 同类研究水平的目标。这一点会专门在第四章来讲。 本课题还专门针对系统基本型就其设计、匹配和控制的优化等课题开展专题 研究和样机试制及试验；为这类新型自动变速系统在常规及电动汽车上的应用和 产业化开发提供依据、夯实理论基础，进而使我国汽车工业掌握该项具有自主知 识产权的汽车关键总成设计制造专有技术，用科技进步推动我国汽车工业的发展。 8 第二章新型复合无级变速器的基本原理分析 第二章新型复合无级变速器的基本原理分析 2 1 行星排分析基本理论 为了节省能量和材料，对齿轮传动装嚣提出了高效率和小型化的要求，由于 行星齿轮传动装置采用了数个行星齿轮同时传递载荷，使功率分流合理地使用了 内外啮合，因此具有一系列的特点，如结构紧凑、体积小、重量轻、传动比范同 大、传动效率高、输出输入轴同心、可以实现动力的分流和变速等，因此在绝大 多数a t 自动变速箱上被采用”。 2 1 1 行星式变速箱的运动学分析 讨论行星式变速箱运动学的目的是：确定行星传动所能实现的传动比，根据 要求的传动比选择合理的运动简图；进行各种工况下的构件速度分析以及行星传 动齿轮的参数的确定等。 复杂的行星变速箱都是由若干个基本行星排组成，单行星排都是由三个基本 构件：太阳轮、行星轮、齿圈组成，如图2 一l 所示： 图2 1 行星排结构示意图 f i g 2 1s t r u c t u r eo f t h ep l a n e t a r yg e a rt r a i n 行星轮系可看作是由定轴轮系转化而来的。以行星排为例来看，可把太阳轮、 齿圈、行星轮都可以看作是支承在行星架上的齿轮，当行星架固定不动时为定轴 轮系，当行星架以太阳轮轴线( 也即齿圈轴线) 为中心线旋转起来就变成了行星 轮系。因此，行星排的运动可以看作是两部分运动的合成：行星架带着其上各齿 轮( 包括太阳轮和齿圈) ，以行星架转速作整体运动，这是牵连运动。牵连运动中 9 华南理工大学硕士学位论文 各齿轮不产生啮合运动；相互啮合的齿轮相对行星架作啮合运动，这是相对运动。 只看相对运动，也就是站在行星架上观察时，各轮传动如定轴轮系，存在一 定的转速关系，如下式表达式： 嚣= t - 百z q 啡( 2 - - 1 ) 公式( 2 1 ) 中：n t n i 一一为太阳轮相对行星架的转速； n 。一n ，一为齿圈相对行星架的转速； 一一齿圈齿数和太阳轮齿数之比。称为行星排特性参数， 实践证明为了缩小结构尺寸及可能安装，单排行星传动的 值应处于4 3 ( = k o ，即m ；( c o ，一珊，) o 时，啮合功率的流向从太阳轮至齿圈。 当p y , o ，即m j ( 珊，一珊，) 0 时，啮合功率的流向从齿圈至太阳轮。 行星传动的运动情况和功率传递情况与定轴传动不同，定轴传动全部功率通 过齿轮啮合传递，齿轮机构所传递的功率等于啮合功率，而行星传动则不然，相 对运动中所传递的啮合功率可能小于行星机构所传递的功率。啮合功率也可能大 于行星机构所传递的功率，某些行星传动方案甚至可能大的多，因此使得行星传 动的传动效率计算比较复杂，各种行星传动的传动效率可能相差很大，传动效率 可能高于定轴传动也可能很低。 2 1 2 3 效率计算 通常对于单排行星传动的效率计算方法采用所谓的啮合功率法，计算步骤如 下： ( 1 ) 先按理论力矩求出行星排的啮合功率( 称理论啮合功率) ，其内啮合点 和外啮合点的计算值应相等。 m i ( n f n ，) 一m 口( n q n j ) ( 2 1 1 ) 在计算效率时，只需知道啮合功率的绝对值，不计传动回转方向，故公式( 2 1 1 ) 可写为： 兰三茎堑型墨盒歪丝奎垄墨塑茎奎堕翌 n 。2 a b s ( m ，( 疗，一n ，) ) = a b s ( m 目( g 一”) ) ( 2 ) 然后计算行星排的功率损失。， ( 或者从齿圈传至太阳轮) 的功率损失。 ( 2 一1 2 ) 它等于啮合功率，从太阳轮传至齿圈 对于单行星n ，= n ；( 1 一r o q f ) = 以( 1 0 9 7 ) = 0 0 3 n 。 ( 2 1 3 ) 对于双行星，= 虬( 1 一2 仇) = ，( 1 0 9 5 ) = 0 0 5 虬 ( 2 1 4 ) ( 3 ) 最后计算行星排的效率： 刁：竺兰( 2 - - 1 5 ) 驴彳 式( 2 1 5 ) 中：n 一一输入功率 根据经验计算得出，对于单行星排； 玎=1一。03n_n_2c(2-16) 而对于双行星排： 例一o 。s 惫( 2 - - 1 7 ) 在行星传动中，能量沿牵连运动和相对运动两条功率流传递，当以牵连运动 传递能量时，没有齿数啮合损失，因此，在牵连运动中所传递的功率比例越大， 则传动的效率就越高。 相对运动时，由于齿轮啮合运动产生摩擦损失，因此，相对运动所传递的功 率越小，则传动的效率就越高。 根据上述分析，在计算行星机构效率时只考虑构件相对运动中的损失，而忽 略牵连运动中的损失。 另外一种效率的算法就是通过在设计手册里面查找经验公式( 见参考文献 3 7 ，p 7 3 3 ) 根据行星排的传动形式可以直接查出它的效率值。 2 2 现有分汇流式复合无级变速器的问题 追求车辆无级变速的目标是永恒的，迄今人们已探索了旨在弥补c v t 上述这 些不足之处的各种组合方案，图2 3 所示( a ) 、( b ) 两种方案典型地代表了现有 解决方案的一般原理。图中i 、h 分别为输入与输出轴，t 、j 、q 、x 分别为行星 排的太阳轮、行星架、齿圈和行星轮，1 、2 、3 、4 和5 为定轴齿轮，c v t 为挠带 式无级变速器。这类方案的共同特点为动力源的功率以某种方式( 定轴齿轮系或 行星排等) 呈两路甚至多路分流，c v t 只传递、调节分流功率中的路，然后通 过其他一些方式对各路功率汇流，最终实现调速和传递功率的功能。 华南理工大学硕士学位论文 电) 图2 3 典型的现有解决方案 ( b ) f i g 2 3t y p i c a l e x i s t e n ts 0 1 t l t i o t i s 图2 3 中( a ) 方案，可以相当大地扩大速比范围，但系统内存在较大的功率 循环，甚至c v t 3 = 的功率流比系统输入、输出的功率还要大许多，这样系统的机械 效率和功率容量就变得很低。这类方案较适合于需精确传递与调节运动而不是传 递动力( 功率) 的场合【8 1 2 。其功率循环可以通过如图2 4 来示意【1 3 1 4 1 ( 下图 中c 。表示行星架与输出的转向问题，如果c 。为+ ，则表示转向相同，反之则相反) 。 一即嘛 p m 川二 功率 p w ：旨a 。，( 左) 亚临界速度，c 。 o 图2 4 功率反馈结构得功率循环图 f i g 2 4p o w e r c i r c u l a t i o nd i a g r a m sf o rt h e p o w e r f e e d b a c k c o n f ig u r a ti o n 图2 3 中( b ) 方案，通过适当选择一个( 或一组) 对应于c v t 自身速比范围而 言没有或只有较小内部功率循环的行星排来汇流，可以在一定程度上达到减b c v t 负荷、提高变速器系统传递功率的能力及整体效率之目的。但不足之处在于这类 系统的速比变化范围较c v t 自身的速比变化范围还要缩小许多，同时c v t 负荷减小 的幅度、系统传递功率能力及整体效率提高的幅度等都很有限，既不能缩小c v t 的尺寸，也不能提升系统表面的功率传递能力p s a 6 1 。 目前在市场上生产的具有代表性的该类形式为日本丰田汽车公司推出的 p r i u s 轿车上采用的方案 17 “1 9 1 ，其结构示意图如图2 5 、图2 6 所示： 图2 5 和图2 6 的电机就相当于前面的c v t ，都具有无级调速的作用，其 1 4 至三兰塑型墨盒垂墼銮堕墅塑墨奎堕堡 原理可以归到( b ) 类，现在一般用于低排量轿车上面，由于其具有具有环保节油 等优点，所以具有较好的市场前景，但由于其传动比范围较小的缘故，目前只限于 小车上的应用推广。 图2 6 丰田混合动力系统行星排部件的连接图 f i g 2 6c o n n e c t i 0 1 1o ft h ep 1 a n e t a r yg e a rt r a i no f t h s 针对现有各种复合c v t 所存在的无法回避的上述固有矛盾，本文探索并提出 了一类具有功率分流双向汇流功能的新型复合无级自动变速系统，意在使之既具 备机械式手动变速器传动效率高、许用传递功率和速比变化范围大的优点，又保 留了c v t 速比连续可调的完美特性，成为能综合无级与机械有级变速传动的优 点、摈弃它们缺点的一类新型无级变速器系统。 2 3 新型复合无级变速器的基本原理 图2 3 ( b ) 中“现有解决方案”的基本构成可抽象归纳成如图2 7 所示的结 构示意图。图中三角形代表一个或一组汇流单行星排及其