（车辆工程专业论文）金属带式cvt金属带力学分析模型的研究.pdf

金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 摘要 本篇论文主要针对金属v 带式c v t 的金属带带传动装置进行研 究，尤其对其主要部件金属带( 金属推块、钢环) 进行受力分析 并建立力学分析模型。 首先本文建立了简化的金属带受力分析模型，对不同稳态工况下 钢环张力、金属推块推挤力进行了计算求解并与相同参数条件下的试 验曲线进行比较分析，得到有关钢环张力和金属推块推挤力沿整条金 属带的分布规律，及速比和转矩比对钢环张力和金属推块推挤力的影 响。 然后本文针对简化模型前提假设的所忽略的内容作进一步的详 细分析。仁要涉及两个方面：( 1 ) 建立多层钢带模型的数值模型。( 2 ) 金属v 带式c v t 传动机构中金属带的轴向偏移加以较为详细的讨 论。 据此本文建立了包括多层钢带模型及采用适当方法消除了钢环 轴向偏移因素的复杂的力学分析模型，并对钢环张力( 包括各层钢带 的张力) 、金属推块推挤力进行仿真计算求解通过与相关试验曲线比 较分析验证了此模型的有效性，并取得比较准确的金属带式c v t 金属 带载荷分配及受力规律。f ， ， 最后本文从速度损失和转矩损失两方面分析了c v t 的功率损失 原理的基础上，利用此复杂的力学分析模型计算了不同c v t 输出转速 下c v t 的效率曲线，并与实际试验数据进行比较。本文的研究工作可 作为金属带式c v t 的强度设计，c v t 的液压控制算法的设计及进一步 设计高承载能力、高效率的金属带式c v t 等方面进一步研究的基础。 关键词：金属带式c v t 、力学模型、钢环、金属推毙效率 一v b 义 t h er e s e a r c ho ft h ef o r c ea n a l y s i sm o d e l f o rt h em e t a lb el r rc v t a b s t r a c t t h i st h e s i si sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho ft h et r a n s m i s s i o np a r to f m e t a lb e l tc v t , e s p e c i a l l yo nt h ef o r c ea n a l y s i so ft h em a i np a r to ft h e t r a n s m i s s i o np a r t t h em e t a lb e l t ( i n c l u d i n gt h er i n ga n dt h eb l o c k s ) t h e r e s e a r c hw i l lb et h eb e g i n n i n gw o r kf o rt h ed e s i g no fc v t t h et h e s i sf i r s ts e t s u p as i m p l i f i e df o r c e a n a l y s i s m o d e lf o rt h e c v t sm e t a lb e l t c o m p a r e st h ec a l c u l a t e dr e s u l t 谢血t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l tu n d e rt h es a m ep a r a m e t e r s ，a n dg e t st h ed i s t r i b u t i o nr u l e so ft h e r i n g st e n s i o na n d t h eb l o c k sc o m p r e s s i o nf o r c e a f t e rp o i n t i n go u tt h es h o r t c o m i n g so ft h es i m p l i f i e df o r c ea n a l y s i s m o d e l ，t h et h e s i sa n a l y z e st h ei m p o r t a n tf a c t o r st h a tt h es i m p l i f i e df o r c e a n a l y s i sm o d e ln e g l e c t s t h et h e s i ss e t su p an u m e r i c a lm o d e lt oa n a l y z e t h ec v t sl a m i n a t e db e l t s b e l tt e n s i o ni ne a c hb a n d t h et h e s i st h e n a n a l y z e s t h ea x i a l m i s a l i g n m e n t ，a n dp u t s f o r w a r ds e v e r a l w a y so f r e d u c i n g t h ea x i a lm i s a l i g n m e n t t h et h e s i s p u t s f o r w a r dt h e c o m p l i c a t e df o r c ea n a l y s i sm o d e la f t e r t h e s ed i s c u s s i o n s t h em o d e li s0 nt h eb a s eo ft h es i m p l i f i e dm o d e la n d i n c l u d e st h ec v t sl a m i n a t e db e km o d e la n dt h ew a yt oc o m p e n s a t et h e c v t sa x i a l m i s a l i g n m e n t t h em o d e li s v a l i d a t e db yc o m p a r i n gt h e c a l c u l a t e dr e s u l t sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i nt h ee n dt h et h e s i sa n a l y z e st h ep o w e rl o s sm e c h a n i s mo fc v ti n t w os i d e s t h e s p e e d l o s sa n dt h e t o r q u el o s s ，c a l c u l a t e s t h ec v t s e f f i c i e n c ya td i f f e r e n to u t p u t r o t a t es p e e db yu s i n gt h ec o m p l i c a t e df o r c e a n a l y s i sm o d e la n dc o m p a r e st h er e s u l t s w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h er e s e a r c ho ft h et h e s i sw i l lb et h eb e g i n n i n gw o r kf o rt h ed e s i g no fa h i g he f f i c i e n c yc v t k e yw o r d s ：t h em e t a lb e l tc v t ，t h ef o r c ea n a l y s i sm o d e l ，r i n g ，b l o c k ， e f f i c i e n c y 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：一z * 】1 年2 月2 7 曰 上海交通大学上海父逋大学 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 兀构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全音b 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，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“，) 学位论文作者签名：撇指导教师签名：9 f 南 日期：加1 年j月珊 符号说明 符号说明 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 的简 称，无级变速器 传动比 1 r 转矩比 ub金属推块与钢环间的摩擦系数 ua 金属推块与锥轮间的摩擦系数 ub a钢带间的摩擦系数 锥轮v 形槽斜面与纵向轴线问夹角 1 3 金属推块接触角的一半 y滑移角 l金属带长 t单个金属推块厚度 a 锥轮中心距 t m传递转矩 t + i n 最大可传递转矩 q 锥轮推力 上海交通大学碗十学位论文金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 第一章绪论 1 1 课题的背景、研究目的及意义 汽车变速器的任务是传递动力并在动力的传递过程中改变传动比，以调 节或变换发动机的特性，同时通过变速来适应不同的驾驶要求。人工操作的有 缴变速器转速变化突然，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。要保证发动机在行驶过程中处于良好的工作状态，采用自动变 速器至关重要，同时在减少污染保护环境方面，在减轻驾驶员的体力消耗和提 高驾驶与乘坐的舒适性等方面，也有重要的实际意义。 1 1l 目前自动变速器的几种类型 目前世界上使用最多的汽车自动变速器主要有3 种类型，一种是液力机械 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 ) ，一种是电控机械式自动变 速器( a u t o m a t e dm e c h a n i c a t r a n s m i s s i o n 简称“a m t ”) ，另一种是金属带 式无级自动变速器( 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 ”) 。 a 液力机械自动变速器 液力机械自动变速器的传动部分主要由液力变矩器和多组行星齿轮组成， 它有几个档位，是能实现局部无级变速的有级变速器，目前它是国际上使用得 最多的自动变速器，在美国采用液力机械自动变速器的轿车已达9 0 以上。其 优越性是免除了手动变速器繁杂的换档过程，仅通过油门踏板，便可实现自动 变速，使开车变得简单、省力。 液力机械自动变速器的电力控制系统使得换档柔和、平稳，乘坐与驾驶都 感觉很舒适。采用液力机械自动变速器无疑提高了轿车的档次，但结构复杂、 重量大、制造工艺复杂等也是它的特点。 b 电控机械式自动变速器 电控机械式自动变速器是在不改变原有机械变速器基本结构的基础上，通 过加装微机控制的自动操纵机构，取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与 接合、摘档与挂档以及发动机的转速同步调节等操作，最终实现换档过程的操 纵自动化。在电控机械式自动变速器中，它的主要功能通过软件来实现，微 机代替了熟练司机的大脑，多种传感器代替了人的感觉神经，电液或全电的执 行机械代替了人的手与脚的操作。电控机械式自动变速器由于原有的机械传动 结构基本不变，所以齿转传动固有的传动效率高、机构紧凑、工作可靠等优点 被很好的继承下来。 c 金属带无级自动变速器 金属带无级自动变速器属摩擦式无级变速器，其传动与变速的关键件是具 有v 型槽的主动锥轮、从动锥轮和金属带，金属带安装在主动锥轮和从动锥轮 的v 型槽内( 具体结构图参见第二章) 。当主动轮旋转时，通过金属带将主动 轮的扭矩传递给从动轮。每个v 型轮由一个固定锥盘和一个能沿轴向移动的可 动锥盘组成，来自液压系统的压力分别作用到主、从动锥轮的可动锥盘上，通 上海交通人学硕士学位论文金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 过改变作用到主、从动锥轮可动锥盘上液压力的大小，便可使主、从动锥轮传 递扭矩的节圆半径连续发生变化，从而达到无级改变传动比的目的。 作用在主、从动锥轮可动锥盘上液压力大小的变化是由电液控制系统控制 的，而电液控制系统则是依据道路的行驶阻力变化和驾驶员对油门的位置控制 等来进行工作的。例如：当汽车爬坡行驶阻力增加时，若油门不变，根据发动机 外特性，发动机转速自动下降，变速器的电液控制系统就会根据行车阻力信号 的变化，提高从动锥轮液压缸的压力，从而使主、从动锥轮和金属带配合的节 圆半径向减速的方向移动，达到自动减速，增加牵引力的目的。若汽车在平坦 的公路上行驶，驾驶员需要超车时加大油门，电液控制系统就会根据信号变化 迅速转换速比，使车速提高而且运行平稳，使驾驶员的操作大大减化。 1 1 2 发展无级变速器的重要意义 随着汽车保有量的激增，不仅使能源消耗大大增加，而且汽车排放的废气 中有害成分对环境造成的污染也愈来愈严重。因此，降低油耗和排放己成为汽 车研究的两大主课题。近年来为达到低能耗和低污染，已经找到了许多有效方 法，例如采用稀薄燃烧、汽油电控电喷、分层燃烧和采用代用燃料，如天然气、 氢气、电力等。但是，目前人们愈来愈注意把动力一一传动系统( p o w e r t r a i n ) 作为一个整体来研究。事实上汽车工业1 0 0 多年来的历史，主要是动力传动系 的技术史。8 0 年代中期以前内燃机的发展在汽车工业中起了重要作用，8 0 年代 中期后，由于计算机应用于换档变速技术，各种自动变速技术得到了充分的发 展从而动力传动系的特性场与汽车所需的特性获得最佳匹配，可大大降低能 耗和排放废气中的有害成分，这其中起主要作用的是汽车变速器。 由于无级自动变速器能与发动机最佳匹配，可以太大节约能源同时改善排 放及使汽车运行平稳( 这是目前其它方法所不能达到的) ，根据国外大量试验 证明，它与同类自动变速器相比，燃油经济性可提高8 ，排放降低1 0 ，在 节能和环保方面产生的经济效益和社会效益是非常显著的。金属带式无级变速 器自1 9 8 7 年在富士重工首次装车以来，在国际市场的竞争能力已经超过了具有 j 0 年历史的有级式自动变速器和1 0 0 多年历史的手动变速器。随着中国加入世 界贸易组织的步伐加快，开展这种新型变速器传动机理的研究，对于提高我国 汽车变速器的设计水平和参与汽车的国际竞争能力有重要意义。 1 1 3 无级自动变速器的特点 无级自动变速器( 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 ”。 通过国外大量的试验研究表明，由于它可同时节约能耗、降低排放污染、操纵 行驶方便等而受到目前汽车界的及大关注。而9 0 年代后期c v t 技术又是汽车自 动变速技术的最新突破，它把自动变速的方便性和手动变速系统的燃油经济性 有机的结合起来，这是上述其他方法所不能达到的。与手动和有级自动变速器 相比较，一般c v t 有以下特点： ( 1 ) 低能耗 c v t 与其他传动相比，能最好地协调汽车外界行驶条件与发动机负载， 可充分发挥发动机潜力，提高了整车的燃油经济性。c v t 与同类自动变速器( a t ) 相比，油耗可降低8 或更多。 2 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 ( ：) 动力性好 a c v t 控制发动机转速，相对于油门开度是闭环；而有级自动变速器，即 使电控变速器也只能判断何时升降档，相对于油门开度是开环。 b 定油门加速时，c v t 可以使发动机稳定在该油门下最大功率点工作，通 过c v t 调节适应各种车速变化，车轮上办获得恒定的最大功率输出，而有级变 速每档只有一点可发出最大功率这样必然影响汽车的动力性能。 c 有级机械变速器是切断动力换档，这样它不仅损失了加速能力，而且加 深了非稳定工作程度，使动力性、经济性、换档平顺性、乘坐舒适性等都下降。 c v t 则完全不同，它可保持发动机油门与转速不变，通过调节c v t 速比平稳地改 变车速，咀达到道路负荷与发动机功率新的平衡。c v t 总可按驾驶员意图工作， 正常行驶时汽车省油、嗓音低而且行驶平稳。当需要超车、加速和爬坡时，只 要猛踏加速踏板，c v t 就可自动增加速比使发动机立即达到最大功率点，发挥 出最佳性能。 ( 3 ) 低排放污染 c v t 可提供小于0 5 的超速比，扩大了汽车的变速范围，可使汽车在发动机 较低转速较高转矩工况下输出功率。这样可以在减少噪音、增加动力一传动 系效率，降低辅助装置的动力损耗的同时，使发动机转矩增加，燃烧效率提高， 排气中的c o 、c h 、n o 减少。国外大量试验表明，一般可减少排放污染2 0 左右， 与同类自动变速箱相比可降低1 0 。 ( 4 1 可靠性与舒适性方面前景广阔 传统的机械变速器可靠性和舒适性不够。可靠性和舒适性是现代车辆综合 改进的一个重要部分，传动系将对所述改进起重要作用。在可靠性方面是指受 力作用下零部件的疲劳，在舒适性方面主要指改善换档的质量。而从这些问题来 看，传统的机械变速器已经无法提高可靠性和舒适性，而c v t 在这些方面将具 有广阔的前景。 当今汽车工业的一项紧迫任务是提高汽车燃油经济性、降低汽车有害气体 排放。采用电子控制技术的c v t 的研究不仅可改进油耗和排放( 环保) 而且还 可大大提高汽车的驱动性能和舒适性。 1 1 4 世界及我国c v t 研究现状 世界汽车生产大国对c v t 研究十分重视，近十年来c t t 在世界上得到了迅 速发展，德国z f 公司从1 9 9 1 年开始投资2 0 0 0 万马克进行c v t 课题研究，在1 9 9 7 年己成功研制出c f t 、c r t 、c t t 等三个产品系列，并于1 9 9 9 年决定投资十亿美 元与美国福特( f o r d ) 公司合作在美国建立年产j 0 0 万台c v t 的汽车变速器工 厂。 日本富士重工( s u b a r u ) 1 9 8 4 年开始c v t 研究，并生产出e c v t 装斯巴鲁 ( j u s t y ) 轿车成功使用。此外同本同产( n i s s a r l ) 本田( h o n d a ) 都已成功研制c v t 变速器装车使用，f 产还与英国、台湾等合作生产c v t 。 美国通用( g m ) ( 研制环型牵引c v t ) 、福特( f o r d ) ( 研制c t x ) 都己成功 并装车使用。目前世界装c v t 的车辆已有1 0 0 多万辆。大量实际使用都充分证 明了c v t 上述优越性能。 上海交通人学硕士学位论文 金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 从6 0 年代中期，荷兰v a nd o o r n e s 公司首先开发并研究了刚体摩擦 c v t 一一所谓“牵引传动”，由于它的优越性能得到世界各国极大关注。其间较 长时l 司由于该公司不能提供质量稳定的钢带( 重要部件) ，直到8 0 年代后期， 这种钢带的供应问题y j l 得到解决。随着电子控制技术的完善配合，c v t 的优势才 愈柬愈引起人们的关注。1 9 9 7 年荷兰v d t ( v a nd o o r n e s ) 公司和b o s c h 公司合 并后，c v t 传动技术在世界各国j 下以更快速度发展，本文的研究对象主要是荷兰 v d t 公司的“p 8 1 1 ”型金属带式c v t 。 1 1 5c v t 的大致分类 根据不同时期c v t 的设计构思可分成不同类型，如摩擦式c v t ，牵引式 c v t ，静态液力式c v t 动态液力式c v t 和电子c v t 等。 ( 1 ) v 型带c v t 目前，v 型皮带c v t 采用功率传动皮带引起了广泛的兴趣，由于它能达到 高的传动效率，可实现平稳的速度变化。许多年前，b a n d 0 化学工业公司开发了 一种块型v 皮带( 称为一种块v 带) 。对于无润滑的重质c v t ，它由一些推块 和两条加强纤维皮带( 橡胶带) 组成。 v d t ( v a nd o o r n e s 公司) 已经成功地开发了具有最佳的紧凑结构和功率系数 值的金属v 型带c v t ( 图4 ) ，它使c v t 用于汽车成为可能。这种被v d t 首先开 发的会属v 型带，称为推块舍属v 型带。该带传动与其他型式牵引传动如液力 或电力c v t 相比具有较高的效率甚至好于相当的有级汽车自动变速器。 ( 2 ) 环形牵引c v t 环形牵引传动型c v t 己有很长的历史，1 9 6 0 已发表了有关这种c v t 的许多 研究报告，其中包括美国家研究丌发部和k r a u s 以及汽车制造者们所做的有关 研究工作，g m 公司开发了一种实验性的环形牵引传动c v t ，它用于一个2 0 0 k n 燃 汽轮机为发动机的车辆，综合效率超过9 0 1 16 未来趋势 ( 1 ) 开发能适应更大功率范围、满足更好的性能成本要求的新型传动带。 ( 2 ) c v t 要具有包含车辆设计所需的特有优点的可能性，使车辆与动力源更好匹 配。 ( 3 ) 进一步的开发工作将集中于改善效率和减轻重量。 f 4 ) 开发电子控制c v t 使与发动机综合控制( 对管道压力与发动机速度的电控， 对变矩器与锁止离合器的电控，电控滚子叶片泵流量控制阀) 。总之，要对 整个动力系统提供一个综合控制的可能性。 1 1 7 本文研究方向及所属课题项目 本文主要针对金属v 带式c v t 的带传动装置进行研究，尤其对金属带( 金 属推块、钢环) 受力分析并建立力学分析模型，可作为金属带式c v t 的强度设 计，进一步提高金属带式c v t 的承载能力并为金属带式c v t 的液压控制等进一步 研究的基础。 本文在对金属v 带式c v t 的带传动装置的结构分析、工况分析及传动原理 分析的基础上，总结国内外相关的力学模型的优缺点，建立了简化的金属带受 力分析模型，对不同工况下钢环张力、金属推块推挤力进行了仿真计算求解并 d 上海交通大学硕七学位论文金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 与试验盐线进行比较分析。 在此基础上针对简化模型前提假设的所忽略的内容进行进一步的分析( 主 要是建立多层钢带模型的数值模型及并对钢环轴向偏移的计算分析，提出消除 轴向偏移的方法) ，最后建立包括多层钢带模型及采用适当方法消除了钢环轴向 偏移因素的复杂的力学分析模型，对钢环张力、金属推块推挤力进行仿真计算 求解通过与相关试验曲线比较分析验证了此模型的有效性，获得比较准确的金 属带式“t 金属带载荷分配及受力规律：从速度损失和转矩损失两方面分析了 c v t 的功率损失原理的，利用此力学分析模型计算了不同c w t 输出转速下c v t 的 效率曲线，并与实际试验数据进行比较。 1 2 本文结构安排 l 本文的研究要象：金属蔓式c v t 的传动装置堂结构、金 属带的详细结构及c v t 的动力传递过程及其变速原理 一啦舭舱脯搏撕鲫r + 建立多层钢带的数值分析模型 + 分析金属带轴向偏移现象并提出消除轴向偏移的方法 建立复杂力学分折模型 0 利用复杂力学分析模型计算c v t 效率曲线并于试验结果比较分析 上海变通大学硕士学位论文金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 第二章金属带式无级变速器的结构及传动原理 2 i 金属带式无级变速器带传动装置结构 幽2 - i金属带式无级变速器带传动装置结构简图 ( 1 从动轴活动锥轮 锥轮也称带轮 2 主动轴固定锥轮，3 主动轴活动锥轮，4 从动轴固 定锥轮5 金属带) f i g u r e2 - 1t h e s t r u c l u r eo f t h eb e l t - t r a n s m i s s i o np a r to f c v t ( 1d r i v e nm o v a b l ep u l l e y 2d r i v i n gi m m o v a b l e p u l l e y 3d r i v i n gm o v a b l ep u l l e y ，4d r i v e n i m m o v a b l ep u l l e y ，5m e t a lb e l l ) 2 2 金属带式无级变速器带传动装置中主要部件金属带的结构 v a nd o o m e 。s 传动装置公司开发的金属v 带是由两组钢环( 钢环由1 1 层 o 2 r a m 厚的薄钢带组成) 梯形的2 2 m m 厚的2 9 8 块金属推块满装在钢环上。 图2 2 所示为金属v 带结构示意图。图2 3 所示为金属推块尺寸图。每片钢环 的厚度为0 2 r a m ，2 组钢环插入推块两侧的狭槽内。 图2 - 2 金属带结构示意图 f i g u r e2 - 2t h es t r u c t u r eo f t h e m e t a lv - b e l t 上海交通大学硕士学位论文金属带式c y t 金属带力学分析模型的研究 - _ 卜卜 夤注 三l 量 r 、4 1 i i , q 1 0 _ 1 ， 剀2 - 3 金属推块尺寸幽 f i g u r e2 - 3t h e d i m e n s i o no f t h em e t a lb o l c k 2 2 1 钢环 钢环的作用是引导v 型的会属推块，并使他们在一定的预紧压力下工作。 在实际工作中，钢环的张力有可能是预紧张力的1 5 2 倍，因此对不同工况 下钢环张力的较为准确的估算是c v t 设计中的很重要的环节。 当金属带工作于较小半径上时，会产生较大的弯曲应力，这会极大的减少 金属带的寿命，因此一般钢环采用多层薄钢带组成以减小弯曲应力。 为了便于组装，钢环被分成两组嵌入v 型金属推块的两侧面沟槽里。 钢环必须有较高的韧性和极高的抗弯曲循环次数。此外钢环的各层钢带还 必须均载，即上层钢带的内径和下层钢带的外径公差应小于o 0 2 r a m ，且两个连 续钢带之f = j 的应力差小于6 0 m p a ( 据参考文献 2 】) ，否则钢带极易损坏，这也会 严重缩短c v t 的寿命。 2 2 2 金属推块 金属推块的主要作用是传递金属带的实际力。由于高效、低噪音的原因， 推块必须保持在某一个由钢环张力引起的预紧压力下工作。在传递转矩时，在 钢环的紧边和松边对金属推块的压力是不同的。鉴于弹性特性、强度及低噪音 的要求，金属推块的厚度一般为2 0 - 2 2 r a m 。 2 3 金属带式无级变速器的动力传递过程及其变速原理 上面的图2 1 表示了金属带式无级变速器的带传动装置的结构简图。发动 1 上海交通人学硕十学位论文金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 机输出的动力传到金属带式无级变速传动装置的主动锥轮，通过v 型金属带将动 力传输到从动锥轮，之后经减速器与差速器传递到车轮。带传动装置是其核心部 分它主要由主动锥轮、从动锥轮以及v 型金属带组成。其主、从动轮均为组 合结构，由活动锥轮和固定锥轮组成。主动锥轮的活动锥轮和固定锥轮形成的v 型槽与v 型金属带啮合，实现动力传递。在工作中。当主、从动锥轮的活动锥 轮沿轴向移动时，可改变会属带在主、从动锥轮上的工作半径，从而改变无级 变速器的传动比。活动锥轮的移动量根据汽车变速的要求，通过调节作用在主、 从动锥轮油缸内的液压压力来实现的。由于液压力的调节是连续变化的，所以 可实现汽车的无级变速传动。咀下为金属带式无级变速器的动力传递过程及其 变速原理简图。 图2 - 4 金属带式无级变速器的动力传递过程及其变速原理简幽 f i g u r e2 - 4t h e i l l u s t r a t i o nf i g u r eo f t h ep o w e rt r a n s m i s s i o np r o c e s sa n dt h et h e o r yo f v a r i a b l e t r a n s m i s s i o n 培 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 第三章金属带式无级变速器金属带的简化的力学分析模型 国外现在有许多关于金属带受力分析的模型及相关的金属带式c v t 传动机 理的理论，如s u n l l l 的理论和g r e b e r t l 2 的理论。但这些理论中有许多问题没有 得到很好的解决。如s u n 1 1 的理论，就忽略金属带的径向运动，假定金属推块 与锥轮间的摩擦力仅存在于圆周方向；而g r e b e r t 的理论，忽略了钢环和金属推 块间的摩擦力。使力学分析模型不能得出令人满意的结果。本章在分析借鉴了 g r e b e r t 的理论并总结了多个国内外相关模型的优缺点后，建立了一个金属带式 c v t 简化的模型，虽然此模型为了简化而作了许多假设，没有能解决很多现有 的力学分析模型存在的问题，但此模型引入了金属推块与锥轮间的径向摩擦力 及钢环和金属推块间的摩擦力，较s u n 的理论和g r e b e r t 的理论有了进步，同 时它做为本篇论文研究的初始模型，为以后的研究打下了基础。而且，运用此 简化模型的计算结果与试验结果大部分时候能较好吻合，且计算简单，因此有 一定的实际运用价值。 3 1 金属带式无级变速器带传动装置简化模型的建立及其前提假设 由于金属带式无级变速器的实际受力情况非常复杂，而且随着工况不同而 改变，为了便于分析建模，简化受力分析过程及力学方程，本章作了如下假设： ( 1 ) 由于金属推块的厚度( 为2 2 m l n ) 与锥轮包角上金属带的总长相比很小， 可认为金属推块问相互作用的挤压力q 是连续的，即忽略两相邻金属推 块间的间隙。 ( 2 ) 仅考虑金属推块与钢环间( 金属推块马鞍面) 的节距半径差对摩擦力方 向的影响，忽略金属推块与钢环间的节距半径差的其它影响。 f 3 ) 忽略金属推块弯曲变形的影响，锥轮为刚体，忽略锥轮变形的影响。 f 4 1 金属带钢环中的叠层钢带近似看成一条钢环，它所受的周向张力为t 。 ( 5 ) 忽略钢环的厚度，忽略钢环内层与外层节距半径差的影响。 f 6 ) 不考虑金属带的轴向偏移。 ( 7 ) 假设所有摩擦系数为常量，不会随着工况的改变而改变。 ( 8 1 金属带传动模型建立在稳态基础上，忽略其他的惯性力的影响。 圭童奎望查堂耍士堂焦算文金属带式c v t 金属带力学分折模型的研究 p u l l e y 幽3 7 金属推块上的受力分析模型( i 1 ) f r i g u r e3 - 7t h e f o r c e so nt h eb l o c k ( i 2 0 时，k 仍大于5 0 ；可见钢带数的增加对减小最内层载荷影响 不大。 图4 1 0 为摩擦比l 与有效张力比k 的关系( n = 1 0 ) ，从图中可以看出当增 加时，k 显著增加；即相对于钢带数n ，l 对有效张力比k 的影响更大。= 1 1 n 时，k = o ，即最内层钢带张力为0 。 3 0 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 图4 9 有效张力比k 与钢带数n 的关系 f i g u r e4 - 9 t h er e l a t i o nb e t w e e nka n dn 图4 1 0 摩擦比e 与有效张力比k 的关系 f i g u r e4 - 1 0 t h er e l a t i o nb e t w e e nb e t w e e nea n dk 4 8 本章结论 本章所建立的数值模型在多层钢带系统的传动机理的分析中是有效的，计 算结果与国外实验室的试验数据相吻合也证明了数值模型的有效性。其后的简 化公式是基于数值模型基础上的。通过数值模型，简化公式及相关计算结果， 可以得出如下结论： ( 1 ) 传动比i 对多层钢带系统的功率传递影响很大，当传动比i 1 时，第o 层的 张力变化与其他层很不相同；除了第0 层外，其它层的张力变化相同；除 了第0 层外其它层都在半径较小的锥轮上发生滑移。 ( 2 ) 钢带间的摩擦系数小于最内层钢带和金属推块间的摩擦系数时，载荷集 3 1 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 中于最内层钢带。这样将会使最内层钢带过早损坏，极大的影响金属带 的寿命。因此我们应使钢带间的摩擦系数大于等于最内层钢带和金属推 块问的摩擦系数。 ( 3 )此多层钢带的模型能应用于复杂的金属带力学分析模型。 3 2 兰墼望大学硕士学位论文金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 第五章金属带式无级变速器金属带轴向偏移分析 5 1 引言 本章将就简化模型所忽略的另一个重要环节金属v 带式c v t 传动机构 中金属带的轴向偏移，及如何消除其对金属v 带式无级变速器传动过程得影响 展开讨论。金属带式无级变速器金属带的轴向偏移是a 厂r 特定变速方式的必然 结果，早期的研究均忽略了这一现象。随着研究和应用的逐步深入，人们发现 金属带的轴向偏移会导致金属带与带轮的相互滑移和附加磨损，消耗额外能量， 这将直接影响c v t 传动的性能和传动效率及及c v t 金属带的寿命。因此对 金属v 带式无级变速器轴向偏移的分析是非常必要的。 本章首先对金属带轴向偏移现象进行描述及产生原因进行分析，然后用数 值求解的方法计算c v t 在变速过程中金属带轴向偏移的大小。本章还比较了两 种计算轴向偏移方法的精度，同时提出了减少金属带轴向偏移的几种方法。 5 _ 2 金属带轴向偏移现象 5 2 1 轴向偏移现象 金属带式无级变速传动金属带的轴向偏移现象是现有c v t 变速方式的必然 结果。当主从动锥轮均采用两可动锥轮对称地同轴相对或相背移动的变速方式， 则不存在金属带的轴向偏移现象，但考虑到变速机构的简易和可操纵性。现有 的c v t 都采用了单一可动带轮的变速方式，主从动锥轮各有一可动锥轮和固定 锥轮，两固定锥轮相对布置，两相对的可动锥轮同向移动。图5 - 1 为金属带式无 级变速器的金属带轴向偏移计算简图，当主动端可动锥轮轴向移动2 c 。，从动端 可动锥轮同向轴向移动2 c s 时，金属带中心线主、从动端分别同向移动c 。和c s ， g 和c s 并不总相等因此产生了金属带的偏移。金属带的轴向偏移会导致带与带 轮的附加磨损，消耗额外能量，这将直接影响c v t 传动的性能和传动效率，因 此有必要对c v t 传动金属带的轴向偏移进行深入研究。 3 3 - 上海窭通大学硕士学位论文金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 幽5 1 金属带式无级变速器的金属带轴向偏移计算简图 f i g u r e5 - 1t h e i l l u s t r a t i o no f t h ec a l c u l a t i o no f c v t sm i s a l i g n m e n t 5 3 金属带式无级变速器的金属带轴向偏移的计算及两种计算方法的计算精度 比较 5 3 1 金属带式无级变速器的金属带轴向偏移计算中的基本几何关系 基本几何关系的推导基于如下的假设： ( 1 ) 由于金属带的弹性模量较大，因此忽略金属带受力后的弹性伸长，假设金 属带在变速的过程中几何长度保持恒定不变。 ( 2 ) 忽略金属推块及锥轮的变形对几何关系的影响，假设金属带与带轮的作用 弧段是理想的圆弧。 所用的符号说明如下： r n 主动锥轮半径； r o 。对中时主动锥轮半径： 。3 4 = 兰童奎望茎堂堡主兰垡笙苎 全星堂茎! ! ! 垒星堂查堂坌堑堡型竺塑窒 c 。主动锥轮端带中心线的移动： r ；从动锥轮半径： r s m - 一对中时从动锥轮半径； c 广一从动锥轮端带中心线的移动； n 图5 1 中定义的角度； e 图5 1 中定义的锥轮锥角； c 金属带中心线的偏移de ( 图5 1 ) ； b ，一主动锥轮包角； a _ 一两带轮的中心距o i 0 2 ； i 带的长度： b s _ 一从动锥轮包角。 由图5 - 1 ( a ) ，有如下的关系： 上= 0 4 + 屈+ 2 瓜忑丽l i 一= 7 一2 a【 ；b 、= e 2 ut s i n 口：2 立l 5 1 出口 j 0 在图5 - l ( b ) 中，主从动锥轮的固定锥轮相对布置，当主动锥轮半径为r 。 从动锥轮半径为r s 。时，金属带的偏移为零。在变速的过程中，金属带的中心线 端点分别在平行于相应固定锥轮母线，与母线轴向距离为l 2 钢片宽的p tp 2 和 s ls 2 线上滑动。因此有如下关系成立： c p 气r p m - r p ) t a n e i c ：= ( r s 。一r s ) t a n0 5 - 2 c 2 c p + c sj 联立公式5 - l 、5 2 ，可得到l = f ( i ，a 山) 的非线性方程，当已知带长l ，中心 距a ，金属带无偏移时主从动带轮的半径r d m 、r s m 时，用数值解析的方法便可求 出一定速比条件下主从动锥轮的半径、包角、带中心线的移动量及金属带的偏 兰塑茎望丕兰堕主兰垡丝塞 全星堂茎! ! ! 垒堡堂查堂坌堑塑型塑堑室 移大小。取l = 6 5 5 0 0 0 m m ，a = 1 5 5 0 0 0 m m ，i = o 5 0 0 2 5 0 0 ，o = 1 1 。若r p 。= f s 功 = 5 5 0 6 0 r a m ( i m = 1 ) ，则运用m a t l a b 5 3 为工具计算结果如图5 2 所示。图5 - 2 中 箭头i 所指的曲线代表主动锥轮参数，箭头2 所指的曲线代表从动锥轮参数。 ( u ) 舒 ：6 5 4 5 2 5 t ( 2 ， f t j2 3 s p e e dr b t i oi ( 曲 王+ q ( r b d ) 量l a3 4 丑s 2 岛 2 4 0 9 ( 1 i ) c o 6 y 1 v s l 。此结果表明在 有较小接触角的较小半径的锥轮上，钢环速度较金属推块马鞍面的切向速度小， 钢环会在此锥轮的所有金属推块上滑移。类似的由于各层钢带的间距半径的不 同，钢环的各层钢带问也会在较小半径的锥轮上产生滑移。 基于以上的讨论，为了得到收敛并合理的结果，在模型的迭代计算中必须 引入以下的步骤。当i r d r 时，对主动锥轮上的各层钢 带节点在与钢环速度反方向上施加一微小位移，直到主动锥轮上的钢环与锥轮 间及各层钢带间发生微小位移为止。 6 2 金属带式c v t 金属带受力的复杂数值力学模型 由于金属带是左右对称的，因此我们可以取其一半进行受力分析的研究。 6 2 1 半根金属带模型的详细的受力分析图 图6 - 2 显示了第k 个金属推块及相应位置钢环的受力分析图。由于钢环为多层 钢带系统，因此我们假定总共有1 1 层钢带，并在图6 2 a 中具体了标出第j 层钢 带中相对于第k 个金属推块位置的钢带的受力分析图。 上海交通大学硕士学傅论文金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 k + 1nt h e ii a v e r 斟6 ：a 钒环的受力分析图( 第j 层钢带中相对于第k 个金属推块位置的钢带的受力分析图) f i g u r e6 - 2 at h e f o r c e so nt h e r i n gn o d e ( t h ek t hn o d eo f t h e j t hl a y e r ) r o t a t i o n 、 到6 - 2 b 第k 个金属推块伉置的钢环的受力分析图( 钢环张力川各层钢带张力总和r 表示) f i g u r e6 - 2 b t h ef o r c e so nt h er i n ga tt h ep o s i t i o no f t h ek t hb l o c k 甬( k ) 图6 2 c 第k 个金属推块的受力分析图 f i g u r e6 - 2 ct h e f o r c e so nt h ek t hb l o c k 4 了 上海交通大学硕士学位论文 金属带式c v t 金属带力学分析模型的研究 ( 1 ) 钢环的张力为t 有t = y r ? 爿。 ( 2 ) p 为垂直作用于金属推块鞍部的法向力。 ( 3 ) 为第j 层钢带与第j 一1 层钢带间的摩擦力，p j 为第j 层钢带与第j + 1 层钢 带间的摩擦力，最底层钢带即第1 层钢带与金属推块间的摩擦力为f g t 。 ( 4 ) 金属推块间的推挤力为e 。 ( 5 ) 金属推块与锥轮v 形斜面间的法向作用力为n 。 ( 6 ) 锥轮与金属推块间的切向摩擦力为f t 。 ( 7 ) 锥轮与金属推块间的径向摩擦力为f r 。 ( 8 ) 另半块金属推块对所研究的半块金属推块的轴向力为a 。 ( 9 ) n 为楔角的一半。 o o ) b 为金属推块接触角的一半。 由受力分析图，可得到力平衡方程如下： 钢环的各层钢带的力学方程为： 或= 砖c o s ( b 、) 一n + c o s ( bn l