（车辆工程专业论文）金属带式无级变速器（cvt）动力学分析与研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 动力学性能分析与研究 金属带式无级变速器( c v t ) 动力学特性分析与研究 摘要 本篇论文主要对金属v 带式无级变速器( c v t ) 进行研究，系 统分析了金属v 带式c v t 的主要部件金属带( 金属推块、钢环) 的受力，在已有的静力学模型基础上，建立了c v t 的动力学模型， 并根据此模型对其动态特性进行了仿真分析。 本文首先系统地分析了金属带式c v t 的工作原理，对其摩擦性 能和效率进行了实验研究，然后在前人工作的基础上，根据橡胶带传 动的力学原理和金属带的特性，对不同工况下的钢环张力、金属推块 挤推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，得到了有关钢环张力和金属推块推挤力在换档过程中的变化规 律，并分析了速比和转矩比对钢环张力和金属推块推挤力的影响。 本文的动力学模型可以用于金属带式c v t 的设计计算和仿真分 析，也可以用于c v t 的控制计算和研究。在此基础上，可以进一步 研究c v t 与整个传动系统的匹配优化，研制高承载能力、高效率的 金属带式c v t 。 关键词：变速器、金属带式、c v t 、动力学特性、效率 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 动力学性能分析与研究 t h e a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fd y n a m i c s p e r f o r m a n c ef o rm e t a lb e i tc v t a b s t r a c t t h e 髓e s i sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho ft h em e t a lv - b e l tc 踞a n d s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h ef o r c eo n t h em a i nc o m p o n e n to f c v t 】e m e t a lb e l t ( i n c l u d i n gt h ep u s h i n gb l o c ka n dm e t a lr i n g ) b a s e do nt h e e x i s t e dm o d e lf o rs t a t i c s ，am o d e lf o rd y n a m i c sh a sb e e nb u i ki nt h e t h e s i s ，a n das e r i e so fd y n a m i c ss i m u l a t i o na n da n a l y s i sw a sp r o c e s s e d t h et h e s i sf i r s ti l l u m i n a t e dt h em e c h a n i s mo fc v t , t h e nf r i c t i o n p e r f o r m a n c ew e r ee x p l o r e dv i as o m ee x p e r i m e n t s b a s e do nt h eh a r d w o r kd o n eb yo t h e r r e s e a r c h e r , a c c o r d i n g t ot h em e c h a n i s ma n d p e r f o r m a n c eo fc v t , as e r i e so fc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nw e r ed o n e w i f l ai t sc o n c l u s i o n c o m p a r e d t ot h e e x p e r i m e n t c o n c l u s i o ni n a p p r o x i m a t ec o n d i t i o n i nt h ee n d ，t h ev a r i e t yr u l eo ft h er i n g st e n s i o n a n db l o c k sc o m p r e s s i o nf o r c ew a sc o n c l u d e d t h et h e s i sa l s oe x p l o r e d t h ei m p a c tw h i c ht h er a t i ov a r i e t yo fr o t a t es p e e da n dt o q u ei m p o s e do n t h em e t a lr i n ga n d p u s h i n g b l o c k 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 动力学性能分析与研究 t h ed y n a m i c sm o d e lc a nb e u s e di nt h ed e s i g nc a l c u l a t i o n , s i m u l a t i o na n dc o n t r o lo fc v t o nt h eb a s eo ft h em o d e l ，w ec a nf u r t h e r t h er e s e a r c h0 nt h em a t c h i n gb e t w e e nc v ta n dt h ew h o l ed r i v es y s t e m ， a n dt h e nd e s i g nm o r ee f f i c i e n ta n dm o r ep o w e rc v t k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o n , m e t a lb e i t , c v t , d y n a m i c sp e r f o r m a n c e ， e f f i c i e n c y 上海交通大学 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。本人授权上海交通大学可以将本学位 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。 保密曰，在至年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 7 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：慨 指导教师签名 日期：弘弓年弓月i 。目日期凶净 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，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：弘弓年了月。日 上海交通大学硕士学位论文 金属带式c v t 动力学性能分析与研究 1 1 课题背景及意义 i 1 1 课题背景 第一章绪论 经过一个多世纪的研究和发展，内燃机技术已经发展到了一定的阶段，改 进的余地越来越小，其效率和性能的提高也越来越困难，燃油经济性和排放的 提高实际上也已经停滞。尽管许多内燃机车辆符合现行的低排放标准，但是， 随着这些标准的提高，内燃机将很难通过这些标准。新的动力装置的研制进展 缓慢，因此，提高传动装置的性能以满足内燃机的输出特性成为实现燃油经济 性和排放标准的重要途径。但是目前传统的手动变速器和液力机械变速器的发 展空间越来越小，将很难满足日益严格的排放标准，而c v t 由于其固有特性能 满足这一要求，因此加强c v t 的研究是有必要的。 国际汽车市场竞争日益激烈，客观上要求缩短产品周期。借助计算机仿真 是一种快速高效的设计方法。而计算机仿真需要一个比较合理的模型，尤其是 力学模型对计算机仿真非常重要。国内外在c v t 的研究方面已经取得了明显的 成果，建立了一系列经过试验验证的有效的力学模型，但是这些模型大多集中 在静力学研究方面，动力学研究并不多。如何研究一套有效的动力学模型已经 成为了c v t 研究中一个重要的课题。 1 1 2 课题意义 c v t 性能的实现需要有理想的控制，目前得到c v t 控制规律的方法主要是 实验，这样不仅成本高，而且所需要的时间很长。本论文探索性地研究c v t 的 动力学特性，为建立一个有效的力学模型，有利于实现c v t 的控制规律的研究 和实现，并能应用于c v t 的设计计算。借助这一模型，不仅可以大大节约实验 成本，也可以在“时间就是效率”的今天为c v t 的开发和研究节约宝贵的时间。 汽车性能的研究需要建立完整的整车模型，传动系统的研究需要建立完整 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 动力学性能分析与研究 的系统模型，而任何系统模型都是由相应的子模型组成，变速器是传动系统的 重要部分，因此c v t 力学模型相应地也就是传动系统乃至整车力学模型的重要 子模型。本论文探索性地研究了汽车的动力学模型，这一动力学模型为建立传 动系统模型甚至整车模型提供了理论基础。 计算机仿真技术已经广泛地应用于汽车的设计和研究，本论文同样采用计 算机仿真技术，将其应用到c v t 的研究当中，进一步肯定了计算机仿真技术在 汽车研究当中的有效性。 1 2c v t 概述 1 2 1c v t 的类型 现今的汽车基本上全部使用手动或者自动的多重行星齿轮系变速器，多重 行星齿轮系使用完整的离合器和皮带轮，因而能够实现有级的齿轮传动。典型的 自动变速器使用4 到5 个这样的齿轮，而手动变速器通常使用5 到6 个。无级 变速传动中的任何一个基本类型的c v t ，都可以获得连续可调的速比来代替不连 续的齿轮传动比。下面是几种基本的c v t 类型： 金属带式c v t 这种c v t 使用多片金属块叠在 钢环上，如图1 1 所示。金属带在两 个带轮之间传递动力，每个带轮都是 由一个固定锥轮和一个活动锥轮组 成。传动时，由传感器采集发动机的 输出数据，然后中央控制单元通过特 定的控制算法得到控制参数来控制 两者之间的距离，使传动皮带松紧合 图1 1 金属带式c y t f i 9 1 1m e t a lb e l tc v t 适，滑轮间距离的连续改变或者说它们比值的改变与换向齿轮相似。 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 动力学性能分析与研究 金属带式无级变速器最近 几十年才开始发展，特别是最近 在带设计方面取得的新的进展已 经在世界范围内引起了汽车制造 商的注意。 环形牵引式c v t 这种变速器利用较高的粘 性剪切力在输入带轮和输出带轮 之间传递扭矩。随着带轮的移动， 图i 2 环形牵引式c v t f i 9 1 2t o r o i d a lc v t 、 0 i - * 其轴向位置和滚轮角度会发生变化( 如图1 2 所示) ，最终导致齿轮传动比的 改变。 变径式弹性带 这种型号的c v t 使用一个平的柔性带安装在可移动的两个支撑盘上，这些 支撑盘可以改变半径和传动比，不 过传动比过高时，这些支撑盘会分 离开来，从而导致传动比的不连续 性( 如图1 3 所示) ，可能会导致 滑移。这个固有的缺陷严重阻碍了 这种c v t 的研究和发展。 其他类型的c v t 在汽车制造领域历史中，其他 型号的无级变速器也得到了发展， 图l3 变直径弹性带 f i 9 1 3v a r i a b l ed i a m e t e rb e l tc v t 但是它们的影响不如金属带式c v t 和环形牵引式c v t 。盘旋牵引驱动c v t 使用一 个绕轴旋转的锥形轴在c v t 中改变“齿轮”半径，当锥体角度改变时，入口半 径减小，同时出口半径加大；或者反过来。最终形成一个连续改变的齿轮传动 比。变外形c v t 使用可调的行星齿轮系来改变齿轮传动比，但这更像是一个柔 上海交通大学硕士学位论文 金属带式c 1 ，t 动力学性能分析与研究 性的传统变速器而不是真正意义上的c v t 。 1 2 2 背景和历史 严格意义上说，无级变速传动( c v t ) 并不是一个新概念，l e o n a r d o 的v i n c i 在1 9 4 0 年就提出了c v t 的概念。在汽车应用领域，无级变速器差不多在轿车出 现的时候就开始使用，当然在自动变速器领域也是如此。通用汽车在2 0 世纪3 0 年代早期就开发了整体式环行c v t ，只是由于成本的关系，最终放弃了大规模的 应用。通用汽车研究机构在2 0 世纪6 0 年代又一次研究c v t ，但是没有推出最终 产品。英国制造商a u s t i n 多年来在其一种小型轿车上使用过c v t ，但是最终因 其成本过高，可靠性太差，传动扭矩不足而不得不停止使用。许多早期的c v t 使用简单的橡皮圈和圆锥体系统，像荷兰d a f 公司在1 9 5 8 年研发的那样。然而， d a f 公司的c v t 只能用于0 6 升的发动机，并且噪音问题和平顺性不好影响了 其声誉。 换档操作时沉闷的齿轮结合的声音对每一个驾驶员来说都很熟悉，但对于 无级变速器则是完全平稳的，它只是自然的、小心的、微小的改变传动比，从 而驾驶员和乘客只是感受到稳定的加速性能。理论上，c v t 将会减少发动机疲劳 并且传动更为可靠，因为噪声传递特性和传动比的连续性能让发动机以最优的 速度运转。 此外，c v t 提供较高的效率和性能。表1 1 中显示的是一个典型的5 档自 动变速装置的效率，其平均效率超过8 6 ，与典型的手动变速器相比其最高效率 达9 7 。通过比较，下列表1 2 给出了不同c v t 设计的效率范围。 4 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 动力学性能分析与研究 表1 1 效率与自动变速器齿轮比 t 曲1 1e f f i c i e n c ya n dr a t i o 齿轮 效率范围 6 0 8 5 6 0 9 0 8 5 9 5 9 0 一9 5 8 5 9 4 表1 2 不同o c t 设计的效率 t a b l 2e f f i c i e n c yo f d i f f e r e n tc v t c v t 机构 橡胶带 金属带 环行牵 章动牵 效率范围 9 0 一9 5 9 0 9 7 7 0 一9 4 7 5 9 6 这些c v t 都能提供与传统自动变速器相比更高的效率；与手动变速器相比， 它们的效率很少因为操作人员的操作习惯而产生大的变化。此外，因为c v t 允 许发动机不受车速影响在最佳效率点运转，与传统变速器相比，装备c v t 的车 辆能够取得更好的燃油经济性。 多年前z fg m b h 实验发现c v t 与4 档自动变速器相比，在美国环境保护机 构城市和高速公速循环体系中，至少节省1 0 的燃油。此外，c v t 在0 6 0 m i l e h o u r 加速度测试中至少要快上1 秒。其高燃油效率可以在目前使用c v t 的 h o n d a 市内车辆上看出，一辆装备自动变速器的车辆每加仑油在市区高速公路 上平均行驶的路程是2 8 3 5 英里，而同样装备c v t 的车辆每加仑汽油在市区高 速公路上平均行驶的路程是3 4 3 8 英里。h o n d a 多年来在市区车辆上使用无级变 速器，但是这些只是1 6 升轿车，并且其应用受到最大扭矩的限制。正在进行 的研究和开发必然将使c v t 更广泛的应用于机车和汽车上。 i 2 3 挑战和限制 c v t 发展缓慢有很多原因，但很大程度上，发展的延迟可以归结在需求不 足上，因为很长时间以来，传统手动和自动变速器已经能够提供足够的性能和 燃油经济性。因此，c v t 发展中遇到的问题经常阻挡了预期的进展。设计人员没 能成功的研发出一种c v t ，去满足最大的扭矩、效率、尺寸、重量和制造成本的 要求。 以前c v t 所碰到的几个主要问题中，其中一个便是驱动带的滑移，这是由 上海交通大学硕士学位论文 金属带式c y t 动力学性能分析与研究 于c v t 的传动比是连续可调的，况且磨擦驱动本身就容易滑移，特别是在较高 的扭矩时更是如此。二十世纪5 0 、6 0 年代，装备c v t 的发动机都以较高的转速 运转，这样能减少滑移。c v t 滑移在汽车从停止到最大扭矩加速的过程中会随时 出现，对伸缩带来说，在传递扭矩的过程中，元件和滑轮之间会出现微小的滑 移，当传递扭矩超过某一个值时，这个微小滑移会剧烈增加。多年来，对这种 问题的一种解决办法是只在使用低扭矩发动机的小轿车中使用c v t ；另一种解决 方案是使用一个变矩器( 像传统自动变速器中使用的那样) ，但是这样会降低 c v t 的效率。 可能与其它东西相比更为突出的是，成本因素一直阻碍着c v t 的发展，低 容量和生产要素的缺乏增加了制造成本，这不可避免的提高了c v t 的价格。随 着进一步的发展，大多数这样的问题可以随着制造成本和材料工艺的发展而得 到妥善的解决。例如，n i s s a n 的e x t r o i d 型变速器起源于一个世纪以前的概念， 却由于现代技术、冶金、化学、电子学、工程学和精密制造而趋于完善。 另外，c v t 的控制必须能够较为理想地实现，即使c v t 能够在任何速度以 最佳速比运行，但它不能确定如何来实现这个速比。手动变速器按照驾驶员的 操作换档；自动变速器有一个相关的简单的换档规则协调3 到5 个齿轮的运动。 然而，c v t 需要更加复杂的算法来协调速度和齿轮比的无限划分。 1 2 4 研究和发展 近年来，内燃机发展开始趋于缓慢， 汽车生产商将更多的资源投入到混合电 力车( h e v ) 和燃料电池车( f e v ) ，c v t 研究和发展进展迅速。即使是近年来一 直在c v t 研究处于落后位置的美国汽车 图1 4 通用开发的c v t 生产厂家，也正在进行新的设计，通用 f i 9 1 4t h ec y td e s i g n e db yg m 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 动力学性能分析与研究 汽车公司计划到2 0 0 2 年在部分车辆上安装金属带式无级变速器，图1 4 显示了 通用汽车公司开发研究的c v t 。 目前，日本和德国继续在c v t 发展上处于领先位置。n i s s a n 已经在 其e n t r o i dc v t 上取得了令人瞩目的 进步，并在其家庭型c r e d i c 和 g l o r i a 豪华轿车上使用，这种环形 c v t 成本高于传统带式c v t ，但是 n i s s a n 公司希望超额的费用由豪华 轿车的价格来承担。e x t r o t d 使用高 瞰曼1 蓝。于竺鬻嚣蓑：三山 粘性流体在盘片与滚轮之间传递动 力，而不是金属与金属的接触。与变矩器相比，这样能取得期望中的快速的速 比变化，最重要的是e x t r o i d 使用n i s s a n3 0 升v 6 涡轮增压机产生了2 8 5 1 b f t 的扭矩；这创造了c v t 最大扭矩的新记录。 a u d i 新的c v t ( 如图1 5 和图1 6 ) 具有与传统自动变速器相比更好的燃油 里程数和与任何手动变速器相比更好的加速性能。此外，a u d i 提供的c v t 价格 只是稍微有些提高。这种称之为m u l t i t r o n i c 的c v t 使用整条钢条来代替v 形 带，以便传递高达2 8 0 1b - f t 的扭矩。 此外，a u d i 宣布了她们的实验结果 m u l t i t r o n i 从0 - 1 0 0 k m h ( o - 6 2 m p h ) 加速时比齿轮啮合自动变速器快1 3 秒，与同等型号的5 级手动变速箱相 比，达到同样的速度要快0 。1 秒。如 果成本能有效降低，这种类型的变速 器几乎可以在世界上任何一辆汽车 图1 6 奥迪c v t 筒图 上使用。 f 1 9 l6d i 8 9 。栅o fa u d ic v t 上海交通大学硕士学位论文 金属带式c v t 动力学性能分析与研究 近年来，许多小轿车使用了c v t ，不久的将来会有更多的轿车使用c v t 。现 在，n i s s a n 、h o n d a 和s u b a r u 与d u t c h 公司共同研制v a nd o o r n e 变速器( v d t ) 在他们的部分小轿车上得以使用。s u z u k i 和d a i h a t s u 与日本公司a i c h i 共同 研制的c v t 使用铝塑料加强纤维合成带，他们的c v t 在启动时使用了辅助变速 器，以避免低速时出现滑移现象。大约6 m p h 后，c v t 才开始起作用并按照其通 常的方式运转。辅助齿轮系统直接作用在联接器上以实现敏捷的启动；但是 a i c h i 的c v t 只能传递5 2 1 b - - f t 的扭矩，这使其在美国市场并不具备很强的竞 争力。尽管如此，与1 9 9 9 年相比，2 0 0 0 年c v t 的生产还是有了一定的增长，多 数主要的汽车展都带来了更多新型c v t 的产品简讯。 1 2 5 新型c v t 的研究 1 9 9 7 年，c v t 的研究主要集中在驱动带设计和动力传输等基本问题上，现 在随着v d t 带和其它公司研究能力的提高，研究重点转向了c v t 的控制和实现。 自二十世纪七十年代以来，n i s s a n 汽车公司一直在c v t 研究领域处于领先 地位。最近，金属带式c v t 滑移特性的研究得到一种关于c v t 滑移限制和最大 扭矩摹拟仿真的方法的支持，驱动带技术有了令人瞩目的发展，因为c v t 现在 可以通过电脑仿真建模分析，可以得到更快速的发展和更有效的设计。n i s s a n 在带式c v t 扭矩限锖0 方面的研究同样促进了变矩器的使用，变矩器已经在几家 公司的产品中使用。自动变速器汽车在低速时不用驾驶员加速驱动，变矩器的 使用增强了怠速时的爬行能力，以保证低速时有较好的驱动能力。n i s s a n 的 e x t r o i d 型变速器使用这种变矩器来达到平稳的启动、减少振动噪声。 c v t 控制最近走到了研究的最前沿，即使是最完美的机械式c v t ，如果没有 智能化的控制算法，也是没有多大用处的。优化c v t 性能需要实现综合控制， 比如n i s s a n 研制的系统，要取得需要的驱动扭矩，同时要具有较好的燃油经济 性，控制系统必须能够根据需要的扭矩，车速和燃油经济性要求来确定合理的 c v t 传动比。h o n d a 同样已经研制出一套完整的c v t 控制算法，考虑的因素不仅 8 上海交通大学硕士学位论文 金属带式c v t 动力学性能分析与研究 包括发动机的燃烧效率，还包括动力传动系统各部件和变速器本身的损失。用 汽车模型对h o n d a 控制算法的测试结果表明，这种算法与传统算法相比，燃油 经济性要高出1 。尽管提高并不明显，但h o n d a 表的算法只是一个基础部分， 它将会成为下一代动力装置控制的基本算法之一。 尽管c v t 目前已经开始生产，许多控制上的观点仍然依赖于试验，并且很 多控制方法都还不是很合理。一项关于动力传输数字的研究表明，金属块倾斜 和带轮变形对主动轮和从动轮之间的滑轮推力比影响很大，因此，相关c v t 的 性能模型在将来变速器优化应用上可以得到使用。随着研究的进一步深入，这 些方面的基础研究将会为c v t 的设计提供借鉴，研究将会变得更加专业化，因 此c v t 将会变得更加精密。 随着c v t 从研发阶段到装配线生产实现，制造工艺研究将变得更加重要。 c v t 的零部件要求高精度的元件，以便能够有效的工作。h o n d a 在1 9 9 8 年研究 了滑轮活塞，研究发现，用传统拉升成形方法，活塞原型可以做相当大的厚度 上的减少，此外，成形过程中高温淬火能加强滑轮活塞的强度。 尺寸和重量也一直受到人们的关注，因为传统自动变速器远比手动变速器 要重，c v t 在重量上也超过自动变速器。许多装备自动变速器的轿车与同样的装 备手动变速器的轿车相比，大约重5 0 到1 5 0 磅。为了解决这个问题，a u d i 目前 正在研发镁材料变速箱箱体，首先在其轿车底盘上使用，这在传统自动变速器 的基础上大约可以减少1 6 磅。 1 3 本文的研究内容和结构安排 本文主要研究了c v t 的动力学特性以及换档过程中金属块挤推力和钢环张 力的变化规律。具体的研究内容包括c v t 传递功率损失的构成、主从动带轮推 力比的关系、c v t 基本的力学模型和c v t 的动力学模型。 本文的按下面的说明进行结构安排： 第一章：首先阐明本论文的研究背景和现实意义；然后介绍了c v t 的研究 现状和发展趋势；最后对本论文即将开始的工作以及主要内容进行了说明。 9 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 动力学性能分析与研究 第二章：主要分析了金属带式无级变速器的基本结构和特点，并详细说明 了其工作原理和力学特性。 第三章：主要分析了金属带式无级变速器的传递功率损失，并进行了相应 的试验分析。 第四章：对主、从动带轮的推力关系进行了探讨，研究了主、从动轮推力 比与速比和转矩比的关系，并通过计算机仿真与试验结果进行对照分析。 第五章：借鉴前人研究的成果分析了c v t 的静力学模型，为进行动力学模 型的建立和分析打下了基础。 第六章：本文的主体部分，建立了c v t 的动力学模型，分析了c v t 在换档 过程中的金属块挤推力和钢环张力的变化规律。 第七章，总结了本论文已经进行的工作，并展望了对c v t 力学性能进一步 研究的前景。 上海交通大学硕士学位论文 金属带式c v t 动力学性能分析与研究 第二章金属带式无级变速器的结构及传动原理 2 1 金属带式无级变速器的基本结构 金属带式无级变速器由两个带轮通过金属钢带连接构成。两个带轮( 主动 轮和从动轮) 分别有一个活动锥轮和一个固定锥轮构成，并通过控制活动锥轮 来调节金属带在两个带轮上的有效半径，从而实现速比的变化。由于活动锥轮 的轴向移动是连续的，从而它们对金属带在带轮上的有效半径的控制也是连续 的，从而实现连续的速比变 化，即我们通常所说的无级 变速。活动锥轮通过液压油 缸控制，因而能较为简单地 实现电子控制。目前电子控 制的最大难点是算法，因为 c v t 的结构决定力学性能的 复杂性。图2 1 是金属带式 c v t 的结构图( 图形来自参 考文献1 ) 。 2 2c v t 的工作过程 图2 - 1 金属带式无级变速器结构示意图 f i 9 2 1m e t a lb e l tc v tc o n s t r u c t i o n 1 从动轴活动锥轮，2 主动轴固定锥轮， 3 主动轴活动锥轮， 4 从动翦 | 罔常摊轮5 余羼带 用于汽车上的各种金属带式无级变速器传动系统都有相似的结构，图2 2 ( 参考文献1 2 ) 给出了一种汽车上金属带式无级变速器的基本组成。包括油泵、 前进和后退的切换机构，输入轴、主动轮、金属带、从动轮、输出轴、主减速 器、差速机构和驱动桥等。 其工作过程为：汽车正常行驶时，离合器结合传入动力，主动轮通过金属 带驱动从动轮，然后再将动力经过主减速器和差速机构等分配给车轮，实现向 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 动力学性能分析与研究 前行驶。操纵前进后退切换机构，依照前面的动力传递路线可以实现倒退行驶； 当离合器切断动力传递线路时发动机空转，实现空挡。主从动轮上的推力油缸 可以根据道路的行驶阻力和驾驶员控制的节气门踏板位置等，依据一定的算法 图2 2c v t 传动系统结构和工作过程示意图 f i 9 2 2w o r k i n gm e c h a n i s mo fc v t 1 金属传动带；2 从动液压控制油缸；3 从动轮活动锥轮； 4 油泵；5 主动轮固定锥轮；6 主动轮活动锥论；7 主动液压控制油缸 8 离合器；9 发动机飞轮； 1 0 从动轮固定锥轮； l l 中间减速器；1 2 主减速器和差速机构； 和控制策略调节油缸上的推力，从而改变主、从动轮推盘的有效作用半径，得 到所需要的速比，实现无级变速。例如，汽车由高等级路面转入低等级路面时， 无级变速控制系统根据行驶阻力信号，使无级变速器的速比自动增加而实现减 速并提高驱动力，这样驾驶员可以不需要采取措施来忙于换档。 2 3 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 图2 3 所示为金属v 一带结构示意图。图2 4 所示为金属推块尺寸图。每片 钢环的厚度为0 2 m m , 2 组钢环插入推块两侧的狭槽内( 文献4 ) 。 上海交通大学硕士学位论文 金属带式c v t 动力学性能分析与研究 2 3 1 钢环 2 图2 3 金属带组件图以及局部放大图 f i 9 2 3m e t a lb e l tc o m p o n e n ta n di t sz o o mp i c t u r e 1 金属推块；2 钢环 钢环连接金属推块，并使之在一定的预紧力下工作。实际工作中，钢环的 张力有可能是预紧张力的大约两倍，在实际应用中，需要根据不同的工况对钢 环张力进行准确计算。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，因此一般钢带由多层薄钢带构成以减小弯曲应 力。两组金属块分别嵌入钢带的的两侧。 由于钢带的工作条件比较复杂，因此对材料和加工工艺要求教高。此外， 钢带的各层载荷必须均匀，即上层钢带的内径和下层钢带的外径公差应小于 0 0 2 m ，且两个连续钢带之间的应力差小于6 0 m p a ( 文献1 4 ) ，否则钢带极易损 坏，这会严重缩短c v t 的寿命。 2 3 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。由于弹性、强度及低噪音的要 求，金属推块的厚度一般为2 0 2 2 m m 。v a nd o o r n e 传动装置公司开发的金属v 带是由两组钢环和0 2 咖厚的薄钢带组成，梯形的2 2 咖厚的2 9 8 块金属推块 上海交通大学硕士学位论文 金属带式c v t 动力学性能分析与研究 满装在钢环上，钢环由1 l 层薄钢带组成( 文献1 4 ) 。 2 4 金属带式无级变速器的变速原理 金属带式无级变速器属于摩擦传动式无级变速器，发动机输出的动力经过 输入轴传到金属带的主动轮上，主动轮锥盘通过与金属带的v 型金属片的侧面 接触产生的摩擦力向前带动金属推块，这样后面的金属块不断地向前挤压前面 的金属块，在二者之间形成压力，该压力形成于接触弧的始端，至终端不断增 加，然后经过金属块作用在从动轮上，由金属片通过从动锥盘的接触产生摩擦 力带动从动轮旋转，这样就将动力传递到了从动轴上。其传动的一个重要特征 就是金属块的挤推力作用。图2 4 是金属带式c v t 的传动变速原理( 文献4 ) 2 5 小结 f a )“) 图2 4 金属带式c v t 传动变速原理 f i 9 2 4v e l o c i t yc h a n g i n gt h e o r yo fc v t ( a ) 传动原理图；( b ) 变速原理图 c v t 的结构和工作原理决定了其力学特性的复杂性，因此，了解c v t 的结 构和工作特性是对其进行力学分析的基础，也是设计和改进c v t ，运用c v t 的必 不可少的一环。 上海交通大学硕士学位论文金属带式c 1 ，t 动力学性能分析与研究 第三章金属带式无级变速器的效率分析以及实验研究 金属带式c v t 的效率一直是很重要的研究课题，c v t 的效率是c v t 与其他 无级变速器相比的一个很重要的优势。例如液力机械式无级变速器，由于液力 变矩器在效率方面的性能与机械变速器相比要低很多，所以在实际应用中，需 要与机械变速装置进行组合，才能得到高效率的动力传递。但是这样的结果又 使得它不再是完整意义上的无级变速器，而是分区间实现无级变速，而c v t 由 于效率很高，而且在整个发动机输出转速范围内都能高效率地实现无级变速， 因而在这方面它与液力机械式无级变速器相比有了明显的优势。 3 1 功率损失的构成 对金属带式无级变速器在稳态运行过程中的全面分析，认为金属带式无级 变速器的功率损失存在于以下个方面： ( 1 )金属带进出带轮时，由于工作节圆半径发生变化而引起的功率损失； ( 2 )金属带的摩擦片与锥盘之间，由于互相滑动而引起的功率损失； ( 3 )金属带的摩擦片与钢环组之间互相滑动而引起的功率损失： ( 4 )金属带的钢环与钢环之间相互滑动而引起的功率损失。 功率损失包括转矩损失和速度损失两个方面。 转矩损失：在功率传递过程中，当金属带进出锥轮时，金属带经历了拉伸、 压缩的循环过程。这种转矩损失主要由于金属带弯曲的滞后，而金属带弯衄的 滞后是由金属带的弹性特性及金属带的弯曲程度决定的。金属带弯曲的滞后造 成了当金属带进入锥轮时，它进入锥轮的位置趋向于比理论位置的半径要大一 些位置；而当金属带离开锥轮时，它离开锥轮时的位置趋向于比理论位置的半 径小一些的位置。 此外还有部分功率损失在金属带进入与进出锥轮轮槽的摩擦中，这就是由 于金属带径向的滑移运动造成的摩擦，及金属带各层钢带间、钢带与金属推块、 钢带与锥轮间的摩擦等造成的损失。 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 动力学性能分析与研究 当金属带进入锥轮时，运动方向相反方向上金属带( 钢环、金属推块) 会 被压缩；当金属带离开锥轮时，这种压缩作用消失，金属带松弛。这样的迟滞 作用同样会导致部分功率损失。 速度损失：速度损失主要是由于金属带的滑移造成的，g e r b e r t ( 文献1 4 ) 将v 型带滑移造成的速度损失的原因归结为金属带的拉伸性、金属带径向的柔 顺性、金属带的切向变形及金属带与锥轮切合、分离时造成的速度损失。虽然 金属带的滑移引起的功率损失只占整个功率的很小一部分，通常情况下小于3 ， 但由于金属带的滑移会影响金属带的寿命及传动的准确性，因此要引起重视。 3 2 功率损失的分析 3 2 1 带轮有效半径引起的功率损失 这项损失是由于金属推块进出锥盘时发生的径向滑动引起的，当金属推块 进入锥盘时，它必须要克服径向摩擦力才能达到相应的工作半径。当金属推块 离开锥盘时，它也必须要克服径向摩擦力才能离开工作半径，必须有足够的额 外功率，金属推块才能克服这种摩擦力。由此可见知，在实际运行中，在锥盘 的进口处，金属带的作用半径稍大于工作半径；而在出口处，作用半径稍小于 工作半径。 3 2 2 金属推块与锥盘之间滑动的功率损失 金属带在传动的过程中是通过与主、从动带轮的摩擦来传递转矩的。在载 荷由空载的到最大载荷的整个变化过程中，金属带与锥盘之间处于不同的摩擦 状态。在小载荷时，金属带与锥盘之间处于弹流润滑状态。随着载荷的增加润 滑状态也发生了改变，由弹流润滑状态变成部分膜弹流润滑和边界润滑的混合 润滑状态。因此，金属推块与锥盘之间滑动的功率损失要分为两个阶段考虑， 一是小载荷时弹流润滑状态的功率损失；二是大载荷时弹流润滑和边界润滑的 混合润滑状态的功率损失( 文献1 0 ) 。 上海交通大学硕士学位论文 金属带式c v t 动力学性能分析与研究 小载荷时弹流润滑状态的功率损失：在金属带与锥盘的接触弧上存在着一 层润滑油膜，在小载荷时，即转矩比r 0 4 时，金 属带与锥盘之间处于混合润滑状态，即部分膜弹流润滑和边界润滑的混合润滑 状态。在这种润滑状态中，摩擦系数u 在0 0 4 0 0 9 ( 文献1 8 ) 之间变化。由 于混合润滑状态是一种极为复杂的润滑状态，难于给出比较理想的计算公式， 因此在本文中摩擦系数都取0 1 。 3 2 3 金属推块与钢环的滑动而引起的功率损失 在金属带传动过程中，钢环组与金属推块的鞍座面之间存在摩擦滑动。由 于钢环组在金属推块的鞍座面上存在着一种近乎平带的传动，因此，钢环组的 松紧边的张紧力符合欧拉公式，由于金属推块的鞍座面与摆动棱之间有一段距 离，这就造成了小带轮上的金属推块鞍座面的线速度总是要比大带轮的线速度 大，使钢环组与金属推块的鞍座蕊之间产生附加的相对滑动。 3 2 4 钢环与钢环之间滑动的功率损失 钢环与钢环之间相对滑动很小，相对于转动速度来说可谓是爬动，而且它 们的接触面之间处于流体润滑状态，摩擦力很小，因此，钢环与钢环之间的功 率损失很小，可以忽略。c v t 功率的计算公式如下： c v t 的功率p 可以定义为：p = t + ( 3 一i ) 其中t ，m 分别代表转矩和锥轮的角速度 所以有： n 2 i t d n 石c o d n ( 3 2 ) 对上面的公式进行微分得： 一d p ；塑+ 塑 ( 3 3 ) 上海交通大学硕士学位论文 金属带式c v t 动力学性能分析与研究 即，功率损失率为速度损失率和转矩损失率之和。 3 3 金属带式o v t 效率的实验研究 下面为实验所得的动态过程中金属带式c v t 的效率曲线。实验条件如下： 将档位拉线和发动机节气门拉索经过匹配后，安装在一起，节气门开度信 号就这样通过档位线传给了c v t 。发动机输入的转速基本上恒定，通过电磁测功 仪改变从动轴的载荷，从而改变整个系统的速比和其他性能，实验结果用 o r i g i n 6 o 处理( 文献3 和1 2 ) 如下图： 档位 1 t o 。 le o o 14 0 0 童1 2 o o oto o o 鬻 辩。o 0 0 oo 2 0 o t上十t_1+，t上+t十i 腊1l。”。百 一秘- 一 一市一 鬻? 、 | 口 攀。、，一 二。， 一 一 。 ， 一 ， r ， _ 一 ， 一 一 r 一 一一。，。一 5 j ， 、一 量 、 一 n 一 一 长，iu，；、一 肌弋、一 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 动力学性能分析与研究 档位 2 2 0 0 = ，6 。 孳：奠 萄。 髯 。 6 0 o 薹 。 捌 水 善 捌 馨 档位 档位 时阃( sec $ 时间( s e c s ) 时问s ecs ) 图3 卜3 5c v t 效率的实验结果图形 f i 9 3 卜3 5e x p e r i m e n tg r a p ho fc v te f f i c i e n c y o 5 口 5 o 5 3 2 2 1 1 o o o o o o o 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 动力学性能分析与研究 图3 1 到图3 5 中表明，随着载荷的加大，转矩损失率大幅减小，而速度 损失缓慢增加，因此总体上c v t 的效率逐渐上升。在载荷较小的情况下速度损 失很小，随着载荷的增加，转矩损失明显减小，而速度损失开始时缓慢增加； 当载荷达到一定值时，速度损失明显增加，因此c v t 在高转速时，在某一的载 荷时c v t 能取得最高的效率。c v t 在高转速时，随着载荷的增加，功率损失由转 矩损失为主转变为速度损失为主，最终速度损失在整个功率损失中所占比重达 到一半以上。 高转速并且载荷较大时，c v t 的速度损失明显加大，主要是金属带沿切向 变形引起的速度损失明显增加的缘故。以上的实验结果和分析说明了c v t 在不 同转速下的效率曲线的规律，这些结果对c v t 的设计有一定的指导作用。 3 4 小结 金属带在不同工况下效率有很大的差异，其中效率损失的组成成分并不会 发生变化，但各部分所占的比例总是随外部环境的不同而发生变化的。要确定 和分析造成效率损失的主要原因，不能简单地通过理论分析，而必须依靠理论 和实践相结合来进行。 上海交通大学硕士学位论文 金属带式c v t 动力学性能分析与研究 第四章c v t 推力关系研究 c v t 主、从动带论的推力比是金属带式c v t 的重要控制参数，c v t 的速比就 是由推力比直接决定的。金属带式c v t 的带轮推力和最大可传递转矩之间的关 系用公式表示为： q 。= 警 ( 4 - i ) 式中口是带轮的半锥角。j c d 是主动轮半径。是带轮和推块间最大摩擦 系数。相应地参数巧与q d 线性一致。由已知的实验结果( 文献1 3 ) 可知，最 大可传递转矩几乎对推力比和转矩比间的关系没有影响。 4 1 金属推块的受力分析 图4 1 作用于推块上的各力 f i 9 4 1f o r c eo nt h ep u s h i n gb l o c k q n 推块的受力分析如4 1 图所示： 环上法向力p 、带轮法向力n 和推块与带轮之间的径向摩擦力f r 之间的关 系如下： 詈= s i n 口b c 愀( 4 - 2 ) 上海交通大学硕士学位论文金属带式c v t 动力学性能分析与研究 其中推块与带轮间的摩擦力方向向上为正。 带轮上起作用的所有推块上的带轮推力之和可以得到总的推力。摩擦力的 可以通过下面的公式求得。 径向摩擦力：b = 鳓n ( 4 3 ) 切向摩擦力：耳= 所n ( 4 - 4 ) 鳓为推块和带轮之间的径向摩擦系数，所为推块和带轮之间的切向摩擦 系数，两摩擦系数的关系为； = ；+ ； ( 4 5 ) 由于口很小，大约为1 1 。( 文献5 ) ，所以胁很小，因此推块上的推力可 以近似地表示为：g = n 。 4 2 主、从动轮推力的相互关系 由参考文献可知：g e r b e r t 理论( 文献1 3 ) 给出了有关橡胶v 一带推块型c v t 运动豹非线性联立差分方程，但此方程的工程应用价值并不高，由此w o r