（机械设计及理论专业论文）车用功率分流CVT驱动系统特性仿真分析.pdf

摘要 论文题目：车用功率分流c v t 驱动系统特性仿真分析 学科专业：机械设计及理论 研究生：刘晓琳签名： 指导教师：崔亚辉教授签名： 摘要 本文以车用功率分流c v t 驱动系统为研究对象，进行了系统运动学、动力学性能及 整车动力学模型的深入研究，并对其动态响应进行了仿真分析，为其参数的选取及匹配提 供了有价值的理论依据，同时为完善功率分流c v t 驱动理论打下了基础。 通过对该系统的传动分析，得出了系统的稳态变速范围、取决于系统传动比的参数选 取原则以及系统实现不同运动功能的参数匹配原则；进一步进行了离合器转速特性、加速 度特性曲线的拟合及优化，并由此得出了其不同初始转速输入下的最优接合参数。在考虑 系统轴系刚度、阻尼的情况下，建立了离合器半接合时系统的动力学模型，给出了系统的 特征方程，并由此分析了系统稳定的充要条件；进而对系统进行了动力学分析，得出了系 统在单位阶跃输入下的响应，分析了各参数的取值对系统响应的影响情况。 进一步以装备有该系统的汽车为整车模型，建立了理想状态下满足发动机最佳燃油经 济性条件的整车动力学模型并进行了仿真分析，得出了整车的动态响应，并对响应结果进 行了比较和分析。 此外，本文还就该系统对整车动态响应的影响情况进行了分析，得出了符合发动机最 佳燃油经济性要求的金属带式无级变速器的速比变化响应特性；进一步对系统的动态响应 进行了逆向分析；最后分析了系统中行星传动的结构型式对汽车动态响应的影响情况，从 而给出了系统实现最优传动效率和快速响应的途径。 关键词：功率分流c v t 驱动；金属带式无级变速器；动态响应特性；整车仿真；离合器 本研究得到了陕西省自然科学基础研究计划资助项目( 项目批准号2 0 0 3 e 2 2 6 ) “并 联式车用混合动力系统的匹配与控制策略研究”的资助。 眷 一 些! ! ! ! ! ! _ _ _ - _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ p _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ 一一 t i t l e ：t h ec h a r a c t e r l s t l c ss i m u l a t i o na n a l y s i so fp o w e r s p l i tc v td r i v es y s t e mf o rv e h i c l e a p p l i c a t i o n m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：x i a o l i nl l u s u p e r v i s o r ：p r o f y a h u ic u i s i g n a t u r e 必厶。 s i g n a t u r e ：冱鱼丝 i nt h i sp a p e r , as e r i e so fi m p o r t a n tp r o b l e m ss u c ha sk i n e m a t i c s ，d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c s a b o u tp o w e rs p l i tc v td r i v es y s t e mf o rv e h i c l ea p p l i c a t i o na n dd y n a m i c a lm o d l eo fe n t i r ec a r h a sb e e nl u c u b r a t e d a n dt h e nt h ed y n a m i cr e s p o n s eh a sb e e na n a l y z e dt h r o u g he m u l a t i o n t h e a n a l y t i c a lr e s u l t sc a nb eh e l p f i l lf o rt h ee s t a b l i s h m e n to f t h ed e s i g ns t a n d a r da n d b ew e l lf o rt h e d e v e l o p m e n to f p o w e rs p l i tc v t d r i v et h e o r y t h r o u g ht r a n s m i s s i o na n a l y s i so f t h es y s t e m ，s t a t i o n a r i t ys l e w i n gr a n g e ，p r e f e r e n c e st e n e t d e c i d e db ys y s t e mt r a n s m i s s i o nr a t i oa n dp a r a m e t e rm a t c h i n gp r i n c i p l ef o rd i f f e rm o v e m e n t f u n c t i o nh a sb e e ng a i n e d a n dt h e n ，c u r v ef i t t i n ga n do p t i m i z eo fc l u t c hr o t a t i n gs p e e d c h a r a c t e r i s t i c sa n da c c e l e r a t i o nc h a r a e t e r i s t i e sh a sb e e np r o g r e s s e d ，h e n c eo p t i m a le n g a g i n g p a r a m e t e r so f i tu n d e rd i f f e rp r i m a r yi n p u tr o t a t i o ns p e e dh a sb e e ng a i n e d k i n e t i cm o d e l o f t h e s y s t e ma tc l u t c he n g a g i n gh a sb e e ne s t a b l i s h e dw h i c hs t i f f n e s sa n dd a m po fs h a f t i n gi ns y s t e m h a db e e nt a k e na c c o u n to f , a n dt h e nc h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o no fs y s t e mh a sb e e ng a i n e d ，h e n c e n e c e s s a r ya n ds u f f i c i e n tc o n d i t i o nf o rs y s t e ms t a b i l i t yh a sb e e na n a l y z e d d y n a m i ca n a l y s i so f t h es y s t e mh a sb e e np r o g r e s s e df u r t h e r , h e n c er e s p o n s eo ft h es y s t e mu n d e ru n i ts t e pi n p u th a s b e e ng a i n e da n di n f l u e n c eo fs y s t e mr e s p o n s eb r o u g h tb yt h ep a r a m e t e r sd i f f e rv a l u eh a sb e e n a n a l y z e d u s i n gc a re q u i p p e dw i t ht h es y s t e ma se n t i r ec a rm o d e l ，k i n e t i cm o d e lo fe n t i r ec a r u n d e r i d e a lc o n d i t i o nw h i c ha c c o r d e dw i t he n g i n eo p t i m a lf u e le c o n o m i c a le f f i c i e n c yh a sb e e n e s t a b l i s h e da n da n a l y z e d ，h e n c ed y n a m i cr e s p o n s eo fe n t i r ec a rh a sb e e ng a i n e d , a n dt h e nt h e r e s u l th a sb e e nc o m p a r e da n da n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fc a r sd y n a m i cr e s p o n s ea f f e c t e db yt h es y s t e mh a sb e e n a n a l y z e da n ds p e e dr a t i oc h a n g er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co fm e t a lv - b e l tt y p ec v t i ns y s t e m u n d e rt h ec o n d i t i o no fe n g i n eo p t i m a lf u e le c o n o m i c a le f f i c i e n c yh a sb e e ng a i n e d a n dt h e n ， a n a l y s i so nn e g a t i v ed i r e c t i o no fs y s t e md y n a m i cr e s p o n s eh a sb e e np r o g r e s s e d f i n a l l y , t h e i n f l u e n c eo fd y n a m i cr e s p o n s eb r o u g h tb ys t r u c t u r a ls h a p eo fp l a n e t a r yt r a n s m i s s i o nh a sb e e n 西安理工大学硕士学位论文 a n a l y z e dt op r e s e n tw a yf o rs y s t e mt oa c h i e v eo p t i m a lt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n dq u i c k r e s p o n s e k e yw o r d s ：p o w e rs p l i tc v td r i v e ；m e t a lv - b e l tt y p ec v t ；d y n a m i cr e s p o n s e ； e n t i r ec a l - s i m u l a t i o n ：c l u t e h t h i si t e mi sf i n a n c e db yt h ep r o j e c ts u p p o r t e db yn a t u r a ls c i e n c eb a s i cr e s e a r c h p l a ni ns h a a n x ip r o v i n c eo fc h i n a ( p r o g r a mn o 2 0 0 3 e 2 2 6 ) r e s e a r c hi nm a t c h i n g a n dc o n t r o ls t r a t e g yo fp a r a l l e lh y b r i dp o w e rs y s t e mf o rv e h i c l ea p p l i c a t i o n s 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：掣蜜塑良弘降寻月) 6 日 学位论文使用授权声明 本人盏l 嘘牲在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：盘j 挫导师签名：旌堑瑾彩，7 年岁月彩日 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 汽车变速系统的功能是通过调整传动比，改变发动机曲轴的转矩，以适应在起步、加 速、行驶以及克服各种道路阻碍等不同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速不同要求的需 要。经过1 0 0 多年的发展，车用变速器通俗来讲有手动、自动两种，但具体又分为手动变 速、自动变速、手自动变速、手动自动一体变速、无级变速五类。一般的车用变速器不 一定能有效保证发动机功率输出和最优燃油经济性，而无级变速器能够使发动机转速与车 辆行驶速度获得相应的连续变化，从而确保最大限度地利用发动机特性，使车辆的动力性 与燃油经济性获得最佳匹配。如今，随着汽车技术的发展以及人们对汽车驾驶的平顺性、 可操纵性、经济性以及舒适性等方面要求的提高，无级变速器在汽车传动中的应用也越来 越广泛。f i l l 2 】【3 i 按传动介质的不同，无级变速传动可分为机械无级变速传动、液压( 力) 无级变速传 动和电力无级变速传动等三大类。汽车用无级变速器( c o n t i n u o u s l y v a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ， 以下简称c v t ) ，是与传统齿轮传动自动变速器不同的自动变速器。车用c v t 可在一定 范围内逐渐改变变速比率，避免了换挡时不同传动比挡位衔接时的顿挫感，驾驶感觉更加 平顺，操纵便利且舒适。它起源于十九世纪，自1 8 8 6 年德国d a i m l e r - b e n t z 公司首次将v 型橡胶带c v t 运用在汽油机汽车上后，c v t 一直是汽车机械传动研究的重要部分1 4 1 1 2 5 l 。 车用c v t 的优点有动力传递有效、冲击感小、运行平稳以及驾驶者对升档时的动力变化 感觉较小等。事实上，发动机因为c v t 传动比连续改变，可常在最大效率工况下运转， 此外，c v t 还可取消传统变速器频繁换档的要求。装有无级变速器的轿车，特别是2 l 以下的小排量轿车，具有优异的燃油经济性和行驶性能。【1 1 1 2 】【4 】【5 】1 6 】【7 】 当前使用的车用c v t 中，金属带式无级变速器( m e t a lv - b e kt y p ec v t ，以下简称 m v c v t ) 是一种具有挠性中间体的机械摩擦式变速器，它对传统的胶带式无级变速器进 行了革命性的改造，使用强度很高的金属带代替橡胶带，具有结构简单、承载能力强、变 速范围大、体积小、效率高、噪音低、环保节能等优秀的传动性能，尤其适用于需要中大 功率范围内的机械传动中。近几年来这种无级变速器在轿车中的成功使用及其在使用中所 显示出的各种优越性能，受到了国内外业界的极大重视【4 1 。以提高其传动效率为目的，车 用c v t 无论是最早的胶带式无级变速还是发展到现代的金属带式及链式无级变速，虽然 从理论上可使发动机始终在经济工况下运行，但是由于大多数车用c v t 所依赖的摩擦传 动的效率相对于齿轮传动来说较低，同时带传动效率受车辆工况的变化影响也较大，因此 传统的c v t 结构的传动效率都有一个最佳工况范围。【1 】1 2 】【3 】【6 】f 7 】 为了充分利用发动机功率，提高燃料经济性以及改善汽车的排放性能，理想的汽车变 速系统除了应具有连续变化的传动比、能进行实时控制，还要确定最佳的传动比。常规变 西安理工大擘硕士学位论文 速系统中普遍采用的齿轮传动虽然具有传动效率高的优点，但其本身不能单独实现无级变 速的功能；而对于可实现无级变速功能的液力变矩器及带式无级变速器等，应用于车辆变 速系统虽然能使发动机在效率较高的工况下工作，但其传动效率相对于齿轮传动而言较 低。单独使用齿轮传动或无级变速器的汽车变速系统都不是上述理想的汽车变速系统。因 此，要求研究设计出新型的汽车变速系统，将两者有机地结合，从而发挥齿轮传动与无级 变速器的优点而克服其缺点，具有较高的使用价值和良好的应用前景。 2 1 1 3 1 【6 1 1 7 8 】【9 1 0 1 2 研究现状及存在问题 目前，c v t 已广泛应用于汽车变速系统，近十几年已实现商业化装车。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。金属带式c v t 除 用于各类轿车外，目前已尝试在赛车上使用【”。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。 功率分流式自动变速系统是在汽车变速器的研究开发中，以微型客车与经济型轿车为 应用对象，产生的一种新型变速系统。通过应用功率分流原理以及齿轮传动和带式无级变 速器的组合来尽可能地发挥各自的优点，实现良好的整车性能与较高的性能价格比。 【l 2 6 m 目前国内外研究的车用功率分流式变速系统通常以一组二自由度差动轮系、一组可变 带轮半径的带式无级变速装置以及离合器等构成其结构如图1 1 【1 j 所示。主要研究的是该 种变速系统的基本设计思路与技术方案，进行理论分析( 稳态 、仿真计算和样机设计与研 制等方面。另外，还有研究者提出了一种新型的车用功率分流c v t 系统，系统中使用c v t 和行星传动的组合结构构成基本的无级变速功率分流传动( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l ep o w e r s p l i tt r a n s m i s s i o n ，以下简称c v p s t ) 装置，如图1 - 2 1 2 l 所示。通过对该装置作加速度仿真 来证明该方法的正确性。进一步设计出配有无级变速功率分流传动装置的变速箱，如图 1 3 【2 l 所示，给出了设计方法与实例等等。【l j f 2 j 【3 ( 6 1 1 7 】i s 】1 9 麓 s 鞘 e 上 葛= ：l 税 = 扩 驻l1 r 二丁t 缝 警l 元件 c v t v 一硼 v - b e g e a r “l 上 8一 中问轴齿轮 图1 - 1 功率分流式自动变速系统m f i g 1 1p o w e rs p l i ta u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m 【1 l ( 文献 1 图1 ) 2 图1 - 2 基本的c v p s t 传动装置【2 l f i g 1 2 a b a s i cc v p s ts y s t e m 【2 】 ( 文献 2 图1 ) 1 绪论 图1 - 3 一种基础c v p s t 和两级有级齿轮箱组成的变速箱装置口j f i g 1 - 3t r a n s m i s s i o ns y s t e mc o n s i s t i n go f b a s i cc v p s ta n dat w o - s t a g es t e p - u pg e a r b o x i ” ( 文献 2 图4 ) 这些针对由带式无级变速装置加二自由度差动轮系以及离合器等组成的“功率分流 c v t 驱动系统”的研究与设计比较全面，但也仍存在以下几方面的问题： 第一、仅对“功率分流c v t 驱动系统”的稳态响应及自动控制有较为全面的研究， 而对其瞬态响应及仿真分析的研究较少，尤其缺乏从传动本质的角度对系统进行动力学特 性的分析研究，对功率分流c v t 驱动系统的设计与开发缺乏理论指导；图l - 2 所示的 c v p s t 装置转化为p x 型单环路系统【1 0 】 1 1 1 u 2 1 3 】【1 4 1 的模型( 含离合器) 如图1 4 所示； 第二、系统中c v t 所使用的弹性元件多数为传统的橡胶带，而对于使用有明显优势、 同时也是现代汽车无级变速器发展趋势的m v c v t 作为无级变速单元的“功率分流c v t 系统”没有相关的理论分析和设计方法； 第三、对采用该变速系统的整车动力学模型的建o r r - - 撇v 立，由于涉及到原动机、c v t 、差动轮系、离合器、c v t 岁訾h 制动器等许多动力传动单元，因此缺乏完善的整车动 力学模型； 第四、目前国内外的相关研究没有考虑汽车起步 过程中离合器在各个阶段工作时，系统整体的动力学， 特性及其动态响应分析，对于起步时车用功率分流 c v t 驱动系统的特性分析不够全面； 第五、目前，国内缺少带有离合器的“车用功率 分流c v t 驱动系统”组成方案的分析研究； 差动轮系 d i f f e r e n t i a l 州仃山 图1 4 c v p s t 装置p x 简图 f i g 1 - 4p xd i a g r a mo f c v p s t d 第六、目前，国内对于“车用功率分流c v t 驱动系统”中c v p s t 装置的速比变化 如何与发动机燃油经济性匹配问题没有深入的综合研究。 上述问题构成了车用功率分流c v t 驱动系统技术研究的基本理论问题。因此，本文 针对这些问题进行研究与分析，对完善功率分流c v t 驱动理论，开发新型的高效率功率 西安理工大学硕士学位论文 分流c v t 驱动系统等具有重要的理论意义和工程价值。 1 3 本文研究对象及主要工作内容 本文主要以车用功率分流c v t 驱动系统为研究对象在系统中将m v c v t 与定轴轮系 串联构成m v c v 卜齿轮装置与差动轮系组合构成金属带式无级变速功率分流传动单元， 并嵌入相应的离合器单元，通过有级齿轮传动扩大传动比构成含有离合器的p x 型功率分 流式汽车变速系统。针对其传动本质进行性能分析，并对车辆正常行驶中金属带式无级变 速功率分流传动单元与发动机燃油经济性匹配问题进行综合研究。 该系统是一种新型的汽车无级变速驱动系统。由于行星传动装置已经在现代汽车中广 泛使用，因此采用行星传动装置进行功率分流，与m v c v 卜齿轮装置组合构成汽车变速 系统的无级变速功率分流传动单元。该单元的重要特性是：在低速( 高转矩和功率要求) 时流经m v c v t 元件的功率部分较小。合理的结构可以提供给发动机最佳工作区间和 m v c v t 最有效速比间的精确匹配。通过对该系统进行运动学分析，建立动力学模型，进 一步建立整车动力学模型；最终通过动力学及运动学特性分析，则可以确定原动机的最佳 运行范围以及影响加速性、制动性、燃料经济性等指标的因素和解决途径。研究将为进一 步完善汽车的无级变速理论提供重要的理论依据，进一步实现车用功率分流c v t 驱动系 统的产品化。 本文的主要工作包括以下内容： 1 车用功率分流c v t 驱动系统的稳态性能分析。 分析金属带式无级变速功率分流传动单元中m v c v 卜齿轮装置以及差动轮系的传 动比。针对一般车用离合器传动过程的各个阶段进行离合器单元的传动分析，分析其转速 特性及各阶段传动比。进一步分析整个系统的传动比、变速范围、运动特性等问题，给出 相关的参数选择依据。 2 车用功率分流c v t 驱动系统的动态性能分析。 车用功率分流c v t 驱动系统在本质上是一个p x 型封闭式齿轮行星传动系统与离合 器混联构成的传动系统。因此，传动系统的动力学特性制约着车辆的运行范围及其加速性 能、制动性能等方面的优劣。 建立车用功率分流c v t 驱动系统的动力学模型，对系统的瞬态特性进行研究，分析 离合器接合过程中系统的稳定性充要条件以及此时系统在不同输入情况下的转矩、转速响 应特性，进一步分析离合器接合过程和系统参数取值对系统响应的影响情况。 3 整车性能仿真分析 当离合器完全接合并稳定运行( 即车辆起步后) ，且功率分流c v t 驱动系统处于理想 状态时，建立整车动力学模型，对发动机处于最佳燃油经济性工作状态时整车在不同道路 工况下的动态响应特性进行研究与仿真分析。 4 车用功率分流c v t 驱动系统对整车动态响应影响的分析。 4 1 绪论 在整车模型的基础上，建立系统的动力学仿真模型，分析系统对汽车动态响应的影响。 研究分析当车辆行驶于不同的道路状况时，无级变速单元的速比变化与发动机燃油经济性 的匹配、系统的逆向动态响应以及参数选取对整车性能的影响等问题。 本研究得到了陕西省自然科学基础研究计划资助项目( 项目批准号2 0 0 3 e 2 2 6 ) “并 联式车用混合动力系统的匹配与控制策略研究”的资助。 西安理工大学硕士学位论文 2 车用功率分流c v t 驱动系统的稳态分析 2 1 引言 本文所研究的功率分流c v t 驱动系统是一种新型的汽车变速系统，它必须要能够适 应汽车在起步、加速、行驶及各种路况条件下对驱动车轮牵引力和车速的要求，同时能充 分利用发动机的效率，提高燃油经济性以及改善汽车的排放功能。 图1 一l 和l - 2 所示的功率分流c v t 变速装置是由带式无级变速器和一个有太阳轮、 内齿圈、行星架的差动轮系组合而成的。“功率分流”的布置特点是输入轴同时把功率传 递到差动轮系的太阳轮和c v t 的主动带轮，故而带式无级变速器中仅通过输入轴总功率 流的- - d , 部分。最终两路功率流通过差动轮系的行星轮进行功率流合成后，通过行星架将 总功率通过输出轴传递到车轮。这种系统提高了汽车应用中发动机功率的有效工作范围， 特别是在低速一高转矩( 如车辆启动时) 情况下为车辆提供可无级连续变化的传动比范围， 同时还降低了与动力传动有关的效率损失【2 】【3 l 。这种功率分流c v t 交速装置其本质是一 种p x 型封闭式行星传动装置。 根据封闭机构与其它基本轮系在 组合方式上的不同，封闭式齿轮行星传 动可分为两种基本传动类型呻x 型 和x p 型，如图2 1 所示。由于此结构 上只含有一种可能的功率回路，故称为 单环路封闭式行星传动系统( 简称单环 路系统) 。这里x 为差动轮系单元，封 皿芷k ( a ) x p 型 ( b ) p x 型 图2 - 1 封闭式行星传动的分类 f i g 2 1s o r t so f e n c l o s e dt y p ep l a n c 哪t r a n s m i s s i o n 闭机构单元p 可以是普通定轴轮系，也可以是不同类型的行星轮系或无级变速系统。该 种传动由于兼具承载能力大和输出无级变速的优点而成为很有发展前途的一种传动形式。 1 0 i i 1 2 h 1 3 1 1 4 本文在目前已有的无级变速功率分流 c v t 装置( 如图1 - 1 、1 - 2 所示) 的基础上 使用功能优异的金属带式无级变速器代替 传统的橡胶带式无级变速器，与定轴传动 组成m v c v t _ 一齿轮装置( 封闭机构单元 p ) ，然后与差动轮系( x 单元) 组合构成 金属带式无级变速功率分流传动单元( 无 离合器的p x 系统) ，如图2 2 所示。在其 中嵌入离合器，构成新型的车用功率分流 c v t 驱动系统，并与有级齿轮系传动配合 6 m v c y i 叫i 轮装置 m v c v t - 4 ；蚺rd e v i c e 定轴传动，一一、 图2 - 2 金属带式无级变速功率分流传动单元 f i g 2 2m e t a lv - b e l tt y p ec o n t i n u o u s l yv a r i a b l e p o w e rs p l i tt r a n s m i s s i o nu n i t 2 车用功率分流c v t 驱动系统的稳态分析 扩大传动比范围，组合成汽车的变速装置。系统的输入端为发动机，图2 - 3 所示的就是一 种配有该系统的车辆结构简图。可以看出，此时的系统将输入功率通过输入轴分两路达到 输出轴，一路为离合器一差动轮系太阳轮一行星轮，另一路为m v c v t 主动轮、金属 带、从动轮一中间轴一定轴传动一离合器一差动轮系内齿圈一行星轮，最终由行星轮进 行动力合成，再通过行星架输出到可扩大变速范围的有级齿轮系从而传动到车轮，如图 2 4 所示。这种驱动系统将目前传动性能优异的m v c v t 作为无级变速单元应用到高效率 的功率分流驱动系统中，同时采用两自由度的差动轮系完成系统的功率分流，因此具有承 载能力大、变速范围大，体积小以及传动效率较高等优点，尤其是在低速一高扭矩情况下 可为车辆提供无级连续变化的传动比且功率损失较小，因此该系统有很好的发展前途。 定轴传动金属带式无擐变速嚣 -_- 。 - ， 。1 兰黧噎一一! =f j色 。 c j ；f 发动机 。窖确 l ， e n g h e 、 锤 m 抽- c m 。+ 呵i m - - a 隧 。i 一 爿 气p 、i o u t p u ts h a l f t 如s y n c h r o n i z e r ：一勰燃 佣匿 图2 3 一种配有车用功率分流c v t 驱动系统的车辆结构简图 f i g 2 - 3 a c a rs t r u c t u r a l d i a g r a m w i t h p o w e rs p l i t c v t d r i v es y s t e m f o r v e h i c l e a p p l i c a t i o n t ，一转矩；p r 功率 1 1 0 r q u e ，p f - - p o w e r 图2 _ 4 一种功率分流c v t 驱动系统动力传递框图 f i g 2 _ 4 a d y n a m i c t r a n s m i s s i o n b l o c k - d i a g r a m o f p o w e rs p l i t c v t d r i v es y s t e m 2 2 金属带式无级变速功率分流传动单元传动比分析 由m v c v t - 一齿轮装置( m v c v t 与定轴传动串联而成) 与两自由度差动轮系组合构 成的金属带式无级变速功率分流传动单元，如图2 - 2 所示，是车用功率分流c v t 驱动系 7 西安j e ：r - 大学硕士学位论文 统中的变速单元，在各种道路情况下为车辆提供无级连续可变的传动比。图2 - 5 给出了一 种金属带式无级变速功率分流传动单元的具体结构形式，在这种结构中差动轮系的太阳轮 与输入轴相连、内齿圈与m v c o 齿轮装置( p x 系统的p 单元) 相连、行星轮为动力 合成元件、行星架与输出轴相连。 定轴轮系金属带式无缎变速曩 景动轮象j 0 一 n j j _ 刮 纠扛b r e n t h d! t四”、”“； ： 耋 1 7 ：、 ： 雒。蒂 ： ； i ： ： ： 1 弘 百 i “ ： 弓 i ： i p u ts k a f t ： 甲 _ 一j c i n t c hm v c v r - c i m r d 竹l e e 1 一太阳轮 2 一内齿圈；3 行星轮 蝴星架；卜主动轮# 6 情轮 7 一从动轮 i 铷“g c 辑2 n n g g e a r , 3 p l a n c t w h e e l ，4 讲3 n e te a r r i e r , 5 d r j v 。g e a r , 6 - - i d l e r w h e 吐7 弋h i 啪g e a r , 幽2 - 5 一种金属带式无级变速功率分流传动单元结构简图 f i g 2 - 5 a s t r u e l m e d i a g r a m o f m e t a i v - b e l t c o n t i n u o u s l y v a r i a b l e p o w e r s p l i t w a n s m i s s i o n u n i t 本节中，对图2 - 2 所示的金属带式无级变速功率分流传动单元传动比的一般形式进行 研究，并针对图2 - 5 所示的具体结构形式进行单元传动比的计算。 2 2 1 金属带式无级变速器一齿轮装置传动比 由图2 2 ，设系统m v o ，卜齿轮装置中定轴轮系( 齿轮6 为惰轮) 的传动比为i ， m v c v t 的传动比为锄，m v c v 卜齿轮装置的传动比为f ，则有 = 兰也= 锄 ( 2 1 ) 由相关文献州可知，其中m v c v t 的传动比f 。是由其主、从动轮的节圆半径确定的，具 体表达式如下 ”= 乏= 警 z a ， 式中：m 输入转速： f o c m t 输出转速； 瓜从动轮节圆半径； r ，主动轮节圆半径。 当从动轮处于最大节圆半径，主动轮处于最小节圆半径时，传动比最大，反之传动比 最小，如式( 2 2 b ) 所示，实际中一般取七。的变化范围为0 5 - - 2 5 。 2 车用功率分流c v t 驱动系统的稳态分析 卜毒 晓：b ， 卜m2 惫 绉= 笼= 考= 鲁 晓， 喊。妒器 ( 2 4 ) 2 2 2 差动轮系传动比 具有三个基本构件a 、b 和c 的差 动轮系有两个运动自由度，可以利用图 2 - 6 所示的w o l f 符掣1 0 1 1 7 1 简化轮系结 图2 - 6 差动轮系结构符号 f i g 2 - 6s t r u c t u r es y m b o lo f d i f f e r e n t i a lg e a rt r a i n 构从而方便直观地分析其运动和动力关系。由文献f l o ! 可知- - 个基本构件的转速按转化机 构法有如下关系成立( 即w i l l i s 公式) 吃= 墨+ ( 1 一k m ) = 击州卜击地 晓s ， 1 一- f - 1 吐2 f 面眈+ 可j 丽 其中差动轮系的特性参数k l 为 墨：匕：( _ o a - - ( 0 c ( 2 6 ) 一 对于图2 - 5 所示的具体结构，当行星轮作为输出、太阳轮和齿圈作为输入时，根据文 献蜘可及知其转化轮系传动比( 即特性参数) k ，的计算方法如下 午乞= t = 盟c 0 2 - - ( - ) 4 = 一鲁= 一百r 2 ( 2 7 ) 因此，此时差动轮系的输出转速如式( 2 5 ) 所示： 西安理工大学硕士学位论文 叻2 等= 等警 式中：“卜“2 、。4 差动轮系太阳轮、 ( 2 8 ) 内齿圈、行星架转速；其余符号意义同前。 2 2 3 金属带式无级变速功率分流传动单元传动比 如图2 2 所示，金属带式无级变速功率分流传动单元将输入功率分为两路到达输出 端，设其总传动比为。则其计算公式如下 ：旦( 2 9 ) 由单元结构可知：嘶= = ，c o o = q ，= 和，= ；带入式( 2 9 ) ，并联立 式( 2 1 ) ( 2 6 ) ，可得金属带式无级变速功率分流传动单元传动比的一般形式 0 ：_ i a 1 - 了k 0 ( 2 1 0 ) 。 一墨 一 联立式( 2 4 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 可以得出图2 - 5 所示的具体结构形式的金属带式无级变速 功率分流传动单元的总传动比为 =等=错=丽rsr丽t(ri+瓦r2)i k 晓 。 i p k li c f lr i r s r l + r 2 r p r ， 式中符号意义同前。 ( 2 1 2 a ) 并由此可得金属带式无级变速功率分流传动单元的总传动比i r 随单元中m v c v 卜 齿轮装置传动比i e 的变化规律，即有以下几种情况存在 随递增； 随递减； ( 2 1 2 b ) 随递增。 以上各式符号意义同前。 对与一般以行星架为输出构件的2 k h 差动轮系而言( 图2 5 ) ，其特性参数硒一般 为k l 一 一 吁一峙一，0一0 a 一8 a a a a 2 车用功率分流c v t 驱动系统的稳态分析 金属带式无级变速传动单元的传动比打取决于其结构尺寸的大小。 2 3 离合器单元传动分析与优化 对于功率分流c v t 驱动系统来说，离合器的功能是在车辆起步时实现发动机与传动 系的平顺结合，从而使车辆平稳起步以及在工作中受到大的动载荷时保护传动系免受冲击 和破坏。对于图2 - 2 所示的p x 型金属带式无级变速功率分流传动单元，添加离合器时可 考虑以下两种方案，如图2 - 7 所示。 m v c v t - - 齿轮装置 m v c v t - - 齿轮装置 定轴传动m v c 紫芝。1 钟 g 咖e a r 岫t r a * 甲斗一 晡r 七r 一 慧黧 乓啊， 级变速嚣 、：_ t = _ y m t 州y p e 讲c计7 l ，刊峙卜 膏各嚣 差动轮系 d 蛐皓r r e n t l 一 g 6 r u a i n 口 c l u t c h 口 图2 7 金属带式无级变速功率分流传动单元离合器加装方案图 f i g 2 7d i a g r a mo f m e t a lv - h e rc o n t i n u o u s l yv a r i a b l ep o w e rs p l i tt r a n s m i s s i o nu n i tw i t hc l u t c h 图2 7 ( a ) 所示的方案一是在该单元的输入端和- ，点之间添加离合器。这种方式使得 单元中的m v c v l _ 齿轮装置( p ) 和差动轮系( x ) ，在离合器接合过程中要分别进行调 速和功率分流，因此对二者的制造要求会相应的提高。 如图2 7 ( b ) 所示，方案二是在该单元输入端与差动轮系( x ) 输入端a 之间以及 m v c v l 一齿轮装置( p ) 与差动轮系( x ) 输入端b 之间分别加装离合器。这种方案 与前者相比较而言，离合器在接合过程中，其作用还相当于无级变速器，与m v c v i 一齿 轮装置( p ) 和差动轮系( x ) 共同实现调速和功率分流功能，从而能够降低两者的制造 要求。 另外，图2 7 ( a ) 所示的系统为开环系统。综上，图2 7 ( b ) 所示的方案二更为合 理。因此，本文选择方案二对金属带式无级变速功率分流传动单元加装离合器。 按图2 。7 ( b ) 所示的方案二，单元中采用了两个离合器，分别控制发动机的输出转 矩传递到差动轮系的输入端d 及m v c v 卜齿轮装置的输出转矩传递到差动轮系的输入端 b 。本节的内容是针对一般车用离合器工作的三个阶段( 不考虑离合器的具体结构形式) 对离合器单元的转速、加速度特性曲线进行三次拟合，并且提出优化目标，对离合器单元 进行优化分析。 2 3 1 离合器单元传动分析 一般车用离合器是靠主动( 输入) 件和从动( 输出) 件之间的接合转矩来传递发动机 西安理工大学硕士学位论文 转矩的。接合转矩的传递过程可分为三个阶段，其间离合器输入、输出端转速的变化如图 2 8 所示。i i s l 1 9 j 【2 0 1 1 2 1 l 第一阶段，即0 s f f 。时，离合 器处于分离状态，接合转矩为零，输 出端转速为零。第二阶段，即 f t 。时，离合器处于半接合状 态，其主( 输入) 、从( 输出) 动件 半接合，此时离合器的接合转矩称为 半接合转矩。在此期问，离合器输入 端转速下降，输出端转速上升。当其 图2 - 8 离合器转速曲线变化示意图 f i g 2 8c o n v e n t i o n a ld i a g r a mo f c l u t c hr o t a t i n gs p e e dc u t v e 输入、输出端转速一致时半接合状态结束。第三阶段，即t 。s f f 时，离合器处于稳定运行状态。 为了使离合器在接合点实现平稳的接合，且离合器接合加速度曲线连续，从而实现 车辆起步时发动机与传动系平顺的结合，本文针对上述一般车用离合器接合的三个过程， 对文献“州”1 中转速拟合的方法进行了改进。采用三次曲线待定系数法进行离合器的转速特 性曲线的拟合，从而使输入、输出转速及加速度曲线更加符合实际使用中离合器各个接合 状态下的转速变化规律。图2 9 为一般车用离合器的转速特性曲线三次拟合示意图。 由于在查阅相关文献时未见离合器输入输出加速度曲线拟合方法，因此本文采用对 ( 转连口) 图2 - 9 一般车用离合器转