（动力机械及工程专业论文）新型无级变速器的设计与研究.pdf

摘要 变速系统是汽车的重要组成部分，而无级变速能够实现充分利用发动机性 能，提高燃油经济性及污染物排放。本文研究的功率分流无级变速系统在利用 了无级变速单元的无级变速特性的前提下，通过行星轮系和定轴轮系实现了对 发动机输出动力进行功率分流及汇流，提高了整个无级变速系统的传递效率。 本文从传动机理上对功率分流式无级变速系统及其重要组件无级变速单元 和行星轮系的运动学做出了理论分析；根据无级变速单元、行星轮系及定轴轮 系的不同组合形式将其划分为两种不同的功率流形式，并分别对其进行了功率 流分析及传递效率分析；设计了对功率分流式无级变速器功率流优化的方案， 得出无级变速单元速比与功率分流系统速比之间的关系，并对其传动性能进行 了分析。分析表明，该方案能够使得在整个功率分流系统速比下变速系统的传 递能力均较高。 金属带式无级变速单元作为本文所研究的功率分流式无级变速器的核心部 件，对整个变速系统的性能有着至关重要的影响。本文针对直母线金属带式无 级变速单元在变速传动过程中出现的金属带轴向偏移现象，分析了其产生原因 并通过理论计算得出了其与无级变速单元速比之间的变化关系：分析了现有消 除及减小轴向偏移方法的利弊，并设计出以非对称金属带配合直母线锥盘替换 原有结构的结构形式；该形式能够保证金属带在整个变速传动过程中均不会出 现轴向偏移现象，起到提高金属带式无级变速单元的传递能力的作用。 功率分流式无级变速系统的控制中最重要的是对无级变速单元的控制，本文 在研究了现有控制方式节基础上，提出了采用步进电机作为系统控制源的纯电 力调节方案，分析了其结构形式及控制原理，并得出了金属带无级变速单元可 动轮轴向移动量与无级变速单元速比之间的关系，进而得出了可动轮轴向移动 量与功率分流系统速比之间的关系；基于以上结论，采用p i d 控制方法对功率 分流无级变速系统的速比进行控制，并运用m a t l a b s i m u l i n k 工具对其进行了仿 真。 关键词：功率分流式无级变速器，轴向偏移，纯电力控制 a b s t r a c t t r a n s m i s s i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ev e h i c l e ，w h i l ec 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 ( c v t ) c a nm a k ef u l lu s eo fe n 西n ep e r f o r m a n c ea n di m p r o v e f u e le c o n o m ya n de m i s s i o n i nt h ep r e m i s eo f u s i n gt h es t e p l e s ss p e e dc h a r a c t e r i s t i c o fc v t , p o w e rs p l i tc 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 ns y s t e mf f , s c v r ) i nt h i st h e s i s i m p r o v e dt h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo f t h ew h o l et r a n s m i s s i o ns y s t e mb ym a k i n gt h e o u t p u tp o w e ro fe n g i n es p l i ta n dc o n v e r g e dw i t ht h ep l a n e t a r yg e a rt r a i na n df i x e d a x i sg e a rt r a i n b a s e do nt h em e c h a n i s mo fp s c v t s y s t e m ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s e so fk i n e m a t i c s o fc o n t i n u o u s l yv a r i a b l eu n i ta n dp l a n e t a r yg e a ra r em a d e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t c o m b i n a t i o n so fc o n t i n u o u s l yv a r i a b l eu n i t ，p l a n e t a r yg e a ra n d 血e da x i sg e a r , p s c v ts y s t e mi sd i v i d e di n t ot w od i f f e r e n tf o r m so f p o w e rf l o w , t h e ni t sp o w e rf l o w a n dt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya r ea n a l y z e d ；ao p t i m i z a t i o ns c h e m eo fp s c v ti s p r o p o s e di nt h i st h e s i s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es p e e dr a t i oo fc o n t i n u o u s l y v a r i a b l eu n i ta n dt h es p e e dr a t i oo fp s c v ts y s t e mi so b t a i n e da n dt h et r a n s m i s s i o n s y s t e mp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d a n a l y s i ss h o w st h a tt h i ss c h e m ec a nm a k et h e t r a n s m i s s i o ns y s t e mc a p a c i t ya th i g l ll e v e l si nt h ew h o l e r a n g eo fs p e e dr a t i o a st h ec o r ec o m p o n e n t so fp s c v t , c o n t i n u o u s l yv a r i a b l eu n i th a si m p o r t a n t i n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo fw h o l et r a n s m i s s i o ns y s t e m b a s e do nt h e p h e n o m e n o no f a x i a lo f f s e to ft h em e t a lb e l ti nt h ep r o c e s so ft r a n s m i s s i o n ，a n a l y z e d t h ec a u s e sa n dc a l c u l a t e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo f f s e ta n dt h er a t i oo f c o n t i n u o u s l yv a r i a b l eu n i tt h r o u g ht h e o r y b a s e do nt h ea n a l y s i so fe x i s t i n gm e t h o d o fe l i m i n a t i n ga n dr e d u c i n gt h ea x i a lo f f s e t ，i ti sp r o p o s e dt or e p l a c et h eo r i g i n a l s t r u c t u r eb yt h ec o m b i n a t i o no fa s y m m e t r i cm e t a lb e l ta n ds t r a i g h t - l i n eg e n e r a t o r c o n e t h i sf o r mc a ne n s u r et h a tt h e r ei sn o tp h e n o m e n o no fa x i a lo f f s e to ft h em e t a l b e l ti nt h ew h o l ep r o c e s so ft r a n s m i s s i o n ，a n dc a ni m p r o v et h et r a n s m i s s i o nc a p a c i t y o ft h ec o n t i n u o u s l yv a r i a b l eu n i t t h ec o n t r 0 1o fc o n t i n u o u s l yv 撕a b l eu n i ti st h em o s ti m p o r t a n te l e m e n to ft h e i i c o n t r o lo fp s c v t b a s e do nt h es t u d yo f t h ee x i s t i n gc o n t r o lm e t h o d ，ap u r ee l e c t r i c c o n t r o ls y s t e mu s i n gas t e p p i n gm o t o ra st h es o u r c eo ft h ec o n t r o l i sp r 0 1 ) o s e d a n a l y z e di t ss t r u c t u r ea n d c o n t r o lp r i n c i p l e ，a n do b t m n e dt h er e l a t i o n s h i pb e 似e e n t h e a x i a l1 1 1 0 v e m e n ta i l dt h er a t i oo fc o n t i n u o u s l yv a r i a b l eu n i t ，t h e n t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ea x i a lm o v e m e n ta n dt h er a t i oo fp s c v t b a s e do n t h ec o n c l u s i o n sa b o v e ， p i dc o n t r o lm e m o df o rs p e e dr a t i oo f p s c v ts y s t e mi su s e d ，a n di ti ss i m u l a t e dw i t h t h em a t l a b s i m u l i n k k e yw o r d s ：p s c v t a x i a lo f f s e t ，p u r ee l e c t r i cc o n t r o l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 翻：墨笺日期： 型之：乞：乡 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：吲哆导师( 签名) ：适砌扈晒期弘阳，手工9 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着世界范围内汽车行业的飞速发展，全球汽车保有量得到了大幅度的提 高。早在2 0 0 5 年，全球汽车保有量就已达到8 亿辆。按全球人均计算，每8 人 中就有一人拥有汽车。据预测，2 0 1 0 年的全球汽车保有量有望突破l o 亿大关。 另据汽车工业协会发布的数据显示，2 0 0 9 年中国汽车产销突破1 3 0 0 万辆，乘用 车产销量首次超过1 0 0 0 万辆，使得中国成为世界第一的产销大国。如此大规模 的全球汽车保有量不仅显示出汽车行业在全球的蓬勃发展，更为新一代汽车技 术的诞生及深入发展提供了有利的机遇【l 】。 节能环保，这已经成为了新时代汽车技术发展的主题。作为汽车的核心部件 之一，变速器性能的好坏直接影响到整车性能指标的好坏。传统的机械式手动 变速器( m t ) 已经远远不能满足新型社会的要求，因此，为了达到节约能源与 降低污染物排放的目的，改善驾驶员的操作便捷性及乘客的乘坐舒适性，各类 新型自动变速器技术得到了飞速的发展，其中主要以自动变速器( a = r ) 、双离合 无级变速器( d c t ) 及无级变速器( c v t ) 为重点。由于无级变速器能够实现 传动比的连续变化，从而与发动机的实际工况进行最佳匹配，进而提升整车的 动力性及经济型，改善驾驶平顺性等，因此无级变速器越来越得到科研机构及 生产厂家的重视。 无级变速器的主要优点有【2 1 ( 3 】： 1 ) 经济性 由于无级变速器能通过传动比的连续变化，使车辆外界的行驶状况与发 动机负载实现最佳匹配，保证发动机能在最佳工作区域内稳定运行，充分发 挥出发动机的潜力，使燃烧完全，因此提高了发动机的燃烧效率及整车经济 性。 2 ) 动力性 汽车的后备功率决定了汽车的加速能力和爬坡能力，后备功率越大的汽 车，动力性能越高，而装有无级变速器的汽车，能够使汽车发动机在最佳的 工作曲线上工作，发挥发动机最佳性能。 3 ) 排放 武汉理工大学硕士学位论文 无级变速器实现了发动机的闭环控制，且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。 4 ) 平稳舒适性 对于装备无级变速器的整车，驾驶员无需考虑换档，整车的速度变化是 连续进行的，没有传动比突变所造成的冲击，使汽车驾驶平顺、舒适。同时， 由于取消了离合器的设置，驾驶过程中只需控制加速踏板及刹车踏板即可， 因此简化了汽车行驶过程中的操作，减轻驾驶员的疲劳，提高行车的安全性。 5 ) 成本 c v t 系统结构简单，零部件数a t 大约有5 0 0 个，而c v t 基本有3 0 0 个左右，一旦汽车制造商开始大规模生产，c v t 的成本将会比a t 小。由于 采用该系统可以提高经济性，随着大规模生产以及系统、材料的革新，c v t 零部件的生产成本将得到大部分的降低。 c v t 传动技术已经日臻成熟，采用最优化设计出的c v t 汽车的整体性能明 显好于5 档a t 汽车，两者的比较结果如图1 1 所示： - + 1 0 以k n 。5 心 狰夕料 改进潜力 图1 1c v t 汽车与5 档a t 汽车的整体性能比较 2 诗的c v t c v t 武汉理工大学硕士学位论文 目前应用较多的无级变速器主要是带式无级变速器，其中包括橡胶带式及金 属带式。但是，对比于常规的齿轮传动，传动效率低是无级变速器最主要的缺 陷，虽然无级变速器能保证其在发动机效率较高的情况下运转，但这一缺陷却 导致了整个动力系统整体效率的下降。而且，无论是橡胶带式无级变速器还是 金属带式无级变速器，都存在传递转矩能力过小等问题，因此限制了无级变速 器在实际中的应用。因此，亟需研究开发一种新型变速系统形式以克服无级变 速器在实际应用中的困难。 功率分流技术为这一研究提供了一个新的方向。利用功率分流的原理，将传 统齿轮传动与无级变速传动结合起来，形成一种复合传动形式，并且发挥各自 的优点，既可以实现无级调速，又克服了无级变速器传递转矩偏小的问题，并 且，该复合传动还能提高无级变速的效率，因此，研究开发一种适用于微型轿 车并能充分利用无级变速器优点的功率分流式变速系统具有重要意义。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 无级变速技术的发展【5 】【9 】 无级变速传动技术的发展已经有一百多年的历史了。早在十九世纪八十年 代，德国d a i m l e r - b e n z 公司就已经首次把v 型橡胶带式无级变速器装载在了汽 油机上。但由于当时的工艺、材料、制造以及控制技术的限制，这类的无级变 速器并没有能够得到成功。1 9 5 8 年，现代c v t 的开创者，荷兰的h v a n d o o m e 博士，研制成功了名为“v a r i o n m a t i c 的双v 型橡胶带式无级自动变速器，并 装备于d a f 公司的d a f f o d i l 小型轿车上。此后该变速器经过多次改进，于1 9 7 5 年装备于v o l v 0 3 4 0 系列轿车上并取得了成功，发动机排量达1 4 l 。但是由于橡 胶带式c v t 传递功率有限、效率低、离合器工作不稳定，传动带与夹紧机构的 能量损失比较大，因此并未获得汽车行业的广泛接受。h v a n d o o m e 博士自 6 0 年代便开始研究能传递较大功率、效率高、结构紧凑的传动机构，提出了使 用v 型金属带代替v 型橡胶带的设想。7 0 年代初，h v a n d o o m e 博士在荷兰 t i b u r g 组成了v d t 公司，开始推出单钢环组推块式金属带，后改型为目前流行 的由更薄的金属钢质环片组构成的金属带。由于金属带工业化生产的复杂性， v d t - c v t 商品化直到1 9 8 7 年才实现。9 0 年代v d t 又研制成功了传递容量更大、 3 武汉理1 大学硕士学位论文 性能更佳的第二代v d t - c v t 变速器，并已装车使用，所用发动机排量可达33 l 。 日本的三菱公司也选择了c v t 装备汽车，1 9 9 7 年同本富士重工集团在其多 年开发经验的基础上，在它的v i s t r o 微型车装备了全计算机控制式e c v t 。1 9 9 9 年德国z f 公司与美国f o r d 合作并为f o r d 公司的轿车和轻型货车生产配套的 c v t 。z f 公司设计的c v t 是一种变矩器式变速器。据称，与四挡自动变速器相 比，该c v t 系统能够使整车加速性能提高1 0 ，燃油经济性提高1 0 0 o - 1 5 。 特别值得一提的是德国大众公司的m u l t i t r o a i c c v t ，如图1 - 2 。在奥迪车上装 备的m u l t i t r o n i 无级变速器将自动变速器的舒适自如和手动变速器的快速反应台 二为一。奥迪m u l t i t r o n i c 无级变速器进行了多项技术上的改进、提高和发展。 电子控制系统中还包含有动态控制程序，该程序对驾驶员和行车条件都进行监 测，能更好的响应外部条件的变化。高新技术控制系统的集中使用使m u l t i t r o n i c 无级变速器的实际燃油经济性也很出色。装有m u l t i t r o r t i e 无级变速器的奥迪a 6 轿车0 - 1 0 0 k m h 的加速时间比装备齿轮传动自动变速器的车快了1 3 秒。按照欧 洲的燃料消耗标准，它比装各常规的齿轮传动自动变速器的车每百公里少消耗 0 , 9 升汽油。 图l 一2m u l t i t r o n i c 无级变速器三维剖视图 除了在汽车中应用的金属带式c v t 外，在摩托车中也广泛应用了橡胶v 带 式无级变速系统，它通过离心滚柱在不同旋转速度下产生不同的离心力操作主 动可动盘轴向移动以实现连续变化的速比。橡胶v 带式无级变速系统操作方便、 结构简单、成本低，在摩托车上取得了极大的成功。 武汉理工大学硕士学位论文 虽然c v t 技术已经取得了极大的发展，但它们都存在许多缺点。现在汽车 用的普通c v t 系统存在效率低、起步性差、传递功率小、控制精度不够理想等 问题，而高级的c v t 系统( 如奥迪的m u l t i t r o t r i c ) 均因为结构复杂、加工及装配 工艺要求高、生产成本过高的问题，只能适用于中高级轿车，不适用于经济型 轿车或微型汽车。而摩托车用的c v t 系统则由于传递功率太小、控制不精确、 橡胶带的磨损严重影响c v t 寿命等，也不可能应用于经济型轿车或微型汽车， 因此，许多科研机构及生产厂家也开始研究一些新型无级变速系统，功率分流 式无级变速系统就是其中很有前景的一种。 1 2 2 功率分流无级变速技术的发展 传统齿轮传动具有传递转矩大，传递效率高等特点，如果能将传统齿轮传动 与无级变速传动结合在一起使用，实现二者的优势互补，则将能充分利用二者 的优点，以达到整体优化的目的。复合传动技术的出现为此构想提供了一个很 好的实现途径。 复合传动按照传动介质可分为液压机械式复合传动和机械机械式复合传 动，按照能量的流动路线不同，则可分为单流传动、分流传动、汇流传动以及 分流与汇流复合传动。目前应用较多的为分流与汇流复合传动，该类型复合传 动一般具有“功率分流”特性，即输入功率在变速系统的输入端分流为两路， 并分别由不同的传动机构传递，在变速系统的输出端进行功率汇流后输出。如 果两路功率传递机构中一路采用可实现无级变速的传动机构( 包括机械摩擦式 传动、机械牵引式传动、液力或者电力式传动) ，另一路采用机械啮合传动( 如 齿轮传动等) ，便可形成适用于汽车的动力传递机构。该传递机构不仅能实现无 级调速，同时利用啮合传动的高效高承载能力，克服了无级变速单元的传递功 率小的缺点，同时提高了整体无级变速的传动效率。 功率分流式无级变速系统( p o w e rs p l i tc 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 p s c v t ) f l p 为机械机械复合传动中的一种形式，该系统由一套可变传动比的无 级变速单元和行星轮系构成。发动机输出的功率在无级变速单元处进行分流， 一部分动力经无级变速单元传递至行星轮系，另一部分动力直接传递到行星轮 系，两部分动力在行星轮系处进行汇流并向外输出。此种无级变速系统的优点 是无级变速单元只传递一部分的动力，可以有效的解决无级变速单元传动的功 5 武汉理工大学硕士学位论文 率小，效率低的问题。 1 9 6 5 年m a c m i l l a n 和d a v i e s 提出了功率分流( 带一行星轮系) 式无级变速系 统动力学的布置方案；随后，在1 9 6 7 年，w h i t e 对该布置方案作出了功流分析； 在九十年代，台湾成功大学机械工程研究所提出了一种新型车用功率分流式无 级变速系统，为其控制与仿真提出了一套系统化的方法，并进一步进行了运动 学分析，功率流分析，导出了行星齿轮系统基本尺寸确定的基本过程：2 0 0 1 年， v h m u c i n o 、g m a n t n o t a 等人分别提出了新的系统布置方案，通过对该传动方案 中传动速比与两路功率分配之间关系的研究后得出：车速较低时，带轮式无级 变速单元传递的功率仅为总功率的- d , 部分，符合汽车起步时带轮式无级变速 单元传递较小功率的要求；同时，由于传动效率较高的齿轮传递了大部分功率 而使得总传动效率有所提高，可有效地解决汽车在低速一高转矩的情况下，起 步性能差的问题，从理论上验证了功率分流式无级变速系统的可行性和优点【l o j 。 可以预见，对功率分流式带一行星轮系无级变速系统的研究会越来越广泛。 国内，功率分流式无级变速器的研究主要集中在科研院校中进行。华南理工 大学为消除现有无级传动系统中存在的共性缺陷，提出了一种功率分流、双向 汇流的复合无级变速系统，如图1 3 所示。 图1 3 功率分流双向汇流无级变速系统 6 武汉理工大学硕士学位论文 该变速系统采用前后两个行星轮系与无级变速单元进行集成，实现功率的分 流和汇流，其中前后两个行星轮系的太阳轮联为一体。对于后排行星轮系，发 动机动力输入后一路功率直接传到其齿圈，另一路功率经无级变速器传到其太 阳轮，在其行星架上完成汇流，该行星排的速比与无级变速器的速比成正比， 因此称为正向汇流；对于前排行星轮系，发动机动力与其行星架相连，功率输 入后一路经其齿圈直接输出，一路经太阳轮流经无级变速器后再传回到行星架， 因而此时出现了功率循环，该行星排的速比为无级变速器速比的反函数，因此 称为反向汇流。可通过在前后两个行星排输出端后面串接不同的齿轮副以实现 速比挡位的扩展。该变速系统具有传动效率高、速比变化范围大等优点，在其 研制的混合动力汽车上得到了应用，但其缺陷也比较明显，复杂的传动机构使 得系统的成本大大增加，不利于其在微型车及经济型轿车上的应用。南京理工 大学从2 0 0 0 年开始进行功率分流式无级变速器的研究。以发动机前置后驱的微 型客车和经济型轿车为应用对象，研制了一款具有功率分流无级变速特征的变 速系统。该变速系统采用单个行星齿轮系与带轮式无级变单元进行集成，并联 地传递动力，发动机输入动力一路直接传递到行星轮系的太阳轮，另一路经无 级变速单元后传递到行星轮系齿圈，由行星架完成功率汇流后输出。其中，带 轮式无级变速单元采用了机械调节式橡胶v 带无级变速器，并在2 0 0 5 年完成了 国内首台供微型车使用的功率分流式无级变速器样机【l 。 无级变速传动是汽车变速系统的一大发展趋势，车用功率分流式无级变速系 统是一种高度机电一体化的新产品，随着汽车电子技术的飞速发展，纯电子控 制式的汽车变速系统的实现变得可能，更精确的电子控制及更迅捷的系统响应 能大幅度提高功率分流式无级变速器的性能。再者，工艺技术的提高、新材料 的应用、制造成本的降低都大大促进了功率分流式无级变速器在微型车及经济 型轿车上的应用前景。如今，人们对汽车提出了节能环保的时代需求，由于功 率分流式无级变速器在这方面的优势及潜在能力，它必将在汽车行业扮演举足 轻重的作用。 1 3 课题的研究内容 本文以微型车及经济型轿车为研究对象，为匹配该类型车搭配的1 2 l 排量的 发动机，提出了采用功率分流式无级变速器作为汽车的变速系统。该系统采用 7 武汉理工大学硕士学位论文 金属带式无级变速单元与行星轮系两种机械传动结合的复合传动形式，不仅能 够达到无级调速的目的以满足汽车行驶的需要，还改善了传统带式无级变速器 所存在的传动效率低下，起步性能差，传递转矩能力小，速比范围小的缺点。 本文主要涉及功率分流式无级变速器的系统分析、关键部件( 无级变速单元) 的改进、纯电子控制方式的实现等，具体研究内容如下： 1 ) 利用数学分析的方法对功率分流式无级变速器进行理论分析，包括系统 的运动学分析，功率流分析，传动效率分析，建立起系统主要参数与系 统性能之间的关系，在优化的基础上为系统关键部件的设计提供理论基 础；提出了一种功率流优化的功率分流无级变速系统，对其结构及原理 进行了分析，在其性能的对比分析中从理论上验证了其具有的优越性， 对搭载了本文研究的功率分流无级变速系统的微型车进行了极限工况下 的计算； 2 ) 对系统的关键部件无级变速单元进行分析，针对直母线金属带式无级变 速单元的轴向偏移现象，分析了其产生的原因及相应的消除方法，提出 了采用非对称金属带式无级变速器作为系统无级变速单元的设想，并对 其承载能力进行了相应的分析； 3 ) 针对功率分流式无级变速系统，在分析现有无级变速单元控制方式的前 提下，提出了纯电子控制的无级变速单元的调节方式，完成变速传动过 程中的几何学分析，得出了电机转角与传动比之间的关系；完成变速传 动过程中的力学分析，得出了可动轮夹紧力与电机转矩之间的关系，并 利用m a t l a b s i m u l i n k 工具对速比模型进行了仿真分析； 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章功率分流无级变速器的传动机理分析及优化 2 1 功率分流无级变速器的运动学分析 功率分流式无级变速器因为具有无限变速的特性，因此也可称为无限可变变 速器( 即t ) 。t 主要由三大部分组成：一个无级变速单元c v t ，一个行星 齿轮系p g 和一个定速比齿轮系f r 。其实现原理为：将无级变速单元的输入轴 与输出轴或直接或通过定轴轮系，分别与一个行星轮系的两个基本构件联接起 来，构成一个封闭的变速传动系统，由于发动机输出的功率只有一小部分流经 无级变速单元，大部分的功率都通过行星轮系输出，无级变速单元只起到控制 无级变速的作用。 2 1 1 无级变速单元的运动学分析 功率分流式无级变速器的无级变速特性是通过无级变速单元来实现的。本文 以金属带式无级变速器作为整个传动系统的无级变速单元。金属带式无级变速 器属于摩擦式无级变速器，如图2 1 ( a ) 所示，输入动力经输入轴传递至主动 轮，主动轮与金属带摩擦推片的侧面接触以产生摩擦力推动摩擦推片向前运动， 这样，后一个摩擦推片推动前一个摩擦推片向前运动，形成摩擦片间的推力， 该推力经过金属带传递至从动轮端，由摩擦推片与从动轮接触产生的摩擦力带 动从动轮旋转，实现了动力的传递【l 孙。 图2 1 无级变速单元运动示意图 9 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 1 ( b ) 所示，金属带在传递动力过程中，其有效作用线为金属带摩擦 推片与带轮接触点在运转平面内的投影，金属带在此平面内的运转是连续的， 线速即为带速，均为y 。设主动轮的转速与从动轮转的速分别为国。和c o ：，则： y矿 q 2 百。哆2i 因此，无级变速单元的传动比为： 锄= 罢= 器= 鲁 缈， yk ， 矗 2 1 2 行星轮系的运动学分析【1 3 】 本文采用的行星齿轮结构为具有两个自由度的差动行星齿轮，其具有三个可 动外接构件。对于差动行星齿轮传动，必须给定两个构件的运动后，其余构件 的运动才能够确定下来，该特性为实现功率分流式无级变速器的功率的分流和 汇流提供了基础。如图2 2 所示为差动行星齿轮传动的示意图。 图2 2 差动行星轮系示意图 如图2 2 所示，行星齿轮传动与定轴齿轮传动的根本区别在于，前者具有围 绕主轴线转动的行星架p ，而安装在行星架上的行星轮r 既有围绕自身轴线旋转 的自转运动，又有整体围绕主轴线旋转的公转运动，因此，差动行星齿轮在进 行运动学分析时，不能直接运用定轴齿轮传动的计算公式来计算传动比。根据 相对运动的原理，如果给整个差动行星齿轮加上一个与行星架的角速度大小相 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 等( 缈，) 、方向相反的一个公共角速度，差动行星齿轮传动中各个构件之间的运 动关系还是保持不变的。但是，原先以一定角速度缈。旋转的行星架就转变为静 止不动的构件了，其相对旋转角速度国：= 缈。一缈。= 0 。于是，该差动行星齿轮 机构便转化为定轴齿轮传动。该假象的定轴齿轮机构称为差动行星齿轮的转化 机构。通过计算转化机构的传动比，则可求得差动行星齿轮传动的传动比。以 图2 2 为例： f 三：箜：丝二竺! ：一鱼 国；c o b 一国zr 4 2 1 3 功率分流无级变速器的运动学分析 根据无级变速单元c v t 、行星轮系p g 、定轴轮系f r 的组合形式，功率分 流式无级变速器可分为串联式及并联式两种结构形式。对于并联式功率分流无 级变速器，无级变速单元的从动轮与行星轮系的太阳轮固联在一起，主动轮通 过定轴轮系与行星轮系的行星架固联在一起，整个功率分流变速器的动力经行 星轮系的行星轮输出至后级减速机构：对于串联式功率分流无级变速器，无级 变速单元的主动轮与行星轮系的太阳轮固联在一起，从动轮通过定轴轮系与行 星轮系的行星架固联在一起，整个功率分流变速器的动力经行星轮系的行星轮 输出至后级减速机构。图2 3 为并联式功率分流式无级变速器的示意图，图2 - 4 为串联式功率分流式无级变速器的示意图。 输入 r 一 i 25 i 1 幽 ，： i 髟勿 了 i 1l l ! f r 1。 。弓吒 j c v t p g 。 l 。i 4 。5 h i ， i 吩 弓 6 i 6 蚴 琵勿! 7 lf 乃习 z 勿! l 一 l 、 j - l l i 图2 3 并联式功率分流无级变速系统示意图 输出 武汉理工大学硕士学位论文 输 出 图2 4 串联式功率分流无级变速系统示意图 以并联式功率分流无级变速系统为例，系统内各组件的运动满足以下公式关 系： q2 缈22c 0 3 ，0 ) 8 = 国9 ，缈4 = 0 ) 7 ，0 ) 52c o ( 2 1 ) 根据无级变速单元及定轴轮系的运动学分析，可得下式： 锄：堕，l 。f r ：竺 ( 2 2 ) l 们2 _ 二， 2 二 k z 。z 夕 田2c 咚 对于本文所采用的行星轮系，可将其视作由两个简单差动行星齿轮复合而 成，如图2 5 所示： 8 ： i i i 一l i l ： h ： i 蚴 弓： 7 ： f 呖i i i i i 图2 5 功率分流无级变速器行星轮系示意图 由2 1 2 节的分析可知，根据差动行星齿轮传动的运动特点，有下式： 1 2 墼望里三查堂堡主兰塑笙壅一! s 二竺! ：生坐二竺! ：一生( 2 3 ) m 1 一 哦一b 其中，口为t 各组件的转速m 。为行星架的转速： t 为t 各组件的工作半径； z c 盯为无叛变速单元的传动比； i 朋为定轴轮系的传动比。 联立式( 2 一i ) 、式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) ，可求解出功率分流式无级变速器的输 出轴6 的转速： 。= 毒+ 詈+ 如，一。* ) + m * 5 专+ 专+ o t 一s ) + s 8 7 6 ：皇生如：k 仃一钝一n ) + 屿+ i 用 k ：q + l 三生( f c 盯一) + hl l 飞飞 j 进一步求出功率分流式无级变速器的传动比z 胛： i 。；丝：生生o 。一h ) + 喃 m 。百2 i 。i 。”1 ” 甄为行星轮系的传批胁m2 嚣专。寺詈，即： e w = l c h i r + l f t ( 2 - 4 ) 参考以上对并联式无级变速形式的分析，可得到串联式无级变速形式的传动 比为： f m = f w + ol w ) + z f 4 i m ( 2 。s 皇6 萎a 惹z 鐾。 鉴z 4 i 坩2 l l m 2 2 l ，6 = j 无级变速单元速比1 州 图2 - 6 无级变速单元速比与功率分流系统速比关系图( 并联式) 茎堡堡三查堂堡主堂焦堡塞 图2 - 6 显示了行星轮系的传动比是如何影响功率分流式无级变速器的变 速传动特性的。由图2 - 6 可知总传动比肘可能会出现负值，即输出轴的转速方 向与输入轴的转速方向可能相反；而且。当k 值大于。时，c v t 与t 的速比 成正比关系，当k 值小于0 时c v t 与i v t 的速比成反比关系。串联式的i v t 刚正好相反，如图2 7 所示： 喜7 ii 娶 l _ 3 0 - 1 无级变速单元连比c _ r 2 2 一 j 2 一 】，口2 一 l w = 1 = 2 = 3 图2 - 7 无级变速单元速比与功率分流系统这比关系图( 串联式) 对于特定的c v t 而占，由于自身结构的限制，其具有一定的最大传动比 f 。玎i 枷a e 4 、传动比f 。盯i 舳。当给定t 的最大传动比f 肝i 与最小传动比 ”i 椭时，可通过式( 2 _ 4 ) 和式( 2 5 ) 计算出所需的行星轮系的传动比k 及 定轴轮系的传动比i 用。以并联式i v t 为例，假设c w i 传动比与i v t 传动比成 正比的关系，有下式： 锄l 一= k 哆1 一一z j + 喃1 ( 2 - 6 ) k i 。= i 。i 。一i 。) + f 。j 求解得出相应的行星轮系传动比i 岵及定轴轮系传动比i 厅，即： k ：善 半 ( 2 - 7 ) c 玎l 加- - i c 7 l 胁 = 型等兰! ! 止二 ( 2 - 8 ) 当c v t 传动比与1 v t 传动比需满足反比关系时，只需将式中的玎i 枷与 f c 盯椭互换即可。 对于串联式来说，行星轮系传动比及定轴轮系传动比按照下式进行计 算： t 。：旦丛区 ( 2 _ 9 ) 武汉理工大学硕士学位论文 其中， 胛l 胞一2 p g k 2 磊莨砰jc 玎i 船u 一2 粥， 1 7 c 盯：c i , t i m a x 为c v t 的变速比。 一盯2 _ 一月 利艾述 lo z c v t m i n 2 2 功率分流无级变速器的功率流分析 ( 2 1 0 ) 从功率分流式无级变速器的结构形式可以看出，由于行星轮系p g 及定轴轮 系f r 的传动效率都很高，作为功率分流式无级变速器最复杂的部件，无级变速 单元c v t 的传动效率是影响功率分流式无级变速器传动效率的最重要因素。发 动机输入的功率经过无级变速单元的输入轴与输出轴在行星轮系进行了功率汇 流，根据功率在t 各组件间的流向，如图2 8 所示，可将其划分为i 型功率流 和型功率流f 14 1 。 并联式 霭 1 5 一 卤由 | 一。卣 i 型功率流 输出 九l ： 3 一 一 中r 。b i i 型功率流 l 一一一一一一一j 串联式 ，。，。，! 串联式 图2 8 并、串联式t 的两种功率流示意图 1 5 出 出 武汉理工大学硕士学位论文 对于串联式联接的i 型功率流，在行星轮系上的功率守恒方程为： i 正i i 正吐| - k 哦i = o 削刭一喇 将上式化为： i 编i c 盯i = 墨- k ：i f 胛l ，k i o ，o 由上式可知，对于串联式联接，为了形成i 型的功率流，功率分流无级变速 器的速比应该与无级变速单元的速比成反比关系；对于并联式联接，该关系也 成立。 对于串联式联接的i i 型功率流，在行星轮系上的功率守恒方程为： i 正缈，i 一阢屿i 一阮国。i = o 吲= 刚剿 将上式化为： i i f r i c 玎l = k 。+ k ：i f 胛i k 。o ，k ：0 由上式可知，对于串联式联接，为了形成型的功率流，功率分流无级变速 器的速比应该与无级变速单元的速比成正比关系；对于并联式联接，该关系也 成立。 为简化分析，将功率分流无级变速器的各组件传递的功率只转化为关于无级 变速单元c v t 名义功率忍盯i 硎的无量纲参数p ，即： 只 既2i f 其中，下标f f 表图2 8 中所示的t 各组件。 对于i 型功率流，不论是并联式联接还是串联式联接， p 6 。p c f t z 胛 型措1 嘞盯一 若假定0 5 t 玎2 5 ，0 i n , r 1 ，可得玎= 4 ： 1 6 均可得出下式： ( 2 1 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 槲5 督 累q 皿删3 忭2 芒1 矧l 谁0 p 6 p 2 i l i l t oo 5 l 功率分流系统速比 图2 - 9 功率分流速比与各组件无量纲功率之间的关系( i 型功率流) 根据图2 8 及图2 - 9 可以得出： p 嚣= p c 玎= p 2 p 3 = p 2 , r 因此，对于i 型功率流，在流经c v t 的功率大小相同的情况下，串联式联 接方式下流经定轴轮系的功率小于并联式联接方式下流经定轴轮系的功率，反 之即可认为，在流经定轴轮系的功率相同的情况下，串联式联接方式情况下流 经c v t 的功率小于并联式联接方式情况下流c v t 的功率。由于流经c v t 的功 率流越小，整个传动系统的效率越高，即对于i 型功率流，使用串联式形式可获 得更高的效率。 对于型功率流，不论是并联式联接还是串联式联接，均可得出下式： p 6 = p c 玎 耳t ( 2 1 2 ) 1 t c r r l l l q im i n 一胛lm a x 切一高了广 乃 1 2 诗 1 蒌0 言 鞋塞 嗣o 2 础0 00 20 40 60 81 1 胛 功率分流系统速比 图2 1 0 功率分流速比与各组件无量纲功率之间的关系( i i 型功率流) 1 7 多= 武汉理工大学硕士学位论文 根据图2 8 及图2 1 0 可得出： p 箸= p 3 p 2 = p c 玎= p 嚣 参照i 型功率流的分析方式，对于型功率流，使用并联式联接方式可获得 更高的效率。 为考察比较串联式联接与并联式联接的传动能力，在保证二者具有相同的结 构参数的情况下( 如无级变速单元速比范围、功率分流系统的速比范围具有统 一的参数) ，假设流经二者无级变速单元的功率一样，比较其传动能力，如图2 1 1 所示。 褥 督 骚 删 献 芒 囊 2 3 功率分流无级变速器的传动效率分析 以具备型功率流特性的并联式联接的t 为例，在稳态情况下，考虑行星 轮系的传动效率，根据行星轮系的功率平衡，得以下能量公式：