（光学工程专业论文）机械式无级变速传动匹配理论及在轿车上的应用研究.pdf

重庆大学硕士学位论文摘要 abs tract t h e m e t a l p u s h in g v - b e l t t y p e c o n t in u o u s ly v a r i a b le t r ans m i s s io n ( c v t ) i s a n e w - s t y le tr ans m i s s i o n s y s t e m w it h s i m p l e and c o m p a c t s t r u c t u r e . many s c i e n t i s t s al l o f t h e w o r l d h a v e b e e n a t tr a c t e d t o re s e a r c h o n t h i s t y p e o f tr a n s m i s s i o n b e c a u s e o f it s h ig h a c c e l e r a t i o n p e r f o r m anc e and e c o n o m i c f u e l c o n s u m p t i o n f o r v e h i c l e s . t h i s a d v anc e d t e c h n o l o g y s h o u ld b e d e v e lo p e d s o as t o a c h i e v e o u r n a t i o n s in d u s t r i al iz a t i o n e a r ly an d t o c a t c h u p t h e w o r l d l e v e l o f v e h i c l e m anu f a c t u re c a p a b i l it y . t h e m a j o r p u r p o s e o f t h i s s t u d y i s d e v e lo p i n g v e h i c le s w i th c v t t r a n s m i s s i o n , t h e m a j o r c o n t e n t o f t h i s s t u d y i s i n c lu d i n g m e c h a n i s m o f m e t al v - b e lt c v t , t h e c o n tr o l s t r a t e g y s t u d y o f e n g i n e - c v t c al i b r a ti o n , th e r a t i o v a r i e t y c h a r a c t e r i s ti c s o f c v t , t h e m o d e l i n g an d s i m u l a ti o n s o f c v t and e x p e r i m e n t re s e a r c h e s e t .al . t h e m a j o r w o r k s and t a s k s o f t h i s s t u d y a re d e s c r i b e d as f o ll o w s : c l as s i fi e d t h e t y p e s o f c v t , e m p h as iz e d t o in tr o d u c e t h e d e v e l o p m e n t a p p l i c a ti o n s t a t u s o f c v t , s u m m a r i z e d o f t h e p r e s e n t re s e a r c h s t a tu s o f m e t al v - b e l t c v t t r a n s m i s s i o n， i n d i c a t e d t h a t t h e m e t a l v - b e l t c v t tr a n s m i s s i o n i s t h e tr e n d o f v e h i c l e d e v e l o p m e n t : b as e d o n t h e anal y s i s o f c v t s g e o m e t r i c r e l a ti o n s h ip , s y s t e m a ti c a ll y and d e e p ly re s e a r c h e d t h e p r i n c ip le s o f t h e m e t al v - b e l t tr ans m i s s io n u n d e r t h e d i ff e r e n t c o n d iti o n s w it h d iff e r e n t t o r q u e and r a t i o . e s t a b li s h an e n g in e n u m e r i c al m o d e l , a c c o r d in g t o t h e e n g in e s o p e r a ti o n c h a r a c t e r i s ti c s 厂t h e c h a r a c t e r i s t i c s m a p o f e n g in e i s p l o tt e d , s t u d i e d t h e b e s t c o n tr o l c u r v e o f p o w e r and f u e l c o n s u m p t i o n . d i s c u s s e d and c al c u la t e d t h e p e r f o r m anc e o f t h e c a r n a m e d l i n g y ang , w h i c h m a d e b y c h an g an - s u z u k i c o m p an y , an d c o m p a r e d t h e p e r f o r m an c e o f p o w e r an d f u e l c o n s u m p t i o n b e t w e e n t h e i n i t i al c a r ( f ix e d 5 - s p e e d m anu al t r a n s 而s s i o n ) and t h e c v t c a r b as e d o n t h e e x p e r im e n t and anal y s i s , e s t a b l i s h t h e p r a c ti c e c al c u l a t i o n f o r m u la w h i c h c an o b t a in t h e r a ti o c h ang i n g s p e e d . c l a r i fi e d t h e p r o c e s s t o c al c u l a t e t h e r a t i o c h an g in g s p e e d . t h e b o n d g r a p h m a t h e m a ti c s m o d e l o f v e h i c l e m e t al v - b e l t c v t s y s t e m w as e s ta b li s h e d . c a r r i e d o u t s t a t e s p a c e e q u a t i o n o f v e h i c l e w i t h m e t al v - b e lt c v t t r a n s m i s s io n s y s t e m . a p p l i e d th e s y s t e m e q u a ti o n a b o v e , s i m u l a t e d t h e v e h i c l e fi x e d m e t al v - b e l t c v t t r a n s m i s s i o n , fi n i s h e d t h e anal y s i s o f t h e d y n a m i c a d j u s t m e n t p r o c e s s w h e n t h e v e h i c l e s a c c e l e r a ti o n 重庆大学硕士学位论文 摘要 a n d r e s i s t a n c e f o r c e v a r i e s im m e d i a t e l y , t h e r e s u lt o f s i m u l a t io n i s v e ry g o o d , it p e r f e c t ly r e fl e c t e d t h e d y n a m i c p e r f o r m a n c e o f c v t . t h r o u g h a n a ly z i n g s e v e r a l f u z z y c o n t r o l l e r s , d e s i g n e d p r a c t i c a l s e l f - a d j u s t e d f u z z y c o n t r o l l e r . a p p l i e d th e f u z z y c o n t r o l l e r t o t h e re a l l y j i t c o n t ro l l in g , t h e f u z z y c o n t r o l le r c o u ld c o n t r o l t h e e n g i n e r u n a l o n g t h e t a r g e t c o n t r o l c u r v e , t h i s k i n d o f c o n t r o ll in g m e t h o d o b v i o u s ly h a v e a d v a n t a g e t h a n t h e p i d .t h e s t u d y l a y s a f o u n d a t i o n f o r a n a l y s i s a n d d e s i g n m e t h o d f o r d e v e l o p i n g c v t s v e h i c l e . i t h a s h i g h v a l u e o f p r a c t i c a l e n g me e n n g . k e y w o r d s : 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 , d y n a m i c mo d e l i n g , s i m u l a t i o n 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 无级自 动变 速传动 ( c o n t i n u o u s ly v a r i a b l e t r a n s m i s s i o n , 缩写c v t ) , 是实现汽车连续自 动变速的新型装置，其任务是通过变换其传动比，从而 调节或变换发动机特性， 将动力有效而可 靠地传递到驱动车轮上，以 适应 使用上对汽车性能的要求。由于其传动比 变换是自 动而连续的，无级自 动 变速传动是汽车的理想传动。自 汽车诞生以来一直是人们追求的目 标，将 无级自 动变速传动在汽车中实现商品化生产是每一代汽车设计者和制造者 的理想。 当 前， c v t技术在国 外得到了 较大的 发 展和应用， 世界各国 主要汽 车厂都在大力开发装有 c v t系统的汽车产品。对正处于飞速发展的我国 汽车工业和即 将面临加入wt o的 挑战， 如何增强产品市场竞争能力， 开 发适合我国国情的汽车无疑是非常必要和重要的。因此，开展金属带式无 级变速传动的基本理论和关键技术的深入研究，对我国的汽车工业发展具 有重大的现实意义。 1 . 1车用无级变速传动系统的优越性 无级自 动变速传动具有常规变速传动无法比 拟的优点，它可以显著提 高 汽车的经济性，改善汽车的动力性，降低发动机排放污染， 减少汽车行 驶冲击， 使汽车行驶平顺，简化驾驶操作， 减轻驾驶疲劳， 提高 行驶安全 性。在计算机技术高速发展的今天，结合电子控制技术，将发动机和无级 变速器结合在一起实现汽车动力传动系的综合控制可以 使无级变速器的优 越性更为显著。 1 .2无级变速传动装置的种类与发展现状 1 .2 . 1无级变速传动的分类 无级变速传动系统按其结构形式可分为电 力式、液力式和机械式三 力式无级变速传动因自 重大、成本高、能耗大、故常用在重型矿用 车上. 液力式无级夺谏传动有静压传动和动液传动两种。 静压传动效率低、 结构复杂、 造价高， 所以 一 直未在汽车 上 应用。 而动液传动 ( 液力变矩器) 所能传递的转矩变化范围较小、效率低，所以它常要与有级式机械变速传 动组合，构成能自 动换挡的液力机械自 动变速器。目 前， 它在车辆中获得 较多的应用。 但是， 它的结构复杂、 造价高、 传动效纠氏 等缺点仍然困 扰 着汽车界。 重庆大学硕士学位论文 绪论 机械式无级变速传动具有结构简单紧凑、操纵方便、造价低等优点， 目 前在汽车上获得应用的机械式无级变速传动分两大类:靠刚性转动体接 触的摩擦力传递动力的“ 牵引 传动式， 门 r a c t i o n d r iv e ) : 靠挠性的带或链 与带轮的 摩擦力传递动力的“ 带传动式”( b e lt d r iv e ) 。 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。 研究表明 ，在机械式无级变速传动中， 金属带式无级变速传 动无论在转矩传递能力，还是在传递效率方面均优于其它类型的机械式无 级变速传动。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。 1 .2 .2金属带式无级变速装置的发展现状 汽车无级自 动变速传动首先获得成功地应用是 v型橡胶带式无级自 动变速传动。它最早出 现在 1 8 8 6年由 德国d a i m l a r - b e n z公司生产的汽油 机汽车上。 荷兰达夫 ( d a f ) 公司h .v a n d o o m e 博士于1 9 5 8 年研制成功了 双v型橡胶带式无级自 动变速器，并装备于d a f公司的小型轿车上。由 于 橡胶带式无级自 动变速传动传递功率容量有限，效率低。因此， h .v a n d o o m e博士自 六十年代开始研究能传递功率容量大，效率高，结构紧凑 的无级自 动变速传动，并成功研究了金属带式无级自 动变速器( m e t a l p u sh in g v -b e lt t y p e c o n 勿 u o 吵鲤创 e 卫 ra n s m is s io_ ., -r w do o me s i r a n s r ms s i e廿. v m a t , 1fi i t v llt公 司 。 一 l 1 9 7 2 年建立v a n 称这种金属带式无 级自 动变速器为 v d t - c v t 。由于当时低估了金属带大量生产过程的复杂 性， v d t - c v t商品 化 直到 1 9 8 7年左右才实现。 当 时有三个较大的 汽车 厂接受了v d t - c v t 技术。 1 9 8 7 年，日 本富 士重 工首次 将装备v d t - c v t 轿车j u s ty 投放市场， 受到用户好评。同年，欧洲的f o r d和f i a t 公司也将装备v d t - c v t的汽 车投放市场。到 1 9 %年， 装各v d t - c v t的轿车己 达 1 2 0多万辆，轿车 发动机排量多在0 .6 3 .3 升，甚至成功地应用于f - 1 赛车上。 九十年代，在总结八十年代产品开发和使用经验的基础上，v d t公 司 研制成功了 传 递转 矩容量 大， 性能更佳的第二 代v d t - c v t 传动器。 试 验结果表明，装备有v d t - c v t的汽车的性 1 . 3金属带式c v t的基本结构及工作原理 1 .3 .1 基本结构及工作原理 v d t - c v t主要由 起步离 合器、无级变速机构、 控制系统、中间 减速 重庆大学硕士学位论文 绪论 机构构成。如图1 . 1 所示。发 动机( 1 ) 输出的 动 力 经离合 器( 2 ) 传到无级变速传动装置的主动 工作带轮( 4 , 4 a ) ， 通过v型 金属传动带( 1 0 ) 将动力传递到 从动工作带轮( 7 , 7 a ) ,最后 动力经中间减速器( 8 ) ，主减 速器与差速器( 9 ) 传递到车 轮。在变速器中，带传动装置 是其核心部分。传动器的主动 工作带轮由活动部分( 4 ) 和不 可动部分( 4 a ) 构成，同 样从动 工作带轮也由活动部分( 7 ) 和 不可动部分( 7 a ) 构成， 带轮的 可动部分和不可动部分形成的 v型槽与 v型金属带( 1 0 ) 啮 合。在工作中，当主、从动工 作带轮的可动部分作轴向移动 时，改变了金属传动带的工作 半径，从而改变了传动比。可 动带轮的轴向移动量是根据汽 1 一 发动机飞 轮 2 - 离合器 3 一 主动工作轮液压 控制缸4 主动工作轮可动部分 4 a - 主动工 作轮不 动部 分5 一 油 泵6 一 从 动轮液压 控 制缸 7 - 从动工 作轮可 动部 分 7 a - 从动工 作 轮不动部分8 一 中间减速器 9 一 主减速器与 差速器1 0 一 金属传动带 图1 . 1 v d t - c v t 的结构及工作原理 车使用要求， 通过液压控制系统分别调整主、从动轮油缸( 3 , 6 ) 中的 液压 力而实现的，从而可以实现无级变速传动七 j 1 .3 .2关键部件 金属带 金属传动带由两百多个金属片和两组金属环组成， 如图1 .2 所示。每 个金属片的厚度为 1 .4 m m。在两侧工作轮挤压力作用下传递动力。每组 金 属环由 数片厚 度为0 . 1 8 m m的 带 环叠合 而成， 如图 1 .3所示。 金属环功 用是提供预紧力，在动力传送过程中，支撑和引导金属片的 运动，有时在 一定速比下传递部分转矩。 工作轮 主、 从动工作轮由 可 动半锥轮和固 定的 半锥轮两 部分组 成， 如图1 .4 所 示，其工作面大多为直线锥面体。在液压控制系统的作用下，依靠钢球- 滑道结构作轴向 移动， 可 连续地改变传动带工作半径， 实现无级变速传动。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 .4本文的主要研究内容 本文针对金属带式无级变速传动的特性，了解无级变速器的传动原 理及国内外c v t 的发展现状， 探讨其传动的基本运动关系及受力关系。对 长安羚 羊轿车发动机 ( j l 4 7 2 q 1 ) 进行台 架性能 试 验， 得出 油门 开 度、 转 速和转矩的三维模型，确定发动机最佳运行曲 线，进行初步的匹配可行性 分析，并对长安羚羊轿车装有c v t 变速器后的燃油经济性和动力性与手 动变速器 进行比 较、 分析。 在本文的实 验研究中以 富 士重工 p 8 2 1 e c v t为 实验对象，进行无级变速装置的性能实验。 具体研究内 容如下: 1 分析带传动的基本运动关系。在直母线带轮下，随速比的变化， 主、被动带轮的轴向 位移及运动关系和速比的关系。 2 建 立了 羚 羊 轿车 j l 4 7 2 q 1 发动 机的 数 值模型， 确定 发 动 机的 万 有 特性图及最佳经济性曲 线 ( o o l 线)和最佳动力性曲线。对长安羚羊轿 车装配p 8 2 1 无级变速传动系统进行了试验研究，提出了长安羚羊轿车发 动机装配金属带式无级变速器时的匹配策略。 3在开式试验台上，以富士重工 p 8 2 1 e c v t为研究对象，对金属带 式无级变速器进行性能试验， 研究不同转速、不同压力下金属带式无级变 速器的速比变化率， 为金属带式无级变速传动运动仿真提供控制数表。 4 对金属带式无级变速传动进行了 运动仿真研究，对长安羚羊轿车 使用金属带式无级变速器的可行性进行了 探讨和研究，对羚羊轿车装用金 属带式无级变速器后能够达到的动力性、 经济性进行了模拟分析、计算， 并与原车5 档手动变速器的性能进行了 对比。 重庆大学硕士学位论文 z 金属带式无级变速传动系统的运动学分析 2金属带式无级变速传动系统的运动学分析 2 . 1引言 金属带式无级变速器主要是由无级变速传动装置和齿轮系统组成， 金属带式无级变速装置包括金属带和带轮。在金属带定速比 传动过程中， 金属块在带轮上沿切向 运动，而当活动带轮沿轴向 运动，实现速比 变化的 过程中，金属块沿带轮切向和径向同时滑动。 在速比变化过程中，为了保 证金属带始终处于张紧状态，主动轴活动带轮与从动轴活动带轮的轴向 位 移量并不相等，这必然导致金属带沿轴向产生偏移现象。偏移会影响金属 带的寿命和传动效率。 本章从带传动的基本几何关系入手，分析金属带节 圆半径、速比与活动带轮轴向位移间的关系。找出合理设计传动比范围的 方法和有效控制金属带轴向 偏移的途径。 在本文研究中，忽略金属带及带轮副受力变形的影响，所用的参数 作说明 如下: r 。 一 - 速比 范围 、0 2 一主、 从 动带 轮包 角 、。 2 一主、 从动带轮角速度 、12、1、卫we 又丁百1，j 一彭22， 、 d 。 一主 动 轮 工 作 v-1 , 氏叭r i - 一 速比 r -a i 向 运行角 a 一带轮锥角 a一轴间距 r z 、d z 一从动轮工 作半 径、 直径 2 .2 带传动的基本运动关系 l 一带长 2 .2 . 1速比与速比 范围 如图2 . 1 ，无级变速传动的速比为: l = w , _ r 2 c j 2 r , 最大速比为: i m .= r 2 m a x r , m i. 最小速比为: i m m= r z m i. r , m _ 重庆大学硕士学位论文 2 金属带式无级变速传动系统的运动学分析 速比范围: r 。 一 i m . - r 2 m _ r j m _ r i m m r 2 m i. ( 2 4) i m m 若带轮为 对称结 构， 即r i m . = r 2 -、r l m in = r 2 m in ， 则有: k = ( r1 m ) = ( r m, e)z 1 m e x 一 河 ( 2 . 5 ) ( 2 石) m m = 而 ( 2 . 7 ) p 8 1 1 型v d t - c v t 的无级变速装置的主要尺寸如下: 表2 . 1 p 8 1 1 型v d t - c v t 的 无 级 变 速装置 的 主 要 尺寸 ( 单 位: m m ) 带轮中 心距主动带 轮最大直径从动带轮最大直径 带轮最小工作半 径 1 5 51 5 2 1 5 73 2 最 大 传 动t 匕 i m . = 2 .4 5 ， 最 小 传 动 比 i m m = 0 .4 2 ， 传 动比 范 围r , = 5 .8 c 4 1 ,a曰 2 .2 .2带传动的斜向角 和带 轮包角 如图2 .2 所示， 带 传动的 斜向 运行角 和带轮包角的 关 系为: 刀 = 汀 士 2 y ( 2 . 8 ) 图2 . 1金属带工作半径与 速比 重庆大学硕士学位论文2 金属带式无级变速传动系统的运动学分析 图2 .2 带传动的斜向运行角与包角 在速比为最大或最小的极限传动比位置: y m -二a r c s mr m _ 一 r m in = a arcsin 迩 牛 1 (2 .9 ) a v r 由式 ( 2 .4 )得: c o s rr 二 _ s in y 2 r m . 、 一 r m m m a = 藻- 1- (2 .10 ) a v rc 二 二 _a 工 、甲 入=。 km ax 由 于a r _, 随a的增大而减小。 限 制， lin 不能 太小 显 然a . 1 。 可 见 y .随 着 速比 范围r c 的 增 大 而 增 大， 最小 包角p 。对应于最小运转半 径。 考虑结构方面的 ， 一般限 定a m ,n 5c 4 3 - - rz6 由图2 .2 ， 按带长约束条件， 可以 得出 金属带式无级变速传动主从动 轮工作半径与速比的关系: l = r , (3 , + r 2 f 2 + 2 a c o s y 了=a 代s i n ( 2 . 1 1 ) ( 2 . 1 2 ) 65 睡、闪国、 m 4 0 图2 .3 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 速比 带轮半径与速比关系 洲|毗 重庆大学硕士学位论文2 金属带式无级变速传动系统的运动学分析 孟八价ijee jjeses x 1 厂 固定轮 一_ 一 _r l 扁xi 二 图2 .4 活动带轮轴向 位移 q , = 9 一 2 y / 2 = 二 十 2 y 凡= r , - i 主从动轮工作半径与 速比的关系曲 线如图 2 .3活动带轮轴向位移 对于单锥盘可动的带式无级变速传动 有: ( 2 . 1 3 ) ( 2 . 1 4 ) ( 2 . 1 5 ) 2 .3 所示。 ，如图 2 .4 ，在任意速比位置时 : 一 2 ir ; 一 ， 卜arg 2 ( 2 . 1 6 ) x 2 一 月 r 2 一 r =i 1g 厄 ( 2 . 1 7 ) 当 带 轮初始 装配位置 一定时， 即 确定了 式 ( 2 . 凡， 对 于 一 个 确 定的 速比 ， 有 确 定的r : 和r : 与 ( 2 . 1 7 )中 的r 。 和 应。 因 此， x ! 和x , 图2 . 5带轮轴向 位移与速比的关系 重庆大学硕士学位论文2 金属带式无级变速传动系统的 运动学分析 与速比i 是一一对应的关系，如图2 .5 . 在活动带轮的移动过程中，金属带的径向 移动量为: 4r = w a 百c tg 万 ( 2 . 1 8 ) 由式 ( 2 . 4 ) ，变速范围: . a r丫.4 r . 、 找，= i + - 1 +一1 又r . 人r , ) ( 2 . 1 9 ) 若主、 从动带轮结构对称，并设r , = r.,.r 2 = r m _，则当 r , = r . . ，凡= r , 。 时， 由 式 ( 2 . 1 6 ) 得 活 动 带 轮的 最 大 位 移 量: : 一 二 = 、 、 一 2 r _ 抓一 1 l _ a f k 2 ( 2 . 2 0 ) 由 式 ( 2 . 1 ) r , + r , = r _ , + r m ,， 得: r , =r _ f r , + 1 i +l ( 2 .2 1 ) r 2 =r ,n , - i 由式 ( 2 . 1 8 ) , ( 2 . 1 9 ) , ( 2 .2 0 ) 移与速比的关系: 撅 + 1 i +l 可得任意速比 i ( 2 . 2 2 ) 时活动带轮得轴向位 _ ， 。 ( ,fi 一 1 一 n 。叹i + l ) 19 万 ( 2 . 2 3 ) 变速范围 _a r ) 找_= 1 +-l 、r 少 ( 2 .2 4 ) 对于金属带式无级变速传动，从式 ( 2 . 1 9 ) 和式 ( 2 .2 4 )可以看出， 在不增加带轮外径的情况下， 如果要扩大速比范围， 须增加a r 和减小r , 也就是须增加金属带的宽度，减小带轮的锥角或减小带轮的最小运转半 径。 带轮的 锥角过小会使金属带在带轮槽中发生自 锁。 此外，带轮锥角越 小，金属块在带轮槽中承受的轴向力越大，也容易使金属带发生翘曲， 所 重庆大学硕士学位论文2 金属带式无级变速传动系统的运动学分析 以带轮锥角不能太小。的最小运转半径会增加金属环的弯曲应 力，降低 在带轮槽 金属带的疲劳弓 中的自由回转。 ，过小的带轮运转半径还会影响金属块 因此带轮的运转半径也不能太小。 扩大金属带式 无级变速传动速比 变化范围的有效方法是增加金属带 ( 金属块)的宽度c 5 , 42 1 !q 主动轴 初始装配位置 中， 心线 从动轴 图2 . 6 金属带轴向 偏移 2 .4金属带的 轴向 偏移 2 .4 . 1 轴向 偏移与 速比 v d t - c v t无级变速器中无级变 速装置所采用的带轮均为直母线带轮。 在金属带和带轮的 初始装配位置保证金 属带在速比i= 1 .0时 无轴向 偏移的 情况 下，当速比改变时，由于金属带的长度 不变， 为了 保证带轮和金属带的紧密接 触，主动轴活动带轮与从动轴活动带轮 的 轴向 移动距离并不相等， 如图2 .5 所 示。 这就导 致了 金属带在主动带轮轮槽 的中心线和从动带轮轮槽的中心线不在 撇豁 4 67 即 产 生 了 金 属 带 的 轴 向 偏 图2 .7 金属带中心线位移 如图2 . 6 所示，主动轴端直线p p 代表速比变化过程中金属带中心点 轨 迹， s s 代表 从动 轴端金属带中 心点 轨迹。 p m 和s 。 为 初 始 装 配位置时 金 属带在两侧的中心点。当速比变大时，主动轴带轮节圆半径增大，从动轴 节圆 半 径 减 小， p 。 向p . , 方向 运 动， s m 向s m ， 方向 运 动; 反 之p m 向p m t 方 重庆大学硕士学位论文2 金属带式无级变速传动系统的运动学分析 向 运动， s 。 向s . z 方向 运动。以 速比 变大为例， 推导 金属带轴向 偏移量的 求解公式。首先由 金属带中心线位移与带轮工作半径的关系，如图2 .7 所 不 。 x , = x 。 一 、 一 ( “ 一 r ,)tg 今 ( 2 .2 4 ) x 。 二 x 。 一 ( r 一r ) tg 普 ( 2 .2 4 ) c , = x 。 一 x , = 欲 一 尺 一 r )tg z (2 .2 6 ) 由 式( 2 .1 6 ) 、一 2 ( * 一 * , ) tg 答 乙 ，带入式 ( 2 .2 6 ) : c , = ( r , n 、_ y 八.) i 9百 乙 ( 2 .2 7 ) 因此，对于主动轴带轮槽内的金属带: c v , = ( r m, 对于从动轴带轮槽内的金属带: n 、_ y 一八o f j t 百 乙 ( 2 . 2 8 ) 。， n。 、_ y i s ， 一 l rt s ， 一 八 柑 ) t9 2 ( 2 . 2 9 ) 金属带的轴向偏移量可表示为: c , = c , 、 一 c ,( 2 . 3 0 ) 带入式 ( 2 .2 8 ) , ( 2 . 2 9 )得: c , 一 (r ， 一 r p ) 一 (r ,】 一 r ms)tg 普(2 .3 1) 上 式 中 的c ， 为 速 比 i = 凡 ， / 凡 、 时 金 属 带 的 轴 向 偏 移 量 。 在 其 它 速 比 下，带入相应的主从动轮工作半径，即可求得相应的金属带的偏移量。当 金属带与带轮的 初始装配位置改变、 金属带的 零偏移位置不是在速比i = 1 .0 时， 金属带中心点在带轮槽中的轨迹仍为直线， 只是相对于原来的轨迹线 p p , s s 有一定的 平移量。因此， 金属带的 轴向 偏移量均可采用下式计算: 令c = 0 ，得: c 一 【(r ? 一 r p ) 一 (r ! 一 r m s)i t5 合 r m v 一 r p = r : 一 r _ ( 2 . 3 2 ) ( 2 . 3 3 ) 重庆大学硕士学位论文z 金属带式无级变速传动系统的运动学分析 式 ( 2 .3 3 )即为金属带无轴向偏移的条件。如果金属带式无级变速传动装 置 的 初 始 装 配 位置 保 证i= 1 .0 ( 凡 = 凡 = 民 .p m s ) 时 金 属 带 无 轴向 偏 移， 在 整个速比范围内金属带的零偏移位置就只有一个。 如果金属带轴向零偏移 的 初 始 位 置 不 是 在i= 1 .0 位 置( 凡产 凡， )，由 式( 2 .3 3 ) 可 知 ， 金 属 带 在 速比范围内有两个零偏移位置。 2 .4 .2金属带轴向 偏移的控制 由上面的分析可知，采用直母线带轮、单锥盘可调的金属带式无级 变速传动装置在速比 变化过程中，金属带只能 在有限的位置不产生轴向 偏 移， 在绝大多数位置， 金属带将不可避免地产生轴向 偏移。 金属带的轴向 偏移主要影响传动效率和金属带的寿命。轴向 偏移量越大，带的扭曲越严 重，这会导致金属带的传动效率和使用寿命的降低。因此，在设计无级变 速传动装置时必须控制金属带的轴向偏移。 图2 .8消除金属带轴向 偏移的 两种速比调节结构 采 用 曲 面 带 轮 ， 可 以 减 小 金 属 带 的 轴 向 偏 移 a i p fi p 是 ， 曲 面 带 轮 会 给生产制造带来困 难，增加产品成本，还由于在不同 速比时带轮槽角的不 同，在动力传递过程中，金属带与带轮的接触无法取得一致，影响工作的 可靠性和工作效率。 因此， 采用曲 面带轮不是解决金属带工作过程中轴向 偏移的理想方法。 而直母线带轮与金属带的接触就没有上述缺陷，加工制 造也相对简单。 所以， 在金属带式无级变速传动装置中均采用直母线带轮。 对于直母线带轮，如果采用带轮轴上的两个半锥轮均可动的设计结 重庆大学硕士学位论文2 金属带式无级变速传动系统的运动学分析 构， 如图2 .8 a . 2 .8 b ， 速比的 变化通过同 时 移动主 动轴 和从动轴上的 活动 锥盘来实 现。 在主动轴上，两个活动锥盘的移动量相等;同 样， 从动轴上 的两个活动锥盘的轴向 移动量也相等，因此可以 避免出 现金属带的 偏移。 但这种设计结构必须包含连接带轮轴上两个活动锥盘的外部机构，需要占 用较大的空间， 控制方面也存在一些问题，因此在金属带式无级变速器上 并未的到实际应用。 使用证明，金属带能够承受一定的轴向偏移。因此，有理由 采用单锥 盘可动的 金属带式无级变速传动装置 ( 如图2 .9 ) ，并对金属带的 偏移量加 以合理控制。在无级变速过程中，控制金属带轴向 偏移的常用方法如下: ( 1 )当速比 i = 1 .0时，金属带偏移量 乍 0 。在极限传动比 位置，金 属带的轴向 偏移量最大。 其最大值略小于1 . ( 图2 . 1 0 曲 线a ) ( 2 )当速比i = 1 .0时，预置一轴向偏移量。如果预置偏移量为最大 偏移量的一半， 则金属带的 最大轴向 偏移量被减小一半( 图2 . 1 0 曲 线c ) o ( 3 ) 当 速 比i-_ 偏时 ， 使。 一 0 。 偏为 汽 车 发 动 机 发 出 最 大 功 率 而 使 汽 车 达 到 最 高 速 度 时 的 速比 。 设 计 时， 在i= i、 处， 将 主 从 动 带 轮的v 型 槽的中 心 线重合，以 保证金属带无 轴向 偏移 ( 图2 . 1 0 曲 线b ) 上述方法只保证了金属带轴向偏移在某一 特定工作点为零。实际上， 汽车的 工况是多变的。 但汽车常使用工况对应无级变速传动速比的一定范 所以在汽车通常使用的无级变速传动速比范围内， 减小金属带带轴向 偏移尤为重要 乡 之 3 9 3 洲脚。 主动轮 胡抢级牢唤谓 从动轮 日 e . 51 . 5夕25 速比 图2 .9 带轮相对位置配置示意图图2 . 1 0 直母线带轮不同 配置时对金 属带轴向偏移的影响曲线 重庆大学硕士学位论文z 金属带式无级变速传动系统的运动学分析 2 .5 本章小结 金属带式无级变速传动装置轮系的几何关系计算是设计变速器必不可 缺的环节， 特别是带轮母线的形式及带的轴向偏移量的设计，对传动效率 和寿命的影响极大。本章在轮系几何分析的基础上，讨论了金属带式无级 变速传动装置扩大速比范围的途径，分析了金属带传动过程中的轴向偏 移， 提出了金属带轴向偏移的合理控制方法。 重庆大学硕士学位论文 3 e n g i n e - c v t 匹配控制策略研究 3 e n g i n e - c v t匹配控制策略研究 3 . 1 3 . 1 . 1 引言 问题的提出 汽车发动机产生的转矩经动力传动系统作用在驱动轮上， 以克服行驶 阻力满足各种工况的要求。理想的 发动机速度特性如图 3 . 1 所示。发动 机功率为一条水平直线， 扭拒曲 线 则为一条双曲线，这样的动力曲线 即可保证汽车在任意阻力条件下均 可行驶自 如，变速箱可以取消。同 样水平的比油耗线即可保证在宽广 的车速范围内具有良 好的经济性。 由 于活塞式内 燃机只能产生一个较 窄的供应特性场，不能满足汽车需 求特性的要求。必须配备特性转换 装置扩展内燃机的供应特性场，以 图3 . 1 发动机理想的速度特性示意图 满足汽车行驶性能的要求。供应特性场的形式因传动系统的动力装置和特 性转换装置的形式而不同。但供应特性场的功率和转矩的变化必须向 “ 理 想” 特性靠拢，同时特性转换装置应有助于使发动机在油耗、 废气污染 和噪声影响方面处于最佳状态。 . 理想的”功率特性场 r ;爪不二 二二不 从 月 变速器钧出功率p 交魂器.出转邃n 劝. 性 场 图3 .2 具有四 档变速器的动力传动系统的供 应特性场 重庆大学硕士学位论文 3 e n g i n e - c v t匹配控制策略研究 图3 .2 为 在牵引 力 特性场和功率 特性场以 竖 线和横线的阴 影区 表示发 动机和四 档变速器构成的 动力传动系统的供应特性场。 从图中可以 看出， 装备有级变速器的动力传动系统的供应特性场只是接近于理想的供应特性 场， 而其它部分所示区 域， 是其结构所限不能发挥出来的转矩，这种牵引 性能的“ 漏洞” ，必然影响车辆的动力性能。汽车无级变速传动系统可以 构成一个没有 “ 漏洞”的理想供应特性场，通过控制无级变速传动系统 的传动比保证发动机在理想的工作线上运行，从而提高汽车的动力性和经 济性，改善发动机排放。 对于汽车金属带式无级变速传动系统，其传动比的调节是通过控制 主、从动带轮轮缸内的液压力来改变金属带在主、从动带轮上的工作半径 而实现的。 按系统负荷和传动比 正确匹配的 带轮轮缸液压力还可以 减小传 动系损失， 提高传动效率， 保证传动系正常工作。因此， 汽车金属带式无 级变速传动系统匹配的关键是保证发动机按理想工作线运行时传动比随发 动机节气门 开度和系统负荷的 控制规律以 及保证实 现这一规律的主、从动 带轮轮缸内的液压力的控制规律。 本章通过对羚羊轿车发动机进行试验， 建立发 动机数值模型来分析无级变速器与整车的匹 配规律，以 及对羚羊车 在装上无级变速器以后与原车进行动力性和经济性的比较分析。 3 . 1 .2 发动机的实验方法及内 容 根 据汽车 发 动机性能 试验方法， 进行j l .4 7 2 q l 发 动 机在台 架上的 动 力性、 经济性性能测试。分别测试发动机油门开度百分比固定在 1 %, 2 0/ 0 %( 间隔 2 %) , 4 5 0/ 6 - -1 0 0 % ( 间隔 5 %)时，以 及发动机转速在 1 0 0 0 - 6 0 0 0( 间 隔2 5 0 ) 转 / 分钟 时j i a 7 2 q l 发动 机的 稳 态输出 转矩及油 耗。 实 验前 对j i a 7 2 q l 发 动机进行了 磨 合， 进行试 验时 发动机处于热机 状态。 依次 进 行j l 4 7 2 q l 发动机的怠 速 试验、 功 率 试验、 负荷 特性试验 及万 有 特性 试验， 并 绘制j l a 7 2 q l 发动 机 相关性能曲 线图。 3 .2发动机的 数值模型 由 于内 燃机的工作过程是一个较复杂的 过程，因此很难用一个精确的 数学表达式来表示。对于发动机模型的表达方式一般都是在发动机稳态试 验数据的 基础上采用数表或公式拟合的 方法，由 于数表法具有较高的使用 精度而在实际中被广泛采用。 3 .2 . 1发动机的输出转矩 研究表明， 无论是发动机的外特性曲 线还是部分负荷特性曲 线均是发 重庆大学硕士学位论文 3 e n g i n e - c v t匹配控制策略研究 动机节气门 开度和发动机转速的函 数， 及 t f ( a , 习在一定的节 气门开度 下发动机输出转矩曲线，利用三次样条插值的方法拟合就可以达到满意的 精度。因 此可用有限的 试验数据， 建立发动机的数值模型。 根据发动机的 试验数据及其应用范围， 分别绘出节气门开度和发动机转速坐标向量， 即: a = a o a “ a jt v n e = n e,n e,.n jr 其中“ ， 和 。 。 分 别 表 示 发 动 机 最 小 和 最 大 节 气门 开 度。 n e ， 和n o , 分 别 代 表发 动 机 最 低 和 最高 转 速。 坐 标间隔即为 三次样条的 插值步 长