（光学工程专业论文）经济型轿车用功率分流式无级变速器的设计研究.pdf

摘要 ab s t rac t t h eaut o m o t i v et r ans m i s s i o ni su s e df o rc h a n g i n gt h et o r q u eandr o t a t e s p e e d 甲 h i c hc 伽efr叨 e n g i n eand p8s s t od r i v i n g 百 h e e l ，i t 讲o v i d e sd i f f e r e n t dri v i n gfor c e and s p e e d for t h e c aru n d erd i f fer e n t r u n n i n g c i r c 明s t a n c e s l i k e s t art i n g ，g r a d ec l i mbi n g ，t u r n i n g ，acc e l e r a t i n gands oo n .i tc an a l s om a k e t h e e n g i n e w o r ki n b e s tc o n d i t i o n . i n o r d e rt o t ake ful l adv a n t 昭e o f t h e p 湃e r o f t h ee dgi n e ，1 . p r o v efue le c o n o 哪 and 朗i s s i o no ft h e a u t o 助t i v e ，t h ei d e a l aut o m o t i v et r a n s m i s s i o ns h o u 1 d h a v e c o n t i nuous 1 yv ari ab1 e s p e e d r a t i o and t h e s p e e dr a t i os h o u l db eo p t i 口 i z e d贾 i t ht h er e a lt i m ec o n t r o l l .i nt h i sp spe r ap 洲e rs p 1 i tcon t i n u o u s 1 yv a r i ab1 et r ans m i s s i o ni s c o n c e r n e dw h i c hh a s t h e r e l a t i v e l yi d e a lc h ara c t e r i s t i c . t h er e s e arc hw o r ko ft h i sp 即e rp r i m a r i l yi n c l u d e s : 1 ) g e n e r a l c o n c e p t d e s i g n i s d o n e . b a s e d o n t h e i d e a o f p 佣e r s p l i t ， s e v e r a l fea s i b l eg e n e rald e s i g nc o n c e p t so ft r a n s m 主 s s i o nare讲e s ent e d ，thef i nal c o n c e p t andt h e b a s i cd e s i g n p a r ame t e r s aree s t a b 1 i s h e d b a s e do nt h e a n a l y s i s a n dc o 帅ari s o no ft h e s ec o n c e p t s . 2 ) m o d e 1 i n ga n ds i mu1 a t i o ni s d o n e t h emat h e mat i c a 1 mod e 1 o f v e h i c 1 ei s e s t a b l i s h e d . ， m a t c h i n g b e t w e e n t r ans m i s s i o n a n d e n g i n e i sa n a l y z e d a n d s i mul a t i o ni sc arr i e do u tf o rfue 1 e c o n o my andd y n 叨i cp e r f o r 口 a n c e o ft h ec ar e q u i p p e dw i t ht h ep o w e rs p 1 i tc o n t i nuo u s 1 yv a r i ab1 et r a n s m i s s i o n . 3 ) 山eo ft h ek e yp art sf o rt h ep 一 s p l i tc o n t i n u o u s l yva r i abl e t r a n s . i s s i o n ， t h e o n e ，a y c l u t c hi s d e s i g n e d . t oi 呻r o v e t h e 吸i n i n v a l i d a t i o n for mo ft h eo n e ，a yc l u t c h ，an e wk i n do fn o n 一 c o n t a c ts p r sg o n e ，sy c l u t c h 1 5讲e s e n t e d ，l tc an w e l li . p r o v et he mai ns h o r t a g eo ft h eo n e ，a yc l u t c h . i t c a n a l s o w e l l 口 e e tt h ed e m a n d o f b r aki n go nt h es u ng e ar fort h e p o w e r 一 s p l i t c o n t i nuo u s l yv ari abl etrans m i s s i o n . 4 ) oneo ft h ek e yp art sf o rt h ep owe r 一 s p l i tc o n t i nuo u s l 丫v ari abl e t ran s m i s s 主 o n ， t h es h i f t i n g配c h ani s m i sd e s i g n e d .bas e do nt h es h i f t i n g 讲o c e s s o f t h e t r ans m i s s i o n ， o n e f e a s i b l e s h i f t i n g m e c h ani s m i s d e s i g n e d . a l s o t h epos i t i o ns e n s o r sared i s p o s e dandt h e o r i e sana 1 y s i so ft h es y n c h r o n i z e r 汕i c hc a ni n f 1 u e n c es h i f t i llg p e r f 0 r m a n c ei sd one . 5 ) d e s i g nand3 dmod e l i n go ft r ans m i s s i on:t h e哑i np a r t so ft h e t r ans m i s s i o nl i k ep 1 ane t arys y s t e mared e s i g n e dandt h e3 d. o d e lo ft h e i l 摘要 t r ans m i s s i o ni se s t abl i s h e d份 i t ht h ev i r t u a l讲o t o t y p et e c h n o l o g y . t h ep 衅e r 一 s p l i tc o n t i nuo u s 1 yv ari abl et r a n s m i s s i o nf o re c o n o m i cc ar i s n o to n 1 yan e wm e c h a t r o n i c sp r o d u c tb u t a 1 s oac r i t i c a 1c o 功 p o n e n tt oi m p r o v e t h ep e r for 哑n c eo fc ars .t h er e s e arc h， o r ko ft h i sp spe rp r o v i d e sg o o d feu n dat i o nforfo1 1 o w i n gr e s e arc hw o rk. k e y wor d s t r an翎i s s i o n， a u t o m o t i v et r a n s m i s s i o n ，p 洲e rs p l i t ，c o n t i n u o u s l yv a r i a b l e d e s i g n ，5 1 阴l a t i o n m 声明 本学位论文是我在导 师的 指导下取得的 研究 成果， 尽我所知， 在本 学 位论文中 ，除了 加以 标 注和致谢的 部分外， 不 包含 其他 人已 经发表或 公 布过的 研究成果， 也不包含我为获 得任 何教 育机构的 学 位或学历而使 用过的 材料。 与我一同 工作的同事对 本学 位论 文做出的 贡 献均己 在论文 中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 尽乃黑二7 年 : 月 湘 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存 本学 位论文的电 子 和纸 质文档， 可以 借阅 或 上网 公布本学位论文的 部分 或全部内 容， 可以向 有 关部门 或机构送交并 授权其保存、 借阅 或上网 公布本学位 论文的 部分 或全部内 容。 对于保 密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 扛 坠 2 五 男-二 刃 年 7 小日 硕士论文 经济型轿车用功率分流式无级变速器的设计研究 1 绪论 1 . 1 课题研究的目 的和意义 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， 从而适应不同的驾驶要求。 手动变速器必须根据汽车运行条件的变 化，由 驾驶员随时变换挡位， 对驾驶员有较高的要求， 要求驾驶员对离合器踏板、 油 门 踏板及变速操纵杆的操作动作具有准确和协调的配合， 能根据路面和交通情况及发 动机工况， 准确及时 地进行换挡， 才能保证汽车具有良 好的 动力性和经济性。因 此， 发展自 动变速器至关重要。 本课题研究的对象为 功率分流式无级变速器(powers p l i t 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 ， 简称“ p s c vt， ) ， 匹 配儿左右排量的发动机， 以前置发动机前轮驱动的经济型轿车为适用对象。经济型轿车对经济性要求比较高， 对成本控制比较严， 因此， 与之匹配的变速器也要求有较低的成本和较高的传递效率。 液力自 动变速器( automat i c t ransmissi on， 简称 “ at” ) 、电 控机械式自 动变速 器(a u t o 二t e d挽c h ani c a 1trans !n i s s i o n ，简称 “ 胡t ，) 和无级自动变速器 ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l er r ans 皿 i s s i o n ， 简称“ c v t ” ) 是目 前轿车上广泛应用的 三 种自 动变速器。 液力自 动变速器由 液力变矩器、 行星齿轮操纵系统、 液压操纵系统和电 子控制系 统组成。 其优点是:良 好的乘坐舒适性、 方便的 操纵性、 优越的动力性、良 好的安全 性、 还可以 小范围内 实现无级变速。 其不足之处是: 成本较高、 制造复杂， 同时液力 变矩器的传递效率较低。 电 控机械式自 动变速器是在传统的固定轴式变速器的基础上加上电子 控制系统 组成的自 动变速器。 其优点是: 传递效率高， 易于制造等。 其不足之处是: 很难实现 无级变速。 无级自 动变速器最典型的是利用带传动实现无级变速。 其优点是: 结构紧凑、 工 作可靠、噪声低等。 其不足之处是:带传动效率较低，传递的功率受到一定的限制。 为了提高汽车的燃油经济性以及改善排放性能， 理想的变速系统应具有无级变化 的传动比并能进行实时控制。 本课题研究的功率分流式无级变速器是通过功率分流来 让带传递较少一部分功率， 以实现大范围的无级变速， 让行星齿轮系统传递大部分功 率，以提高效率， 它继承了一般无级变速器和电 控机械式自 动变速器的优点， 并尽量 弥补其不足之处。 本课题的 研制工作应用虚拟样机技术， 这将明显提高设计质量， 缩 短研发周期， 降低研发成本， 以适应现代社会的飞速发展。 随着石油价格的猛涨和对 环境保护的高要求， 具有高效率的功率分流式无级变速器将会有很好的 应用前景， 功 率分流式无级变速器是一种较为理想的动力传动装置， 所以本课题的研究具有重要的 硕士论文经济型轿车用功率分流式无级变速器的设计研究 科学意义。 1 . 2 国内 外研究现状及发展趋势 人类创造了文明，也创造了汽车。1 00多年来汽车得到了迅猛发展，汽车的变速 器也伴随着得到了极大的发展， 汽车自 动变速技术一直是人们追求的目 标。 目 前汽车 自 动变速器技术的应用， 主要有以下三种形式: 液力自 动变速器( at) 、电控机械式自 动变速器( 胡t ) 和无级变速器( c v t ) 。 除此之外还有近年来发展起来的双离合器式自 动 变 速 器 ( d o u b i ec l u t c h t r an翎i s s i o n ， 简 称 “ d cf， ) 和复 合传动技术等. 1 . 2 . 1 液力自动变速器 ( at) 液力自 动变速器发展的时间比 较长， 技术比 较成熟， 它是一种利用汽车行驶速 度 和加速踏板踏入量之间的关系决定传动比，通过油压控制机构进行自 动控制的变速 器， 对外负荷有良 好的自 动调节和适应性， 使车辆起步平稳， 加速均匀; 其减振作用 降低了传动系的动载和扭振， 延长了传动系的使用寿命， 提高了乘坐舒适性、 行驶安 全 性 川 . 常 用 的 液 力自 动 变 速 器 一 般由 液 力 藕 合 器 或 变 矩 器 、 液 压 操纵 系 统 和 行 星 齿 轮 传 动 系 统 组 成2 。 液 力 祸 合 器 利 用 液 体 流 动 ， 把 发 动 机 的 动 力 传递 给 齿 轮 传 动 系 统; 行星齿轮传动系统可以利用自 身的传动特点， 改变发动机的转速和转矩， 起着换挡的 作用; 液压操纵系统可以根据汽车行驶的实际需要操纵行星齿轮系统， 使其加挡、 减 挡或倒车， 从而改变汽车的行驶速度和方向。 与手动变速器相比， 液力自 动变速器的 不足之处是结构较复杂， 制造困难， 成本高。目 前液力自 动变速器的重要发展方向 是 提高液力变矩器的传递效率、 多挡位化、 变矩器闭 锁离合器的精确控制、 换挡点控制 的 智 能 化 等 阁 。 液 力 变 矩 器的 设 计 直 接 关 系 到 变 矩 器 的 效 率 ， 并 且 影 响 到 液 力 机 械 式 自 动变速器燃油经济性. 因此， 国内 外对液力变矩器泵轮流场的设计研究是目 前液力 变 矩 器 研 究 的 重 要 部 分 t4 5 t6 。 由 于 在 实 际 行 驶 中 液 力 变 矩 器 经 常 处 于 非 稳 定 工 况 下 工 作， 因 此 对 液 力 变 矩 器的 动 态 特 性 研 究 也 越 来 越 得 到 重 视 71 。 1 ， 2 . 2 电 控机械式自 动变速器 ( 胡t ) 电 控机械式自 动变速器又称a 朋 t ， 胡t 可以在手动变速器的基础上进行改造， 节约 了 制造费用、 提高了 传动效率。 在手动变速器的基础上加装微电脑控制装置， 计算机 模拟人脑控制执行机构全面模拟驾驶员的换挡动作， 利用换挡操纵机构发出汽车起步 或换挡指令， 通过传感器将车辆的运行状态在仪表板上显示出来，当换挡时， 油门 补 偿机构模拟驾驶员的右脚动作. 离合器执行机构模拟驾驶员的左脚动作， 换挡执行机 构模拟驾驶员的右手动作， 取代需人工操作完成的离合器分离、 接合及变速器的选挡、 硕士论文 经济型轿车用功率分流式无级变速器的设计研究 换挡动作， 从而实现换挡过程的自 动化。八 m t 不仅能够模拟行车技术， 而且能够适时 地根据车况、路况自 动换挡，提高了 行车安全性，还降低了油耗。 胡t 与at相比，既 有液力自 动变速器自 动变速的优点， 又有手动变速器传动效率高、 成本低、 结构简单、 易制造的 优点; 采用电子控制， 通过选择适合行驶状态的 最佳传动比， 可以提高汽车 的动力性， 提高乘坐的舒适性， 并与发动机控制相结合， 相应提高 燃油的经济性。 胡t 继承了齿轮传动固有的传动效率高、 机构紧凑、 工作可靠等优点， 并可以实现手动和 自 动两种模式选择，有较强的可靠性和适应性。 1 . 2 . 3 无级变速器 ( c v t ) 汽车变速系统是影响汽车性能的关键部件之一， 必须适应汽车 在起步、 加速、 行 驶以 及克服各种道路障碍等不同 行驶条件下对驱动车轮牵引力和车速的不同要求。 从 提高车辆安全性与驾驶操纵方便的角度看， 需要自 动变速并确定最佳的传动比， 而为 了提高汽车的燃料经济性以及改善排放性能， 理想的变速系统应具有无级变化的传动 比并能进行实时控制。 无级变速器的种类很多， 分为流体式、 电 动式、 带传动式和牵 引 传 动 式 8 。 通 过 液 力 变 矩 器 或 者由 液 压 泵 、 液 压 马 达 组 成 的 改 变 液 压 马 达 排量 的 液 压传动都属于流体式无级变速器; 通过改变主、 从动轮工作半径比的带 ( 含胶带、 金 属带) 、 链传动都属于带传动式无级变速器; 通过改变转动元件间的接触半径的摩擦 传动属于牵引传动式无级变速器， 带传动式无级变速器和牵引传动式无级变速器都属 于 机 械 式 无 级 变 速 器 范 畴 9 。 c vt 的 控 制 是 靠 两 个带 轮的 轴向 夹 紧 力 实 现 的， 一 个 带 轮的夹紧力保证了 传递的力矩容量，而另一个带轮位置则决定了所需的传动比。 c vt 的 控 制 方 法 有 压 力 控 制、 流 量 控 制 、 位 置 控 制 与 协 调 控 制 等 l101。 c vt 最 初 是由 几 十 年 前出现的双锥体球、 盘、 环柱体等发展而来的， 但由于摩擦面的摩擦因数及零件承受 单位压力的限制， 加之加工工艺和控制等问题， 不能传递较大的功率， 仅限用于微型 汽 车 上 ll。 在 20 世 纪 70 年 代中 后 期 ， c v t 研 制 成 功 并 于1 9 82 年 投 放 市 场。 f or d 公 司 1 9 8 7 年在世界上首次将装钢带的c vt轿车引 入市场，受到用户好评。由于钢带一般都在五 层以上，运动时钢带的各层速度各不相同，因此各层之间有摩擦和磨损，一根断了， 则其他的带会连续断下去。所以，又有了无级链传动的研究。 铃木汽车公司于1 9 92 年开发出电子控制油压式的无级变速器称为scvt，把钢带改为链条。 此后c v t 的发展 主 要 在 传 动 结 构 ， 传 动 机 理 和 控 制 策 略 的 研 究 三 个 方 面 阅。 进 入 21 世 纪 ， 汽 车 界 对 c vt技术的研究开发更加重视.2 0 0 3 年ps e t l u r ， j . r .， a g n e r ， n . m . n 舰s o n 和 b . s amu els 设计了一种新型的能适应非线性控制的控制器， 并对装备了 c vt汽车的变速 器进 行了 非线性的 控 制【 131 。 硕士论文经济型轿车用功率分流式无级变速器的设计研究 1 . 2 . 4 双离合器式自动变速器 ( d c 】 1 ) 双离合器式自 动变速器的基本原理相当 于采用两套变速器和两个离合器， 一个变 速器处于工作状态时另一变速器空转， 通过两个离合器的切换来实现两变速器交替进 入工作状态， 可在动力切断时间很短的情况下完成换挡， 换挡过程非常迅速， 换挡时 间 不 会 超 过 0 . 25， 从 而 消 除 了 姗切 断 动 力 换 挡 带 来 的问 题网. 由 于 无 液 力 变 矩 器， 所以其效率比 较高。 双离合器换挡可以实现无动力中断过渡， 从而保障换挡舒适、 转 矩传递连续， 这些对轿车来说非常重要。 电子控制快速自动换挡使其加速性能也比较 好。 有很多优点的同时也存在着一些缺点。 两个离合器交替工作需要非常精确的控制， 所以 其控制系统也非常复杂。 2 0 04年麦克。 克鲁格对双面离合器 ( ds口) 和双重离合 器(d 口 ) 的 形 式 进 行 了 比 较 ， 并 分 析 了 它 们 各自 的 优 缺 点圈。 1 . 2 . 5 复合传动技术 现代传动技术的 发展不再局限于单一的学科领域， 讲究多学科的 交叉和渗透， 从 而产生了复合传动技术。 复合传动按照能量流动路线可以分为四类， 分别为单流传动、 分流传动、 汇流传动、 分流与汇流传动组成的复合传动。由分流和汇流传动组成的复 合传动又分为外分流和内分流式两种， 目 前运用较多的是外分流式。 外分流式就是把 总功率分成两路， 其中一路直接通过机械传动， 另一路则有多种方式， 可以 通过机械、 液压、 液力或电 力传动， 因 此也就形成了 多种复合传动机构: 机械一机械、 机械一液 压、 机 械 一液 力 和 机 械 一电 力la。 这 里 研 究 的 是 外 分 流中 的 机 械 一 机 械 复 合 传 动， 所以主要讨论这方面的发展。1 9 65年， maclni l l an和davies首先开展了 研究工作， 提出了功率分流式带一行星齿轮机构的 无级变速系统动力学的布置方案。 2 0 01年， v hm uci n 。 和gm ant riota 等人提出了 一种新型功率分流式无级变速器的 布置方案， 即 通 过 齿圈 输 入 转 速的 控 制 来 形 成 功 率 分 流 l7 111 8 。 功率 分 流式 无 级 变 速 系 统由 一 套 可变传动比的v 带和二自由 度行星轮系构成， 行星轮系有两个输入因 此动力由两条路 径输入: 一条是动力通过v 带传到行星齿轮系的太阳轮上， 另一条是动力 通过齿轮机 构直接传到行星齿轮系的齿圈， 然后两股动力合成到行星架形成输出。 此种无级变速 系统的优点是带只传递一小部分的动力， 可以 有效的解决带传动传递的功率小， 效率 低的问题。vhm uci no 对功率分流式无级变速系统传动比与功率分配之间关系的研 究得出在车辆起步时， 传动带传递的功率只占总功率的一小部分， 正好符合车辆起步 时带传动传递功率小的特性要求， 并且由 于传动带只传递一部分功率使得总传递效率 有所提高，可以 有效地解决车辆在低速一 高转矩的情况下起步性能差的问 题， 这从理 论 上 说 明 了 功 率 分 流 式 无 级 变 速 系 统 的 可 行 性 和 优 点 191 叫山 。 台 湾 成 功 大 学 机 械 工 程研究所在九十年代提出了 运用在摩托车上的功率分流式无级变速器设计方案， 并进 硕士论文经济型轿车用功率分流式无级变速器的设计研究 一步进行了运动学分析和功率流分析，具体阐述了行星齿轮机构设计参数的确定方 法 ， 并 且 对 该 机构 的 传 递 效 率 进 行 了 理 论 分 析 22 1 山 1 。 2 0 0 4 年3 月v h m u c i n o z l u ， j es mith， mkimciki e 叭c z 和b c 伽an在汽车应 用方 面提出了 无 级变速功 率 分流变速 箱的一种设想， 该装置由 两可变速带轮( 变速器) 和一行星齿轮系 ( 太阳轮和内 齿圈三 转 动 构 件) 组 合 而 成 24j.“ 功 率 分 流” 的 布 置 特 点 是 输 入 轴同 时 把 功 率 传 到 太阳 轮 和主 动带轮 ，并通过 变 速器 传到 行星 齿轮传动的内 齿圈. 2 0 04年s erg iom.s avaresi ， m e m b e r ，i e e e ，fra n c e s c o l . t a r o n i ，p abi o斤e v i d i 和s e r g i ob i t t ant i ， f e l l o 份 ， i e e e设计并调试了一种基于拖拉机的功率分流式无级变速器的控制系统，包括对无 级自 动 变 速 器 里 一 些 液 压 阀 的 控 制 ， 变 速 器 传 动 比 的 控 制 以 及 换 挡 同 步 器 的 控 制 困。 2005 年林昌华和杨岩针对无级变速技术中改变传动带轮工作直径来实 现传动比 连续 改变的方式， 设计了一种新型的c v t 轮系传动机构， 即利用齿轮传动和螺旋传动的组 合 来实 现叫. 1 9 98年z h ij i a n l u 对 功 率 分 流 式 无 级 变 速 系 统 进 行了 研 究 ， 基 于 汽 车 动力学编制了用来设计c vt系统的计算机程序。利用该程序能仿真汽车的加速过程， 以 此来评价c vt 系统的性能。 对装备了 该c vt系统的汽车进行了加速过程的仿真， 仿 真结果表明， 装备了该c vt系统的汽车不管从舒适性， 燃油经济性还是操纵性方面都 要 优 于 装 备 普 通 变 速 器 或 者 有 级自 动 变 速 器 的 汽 车 团. 2 o 03年a nd re w jf ox应 用 施tla b 6 . 1 中的s i mul i nk模块对功率分流式无级变速器进行了 分析和仿真，为了 使 设计最优化， 寻找了一些影响变速器效率的重要参数， 针对三种不同的操作模式来决 定 使 用 哪 种 结 构安 排 才 能 使 变 速 器 效 率 最高 2 幻 . 南京理工大学2 0 00年就开始进行功率分流式无级变速器的 研究工作，主要针对 对象是发动机前置后驱的 微型客车， 2 0 02 年许允峰对该变速器进行了运动学、功率 流以 及传动效率等方面的分析， 提出运用自 调整模糊一p i d 控制算法用于发动机转速 控 制 囚。 2 0 05年 魏 英 俊 对 新 型 车 用 后 轮 驱 动 功 率 分 流 式 无 级 变 速 器 进 行 了 比 较 深 入 的 研 究 ， 完 成了 国 内 首 台 微 型 车 使 用 的 功 率 分 流 式 无 级 变 速 器 样 机30 。 2 0 06年 马 友 君对功率分流式无级变速器的整个电 子控制系统进行了比 较全面的研究， 最终完成了 电 子控制系统的设计， 试验台架的方案设计与搭建工作，自 主开发了功率分流式无级 变 速 器 试 验 测 试 软 件 系 统 3l. 本 文 是 在 此 基 础 上 针 对 发 动 机 前 置 前 驱 的 经 济 型 轿 车 开展进一步的研究工作。 1 . 2 . 6 自 动变速器其它方面的研究现状 在传动方案设计方面， 2 0 05年9 月谭放鸣和何国 旗利用相应的计算机辅助分析 程序， 对三自由度三行星排行星齿轮传动变速器的各种传动方案进行了 全面的分析。 建立了对行星齿轮传动变速器各传动方案的模糊评判目 标进行定量化处理的数学方 法 ， 并 通 过 模 糊 综 合 评 判 ， 得 出 了 评 判 结 果 32。 2 0 06年 李 兴 华 ， 张 久 林 ， 黄 宗 益 对 世 界 5 硕士论文经济型轿车用功率分流式无级变速器的设计研究 各国五挡自 动变速器传动方案的组成形式进行了介绍，分析了各自的特点， 采用等效 杠 杆 法 得 出 了 五 挡自 动 变 速 器 较 合 理 的 传 动 方 案 331。 新 设 计 的 五 挡 变 速 器 传 动 方 案 主要采用三行星排并联式， 有三个传动比能自 由 选取， 可使换挡操纵控制简单。 自 动变速器以 其卓越的动力传输特性被广泛地应用于车辆，但因其结构复杂而精 密， 传统的诊断维修方式远远落后于变速器技术发展，为此2 0 04年曾洁和郭永伟提 出了自动变速器模拟运行系统的研制。根据对自 动变速器的结构及其工作过程的研 究， 设计并制造出检测自 动变速器的模拟运行平台， 特别对该系统的数据采集、 功率 控 制 、 抗 干 扰 措 施 及 人 机 对 话 部 分 作了 详 细 的 描 述 34 。 在无级变速器的控制方面， 2 0 05年高路、 于海斌和王宏对当前基于无级变速器的 汽车动力传动系的主要控制方法做了 简单分析， 分别阐 述了 在不同工况下的 控制方 法 以 及 先 进 控 制 理 论 在 基 于 无 级 变 速 器 的 控 制 中 的 应 用 35 。 在无级变速器的仿真方面， 2 0 06年杨阳等以 金属带式无级变速器液压系统为研究 对象， 建立了系统压力、 流量和功率特性的仿真模型; 对车辆行驶循环下的c vt功率特 性进行了 仿真和功率匹配分析， 提出了 减小液压系统功率损失、实现系统功率匹 配的 方案;进行了 双联泵供油的c vt液压系统功率匹配控制的方案设计、动态建模和仿真 分析。 计算表明， 采用的双联泵功率匹配系统能 有效提高 c vt液压系统效率. 研究结果 为 cv t 液 压 系 统的 节 能 控 制 提 供了 理 论 依 据 国。 自 动变速器换挡规律是指两排挡间自 动换挡时刻随控制参数变化的规律， 是描述 当前汽车状态的参数( 如油门开度、 车速等) 与最佳挡位之间关系的非线性函数。 通常 获得换挡规律有两种方法: 一是通过学习优秀驾驶员的驾驶经验， 提取最佳换挡规律。 二是根据汽车变速理论， 以一定的目 标函数和约束条件进行优化， 得到车辆运行状态 与 最 佳 挡 位 的 关 系371。 但 无 论 采 用 哪 一 种 方 法 ， 所 获 得 的 换 挡 规 律 都 是 一 些 对 应 的 离 散数据， 若用数学解析式表示其内 在规律， 不容易做到， 必须进行比较复杂的数据分析 处理。1 9 9 5 年k a o r uk o n d o 和h i t o s h i g o k a 提出t 一个基于神经网络的自 适应自 动变 速 器 换 挡 控 制 策 略 国. 1 9 96 年 t os h i 耐 chi m i n owa等 开 发了 一 个 可以 有 效 提 高 汽 车 燃 油 消 耗 率 和 加 速 性 能 的自 动 变 速 器 控 制 系 统 网. 2 0 00 年 h i ro sh i o h n i s hi 等 研 究 了 两 种 针 对 道 路 坡 度 变 化 引 起 不 必 要 换 挡 解 决 方 法 的 运 算 法 则 40j。 2 0 02 年 f uy uk u ka t su 和 t os h ioma ts u 刚 ra 开 发了 一 个 基 于 以 t l ab的自 动 变 速 器 换 挡 仿 真 模型 4l. 自 动 变 速 器 换 挡 存 在 换 挡 冲 击 ， 2 o 04 年 薛 矫 智 提出 用 单 向 离 合 器 来 消 除 换 挡 冲 击42， 取 得 了令人满意的效果。 湿式离合器是一种重要的换挡部件， 由于其体积小， 传递转矩大， 热量存储和散 发的性能好， 换挡过程可操纵， 换挡频次高， 换挡时间短， 使其在许多重要领域广泛应 用。 换挡性能是湿式摩擦片离合器的诸多重要特性之一。 2 0 05年李科花， 周卜 生分析 了 诸 多 影 响 换 挡品 质的 因 素， 并阐 述了 避 免 这 些 不 利 因 素 产 生的 方 法31。 1 9 9 5 年 仲 6 硕士论文经济型轿车用功率分流式无级变速器的设计研究 侗之对湿式摩擦片离合器的摩擦材料， 心板材料和摩擦偶件数量的 选择进行了分析和 阐 述 4 1 。 2 0 0 6 年1 月 徐 立 友， 李 金 辉 和 张 明 柱 系 统 地 论 述了 湿 式 摩 擦 片 离 合 器 的 结 构 特点并对摩擦片、 回位弹簧、 快速排油阀等关键部件进行了设计: 对冷却润滑的实现 及 密 封 装 置 的 选 择， 对离 合 器的 转 矩 容 量、 热 容 量 及 其 寿 命 进 行 了 分 析 计 算 45. 1 . 2 . 7 虚拟样机技术的研究现状 功率分流式无级变速器是一种机电一体化新产品， 结构比 较复杂， 用传统的设计 研究方法需要大量费用且耗时耗力， 采用虚拟样机技术， 这将明 显提高设计质量， 缩 短研发周期， 降低研发成本。 虚拟样机技术是一种基于产品的 计算机仿真模型的数字 化设计方法。 这些数字化模型即 虚拟样机 ( v i rtua1 prototy p e)， 将不同 工程领域的 开发模型结合在一起，从视觉、听觉、触觉以 及功能、性能和行为上模拟真实产品。 虚拟样机技术涉及多体系运动学与动力学建模理论及其技术实现， 是基于先进的建模 技术、 多 领域仿真技术、 信息管理技术、 交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合 运用技术。 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术， 是随着计算机 技术的发展而迅速发展起来的一项技术。其核心是机械系统运动学和动力学仿真技 术， 同时还包括三维c ad建模技术、 有限 元分析技术、 机电液控制技术、 最优化技术 等相关技术。 同 传统的基于物理样机的设计方法相比 ， 虚拟样机设计方法具有以 下特点: ( 1)新的设计模式。 传统的设计主要通过周而复始地设计一实验一设计的过程， 产品才能达到要求的 性能。 这是一个串行的过程， 因此存在很多弊端。 而虚拟样机技术真正地实现了系统 角度的 产品优化， 它基于并行工程(concurrente ngineering) ， 使产品 在概念设计阶 段就可以 迅速地分析、比较多种设计方案， 确定影响性能的敏感参数， 并通过可视化 技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应， 直至获得最优工作 性能。 (2 ) 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。 采用虚拟样机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。 通过计算机技术建立产品 的数字化模型( 即虚拟样机) ，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验( 主要是 成本和时间条件不允许) ，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不 但减少了物理样机的数量， 而且缩短了 研发周期、 提高了产品质量， 而且使一次性开 发成功成为可能。 (3 ) 实现动态联盟的重要手段。 目 前世界范围内广泛地接受了 动态联盟( virtu al co呻any ) 的概念， 即为了适应 快速变化的全球市场， 克服单个企业资源的局限性，出现了 在一定时间内，通过 7 硕士论文经济型轿车用功率分流式无级变速器的设计研究 internet( 或 i ntranet)临时缔结成的一种虚拟企业。为实现并行设计和制造，参盟 企业之间产品信息的敏捷交流尤显重要， 而虚拟样机是一种数字化模型， 通过网络输 送产品信息， 具有传递快速、 反馈及时的 特点， 从而使动态联盟的活动具有高度的并 行性。 虚拟样机技术的应用可以带来以下优点: ( 1) 在实际制造前，设计工程师可以 通过虚拟样机方便地修改设计，进而减少物理样机数量，节约成本; ( 2) 对于项目 管理者，虚拟样机在评估和管理项目 风险方面是一个极有价值的工具; ( 3) 在设计 生产的各阶段，虚拟样机能够主动地影响产品的支持保障，减少产品周期; ( 4) 通 过在设计的 每一个阶段进行虚拟样机测试， 使测试者对未来产品进行评价， 减少工装 费用; ( 5) 借助虚拟样机，并行工程应用在设计过程中，加快了产品的上市时间; ( 6) 通过使用虚拟样机， 将使传统的系统、子系统、制造过程的理解得到扩展和深 人， 并且使为技术要求、 制造性能、 可实现性和可维护性而进行的设计变得可能和容 易，从而提高企业市场竞争能力; ( 7) 虚拟样机是分析对于物理样机来说极其危险 的工况的最佳手段， 如汽车的碰撞试验， 越野车的抗翻倾试验， 飞机乘员的安全性试 验等。 此外， 虚拟样机技术还可用于产品的概念设计阶段、设计细化阶段、 试验规划 阶段以及工作状态再现等的全过程。 2 0 0 5年任卫群阐述了基于多体动力学的虚拟样机建模方法，应用虚拟样机技术 进行车辆动力学分析， 分析车辆与道路相互作用机理并深入探讨虚拟样机技术在解决 “ 对 道 路 友 好 ” 车 辆 的 设 计以 及 道路 损 伤 评 价 中 的 重 要 意 思 和 应 用 方 法 闹. 2 0 05年 尚 欣， 丁静， 薛河等人把虚拟样机技术引入带传动的动态设计中， 并通过对一个简单 带传动虚拟样机模型摩擦力的分析， 说明 在带传动动态分析中， 使用虚拟样机技术的 可 行 性 和 有 效 性 .7。 2 o 05年12月 减 发 业 ， 周 军 ， 杨 学 锋 等 人 基 于 虚 拟 制 造 环 境 下 ， 对金属带式c vt的装配过程进行仿真， 设计了金属带式c v t 虚拟装配过程从建模、 虚 拟装配过程到可装配性评价一系列过程， 在早期规划阶段检查设计金属带式c v t 装配 错误并从几何关系上确认装配顺序以减少物理样机的数目， 从而达到缩短规划和调试 的 周 期 451 。 2 o 05年 韩 虎 ， 曾 庆良 等 人 以 圆 柱 齿 轮 变 速 箱 为 例 对 虚 拟 样 机 技 术 、 仿 真 技 术 进 行了 深 入 的 分 析 研 究 ， 提出 了 实 施 虚 拟 样 机 的 技 术 路 线 和 具 体的 实 现 步 骤49。 2006年 3 月 赵世宜， 刘子建，王辉等人利用虚拟样机技术对某型号汽车六挡变速箱 进行仿真分析，为齿轮和轴的强度校核、 机构优化及噪声控制提供了 依据， 为改进和 优 化 变 速 箱 提 供了 有 效的 实 验 方 法50。 总之， 机械系统虚拟样机技术作为进行机械系 统样机设计、 仿真分析研究复杂机 械系统动力学问题的有效手段， 可以帮助产品制造商摆脱对物理样机的过度依赖， 对 于提高产品质量、 缩短设计开发周期、 降低成本都可以起到显著的作用。 从产品开发 的发展趋势来看， 未来的机械产品开发必将是基于虚拟样机技术的开发。 因此， 功率 已 硕士论文经济型轿车用功率分流式无级变速错的设计研究 分流式无级变速器的研制采用虚拟样机技术在缩短研发周期和减少研发成本等方面 具有很重要的意义. 1 . 3 研究的内容 本课题研究的对象为功率分流式无级变速器，匹配 il左右排量的发动机，以前 置发动机前轮驱动的经济型轿车为适用对象。 设计研制工作应用了虚拟样机技术， 这 将明显提高设计质量，缩短研发周期，降低研发成本，以适应现代社会的飞 速发展。 本课题的 研究内容主要包括以 下几个方面: 1)总体方案设计: 根据功率分流的基本原理， 提出数种可行的变速器总体设计方 案，对方案进行分析、比较后，最终确定了 设计方案及基本设计参数; 2)建模与计算机仿真: 建立装备功率分流式无级变速器的整车数学模型， 对变速 器和发动机的匹配以 及对装备该变速器的整车进行经济性和动力性仿真; 3)功率分流式无级变速器关键零部件之一 单向离合器的设计。 针对单向 离合 器的主要失效形式， 提出一种新的非接触式单向超越离合器设计方案， 该设计能够有 效地改进单向离合器目前存在的缺陷， 更加适合功率分流式无级变速器制动太阳轮的 需要。 4 沙 功率分流式无级变速器关键零部件之换挡机构的设计。 针对功率分流式 无级变速器的换挡过程设计可行的换挡机构， 并布置位置传感器， 对影响换挡性能的 同步器进行理论分析。 5 ， 变速器设计与虚拟样机模型的建立: 包括对行星轮系等主要部件的设计， 并在 设计的 基础上建立变速器的计算机三维模型。 本文的 研究内 容为 江苏省 汽车工程重点 实验室开放基金资助项目 “ 车用功率分流 式无级变速系统的研究” 的部分工作， 同时也是与相关企业合作的研究项目。 合作单 位对该课题的研究工作提出了严格的技术保密要求， 因此本文后续章节研究工作中的 部分具体技术数据未能列出，特此说明。 硕士论文经济型轿车用功率分流式无级变速器的设计研究 2 功率分流式无级变速器总体方案设计 2 . 1 功率分流式无级变速器的设计要求及思路 本文研究的对象为功率分流式无级变速器， 匹配1 升左右排量的发动机， 发动机 的最高功率为4 ik砰 ， 最大转速为5 5 o 0r/min， 以前置发动机前轮驱动的经济型轿车为 适用对象， 要求经济型轿车的最高车速为14 0km /h。 经济型轿车对经济性要求比较高， 对成本控制比较严， 因此， 与之匹配的变速器也要求有较低的成本和较高的传递效率。 对本课题研究的功率分流式无级变速器提出如下设计要求: 1 正确地选择功率分流式无级变速器的最大和最小 传动比， 并与发动机参数及主 减 器速比作优化匹配，以保证汽车具有良好的燃料经济性和动力性