文献综述 中期.doc

文献综述一 前言 随着社会的进步和全球经济的快速发展，汽车在中国的普及率在不断增长， 国外的汽车制造商都把目标指向了中国市场， 中国已然成为全世界最开放的汽车 市场之一，全球差不多所有的汽车跨国集团都在国内占有一席之地，而国内的自 主品牌也在不断壮大，虽然很多技术与国外的相差甚远，但已在加大投入，快速 发展。汽车业已经成为国家战略中的一部分。根据汽车动力装置、载运对象和使 用条件的不同，器总体构造可以有很大差异，但它们的基本结构都由发动机、底 盘、车身和电器与电子设备四大部分组成。底盘又包含传动系、行驶系、转向系 和制动系。其中制动系包括离合器、变速器、传动轴、主减速器及差速器、半轴 等。变速器的功能为完善汽车的传动系统，在人们追求速度感、舒适性、节能环 保方面时变速器起着至关重要的作用。二 国内外研究现状 目前世界上使用最多的汽车变速器主要有以下几类：手动变速器（MT） 、液 力自动变速器（AT） 、电控机械式自动变速器（AMT）和无级变速器（CVT） 。 手动变速器维修保养成本低，传动效率比自动变速器高，驾驶技术较好情况下， 在加速和超车时比自动变速车更快、省油，但因其操作复杂，而且在恶劣的交通 状况下驾驶起来比较苦恼，所以已逐渐退出汽车市场。目前，国外用的最多的自 动变速器是液力自动变速器，它免除了手动变速器的换挡和脚踩离合的频繁操 作，使开车变得省力；而且动力性优越。但结构复杂，重量大，效率低、成本高、 油耗高。AMT 是现有的手动变速器基础上，增加了一套自动换挡机构而成。它 解决了手动档车的驾驶乐趣和自动档车的安全省事的矛盾，操作简单，燃油经济 性好，但在行车过程中，因档位变动引起的顿挫感较强，舒适性较差，换挡过程 中可能出现换挡中断。CVT 能得到一个在一定范围内连续变化的速比，增大了 发动机转速相对于车速变化的独立性，显著提高了汽车的经济性，改善汽车的动 力性，使汽车发动机始终运行在最佳目标运行区，以满足机器或生产系统在运转 过程中各种不同工况的要求，减少了换挡冲击，也减轻了驾驶员的劳动强度。目 前， 无级变速器是最理想的变速器， 具有很大的发展空间， 各国都在努力研究1-5。2.1 国外研究现状 金属带式CVT 的装车使用只有十几年的时间, 但是CVT 技术的发展已有100 多年的历史。早在1490年,达芬奇就草绘了无级变速器原型图。19世纪70年代, 出现了机械式无级变速器,但是由于当时受材质与工艺方面的条件限制,发展缓 慢。 直到20世纪70年代以后,机械式无级变速器获得迅速和广泛的发展,产品有摩 擦式、 链式、 带式及脉动式4 大类, 约30 多种结构形式。 1886 年,Daimler Benz 在首辆采用汽油机的汽车上装上了橡胶带CVT。 1906年,美国卡特车装用了简单的 金属盘摩擦传动无级变速器。 1930 年在Austin Six teen车上,装用了牵引式CVT。 电子控制技术特别是计算机控制技术的发展,使得无级变速传动得到应用与发 展。20世纪60年代后期,荷兰工程师Van Doorne研究出金属带CVT,这是CVT技术具 有划时代意义的事件。1972年, H.Van Doorne 成立了独立公司。1978年,意大利 Fiat 公司的汽车开始装用Van Do orne CVT。1987年,美国Fort汽车公司的汽车 装有这种CVT。目前,市场上的CVT有三种产品: P821 型,采用电磁离合器作为起 动装置,机液或电液控制系统,以外齿轮泵作为液压源,实用于发动机排量在1. 3以下的小型轿车；P811型,实用于发动机排量在1.8以下的中型轿车；P844型,采 用新型金属传动带,将液力变矩器与CVT综合,全电子控制系统,实用于发动机排 量在3. 3以下的豪华轿车。日本在研制CVT的初期,即将电子控制技术与CVT 技术 结合,成功地开发出电子控制技术的CVT,即ECVT,陆续装在Rex , Sambar和Justy 上。 1990年美国生产出计算机控制的无级调速液压自动变速器( CVT ),此后日本、 美国、德国等轿车生产商大多采用此项技术。1992年，德国的ZF和LUK公司开发 摆销链式无级变速器，在奥迪A4和A6轿车上搭载成功1994年批量生产5。 随着近年来变速器的快速发展，CVT 的应用越来越广，国外很多研究人员人 在不断改进 CVT 的结构性能，使其更加趋于完美。Nilabh Srivastava 等人6指出 在过去二十年里，大量的研究工作已直接针对能降低汽车能耗的车辆变速器。这 一努力是环保意识日益增长的直接结果， 加强了对当前汽车制造商和用户在减少 废弃排放和提高车辆效率方面的指示。无级变速器在提供了一个连续的齿轮比， 是发动机在各种工况中达到最佳匹配，从而提高了燃油经济性和动力性能。虽然 无级变速器在提高汽车燃油经济性的计划中扮演了重要的作用， 但它完整的潜能 在量产中还没被意识到。 他们综述了国家在动态建模和有限摩擦无级变速器控制 方面最先进的研究。 不仅对基本概念， 数学模型和计算方案也进行了广泛的讨论， 而且对今后在 CVT 建模与控制的研究上的挑战和关键问题也进行了讨论。 J.R. Gom Ayats 等人7提出一种涉及新型的无级变速器的奇点过渡的概念。 这变速器包括一对行星齿轮和一对电机，用它来控制整体速率。它的奇点在于操 作的拓扑结构，通过电路径时伴随着小于 10额定功率的循环。这低功率水平 是通过细分变速器操作范围实现。为了验证这一技术，研究人员建立了一个试验 台。通过试验，其结果表明，这变速器能够在整个操作范围内发挥作用。他们还 发现在负载条件下，通过电路径传递的小部分功率保持在设计值附近。2.2 国内研究现状 我国在 CVT 方面的研究尚处于起步阶段，到 80 年代中期以后，随着工业生 产现代化及自动流水线的迅速发展，对无级变速器的需求大幅度增加，为此我们 引进了大量的国外先进设备对其研究，自“九五”期间开始，轿车金属带式无 级自动变速器的开发和研制已经被列人国家的重大科技攻关计划， 取得了一些宝 贵的实验数据和开发经验。我们成功研制出了国内的无极变速器，对其进行了台 架和道路试验，并开始建立并进行规模化生产。经过十几年发展，无极变速器已 成为我国机械领域中一个新兴行业，形成了从研制、生产、到情报信息各方面已 组成一较完整的体系。上海交通大学汽车工程研究生郭毅超等人8先对金属带式 无级变速器的钢带轴向偏移现象进行描述及产生原因进行分析， 提出了减少钢带 轴向偏移的几种方法，并进行了比较，得出由于曲母线带轮加工困难，因此度对 实际普遍使用的直母线带轮可采用无偏移是的速比法消除轴向偏差， 且效果比较 好，为金属带式无级变速器的设计打下理论基础。东北大学机械工程与自动化学 院张伟华等人9分析了金属带式无级变速器中直母线锥盘必然使金属带产生轴 向偏移和扭曲的原因，提出了零偏移量锥盘母线的设计原则和设计方法：选择形 状简单易加工的曲线作为推块侧边，根据共轭曲线原理和传动的约束条件，求 解其共轭曲线为锥盘母线， 以保证变速过程金属带对称线始终与锥盘回转轴线垂 直。给出了推块侧边为圆弧的锥盘母线求解方程，确定了推块侧边曲率半径和锥 盘角等主要参数的取值范围及其对锥盘母线性能的影响， 通过改善锥盘与推块侧 边及金属带受力状况，以提高无级变速器的性能。 我国研究人员对 CVT 受力方面也进行了大量的研究和试验。西安理工大学机 械与精密仪器工程学院张武等人10以弹性力学为基础，对带轮弹性特性进行了 分析，其结果表明随着传动比的增大，主动轮径向和切向应力先减少后增大，径 向位移减小，从动轮应力增大，径向位移增大，半径对带轮变形量的影响大于轴 向推力。这对金属带式无级变速器的参数设计提供了参考。李磊、程乃士等人11 通过对一国产 CVT 金属带断裂件进行失效分析，发现了摩擦片断裂源位置，提 出了摩擦片的失效模式；并应用有限元分析印证了断口分析的结论，再根据分析 结论推断了摩擦片的失效机理。得出圆弧槽对摩擦片强度影响很大，可通过改进 凹槽设计，在摩擦片上设计一个接触面凸缘，提高加工和测量精度等方法降低凹 槽内的应力水平，为摩擦片的改进提供了有利条件。同样，重庆理工大学汽车零 部件制造及检测技术教育部重点实验室的张雄雄等人12采用 Fujii 等推荐的公 式，对金属带式无级变速器夹紧力比与速比的关系进行了理论计算，并设计了试 验方案，建立了试验台，对国产的金属带进行了试验研究，将试验值与理论值进 行对比， 得出国产金属带的试验结果与 Fujii 等对 VDTCVT 金属带的研究的一 致性。得出的关系对夹紧力的综合控制、纯机械电子加压式 CVT 设计有了指导 意义。 我国科研人员还提出了一些 CVT 在结构上的创新结构。张家口职业技术学 改进了前进 院汽车工程系的赵春13介绍了在 01J 型无极变速器机械结构基础上， 档和倒挡的传动机构，并对其性能进行了试验台验证。改进后的变速器去掉了原 来结构复杂的行星齿轮传动机构，前进档通过离合器为带式传动，传动比连续变 化，实现无级变速。倒挡传动变为齿轮传动，通过离合器为齿轮直接传递动力， 传动效率高，延长了金属带的使用寿命。还有张永宇等人14归纳了原始机构的 拓扑构造特性，运用图论理论得到了原是结构的拓扑缩图，通过对结构的原始拓 扑缩图进行二度点的分配，消去同构方案后，即可综合出符合条件的拓扑全图和 一系列相对的运动连图谱。在这基础上指定各构件和运动副的类型，得到与原来 机构具有相同或相似功能的新型机构。 设计者可以根据功能要求和具体的设计环 境，从中筛选出符合要求的最佳机构。所提出的方法不仅为设计者节约大量的时 间，同时还具有很好的实用性和较高的开发效率。 南京工程学院车辆工程系的罗绍新等人15针对液力自动变速器传动效率低、 油耗大、结构复杂的缺陷，提出来一种新型的行星齿轮功率分流式无级变速器， 它取消了液力变矩器，在辛普森双星星牌变身机构的基础上，为验证无级变速器 的核心技术，通过功率分流并调节发电机输入功率来实现无级变速，设计了试验 模型，经初步试验，系统不存在功率循环，能实现传动比的无极变化，为液力自 动变速器代替产品的实用开发奠定了坚实的基础。王成等人16针对常规 CVT 速 比电液控制系统存在是控制精度低与积分饱和等问题，设计了一种改进 CVT 速 比点也控制系统。分析了改进控制系统的控制原理；基于导磁材料饱和特性及漏 磁通考虑，提出了高速开关阀新型数学建模方法；采用变速积分算法对传统速比 控制器进行了改进； 还对改进控制系统与常规控制系统的阶跃速比进行跟踪对比 仿真试验。PWM 高速开关阀在 CVT 速比电液控制系统的应用，降低了系统超 调量，改善了速比控制效果；改进速比控制器以变速积分为基础，克服了积分饱 和导致的滞后时间长问题，比常规速比控制器更能满足速比跟踪的需求。 ，增强 了 CVT 实际速比对目标速比的跟踪能力，达到了速比控制的目的。 国内的研究人员根据无级变速器的一些特性还进行了一些设计与试验。湖南 大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室的栾文博等人17针对汽车金属带式无级变速器速比控制的非线性和时变性的特点，设计了 Fuzzy-PI 复合速比控制 系统，兼备了模糊控制鲁棒性能，能适应被控对象非线性和时变性，以及控制能 消除稳态误差，提高控制精度的优点，以适应 CVT 速比控制的要求，通过与经 典 PID 控制比较，表明 Fuzzy-PI 复合控制具有响应迅速，误差小的特点。有建 立了 MATLAB/Simulink 仿真台，通过试验，表明 Fuzzy-PI 复合控制速比控制能 很好地跟踪目标速比，具有较强的鲁棒性能和良好的动态性能。重庆大学机械传 动国家重点实验室罗勇等人18针对提高无级变速器效率对滑转率控制进行了计 算机仿真。在分析滑转率控制原理基础上，通过试验建立摩擦系数随滑转率与几 何比变化的数值模型，合理确定目标滑转率，建立了滑转率控制计算机仿真模型 系统，采用模糊控制方法对滑转率实施控制，得出运用滑转率控制可使液压系统 压力降低 40%左右，并于前人研究结果接近，说明它的可行性。随后，该研究所 尹燕莉等人19阐述了整车瞬时油耗与系统效率的关系，建立了系统效率最大化 的回流式无级变速传动系统控制策略， 通过调节发动机节气门开度和传动系统速 比，使整车系统效率达到最大。还分析了传动系统优化参数 k 和 对系统效率的 影响， 提出了基于系统效率最大化控制策略的回流式无级变速传动系统参数优化 设计方法，得出当燃油消耗最小时，所对应的 k =8 和 =3.875 即为最终优化设 计结果。利用 MATLAB 仿真平台，得到了设计参数的最优值，并对优化前后设 计参数进行了仿真对比分析，结果表明，采用优化设计后的参数，整车燃油经济 性可提高 1.7%左右。三 总结 随着汽车行业的快速发展，对变速器的竞争也在变得异常激烈，尤其是无级 变速器间的竞争，它的发展潜力还没有被完全发掘出来，它在控制系统、结构和 性能方面都还有很大改进的空间。我国在变速器方面虽然起步较晚，但在科研人 员的不断努力下，正在快步赶上，国内也在加大科研投入，加大自主研发。再过 几年，无级变速器的技术越来越成熟，一定会在全球普及。参考文献：1姜勇汽车无级变速器技术和应用的发展J科技传播,2011:146 2 叶 光 健 , 陈 奇 等 无 级 变 速 器 在 轿 车 中 的 应 用 与 发 展 动 向 J 汽 车 科 技,2011(5):7-113阴晓峰,李磊等汽车自动变速技术的发展与展望J机械传动,2010,34(8):87-91 4 陈 玉 萍 金 属 带 式 无 级 变 速 器 机 构 组 成 及 其 优 越 性 分 析 J 黑 龙 江 交 通 科 技,2010(12):106-107 5王幼民,唐铃凤,唐凌霄金属带式无级变速器的发展历史、研究现状与展望J安徽工程 科技学院学报,2005,20(2):74-78 6 Nilabh Srivastava, Imtiaz HaqueA review on belt and chain continuously variable transmissions (CVT): Dynamics and controlJMechanism and Machine Theory,2009:19-41 7 J.R. Gom Ayats, U. Diego-Ayala, F. Fenollosa Artes singular point transition concept: A The novel continuously variable transmission comprising planetary gear trains and avariatorJJournal of Power Sources,2012:125-135 8郭毅超,何维廉,黄宏成金属带式 CVT 的钢带轴向偏移分析J传动技术,2001(4):43-47 9 张 伟 华 , 程 乃 士 等 金 属 带 式 无 级 变 速 器 锥 盘 母 线 的 设 计 方 法 J 东 北 大 学 学 报,2001,22(3):279-281 10 张 武 , 刘