【FY229】常功率无级变速器( CP—CVT) 工作原理和分析【PDF+WORD】【中文4300字】

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内容简介：: 常功率无级变速器 ( 工作原理和分析 :. S. R. P. 摘要本文是一种新颖的常功率无级变速器 (引传动发表的系列论文的首篇。本文提出了常功率的基本机能原理和证实了该装置的特性。该装置属于大家知道的圆环牵引传动系列 ,它由两个输入盘、一个圆锥形环和另一圆环、一个锥形输出盘和若干钢球组成。各钢球的转轴按相对于输入和输出圆盘的几何位置作自行调整 ,输出转矩的变化使钢球相对盘的位置改变从而造成速比变化 ,首先进行钢球运动学和动力学分析 ,再推论了有关功率传递动力学公式和几何参数。最后提出关键词 :常功率无级变速器；圆环牵引传动；运动学；动力学 1 背景实践中用附加无级变速器可以改进机械变速器的性能 ,在汽车传动系中藉助无级变速器可以获得 10% 20%的燃油经济性 1。机械无级变速器是结构和设计的一个大的变化 ,通常功率是通过许多中间元件由输入轴传到输出轴 ,所有这些装置有一个公共的原则 ,那就是控制输出速度的变化 ,亦即“改变中间元件相对于输入或输出元件的位置”。一般功率通过干、边界摩擦或薄层油膜剪切力来传递 ,当功率通过油膜传递时 ,引型 ,而该盘或滚球具有一个正常的滚动运动。由于它们有能力传递高的功率 ,快速响应动态变化 ,小的尺寸和良好的可靠性 ,该 2。在汽车中采用或设计极普通的输出盘和环形的中间元件 ,简单的称为全环形或半环形牵引传动 ,这些型式成功用于汽车传动系 , 特别用在日本的汽车制造厂 3 虽然牵引传动的功能原理相对简单 ,为了获得这些元件之间的同步的结果要求详细分析中间元件的运动学和动力学 ,不同的输入或输出功率或传动比控制这些对于一个好的性能的。 T e v a a r w e r k a n d J o h n s o n6表明为润滑流体他们开发了一个粘弹模型 ,用于 K a n n e l a n d D o w7在精确的牵引传动中作了牵引力的分析 , 8和 9开发了可用环球牵引传动的分析模型 ,并研究了侧滑和牵引力以及该 0导出了全环球牵引传动的操纵控制的精确几何关系。 11和C r e t u a n d G lo v n e a12介绍了常功率牵引传动原理和提出了该传动的解。本文提出一个牵引传动的原型 ,它只采用一个半环盘 ,该装置可以在输出转矩变化大的情况下保持传递功率在小范围变化。 2 工作原理装置的说明图 1示一装置的简图 ,该装置表明它可合理保持功率传递为常数。图 1 环球传动图该装置由两个输入盘和圆锥盘和两个半环组成 ,锥盘固定在输入轴 ,环盘相对于轴可纵向滑动 ,若干钢球均布于两盘之间 ,这些钢球位置用罩壳周向固定 (如图所示 )。该罩壳允许各钢球有四个自由度 (三个转动和一个移动 )。这些钢球与输出盘接触 ,输出盘也可能为锥形 ,输出盘通过球 2螺旋型联轴器把功率传到出轴。球形中间元件通过两弹簧的予加载荷使它和盘间的保持接触 ,一个弹簧装于输入轴在环盘的后面 ,而另一弹簧装于输出轴 ,它压力作用于输出轴。依据钢球和盘对球自转轴之间接触点的距离速比有一个大的变化 ,输出转矩的改变导致钢球位置改变如图 1(b)所示 ,它将表明于下节确定速比的变化。速比的变化造成装置有可能承受合理稳定的功率传递。间元件的运动学为了确定装置的一中间钢球的主要几何特性和其运动学之间的关系如图 2 所示。图 2 一球形中间元件和作用角 A ,分别表示钢球和环盘输入盘和输出锥盘之间接触点 ,选择一个以钢球中心为轴心的笛卡尔座标系 ,x 轴平行于常功率 P 轴线 ,三个接触点在该座标系中有以下座标。 A(R 2R ; B(, ); C(R ,R ) 由于事实上所有三个接触点都位于同一平面内 ,所给平面这些点的速度具有一个垂直于平面的方向 ,因此在以下关系内 ,除了它不平行于速度方向将不再阐述。属于输入盘接触点速度给定为 11s i n ; s i nA d B dV r R V r R （ 1）式中 r 是变角的函数 ,可写成 s i n ,or r R（ 2）其中1 R 钢球以一个角速度2转动 ,关于自转轴的斜率 ,由图 2 ,属于钢球接触点的速度如下 2 ; A2 ; B2 C(3) 根据图 2 导出轴到接触点的距离为 : s i n ( ) ;A A R a s i n ( ) ;B B R s i n ( ) R （ 4）由公式 (3) 可写成以下等于 : （ 5）设计区间的牵引传动 ,即由 8。这意味着在式 (1)和 (3)内相应的速度可以认为等于式(1),(4)和 (5) ,钢球的自转轴的斜率给出为 : s i n s i nt a n c o s c o s s i n ( )rm （ 6）基本计算后 ,速比13/i 可写成 : s i n c o s ( s i n )s i n c o s s i nm m r R （ 7）代入由式 (2) 算出的 r ,上式可进一步写成 : c o s s i n s i n s i nc o s s i n s i no om r R r R （ 8） 2. 3 中间元件的动力学图 3当由装置传递转矩为最小和由于只考虑位于输入轴和输出轴上弹簧的轴向 x 时 ,在该位置角等于零。环形输入盘以0表示的平行力压在一钢球上 ,相应在输出盘上的力是0钢球由恒等方程式这些力之间的关系如下 : 图 3 一中间中元件在两不同位置的 0t a n()t a n t a （ 9）当一阻力矩作用于输出轴时 ,在 0C C F(10) 式中由球求出为 22t a n ( ) （ 11）一个在接触点它使钢球移动到一个新的平衡位置 (见图 3(b) ,在该新位置 ,作用在 A 点的力为 0A A F(12) 在该几何外形 ,力t a n c o s s i nt a n c o s s i （ 13）由于一转矩作用于输出轴 ,根据方程式 (9)到 (13)可以求得作用在 A 点的轴向力变量表达式如下 : 0t a n c o s s i n t a nt a n c o s s i n t a n t a （ 22 t a n c o s s i nt a n ( ) t a n c o s s i +（ 14）进一步推导可求出转矩 T : 20 t a n ( )t a n t a n t a n()t a n t a n 2 t a n t a T F F 14a）式 (14a)表明依据于接触的角输出转矩以及包括和速比的关系。作为转矩函数的传递功率由下式给出 : 13 0 0( ) ( )P T T T (15) 式中 200 t a n ( )2C 钢球螺旋联接的特性不可任意选择 ,它的值受牵引函数的限制。在接触点因此由 2 t a n ( )2 c o (16) 3 讨论如以上表明的功率传递与输出转矩和速比的关系 ,它们通过接触角相互联系。因此采用自动调整速比的大小可以保持传递功率稳定。对于一个几何形状已知的装置 ,输出转矩造成角确定的变化 ,这些变化可以改变作用于后环盘的作用力进一步研究影响传递功率的固定的力和弹性的力。从实际观点出发 ,采用液压负载装置力 3. 1 力在这种情况后环盘的力为定值而于零。因而式 (14)成为 : 20 t a n ( )t a n c o s s i n t a n)2 t a n c o s s i n t a n t a （(17) 式 (17)给出了输出转矩对角的关系 ,并解式 (8)和 (15)可求得牵引传动的特性。图 4 (a)和 (b)示速比、转矩和输出功率为角的函数。角和的值的选择应使获得的功率的变化为最小。图 4 (a)固定力情况速比和转矩与角的变化关系 (b)固定力下功率与角的变化关系对于相对两较小的角值 (大约为 45 )和较大的值 (接近 77 ),速比和输出转矩随角而增大 ,但速比几乎具有一个线性关系时 ,转矩接近随的平方增大 , 这将造成功率传递显著稳定 ,变化为值由 0到 50 ,作动元件的确定量为 10( 0 . 0 9 , 0 . 0 6 , 0 . 1 2 )R m R m r m 3. 2 弹性型的力假定该后环盘面的力由已知特性的弹簧产生的。由输出锥盘造成环盘位移决定钢球位移 ,因此产生弹簧通过一距离 X 附加的一个压缩力 ,力 X(18) 式中环盘的轴向位移等于弹簧的附加压缩力 ,由图 5所示的简单几何关系求得图 5 环盘的轴向位移 c o s ( )1c o (19) 联立方程式 (14),(18)和 (19)求得输出转矩 0t a n c o s s i n t a nt a n c o s s i n t a n t a （ 22 t a n c o s s i nt a n ( ) t a n c o s s i + = c o s ( )1c o (20) 图 6(a)和 6(b)示速比 ,转矩和功率随角在图 4 所示相同范围变化而变化。对于参量 (约 50 ) 和 (约 72 ) 选择最合适的值 ,对在 0和 57范围内获得 %。另一面对作动元件尺寸的选择使功率最好的变化 ,而它们与上述情况10( 0 . 0 8 5 , 0 . 0 4 , 0 . 1 2 )R m R m r m 不再一致。对于变速箱作动元件的最后尺寸与所要求的功率和转矩有关。明显的问题是作用于环盘上的力与角有关 ,它造成在所要求角度大小范围内输出功率不变。消去式 (14)和 (15)之间的 T 并保持功率不变 ,可以用算出的不连续值拟合的曲线求得该力。一个多项式函数给出和一与三个与作动元件尺寸即钢球和环面的半径有关的函数很好拟合 ,该力以写成 : 320 () a x b x c x d (21) 上述公式内常数可以选择牵引传动的几何尺寸和所要传递的功率来确定。图 6 (a)对于弹性力速比和转矩随角的变化 (b)对于弹性力功率随角变化 4 结论原始装置由两个输入盘一个锥体和另一半环 ,一个锥形输出盘以及许多环形中间元件组成。输出转矩、功率传递和内部的几何外形之间的相互关系。本研究有 4个主要的结论 : 1. 环盘后有一个稳定的力 ,与速比变化从 1到输出功率的变化小于5%。这在钢球和输入锥盘之间接触角较小的情况下可以看到 ,而在和输出盘接触角较大情况则更为有利。 2. 对于速比在 1和作用在后环盘上一个弹性的力 ,输出功率的变化小于 7%。与固定的力情况相比较 ,和输入锥盘的接触角较小 ,而和输出盘接触角较小。 3. 当力作用在环盘上对接触角有一个多项式关系时 ,可求得该装置尺寸选择一最合适的数值 ,求得一个完全固定的输出功率 ,速比在 1和 3之间变化 ,采用液压负荷系统这点可以实现。 4. 该装置建议免去任何钢球位置转轴必须的控制 ,因它们自身调整运动学状况。该特性提供了超过其他环状牵引传动的确定的优点。牵引传动成为用于汽车变速箱的很好的候选装置 ,构成它的一个优点是输出功率在固定水平的自动调整 ,从燃油经济性观点出发 ,发动机可在扩展时期以最优状态实际运转。名称 2D=钢球螺旋联轴节名义半 of i =速比 k =后环盘弹簧的弹性常 of m =球自调转轴的斜率 of of =功率 r =从球中心到轴的轴心的距离 of to of r=环的半径 of =钢球球面半径 of R=环面半径 of =速度 =转矩 =球和环盘之间接触角 =球和输入锥盘之间接触角 =球和输出锥盘之间的接触角 = 引系数 =螺旋联轴节角度 of =螺旋联轴节摩擦角 in =输入轴的角速度 of =钢球的角速度 of =输出轴角速度 of =本文指数 b 和 d 分别参见球和盘 In b d to 考文献 1 M., 2000, 197201. 2 M., 1995, 16611666. 3 H., 1989, of a J., 32(1), 8286. 4 H., A., S., H., 1991, A J., 34(4), 518525. 5 H., 1993, VT J. 38(7), 593598. 6

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