金属带式无级变速传动变速器工作原理分析

金属带式无级变速传动变速器的工作原理分析西 南 大 学本科生课程论文论文题目：金属带式无级变速传动变速器的工作原理分析 姓 名： 孙 伟 学 院： 工程技术学院 班 级： 2012 机制（2）班 专 业： 机械设计制造及其自动化 课程名称： 汽车设计 学 号： 0063 指导教师： 冀 杰 2015 年 06 月 24 日金属带式无级变速传动变速器工作原理分析 摘 要：金属带式无级变速传动变速器（CVT，即Continuously Variable Transmission ），同传统的变速器相比，具有结构紧凑，操作简便，传动效率更高，成本更低，以及节能环保等多方面的优点。此外，它作为轿车发展的一项先进技术适合我国轿车变速器发展的要求，并且越来越受到普遍关注，本文重点介绍，以及分析了金属带式无级变速器的传动原理，并系统的介绍了其发展历史和当前的技术状况，对金属带式变速器与其他类型的变速器的优点，缺点进行比较说明在机械式无级变速传动中，金属带式无级变速器无论是在转矩传递能力还是在传动效率方面均优于其他类型的机械式无级变速器传动。关键词 金属带式无级变速器；无级变速器；机械式变速器；CVT1. 金属带式无级变速器（CVT）概述1.1无级变速器的发展历史 无极变速技术最早诞生于于一百多年前，一位荷兰工程师设计制造了世界上第一台无级变速传动机构。而无极变速技术应用于汽车行业则可以追溯到1886年，德国奔驰公司将V型橡胶带式无极变速机构安装在该公司生产的汽油机汽车上。由于橡胶带式无级变速机构存在功率有限(转矩局限于135Nm以下)，离合器工作不稳定，液压泵、传动带和夹紧机构的能量损失较大等缺陷，因而没有被汽车行业普遍接受。然而提高传动带性能和无级变速传递功率极限的研究一直在进行，将液力变矩器集成到无级变速系统中，主、从动轮的夹紧力实现电子化控制，在CVT中采用节能泵，传动带用金属带代替传统的橡胶带。新的技术进步克服了无级变速系统原有的技术缺陷，导致了传递转矩容量更大、性能更优良的第二代无级变速器的面世。 20世纪90年代，汽车行业认为CVT技术被认为是微型车中的关键技术。全球科技的迅猛发展，使得新的电子技术与自动控制技术不断被采用到CVT中。1997年上半年，日本日产公司开发了使用在2.0L汽车上的CVT。在此基础上，日产公司在1998年开发了一种为中型轿车设计的包含一个手动换档模式的CVT。新型CVT采用一个最新研制的高强度宽钢带和一个高液压控制系统。通过采用这些先进的技术来获得较大的转矩能力，日产公司研究开发CVT的电子控制技术，传动比的改变实行全档电子控制，汽车在下坡时可以一直根据车速控制发动机制动，而且在湿滑路面上能够平顺地增加速比来防止打滑。而日本三菱公司则选择了CVT平顺无能量损失地传递直喷式发动机的动力来驱动汽车。V型带/传动轮机构可以保证在所有速率下发动机动力平顺无间断地传递。同样在日本，富士重工拥有15年开发CVT的经验。1997年5月，富士重工将它的微型车装配了全计算机控制式E-CVT(含有六档手动换档模式的CVT)。驾驶员无须操作离合器就可以进行六档变速。富士重工采用一种有锁止式变矩器的电控式CVT、通过小范围锁止可以使液力变矩器的滑动保持在最小值，行星齿轮用来切换前进档/倒退档。传动比范围从1：10-5.5：1。 1999年上半年，美国的福特公司和德国ZF公司合作生产为福特公司设计的、带有电子管理功能的CFT23型CVT。ZF公司设计的CVT是一种变矩器式变速器，使用为安装横向发动机前轮驱动汽车生产的钢带。ZF公司也能为安装纵向发动机的前轮驱动汽车和后轮驱动汽车生产CVT系列。ZF公司称：与四档自动变速器相比，CVT系统能够将加速性能提高10%，燃油经济性提高10%-15%。与锁止式变矩器相比，CVT系统在不漏油的前提下效率更高。福特公司正在设计一种与公司内所有轻型载货车匹配的牵引驱动CVT，包括后轮驱动和全轮驱动载货车。牵引驱动使用沿特殊滑液的可移动滑件代替传动带和传动轮。滑动部分的相对位置决定传动比，由一层部件间非常薄的液油来传递动力。1.2无级变速器与自动变速器自动变速器是为了简便操作、降低驾驶疲劳而生的，按齿轮变速系统的控制方式，它可以分为液控液压自动变速箱和电控液压自动变速器；按传动比的变化方式又可分为有级式自动变速器和无级式自动变速器。因此，无级变速器实际上是自动变速器的一种，但它比常见的自动变速器要复杂得多，技术上也更为先进。无级变速器则是两组变速轮盘和一条传动带组成的，比传统自动变速器结构简单，体积更小。另外，它可以自由改变传动比，从而实现全程无级变速，使车速变化更为平稳，没有传统变速器换挡时那种“顿”的感觉。2. 金属带式无级变速器工作原理分析2.1金属带式无级变速器主要组成结构（1） 起步离合器（2）行星齿轮机构（无级变速器采用双行星齿轮机构，行星架上固定有内、外行星齿轮和右支架，其中右支架是通过螺栓固定在行星架上，外行星齿轮和齿圈啮合，内行星齿轮和太阳轮啮合。它们可以实现前进和倒档。）（3）无级变速机构（无级变速机构由金属传动带和主、被动工作轮组成。金属传动带由两百多个金属片和两组金属环组成，在两侧工作轮挤压力作用下传递动力。金属环的功用是提供预紧力，在动力传递过程中，支撑和引导金属片的运动，有时承担部分转矩的传递。主、被动工作轮由可动和不动锥盘两部分组成。）（4）控制系统（实现无级变速器系统传动比无级自动变化的。在无级变速器系统中，采用机液控制系统或电液控制系统。它主要由油泵（齿轮泵和滚子叶片泵）、液压调节阀（速比和带与轮间压紧力的调节）、传感器（油门和发动机转速）和主、从工作轮的液压缸及管道组成，实现传动无极调速的调节。速比控制、夹紧力控制和起步离合器的控制是无级变速控制系统的关键。）（5）中间减速机构（由于无级变速机构可提供的速比变化范围为2.60.445左右，不能完全满足整车传动比变化范围的要求，故设有中间减速机构。）2.2金属带式无极变速器工作原理2.2.1金属带式无级变速器工作原理的理论分析假设 1.摩擦片组被看做是只承受压力而且连续的传动带。若计算的压力为负值。 则认为该段的摩擦片不相接触，压力为0。 2.所有的钢带都传递动力，每根带都受拉。 3.在运转中所有的钢带以及摩擦片的组合安装长度持不变。 4.工作弧段带轮与摩擦片之间的摩摩擦力沿周向，非公作弧段，变速阶段则沿径向。 5.由各层钢带以及摩擦片组包绕的工作弧相同。 6.带轮与摩擦片组界面的润滑状态可能是边界润滑，各层钢带界面间是液体润滑，钢带与摩擦片组界面间是混合润滑。 7.带轮是刚性的性的且两带轮间无偏斜。2.2.2金属带式无级变速器工作原理金属带式无级变速器传动器由主、被动工作轮的固定和可动两部分形成V形槽，并与金属传送带啮合。当主、被动工作轮可动部分作轴向移动时，改变了传送带的回转半径，从而改变传动比。可动轮的轴向移动是根据汽车的使用要求，通过液压控制系统进行连续地调节，实现无级变速传动。CVT通过表面呈V型主动工作轮，金属带，V带的从动轮来实现动力传递。主动轮安装于输入轴之上，获得动力后带动金属带开始转动，而金属带的另一端会连接于从动轮，而从动轮与输出轴相连接，于是动力得以传递到输出轴，之后通过尾牙等部件传递至车轮。V带（主动以及从动工作带）配有液压控制装置，其作用在使得工作轮的一边作轴向移动，而金属带随着工作轮单边的轴向移动发生上下移动，从而改变工作半径，实现了改变传动比，线性变化传动比的目的。由于传动比可以发生线性变化，所以在机械结构中，并没有严格的档位的概念。无级变速使得引擎的转速保持在最佳的输出范围内，从而就提高了燃油利用率，仍然由于其线性变化的传动比，没有档位概念使得其避免了换挡顿挫感，从而提升了行驶的舒适性。但劣势在于，金属带式无级变速器的弊端在于它无法承受较大的扭力和转速，否则可能会出现打滑现象。而避免此现象通常采用更高强度的金属带，但与齿轮变速器相比，体积会比较大。3. 金属带式无级变速器评价3.1金属带式无级变速器与机械变速器的传动比 与金属带式无级变速器不同的是，机械式变速器，通过齿轮啮合配对得以获得不同传动比的档位，金属带式无级变速器没有换挡时的顿挫感，而机械式变速器的行车舒适性相对要糟糕些。实际驾驶中，不同于齿轮变速机构，其不仅档位自由，包括耗油，废气排放的平衡更容易达到，而且，整体变速机构重量轻，零件少。3.2金属带式无级变速器与机械变速器的传动效率3.2.1金属带式无级变速器传动效率曲线图：3.2.2金属带式无级变速器各项效率损失所占比例图：3.2.3金属带式无级变速器传动效率结论以及同齿轮变速器的效率对比(1) 金属带式无级变速器的功率, 在载荷不同的情况下, 主要损失的形式是不同的: 在小载荷的情况下主要损失的形式是金属带进出带轮时的功率损失; 在大载荷的情况下, 主要损失的形式是金属带与锥盘之间的摩擦损失。(2) 金属带式无级变速器在小载荷条件下, 传动效率比较低, 而且上下变动差距比较大; 在大载荷条件下, 传动效率比较高, 而且相对比较稳定, 因此,变速器应该工作在大载荷的状态中。(3) 金属带无级变速器在正常工作状态下, 其传动效率在 90% 94% 之间变化, 作为设计依据, 取值为92%为宜。总之，金属带式无级变速器的传动效率相比较于齿轮式变速器得以大大提升。3.3金属带式无级变速器的承载能力汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速能力。汽车的后备功率愈大，汽车的动力性愈好。由于CVT的无级变速特性，能够获得后备功率最大的传动比，CVT的动力性能明显优于机械变速器(MT)和自动变速器(AT)，下表为分别安装4-AT和CVT的克莱斯勒的轿车的动力性比较，结果表明安装CVT 的汽车拥有更佳的动力性能。3.4金属带式无级变速器的成本以及经济性 CVT系统结构简单，传动零部件数目(约300个)远少于AT(约500个)，一旦汽车制造商开始大规模生产，CVT的成本将比AT低，由于采用该系统可以节约燃油，随着大规模生产以及系统、材料的革新，CVT零部件(如传动带、主动轮、从动轮等)的生产成本，将降低20%30%。1996年的美国汽车市场，装备CVT轿车比装备 AT 的轿车便宜 200 多美元。3.5金属带式无级变速器汽车燃油经济性以及排放3.5.1金属带式无级变速器排放情况CVT的速比工作范围宽,能够使发动机以最佳工况工作,从而改善燃烧过程,降低废气的排放量,ZF公司将自已生产的CVT装车进行测试,其废气排放量比安装4-AT的汽车减少了大约10%。3.5.2金属带式无级变速器燃油经济性 CVT可以在相当大的范围内实现无级变速,从而获得传动系与发动机工况的最佳匹配, 提高整车的燃油经济性。4. 结语金属带式无级变速器是汽车理想的传动系统,它可提高汽车的经济性,改善汽车的动力性,便于操作,是汽车的核心技术之一。金属带式无级变速器的结构、变速原理、受力情况等已经研究成熟,但国内CVT的关键技术，电液伺服系统控制方法的研究尚处于起步阶段,国外研究得也不成熟。目前CVT控制策略的研究是CVT研究的热点,随着 CVT 控制策略研究的深入,金属带式无级变速器国产化的日子指日可待。 参考文献1 程乃士,刘温,李来平.金属带式车用无级变速器J.东北大学学报(自然科学版) , 2000, 21( 5) : 505- 508.2 刘合法,何维廉.金属带式无级变速器的效率计算J.传动技术,1997,4:44- 51.3 程乃士,刘温,郭大忠等.金属带式无级变速器传动效率的实验研究J.东北大学学报(自然科学版),2000,21(4):394-396.4 冯樱,罗永革,何晓春等.CVT无级变速器的发展综述.湖北汽车工程学院学报, 1