功率分流无级变速器的研究与应用方案的设计

1、上海交通大学硕士学位论文功率分流无级变速器的研究与应用方案的设计姓名:马春生申请学位级别:硕士专业:车辆工程指导教师:何维廉20060201上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:马春生日期: 2006年 2 月17 日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学

2、校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密,在_年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。(请在以上方框内打“”学位论文作者签名:马春生指导教师签名:何维廉日期:2006年2月17日日期:2006 年2月17 日摘要汽车变速器是为解决发动机输出转速和转矩与车辆转速和转矩之间的矛盾而设置的。车辆行驶性能的好坏,不仅取决于发动机,而且在很大程度上还依赖于变速器以及变速器与发动机的匹配。目前,无级变速器与手动变速器、自动变速器都已

3、成为汽车上的重要传动装置。本文研究的是其中一种获得广泛应用的机械式无级变速器,称为金属V带式无级变速器。金属V带式无级变速传动作为20世纪80年代末期出现的一种新型车辆传动方式,可确保发动机在最佳燃油经济线上运行,从而达到节省燃料、降低废气排放的目的;同时,加速无需切断动力,使车辆不仅乘坐舒适而且超车加速性能好,并可减轻驾驶员的驾驶疲劳,提高行车的安全性,因此一直备受人们的关注。由于结构和传动方式的限制,金属V带式无级变速器存在着承载能力较低,效率较低的问题,使其优越性不能得到充分地发挥。在采用无级变速器的装置上,通过配置行星齿轮机构及其它组件,利用功率分流的方法,使一部分功率流经效率较低的无

4、级变速器,另一部分功率流经行星齿轮机构,这两部分功率在输出端汇合,由于行星齿轮的效率系数比无级变速器的效率系数高,从而在保证具有无级变速器本身传动优点的基础上,改善整个机构的传动效率。能实现这个功能的装置称为功率分流无级变速器。为保证功率分流无级变速器能实现功率分流的功能,需要对该装置的相关部件进行具体地分析和计算,并在此基础上,探讨进一步提高该装置传动效率的可能性。本文重点对金属V带式无级变速器采用功率分流装置进行结构设计和理论分析。混合动力汽车与传统汽车相比,具有耗油量低,环保性能好等明显优点。在汽油价格居高不下和环保要求日益严厉的今天,混合动力汽车获得了极大的关注。把功率分流无级变速器应

5、用到混合动力汽车中,能够充分发挥无级变速器可以提供两个功率输入端的优点,满足各种行驶工况,并且由于传动装置的无级变速作用和功率分流作用,可以进一步提高传动的效率。在研究功率分流无级变速器的基础上,本文设计了把功率分流无级变速器应用到混合动力汽车中的传动机构简图,分析了各种行驶工况,并且提出了传动过程的控制策略。本文具体研究内容如下:1研究两种新式功率分流无级变速器装置(并联式和串联式的工作原理,分析该装置中功率的传动路线,以及该装置实现功率分流所要满足的条件。2引入第二分流的概念,设计第二分流的结构图,并对第二分流进行功率和效率方面的分析研究。3提出把功率分流无级变速器应用到混合动力汽车中的方

6、案,设计新的传动装置图,研究传动机构的工作原理,并探讨控制系统的设计思路。研究结果表明与常规无级变速器相比较,本文所分析的功率分流无级变速器具有更高的效率,承载扭矩的范围更大;把功率分流无级变速器应用到混合电动车的传动机构上,既可以满足各种工况要求,又具有无级变速器变速平滑的优点。关键词:无级变速器,功率分流,功率分流无级变速器,混合动力ABSTRACTThe transmission is used to change the rotate speed and torque of engine into the speed and drive torque of vehicle. The d

7、rive ability of vehicle is not only depend on the engine, but also depend on the transmission and the matching of the transmission with the engine.Like the manual transmission and the automatic transmission, the continuously This paper has a research on a widely used mechanical transmission, which i

8、s called V-belt CVT. As a new transmission appeared at the end of 1980, the V-belt CVT becomes more and more popular. It can make sure the engine running on the best efficient way in the fuel consumption map, then spare the fuel and lower the exhausted gas of vehicle. With the CVT, vehicle can accel

9、erate without cutting the power, so the vehicle is more comfortable and the accelerate ability is better, then lower the pressure of driver and increase the safety of driving.With the limitation of configuration and transmission, the V-belt CVT has a lower load capability and a narrow transmission r

10、atio, which limits the merit of the CVT.Power-split transmission uses planetary gear transmission (PGT in combination with variable elements, such as a CVT. The power is split and a fraction of the power flows through the CVT element to the PGT, while the remaining power circulates directly through

11、the PGT. This Power-split transmission is called CVPST. Comparing with CVT, continuously variable power split transmission (CVPST supplies a higher torque and efficiency.In order to make sure the CVPST can split the power, it is necessary to analyze the components and compute. Then try to find a way

12、 to improve the transmission efficiency.Comparing with the normal vehicles, the hybrid-electric vehicles (HEV have some merits, such as less fuel consumption, and more clear. Today, the price of gasoline is high and the exhaust standard is strict, so the HEV becomes the focus of the world. If the HE

13、V uses the CVPST as its transmission, it can improve its transmission efficiency further.This paper has a research on this transmission, proposes some new transmission configurations, the operate modes, and the control system of this kind of transmission. It is helpful for further research of other

14、people.The article includes follow contents:1 Studies the work principle of CVPST, analyses the power routine of CVPST,analyses why and how the CVPST can split the power.2Introduces a research on the second phase of power-split, proposes aconfiguration of second phase, and have a research on the pow

15、er andefficiency of this configuration.3 Proposes a new design of hybrid-electric vehicle which uses the CVPST,analyses the operate principle, plots some operate modes.The results of research show that the CVPST proposed by this article has higher efficiency than the single CVT, and can undertake bi

16、gger torque. Using the CVPST in Hybrid-Electric cars, can meet many operate requirements, and have the merits of CVT.Keyword: CVT, Power split, CVPST, Hybrid第一章绪论1.1课题的背景及意义在汽车工业的发展史中,传动技术的每一次革新都对汽车整车性能的提高起到了重要作用。无级变速传动是汽车最理想的一种传动方式,金属V带式无级变速传动作为20世纪80年代末期出现的一种新型车辆传动方式,可确保发动机在最佳燃油经济线上运行,从而达到节省燃料、降低废

17、气排放的目的;同时,加速无需切断动力,使车辆不仅乘坐舒适而且超车加速性能好,并可减轻驾驶员的驾驶疲劳,提高行车的安全性,因此获得了越来越广泛地应用。然而,由于无级变速器传动属于摩擦传动,与齿轮传动相比效率有较大差距,并且由于功率依靠金属带来传递,而金属带承载能力有限,因而,设法改变无级变速器的效率和承载能力较低的问题就引起了广泛地研究。因此,为了促进无级变速器作为车辆传动机构的进一步发展,有必要解决金属V带式无级变速器的这一缺点。本文采用对流经无级变速器的功率进行分流的方法,以达到改善无级变速器传动效率以及减轻无级变速器本身所承受载荷的目的。本文还尝试着把功率分流无级变速器应用到混合动力汽车中

18、,并进行了有关传动结构和工作原理的研究,希望能给混合动力汽车提供一个新颖的传动方案。1.2无级变速器无级变速器,英文名称是Continuously Variable Transmission,简称CVT,指能控制速比无级变化的变速器。它能提高汽车的动力性、燃料经济性,方便汽车驾驶,使汽车行驶平顺。无级变速器的种类很多,按照其结构形式可分为流体式、电动式和机械式三种。本文所研究的变速器是机械式无级变速器的一种,国内称为金属V带式无级变速器,英文名称是V-belt CVT。这种变速传动必须在充分润滑的条件下,通过高强度的摩擦在主动轮输入转速条件下,依靠改变两带轮锥盘间的轴向距离使金属带的工作半径连

19、续发生变化,从而实现从动轮转速可在一定范围内连续变化,形成可连续变化的速比。金属V带式无级变速器的基本结构如图1.1所示。 图1.1 金属V带式无级变速器传动结构Figure 1.1 Transmission structure of V-belt CVT1-发动机飞轮 2-离合器 3-主动工作轮液压控制缸 4-主动工作轮可动部分4a-主动工作轮不动部分 5-油泵 6-从动工作轮可动部分 6a-从动工作轮不动部分7-从动轮液压控制缸8-中间减速器 9-主减速器与差速器 10-从动轮液压控制缸传动器的主动带轮、从动带轮均由可动部分和不可动部分组成,带轮的可动部分和不可动部分形成的V型槽与V型金属

20、带啮合。当带轮可动部分受到驱动力的作用靠近不可动部分时,V型槽较窄,钢带位于钢带外缘,带轮的工作直径最大;当带轮可动部分受到驱动力的作用远离不可动部分时,V型槽越来越宽,钢带逐渐靠近带轮中心,工作半径变小,带轮的轴向滑移采用液压控制。在工作中,通过控制主、从工作带轮的可动部分的轴向移动,改变了金属传动带的工作半径,从而改变了传动比。无级变速器可以使发动机始终控制在其经济转速区域内运行,从而可大大改善燃油经济性,并且在加速时无须切断动力,变速平滑,从而改善了乘坐舒适性。但由于无级变速器传动属于摩擦传动,与齿轮传动相比效率有较大差距,因而,设法改变无级变速器的效率问题就引起了广泛的研究。一种方案是

21、从无级变速器本身的结构着手进行零部件优化和造型调整,另一种就是本文研究的方法:通过使用行星齿轮机构及其它组件,利用功率分流的方法,保证只有部分功率流经效率较低的无级变速器,从而在保证无级变速器性能的基础上,改善整个机构的传动效率。1.3功率分流无级变速器功率分流无级变速器,英文名称是Continuously Variable Power-SplitTransmission,简称CVPST,是指在采用无级变速器的装置上,通过配置行星齿轮机构及其它组件,利用功率分流的方法,使一部分功率流经效率较低的无级变速器,另一部分功率流经行星齿轮机构,这两部分功率在输出端汇合,由于行星齿轮的效率系数比无级变速

22、器的传动系数高,从而在保证无级变速器本身传动优点的基础上,改善整个机构的传动效率。 图1.2 并联CVPST装置简图Figure 1.2 Schematic of a parallel CVPST system 图1.3 串联CVPST装置简图Figure 1.3 Schematic of a series CVPST system无级变速器应用功率分流,可以提高传递效率,扩展变速比范围,减少无级变速器钢带负荷,从而延长无级变速器寿命,提高汽车传动机构的可靠性。1.4功率分流无级变速器的研究状况对无级变速器的研究在一百多年前就已经进行,而对功率分流无级变速器的研究则出现的比较晚。在研究无级变速

23、器的基础上,Lemmens于1972年提出了一种结合行星齿轮机构和金属V带式无级变速器的传动结构。输入轴驱动V带无级变速器和链传动机构,后者把转矩传动到行星架,而无级变速器把功率传递到太阳轮上;输出轴与齿圈相连。此种机构使大部分功率通过行星齿轮结构传递,而无级变速器用来控制太阳轮的速度并因此得到一个变化的功率范围。Lemmens于1974年改进了他的发明,用来满足只需要空挡,前进档,倒档三个档位要求的自动无级变速器。这种装置产生了封闭功率循环,因而并不是真正的功率分流系统。另一位研究人员Takayama于1989年提出了一种功率分流传动机构。传动机构由V带无级变速器和两通路的差分离合器组成。大

24、部分功率传递到钢带,剩余功率通过两通路差分离合器传递。当无级变速器达到最大传动比时,由于输出轴通过钢带得到的功率有部分还来自于差分离合器,两通路差分离合器的输出速度低于输出齿轮速度。这种机构可以增加功率和加速能力并且同时减少钢带所承受的负荷。1992年,Cowan提出了结合行星齿轮机构的变速传动机构。在此装置中太阳轮和初级变速器安装在输入轴上,而行星架与输出轴结合。变速器把一些输入功率传递到反向齿轮轴上,而反向齿轮与调节轮结合,最终功率传递到齿圈。当调节轮和反向轴结合的时候输入功率一分为二,一部分功率流经变速器,另一部分直接传递到太阳轮。通过分流输入功率,导致通过无级变速器的功率降低,从而提高

25、系统效率。Mucino对功率分流无级变速器做了深入的研究,并得到重要的研究成果。Mucino不仅提出了一个新型的无级变速器设计装置,还做了力学分析和运动学分析,给出了设计功率分流无级变速器需要注意的问题和解决方案,并且开发了一个功率分流无级变速器装置的仿真程序,为深入研究功率分流现象准备了很好的工具。另外,G.Mantriota对无级变速器的功率分流现象也有独特的见解和研究。G.Mantriota提出了一个新颖的功率分流无级变速器装置,并通过对功率流的研究发现在此装置中必须确定的情况,以便获得一个没有封闭循环的功率流;其次,在此基础上提出了具有两个分流的功率分流无级变速传动装置并给出了相关分析

26、。国外对混合动力汽车研究广泛。丰田的prius和本田的civic混和动力汽车已经投入商用,其余各大厂商也加大了对混和动力汽车的研究力度。然而,对混合动力汽车应用功率分流无级变速器的研究较少,只有一些论文谈及此方面的问题和做了一些初步研究。值得注意的是这些研究成果仅限于理论阶段,尚未应用到实车阶段。国内对无级变速器的研究开展的较晚,但随着环保要求的提高和国际无级变速器研究的兴起,国内的各大院校纷纷集中人力财力开始进行这方面的研究。重庆大学国家传动重点实验室在无级变速器这方面的研究成果比较多,对无级变速器的结构和传动情况做了多方面的研究,上海交通大学汽车底盘所也对无级变速器的液压控制和受力情况做过

27、一些研究。国内对功率分流无级变速器的研究比较少。1.5本课题研究的内容和意义本论文重点对金属V带式无级变速器使用功率分流装置进行结构设计和理论分析,并提出了把功率分流无级变速器装置应用到混合动力汽车中的设计思路。具体研究内容如下:1研究两种新式功率分流无级变速器装置(并联式和串联式的工作原理,分析了该装置中功率的传动路线,以及该装置实现功率分流所要满足的条件。2引入第二分流的概念,设计第二分流的结构图,并对第二分流进行功率和效率方面的分析研究。3提出把功率分流无级变速器应用到混合动力汽车中的方案,设计新的传动装置图,研究传动机构的工作原理,并探讨控制系统的设计思路。解决无级变速器的效率和承载能

28、力较低的问题,将会促进无级变速器进一步的发展和应用。由于功率分流无级变速器与常规无级变速器相比可以提高传动效率,增大传动扭矩,更好地满足车辆行驶要求,所以在车辆上有着良好的应用前景;本文提出了在混合动力汽车中使用功率分流无级变速器的设计方法,也昭示了一个环保型汽车的应用前景。上海交通大学硕士学位论文 第二章 并联功率分流无级变速器的研究第二章 并联功率分流无级变速器的研究2.1 机构传动分析功率分流无级变速器(CVPST 装置由三部分组成:一个行星齿轮机构(PG ,一个无级变速器(CVT 和一个定速比机构(FR 。图2.1就是一个并联CVPST装置的装置简图。图中无级变速器主动轮轴和定速比机构

29、输入轴连接,无级变速器的被动轮轴直接与太阳轮连接,定速比机构与行星齿轮机构的行星架连接,这种机构形式称为并联功率分流无级变速器。 图2.1 并联CVPST 装置简图Figure 2.1 Schematic of a parallel CVPST system如图2.1 所示各个部件传动比关系如下,1=2=3,CVT = 24,FR =35,PG =5456 (2-1 其中,i 表示i 部件的角速度,FR 表示定速比机构的传动比,PG 表示此中工作状况下行星齿轮机构的传动比。功率分流无级变速器的总传动比计算为:PS =16=FR +PG (CVT -FR (2-2 如果对于一个确定的无级变速器(

30、CVT ,即已知最小传动比min CVT 和最大传动比max CVT ,要求功率分流无级变速器(CVPST 装置传动比在一个范围内,即有一个最小值(min PS 和一个最大值(max PS ,那么就可以明确计算出行星上海交通大学硕士学位论文 第二章 并联功率分流无级变速器的研究齿轮机构和定速比机构的传动比。如果PS 和CVT 之间成正比例关系,由式(2-2,则有下式成立:max PS =FR +PG (max CVT -FR (2-3min PS =FR +PG (min CVT -FR (2-4那么可由式(2-3,(2-4确定出所需行星齿轮机构和定速比机构的传动比:PG =min max m

31、in max CVT CVT PS PS (2-5 FR =PG CVT PG PS 1max max (2-6在不同的条件下, 图2.1所示装置可能产生三种形式的功率流,如图2.2所示: 图2.2 CVPST 装置中的功率流Figure 2.2 Power flows in the CVPST system可以看出在此CVPST 装置中,当无级变速器传动比CVT 和总传动比分别成反比和正比时,可能产生I 型和II 型功率流,这两种类型的功率流使功率在机构内部产生循环,浪费功率。III 型功率流是我们希望看到的,它保证只有一部分功率流过效率较低的无级变速器,从而有利于整体机构效率的提高。下面研

32、究的是并联CVPST 机构在产生III 型功率流时功率流的情况。假定CVPST 的效率为1,通过各传动路线求得功率流的计算关系。根据功率守恒定理,行星齿轮机构内的功率流满足方程式:44T +55T =66T (2-7其中,i T 表示第i 路线的扭矩。方程式两边同时除以15W T 得到下式:54T T 14 +15 =56T T 16 (2-8 结合式(2-1和式(2-2,式(2-4可表示成:54T T CVT +FR =56T T PS (2-9上海交通大学硕士学位论文 第二章 并联功率分流无级变速器的研究从式(2-7可以看出为了在III 型功率流下使PS 与CVT 成正比关系,也即表明为了

33、得到III 型功率流,PS 必须与CVT 同时也与4成正比关系。在实际传动中,效率不等于100%的情况下,同样可以得出以上结论。由III 型功率流图可以明显看出有下式成立:T 550,T 660 (2-10 即6655T T 0 (2-11 因为在行星齿轮机构中满足65T T =PG -1, 65=11/(PG PS CVT PG (2-12 式(2-12结合式(2-2,(2-3,(2-4和(2-10,可以得到III 型功率流是发生在min maxPS PS min max CVT CVT =CVT (2-13其中CVT 表示无级变速器速比范围。可以看出如果功率分流无级变速器的传动比范围小于无

34、级变速器,那么只出现III 型功率流。对III 型功率流进行进一步研究。假定此时功率分流无级变速器的效率等于1,则很容易得到,并联CVPST 的输出功率(PS P 和流经CVT 的功率(CVT P 之间的关系。由以上分析知:CVT P = 44T , PS P = 66T (2-14结合式(2-1,(2-7,(2-12得PS P =CVT P 1/(max min CVT PS PS CVT PS PS (2-15 由公式(2-11可以看出,只有当功率分流无级变速器(CVPST 的传动比范围小于无级变速器(CVT 的传动比范围时才可能获得III 型功率流的优点,而CVPST 传动比范围比CVT

35、 较大时将产生II 型功率流, 效率比CV T 低。为了进一步探讨功率分流的效果,下面研究具有两个分流的功率分流无级变速传动装置。2.2具有两个分流的功率分流无级变速传动装置这种具有两个分流的功率分流无级变速传动装置,由一个CVPST 采用两个离合器(C A ,C B 与轴A 或轴B 连接来构成。如图2.3所示:采用一个并联CVPST 在第一分流与轴A 相连(结合离合器C A 并脱开C B ,则在第一分流时1PS 最大值小于max CVT ,可以保证CVT 和PS 间成正比且满足式(2-11,由此保证产生III 型功率流,装置总传动比由式(2-2确定。 图2.3 具有两个分流的CVPST 装置

36、简图 Figure 2.3 Schematic of a CVPST system with two phases为方便对具有两个分流的CVPST 装置和常规无级变速器进行效率分析和比较,本文分析一个和无级变速器具有相同速比范围的功率分流无级变速器(CVPST ,并且满足下式:min CVT =min PS ,max CVT =max PS 则由上面对并联CVPST 传动机构的分析可知,行星齿轮机构和定速比机构传动系数由下式确定:PG =minmax minmax1CVT CVT PS PS (2-16FR =PGCVT PG PS1maxmax1(2-17 图2.4 第一分流:并联CVPST

37、 装置的III 型功率流Figure 2.4 First phase: type III power flow in the parallel CVPST system如果取定min CVT =min PS =min 1PS ,则FR 将等于min CVT 而与min 1PS 值无关(由式(2-15可看出。此外,当CVT =min CVT 时,4=5=6,此时,行星齿轮机构成为一个整体机构运转。另外,由式(2-2可以看出,随着无级变速器传动比(CVT 的增加同时也增大了总传动比PS 。当无级变速器达到最大的传动比max CVT 时,PS 增大到max1PS。假定轴B 有一角速度等于1max C

38、VT ,则在该线路上无级变速器的轴A和轴B 转速相同,称此时为同步分流状态。轴B 的这个角速度可由设置传动比恰好等于max CVT 的定速比机构(FR *来实现,定速比机构安装于CVT 系统的分流路线上,如图2.3所示。功率分流无级变速器,在第二分流,采取结合离合器C B 并且分离离合器C A的方法(图2.6,使该CVPST 与轴B 相连并组成一个串联的结构。 图2.5 同步分流Figure 2.5 Phase of synchronism 图2.6 第二分流:串联CVPST 装置的III 型功率流Figure 2.6 Second phase: type III power flow in

39、the series CVPST system采取变速器部件保持不变(CVT ,FR ,PG ,则在第二功率分流内功率分流无级变速器的总传动比2PS 为:2PS = max CVT PG +(1-PG CVTFR (2-18 代入公式(2-14和(2-15 得到:2PS =CVTCVT CVT CVT CVT CVT CVT CVT PS(min max max min min max1+max CVT (2-19观察上式第二分流的结果,可以看到当CVT 由最大值变到最小值时,2PS 继续增大直至达到max CVT 。进一步研究可发现,由公式(2-19,对于任何max 1PS 值,当CVT =

40、min CVT 时,可求得:2PS =max CVT ,亦即表示在第二分流,总速比由max1PS变化到max CVT 。可以看出,图2.6所示第二分流是III 型功率流,忽略损失,则有式:0654=+P P P (2-200654=+T T T (2-21 由此得到:45P P =CVTPG FRPG 1( (2-22 如果用式(2-16和(2-17代入式(2-22,则得:45P P =(min max max max min 11CVT PS CVT PS CVT CVT 0 (2-23 此装置同时必须满足式(2-11,通过采用功率分流装置,用轴A 与第一分流相连,可以得到与CVT 部件速比

41、相同得传动比并具有III 型功率流。下面给出一个具体的装置以便于深入研究装置效率。2.3实例分析假定采用min CVT =0.5,max CVT =2的无级变速器,则PS 对max 1PS 三个不同值间的关系特性见图2.7。PG 和FR 的值由公式(2-16,(2-17可以算出。max1PS =0.8时,PG =0.2,FR =0.5,1PS =0.4+0.2CVT ,2PS =0.4+CVT8.0max1PS =1.2时,PG =7/15,FR =0.5,1PS =154+157CVT ,2PS =1514+CVT158 max1PS=1.6时,PG =2/15,FR =11/13,1PS

42、=152+1511CVT ,2PS =1522+CVT154用MATLAB 软件绘制曲线如图2.7。 图2.7 不同的max1PS值下CVPST 的传动比对CVT 的关系图Figure 2.7 CVPST transmission ratio VS. CVT , at different max1PSvalues第一分流的特点在于PS 随CVT 的增大而升高到max 1PS ;在第二分流,PS 随着CVT 的减少而升高到最大值max CVT 。这样的结论对提高变速器可以传递的功率范围和效率是很有好处的。这两个功率流没有考虑功率损耗, 由公式(2-15可以求得输出功率(PS P 和流过CV T

43、的功率(CVT p 之间的关系,并表示于图2.8中。图示曲线显示输出功率大于流经CVT 的功率,采用合适的max 1PS ,可以获得增大的CVTPSP P 值。在第一分流有:CVTPS P P 1=1/(maxmin 1CVT PSPS CVT PSPS则max 1PS =0.8时,CVTPS P P 1 =4.0PS PS , 其中(8.05.0PS max1PS =1.2时,CVT PS P P 1 =3/8.0PS PS1PS=1.6时,CVT PS P P 1 =3在第二分流有:CVTPS P P 2=(FRPG CVTPG +11则max 1PS =0.8时,CVTPS P P 2

44、=21CVT+=4.0PS PS , 其中(28.0PS max1PS =1.2时,CVT PS P P 2 =471CVT+=15/14PS PS , 其中(22.1PS max1PS=1.6时,CVTPS P P 2=2111CVT+=15/22PS PS , 其中(26.1PS 用MATLAB 绘图如下图2.8。图 2.8中,较密的虚线表示max 1PS =0.8时的函数关系,稀疏的虚线表示max1PS=1.2时的函数关系,实线表示max 1PS =1.6时的函数关系。由图中曲线可以看出,随着max 1PS 的增大,CVTPS P P 1的值较小的范围就增大,即表示分流作用不明显;亦即表

45、明在前一节所述的并联CVPST 中,存在着随着max PS 的增大,CVT PS P P 1值较小的范围就增大,分流作用不明显,这意味着存在扩大传动比范围的同时却降低总体效率的问题;并且在前一节所述的并联CVPST 中又不存在图中CVTPS P P 2这一段曲线,所以总体效率得不到提高。而采用具有两个分流的功率分流无级变速传动装置,则可以通过选择合适的max 1PS ,来提高指定传动阶段的效率。 图2.8 不同的max 1PS值下CVT PS P P 作为PS 的函数 Figure 2.8 CVTPS P P VS. PS , at different max 1PS values 2.4具有

46、两个功率分流的无级变速器装置的效率根据功率方程式,在第一分流内,在稳定状态和采取PG 时可以计算出PG传动的效率(图2.5为 PG (54P P +6P =0 (2-24即PG (44T +55T +66T =0 (2-25作用于PG 传动轴上的转矩的平衡方程为0654=+T T T (2-26 计算得:54T T =6456PG PG =PSCVT PG FR PG PS (2-27 54P P =/1(/1/(1CVT FR PG CVT FR PG PG FR CVT PG + (2-28 其它的功率关系为(图2.6:CVT P P 42=, FR P P 53=, 0321=+P P

47、P (2-29其中FR 和CVT 分别表示定速比机构FR 和无级变速器CVT 的效率。综合上面各式计算出并联CVPST 具有III 型功率流时第一分流内的效率为:1PS = -16P P = 3254(P P P P PG += FRCVT PG P P P P /1(1/(5/454+ (2-30 类似的,在第二分流成为串联连接,仍为III 型功率流,求得:54P P =max/(/(22CVT PS PG PG FR CVT nax CVT PS (2-31 2PS = -16P P =*FR 5454/(11/(P P P P FR CVT PG + (2-32 其中*FR 表示CVPS

48、T 上的FR *机构的效率。则第一分流和第二分流的效率可以看作是PS 的函数。有许多文献介绍了关于金属V 带式CVT 的效率的实验研究,本文采用参考资料(1所提供的CVT 试验数据,如图2.9。 图2.9 无级变速器效率作为PS 的函数Figure 2.9 Efficiency of CVT as a function of PS 图2.10行星齿轮传动的效率作为CVT 的函数Figure 2.10 Efficiency of the planetary gear train as a function of CVT 定速比机构FR 和FR *的效率为常数FR =*FR =0.98,行星齿轮机

49、构的效率PG 可依照参考资料(2提供的关系图,如图2.10。为了评价所提出的变速器的性能,对此功率分流无级变速器(CVPST 和常规CVT 之间的效率进行比较。假定该CVT 采用min CVT =0.5,max CVT =2,PG 和FR 值有式(2-16和(2-17确定。图2.11 a 表示对于max 1PS =0.8时功率分流无级变速器效率作为总传动比PS 函数的关系,图2.11 b 表示对于max 1PS =1.2时CVPST 效率作为总传动比PS函数的关系,图2.11 c 表示对于max 1PS =1.6时CVPST 效率作为总传动比PS 函数的关系。由图可以看到首先对较低的第一分流阶

50、段, max 1PS =0.8时CVPST 的效率高出CVT 最多,如图a 中, 平均增大近0. 08,效率随PS 的增大而减少, 确切地说与比值CVT PS P P /的降低有关。流过本身效率较低的CVT 的那部分功率增大, 因而功率流的总效率降低。在第二分流中, max 1PS =1.6时CVPST 的效率高出CVT 的效率最多,如图c 中。 图2.11 CVT 和CVPST 装置的效率作为PS 的函数Figure 2.11 Efficiency of CVT and CVPST as a function of PS 从图2.11可以看出,第一分流到第二分流的效率是不连续的,这种现象是由

51、于输出功率和流经CVT 的功率之间的比值不连续造成的。max 1PS =0.8时,参看图2.8,比值CVT PS P P /间断不明显,而图2.11a中效率的间断有约2%,这是由于装在CVPST 上的定速比机构FR *只在第二功率分流中起作用且产生功率损失造成的。第一分流到第二分流的效率不连续,造成在CVT中转矩不连续。2.5结论本节阐述一种新型的CVPST,具有两个功率分流,并可保证功率流没有封闭再循环。为了确定获得一个III 型功率流从而保证输出功率大于流经CVT 的功率, 而进行了运动学研究。已经阐述的两个功率流, 其中各个分流的速比范围都小于CVT , 在变速器的第一分流连接中, 产生

52、一种具有并联式连接的CVPST;采用离合器的帮助,在第二分流, 产生一种具有串联连接的CVPST。所提出的解决方法可使CVPST输出功率大于流经CVT 的功率。通过适当的设计, 对于较高范围和较低范围的总传动比值, 它可以获得CVPST 装置输出功率和流经CVT 的功率之间较高的比值。获得的结果表明, 通过本文推荐的CVPST装置,它与采用常规CVT 相比较, 可显著改善效率;并且由于流经无级变速器的功率只是总传动功率的一部分,因而降低了无级变速器所承受的载荷,延长了工作寿命。2.6实验研究为了验证理论研究的准确性,可以建造一个特殊的实验台架,如图2.12,以供进一步研究。如图2.12所示,采

53、用转矩-转速仪测量功率分流无级变速器装置(CVPST各路的转矩和角速度,转矩-转速仪TT1位于输入端,TT3位于输出端,TT2位于行星齿轮传动机构和无级变速器之间。为了得到不同的输入转速,试验台由一台交流电机驱动。制动系统采用一带风机的盘式制动器。在输出端装置一个压力调节阀,压力调节阀可同时改变装置的输出转矩和制动器的输入压力。采用放大器和计算机来取得、储存和处理转矩-转速仪测得的数据。由于试验器材的缺乏,作者并未实际测量和验证实际结果和本文理论结果的差异,仅提供试验台架图以供参考。 图2.12 试验台架简图Figure 2.12 Diagram of the test rig2.7本章小节1

54、提出了并联式功率分流无级变速传动装置结构图,通过分析功率分流无级变速器的工作原理和装置中功率的传动路线,从而确定装置实现功率分流所要满足的条件。2重点研究了无级变速器功率分流过程中出现的第二分流,通过对装置可以实现功率分流所要满足的条件的分析,表明了装置需要第二分流的必要性。3绘制了第二分流的装置简图,通过分析装置中功率的传动路线,得出了第二分流可以提高装置效率的结论。4给出了试验台架布置图,分析了试验需要收集的数据和进一步研究的方法。第三章 串联功率分流无级变速器的研究3.1机构传动分析图3.1所示的是一个串联功率分流无级变速器(CVPST 装置的简图。图中无级变速器主动轮轴直接与太阳轮相连

55、,无级变速器的被动轮轴和定速比机构输入轴连接,定速比机构与行星齿轮机构的行星架连接,这种机构形式称为串联功率分流无级变速器。 图3.1 串联CVPST 装置简图Figure 3.1 Schematic of a series CVPST system对串联CVPST 装置进行分析:CVT =24 ,FR =45 ,PG =5356 ,1=2=3 (3-1 i 表示i 部件的角速度,FR 表示定速比机构的传动比,PG 表示此中工作状况下行星齿轮机构的传动比。串联功率分流无级变速器(CVPST 的总传动比PS 为PS =16=PG +CVT FR (1-PG (3-2 对于一个确定的CVT (已知min CVT 和max CVT ,要求串联CVPST 结构传动比在一个范围内,即有一个最小值(min PS 和一个最大值(max PS ,那么就可以明确计算出行星齿轮机构和