（光學(xué)工程專業(yè)論文）機(jī)械式無級變速傳動匹配理論及在轎車上的應(yīng)用研究.pdf

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 abs tract t h e m e t a l p u s h in g v - b e l t t y p e c o n t in u o u s ly v a r i a b le t r ans m i s s io n ( c v t ) i s a n e w - s t y le tr ans m i s s i o n s y s t e m w it h s i m p l e and c o m p a c t s t r u c t u r e . many s c i e n t i s t s al l o f t h e w o r l d h a v e b e e n a t tr a c t e d t o re s e a r c h o n t h i s t y p e o f tr a n s m i s s i o n b e c a u s e o f it s h ig h a c c e l e r a t i o n p e r f o r m anc e and e c o n o m i c f u e l c o n s u m p t i o n f o r v e h i c l e s . t h i s a d v anc e d t e c h n o l o g y s h o u ld b e d e v e lo p e d s o as t o a c h i e v e o u r n a t i o n s in d u s t r i al iz a t i o n e a r ly an d t o c a t c h u p t h e w o r l d l e v e l o f v e h i c l e m anu f a c t u re c a p a b i l it y . t h e m a j o r p u r p o s e o f t h i s s t u d y i s d e v e lo p i n g v e h i c le s w i th c v t t r a n s m i s s i o n , t h e m a j o r c o n t e n t o f t h i s s t u d y i s i n c lu d i n g m e c h a n i s m o f m e t al v - b e lt c v t , t h e c o n tr o l s t r a t e g y s t u d y o f e n g i n e - c v t c al i b r a ti o n , th e r a t i o v a r i e t y c h a r a c t e r i s ti c s o f c v t , t h e m o d e l i n g an d s i m u l a ti o n s o f c v t and e x p e r i m e n t re s e a r c h e s e t .al . t h e m a j o r w o r k s and t a s k s o f t h i s s t u d y a re d e s c r i b e d as f o ll o w s : c l as s i fi e d t h e t y p e s o f c v t , e m p h as iz e d t o in tr o d u c e t h e d e v e l o p m e n t a p p l i c a ti o n s t a t u s o f c v t , s u m m a r i z e d o f t h e p r e s e n t re s e a r c h s t a tu s o f m e t al v - b e l t c v t t r a n s m i s s i o n， i n d i c a t e d t h a t t h e m e t a l v - b e l t c v t tr a n s m i s s i o n i s t h e tr e n d o f v e h i c l e d e v e l o p m e n t : b as e d o n t h e anal y s i s o f c v t s g e o m e t r i c r e l a ti o n s h ip , s y s t e m a ti c a ll y and d e e p ly re s e a r c h e d t h e p r i n c ip le s o f t h e m e t al v - b e l t tr ans m i s s io n u n d e r t h e d i ff e r e n t c o n d iti o n s w it h d iff e r e n t t o r q u e and r a t i o . e s t a b li s h an e n g in e n u m e r i c al m o d e l , a c c o r d in g t o t h e e n g in e s o p e r a ti o n c h a r a c t e r i s ti c s 廠t h e c h a r a c t e r i s t i c s m a p o f e n g in e i s p l o tt e d , s t u d i e d t h e b e s t c o n tr o l c u r v e o f p o w e r and f u e l c o n s u m p t i o n . d i s c u s s e d and c al c u la t e d t h e p e r f o r m anc e o f t h e c a r n a m e d l i n g y ang , w h i c h m a d e b y c h an g an - s u z u k i c o m p an y , an d c o m p a r e d t h e p e r f o r m an c e o f p o w e r an d f u e l c o n s u m p t i o n b e t w e e n t h e i n i t i al c a r ( f ix e d 5 - s p e e d m anu al t r a n s 而s s i o n ) and t h e c v t c a r b as e d o n t h e e x p e r im e n t and anal y s i s , e s t a b l i s h t h e p r a c ti c e c al c u l a t i o n f o r m u la w h i c h c an o b t a in t h e r a ti o c h ang i n g s p e e d . c l a r i fi e d t h e p r o c e s s t o c al c u l a t e t h e r a t i o c h an g in g s p e e d . t h e b o n d g r a p h m a t h e m a ti c s m o d e l o f v e h i c l e m e t al v - b e l t c v t s y s t e m w as e s ta b li s h e d . c a r r i e d o u t s t a t e s p a c e e q u a t i o n o f v e h i c l e w i t h m e t al v - b e lt c v t t r a n s m i s s io n s y s t e m . a p p l i e d th e s y s t e m e q u a ti o n a b o v e , s i m u l a t e d t h e v e h i c l e fi x e d m e t al v - b e l t c v t t r a n s m i s s i o n , fi n i s h e d t h e anal y s i s o f t h e d y n a m i c a d j u s t m e n t p r o c e s s w h e n t h e v e h i c l e s a c c e l e r a ti o n 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 a n d r e s i s t a n c e f o r c e v a r i e s im m e d i a t e l y , t h e r e s u lt o f s i m u l a t io n i s v e ry g o o d , it p e r f e c t ly r e fl e c t e d t h e d y n a m i c p e r f o r m a n c e o f c v t . t h r o u g h a n a ly z i n g s e v e r a l f u z z y c o n t r o l l e r s , d e s i g n e d p r a c t i c a l s e l f - a d j u s t e d f u z z y c o n t r o l l e r . a p p l i e d th e f u z z y c o n t r o l l e r t o t h e re a l l y j i t c o n t ro l l in g , t h e f u z z y c o n t r o l le r c o u ld c o n t r o l t h e e n g i n e r u n a l o n g t h e t a r g e t c o n t r o l c u r v e , t h i s k i n d o f c o n t r o ll in g m e t h o d o b v i o u s ly h a v e a d v a n t a g e t h a n t h e p i d .t h e s t u d y l a y s a f o u n d a t i o n f o r a n a l y s i s a n d d e s i g n m e t h o d f o r d e v e l o p i n g c v t s v e h i c l e . i t h a s h i g h v a l u e o f p r a c t i c a l e n g me e n n g . k e y w o r d s : 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 , d y n a m i c mo d e l i n g , s i m u l a t i o n 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論 1 緒論 無級自 動變 速傳動 ( c o n t i n u o u s ly v a r i a b l e t r a n s m i s s i o n , 縮寫c v t ) , 是實現(xiàn)汽車連續(xù)自 動變速的新型裝置，其任務(wù)是通過變換其傳動比，從而 調(diào)節(jié)或變換發(fā)動機(jī)特性， 將動力有效而可 靠地傳遞到驅(qū)動車輪上，以 適應(yīng) 使用上對汽車性能的要求。由于其傳動比 變換是自 動而連續(xù)的，無級自 動 變速傳動是汽車的理想傳動。自 汽車誕生以來一直是人們追求的目 標(biāo)，將 無級自 動變速傳動在汽車中實現(xiàn)商品化生產(chǎn)是每一代汽車設(shè)計者和制造者 的理想。 當(dāng) 前， c v t技術(shù)在國 外得到了 較大的 發(fā) 展和應(yīng)用， 世界各國 主要汽 車廠都在大力開發(fā)裝有 c v t系統(tǒng)的汽車產(chǎn)品。對正處于飛速發(fā)展的我國 汽車工業(yè)和即 將面臨加入wt o的 挑戰(zhàn)， 如何增強(qiáng)產(chǎn)品市場競爭能力， 開 發(fā)適合我國國情的汽車無疑是非常必要和重要的。因此，開展金屬帶式無 級變速傳動的基本理論和關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，對我國的汽車工業(yè)發(fā)展具 有重大的現(xiàn)實意義。 1 . 1車用無級變速傳動系統(tǒng)的優(yōu)越性 無級自 動變速傳動具有常規(guī)變速傳動無法比 擬的優(yōu)點，它可以顯著提 高 汽車的經(jīng)濟(jì)性，改善汽車的動力性，降低發(fā)動機(jī)排放污染， 減少汽車行 駛沖擊， 使汽車行駛平順，簡化駕駛操作， 減輕駕駛疲勞， 提高 行駛安全 性。在計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，結(jié)合電子控制技術(shù)，將發(fā)動機(jī)和無級 變速器結(jié)合在一起實現(xiàn)汽車動力傳動系的綜合控制可以 使無級變速器的優(yōu) 越性更為顯著。 1 .2無級變速傳動裝置的種類與發(fā)展現(xiàn)狀 1 .2 . 1無級變速傳動的分類 無級變速傳動系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)形式可分為電 力式、液力式和機(jī)械式三 力式無級變速傳動因自 重大、成本高、能耗大、故常用在重型礦用 車上. 液力式無級奪諫傳動有靜壓傳動和動液傳動兩種。 靜壓傳動效率低、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 造價高， 所以 一 直未在汽車 上 應(yīng)用。 而動液傳動 ( 液力變矩器) 所能傳遞的轉(zhuǎn)矩變化范圍較小、效率低，所以它常要與有級式機(jī)械變速傳 動組合，構(gòu)成能自 動換擋的液力機(jī)械自 動變速器。目 前， 它在車輛中獲得 較多的應(yīng)用。 但是， 它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 造價高、 傳動效糾氏 等缺點仍然困 擾 著汽車界。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 機(jī)械式無級變速傳動具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、操縱方便、造價低等優(yōu)點， 目 前在汽車上獲得應(yīng)用的機(jī)械式無級變速傳動分兩大類:靠剛性轉(zhuǎn)動體接 觸的摩擦力傳遞動力的“ 牽引 傳動式， 門 r a c t i o n d r iv e ) : 靠撓性的帶或鏈 與帶輪的 摩擦力傳遞動力的“ 帶傳動式”( b e lt d r iv e ) 。 在帶傳動式的 無 級變速傳動中，由 于結(jié)構(gòu)因素使金屬帶式無級變速傳動在傳動比范圍、傳 動帶壽命、工作可靠性、傳動效率及運轉(zhuǎn)噪音等方面均優(yōu)于金屬鏈?zhǔn)綗o級 變速傳動。 研究表明 ，在機(jī)械式無級變速傳動中， 金屬帶式無級變速傳 動無論在轉(zhuǎn)矩傳遞能力，還是在傳遞效率方面均優(yōu)于其它類型的機(jī)械式無 級變速傳動。因此，金屬帶式無級變速是國內(nèi) 外汽車傳動研究和推廣的重 點。 1 .2 .2金屬帶式無級變速裝置的發(fā)展現(xiàn)狀 汽車無級自 動變速傳動首先獲得成功地應(yīng)用是 v型橡膠帶式無級自 動變速傳動。它最早出 現(xiàn)在 1 8 8 6年由 德國d a i m l a r - b e n z公司生產(chǎn)的汽油 機(jī)汽車上。 荷蘭達(dá)夫 ( d a f ) 公司h .v a n d o o m e 博士于1 9 5 8 年研制成功了 雙v型橡膠帶式無級自 動變速器，并裝備于d a f公司的小型轎車上。由 于 橡膠帶式無級自 動變速傳動傳遞功率容量有限，效率低。因此， h .v a n d o o m e博士自 六十年代開始研究能傳遞功率容量大，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊 的無級自 動變速傳動，并成功研究了金屬帶式無級自 動變速器( m e t a l p u sh in g v -b e lt t y p e c o n 勿 u o 吵鯉創(chuàng) e 衛(wèi) ra n s m is s io_ ., -r w do o me s i r a n s r ms s i e廿. v m a t , 1fi i t v llt公 司 。 一 l 1 9 7 2 年建立v a n 稱這種金屬帶式無 級自 動變速器為 v d t - c v t 。由于當(dāng)時低估了金屬帶大量生產(chǎn)過程的復(fù)雜 性， v d t - c v t商品 化 直到 1 9 8 7年左右才實現(xiàn)。 當(dāng) 時有三個較大的 汽車 廠接受了v d t - c v t 技術(shù)。 1 9 8 7 年，日 本富 士重 工首次 將裝備v d t - c v t 轎車j u s ty 投放市場， 受到用戶好評。同年，歐洲的f o r d和f i a t 公司也將裝備v d t - c v t的汽 車投放市場。到 1 9 %年， 裝各v d t - c v t的轎車己 達(dá) 1 2 0多萬輛，轎車 發(fā)動機(jī)排量多在0 .6 3 .3 升，甚至成功地應(yīng)用于f - 1 賽車上。 九十年代，在總結(jié)八十年代產(chǎn)品開發(fā)和使用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，v d t公 司 研制成功了 傳 遞轉(zhuǎn) 矩容量 大， 性能更佳的第二 代v d t - c v t 傳動器。 試 驗結(jié)果表明，裝備有v d t - c v t的汽車的性 1 . 3金屬帶式c v t的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 1 .3 .1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理 v d t - c v t主要由 起步離 合器、無級變速機(jī)構(gòu)、 控制系統(tǒng)、中間 減速 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 機(jī)構(gòu)構(gòu)成。如圖1 . 1 所示。發(fā) 動機(jī)( 1 ) 輸出的 動 力 經(jīng)離合 器( 2 ) 傳到無級變速傳動裝置的主動 工作帶輪( 4 , 4 a ) ， 通過v型 金屬傳動帶( 1 0 ) 將動力傳遞到 從動工作帶輪( 7 , 7 a ) ,最后 動力經(jīng)中間減速器( 8 ) ，主減 速器與差速器( 9 ) 傳遞到車 輪。在變速器中，帶傳動裝置 是其核心部分。傳動器的主動 工作帶輪由活動部分( 4 ) 和不 可動部分( 4 a ) 構(gòu)成，同 樣從動 工作帶輪也由活動部分( 7 ) 和 不可動部分( 7 a ) 構(gòu)成， 帶輪的 可動部分和不可動部分形成的 v型槽與 v型金屬帶( 1 0 ) 嚙 合。在工作中，當(dāng)主、從動工 作帶輪的可動部分作軸向移動 時，改變了金屬傳動帶的工作 半徑，從而改變了傳動比。可 動帶輪的軸向移動量是根據(jù)汽 1 一 發(fā)動機(jī)飛 輪 2 - 離合器 3 一 主動工作輪液壓 控制缸4 主動工作輪可動部分 4 a - 主動工 作輪不 動部 分5 一 油 泵6 一 從 動輪液壓 控 制缸 7 - 從動工 作輪可 動部 分 7 a - 從動工 作 輪不動部分8 一 中間減速器 9 一 主減速器與 差速器1 0 一 金屬傳動帶 圖1 . 1 v d t - c v t 的結(jié)構(gòu)及工作原理 車使用要求， 通過液壓控制系統(tǒng)分別調(diào)整主、從動輪油缸( 3 , 6 ) 中的 液壓 力而實現(xiàn)的，從而可以實現(xiàn)無級變速傳動七 j 1 .3 .2關(guān)鍵部件 金屬帶 金屬傳動帶由兩百多個金屬片和兩組金屬環(huán)組成， 如圖1 .2 所示。每 個金屬片的厚度為 1 .4 m m。在兩側(cè)工作輪擠壓力作用下傳遞動力。每組 金 屬環(huán)由 數(shù)片厚 度為0 . 1 8 m m的 帶 環(huán)疊合 而成， 如圖 1 .3所示。 金屬環(huán)功 用是提供預(yù)緊力，在動力傳送過程中，支撐和引導(dǎo)金屬片的 運動，有時在 一定速比下傳遞部分轉(zhuǎn)矩。 工作輪 主、 從動工作輪由 可 動半錐輪和固 定的 半錐輪兩 部分組 成， 如圖1 .4 所 示，其工作面大多為直線錐面體。在液壓控制系統(tǒng)的作用下，依靠鋼球- 滑道結(jié)構(gòu)作軸向 移動， 可 連續(xù)地改變傳動帶工作半徑， 實現(xiàn)無級變速傳動。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 1 .4本文的主要研究內(nèi)容 本文針對金屬帶式無級變速傳動的特性，了解無級變速器的傳動原 理及國內(nèi)外c v t 的發(fā)展現(xiàn)狀， 探討其傳動的基本運動關(guān)系及受力關(guān)系。對 長安羚 羊轎車發(fā)動機(jī) ( j l 4 7 2 q 1 ) 進(jìn)行臺 架性能 試 驗， 得出 油門 開 度、 轉(zhuǎn) 速和轉(zhuǎn)矩的三維模型，確定發(fā)動機(jī)最佳運行曲 線，進(jìn)行初步的匹配可行性 分析，并對長安羚羊轎車裝有c v t 變速器后的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性與手 動變速器 進(jìn)行比 較、 分析。 在本文的實 驗研究中以 富 士重工 p 8 2 1 e c v t為 實驗對象，進(jìn)行無級變速裝置的性能實驗。 具體研究內(nèi) 容如下: 1 分析帶傳動的基本運動關(guān)系。在直母線帶輪下，隨速比的變化， 主、被動帶輪的軸向 位移及運動關(guān)系和速比的關(guān)系。 2 建 立了 羚 羊 轎車 j l 4 7 2 q 1 發(fā)動 機(jī)的 數(shù) 值模型， 確定 發(fā) 動 機(jī)的 萬 有 特性圖及最佳經(jīng)濟(jì)性曲 線 ( o o l 線)和最佳動力性曲線。對長安羚羊轎 車裝配p 8 2 1 無級變速傳動系統(tǒng)進(jìn)行了試驗研究，提出了長安羚羊轎車發(fā) 動機(jī)裝配金屬帶式無級變速器時的匹配策略。 3在開式試驗臺上，以富士重工 p 8 2 1 e c v t為研究對象，對金屬帶 式無級變速器進(jìn)行性能試驗， 研究不同轉(zhuǎn)速、不同壓力下金屬帶式無級變 速器的速比變化率， 為金屬帶式無級變速傳動運動仿真提供控制數(shù)表。 4 對金屬帶式無級變速傳動進(jìn)行了 運動仿真研究，對長安羚羊轎車 使用金屬帶式無級變速器的可行性進(jìn)行了 探討和研究，對羚羊轎車裝用金 屬帶式無級變速器后能夠達(dá)到的動力性、 經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了模擬分析、計算， 并與原車5 檔手動變速器的性能進(jìn)行了 對比。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 z 金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的運動學(xué)分析 2金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的運動學(xué)分析 2 . 1引言 金屬帶式無級變速器主要是由無級變速傳動裝置和齒輪系統(tǒng)組成， 金屬帶式無級變速裝置包括金屬帶和帶輪。在金屬帶定速比 傳動過程中， 金屬塊在帶輪上沿切向 運動，而當(dāng)活動帶輪沿軸向 運動，實現(xiàn)速比 變化的 過程中，金屬塊沿帶輪切向和徑向同時滑動。 在速比變化過程中，為了保 證金屬帶始終處于張緊狀態(tài)，主動軸活動帶輪與從動軸活動帶輪的軸向 位 移量并不相等，這必然導(dǎo)致金屬帶沿軸向產(chǎn)生偏移現(xiàn)象。偏移會影響金屬 帶的壽命和傳動效率。 本章從帶傳動的基本幾何關(guān)系入手，分析金屬帶節(jié) 圓半徑、速比與活動帶輪軸向位移間的關(guān)系。找出合理設(shè)計傳動比范圍的 方法和有效控制金屬帶軸向 偏移的途徑。 在本文研究中，忽略金屬帶及帶輪副受力變形的影響，所用的參數(shù) 作說明 如下: r 。 一 - 速比 范圍 、0 2 一主、 從 動帶 輪包 角 、。 2 一主、 從動帶輪角速度 、12、1、衛(wèi)we 又丁百1，j 一彭22， 、 d 。 一主 動 輪 工 作 v-1 , 氏叭r i - 一 速比 r -a i 向 運行角 a 一帶輪錐角 a一軸間距 r z 、d z 一從動輪工 作半 徑、 直徑 2 .2 帶傳動的基本運動關(guān)系 l 一帶長 2 .2 . 1速比與速比 范圍 如圖2 . 1 ，無級變速傳動的速比為: l = w , _ r 2 c j 2 r , 最大速比為: i m .= r 2 m a x r , m i. 最小速比為: i m m= r z m i. r , m _ 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的運動學(xué)分析 速比范圍: r 。 一 i m . - r 2 m _ r j m _ r i m m r 2 m i. ( 2 4) i m m 若帶輪為 對稱結(jié) 構(gòu)， 即r i m . = r 2 -、r l m in = r 2 m in ， 則有: k = ( r1 m ) = ( r m, e)z 1 m e x 一 河 ( 2 . 5 ) ( 2 石) m m = 而 ( 2 . 7 ) p 8 1 1 型v d t - c v t 的無級變速裝置的主要尺寸如下: 表2 . 1 p 8 1 1 型v d t - c v t 的 無 級 變 速裝置 的 主 要 尺寸 ( 單 位: m m ) 帶輪中 心距主動帶 輪最大直徑從動帶輪最大直徑 帶輪最小工作半 徑 1 5 51 5 2 1 5 73 2 最 大 傳 動t 匕 i m . = 2 .4 5 ， 最 小 傳 動 比 i m m = 0 .4 2 ， 傳 動比 范 圍r , = 5 .8 c 4 1 ,a曰 2 .2 .2帶傳動的斜向角 和帶 輪包角 如圖2 .2 所示， 帶 傳動的 斜向 運行角 和帶輪包角的 關(guān) 系為: 刀 = 汀 士 2 y ( 2 . 8 ) 圖2 . 1金屬帶工作半徑與 速比 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2 金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的運動學(xué)分析 圖2 .2 帶傳動的斜向運行角與包角 在速比為最大或最小的極限傳動比位置: y m -二a r c s mr m _ 一 r m in = a arcsin 邇 牛 1 (2 .9 ) a v r 由式 ( 2 .4 )得: c o s rr 二 _ s in y 2 r m . 、 一 r m m m a = 藻- 1- (2 .10 ) a v rc 二 二 _a 工 、甲 入=。 km ax 由 于a r _, 隨a的增大而減小。 限 制， lin 不能 太小 顯 然a . 1 。 可 見 y .隨 著 速比 范圍r c 的 增 大 而 增 大， 最小 包角p 。對應(yīng)于最小運轉(zhuǎn)半 徑。 考慮結(jié)構(gòu)方面的 ， 一般限 定a m ,n 5c 4 3 - - rz6 由圖2 .2 ， 按帶長約束條件， 可以 得出 金屬帶式無級變速傳動主從動 輪工作半徑與速比的關(guān)系: l = r , (3 , + r 2 f 2 + 2 a c o s y 了=a 代s i n ( 2 . 1 1 ) ( 2 . 1 2 ) 65 睡、閃國、 m 4 0 圖2 .3 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 速比 帶輪半徑與速比關(guān)系 洲|毗 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2 金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的運動學(xué)分析 孟八價ijee jjeses x 1 廠 固定輪 一_ 一 _r l 扁xi 二 圖2 .4 活動帶輪軸向 位移 q , = 9 一 2 y / 2 = 二 十 2 y 凡= r , - i 主從動輪工作半徑與 速比的關(guān)系曲 線如圖 2 .3活動帶輪軸向位移 對于單錐盤可動的帶式無級變速傳動 有: ( 2 . 1 3 ) ( 2 . 1 4 ) ( 2 . 1 5 ) 2 .3 所示。 ，如圖 2 .4 ，在任意速比位置時 : 一 2 ir ; 一 ， 卜arg 2 ( 2 . 1 6 ) x 2 一 月 r 2 一 r =i 1g 厄 ( 2 . 1 7 ) 當(dāng) 帶 輪初始 裝配位置 一定時， 即 確定了 式 ( 2 . 凡， 對 于 一 個 確 定的 速比 ， 有 確 定的r : 和r : 與 ( 2 . 1 7 )中 的r 。 和 應(yīng)。 因 此， x ! 和x , 圖2 . 5帶輪軸向 位移與速比的關(guān)系 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2 金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的 運動學(xué)分析 與速比i 是一一對應(yīng)的關(guān)系，如圖2 .5 . 在活動帶輪的移動過程中，金屬帶的徑向 移動量為: 4r = w a 百c tg 萬 ( 2 . 1 8 ) 由式 ( 2 . 4 ) ，變速范圍: . a r丫.4 r . 、 找，= i + - 1 +一1 又r . 人r , ) ( 2 . 1 9 ) 若主、 從動帶輪結(jié)構(gòu)對稱，并設(shè)r , = r.,.r 2 = r m _，則當(dāng) r , = r . . ，凡= r , 。 時， 由 式 ( 2 . 1 6 ) 得 活 動 帶 輪的 最 大 位 移 量: : 一 二 = 、 、 一 2 r _ 抓一 1 l _ a f k 2 ( 2 . 2 0 ) 由 式 ( 2 . 1 ) r , + r , = r _ , + r m ,， 得: r , =r _ f r , + 1 i +l ( 2 .2 1 ) r 2 =r ,n , - i 由式 ( 2 . 1 8 ) , ( 2 . 1 9 ) , ( 2 .2 0 ) 移與速比的關(guān)系: 撅 + 1 i +l 可得任意速比 i ( 2 . 2 2 ) 時活動帶輪得軸向位 _ ， 。 ( ,fi 一 1 一 n 。嘆i + l ) 19 萬 ( 2 . 2 3 ) 變速范圍 _a r ) 找_= 1 +-l 、r 少 ( 2 .2 4 ) 對于金屬帶式無級變速傳動，從式 ( 2 . 1 9 ) 和式 ( 2 .2 4 )可以看出， 在不增加帶輪外徑的情況下， 如果要擴(kuò)大速比范圍， 須增加a r 和減小r , 也就是須增加金屬帶的寬度，減小帶輪的錐角或減小帶輪的最小運轉(zhuǎn)半 徑。 帶輪的 錐角過小會使金屬帶在帶輪槽中發(fā)生自 鎖。 此外，帶輪錐角越 小，金屬塊在帶輪槽中承受的軸向力越大，也容易使金屬帶發(fā)生翹曲， 所 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2 金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的運動學(xué)分析 以帶輪錐角不能太小。的最小運轉(zhuǎn)半徑會增加金屬環(huán)的彎曲應(yīng) 力，降低 在帶輪槽 金屬帶的疲勞弓 中的自由回轉(zhuǎn)。 ，過小的帶輪運轉(zhuǎn)半徑還會影響金屬塊 因此帶輪的運轉(zhuǎn)半徑也不能太小。 擴(kuò)大金屬帶式 無級變速傳動速比 變化范圍的有效方法是增加金屬帶 ( 金屬塊)的寬度c 5 , 42 1 !q 主動軸 初始裝配位置 中， 心線 從動軸 圖2 . 6 金屬帶軸向 偏移 2 .4金屬帶的 軸向 偏移 2 .4 . 1 軸向 偏移與 速比 v d t - c v t無級變速器中無級變 速裝置所采用的帶輪均為直母線帶輪。 在金屬帶和帶輪的 初始裝配位置保證金 屬帶在速比i= 1 .0時 無軸向 偏移的 情況 下，當(dāng)速比改變時，由于金屬帶的長度 不變， 為了 保證帶輪和金屬帶的緊密接 觸，主動軸活動帶輪與從動軸活動帶輪 的 軸向 移動距離并不相等， 如圖2 .5 所 示。 這就導(dǎo) 致了 金屬帶在主動帶輪輪槽 的中心線和從動帶輪輪槽的中心線不在 撇豁 4 67 即 產(chǎn) 生 了 金 屬 帶 的 軸 向 偏 圖2 .7 金屬帶中心線位移 如圖2 . 6 所示，主動軸端直線p p 代表速比變化過程中金屬帶中心點 軌 跡， s s 代表 從動 軸端金屬帶中 心點 軌跡。 p m 和s 。 為 初 始 裝 配位置時 金 屬帶在兩側(cè)的中心點。當(dāng)速比變大時，主動軸帶輪節(jié)圓半徑增大，從動軸 節(jié)圓 半 徑 減 小， p 。 向p . , 方向 運 動， s m 向s m ， 方向 運 動; 反 之p m 向p m t 方 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2 金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的運動學(xué)分析 向 運動， s 。 向s . z 方向 運動。以 速比 變大為例， 推導(dǎo) 金屬帶軸向 偏移量的 求解公式。首先由 金屬帶中心線位移與帶輪工作半徑的關(guān)系，如圖2 .7 所 不 。 x , = x 。 一 、 一 ( “ 一 r ,)tg 今 ( 2 .2 4 ) x 。 二 x 。 一 ( r 一r ) tg 普 ( 2 .2 4 ) c , = x 。 一 x , = 欲 一 尺 一 r )tg z (2 .2 6 ) 由 式( 2 .1 6 ) 、一 2 ( * 一 * , ) tg 答 乙 ，帶入式 ( 2 .2 6 ) : c , = ( r , n 、_ y 八.) i 9百 乙 ( 2 .2 7 ) 因此，對于主動軸帶輪槽內(nèi)的金屬帶: c v , = ( r m, 對于從動軸帶輪槽內(nèi)的金屬帶: n 、_ y 一八o f j t 百 乙 ( 2 . 2 8 ) 。， n。 、_ y i s ， 一 l rt s ， 一 八 柑 ) t9 2 ( 2 . 2 9 ) 金屬帶的軸向偏移量可表示為: c , = c , 、 一 c ,( 2 . 3 0 ) 帶入式 ( 2 .2 8 ) , ( 2 . 2 9 )得: c , 一 (r ， 一 r p ) 一 (r ,】 一 r ms)tg 普(2 .3 1) 上 式 中 的c ， 為 速 比 i = 凡 ， / 凡 、 時 金 屬 帶 的 軸 向 偏 移 量 。 在 其 它 速 比 下，帶入相應(yīng)的主從動輪工作半徑，即可求得相應(yīng)的金屬帶的偏移量。當(dāng) 金屬帶與帶輪的 初始裝配位置改變、 金屬帶的 零偏移位置不是在速比i = 1 .0 時， 金屬帶中心點在帶輪槽中的軌跡仍為直線， 只是相對于原來的軌跡線 p p , s s 有一定的 平移量。因此， 金屬帶的 軸向 偏移量均可采用下式計算: 令c = 0 ，得: c 一 【(r ? 一 r p ) 一 (r ! 一 r m s)i t5 合 r m v 一 r p = r : 一 r _ ( 2 . 3 2 ) ( 2 . 3 3 ) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文z 金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的運動學(xué)分析 式 ( 2 .3 3 )即為金屬帶無軸向偏移的條件。如果金屬帶式無級變速傳動裝 置 的 初 始 裝 配 位置 保 證i= 1 .0 ( 凡 = 凡 = 民 .p m s ) 時 金 屬 帶 無 軸向 偏 移， 在 整個速比范圍內(nèi)金屬帶的零偏移位置就只有一個。 如果金屬帶軸向零偏移 的 初 始 位 置 不 是 在i= 1 .0 位 置( 凡產(chǎn) 凡， )，由 式( 2 .3 3 ) 可 知 ， 金 屬 帶 在 速比范圍內(nèi)有兩個零偏移位置。 2 .4 .2金屬帶軸向 偏移的控制 由上面的分析可知，采用直母線帶輪、單錐盤可調(diào)的金屬帶式無級 變速傳動裝置在速比 變化過程中，金屬帶只能 在有限的位置不產(chǎn)生軸向 偏 移， 在絕大多數(shù)位置， 金屬帶將不可避免地產(chǎn)生軸向 偏移。 金屬帶的軸向 偏移主要影響傳動效率和金屬帶的壽命。軸向 偏移量越大，帶的扭曲越嚴(yán) 重，這會導(dǎo)致金屬帶的傳動效率和使用壽命的降低。因此，在設(shè)計無級變 速傳動裝置時必須控制金屬帶的軸向偏移。 圖2 .8消除金屬帶軸向 偏移的 兩種速比調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu) 采 用 曲 面 帶 輪 ， 可 以 減 小 金 屬 帶 的 軸 向 偏 移 a i p fi p 是 ， 曲 面 帶 輪 會 給生產(chǎn)制造帶來困 難，增加產(chǎn)品成本，還由于在不同 速比時帶輪槽角的不 同，在動力傳遞過程中，金屬帶與帶輪的接觸無法取得一致，影響工作的 可靠性和工作效率。 因此， 采用曲 面帶輪不是解決金屬帶工作過程中軸向 偏移的理想方法。 而直母線帶輪與金屬帶的接觸就沒有上述缺陷，加工制 造也相對簡單。 所以， 在金屬帶式無級變速傳動裝置中均采用直母線帶輪。 對于直母線帶輪，如果采用帶輪軸上的兩個半錐輪均可動的設(shè)計結(jié) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2 金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的運動學(xué)分析 構(gòu)， 如圖2 .8 a . 2 .8 b ， 速比的 變化通過同 時 移動主 動軸 和從動軸上的 活動 錐盤來實 現(xiàn)。 在主動軸上，兩個活動錐盤的移動量相等;同 樣， 從動軸上 的兩個活動錐盤的軸向 移動量也相等，因此可以 避免出 現(xiàn)金屬帶的 偏移。 但這種設(shè)計結(jié)構(gòu)必須包含連接帶輪軸上兩個活動錐盤的外部機(jī)構(gòu)，需要占 用較大的空間， 控制方面也存在一些問題，因此在金屬帶式無級變速器上 并未的到實際應(yīng)用。 使用證明，金屬帶能夠承受一定的軸向偏移。因此，有理由 采用單錐 盤可動的 金屬帶式無級變速傳動裝置 ( 如圖2 .9 ) ，并對金屬帶的 偏移量加 以合理控制。在無級變速過程中，控制金屬帶軸向 偏移的常用方法如下: ( 1 )當(dāng)速比 i = 1 .0時，金屬帶偏移量 乍 0 。在極限傳動比 位置，金 屬帶的軸向 偏移量最大。 其最大值略小于1 . ( 圖2 . 1 0 曲 線a ) ( 2 )當(dāng)速比i = 1 .0時，預(yù)置一軸向偏移量。如果預(yù)置偏移量為最大 偏移量的一半， 則金屬帶的 最大軸向 偏移量被減小一半( 圖2 . 1 0 曲 線c ) o ( 3 ) 當(dāng) 速 比i-_ 偏時 ， 使。 一 0 。 偏為 汽 車 發(fā) 動 機(jī) 發(fā) 出 最 大 功 率 而 使 汽 車 達(dá) 到 最 高 速 度 時 的 速比 。 設(shè) 計 時， 在i= i、 處， 將 主 從 動 帶 輪的v 型 槽的中 心 線重合，以 保證金屬帶無 軸向 偏移 ( 圖2 . 1 0 曲 線b ) 上述方法只保證了金屬帶軸向偏移在某一 特定工作點為零。實際上， 汽車的 工況是多變的。 但汽車常使用工況對應(yīng)無級變速傳動速比的一定范 所以在汽車通常使用的無級變速傳動速比范圍內(nèi)， 減小金屬帶帶軸向 偏移尤為重要 鄉(xiāng) 之 3 9 3 洲腳。 主動輪 胡搶級牢喚謂 從動輪 日 e . 51 . 5夕25 速比 圖2 .9 帶輪相對位置配置示意圖圖2 . 1 0 直母線帶輪不同 配置時對金 屬帶軸向偏移的影響曲線 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文z 金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)的運動學(xué)分析 2 .5 本章小結(jié) 金屬帶式無級變速傳動裝置輪系的幾何關(guān)系計算是設(shè)計變速器必不可 缺的環(huán)節(jié)， 特別是帶輪母線的形式及帶的軸向偏移量的設(shè)計，對傳動效率 和壽命的影響極大。本章在輪系幾何分析的基礎(chǔ)上，討論了金屬帶式無級 變速傳動裝置擴(kuò)大速比范圍的途徑，分析了金屬帶傳動過程中的軸向偏 移， 提出了金屬帶軸向偏移的合理控制方法。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 e n g i n e - c v t 匹配控制策略研究 3 e n g i n e - c v t匹配控制策略研究 3 . 1 3 . 1 . 1 引言 問題的提出 汽車發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩經(jīng)動力傳動系統(tǒng)作用在驅(qū)動輪上， 以克服行駛 阻力滿足各種工況的要求。理想的 發(fā)動機(jī)速度特性如圖 3 . 1 所示。發(fā)動 機(jī)功率為一條水平直線， 扭拒曲 線 則為一條雙曲線，這樣的動力曲線 即可保證汽車在任意阻力條件下均 可行駛自 如，變速箱可以取消。同 樣水平的比油耗線即可保證在寬廣 的車速范圍內(nèi)具有良 好的經(jīng)濟(jì)性。 由 于活塞式內(nèi) 燃機(jī)只能產(chǎn)生一個較 窄的供應(yīng)特性場，不能滿足汽車需 求特性的要求。必須配備特性轉(zhuǎn)換 裝置擴(kuò)展內(nèi)燃機(jī)的供應(yīng)特性場，以 圖3 . 1 發(fā)動機(jī)理想的速度特性示意圖 滿足汽車行駛性能的要求。供應(yīng)特性場的形式因傳動系統(tǒng)的動力裝置和特 性轉(zhuǎn)換裝置的形式而不同。但供應(yīng)特性場的功率和轉(zhuǎn)矩的變化必須向 “ 理 想” 特性靠攏，同時特性轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)有助于使發(fā)動機(jī)在油耗、 廢氣污染 和噪聲影響方面處于最佳狀態(tài)。 . 理想的”功率特性場 r ;爪不二 二二不 從 月 變速器鈞出功率p 交魂器.出轉(zhuǎn)邃n 勸. 性 場 圖3 .2 具有四 檔變速器的動力傳動系統(tǒng)的供 應(yīng)特性場 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 e n g i n e - c v t匹配控制策略研究 圖3 .2 為 在牽引 力 特性場和功率 特性場以 豎 線和橫線的陰 影區(qū) 表示發(fā) 動機(jī)和四 檔變速器構(gòu)成的 動力傳動系統(tǒng)的供應(yīng)特性場。 從圖中可以 看出， 裝備有級變速器的動力傳動系統(tǒng)的供應(yīng)特性場只是接近于理想的供應(yīng)特性 場， 而其它部分所示區(qū) 域， 是其結(jié)構(gòu)所限不能發(fā)揮出來的轉(zhuǎn)矩，這種牽引 性能的“ 漏洞” ，必然影響車輛的動力性能。汽車無級變速傳動系統(tǒng)可以 構(gòu)成一個沒有 “ 漏洞”的理想供應(yīng)特性場，通過控制無級變速傳動系統(tǒng) 的傳動比保證發(fā)動機(jī)在理想的工作線上運行，從而提高汽車的動力性和經(jīng) 濟(jì)性，改善發(fā)動機(jī)排放。 對于汽車金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)，其傳動比的調(diào)節(jié)是通過控制 主、從動帶輪輪缸內(nèi)的液壓力來改變金屬帶在主、從動帶輪上的工作半徑 而實現(xiàn)的。 按系統(tǒng)負(fù)荷和傳動比 正確匹配的 帶輪輪缸液壓力還可以 減小傳 動系損失， 提高傳動效率， 保證傳動系正常工作。因此， 汽車金屬帶式無 級變速傳動系統(tǒng)匹配的關(guān)鍵是保證發(fā)動機(jī)按理想工作線運行時傳動比隨發(fā) 動機(jī)節(jié)氣門 開度和系統(tǒng)負(fù)荷的 控制規(guī)律以 及保證實 現(xiàn)這一規(guī)律的主、從動 帶輪輪缸內(nèi)的液壓力的控制規(guī)律。 本章通過對羚羊轎車發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗， 建立發(fā) 動機(jī)數(shù)值模型來分析無級變速器與整車的匹 配規(guī)律，以 及對羚羊車 在裝上無級變速器以后與原車進(jìn)行動力性和經(jīng)濟(jì)性的比較分析。 3 . 1 .2 發(fā)動機(jī)的實驗方法及內(nèi) 容 根 據(jù)汽車 發(fā) 動機(jī)性能 試驗方法， 進(jìn)行j l .4 7 2 q l 發(fā) 動 機(jī)在臺 架上的 動 力性、 經(jīng)濟(jì)性性能測試。分別測試發(fā)動機(jī)油門開度百分比固定在 1 %, 2 0/ 0 %( 間隔 2 %) , 4 5 0/ 6 - -1 0 0 % ( 間隔 5 %)時，以 及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在 1 0 0 0 - 6 0 0 0( 間 隔2 5 0 ) 轉(zhuǎn) / 分鐘 時j i a 7 2 q l 發(fā)動 機(jī)的 穩(wěn) 態(tài)輸出 轉(zhuǎn)矩及油 耗。 實 驗前 對j i a 7 2 q l 發(fā) 動機(jī)進(jìn)行了 磨 合， 進(jìn)行試 驗時 發(fā)動機(jī)處于熱機(jī) 狀態(tài)。 依次 進(jìn) 行j l 4 7 2 q l 發(fā)動機(jī)的怠 速 試驗、 功 率 試驗、 負(fù)荷 特性試驗 及萬 有 特性 試驗， 并 繪制j l a 7 2 q l 發(fā)動 機(jī) 相關(guān)性能曲 線圖。 3 .2發(fā)動機(jī)的 數(shù)值模型 由 于內(nèi) 燃機(jī)的工作過程是一個較復(fù)雜的 過程，因此很難用一個精確的 數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示。對于發(fā)動機(jī)模型的表達(dá)方式一般都是在發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)試 驗數(shù)據(jù)的 基礎(chǔ)上采用數(shù)表或公式擬合的 方法，由 于數(shù)表法具有較高的使用 精度而在實際中被廣泛采用。 3 .2 . 1發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 研究表明， 無論是發(fā)動機(jī)的外特性曲 線還是部分負(fù)荷特性曲 線均是發(fā) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 e n g i n e - c v t匹配控制策略研究 動機(jī)節(jié)氣門 開度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的函 數(shù)， 及 t f ( a , 習(xí)在一定的節(jié) 氣門開度 下發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線，利用三次樣條插值的方法擬合就可以達(dá)到滿意的 精度。因 此可用有限的 試驗數(shù)據(jù)， 建立發(fā)動機(jī)的數(shù)值模型。 根據(jù)發(fā)動機(jī)的 試驗數(shù)據(jù)及其應(yīng)用范圍， 分別繪出節(jié)氣門開度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速坐標(biāo)向量， 即: a = a o a “ a jt v n e = n e,n e,.n jr 其中“ ， 和 。 。 分 別 表 示 發(fā) 動 機(jī) 最 小 和 最 大 節(jié) 氣門 開 度。 n e ， 和n o , 分 別 代 表發(fā) 動 機(jī) 最 低 和 最高 轉(zhuǎn) 速。 坐 標(biāo)間隔即為 三次樣條的 插值步 長