金屬帶式無級(jí)傳動(dòng)的仿真研究(一)

1、金屬帶式無級(jí)傳動(dòng)的仿真研究趙軍偉(重慶工學(xué)院汽車學(xué)院, 重慶)摘 要：對(duì)金屬帶式無級(jí)傳動(dòng)個(gè)部件進(jìn)行受力分析，從而建立數(shù)學(xué)模型。利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)其進(jìn)行仿真模擬，研究其在不同工況下的傳動(dòng)效果。關(guān)鍵詞：無級(jí)傳動(dòng) 仿真Abstract：To analyze strength of every part of CVT , then set up mathematics model .To use computer software to simulate and study its transmission result under different operating modes.Key words

2、：CVT; simulation1 概述隨著汽車工業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步，人們對(duì)汽車傳動(dòng)性能的要求越來越高。誕生于上世紀(jì)70年代的無級(jí)傳動(dòng)（Continuously Variable Transmission ，簡(jiǎn)稱CVT ）技術(shù)日趨成熟。相對(duì)于其他普通傳動(dòng)技術(shù)，無級(jí)傳動(dòng)可使發(fā)動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行在一個(gè)最佳工作區(qū)間，顯著提高汽車的經(jīng)濟(jì)性，改善汽車的動(dòng)力性，并可通過自動(dòng)換檔使汽車駕駛操縱變得簡(jiǎn)單，既減少了汽車的行駛沖擊，也減少駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。與裝配常規(guī)有級(jí)式機(jī)械傳動(dòng)汽車相比，無級(jí)變速傳動(dòng)汽車具有節(jié)省燃料、排氣污染小、操縱方便、乘坐舒適、變速快捷的優(yōu)點(diǎn)1、2。2 目的、意義2.1 目的本課題通過對(duì)金屬帶式無級(jí)變

3、速器的錐盤、金屬帶等部件進(jìn)行受力分析，從而建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而利用Simulink軟件進(jìn)行仿真，分析該模型在各種工況下的動(dòng)態(tài)特性。2.2 意義通過對(duì)金屬帶式無級(jí)傳動(dòng)的仿真研究，我們可以更具體的了解無級(jí)傳動(dòng)的機(jī)理，從而可以建立一套控制系統(tǒng)對(duì)金屬帶式無級(jí)傳動(dòng)進(jìn)行控制，使之能按操縱者意圖實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)最佳匹配，把汽車的動(dòng)力性、操縱性及經(jīng)濟(jì)性發(fā)揮到極致。同時(shí)也可減少傳動(dòng)過程中的機(jī)械損耗，延長(zhǎng)傳動(dòng)裝置的壽命。3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于CVT各方面的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無級(jí)傳動(dòng)進(jìn)行了大量的研究。日本藤井透（Toru Fujii）等學(xué)者對(duì)CVT鋼帶的受力狀況進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，研究表明：當(dāng)在大轉(zhuǎn)矩比狀況下（轉(zhuǎn)

4、矩比定義為一定速比、一定帶輪夾緊力條件下，CVT傳遞的轉(zhuǎn)矩與該條件下所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩之比），金屬帶的鋼片擠壓力、鋼環(huán)張力的分布狀況都大體相似。如圖1所示：圖1 大轉(zhuǎn)矩比時(shí)CVT鋼帶的剛片推力和鋼環(huán)張力的分布CVT具有兩個(gè)傳遞轉(zhuǎn)矩通道，一是靠鋼片間的擠壓力傳遞轉(zhuǎn)矩，二是鋼環(huán)的張力差傳遞轉(zhuǎn)矩。在主動(dòng)帶輪上，只有部分接觸弧上有鋼片擠壓力存在，在主動(dòng)帶輪的其余弧段上鋼片間存在間隙，從主動(dòng)帶輪入口到出口，鋼片擠壓力逐步增大。在從動(dòng)帶輪上，全弧段上都有鋼片擠壓力，由從動(dòng)帶輪入口到出口，鋼片擠壓力逐步減小。鋼環(huán)的張力則符合Euler分布，由于鋼片的接觸棱與鋼片肩部之間有距離，因此在小帶輪上鋼片肩部速度總大

5、于鋼環(huán)的速度，總是在進(jìn)入小帶輪的直線端產(chǎn)生最大的張力，相應(yīng)稱這段直邊為緊邊，相對(duì)的另一邊則為松邊。3S.Akehurst等人分析了由于帶輪和帶的推塊之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的損失，同時(shí)還描述了附加的實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)出了變速器內(nèi)兩帶輪的切向滑動(dòng)速度。89韓國(guó)學(xué)者Kim教授曾對(duì)鋼片在帶輪上的徑向移動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)量發(fā)現(xiàn)在帶輪的整個(gè)接觸弧上，鋼帶作用半徑變動(dòng)量在10-410-3mm數(shù)量級(jí)，相對(duì)切向滑移來說，幾乎可以忽略不計(jì)。日本學(xué)者Shigeru Kanehara對(duì)瞬態(tài)鋼帶的徑向滑動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，研究結(jié)果表明，鋼帶的徑向滑移對(duì)瞬態(tài)條件下的CVT傳動(dòng)模型的影響己不可忽視。英國(guó)學(xué)者M(jìn)icklem和日本學(xué)者Daisuk

6、e的研究表明鋼帶間的間隙出現(xiàn)在主動(dòng)帶輪上，由于主動(dòng)帶輪上出現(xiàn)了鋼片之間的傳動(dòng)間隙，造成CVT金屬帶傳動(dòng)的滑移3。國(guó)內(nèi)方面，王紅巖等學(xué)者通過建立無級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的雙質(zhì)量模型，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了金屬帶式無級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。指出如對(duì)無級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)速比變化率進(jìn)行精確的控制，可進(jìn)一步提高汽車的行駛性能。如把無級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)改用全電子控制方式，則可實(shí)現(xiàn)多種換檔規(guī)則并達(dá)到與發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳匹配，使汽車具有更好的行駛性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。通過對(duì)金屬帶事務(wù)及變速傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果具有良好的一致性。4。盧偉、盧懷民和周俊等人從金屬帶傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)入手，對(duì)CVT的瞬態(tài)傳動(dòng)特性

7、做了具體的分析，認(rèn)為金屬帶在變速的過程中，金屬片與帶輪之間不但存在著切向的相對(duì)滑動(dòng)，還存在著徑向的相對(duì)滑動(dòng)。通過瞬態(tài)工況的分析表明速比的變化率與夾緊力變化有直接的關(guān)系。確定了速比變化率與夾緊力之間的關(guān)系，如圖2所示：確定了實(shí)際中夾緊力的控制依據(jù)，得到了可以實(shí)時(shí)控制的帶傳動(dòng)力學(xué)模型5。4 課題研究思路4.1金屬帶的結(jié)構(gòu)和工作原理7如圖1是金屬帶式無級(jí)傳動(dòng)的主要機(jī)構(gòu)，其中包括兩個(gè)金屬傳動(dòng)錐盤和一個(gè)金屬帶。金屬帶是由200多個(gè)金屬片銀和2組金屬環(huán)組成，每個(gè)金屬片的厚度為2.0mm。在兩側(cè)工作帶輪擠壓力作用下傳遞動(dòng)力。每組金屬環(huán)由數(shù)片厚度為0.18mm的帶環(huán)疊合而成。在轉(zhuǎn)矩傳遞過程中，主動(dòng)輪的輸入轉(zhuǎn)矩

8、，經(jīng)錐形帶輪工作面與金屬帶工作面之間的摩擦力形成在金屬片之間向前的推擠力，所以在主動(dòng)帶輪包角上，金屬片之間的推擠力，從帶輪的入口到出口之間的變化趨勢(shì)是逐漸增大。在從動(dòng)輪一側(cè)，轉(zhuǎn)矩經(jīng)金屬片與從動(dòng)帶輪椎形工作面之間的摩擦力來帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣再從動(dòng)帶輪上包角的入口到出口，金屬片之間的推擠力是逐漸減下的。金屬環(huán)的張力有時(shí)也承擔(dān)一部分轉(zhuǎn)矩的傳遞工作。金屬環(huán)的另一個(gè)功用是支撐和引導(dǎo)金屬片的運(yùn)行，這要求金屬環(huán)的張力足夠大，以防止金屬片在運(yùn)行時(shí)堆積凸起，同時(shí)足夠大的金屬環(huán)的張力可以保證金屬片與錐形帶輪工作表面有充分的接觸壓力。4.2 金屬帶式無級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)特性分析金屬帶式無級(jí)變速傳動(dòng)在型金屬帶傳動(dòng)的

9、速比變化過程中，主、被動(dòng)帶輪在壓力作用下，滑動(dòng)部分作軸向移動(dòng)，金屬帶由于受到帶輪的擠壓在錐輪的錐面上移動(dòng)，產(chǎn)生徑向和軸向位移，從而改變傳動(dòng)比。由于傳動(dòng)比的變化，使金屬帶在帶輪工作面上不但有沿圓周切線方向的運(yùn)動(dòng)也有沿帶輪徑向方向的運(yùn)動(dòng)，因此除了在金屬帶與帶輪之間的圓周切向方向的摩擦力外，還有金屬帶沿帶輪工作面徑向運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力的徑向分量，同時(shí)由于金屬帶及帶輪的彈性變形的影響，則金屬帶在帶輪上會(huì)產(chǎn)生非圓的運(yùn)行軌跡。4.3 通過對(duì)金屬帶和帶輪進(jìn)行受力分析，建立數(shù)學(xué)模型4.4 采用SIMULINK軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真分析5 總結(jié)本課題預(yù)計(jì)通過對(duì)金屬帶式無級(jí)傳動(dòng)裝置進(jìn)行受力分析，進(jìn)而得到簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型并利用Simulink進(jìn)行仿真，通過對(duì)各參數(shù)的修改，研究在不同工況下的傳動(dòng)效果。本課題意義在于可在此研究基礎(chǔ)上建立無級(jí)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并以最佳動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)為控制目的進(jìn)行整車動(dòng)態(tài)仿真研究。參考文獻(xiàn)1 李洪人，液壓控制系統(tǒng)M，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1981。2 何鉞，現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)M，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988。3 楊亞聯(lián)，金屬帶無級(jí)自動(dòng)變速傳動(dòng)的關(guān)鍵問題研究D，重慶：重慶大學(xué)，20024 王紅巖，金屬帶式無級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的理論與實(shí)驗(yàn)分析J，汽車工程，1999，21（5）。5 盧偉，陸懷民，周