無級變速器的基本結(jié)構(gòu)和變速原理

1、無級變速器的基本結(jié)構(gòu)和變速原理沈林江，胥家政摘要：無級變速技術(shù)是目前汽車傳動系統(tǒng)中的前沿技術(shù)，無級變速器（CVT）與手動變速器（MT）、自動變速器（AT）相比，綜合動力性能更佳，能與發(fā)動機形成理想的動力匹配，因此，無級變速汽車是當(dāng)今發(fā)展的主要趨勢之一。無級變速器中最為重要的一項是電液控制技術(shù)，直接影響到汽車變速品質(zhì)、經(jīng)濟性以及動力性。速比控制、夾緊力控制和起步離合器的控制是無級變速控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。關(guān)鍵詞：無級變速；結(jié)構(gòu)；原理；特點BasicstructureandVariablespeedprincipleoftheCVTShenlin-jiang,Xujia-zhengAbstract:Co

2、ntinuouslyvariabletransmissiontechnologyiscurrentlyintheforefrontofautomotivetechnology,continuouslyvariabletransmission（CVT）withmanualtransmission（MT）,automatictransmission（AT）,anintegratedvechicleisthedevelopmentofthecaroneofthemaintrend.CVTisthemostimportantoneistheelectro-hydrauliccontroltechnol

3、ogy.Carspeeddirectlyaffectsthequalityandeconomy,anddynamic.Howeverratiocontrol,clampingforcecontrolandcontrolisthekeytostartingclutchCVTcontrolsystem.Keyword:Infinitelyvariablespeeds;structure;principle;characteristic引言汽車無級變速器能實現(xiàn)傳動比連續(xù)變化，在更大范圍內(nèi)控制發(fā)動機的工作點，真正實現(xiàn)發(fā)動機變速器道路載荷的最佳匹配，所以一直以來是汽車制造商和用戶追求的理想變速器。無級變

4、速器按作用方式的不同和傳動形式的差異，可分為機械式、電氣式、液壓式三大類。其中機械式無級變速器恒功率特性較好，有較高的傳動效率，應(yīng)用比較廣泛，金屬帶式無級變速器就是典型的一種機械式摩擦無級變速器。由于金屬帶式無極變速器最為普遍，所以本文主要研究金屬帶式無級變速器的基本結(jié)構(gòu)和變速原理。1汽車無級變速器的類型和特點無級變速器可分為:液力變矩器,擺銷鏈?zhǔn)綗o級變速器CVT,金屬帶式無級變速器CVT,環(huán)盤滾輪式無級變速器IVT這4大類。與有級變速器相比，它的優(yōu)點明顯：（1）提高燃油經(jīng)濟性和排放性能。無級變速器在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速,可以獲得傳動系統(tǒng)與發(fā)動機工況的最佳匹配狀態(tài),提高整車的燃油經(jīng)濟性,

5、降低排放。（2）提高動力性能。無級變速器能夠獲得較大的傳動比，其動力性能明顯優(yōu)于機械變速器和自動變速器。（3）改善駕駛舒適性能。因速比連續(xù)變化，可使換擋平滑，實現(xiàn)了手動變速器的快速反應(yīng)和自動變速器舒適的雙優(yōu)點。采用金屬鏈條傳遞動力，解決了老式無級變速器“橡膠效應(yīng)”和“離合器打滑”等問題。液力變矩器液力變矩器是較早用于汽車傳動的無級變速器，成功地用于高檔汽車的傳動中。由于傳動效率低，且變速比大于2時效率急劇下降，經(jīng)常僅在有級（23檔）變速器的兩檔中間實現(xiàn)無級變速，因此未能推廣開來，目前經(jīng)常作為起步離合器在汽車傳動中使用。金屬帶式無級變速器金屬帶式無級變速器是荷蘭VDT公司的工程師VanDoorn

6、e發(fā)明的，用金屬帶代替了膠帶，大幅度提高了傳動的效率、可靠性、功率和壽命，經(jīng)過3040年的研究，開發(fā)已經(jīng)成熟，并在汽車傳動領(lǐng)域占有重要的地位。目前金屬帶式無級變速器的全球總產(chǎn)量已經(jīng)達到250萬輛/年，三年內(nèi)將達到400萬輛/年，發(fā)展速度很快。金屬帶式無級變速器主要是由起步離合器、行星齒輪機構(gòu)、無級變速機構(gòu)、控制系統(tǒng)和中間減速機構(gòu)構(gòu)成。金屬帶式無級變速器的核心元件是金屬帶組件，金屬帶組件由兩組912層的鋼環(huán)組合350400片左右的摩擦片組成。在傳動時，主、從動兩對錐盤夾持金屬帶，靠摩擦力傳遞運動和轉(zhuǎn)矩。主、從動邊的動錐盤的軸向移動，使金屬帶徑向工作半徑發(fā)生無級變化，從而實現(xiàn)傳動比的無級變化，即無

7、級變速。9擺銷鏈?zhǔn)綗o級變速器擺銷鏈?zhǔn)綗o級變速器是由德國LUK公司將擺銷鏈用于Audi汽車傳動的成功范例。與金屬帶式CVT不同的是，它將無級變速部分放到低速級，即最后一級。其原因是鏈傳動的多邊形效應(yīng)在高速級時會產(chǎn)生更大的振動、噪聲和動態(tài)應(yīng)力。所以在其最新的結(jié)構(gòu)中，加裝了導(dǎo)鏈板以減少振動和噪聲。但是由于在低速級傳動中，要求傳遞的轉(zhuǎn)矩大，軸向的夾持壓力就大，液壓系統(tǒng)的油壓也大，而摩擦盤式離合器所要求的油壓又不高，這樣，液壓系統(tǒng)的油壓就比較復(fù)雜。由此看來，如果能進一步降低或者消除多邊形效應(yīng)，將會進一步提高此類傳動的水平，簡化整機設(shè)計，降低成本。用兩組摩擦盤式離合器和行星轉(zhuǎn)換裝置組成前進和倒檔離合器，同

8、時又滿足起步離合器的功能要求，是很成功地設(shè)計。目前許多公司用液力變矩器作為起步離合器，簡化了液壓電控系統(tǒng)，但增加了液力變矩器。而這樣的兩組摩擦盤式離合器加行星轉(zhuǎn)換裝置，在實現(xiàn)前進和倒檔離合器的功能時又顯得累贅。其傳動簡圖如圖1所示環(huán)盤滾輪式無級變速器是英國Torotrak公司發(fā)明的車用無級變速器，其原理如圖2所示。運動和動力由輸入盤靠摩擦力傳給滾輪，滾輪將運動和動力靠摩擦力傳給輸出盤。當(dāng)滾輪在垂直于紙面的軸向轉(zhuǎn)動時，滾輪和兩個環(huán)盤的接觸點連續(xù)變化，輸入盤和輸出盤接觸點（工作點）的回轉(zhuǎn)半徑連續(xù)變化，實現(xiàn)無級變速傳動。13圖2環(huán)盤滾輪式無級變速器原理圖2金屬帶式無級變速器的基本結(jié)構(gòu)圖3金屬帶式CV

9、T的主要結(jié)構(gòu)跟工作原理簡圖1-發(fā)動機飛輪；2-離合器及行星齒輪；3-主動輪油缸；4-主動輪可動部分；4a-主動輪固定部分；5-油缸；6-從動輪油缸；7-從動輪可動部分；7a-從動輪固定部分；8-中間減速器；9-主減速器和差速器；10-金屬帶CVT的主要結(jié)構(gòu)如上圖所示，CVT的主要結(jié)構(gòu)和工作原理如圖所示，該系統(tǒng)主要包括主動輪組、從動輪組、金屬帶和液壓泵等基本部件。金屬帶由兩束金屬環(huán)和幾百個金屬片構(gòu)成。主動輪組和從動輪組都由可動盤和固定盤組成，與油缸靠近的一側(cè)帶輪可以在軸上滑動，另一側(cè)則固定?？蓜颖P與固定盤都是錐面結(jié)構(gòu)，它們的錐面形成V型槽來與V型金屬傳動帶嚙合。發(fā)動機輸出軸輸出的動力首先傳遞到C

10、VT的主動輪，然后通過V型傳動帶傳遞到從動輪，最后經(jīng)減速器、差速器傳遞給車輪來驅(qū)動汽車。工作時通過主動輪與從動輪的可動盤作軸向移動來改變主動輪、從動輪錐面與V型傳動帶嚙合的工作半徑，從而改變傳動比?？蓜颖P的軸向移動量是由駕駛者根據(jù)需要通過控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)主動輪、從動輪液壓泵油缸壓力來實現(xiàn)的。由于主動輪和從動輪的工作半徑可以實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)了無級自動變速。12金屬帶是一種非常精密的組件,金屬片和每一層鋼環(huán)的加工制造都有嚴(yán)格的精度和性能要求。鋼環(huán)組由一種高強度的馬氏體時效鋼制成，相鄰兩圈配合要求很高，否者將產(chǎn)生大的載荷不均，影響帶的壽命。因此，金屬帶組件的制造有很高的技術(shù)含量。其結(jié)構(gòu)示意圖如

11、圖4所示：1圖4金屬帶組件圖及局部放大圖1金屬片；2鋼環(huán)。3金屬帶式無級變速的工作原理如圖5所示，汽車開始起步時，主動輪的工作半徑較小，變速器可以獲得較大的傳動比，從而保證驅(qū)動橋能夠有足夠的扭矩使汽車獲得較高的加速度。隨著車速的增加，主動輪的工作半徑逐漸減小，從動輪的工作半徑相應(yīng)增大，CVT的傳動比下降，汽車能夠以更高的速度行駛?？蓜渝F盤K動輪主動輪固定錐盤2紬向力面定餓盤紬向力可動推盤(b)圖5金屬帶式無級變速器傳動變速原理(a)傳動原理圖；(b)變速原理圖在金屬帶式無級變速器的液壓系統(tǒng)中，從動油缸的作用是控制金屬帶的張緊力，以保證來自發(fā)動機的動力高效、可靠的傳遞。主動油缸控制主動錐輪的位置

12、沿軸向移動，在主動輪組金屬帶沿V型槽移動，由于金屬帶的長度不變，在從動輪組上金屬帶沿V型槽向相反的方向變化。金屬帶在主動輪組和從動輪組上的回轉(zhuǎn)半徑發(fā)生變化，實現(xiàn)速比的連續(xù)變化。前進時，前進擋離合器接合，倒檔離合器松開。動力從輸入軸傳到行星架，再傳到與其相連的右支架，經(jīng)前進擋離合器傳至太陽輪，通過太陽輪帶動主動帶輪，再由V形金屬傳動帶將動力傳遞到從動工作帶輪，帶輪的可動部分和固定部分形成的V形槽與V形金屬帶嚙合。在工作中，當(dāng)主、從動工作帶輪的可動部分在油缸內(nèi)液壓力作用下做軸向移動時，連續(xù)改變了金屬傳動帶的工作半徑，從而改變了傳動比。最后動力經(jīng)中間減速器、主減速器與差速器傳遞到車輪。倒檔時，前進擋

13、離合器松開，倒檔制動器接合。行星輪機構(gòu)的內(nèi)齒圈被固定，內(nèi)行星輪與太陽輪嚙合，外行星輪與內(nèi)齒圈嚙合，經(jīng)這一雙行星輪機構(gòu)，傳遞到太陽輪的力矩方向發(fā)生改變，后面的力矩傳遞路線與前進時相同。金屬帶式無級變速器主要是通過改變兩個工作帶輪和金屬帶之間的接觸半徑來實現(xiàn)速比的連續(xù)變化。其變速過程如圖6所示：567圖6無極變速器的工作原理1輸入軸；2主動輪固定部分；3主動輪可動部分；4主動輪液壓工作缸；5被動輪固定部分；6被動輪可動部分；7輸出軸；8被動輪液壓工作缸如上圖所示，兩個V形輪（主、被動輪）都分為兩部分：一部分（如2、5）為固定，另一部分（如3、6）可在軸上沿軸向移動，兩部分形成的V形槽與V形金屬帶相

14、嚙合。工作時，假設(shè)主動輪工作半徑為Rp,被動輪工作半徑為Rs,則傳動比為：i=Rp/Rs，其中，Rp為從動輪半徑，Rs為主動輪半徑。主、被動輪的可動部分3、6在液壓缸內(nèi)液壓力作用下，軸向移動，從而主動輪工作半徑Rp和被動輪工作半徑Rs隨之改變，傳動比改變，達到了變速的目的?？蓜訋л喌妮S向移動量可以通過液壓控制系統(tǒng)分別調(diào)整，其中，i=f(Fp,Fs)其中：i傳動比Fp主動輪液壓缸壓力Fs被動輪液壓缸壓力Fs決定金屬傳動帶的張緊力，當(dāng)i不變時，F(xiàn)p保持不變。只要根據(jù)汽車行駛工況及發(fā)動機工況要求實時控制Fp和Fs,即可實現(xiàn)變速器與發(fā)動機相匹配的無級變速傳動。4金屬帶式CVT控制技術(shù)的分類及發(fā)展單壓力

15、回路控制，早期的CVT單壓力回路系統(tǒng)控制原理如圖7所示。該系統(tǒng)差不多全部保留了機-液控制系統(tǒng)的特點。雙壓力回路控制，如圖8。雙壓力回路電子液壓控制系統(tǒng)能夠很好地解決單壓力回路電子液壓控制系統(tǒng)存在的諸多缺點。8圖7單壓力回路原理圖1、2-比例閥3-速比控制閥4-主動輪液壓缸1主邀動機%IlL僧恤S環(huán)遇步氏舍隹M丸臧軸網(wǎng)壓豔底壓凹w是步if密爲(wèi)椎配和盾雷詹述誦臣押產(chǎn)比幣制科rl壷輩力ftWN圖8雙壓力回路原理圖5金屬帶式CVT傳動的控制技術(shù)金屬帶式CVT的控制主要分為三種：速比控制、夾緊力控制、起步離合器控制。三者之間的控制過程是相互耦合的。在金屬帶式CVT的實時控制過程中，對速比控制時，需要考慮

16、夾緊力控制的影響，而設(shè)計夾緊力控制時，則可以不考慮速比控制。由于起步離合器的控制相對獨立，故不考慮其對速比和夾緊力控制的影響。下圖9為CVT傳動控制系統(tǒng)示意圖。4外界環(huán)境汽車行駛康饋CVT控制系統(tǒng)瞬齡癖制；nr1J汽車傳動系統(tǒng)|發(fā)動機HT恃歲系萄T汽圖9CVT傳動控制系統(tǒng)示意圖2.1速比控制CVT的速比控制是實現(xiàn)實際速比精確跟隨目標(biāo)速比,即按照CVT傳動系統(tǒng)的匹配策略，控制速比根據(jù)汽車行駛工礦的改變而實時變化，使汽車在任何工礦下行駛時，均能維持發(fā)動機工作在動力性模式或經(jīng)濟性模式下。汽車行駛時，駕駛員改變加速踏板位移大小會直接改變發(fā)動機的轉(zhuǎn)速大小，同時使工作在動力性模式或經(jīng)濟性模式下的目標(biāo)速比也

17、隨之發(fā)生變化。這時，目標(biāo)速比與實際速比便產(chǎn)生了一定的偏差，根據(jù)這個偏差值以及其變化率，速比控制其便通過產(chǎn)生控制量來執(zhí)行控制任務(wù)，使實際速比盡快的跟蹤到目標(biāo)速比上。另外，在汽車行駛過程中突遇路面阻力，汽車加速度很快下降，目標(biāo)速比須發(fā)生改變以保證發(fā)動機提供給汽車的牽引力與外界阻力相平衡，使發(fā)動機仍然維持工作在經(jīng)濟性模式或動力性模式下，這時，實際速比與目標(biāo)速比產(chǎn)生了一定的偏差，根據(jù)這個偏差值以及其變化率，速比控制器通過產(chǎn)生控制量來控制執(zhí)行機構(gòu)，使實際速比盡快的逼近目標(biāo)速比。如圖10所示：目嫌速連比圖10速比控制系統(tǒng)框圖2.2夾緊力控制夾緊力控制和速比控制是相互耦合的，夾緊力的變化必然要引起速比的變化

18、。而在實際控制中，控制價盡力并不考慮對其速比的影響。也就是說控制被動缸的壓力時（夾緊力與被動缸壓力有關(guān)），并不考慮它對主動缸的影響夾緊力控制是以CVT傳遞的轉(zhuǎn)矩和它當(dāng)前的速比為依據(jù)的，由于金屬帶的長度為一定值，金屬帶式CVT所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩Tin與金屬帶目標(biāo)夾緊力Qdn和主動帶輪節(jié)圓半徑Rdr之間的關(guān)系為：Tin=2uQDNRDR/cosa式中，Rdr為主動帶輪節(jié)圓半徑（m）,該值可由主動軸間距、傳動帶周長、即時傳動比計算出；u為金屬塊與帶輪間的最大摩擦因數(shù)；a為帶輪錐形角，一般為11度。設(shè)Te為發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩，一般，CVT所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩Tin稍大于Te,以保證CVT能可靠地傳遞發(fā)動機

19、轉(zhuǎn)矩。因此，用儲備系數(shù)kI表示有:Tin-k*Te于是金屬帶的目標(biāo)夾緊力Qdn為：QDN=kTeC0Sa/（2uRdr）發(fā)動機特性圈夾廈力計低控制電壓計算圖11夾緊力控制系統(tǒng)框圖2.3起步離合器控制無級變速傳動系統(tǒng)中的起步離合器采用的是濕式多片離合器，目的是使汽車能以足夠大的牽引力平順的起步，提高駕駛舒適性，必要時切斷動力傳動。通過手動操縱閥來選擇起步離合器或制動器。控制閥組控制離合器液壓缸或制動器液壓缸內(nèi)的壓力。與常規(guī)液力機械自動變速傳動汽車起步控制策略不同，對于無級自動變速汽車，車輛起步時不僅液力變矩器發(fā)揮自動變扭調(diào)速的作用，金屬帶式無級變速傳動裝置也將發(fā)揮作用。當(dāng)車輛處于起步爬坡階段時，

20、充分利用液力變矩器低速增扭、通過性好的優(yōu)點來實現(xiàn)車輛的快速平穩(wěn)起步，此時帶傳動速比維持在最低檔：當(dāng)車輛處于低速行駛且液力變矩器速比大于聯(lián)合工作輸出最大功率所對應(yīng)的速比時，通過改變帶傳動速比來調(diào)節(jié)液力變矩器速比，從而保證發(fā)動機與液力變矩器聯(lián)合工作輸出功率維持在最大值，使車輛獲得最大的啟動性能。不同油門開度下，維持發(fā)動機與液力變矩器聯(lián)合工作輸出功率最大時對應(yīng)不同的液力變矩器速比。142.4其它先進控制理論的應(yīng)用為了追求更好的控制效果，得到更好的動力性、經(jīng)濟性和排放指標(biāo)，一些新興的、先進的控制理論被應(yīng)用于汽車動力傳動系的控制中，其中的代表就是模糊控制。其控制結(jié)構(gòu)如下圖12所示：圖12模糊控制結(jié)構(gòu)示意

21、圖在汽車動力傳動系中應(yīng)用模糊控制主要有3個原因：(1)模糊控制能夠很好地辨別汽車的運行工況和駕駛員的駕駛意圖。(2)模糊控制是基于語義和規(guī)則的控制理論，應(yīng)用與汽車動力傳動系這樣的強非線性系統(tǒng)具有很好的抗干擾效果。（3）模糊控制具有很好的連接作用，可以將不同的控制算法結(jié)合起來，從而達到最優(yōu)的控制效果16金屬帶式CVT電液控制技術(shù)金屬帶式CVT早期的控制系統(tǒng)多采用機液控制方式，但機液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對傳動系統(tǒng)多種性能的匹配要求缺乏靈活性。隨著技術(shù)的進步和對汽車性能要求的不斷提高，當(dāng)前無級變速傳動系統(tǒng)的控制均采用電液控制方式。電液控制方式可以使動力傳動系統(tǒng)實現(xiàn)理想的工作狀態(tài)，達到動力性、經(jīng)濟性和排

22、放之間的最佳平衡。不同匹配策略的實現(xiàn)都是對無級變速器的主壓力和速比控制來實現(xiàn)的。同時，采用電液控制方式還可以提高無級變速傳動系統(tǒng)的效率，降低不必要的損失。2下圖13為金屬帶式CVT的電液控制系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)的油泵直接由發(fā)動機驅(qū)動，為整個系統(tǒng)提供液壓油。系統(tǒng)的主壓力由壓力控制閥（比例溢流閥）調(diào)節(jié)，它直接作用在從動輪油缸內(nèi)。在速比一定的條件下，主壓力的大小決定了系統(tǒng)傳遞轉(zhuǎn)矩的能力。變速器的速比由速比控制閥（位置伺服閥）調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)主動輪油缸內(nèi)的壓力，是通過金屬帶的約束與從動輪油缸內(nèi)的壓力達到新的平衡狀態(tài)，從而改變主動輪的軸向位置來實現(xiàn)的。在控制系統(tǒng)中，主、從動輪油缸壓力Pp，Ps由壓力傳感器測量，主

23、、從動輪的轉(zhuǎn)速嗎，nS由轉(zhuǎn)速傳感器測量，測量得到的信號通過A/D轉(zhuǎn)換和驅(qū)動放大，變成可以驅(qū)動比例閥的控制電流，控制主、從動輪油缸的壓力變化oA/D,D/A和控制器構(gòu)成了數(shù)據(jù)采集和反饋控制的閉環(huán)控制回路，從而提高了系統(tǒng)的控制精度，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速出和油門開度a的信號通過傳感器輸入給控制器，通過相應(yīng)的控制策略來保證CVT無滑移地運轉(zhuǎn)。圖13電液控制系統(tǒng)原理圖7結(jié)論在最近的十幾年中，CVT技術(shù)已經(jīng)上千邁進了一大步，使得CVT比有著超過100年歷史的機械變速器MT和有著超過50年歷史的自動變速器AT更有競爭力。CVT技術(shù)正處于壽命周期的開始，CVT的特性將進一步提高，而我們中國也緊跟世界步伐，發(fā)展我們自主創(chuàng)新的無級變速器。金屬帶式