自动变速器_七_无级变速器CVT_上_葛安林

!""#年 第 ##期 —#— 吉林大学 葛安林 自 动 变 速 器 ! 七 " ——— 无级变速器 #$%!上 " 中图分类号：$%&’( !#! 文献标识码：) 文章编号：#""" * ’+"’ ,!""# -## * """# * "% ·特约专· & 概述 驾驶灵活、低油耗和低噪声要求变速器挡位越 多越好，这种思想的进一步延伸，就是无级变速。无 级变速传动 , ./01203/3456 78928:5; <9804=2442/0> 简 称 .7<- 指无级控制速比变化的变速器。它能提高 汽车的动力性、燃料经济性、驾驶舒适性、行驶平顺 性。电控的 .7<可实现动力传动系统的综合控制， 充分发挥发动机特性。 无级变速器的种类很多 ,见 # -。液力式即液 力变矩器，其优良品质已在“自动变速器 ,一 -”中阐 述，它是迄今世界上占主导地位的无级变速器。 8( 液压式 它与液力传动同属流体传动，其 区别在于：它是依靠液体压能的变化来传动或变换 能量，是用工作腔的容积变化进行工作的。液压元 件主要是液压泵与液压马达，有液压车轮马达与液 压驱动轴两种。它的优、缺点除与液力式类同外，还 有液压元件不适应汽车高转速、高负荷和转速变化 频繁、振动大等不利的工作条件，故仅在推土机、装 载机上有所应用，汽车上应用较少。 :( 电动式 内燃机作为动力装置的优点很 多，但在部分负荷时效率低并产生有害排放而导致 了电传动的发展。为了适应与给定的电动机匹配， 有的用单速变速器 ,与异步电动机共同工作 -，有的 需两挡以上 ,与永磁同步电动机配合 -，而有的则要 多挡 ,与直源串绕电动机匹配 -，以达到的性 能。 纯电传动虽有零污染与低噪声的突出优点，但 贮存于电池中可用能量行驶范围有限，除在高能 镍、钠、锂基等电池及燃料电池方面继续研究外；也 有采用内燃机与电源的复合驱动，起步或加速 时使用电动机作辅助动力，改善加速性能；在城市 行驶时可多用电驱动，以克服内燃机污染严重的问 题；而在郊区以外，则多用内燃机与传统驱动方式 配合行驶。这种复合驱动既利用了一种能源具有高 功率的优势，又发挥了另一种能源有良好的贮能容 量，在汽车减速和制动时可回收能量。 ?( 机械式 因为是通过摩擦传递扭矩，故总 有打滑的危险，进而在接触面产生高温而磨损。它 经历百余年的改进、提高，目前也仅金属带或链带 式及牵引环式有实用价值。 ’ 机械式无级变速器 ’( & 带传动式 !)*+, -./0* " 用挠性的带或链与带轮的摩擦力传递动力。人 们首先应用的是橡胶带式，它装用于 @)A公司的微 型轿车及 7/5B/’%"系列轿车上，但因传递功率容量 低，而被橡胶与金属带、金属带及链带等形式所取 代。其中又以 7@< ,780 C//90; D 4 <9804=2442/0-的金 属带最为成功。除这类湿式带外，最近由树脂和铝 合金等构成的干式带也问世，它用直流电机控制， 其特点是：起步由定传动比的齿轮，即副传动路线 来传递动力，保证起步性能；当达到车速时，再 变换到由带传动确定的主传动路线 ,见 “自动变速 器 ,一 -”中图 ! -。 !E #E # 组成与工作原理 7@<是目前已投产的 .7<，其组成与工作原理 如图 #所示，发动机动力 F经起步装置 %传至 .7< —!— 汽 车 技 术 ·特约专题· 的主动工作带轮 " !、!# $，再由关键部件——— %型金 属带 &将动力传递到被动工作带轮 " ’、’# $，最后动 力经减速器 (、主减速器与差速器 )到达车轮。车辆 行驶时，当主、被动工作带轮的可动部分通过控制 高压油使其按需要作轴向移动时，改变了主、被动 轮的工作半径比，从而实现了外界对汽车的变速要 求。 图 * %+, - .%,传动组成与工作简图 */ 油泵 !#/ 主动工作轮不动部分 !/ 主动工作轮 可动部分 0/ 主动轮液压控制缸 1/ 离合器 2/ 发 动机飞轮 ’#/ 从动工作轮不动部分 ’/ 从动工作轮 可动部分 (/ 中间减速器 )/ 主减速器与差速器 &/ 金属传动带 *3/ 从动轮液压控制缸 !4 *4 ! 关键部件 #/ 金属传动带 由几百片 "现已达 133多片 $ %型金属推片 "元 件 $和两组金属环组成高柔性的金属带 "见图 ! $，每 个金属 %型块厚度为 *4 1 55 6 !/ ! 55，在两侧工 作轮挤压力作用下，推挤前进来传递动力。两边的 金属环由多层薄钢带、厚度为 34 *) 55的带环叠合 而成，在传动中正确引导金属元件的运动。较薄的 厚度对减少运转噪声十分重要。较多的元件与带轮 接触，降低接触面压力，还可允许其表面偶尔出现 一两个损坏，亦有利耐久性提高。这种带的特点是 使带轮可以以最小的卷绕半径工作，速比工作范围 大，转矩传递容量高。 图 ! %型金属带传动带 */ 金属推片 !/ 金属环 7/ 链式 .%, 链式 .%,是带的另一种型式 "见图 0 $，类似自 行车的链条，它由 0部分组成：内联接片、压板联接 片和连接它们的浮动销，销相互滚动，使链条在弯 曲时摩擦力小，且具柔性。销的表面被冲压成如图 07所示，以使其与轮的接触随旋转半径的减小而从 上移到下，使链表面保持磨损稳定。链轮表面的沿 轮向凸起是防止链因摩擦因数下降而打滑。链可不 必有固定周节，从而消除纯音色，有利于降低噪 声。它比带简单价廉。 图 0 链式 .%,传动 " # $链传动 " 7 $链与轮之间接触的形状 !" ! 牵引传动式 #$%&’()*+ ,%)-./ 它是以刚性转动体接触的摩擦力传递动力，形 式多样，其中以 ,898:;#<最优，简称牵引环式 "见图 1 $。它具有良好的动态响应性能，且能从正转过渡 到反转，因此它无需前进离合器和正反转运动的切 换机构。但其接触刚体间接触压力大，要特殊的粘 性很高的润滑油，利用油膜在金属表面之间形成高 的牵引系数 !来传递动力。故提高接触疲劳寿命和 弯曲寿命，以及开发出粘性高、牵引系数大的润滑 油是其能否进入市场的关键问题。它的特点是可提 高传递扭矩的容量。 图 1 牵引环式的几何关系 0 带传动基础设计 0" 1 速比与速比变化范围 ! " "# $ "% " &% $ &# " * $ 式中，"#、"%为主、被动轮的转速；&#、&%为主、被动 轮的工作半径。 最大速比 !5#=> 即 .%,最低速比 !’()，从动力性 考虑的速比为： !5#= " &%5#= $ :?! **· !+* " ! $ 式中， !+* 为匹配同一车辆手动变速器的 *挡速比； !""#年 第 ##期 —$— ·特约专题· !# " #$%&’ % #$"是 ()*与发动机匹配时，发动机的转 矩利用系数，#$"为汽车起步时发动机的转矩，!# + #, "- . #, #。 最小速比 &%/01即超速工况速比 &’(，主要从燃料 经济性考虑由下式决定： &’( " &) % !! 2 $ 3 式中， &)为该车手动变速器最高挡的速比；!!为超 速工况速比 &’( 下与发动机匹配时，接近于最大转 矩而远离于手动变速器匹配的最大功率区的匹配 系数，!! + #, # . #, !。 速比变化范围 *+为： *+ " !,%&’ % !,%/0 " &%&’ % &%/0 " -,%&’-.%/0 · -.%&’ -,%/0!!#!!*/0 2 4 3 式中，*/0为相应车辆的手动变速范围。 对于结构紧凑的对称带轮： *+ " -,%&’-.[ ]%/0 ! " -.%&’-,[ ]%/0 ! 2 - 3 &%&’ " *" + &%/0 " # *"     + 2 5 3 因 !# !!6 #，故 ()*的 *+大于 */0的 !# !!倍。 !" # 带轮半径 !、运行角 !与包角 " 带传动几何关系见图 -。 图 - 带传动几何关系 带长 1 " -.". 2 -,", 2 3789 # 2 : 3 式中，3为二轮中心矩，3 + ! ; 2 -,456 2 )7 2 /8 -,456 为 &456 时最大节圆半径， )为带轮节圆半径和带轮 外圆半径最小差；/为两带轮间最小间隙；".、",为 主、被动轮包角；#为斜向运行角。 -. 9 -, " 39/0 # 2 < 3 则最大运行角 #%&’为： #%&’ " &=79/0 -%&’ 9 -%/0 3 " &=79/0 * " + 9 # $ *" + 2 > 3 式中，$ " 3 % -%&’。 说明 #%&’ 随着变速范围 *+增大而增大，随 3 增大而减小。而最小包角 "%/0对应于最小运行半径 -%/01故不可能过小，一般 "%/0 + ! ? ! #%&’。 !" ! 带轮可动部分的轴向位移 "与偏移 # 对于对称的直母线的带轮，在任意速比 &时，带 轮的移动距离可从图 5获得。 : " ;·@A % 2 #" 3 式中，;为带径向变化；%为带轮槽角之半。 图 5 带传动装置简图 对直母线带轮， %为常数，因 ;.# ;,8 故 :.# :,。可见对定轴距强制运行的带传动，为保证各速比 位置的牵引长度 1不变，大多数情况下，主、被动轮 轴的轴向移动量 :#与 :!并不相同，需按下式调节： / " :# 9 :! " - ! "（& 9 #）! 4!3（& 2 #）@A% 2 ## 3 式中，-"为 & + #时，主、被动轮的工作半径。如以 & + #时，/ + "1则 &456与 &’(时为 /%&’，/越大，带的 扭曲越严重，对带的动寿命与传动效率影响大。现 多取在常用工况 < & + ", 4 . ", 5 3使带轴的偏差 /为 /%/0。 当然，从式 2 #" 3也可知，如制造曲母线的带轮， 使其槽角 %&在不同速比 &位置时是不同的，且以保 证 :# " :!为变化准则。图 :为圆弧曲面带轮在任意 速比位置时，其 %&为： %& + &=79/0;& 9 ;" - 2 #! 3 图 : 带轮圆弧曲线上的 %&变化 因曲面带轮制造困难，精度高，生产率低，价格 高；且可靠性等问题也尚待研究解决，故现仍多为 直母线带轮。 !" $ 带传动机理 金属带的转矩传递是由元件 2推片 3 之间的推 挤压力和环的张力共同作用的结果，且不同工况下 作用效果不同。 —!— 汽 车 技 术 ·特约专题· "# !# $ 环的张力 !" %见图 & ’ 从微分方程： !$ !"( " ) !" % " # ( " ’ * !" % " ’ $ ( !"+得主动轮张力 !"%及被动轮张力 !"&： !"% $ !",’ ( !$)") !"& $ !",’!$*（"* ( #*{ ） % $" ’ 式中，!$为元件与环的摩擦因数；被动工作轮摩擦 因数 !$ * $ #)· !$ ) + #*； !", 为边界条件决定的张 力。 图 & 环的张力及其与元件的摩擦力 "# !# - 元件的压紧力 !% %见图 . ’ 切向：( !) * - !$,( " / !$ !"( " ) , 径向：--,( "012 % / !)( " * !"( " ) , 则元件压力紧力 !)的微分方程为： ( !) + ( " # !. !) $ / !. ( !$ ’ !" % $! ’ 式中，!. $ ! 3 012 %，!为带轮与元件间的摩擦因数。 图 . 元件压紧力 "# !# " 元件与带动轮间的单位带长法向力 - 和 带动轮轴向夹紧力 !01 由环的张力 !" 与元件间的压力 !) 的共同作 用 %见图 $, ’，合成为有效张力，则可知单位带长随 包角 #而变的法向力- $ !" ( !) 2,012%，沿包角积分，得轴 的夹紧力 !01为： !01 $$ 0 , -450%,(" $ 450%-012 $% 0 , （!" ( !)）(" % $6 ’ 图 $, 元件与带轮间的法向力及轴向夹紧力 再从带有效张力所决定传递的发动机扭矩 "’+ 得 !01与被传转矩的关系为： !01 ) "’450%-!3, % $7 ’ 式中， 3为摩擦力在圆周切线方向和法线方向的分 配系数，,% 3%$。 由此可见，夹紧力 !01主要与传递转矩 "’和传 动比 4 %反映在工作半径 ,中 ’ 以及摩擦力分配系数 3有关。它是 89:中的重要参数之一，是确定带轮 油缸液压力的依据。同时，也只有通过控制主、被动 轮的夹紧力，才能改变传动比 4。 %待续 ’ %责任编辑 郝旭辉 ’ 原稿收到日期为 -,,$年 $,月 -7 日。