外文翻译--常功率无级变速器( CP—CVT) 工作原理和分析 中文版

常功率无级变速器 ( CP CVT) 工作原理和分析 Constant Power Continuously Variable Transmission （ CP CVT） :Operating Principle and Analysis O. S. Cretu R. P. Glovnea 摘要 本文是一种新颖的常功率无级变速器 (CP CVT)牵引传动发表的系列论文的首篇。本文提出了常功率的基本机能原理和证实了该装置的特性。该装置属于大家知道的圆环牵引传动系列 ,它由两个输入盘、一个圆锥形环和 另一圆环、一个锥形输出盘和若干钢球组成。各钢球的转轴按相对于输入和输出圆盘的几何位置作自行调整 ,输出转矩的变化使钢球相对盘的位置改变从而造成速比变化 ,首先进行钢球运动学和动力学分析 ,再推论了有关功率传递动力学公式和几何参数。最后提出 CP CVT可提供的良好的功能稳定功率特性满足汽车工业要求的结论。 关键词 :常功率无级变速器 ； 圆环牵引传动 ； 运动学 ； 动力学 1 背景 实践中用附加无级变速器可以改进机械变速器的性能 ,在汽车传动系中藉助无级变速器可以获得 10% 20%的燃油经济 性 1。 机械无级变速器是结构和设计的一 个大的变化 ,通常功率是通过许多中间元件由输入轴传到输出轴 ,所有这些装置有一个公共的原则 ,那就是控制输出速度的变化 ,亦即“改变中间 元件相对于输入 或输出元件的位置”。 一般功率通过干、边界摩擦或薄层油膜剪切力来传递 ,当功率通过油膜传递时 ,CVT是弹性流体动力 (EHD)牵引型 ,而该盘或滚球具有一个正常的滚动运动。由于它们有能力传递高的功率 ,快速响应动态变化 ,小的尺寸和良好的可靠性 ,该EHD牵引传动用于汽车传动系相对于带和行星型 CVT是完全成功 的 2。在汽车中采用或设计极普通的 EHD牵引传动是一种环形的输入 2输出 盘和环形的中间元件 ,简单的称为全环形或半环形牵引传动 ,这些型式 CVT已经解决并设计成不同的结构 ,成功用于汽车传动系 , 特别用在日本的汽车制造 厂 3-5。 虽然牵引传动的功能原理相对简单 ,为了获得这些元件之间的同步的结果要求详细分析中间元件的运动学和动力学 ,不同的输入或输出功率或传动比控制这些对于一个好的性能的 CVT是关键性 的。 T e v a a r w e r k a n d J o h n s o n6表明 EHD牵引传动与在接触面间流体的流变特性有关 ,为润滑流体他们开发了一个粘弹模型 ,用于 EHD接触的分析。 K a n n e l a n d D o w7在精确的牵引传动中作了牵引力的分析 , Zhang等 8和 Zoh等 9开发了可用环球牵引传动的分析模型 ,并研究了侧滑和牵引力以及该 CVT动力学和传动控制过程 。Raghavan10导出了全环球牵引传动的操纵控制的精确几何关系。 Cretu 11和C r e t u a n d G lo v n e a12介绍了常功率牵引传动原理和提出了该传动的解。 本文提出一个牵引传动的原型 ,它只采用一个半环盘 ,该装置可以在输出转矩变化大的情况下保持传递功率在小范围变化。 2 工作原理 2.1 装置的说明 图 1示一装置的简图 ,该装置表明它可合理保持功率传递为常数。 图 1 环球传动 CP CVT 简图 该装置由两个输入盘和圆锥盘和两个半环组成 ,锥盘固定在输入轴 ,环盘相对于轴可纵向滑动 ,若干钢球均布于两盘之间 ,这些钢球位置用罩壳周向固定 (如图所示 )。该罩壳允许各钢球有四个自由度 (三个转动和一个移动 )。这些钢球与输出盘接触 ,输出盘也可能为锥形 ,输出盘通过球 2螺旋型联轴器把功率传到出轴。球形中间元件 通过两弹簧的予加载荷使它和盘间的保持接触 ,一个弹簧装于输入轴在环盘的后面 ,而另一弹簧装于输出轴 ,它压力作用于输出轴。依据钢球和盘对球自转轴之间接触点的距离速比有一个大的变化 ,输出转矩的改变导致钢球位置改变如图 1(b)所示 ,它将表明于下节确定速比的变化。速比的变化造成装置有可能承受合理稳定的功 率传递。 2.2 中间元件的运动学 为了确定装置的一中间钢球的主要几何特性和其运动学之间的关系如图 2 所示。 图 2 一球形中间元件和作用角 A ,B和 C分别表示钢球和环盘输入盘和输出锥盘之间接触点 ,选择一个以钢球中心为轴心的笛卡尔座标系 ,x 轴平行于常功率 CVT(CP CVT)的轴线 ,三个接触点在该座标系中有以下座标。 A(R cosa,-2R sina) ； B(-2R cos ,-2R sin )； C(R cos ,R sin ) 由于事实上所有三个接触点都位于同一平面内 ,所给平面这些点的速度具有一个 垂直于平面的方向 ,因此在以下关系内 ,除了它不平行于 XOY平面外 ,速度方向将不再阐述。 属于输入盘接触点速度给定为 11s i n ； s i nA d B dV r R V r R （ 1） 式中 r 是变角的函数 ,可写成 s i n ,or r R （ 2） 其中1 .R R R 钢球以一 个角速度2转动 ,关于自转轴 的斜率 tanm ,由图 2 ,属于钢球接触点的速度如下 2 ；AbV A A 2 ；BbV B B 2CbV C C (3) 根据图 2 导出轴 到接触点的距离为 : s i n ( ) ；A A R a s i n ( ) ；B B R s i n ( ) .C C R （ 4） 由公式 (3) 可写成以下等于 : AbBbVAABB V （ 5） 设计 -工作在牵引曲线的线 性区间的牵引传动 ,即由 Zhang等用蠕变速度确定在接触区滑动很 小 8。这意味着在式 (1)和 (3)内相应的速度可以认为等于式(1),(4)和 (5) ,钢球的自转轴的斜率给出为 : s i n s i nt a n c o s c o s s i n ( )rm rR （ 6） 基本计算后 ,速比13/i 可写成 : s i n c o s ( s i n )s i n c o s s i nm rRi m r R （ 7） 代入由式 (2) 算出的 r ,上式可进一步写成 : c o s s i n s i n s i nc o s s i n s i no om r R Rim r R （ 8） 2. 3 中间元件的动力学 图 3a示一钢球的分离体图 ,当由装置传递转矩为最小和由于只考虑位于输入轴和输出轴上弹簧的轴向 x 时 ,在该位置角等于零。环形输入盘以0AF。 表示的平行力压在一钢球上 ,相应在输出盘上的力是0CF ,该钢球由恒等方程式这些力之间的关系如下 : 图 3 一中间中元件在两不同位置的 FBD 00t a n()t a n t a nCAFF （ 9） 当一阻力矩作用于输出轴时 ,在 c点轴向力的新值可以写成为 : 0C C CF F F (10) 式中由球 -螺旋联轴节引起的CF可求出为 22t a n ( )CTF D （ 11） 一个在接触点 C的水平力的增量破坏了在钢球上的力的平衡 ,它使钢球移动到一个新的平衡位置 (见图 3(b) ,在该新位置 ,作用在 A 点的力为 0A A AF F F (12) 在该几何外形 ,力AF和CF的关系为 t a n c o s s i nt a n c o s s i nACFF （ 13） 由于一转矩作用于输出轴 ,根据方程式 (9)到 (13)可以求得作用在 A 点的轴向力变量表达式如下 : 0t a n c o s s i n t a nt a n c o s s i n t a n t a nAAFF （ -1 ）22 t a n c o s s i nt a n ( ) t a n c o s s i nTD +（ 14） 进一步推导可求出转矩 T : 20 t a n ( )t a n t a n t a n()t a n t a n 2 t a n t a nA DT F F -1 （ 14a） 式 (14a)表明依据于接触的角输出转矩以及包括和速比的关系。 作为转矩函数的传递功率由下式给出 : 13 0 0( ) ( )P T T T Ti (15) 式中 200 t a n ( )2C DTF 钢球螺旋联接的特性不可任意选择 ,它的值受牵引函数的限制。在接触点 C的 EH牵引力造成所要求的输出转矩 ,因此由 EHD使转矩相等以及由钢球螺旋联接可求得以下关系式 : 2 t a n ( )2 c o sCRD (16) 3 讨论 如以上表明的功率传递与输出转矩和速比的关系 ,它们通过接触角相互联系。因此采用自动调整速比的大小可以保持传递功率稳定。 对于一个几何形状已知的装置 ,输出转矩造成 角确定的变化 ,这些变化可以改变作用于后环盘的作用力AF。 进一步研究影响传递功率的AF两种情况 : 固定的力和弹性的力。从实际观点出发 ,采用液压负载装置力AF 可以随角变为任意所需的形式。 3. 1 力AF定值 在这种情况后环盘的力为定值而AF等于零。因而式 (14)成为 : 20 t a n ( )t a n c o s s i n t a n)2 t a n c o s s i n t a n t a nA DTF （ (17) 式 (17)给出了输出转矩对角的关系 ,并解式 (8)和 (15)可求得牵引传动的特性。图 4 (a)和 (b)示速比、转矩和输出功率为角的函数。角和的值的选择应使获得的功率的变化为 最小。 图 4 (a)固定力情况速比和转矩与角的变化关系 (b)固定力下功率与角的变化关系 对于相对两较小的角值 (大约为 45 )和较大的值 (接近 77 ),速比和输出转矩随角而增大 ,但速比几乎具有一个 线性关系时 ,转矩接近随的平方增大 , 这将造成功率传递显著稳定 ,变化为 4.8%,值由 0到 50 ,作动元件的确定量为 10( 0 . 0 9 , 0 . 0 6 , 0 . 1 2 )R m R m r m 3. 2 弹性型的力AF 在这种情况 ,假定该后环盘面的力由已知特性的弹簧产生的。由输出锥盘造成环盘位移决定钢球位移 ,因此产生弹簧通过一距离 X 附加的一个压缩力 ,力AF的变化可表示为以下形式 : AF K X (18) 式中 K表明为弹簧的弹性常数。 环盘的轴向位移等于弹簧的附加压缩力 ,由图 5所示的简单几何关系求得 图 5 环盘的轴向位移 c o s ( )1c o sXR (19) 联立方程式 (14),(18)和 (19)求得输出转矩 T和接触角之间的关系 0t a n c o s s i n t a nt a n c o s s i n t a n t a nAF （ -1 ）22 t a n c o s s i nt a n ( ) t a n c o s s i nTD + = c o s ( )1c o sKR (20) 图 6(a)和 6(b)示速比 ,转矩和功率随角在图 4 所示相同范围变化而变化。 对于参量 (约 50 ) 和 (约 72 ) 选择最合适的值 ,对在 0和 57范围内获得 P的变化不大于 7%。另一面对作动元件尺寸的选择使功率最好的变化 ,而它们与上述情况10( 0 . 0 8 5 , 0 . 0 4 , 0 . 1 2 )R m R m r m 不再一致。对于变速箱作动元件的最后尺寸与所要求的功率和转矩有关。 明显的问题是作用于环盘上的力与角有关 ,它造成在所要求角度大小范围内输出功率不变。消去式 (14)和 (15)之间的 T 并保持功率不变 ,可以用算出的不连续值拟合的曲线求得该力。一个多项式函数给出和一与三个与作动元件尺寸即钢球和环面的半径有关的 函数很好拟合 ,该力AF可以写成 : 320 ()AAF F a x b x c x d (21) 上述公式内常数可以选择牵引传动的几何尺寸和所要传递的功率来确定。 图 6 (a)对于弹性力速比和转矩随角的变化 (b)对于弹性力功率随角变化 4 结论 原始 CP CVT牵引传动描述和分析稳定保持输出功率的能力。 装置由两个输入盘一个锥体和另一半环 ,一个锥形输出盘 以及许多环形中间元件组成。 CP CVT的运动学和力分析说明速比 ,输出转矩、功率传递和内部的几何外形之间的相互关系。本研究有 4个主要的结论 : 1. 环盘后有一个稳定的力 ,与速比变化从 1到 2.5时 ,输出功率的变化小于5%。这在钢球和输入锥盘之间接触角较小的情况下可以看到 ,而在和输出盘接触角较大情况则更为有利。 2. 对于速比在 1和 2.5之间 ,作用在后环盘上一个弹性的力 ,输出功率的变化小于 7%。与固定的力情况相比较 ,和输入锥盘的接触角较小 ,而和 输出盘接触角较小。 3. 当力作用在环盘上对接触角有一个多项式关系 时 ,可求得该 CP CVT牵引传动的最佳特性。对装置尺寸选择一最合适的数值 ,求得一个完全固定的输出功率 ,速比在 1和 3之间变化 ,采用液压负荷系统这点可以实现。 4. 该装置建议免去任何钢球位置转轴必须的控制 ,因它们自身调整运动学状况。该特性提供了超过其他环状牵引传动的确定的优点。牵引传动成为用于汽车变速箱的很好的候选装置 ,构成它的一个优点是输出功率在固定水平的自动调整 ,从燃油经济性观点出发 ,发动机可在扩展时期以最优状态实际运转。 名称 2D=钢球螺旋联轴节名义半 mean radius of the ball-screw coupling i =速比 transmission ratio k =后环盘弹簧的弹性常 elastic constant of the spring behind toroidal disc m =球自调转轴的斜率 tan slope of the self-adjusted rotation axis of the sphere P=功率 power r =从球中心到轴的轴心的距离 distance from the center of spheres to the axes of theshafts 0r=环的半径 radius of the torus R =钢球球面半径 radius of the spherical balls 1R=环面半径 radius of the toroidal surface V =速度 velocity T=转矩 torque =球和环盘之间接触角 contact angle between spheres and the toroidal disc =球和输 入锥盘之间接触角 contact angle between spheres and the input conical disc =球和输出锥盘之间的接触角 contact angle between spheres and the output conical disc = EHD 牵引系数 EHD traction coefficient =螺旋联轴节角度 angle of the screw coupling =螺旋联轴节摩擦角 friction angle in the screw coupling 1=输入轴的角速度 angular velocity of the input shaft 2=钢球的角速度 angular velocity of the ball 3=输出轴角速度 angular velocity of the output shaft * =本文指数 b 和 d 分别参见球和盘 In the text indexes b and d refer to the balls and discs, respectively 参考文献 1 Arita, M., 2000, Recent CVT Technology and Their Effect on Improving Fuel Economy, Proceedings International Trib. Conference, Nagasaki, Japanese Society of Tribologists, pp. 197201. 2 Ishihama, M., 1995, The Technological Trend of Automobile Fuel Economy and the Role of Tribology, Proceedings International Trib, Conference, Yokohama, Japanese Society of Tribologists, pp. 16611666. 3 Tanaka, H., 1989, Power Transmission of a Cone Roller Toroidal Traction Drive, JSME Int. J., 32(1), pp. 8286. 4 Nagata, H., Ishibashi, A., Hoyashita, S., and Takedomi, H., 1991, A Variable-Speed Traction Drive With Spherical Disks-Mechanism of Traction Drive and Method for Calculating Power Transmission Efficiency!, JSME Int. J., Ser. III, 34(4), pp. 518525. 5 Machida, H., 1993, Development of Traction Drive CVT for Automobiles, J. Jpn. Soc. Trib., 38(7), pp. 593598. 6 Tevaarwerk, J. L., and Johnson, K. L., 1979, The Influence of Fluid Rheology on the Performance of Traction Drives, Trans. ASME, J. Lubr. Tech., 101, pp. 266274. 7 Kannel, J. W., and Dow, T. A., 1986, Analysis of Traction Forces in a Precision Tr