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硕士论文车用功率分流式无级变速系统的设计与建模 摘要 针对微型汽车与经济型轿车，提出了一套新型车用功率分流式无级变速系 统，系统通过无级变速单元与二自由度行星轮系的组合实现了功率分流与无级 变速，具有成本相对较低，传动效率相对较高的优点。 本文对系统实现的具体方案进行了深入的研究，初步完成了系统的总体设 计和零部件设计。为确定系统重要设计参数与系统性能之间的关系，建立了数 学模型并进行了仿真计算，同时也研究了重要设计参数对性能的影响规律。应 用计算机辅助设计技术建立了系统的3 维几何模型，为后续样机试制工作的开 展打下了良好的基础。 本文的研究工作表明，有较高性能价格比的新型车用功率分流式无级变速 系统相对于常规的多挡机械变速器具有较强的竞争力，作为一种更新换代产品， 具有良好的应用前景。 关键词：功率分流式无级变速系统汽车传动系统设计建模与仿真计算机 辅助设计 堡主望苎圭旦垫垩坌遂苎差望壅壅墨竺塑垦生兰墨塑 a b s t r a c t i nv i e wo fm i n i c a ra n de c o n o m i c a lc a r ，an e wt y p eo fp o w e rs p l i t c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o ns y s t e m ( a b b r e v i a t i o na sp s c v t ) f o rv e h i c l e si s p r o p o s e d t h a ts y s t e ms y n t h e s i z e s t h e c o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o nu n i tw i t ht h ep l a n e t a r yg e a rs e tw i t ht w of r e e d o m s o fm o t i o nt or e a l i z et h e p o w e rs p l i t a n d 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 w h i c hc a r li o w e rt h ec o s ta n d i m p r o v e t h ee f 矗c i e n c y p r a e t i c a is c h e m er e a l i z a t i o no ft h e s y s t e m i ss t u d i e di n d e p t h c o l l e c t i v i t yd e s i g na n dp a r t sd e s i g nh a sb e e nf i n i s h e dp r i m a r i l y t om a k e c e r t a i nt h ec o n n e c t i o no ft h e i m p o r t a n td e s i g np a r a m e t e r s a n dt h e p e r f o r m a n c e o ft h e s y s t e m ，m a t h e m a t i c sm o d e l w a se s t a b l i s h e da n d s i m u l a t i o nw a sm a d e ，v a r i e t yr u l eo ft h es y s t e mc a u s e db yt h ei m p o r t a n t d e s i g np a r a m e t e r sw a se x p l o r e da tt h es a m et i m e 3 dg e o m e t r i cm o d e l h a db e e nu p b u i l tb ya p p l y i n gc o m p u t e ra i d e dd e s i g nt e c h n i q u e ，w h i c h l a i dt h eg o o df o u n d a t i o n sf o rf o l l o w i n g p r o t o t y p ed e v e l o p m e n t t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tp s c v tf o rv e h i c l e s w h i c hh a sh i g h p e r f o r m a n c e c o s t r a t i o ，h a ss t r o n gc o m p e t i t i o na d v a n t a g e r e l a t i v et o c o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a lm u l t i g e a rt r a n s m i s s i o n a san e w p r o d u c t i t h a s g o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e y w o r d s p s c v td e s i g no fa u t o m o b i l ed r i v et r a i n m o d e l i n ga n d s i m u l a t i o n c o m p u t e r a i d e d d e s i g n 2 堡主丝苎 主旦些奎坌堕茎墨堡壅望墨竺堕望茎兰垄塑一 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 随着我国加入世界贸易组织和国内汽车工业的快速发展，我国已经进入汽车 发展的高速期，如何改善汽车的动力性和经济性已经成为汽车行业内相当关心 的问题，而变速器则是关系动力性和经济性的重要部分。 汽车起步时的速度为零，为了尽快提速，需要有最大的动力和最大的转矩， 而发动机的动力特性表现为低转速时功率小、扭矩低，发动机的高速运转和汽 车低速状态下的提速产生了矛盾。发动机常用工况远离其经济油耗区，发动机 大负荷率利用率不高及变速器速比分布不理想等“1 ，这些都严重影响了整车的动 力性和经济性口1 。为了保证发动机输出功率和路面行使阻力达到最佳匹配，维持 发动机的工作点不变，使得汽车具有同等功率发动机一样的驱动功率，充分发 挥发动机的功率，改善汽车的动力性，需要在汽车上面装配了变速器。 当前汽车上普遍使用的多挡机械式变速器，从节能环保与提高车辆性能的要 求来看，均迫切需要研制和开发新型变速系统，以满足当前的社会需求。 为了改善汽车的驾驶性能，出现了自动变速器。而目前在汽车上广泛使用的 自动变速技术是将液力变矩器和行星齿轮系组合，其有着明显的缺点：液力传 动的效率较低，影响了整车的动力性能和燃料经济性；如果增加变速器的挡位数 来扩大无级变速覆盖范围，就必须采用较多的执行元件来控制行星齿轮系的动 力传递路线，从而导致自动变速器零部件数量过多，结构复杂，成本较高。所 以汽车业开始研究其他新型变速技术，无级变速技术就是其中最被看好的一种。 无级变速技术即c v t ( c o n t i n u o u s l yy a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) 技术，采用带 传动和工作直径可变的主从动轮相配合传递动力。它是方便驾驶、提高车辆燃 油经济性的理想装置。由于c v t 可以实现传动比的连续改变，从而得到传动系 与发动机工况的最佳匹配，提高整车的燃油经济性和动力性，改善驾驶员的操 纵方便性和乘客的乘坐舒适性，所以它是理想的汽车传动装置。 无级变速系统( c v t ) 和常规的变速系统相比较，在以下方面显示出良好的 优越性： 经济性：c v t 可以在相当宽的范围内实现无级变速。理论上，只要根据相应 的发动机节气门开度控制系统，按无级变速器的调节特性调节c v t 传动比，就 堡主笙壅 兰旦兰奎坌亟苎蒌堡壅垄墨堕塑垦堡皇壅坚一 可以实现车辆在任何道路条件下各种车速行驶时，发动机均沿最佳燃料工作曲 线工作。使汽车获得最佳燃油经济性。 动力性：汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速能力。汽车的后备 功率越大，汽车的动力性越好。由于c v t 的无级变速特性，能够获得后备功率 最大的传动比，所以c v t 的动力性能明显优于机械变速器( m t ) 和自动变速器 ( a t ) 。 本论文的研究对象是针对微型客车的领域而开展的( 主要技术参数见下表 1 1 ) 。当前，纯金属带液压控制式无级变速系统已经在国际上应用于轿车产品 中，但由于成本高等，只能适用于高档轿车，无法在微型客车上普及；而低成 本的v 型胶带传动无级变速系统由于传递的功率很小，可靠性和耐久性都较差， 尽管在摩托车上得到了极大的成功，却无法应用于微型客车。本课题的目的就 是研究一种新型的适用于微车的无级变速器，使其具有无级变速器的优点，又 能最大程度上的简化结构，降低成本。这对我国微车节能、环保、产品升级换 代与提高车辆性能都具有重要意义。 表1 1 微型客车主要技术参数 参数数值单位 车辆总质量m 1 5 0 0 k g 车辆迎风面积a 2 4m 2 最高车速u 。， 1 0 0k m h 发动机最大功率p 一。 3 5k w 滚动阻力系数c ， 0 0 i 4 空气阻力系数c 。 o 5 5 1 2 p s c v t 技术的研究现状及发展趋势 尽管常规的齿轮变速箱并不理想，但其以结构简单、效率高、功率大三大 显著优点依然占领着汽车变速箱的主流地位。这种状态一直延续到现在。但是， 人们始终没有放弃寻找实现理想汽车变速器的努力。各大汽车厂商对无级变速 器( c v t ) 表现了极大的热情，极度重视c v t 在汽车领域的实用化进程，这也是 汽车变速器的研究的终极目标。 德国奔驰公司早在1 8 8 6 年就将v 型橡胶带式c v t 安装在该公司生产的汽 油机上。1 9 8 4 年v a n d o o n e 发明了金属v 型带，f o r d 公司1 9 8 7 年在世界上首次 堡主堡奎 主旦垫皇坌塑壅垂堑壅圣墨篓堕垦盐兰塞堕 将装有钢带的c v t 轿车引入市场，受到用户好评。进入2 0 世纪9 0 年代，汽车 界对c v t 技术的研究开发更日益重视。全球科技的迅猛发展，新的电子技术与 自动控制技术与工艺不断被运用到c v t 中，装备c v t 的汽车不断被开发出来。 1 9 9 7 年，日产公甸开发了使用在2 0 升汽车上的c v t 。日产公司研究开发c v t 的电子控制技术，传动比的改变可实行全挡电子控制。日本的三菱公司也选择 了c v t 装备汽车，1 9 9 7 年，日本富士重工集其1 5 年开发经验将它的v i s t r o 微 型车装备了全计算机控制式e c v t 。1 9 9 9 年，美国f o r d 公司和德国z f 公司合 作为f o r d 公司的轿车和轻型货车生产c v t 。z f 公司设计的c v t 是一神变矩器 式变速器j 。 针对c v t 系统的传递效率问题和提高传递带的使用寿命问题，国外开展了 金属带的研究，值得一提的是奥迪公司的新成果：m u l t i t r o n i c 多功能c v t 无级 变速箱【5 】，它进行了多项技术上的改进、提高和发展。大排量6 缸内燃机( 2 8 l ) 的奥迪a 6 轿车上装备上的片式链带无级变速箱m u l t i t r o n i c c v t ，能传动1 4 2 k w ( 1 9 3 b h p ) 功率，根据欧盟规定的平均油耗，它比其他普通5 速自动变速箱降 低了0 9 升。其变速箱的转矩传动，是通过一个位于两队锥形齿轮盘之间的链带， 这两对齿轮盘中，各有一个可以轴向移动，这样，链带可向外或内运动。相应 的，转矩传动比也可以变化。它使汽车的启动迅速有力，使在高速公路上的行 驶省油、舒适、快速。转矩的传送全靠平头钉和锥形齿轮之间的摩擦。 由于受到各主要汽车厂如美国的福特、意大利的菲亚特、日本的富士重工 的青睐”3 ，大大提高了世界上各大学、研究机构、零部件制造商对金属带研究的 兴趣，几乎整个从事c v t 学术理论研究和从事实际运用的同行都把重点放在了 金属带式c v t 系统的研究上，在这种趋势的影响下，国内的重庆大学、吉林大 学和东北大学都是在这个领域开展研究工作。但有一点清楚的是，金属v 带由 于其加工的复杂性，成本相当高，整个系统的造价很高，目前仅适用于高档汽 车上。 当前，在摩托车中广泛应用了v 型胶带无级变速系纠7 1 ，它通过离心滚柱 在不同速度下产生不同的离心力操作主动可动盘轴向移动实现连续变化的速 比a 此种变速系统操作方便、结构简单、成本低，在摩托车上取得了极大的成 功。其中，南京金城铃木摩托车有限公司对摩托车用c v t 的研究值得借鉴，它 基于v 型胶带详细分析了踏板摩托车c v t 变速系统的受力分析，建立了相应的 数学模型。但由于v 型胶带无级变速系统存在效率低、传动功率小等问题，也 不可能直接将其应用于微型客车。 目前，许多专家开始研究一些新型无级变速系统以应用于微型客车。功率 堡主堕奎， 圭里塑皇坌亟塞垂堡壅堕墨竺竺堡生皇塞竖 分流式无级变速系统( p o w e rs p l i tc o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，简称 p s c v t ) 就是其中很有前景的一种，它突破了目前c v t 系统研究领域的局限性， 使c v t 系统的实际应用迎来一个新的发展期。 p s c v t 由一套可交传动比的v 型胶带和行星轮系构成，行星齿轮系有两个 输入，因此动力由两条路径输入：一条是动力通过v 型胶带传到行星齿轮系， 另一条是动力直接传到行星齿轮系，然后两股动力合成形成输出。此种无级变 速系统的优点是带只传递一部分的动力，可以有效的解决带传动的功率小，效 率低的问题。 1 9 6 5 年m a c m i l l a n 和d a v i e s 提出了功率分流式带一行星轮系无级变速系统 动力学的布置方案；随后，在1 9 6 7 年，w h i t e 对其作出了功率流分析；1 9 7 5 年 一1 9 9 4 i s - g 年间，c h a d d a ，h s i c h 等人分别作了机械效率分析，l e r n m e n s a 、t a k a y a m a 、 j p m a c e y 和h v a h a b z a d e h 等也提出带一轮系无级变速系统，台湾成功大学机械 工程研究所在九十年代提出了一套设计带行星齿轮无级变速系统的系统化方 案，并进步进行了运动分析、功率流分析；2 0 0 1 年。v h m u c i n o 、g m a n t r i o t a 1 0 1 等人分别提出了新的系统布置方案，并从理论上说明了功率分流式无级变速系 统的优点和可行性。 国外，目前在意大利的d e l l ab a s i l i c s t a 大学、美国的弗朗西斯大学等都 开展了对p s c v t 系统的结构分析、运动学分析、效率分析的研究和试验工作， 但p s c v t 系统在汽车上的实际运用装备的研究工作尚未开展。国内，现除我校 在开展这方面的研究工作外，其它单位很少有开展这方面的研究工作，这方面 的学术文章也刊登的较少。p s c v t 系统的研究领域极具前沿性。 i 3 研究的主要内容 本课题针对微型客车提出了车用功率分流式无级变速系统( p o w e rs p l i t c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o ns y s t e mf o rv e h i c l e 以下简称p s c v t 系统) 的传动方案( 参考图1 1 ) ，在结构上采用了将常规带式无级变速装置同 传递效率很高的齿轮传动装置相结合，实现了功率的合理分流，改善了传统的 c v t 存在的传递效率低、起步性能差、传动功率小、成本过高等问题。 本论文主要涉及p s c v t 系统的总体设计、系统的数学建模、部件设计和系 统的几何建模。具体主要是做以下几方面的研究工作： i 、根据系统设计的目的与原则进行合理的方案设计，并对采取的方案作结 构分析，充分考虑关键部件的选用。 硕士论文车用功率分流式无级变速系统的设计与建模 2 、利用数学建模对整个系统进行几何分析、运动学分析、功率及效率分析、 动力学分析，建立起系统的重要设计参数与系统性能之间的关系，然后使用 m a t l a b 软件，对系统的性能进行仿真，研究了设计参数对性能的影响，从而确 定全部的参数值。 3 、按照系统的设计要求，对关键部件进行设计，包括行星轮系中齿轮的设 计、胶带的选择或设计以及离合器等主要部件。 4 、利用优秀的c a d c a m 软件u g ，对系统建立3 d 几何模型，使设计结 果能够具有实用性。 广一一一一一一一- t - 一j 图1 1 p s c v t 系统示意图 一 第5 页 堡主笙壅 主旦兰奎坌堕苎差堑壅望墨竺竺望兰兰堡蔓一 2p s c v t 系统的总体设计 2 1 设计目的与原则 p s c v t 系统安装于发动机和驱动桥之间，其主要功能是i l l 】： l 变速与变矩：通过改变变速器的传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范 围，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利( 功率较高而耗油率较 低) 工况下工作； 2 设置倒挡：在不改变发动机旋转方向的情况下使汽车能倒退行驶， 3 设置空挡：利用空挡，中断动力传递，以使发动机能够起动、怠速；在滑 行或停车时发动机和传动系能够保持分离。 对该系统的设计提出如下基本要求：减小系统的重量和体积，使结构紧凑； 提高传动效率，从而改善燃油经济性；尽可能的采用标准件，缩短研制的周期： 控制产品成本，使之能够适用于微型客车。 2 2 系统的总体结构 本文所提出的p s c v t 系统主要由一组两自由度行星轮系、一组可变带轮半 径的带式无级变速装置、离合器以及增速、减速齿轮副等组成，设计方案参考 图2 1 。随着发动机转速的变化，p s c v t 系统中各零部件的工作状况都有所改变， 从而改变了发动机到p s c v t 系统的功率传递路线。根据功率传递路线可以将 p s c v t 系统分成以下几种工况：怠速、低速工况( 起步工况) 、中速工况( 无级 变速工况) 、高速工况( 直接传递工况) 。 堡主堕苎 主旦塑皇坌堕墓垂堡壅垄墨笙丝兰生兰墨塑一 1 输入轴2 v 型胶带3 离心块式离合器4 一主动带轮5 倒挡增速从动齿轮6 一倒挡减速主动 齿轮7 变速单元增速主动齿轮8 电磁离合器9 一变速单元增速从动齿轮l o 一变速单元减 速从动齿轮1 1 内齿圈1 2 内齿圈制动器1 3 。电磁离台器1 4 直接挡减速主动齿轮 1 5 一 行星轮1 6 一行星架1 7 - 太阳轮1 8 直接挡减速从动齿轮1 9 - 输出轴2 0 一变速单元减速主动齿 轮2 1 中间轴2 2 倒挡惰轮2 3 带花键套的换挡齿轮2 4 一倒挡增速主动齿轮2 5 一从动带轮 2 1 无级变速系统的机构示意图 p s c v t 系统通过发动机节气门的开度和发动机转速控制离合器与制动器的 工作状态，从而实现变速系统工作状态的转换，各工况下离合器与割动器的状 态控制见下表2 1 。 表2 ，l 变速器各器件的控制状态 电磁式离合 离心块式离合器3换挡齿轮2 3电磁制动器1 2 s】3 怠速断开接合分离分离接合 低速接合结合分离分离接合 中速接合接合接合分离分离 高速接合接合分离接合分离 倒挡接合断开分离接合分离 加大发动机节气门的开度，当发动机转速提高到一定值时，离心块式离合器 3 接合，使用换挡齿轮2 3 连接两个轴而断开与倒挡惰轮的啮合，并通过发动机 转速控制系统，使得p s c v t 自动进入无级变速工况，汽车大部分的时间是在此 堡主丝奎 兰旦塑兰坌堕塞歪堡壅望墨竺盟堡生皇塞堕一 工况下行驶的。此时，控制机构使电磁离合器8 结合，离合器1 3 仍然处于断开 状态，并且让内齿轮控制器1 2 断开，这样，当功率到达中间轴以后就可以实现 功率分流：一部分功率直接传递给固定在中间轴上的行星轮系的太阳轮1 7 ：另 外一部分的功率则经由无级变速单元( c o n t i n u o u sv a r i a b l eu n i t ，简称c v u ) ， 到达行星轮系的内齿圈1 1 ，然后两股动力合二为一通过行星架1 6 输出到输出轴 1 9 上。 无级变速单元( c v u ) 包括增速齿轮副7 - 9 、减速齿轮副1 0 2 0 、主动带轮4 、 从动带轮2 5 以及v 型胶带2 以及电磁式离合器8 。每个带轮又由一侧可轴向移 动的动盘与另一侧的定盘组成，由控制执行机构推动动盘作轴向移动，即可连 续改变带轮的工作半径使无级变速单元的传动比连续变化，从而可以改变整个 变速器的传递比。功率先经由增速齿轮副7 - 9 和电磁离合器8 传递到主动带轮， 然后由v 型胶带1 9 传递给从动带轮，再流经减速齿轮副l o 一2 0 到达行星轮系内 齿圈l l 。 为了增大汽车起步或爬坡时的动力，在p s c v t 系统中设置了低速工况行驶 机构。当发动机转速达到一定值时，离心块式离合器3 的离心飞块有足够的离 心力使得离合器结合，同时，换挡齿轮2 3 仍然连接两令轴而断开与倒挡惰轮的 啮合，功率通过换挡齿轮2 3 直接传递给中间轴2 1 ，并且电磁式离合器8 和1 3 都处于断开状态，而内齿轮制动器1 2 则处于结合状态以限制内齿圈转动，这样， 汽车就进入低速工况。在此工况时，功率只能流经中间轴到达行星轮系，然后 通过行星轮架1 6 传递到输出轴1 9 上。在此过程中，系统的传动比为定值。 汽车高速行驶时，为了提高其经济性，系统还设置了直接挡。随着节气门开 度的加大，当发动机转速达到足够大的时候，汽车进入高速工况。此时，为了 提高变速系统的传动效率，控制系统控制离合器8 分离，内齿轮制动器1 1 断开， 而离合器1 3 接合，行星轮系作为一个整体旋转，发动机输出的功率经过前进挡 传递到中间轴上以后，先经过增速齿轮副7 - 9 到达离合器1 3 ，然后经由直接挡 减速齿轮副1 4 1 8 传递给输出轴1 9 ，车辆可以较高速度行驶。 为了使系统能够实用，尚需在系统上设置空挡和倒挡。 在发动机点火时，汽车处于怠速工况，p s c v t 系统输入轴的转速很低，离 心块式离合器内2 的离心飞块没有足够的离心力使离合器处于结合状态，发动 机输出的功率无法传递给变速系统，系统处于无负载状态，即空挡。 当汽车需要倒挡时，则可利用机械换挡的方法来实现。该结构中，决定系统 处于前进挡或倒挡的关键部件是换挡齿轮2 3 与倒挡情轮的啮合状态：如果换挡 齿轮2 3 连接两个轴，则系统处于前进挡状态：如果换挡齿轮2 3 断开两轴的连 堡主堕壅 主旦望兰坌煎茎垂丝壅垩垂笙盟堡生皇望壁一 接，并且使得换挡齿轮2 3 与倒挡惰轮啮合，则系统处于倒挡状态。由于倒挡时 车速不是很大，所以在此过程中，电磁离合器8 和内齿圈制动器1 2 应该断开， 此时无级变速单元不起作用。 2 3 关键部件的介绍 2 3 1 无级变速单元( c v u ) v 型胶带无级变速单元是使用最广泛的一种无级变速单元之一，它结构简 单，特别是近年来，由于v 型胶带质量的提高，并设计了风扇对v 型胶带进行 冷却( 参考图2 2 ) i t 2 ，这种机构的应用越来越广。但是由于v 型胶带传递的功 率有限，效率远低于齿轮副传动，所以大都应用于较小功率的传递，无法将其 直接使用在汽车上。 根据无级变速单元的控制方式不同，可以将其分为三类：液压式、电控式 和机械式。 液压式是当前采用的较多的一种控制方式，优点是能够产生足够大的推力， 但也有许多难以克服的缺点，如效率不高，执行操作不够准确，尤其结构和控 制系统复杂，成本很高，仅适用于高档汽车。 电控式通过步进电机旋转，带动丝杠旋转，从而推动变速器主动盘做轴向 移动实现速比的连续变化。这样做简化了整个执行机构的结构，并且控制简单， 但目前该技术尚不成熟，处在研究阶段。 机械式又有多种实现方法【i ”，其中，离心滚柱式无级变速单元是一种相当 成熟的技术。它通过离心滚柱在不同速度下产生的不同的离心力操作主动可动 盘轴向移动实现连续变化的速比。此种变速系统操作方便、结构简单、成本低， 已经取得了极大的成功。 本课题所设计的p s c v t 是针对微型客车的，通过c v u 单元传递的功率及 转矩均较小，所以，从成本和实用性来考虑，选择离心式无级变速器用作c v u 单元的变速调节部件。 由于v 型胶带无级变速器的传动比变化范围仅为2 4 0 6 ，还不能完全满 足系统在各种情况下对传动比的要求，所以，无级变速器的动力输入、输出端 分别设置齿轮增速、减速机构来满足设计要求，其主要作用是：改变行星轮系 内齿轮的转速方向，并且考虑到无级变速单元c v u 的传递特点，对其先增速减 硕士论文 车用功率分流式无级变速系统的设计与建模 矩，后减速增矩。这样使汽车更经济合理的利用发动机的动力，具有合理车速 及转矩，提高微型客车的适应性和经济性。 无级变速单元c v u 主要包括增速齿轮副、减速齿轮副、主动带轮、从动带 轮和v 型橡胶带以及电磁离合器。主动带轮是通过v 型胶带带动从动带轮转动 的。主动带轮和从动带轮都是由两个斜面相对的半轮构成，主动带轮与从动带 轮的轴距保持不变。构成主动带轮和从动带轮的两个半轮中，有一个半轮的轴 向位置固定不变，另一个半轮的轴向位置由离心滚柱单元根据汽车的行使条件 通过其离心力进行控制，使两个半轮之间的轴向距离可以发生反向连续改变， 当主动带轮的两个半轮的轴向距离增大时，从动带轮的两个半轮的轴向距离就 会相应减小，主动带轮和从动带轮与传动带接触的有效传动半径就会发生反向 改变a 变速器的传动比即为从动带轮的有效半径与主动带轮的有效半径之比 ( f = r 2 _ j 氆) 。当主动带轮的有效传动半径r i 最小，从动带轮的有效半径 r 2 最大时，变速器的传动比将达到最大，当主动带轮的有效传动半径r i 最大 从动带轮的有效半径r 2 最小时，变速器的传动比将达到最小，变速器的传动比 可以在最大传动比和传动比之间连续变化。 汽车剐开始进入无级变速工况时，主动带轮的工作半径较小，变速器可以 获得较大的传动比，从而保证驱动桥能够有足够的转矩来保证汽车有较高的加 速度随着车速的增加，主动带轮的工作半径逐渐减小，从动带轮的工作半径 相应增大， c v u 的传动比下降，使得汽车能够以更高的速度行驶。 在设计增速、减速齿轮时，需要综合考虑传动装置的结构、传动系统的布 置等因素。 为了中断动力传递以满足系统不同的工况，在主动轮的动力输入端还需要 设置离合装置，考虑到控制的简便性，系统选用电磁式离合器。 由于c v u 可以无级改变行星轮系内齿轮的速度，而其传动比属于汽车传动 系统总传动比的重要部分，从而便得系统的总传动比能够实现无级改变，它的 大小关系到整车的动力性和经济性。 2 3 2 二自由度行星轮系 在工业设计中，为了节省能源和材料，对齿轮传动装置提出了岗效率和小 型化的要求。由于行星齿轮传动装置采用数个行星齿轮同时传递载荷。并合理 的采用了内啮合，所以得到普遍的应用。 堡圭堡苎 兰旦塑皇坌堕垄垂堑壅垄墨笙竺堡生皇堡壁 一 行星齿轮传动的类型很多，在设计之前，要根据所设计的用途来选择合适的 类型，以满足传动比的要求，并且要考虑控制的简单性。行星轮系包括太阳轮、 内齿轮和几个行星轮以及行星轮架。行星轮的个数要根据机构的用途来选用 1 4 , 1 5 1 。 在本系统中，根据系统传递功率的要求。选择行星轮系的n g w 结构( 参考 图2 4 ) 。人们可以根据需要把行星齿轮传动安排成多种方式，并且可以很灵便 的将某种传动方式改变成另一种传动方式，从而得出不同的输入一一输出转速 比或改变其相对转动方向。 l 一内齿轮2 一行星轮3 一行星轮架4 一太阳轮 图2 4 行星轮系n g w 型简图 对n g w 结构，有： 4 + 兰l l 一( 1 + 兰l ) ( d 3 = 0 ( 2 1 ) z 4z 4 式中： c o 一一内齿圈的角速度 矾一一行星架的角速度 矾一一太阳轮的角速度 z 一一内齿圈的齿数 z 。一一太阳轮的齿数 在工作过程中，太阳轮是功率输入端，行星架是功率输出端。 1 当汽车低速行驶时，内齿圈制动，= 0 ，有： q = q ( 1 + 二l )( 2 2 ) z t 行星轮系以固定传动比传递动力，此时系统只有一个自由度。 2 当汽车出在无级变速工况时，有： 驴( 0 3 4 + 三z l 。喇l + 眩3 z z 4 系统存在两个自由度，内齿圈可以调节行星轮系的输出转速，从而改变系统 的输出转速。 3 当汽车在直接挡工作时，输出转速和输入转速相同，即吗= 矾，由公式( 2 1 ) 可以得出： l = 吼= 刃4 ( 2 4 ) 行星轮系作为一个整体共同旋转。 2 3 3 空挡与倒挡的实现 1 空挡的实现 在发动机点火时，需要无负荷启动，所以应该在系统中设置空挡。通常采用 在发动机后面添加离合器来实现倒挡。 离合器是一种将驱动侧的回转力( 转矩) 传递给从动侧的连接器，可根据需 要自由地连接或分离【l ”。下面介绍两种常用离合器。 摩擦盘式离合器：靠摩擦盘之间的摩擦力来传递转矩，操纵时需要较大的轴 向压力，并且要经常调整摩擦面间的间隙，以补偿磨损。它需要专门的操纵机 构来断开或连接，结构复杂，成本较高。 离心块式离合器：靠传动轴达到一定的转速，离心飞块在离心力作用下，自 动接合摩擦内鼓传递转矩。它不需要另设一套操纵机构。过载时，能够起到安 全保护作用。由于它在一定转速下才能接合，所以一般直接与动力输入轴相联， 使发动机空载起动。 本系统根据操纵性、承载能力以及成本等各种因素综合考虑，从而选择离心 块式离合器。它直接装配在发动机后面，当汽车点火时，发动机转速很低，离 心块式离合器内部的离心飞块离心力很小，离合器处于断开状态，即整个系统 处于空挡。随着发动机转速的逐渐增加，当离心块式离合器内部的离心飞块离 心力足够大时，使得离合器开始结合，汽车进入低速挡。 2 倒挡的实现 为实现车辆的反向行驶，需要在本系统中设置倒挡。 在机械式变速器结构中，倒挡的型式有多种方案，但因为倒挡的使用率不高， 所以通常选用滑动齿轮方案换入倒挡。为实现倒挡，有些利用在前进挡的传动 堡主丝苎兰旦望垩坌堕茎垂堡壅垄至竺盟垦生皇蕉生 路线中，加入一个中间传动齿轮的方案( 参考图2 5 a ) ；也有利用两个联体齿轮 的方案( 参考图2 5 b ) 1 6 1 。 i i ia 圉b 图2 5 倒挡装置的选择 在本系统中，根据系统传动方案以及功能的需要，参考上面的倒挡结构， 自行设计了一种有效的倒挡装置( 参考图2 6 ) ：在汽车前进过程中，换挡齿轮 上的花套连接两轴，从面实现前进挡：而需要汽车倒挡时，用机械控制换挡齿 轮，使其断开两轴的连接并且滑到中间轴上，换挡齿轮同时与倒挡惰轮相结合， 这样，动力无法从输入轴直接传递到中间轴，而是必须先经过倒挡齿轮系，然 后到达中间轴，从而实现倒挡。 1 一倒挡减速主动齿轮2 一倒挡增速从动齿轮3 一倒挡增速中间齿轮 4 一倒挡增速主动齿轮5 一倒挡减速从动齿轮 图2 6 倒挡结构 倒挡传动比取： 名= 至垒。1 而z 4 堡主堡壅主星兰奎坌鎏茎歪堡壅望墨竺些堡盐皇堡竖 一一 3 系统的数学建模与计算 3 1 概述 数学建模的目的，是建立系统的重要设计参数与系统性能之间的关系，研究 设计参数对性能的影响，从而确定全部的参数值。 在p s c v t 系统的前期开发中，先对系统进行几何分析、运动学分析、功率 和效率分析以及动力学分析，建立起重要设计参数与系统性能之间的关系。然 后模拟出该系统的基本性能，这样，就可以研究重要参数对p s c v t 系统性能的 影响，以此检验设计方案的合理性，并反过来确定p s c v t 系统的重要设计参数， 这样，提高了设计的效率，减小了设计成本和周期。 表3 1 系统的重要设计参数 参数意义单位 q 。v 带主动带轮最小工作直径 m d ，v 带主动带轮最大工作直径 m d mv 带从动带轮最d , i 作直径m d h 。v 带从动带轮最大工作直径m 口 两带轮轴的中心距m 三带长1 1 1 m 单个滚柱的质量 k g b 。压紧弹簧的预紧力n k 。压紧弹簧的弹性系数n m d 滚柱的直径m d o凸轮销子直径m 口 主动带轮驱动面夹角 y 动滚道角度 j 定滚道角度 8 转矩凸轮角度 l 滚柱数目 堡主堕塞主旦垫墨坌鎏茎垂堡銮垄墨堑盟望生兰堡塑 表3 2 特性参数 参数意义 数值 f c 坩一m 带传动比最小值 0 6 设计要求 l mm a x带传动比最大值 2 4 - 五 1 变速单元增速传动比 i 5 2 2根据整车 毛 参数初步 _ 变速单元减速传动比 0 3 5 z 4 确定 z r _ 行星齿轮系传动比 3 z 5 纯滚柱与前离合器移动驱动面、被推板之间的摩擦系数o 1 5 根据材料 弘。转矩凸轮与销予之闻的摩擦系数 o ，1 s 查取 甜 胶带与带轮的最大静摩擦系数 0 4 砰p 2 增速齿轮副的传动效率 仍4减速齿轮副的传动效率 9 8 叩卜。内齿圈与行星轮的传动效率 查表 玩一。太阳轮与行星轮的传动效率 ，7 。带传动部分的传动效率8 0 计算仿真的目的就是求取发动机转速、转矩与输出的转速、转矩之间的关系 以及系统传动比、传动效率和带传动比、传动效率的变化规律。 3 2 数学模型的建立 3 2 1 几何关系 1 主动带轮部分的几何分析 1 8 , 1 9 j 当系统不工作时，离心滚柱由于没有离心力，所以，被移动盘上的压盘紧紧 地压在轴心处，只有在工作状态时，给离心滚柱一定的速度，并且让其有足够 的离心力以推动主动带轮移动盘发生轴向位移，此时，主动带轮移动盘的轴向 硕士论文 车用功率分流式无级变速系统的设计与建模 位移和离心滚柱的轴向位移相等。 如图3 1 所示；主动带轮工作直径d ，轴径为d ，滚柱质心离轴心的距离为 ，滚柱直径为d ，滚道半径为r ，滚道圆心离轴心的距离为d o ，带轮夹角为口， 滚柱和移动盘接触面切向与垂直方向的夹角y 。 根据主动带轮移动盘的轴向位移和离心滚柱的轴向位移相等可以得到： 图3 1 主动带轮部分的几何分析 b - 一m ) t a n ( 詈) = 、( r - d 2 ) 2 - ( d 2 + d - d o ) ：一一4 ( r - d 2 ) ：- ( r - d o ) 2 ( 3 1 ) 8 1 v 2 而 2 2 从动带轮部分的几何分析 如图3 2 所示：从动带轮工作直径d n ，从动带轮移动盘沿轴向移动的位移为 x s ： 以= ( 巩一。一d ，) 辔要 ( 3 3 ) d l t m a x d i i 图3 2 从动带轮部分的几何分析 3 胶带部分的几何分析 一一第1 6 页 硕士论文车用功率分流式无级变速系统的设计与建模 图3 3 所示：沙是带与两轮轴心的夹角。带传动部分的传动比范围为 坩- 。 o m 。“ 图3 3 股带的几何分析 前后两带轮的轴距为： a = ( 1 0 2 ( d ，。+ d ，。) 带在前带轮上的包角为岛，带在后带轮上的包角为铭，有 l = 2 a c o s g + 8 d l + 8 h d s i n 抄：星g 二皇! 口，；万一2 a r c s i n 丝= 堡 。 2 矗 口：厅+ 2a r c s i n 盈二垒 2 a ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 堡主丝塞羔旦垫兰坌堕壅歪丝壅望墨竺竺垦兰兰垄堡 3 2 2 运动学分析 1 一输入轴2 - v 型胶带3 一离心块式离台器4 - 主动带轮5 一倒挡增速从动齿轮6 倒挡减速主 动齿轮7 - 变速单元增速主动齿轮8 电磁离合器9 变速单元增速从动齿轮1 0 - 变速单 元减速从动齿轮1 1 - 内齿圈1 2 内齿圈制动器1 3 电磁离合器1 4 直接挡减速主 动齿轮1 5 - 行星轮1 6 一行星架1 7 - 太阳轮1 8 - 直接挡减速从动齿轮1 9 - 输出轴2 0 变速单元减速主动齿轮2 卜中问轴2 2 ，倒挡惰轮2 3 带花键套的换挡齿轮2 4 倒挡增 速主动齿轮2 5 从动带轮 图3 4 无级变速器的传动结构草图 c v u 主动带轮的输入转速： 岔l = 缸 ( 3 9 ) 式中：砜一一输入轴角速度( r s ) ； 五一c v u 增速主动齿轮的齿数： z ，一c v u 增速从动齿轮的齿数： 定义带的传动比为屯田： 毛阿= 旦= 鲁 ( 3 1 0 ) 刃2 上1 式中：甄一一c v u 主动带轮的角速度； 硕士论文 车用功率分流式无级变速系统的设计与建横 马一一c v u 从动带轮的角速度 d ，一一c v u 主动带轮的工作直径； d 。一一c v u 从动带轮的工作直径： 从动带轮的输出转速： 矾：旦：兰l 。墨 。 i c z li c 胶带的速度为： 。：翌堡 2 定义系统的传动比f c 。，即有： 锄= 丝 “，。w 式中： 一一输出轴角速度； 从变速系统的传动图可知，在系统在低挡工作时，有： 灯= l + 2 2 j 式中：毛一行星轮系太阳轮的齿数： ：，一一行星轮系内齿圈的齿数： 而在高挡工作时，则有： f c = 1 对于中挡，即无级变速的工况，分析如下： 对于增速齿轮副、带传动装置以及减速齿轮副部分，有： 旦：刍鱼垒 口* z 1 2 l d h 式中：巧一一内齿圈角速度； = ，一一c v u 减速主动齿轮的齿数： z 一c v u 减速从动齿轮的齿数： 把式( 3 9 ) 代入式( 3 1 5 ) ，有： 旦：垒圣 窈h z 2 z i c m 对于行星轮系，有一般关系式： zr q + z ，= 。l ， p ( 3 1 1 ) ( 3 ，1 2 ) ( 3 13 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 硕士论文车用功率分流式无级变速系统的设计与建模 式中：吼一一太阳轮的角速度； 劈。一一行星轮的角速度； 又因为c o ；= 和，= 0 ) 。，因此由式( 3 1 8 ) 可以得到 l + 生旦一( 1 + 玉) 竺唑：0 ( 3 1 9 ) z s ( o i nz s ( d i “ 把式( 3 1 2 ) 与式( 3 1 6 ) 代入式( 3 ，1 9 ) ，整理后可得系统传动比i c 为； 1 + 生 i c i r l 2 1 ! ! ! ! ! ! z j 2 2 2 4 i c v u ( 3 2 0 ) 由系统传动比f c 。的计算式可见，带传动装置传动比i c 。的变化范围决定了 系统总传动比的变化范围。 3 2 3 功率及效率分析 已知发动机输出功率和转矩分别为p 、t 。 车用功率分流式无级变速系统在中速工况( 无级变速工况) 时，动力并联地 通过两条路径传输，在忽略损失的假设条件下，有： = e + 只 ( 3 2 1 ) 式中：巴。系统输出功率； 尸通过太阳轮传递的功率； 只一一通过齿圈传递的功率。 以及： 乙= t + z( 3 ，2 2 ) 式中：死，一一系统输出转矩； r 一一通过太阳轮传递的转矩； r 一通过齿圈传递的转矩。 此外，有功率与转矩间的一般关系式： = ( 3 2 3 ) 只= z 吼( 3 ，2 4 ) e = q( 3 2 5 ) 解式( 3 2 1 ) 、( 3 2 2 ) 、( 3 2 3 ) 、( 3 2 4 ) 、( 3 2 5 ) ，可缛： 硕士论文 车用功率分流式无级变速系统的设计与建模 ( 3 2 6 ) 把转速和传动比之间的关系式代入上式，可以进一步得到通过行星轮系的内 齿圈( 即通过c v u ) 的功率分配比，： b ：旦：虹二!c 3 2 7 ) z 2 2 4 。, c 一l z 1 2 3 由于有： 曰l + 岛= 1 所以，直接通过行星轮系太阳轮传递的功率分配比为： b ，：尝：1 一拿( 3 2 8 ) p 。tp 。 j 式( 3 2 7 ) 与式( 3 2 8 ) 表明，功率分配比与系统传动比、带传动装置传动 比f c 。有关。 功率分流式无级变速系统的总传动效率n 可按下式计算： t 1 = b t r l l 一川3 4 q 卜羽c v u + b 刃砷 ( 3 2 9 ) 式中：r 1 2 、仉_ 4 、r _ 和，7 w 分别是对应齿轮副的传动效率，而玎c 是带无级 变速装置的传动效率。 可见，由于并联传递动力的两路径的传动效率不一致，因而变速系统的总 传动效率与功率分配比有关。显然有：t 1 ，一羽：一川川c v u t l ，因丽b 1 越小，即 通过c v u 的功率越小，整个系统的传动效率就越高。 对c v u 部分，其传递功率只为： 日2 鸲叩。：r , ，u 胶带部分传递转矩正为： t t = 9 5 4 9 警詈 3 2 4 动力学分析 ( 3 3