轿车钢带无级变速器设计

1、轿车钢带无级变速器设计+传动方案的设计+传动比设计+整车动力性计算 Metal Belt CVT Design for Automobile ABSTRACTThe metal pushing CVT is a kind of new mechanical frictional type transmission. It provides excellent driving performances including powerful driving capacity, high efficiency, good smoothness, economy, etc. Particularly

2、it is fittest to the spots where driving or medium power and continuously adjusting revolution is necessary. The process of development, basic structure, transmission principle, property characteristic and future trends of CVT are described for its uses of automobile. Metal belt CVT is the ideal veh

3、icle transmission mode, is of national researchers and car companies focus review. The metal belt type continuously variable transmission history of the development, discusses the significance of their research, review of metal belt CVT and foreign research Study, the present situation of the metal

4、belt continuously variable transmission electro-hydraulic control system control strategy trends. This article outlines the historical development of continuously variable transmission, classification, characteristics, and metal belt type continuously variable transmission basic structure, transmiss

5、ion diagram, working principle and the advantages and disadvantages. According to design requirements, conducted a drive in the design, transmission design and vehicle power than calculated. Metal pulley transmission control program design, the design of metal belt, clutch, intermediate reducer, red

6、ucer, planetary gear mechanism design and computational geometry. Every major sector of the transmission parameters of the design was checked, including three clutch, continuously variable transmission mechanism, planetary row, reducer, differential and so on .AccorKey words: strip infinitely variab

7、le CVT transmission design developing tendency摘 要钢带无级变速器是一种新型的机械摩擦式无级变速器,具有承载能力强、效率高、平稳性好、环保节能等优良的传动特性,它特别适用于需要传递中大功率而又需无级调速的场合。主要以其在轿车中的应用介绍了它的发展过程和现状,基本结构,传动原理,性能特点和发展趋势。钢带无级变速传动也是汽车理想的传动方式,是各国研究者和汽车公司研究的重点,回顾了钢带无级变速器的发展历史,论述了其研究的重要意义,评述了金属带式无级变速器的国内外研究现状,展望了钢带无级变速器电液控制系统控制策略研究的发展趋势。本文概述了无级变速器的发展历

8、史、分类、特点以及金属带式无级变速器的基本结构、传动简图、工作原理以及优缺点。根据设计要求，进行了传动方案的设计、传动比设计和整车动力性计算。对照传动方案进行金属带轮设计、金属带的设计，离合器、中间减速器、主减速器、行星齿轮机构的几何参数设计和计算。对变速器各个重要机构的参数设计进行了校核，包括三个离合器、无级变速器机构、行星排、减速器、差速器等。根据各个轴的设计简图，对轴和轴承完成了强度计算和寿命计算。关键词：钢带无极变速 CVT 变速器设计 发展趋势1 前言1.1 变速技术发展简介 汽车变速器是汽车变速器的重要组成成员，由于汽油机控制的额定转矩范围很广，需要用齿轮传动来控制驾驶时汽车速度的

9、变化。早期的汽车传动系，从发动机到车轮之间的动力传递性是很简单的，发动机驱动一组锥齿减速齿轮，在传递到一根轴和皮带轮上。皮带轮和驱动桥上的链轮之间采用皮带传动，小链轮通过在一个驱动轮上的内齿轮啮合，使汽车行驶，而大链轮用来进行汽车加速。如果汽车遇到上坡，此时汽车爬坡能力不够时，驾驶员就停下车子，是小链轮啮合后再驱动汽车。按传动比的变化方式划分，变速器可分为有级式、无极式和综合式3种；按操纵方式划分，可分为强制操纵式、自动操纵式和半自动操纵式3种。近年来，随车车辆技术的进步和汽车密度的加大，对变速器的性能要求也越来越高，众多的汽车工程师在对汽车变速器性能的研究中倾注了大量的心血，使得变速器技术取

10、得了飞速发展。MT的英文全称是（manual transmission）中文称为手动变速器。即用手拨动变速杆才能改变变速器内的齿轮啮合位置，改变传动比，从而达到变速的目的。MT变速箱是目前使用最广泛的变速器，未来手动变速箱的发展趋势是档位不断提高，以使发动机的转矩和转速更好地匹配汽车复杂的工况需求。 1606图1-1 手动变速器结构图随着人们对汽车驾驭简化的要求不断提高，特别是国人希望能简化汽车操作，手动变速箱的市场必定会受到AT、CVT、DCT、三大变速箱的冲击。但MT手动变速箱由于机械可靠性高、结构简单、动力性好这些原因，手动变速箱会是变速箱领域重要的组成部分。AT的英文全称是(Autom

11、atic Transmission)自动变速箱是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。其中液力变扭器是AT最重要的部件，它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，兼有传递扭矩和离合的作用。自动变速器具有操作容易、驾驶舒适、能减少驾驶者疲劳的优点，已成为现代轿车配置的一种方向。 图1-2 自动变速器结构图目前国内自动变速箱比较受欢迎，尽管AT自动变速器使用的液力变矩器会提高车辆10%左右的油耗。和当今节能环保的发展趋势相背，但作为自动变速箱中技术最成熟的一款变速箱，AT在未来一定时间内，AT自动变速箱仍有广阔的发展趋势，市场占有率将进一步提高。DCT的英文全

12、称是(Double Clutch Transmission).中文意思是双离合器变速箱。也有人称之为DSG（Direct-Shift Gearbox），中文表面意思为“直接换挡变速器”。大众汽车在2002年于德国沃尔夫斯堡首次向世界展示了这一技术创新。 新一代DCT变速器采用了双离合器和6个前进档的传统齿轮变速器作为动力的传送部件，主要与高扭矩的发动机配合使用。 图1-3 双离合变速器结构图DCT有一个由两组离合器片集合而成的双离合器装置，由电子控制及液压装置同时控制两组离合器及齿轮组的动作。一个多片式离合器连接1、3、5挡和 倒车挡，另一个连接的是2、4、6挡。在某一档位时，离合器1结合，一

13、组齿轮啮合输出动力，在接近换档时，下一挡段的齿轮已被预选，而与之相联的离合器 2仍处于分离状态；在换入下一档位时，处于工作状态的离合器1分离，将使用中的齿轮脱离动力，同时离合器2啮合已被预选的齿轮，进入下一档。两个多片式离合器的闭合几乎保持在同一时间内完成，整个过程往往只需要0.2秒的时间。目前，国内市场上的汽车中，大众迈腾汽车就使用了DCT变速器。相比较目前中国市场上广泛使用的AT自动变速器，DSG可以降低油耗。与传统MT手动 变速器相比，在整个换档期间能确保最少有一组齿轮在输出动力，令动力没有出现间断的状况。但相比AMT对于MT的改动，由于DCT变速器的结构和国内常用的MT手动变速器相差较

14、大，改进新的生产投入较大。目前DCT变速箱面临的主要问题是制造加工的精度要求很高。是以大众集团为首的欧洲车系主推的一款新型自动变速箱。由于大众和一汽汽车、上汽的合作，在我国拥有广泛的市场基础，由此DCT变速箱拥有广阔的推广平台。因此，DCT变速箱的发展前景最为乐观。CVT 的英文全称是(Continuously Variable Transmission)，中文意思是“机械式无级变速器”。 CVT技术的发展已经有了一百多年的历史，德国奔驰公司是在汽车上采用CVT技术的鼻祖， 早在1886年就将V型橡胶带式CVT安装在该公司生产的汽油机汽车上。 图1-4 无级变速器结构图 CVT无级变速器是采用

15、传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合传递动力。可以使传动系与发动机工况实现最佳匹配。金属带式无级变速器的系统主要包括主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组成，与油缸靠近一侧的带轮可以在轴上滑动，另一侧则固定。发动机输出轴输出的动力首先传递到CVT的主动轮，然后通过V型传动带传递到从动 轮，最后经减速器、差速器传递给车轮来驱动汽车。工作时通过主动轮与从动轮的可动盘作轴向移动来改变主动轮、从动轮锥面与V型传动带啮合的工作半径，从而改变传动比。1.2 无级变速器的特点综述CVT可以在相当宽的范围内实现无级变速，从而获得传动系与发动机工况的最佳匹配，提高

16、整车的燃油经济性。德国的大众公司在自己的Golf VR6轿车上分别安装了4-AT和CVT进行ECE市区循环和ECE郊区循环测试，证明CVT能够有效节约燃油。安装4-AT和CVT的大众公司的Golf VR6汽车的燃油消耗对比 试验油耗 4-AT CVT ECE市区循环，L/100km 14.4 13.2 ECE郊区/远程循环，L/100km 10.8 9.8                    &

17、#160;                                                 &

18、#160;                         “行驶乐趣”  金属带式无级变速器的基本结构图1金属传动带；2从动工作轮液压控制缸；3从动工作轮可动部分；4油泵；5主动工作轮不动部分；6主动工作轮可动部分；7主动工作轮液压控制缸；8离合器；9发动机飞轮；10从动工作轮不动部分；11中间减速器；12主、从动带轮角速度（）

19、0;      、主、从动带轮节圆半径（mm） 图1-6  金属带CVT工作原理图六维论,文.网钢带是无级传动中的关键技术，只有突破他的技术方面，才可能使CVT进入实用化阶段。下面就是几种对VDT钢带的改进技术：（1）在传递动力时，由于钢带夹在带轮V型槽内，受V型金属块向上的张力和传动带挂在带轮上产生的弯曲力同时作用，因而影响了钢带的使用寿命。为解决此问题，采用了两种改进技术：（a）采用事先对外侧钢带加压应力，对内测钢带加拉应力的预应力法。（b）顺着钢带长度方向缩短内测钢带的长度。 图1-7  金属带结构图

20、0;   CVT与有级变速器传动特性比较 图1-9  CVT与有级变速器功率特性比较从上面的分析可以看出，一定有门加速时，对某档位，只是在一个车速才能发挥出该有们下的最大功率。这用图1-10更能说明问题，通过CVT更能调节适应各种车速变化，则车轮已获得恒定的最大功率输出，故车轮转矩与车速曲线是一等轴双曲线。而对有级变速器来说，每档位只是一点与CVT线相切，即发出最大功率，而其它所示的阴影区，是其结构所限下不能发挥出来的转矩，这种牵引性能的缺点，必然影响车辆动力性。图1-10  牵引性能比较有级式全机械自动变速器的换档产生动力中断，换档时离合器必须分离，油

21、门随之减少，挂挡后离合器再结合，油门在相应增大。这样，他不仅损失了很多加速性能，而且扩大了发动机转速激烈变化的范围，加深了非稳定工作程度，从而使发动机的动力型和经济性指标进一步恶化，换档平顺性下降以及乘坐舒适性变差；而无级变速器则完全不同，它可保持发动机油门与转速不变，通过调节CVT的传动比改变车速，已达到道路符合与发动机功率的新平衡，变换传动比时，相随的工作点在发动机图上午任何换档跳跃或功率损失。    无极传动CVT深受非职业驾驶员欢迎，不仅因为对驾驶技术诬告要求与乘坐舒适，而且更主要的是；它总是按照驾驶员的意图，通过油门和反馈回来的转速，控制发动机在最佳工作

22、位置工作，正常行驶时发动机转速低而且稳定，使车省油、噪声低而且行驶稳定。在不平路面或山区行驶，驾驶员就不会再有该换档不换档、换错档的可能，CVT特别有效。而当需要超车、加速、爬坡时，只要猛踏加速板，CVT就将自动增加传动比，其发动机立刻到达最大功率点，发动机最佳动力特性，其超车性能特别优越。1.6 无级变速器技术在国内外发展情况六维论,文.网1987年，日本Subaru把装备CVT变速器的汽车投放市场，获得成功。随着技术的发展，能源危机引发全球性的节约能源和环境保护意识的提高，在总结第一代的CVT的经验基础上，开发出了性能更佳，转矩容量更大的CVT。现在NISSAN、TOYOTA、FORD、G

23、M、AUDI等著名汽车品牌中，都有配备CVT变速器的轿车销售，全世界CVT轿车的年产量已达到近100万辆。因此无级变速汽车是当今汽车发展的主要趋势。金属带式无级变速器的结构、力学分析、传动效率等,在国外已研究成熟,国外的研究热点主要集中在CVT电液控制系统的控制策略上,如CVT电液控制系统的智能PID控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制等。金属带式无级变速器的结构、力学分析、传动效率等研究在国内已取得很大的进展,但CVT电液控制系统的控制策略、实验仿真等研究在国内刚刚起步。目前我国正在考虑发展轿车自动变速器的问题。自“九五”期间轿车金属带式无级自动变速器的开发和研制已经被列入国家的重大科技攻

24、关计划，以跟踪世界技术的发展和开发适合我国国情的汽车。我们国家有巨大的汽车销售市场，然而我国汽车业所需的自动变速器（AT）全部依赖进口，这使得国产汽车配备AT后，成本增加很大，而装备自行开发生产CVT变速器，其成本提高不大，说明CVT的市场前景令人乐观。在最近的十几年中，CVT技术已经上前迈进了一大步，使得CVT有着超过100年历史的机械变速器MT和有着超过50年历史的自动变速器AT更有竞争力。如今，各大汽车厂家都在加强这一领域的研发。尤其是在混合动力汽车具有广泛前景的将来，CVT的地位和作用更是无可替代，它将会是未来变速器发展的大趋势。2  方案论证2.1金属带式无级变速器的基本结

25、构为了确定金属带式无级变速器的一套方案，我们必须对金属带式无级变速器的基本构成有一个清晰的了解。金属带式无级变速器一般由起步离合器、行星齿轮倒档机构、无级变速器机构、控制系统和中间减速机构组成。（1）起步离合器：起步离合器的主要作用是使汽车以足够大的牵引力平顺起步，提高驾驶舒适性，必要时切断动力传输。目前用于汽车起步的装置主要有几种：干湿离合器、湿式离合器、电磁离合器和液力变矩器。（2）行星齿轮机构：无级变速器的行星齿轮机构用以实现前进挡和倒档之间的切换操作，采用双行星齿轮机构，行星架上固定有内、外行星齿轮，其中，外行星齿轮和齿圈啮合，内行星齿轮和太阳轮啮合。前进挡时，太阳轮主动旋转，行星架随

26、太阳轮同速旋转，即整体同步旋转；倒档时，太阳轮主动旋转而齿圈不动，此时行星架与太阳轮反向旋转。（3）无级变速器机构：无级变速器机构由金属传动带、主动轮组、从动轮组组成。其中，主动轮组和从动轮组都由可动锥盘和固定锥盘组成。主动轮组和从动轮组间的带的形状如图2-1所示。图2-1  金属带结构图图2-2  传动带轮结构图图（4）控制机构：控制系统是用来实现无极变速器传动比无极自动变化的，多采用机液压控制系统或电液控制系统。机液控制系统主要由油泵、液压调节阀（用以调整传动比和传动带与带轮之间压紧力）、传感器（油门和发动机转速）、主从动轮的液压缸及管道组成；而电液控制系统则是在机液控

27、制系统的基础上加装了一些电子控制单元、电磁阀和传感器组成的，提高了对无级变速器控制的效率和精准度。（5）中间减速器机构：由于无级变速器可以提供的传动比范围为2.6-0.445左右，不能完全满足整车传动比变化范围的要求，因而设有中间减速机构。2.2传动简图上节我们对金属带式无级变速器的结构进行了一次的分析，经过了参考国内外文献，我初步选定了一套传动方案，传动件图如下： 图2-2  金属带式无级变速器动力传动简图本无级变速器要实现：前进挡，倒档，空挡。于是，本人查阅专著，手册，设计出了如上图所示的一种简单可行的方案。首先，为了起步，并且在起步时保护无级变速机构，不是发动机带载起

28、动，减少冲击，特设起步离合器一个。倒档的实现：用行星排输出反向动力实现倒档。2.3工作原理六维论,文.网（1）“D”、“S”和“L”挡 前进挡离合器接合 倒档制动器解除 起步离合器接合液压力作用于前进挡离合器和起步离合器上，太阳轮驱动前进挡离合器，前进挡离合器驱动主动带轮，然后通过连接钢带，传递至从动带轮轴，从动带轮轴通过起步离合器驱动中间主动齿轮动力被传递至中间从动带轮齿轮和主减速主动齿轮，并由此驱动主减速器从动齿轮。行星排前进挡离合器闭合时=，由于行星排公式：           

29、        +k-（1+k）=0                   (2-1)故有行星排整体回转。（2）倒档： 前进离合器分离 倒档制动器接合 起步离合器接合  倒档制动器和起步离合器有液压作用，行星架由倒档制动器锁定，太阳轮驱动行星轮自转，行星轮驱动齿圈沿与太阳轮相反的方向旋转。齿圈通过前进挡离合器鼓驱动主动带轮轴，主动带轮轴通过

30、连接钢带驱动从动带轮轴。从动带轮轴通过起步离合器驱动中间主动齿轮。动力传输至中间从动轮齿轮和主减速主动齿轮，然后在驱动主减速从动齿轮。倒档制动器制动（=0），由于行星架公式： (2-2)输出（）为反向动力，故可实现倒档。（3）“N”挡从飞轮传出来的发动机动力驱动输入轴，但无液压作用于前进挡离合器和倒档制动器上；没有动力传递给主动带轮轴，并且也没有液压作用于起步离合器上，动力传递路线如下图所示。2.4优缺点优点：众所周知，速比连续可变，提供转速连续变化的最大功率输出，满足最大加速和爬坡的动力性需求。除此之外，还有以下优点：（1）速比范围宽，使得发动机在燃油经济性最佳区域工作。动力性、经济性和排放

31、性能和谐统一。同时较传统的AT传动效率高，基本接近MT的水平。（2）结构较传统AT和MT简单，零部件数目少，结构紧凑，制造工艺也较AT容易。（3）舒适性好，换档平顺性好，同时不需要降档换档，提高了加速性。缺点：（1）钢带使用寿命短。（2）传递扭矩小。2.5本章小结本章介绍了所设计的方案的可行性及优越性，介绍了本方案的设计思路，即实现方法并且还分析了各档的功率流向。本方案与其它钢带无极变速相比，亦有三点特点：（1）采用行星排实现倒档，机构紧凑。（2）采用单带轮，结构紧凑，设计简单，维护方便。（3）起步离合器放到了被动带轮的输出轴端。3     &

32、#160;        604mm其中子午线轮胎的计算常数为F=3.05，则：汽车的最高车速为：，则有：影响最小传动比的因素：1、发动机的最大转矩、最低稳定转速2、驱动轮与路面间的附着力3、驱动轮的滚动半径六维论,文.网°，传动效率取0.9，则  10.6  故传动范围：  2.8                 (3-5)当

33、汽车以最大传动比行驶时，此时的计算牵引力为  4517（N）       (3-6)路面的附着力为：                                (3-7)则有：0.57056（N） 其中0.50.8，

34、满足条件 。3.2中间减速器和主减速器传动比的确定在无级变速器的设计中，无极变速传动的从动轴的极限转速是一个瓶颈，也就是说，从动轴的轴承的极限转速是一个绝对限制条件，通常把它限制在=9000，安全系数为1.2，则设计转速为。由输出轴转速公式：                              

35、;           (3-8)我们得： 其中 中间减速比     主减速比则有：中间减速器减速比为：=1.58， 主减速器减速比为：=3.13.3钢带无极变速器传动比的确定10)其中。本设计中取0.92，则有：2.24，0.8，0.92钢带无级变速器传动比范围为：0.452.6，计算数值符合理论要求。3.4行星齿轮机构传动比的选择和设计（1）当接上前进离合器和起步离合器时，车辆前进：（2）当接上倒档离合器和起步离合器时，车辆倒档（此时）：对于内外啮合的

36、单星行星排而言，k一般取1.54.0，而行星排的转速关系式为：                           (3-11)则传动比为：                

37、0;                  (3-12)传动效率为：(3-13)由于倒档时，车速一般要求很低，并为了使换档平稳，k可取为3，则有：3.5整车动力性计算由公式可知：动力因数                    

38、0;    (3-14)                    (3-15)                         &#

39、160;                      (3-16)当汽车爬大坡时，此时车速很低，转矩为最大即 Nm，传动比为最大即 故最大动力因数D为：其中A迎风面积，一般A1.72.1，在本设计中我们取A。4               &

40、#160;         (4-1)又知：代入（41）上式中有：  通常当取代入式中则有下式：                                  

41、60; （4-2）经查阅相关资料可知：在本设计中我们取代入式（42）中则有：   六维论,文.网经查阅相关离合器摩擦片的尺寸系列和系数，我们取定：外径125mm，内径的多片湿式摩擦离合器，材料：铁基粉末冶金。其中：（它反映了离合器传递发动机最大转矩的可靠程度）Z摩擦副数摩擦系数（它反映了摩擦表面上的压强和摩擦片的耐磨性）                +k-（1+k）=0    

42、0;                  （4-3）则有             有传动简图可知，倒档离合器所受到的转矩为：，又知k=3则   同前进离合器的参数设计一样，在本设计中我们取代入式（42）中则有：       

43、;      经查阅相关离合器，摩擦片的尺寸系列和参数，我们取定200mm，136mm，h的多片湿式摩擦离合器，材料：钢基粉末冶金。2），则            经查阅相关离合器摩擦片的尺寸系列和参数，我们取定：160mm，100mm，h的多片湿式摩擦离合器，材料：钢基粉末冶金。             &

44、#160;                                     （4-4)即          取根据结构设计要求，取主动带轮的轴径56mm，同理可知，中间轴2的最小轴径为：取40mm，根据结构设计要求，取主动带轮的轴径。则带轮最小工作半径：                            （4-5）   &