混合动力汽车动力耦合器与金属带传动结构毕业设计

1、 .PAGEXLVII / NUMPAGES47毕业设计(论文)设计论文题目： 混合动力汽车动力耦合器与 金属带传动结构设计 混合动力汽车动力耦合器与金属带传动结构设计摘要迫于环境污染和石油资源短缺的压力,致力于可持续发展战略,混合动力汽车成为21世纪汽车工业的一大发展方向.国外专家基本上达成共识;混合动力电动汽车的使用不只是电动汽车的一个过渡阶段,而是汽车工业即将面临的一场新的革命.然而如何负责将混合动力汽车的各个机械动力组合在一起.实现多动力源间合理的功率分配,并把动力传给驱动桥,实现混合动力汽车的各种工作模式,在混合动力开发中处于重要地位, 目前较成功的混合动力系统有:丰田汽车公司的TH

2、S(Toyota Hybrid System)混合动力系统等.本文就混合动力汽车关键部分之一动力耦合系统进行原理分析,并对CVT传动特性作出了研究分析，通过不同工况下功率,扭矩,转速的分析计算，完成了一个基于CVT的混合动力汽车动力耦合系统的设计。在原有车型的基础上，进行了整车的改装设计。通过计算，确定了包括驱动和能源部件的参数设计和选型、关键零部件的选择与设计，以与所有部件在整车中的安装布置。无极变速器(Continuously Variable Transmission,CVT) 是目前汽车上最先进的自动变速器技术。它与普通自动变速器有较大的区别, 省去了复杂而又笨重的齿轮组合, 只用2组

3、带轮, 通过改变驱动轮与从动轮传动带的接触半径, 实现连续变速传动。由于它的诸多优点, 可认为是最理想的汽车变速器。金属带式CVT 是汽车传动系统中实现无级变速的最重要部分，发动机输出的动力传递到无级变速器的主动轮后，再通过金属带式无级变速单元进行无级变速，之后通过中间减速器、主减速器，通过差速器传递给车轮。金属带式CVT 由于结构的不同与其它带式CVT 在运动学、动力学上有所不同，本章将分析金属带式CVT 的工作原理、运动学分析.本文对作了金属带选型并设计了钢球滑道,主从动可动锥轮和主从动固定锥轮轴等主要部件,并绘制了CVT零件图和CVT总装图的二维图(CAD)和主动,从动锥轮的三维图(UG

4、).关键词 混合动力 CVT 耦合器 金属带 锥轮英文摘要目 录1 绪论 1.1研究基于CVT的HEV汽车动力耦合装置的重要意义与必要性1.2混合动力汽车动力动力耦合结构分类41.2.1串联式HEV动力耦合结构 41.2.2并联式HEV动力耦合结构 51.2.3 混联式HEV动力耦合结构 61.3混合动力系统结构选型依据 71.3.1性能要求 71.3.2使用环境 71.4基于CVT的发动机转速调节 72混合动力汽车动力耦合器原理和设计2.1混合动力汽车动力耦合器简介与设计方案提出2.1.1混合动力动力耦合系统简介92.1.2 动力藕合系统的基本功能92.1.3 动力耦合系统方案的分析92.2

5、基于CVT的混合动力汽车动力耦合器2.2.1耦合器在各种行驶工况下的转速转矩分析112.2.2耦合器总体布置设计142.2.3混联式混合动力汽车用电动机选型152.2.4混合动力汽车用储能元件选型153 金属带传动结构设计3.1金属带式CVT 的无级变速原理 183.2金属带式CVT 的关键部件183.2.1金属带183.2.2金属钢环组193.2.3金属块203.2.4主、从动带轮213.3 金属带式CVT 的运动学分析3.3.1速比与速比围213.3.2各运动区段的划分与其之间的几何关系233.4 CVT主要部件设计结构设计和金属带的选型3.4.1钢球滑道结构设计243.4.2可动主动锥轮

6、的设计263.4.3金属带的选型73.4.4 主动锥轮轴的结构设计83.4.5可动从动锥轮的设计303.4.6从动固定锥轮结构设计314 结论致参考文献 331 绪论1.1研究基于CVT的HEV汽车动力耦合装置的重要意义与必要性随着油价的大幅攀升，各类能源的短缺和环境污染对社会带来的压力，提高车辆燃油经济性和废气排放性能成为汽车工业发展的紧要任务.目前燃机汽车已经不能满足在这方面的要求，混合动力车型是在当前条件下最合适的发展策略，也响应了目前的发展趋势。各个汽车企业对于新能源汽车的开发热潮也是一浪高过一浪。在全球市场围，混合动力车型的生产和销售已经颇具规模。面对这种情况，汽车厂商也一直在进行新

7、能源汽车的开发。很多家企业都在进行混合动力汽车的研发，但混合动力与CVT技术的融合开发目前国所做的研究相对较少。由于CVT可以连续改变速比，使得汽车在任意行驶工况下，都可以按驾驶员的操作意图实现发动机和电机工作点与变速器的最佳匹配(最佳经济匹配或最佳动力匹配)，从而可降低排放，提高整车的燃油经济性、动力性、操作性以与乘坐舒适性，使整车综合性能达到最佳。如果能把混合动力技术和CVT技术融合，那么在混合驱动模式下，由于电机助力的存在，在满足发动机在最佳经济性曲线运行的同时大大会提高系统的动力性能，可很好解决传统CVT传动动力性与经济性不能兼顾的问题. 1.2混合动力汽车动力动力耦合结构分类目前，混

8、合动力汽车动力动力耦合结构主要有串联式布置（Series Schedule 又称SHEV）并联式布置（Parallel Schedule 又称PHEV）以与混联式布置（Series-Parallel Combined Schedule）等三种类型。1.2.1串联式HEV动力耦合结构 串联式驱动系统的总成结构示意图如图1-1 所示。图1-1 串联式系统总成结构图它主要由发动机、发电机、蓄电池组、控制器、电动机、减速装置等构成。电动机是汽车唯一的机械动力源。发动机产生的动力只用来驱动发电机，发电机向电动机供电驱动汽车，同时向蓄电池充电。在汽车高负荷运转时，蓄电池和发电机组共同对电动机供电。由于蓄电

9、池的蓄能作用，不管汽车处于何种工作状态，发动机都避免在怠速和其它不经济的工况下工作，这就明显减少排气污染并提高燃油经济性。串联式混合动力汽车的这种布置形式和控制思路使之具有以下特点：优点:（1） 在特定区域可实现“零排放”行驶； （2）作为辅助动力的发动机运行围窄，因而可控为高效、低排放；（3） 电动机的驱动形式可十分灵活，满足较为广泛的运用（包括特种军用车辆）； （4） 控制系统相对简单，便于向纯电动汽车过渡；缺点：（1）需要配置一台较大功率的发动机和发电机组，增大了车的额外负荷和制造成本；（2） 能量转换环节多，降低了动力系统综合效率。1.2.2并联式HEV动力耦合结构并联式耦合器结构的总

10、成示意图如图1-2所示；图1-2并联式系统总成结构图和串联混合动力系统布置不同的是，并联式布置保留了发动机与其后续传动系统的机械连接，由电池组-电动机所提供的动力在原驱动系统的某一处和主动力汇合，或者发动机和电动机产生的力完全分开用以驱动不同的驱动桥，即汽车可由发动机和电动机共同驱动或者各自单独驱动。并联式混合电动汽车的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通燃机汽车。并联混合动力系统同串联混合动力系统的布置比较起来，其结构相对复杂，实现形式也趋多样化。一般来说，并联式混合动力系统的控制策略是，当汽车在低速等小功率工况行驶时，通过控制发动机转速来调节发动机功率，而在汽车加速或高速行驶，发动

11、的功率不足以满足汽车行驶所需功率时，由控制器控制电动机协助驱动。并联式混合动力汽车的这种布置形式和控制方式使之具有以下特点.（1）由于发动机保持了与机械驱动系统的机械连接，与串联驱动系统相比，并联驱动系统的发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，其能量的利用率相对较高，这使得并联式的燃油经济性一般比串联的要高；同时，发动机与驱动系统之间的机械连接，使得发动机的运行工况要受到汽车行驶工况的影响，当汽车行驶工况复杂时，发动机可能较多地在不良工况下运行，因此，并联驱动的排放比串联驱动的要差。（2）发动机与电动机两大动力总成的功率可以互相叠加起来满足汽车行驶的最大功率要求，因而，系统可采用较小功率的发动机

12、与电动机，使得整车动力总成尺寸小，质量也较轻。但发动机和电动机两动力总成的机械复合连接使得机械装置较复杂，增加了整车布置的难度。1.2.3混联式HEV动力耦合结构混联式驱动系统的总成结构示意图如图2.3所示 .图1-3混联式系统总成结构图混联式混合动力系统的布置方案是串联式布置和并联式布置的综合。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能由控制器控制，输送给电动机或者电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式混合动力系统的控制模式是，控制器根据油门踏板的开度，一方面控制电子油门的开启程度，另一方面确定发动机的动力用于直接驱动汽

13、车部分和用于发电部分之间的分配比例，准确控制并协调发动机和发电机驱动力，如果蓄电池电量下降，控制器控制发电机发电为蓄电池充电。这种比串联布置和并联布置都更为复杂的布置和控制模式使之具有以下特点： （1）该系统适合各种行驶条件，具有良好的燃油经济性和排放性能，且不需外界充电，续驶里程与燃机汽车相当，是最理想的混合电动方案。（2）由于发动机和发电机、电动机以机械方式连接，机械装置较复杂，整车布置有一定难度。1.3混合动力系统结构选型依据基于以上对HEV动力系统的分析，在动力系统选型中着重考虑以下几个因素：1.3.1 使用环境HEV的动力系统一般基于特定工况进行设计，这是因为多数动力系统对工况比较敏

14、感，不同工况性能差别很大，只有在特定的工况下才能充分发挥低油耗、低排放的优点。我们要设计的是轿车.对工况很敏感,且要节能减排不失动力性.1.3.2 性能要求不同类型的HEV之间性能差异十分明显，在选型时必须注意由动力系统结构引发的性能差异。如果对加速性能要求高，就有必要选择配有峰值功率调节器的结构型式。如果对经济性要求苛刻，并联式可以成为合适的选择。而我们设计的是轿车,既要有一个的起步加速能力,又要有足够的超车加速能力,特别是在城市交通拥挤的时候,而且最重要的是节能节能减排,也就是说它的经济性要好.并且我们设计的是要CVT匹配的混合动力车. 一般的混联式混合动力系统其控制系统技术含量高，控制元

15、器件价格高，整车价格较高,但CVT正是一个控制性高的一个传动系统,这样的话在某些方面二者可以协同设计,协同控制.1.4基于CVT的发动机转速调节当节气门的开度一定，发动机部分负荷特性中的功率与燃油消耗曲线如图1-4所示。图1-4 发动机部分特性曲线中的功率和耗油率曲线在图中的功率和燃油消耗率曲线上各有一个特殊的点A,B，它们分别是发动机在该条件下的最佳经济点（最低耗油率点）和最大功率点。从大到小连续改变节气门开度，就得到发动机一条最佳经济线和一条最大功率线。把这两条曲线在（，ne）两维平面上绘制出来，就得到发动机最佳动力曲线S和最佳经济曲线E（图1-5）。 图 1-5 发动机转速调节特性它们分

16、别表示发动机节气门开度与发动机转速关于发动机最佳动力性，最佳经济性的调节特性曲线。这两条曲线对应无级变速器两种常用的不同工作模式。如当节气门开度连续变化时，通过无级变速器自动改变速比使发动机的转速按E线滑动，这就是CVT的所谓的E模式（经济模式）。当节气门开度连续变化时，通过无级变速器自动改变速比使发动机的转速按S线滑动,这就是CVT的所谓的S模式（动力模式）。传统的CVT非混合动力汽车不得不在E、S模式之间求折中，往往满足了经济性但当前工况下动力性要求却满足不了。由于对于某一特定节气门开度,发动机转速和转矩的一一对应性,我们又可以把经济曲线同比例标在在发动机万有特性图上(如图1-6所示).

17、图1-6 发动机经济性动力性曲线由图我们不仅可以看出不同工况下发动机的经济转速,亦可知道当前发动机输出转矩的大小,由此可判断出是否需要助力,还需要多少转矩才可以满足动力性要求.2 混合动力汽车动力耦合器原理和设计2.1混合动力汽车动力耦合器简介与设计方案提出2.1.1混合动力动力耦合系统简介混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle,HEV)具有串联式,并联式,混联式以与复合式四种典型的结构,对于并联式HEV机电动力耦合系统负责将混合动力汽车的各个机械动力组合在一起.实现多动力源间合理的功率分配,并把动力传给驱动桥,实现混合动力汽车的各种工作模式,在混合动力开发中处于重要地位

18、,合理的设计动力耦合系统对于提高混合动力汽车的动力性,燃油经济性,降低排放等具有重要意义.2.1.2 动力藕合系统的基本功能混合动力汽车动力耦合器应该具有以下四个基本功能.动力的合成功能,它应该能将来自不同的动力源的动力进行合成,实现混合动力汽车的混合驱动工作模式.动力输出不干涉功能,耦合系统应该能保证来自不同动力源的动力单独地输出或者让多个动力共同输出以驱动整车行驶,彼此之间不发生运动干涉,不影响传动效率.动力分解与能量回馈功能,动力耦合器应该允许发动机的全部或一部分传递给电动机,电动机以发电模式工作,为储能装置充电,还可以在整车制动时,实现再生制动,回收制动能量.辅助功能, 动力耦合系统最

19、好能充分发挥电动机低速大转矩的特点来启动HEV,利用电动机的反转来使HEV的倒车,从而取消驱动系统的倒档机构.由于发动机和电动机的机械输出特性不同,动力耦合系统还应该满足其他多项复杂的动力合成,分解以与功率汇流,动态特性的合理匹配等要求.2.1.3 动力耦合系统方案的分析 动力耦合系统最关键的技术是它的布置方案,不同结构的动力耦合系统将导致HEV的适用条件和使用要求各不一样,开发的难度也相差很大.总之,如果一辆混合动力汽车的动力耦合系统设计合理,就能已最低的能量消耗获得良好的动力性,经济性和最低的排放,得到良好的社会效益和经济效益.早期的动力耦合装置主要有皮带式和固定轴齿轮啮合式两种形式.由于

20、皮带轮传动滑动损失较大,固定轴齿轮啮合传动有过于刚性,所以出现了许多新的形式.目前,动力藕合装置的机构主要集中在固定轴齿轮式和行星齿轮式两种形式上,较成功的混合动力系统有:丰田汽车公司的THS(Toyota Hybrid System)混合动力系统,华沙工业大学开发的并联式HEV用单行星齿轮机构动力耦合系统,本田汽车公司研发的IMA(Integrated Motor Assist)动力系统.基于以上分析和研究我们设计出了双离合器耦合器（见图2-1）。 图2-1 耦合器结构简图表1；动力模式切换和离合器,制动器控制图2-2 耦合器速度关系图2.2基于CVT的混合动力汽车动力耦合器2.2.1耦合器

21、在各种行驶工况下的转速转矩分配(1)纯电动驱动模式整车在起步时由电机驱动，此时控制离合器结合,离合器传递的力矩由离合器压力与电机的输出转矩共同决定.当电机运行转速小于l 000rmin时，为保持整车有足够的驱动力，此时CVT的速比为最大速比。当电机转速大于1 000rmin时，为更好地实现电机模式与发动机模式平稳衔接和过渡，使切换完成后，CVT目标速比不发生突变，将电机等效为发动机运行模式，并使其运行在等效发动机最佳经济油耗状态，此时，速比按如下方式确定:= (2-1) (2-2)式中为电机转速为一定节气门开度下经济转速。为目标速比，为车速。图2-3 耦合器速度关系图 (2)纯电动模式切换到发

22、动机模式发动机油门开度较大且达到一定车速时，系统由电机驱动模式开始切换到发动机运行模式。由双行星齿行星轮系速度方程可知:(-)/(-)=1/ (2-3)式中为发动机输入转速,为行星架转速，为齿圈转速，为太阳轮与齿圈齿数比。在发动机未启动前，CVT输入轴转速等于电机转速，发动机转速=0，如图3线所示。当电机运行到发动机高效转速区间时，启动发动机，随着发动机转速升高，齿圈转速也随之升高并逐渐接近行星架转速并出现=见图3线。此时离合器主从动片转速差为0，若进行离合器控制可实现最平稳方式结合。从而可得到由电机模式切换到发动机模式的最佳车速点。=0377（) (2-4)式中为轮胎半径，为电机转速(约15

23、00rmin)，为主减速比，为车速，为当前CVT速比。由行星齿轮运动平衡方程可知/(2-5)=-=(1-)/(2-6)=-(2-7)+=- (2-8)式中为齿圈输出力矩，为发动机输入力矩，为离合器C2传递力矩，为行星架上传递力矩,为齿圈等效转动惯量，为齿圈等效阻尼系数。如果忽略齿圈转动惯量与阻尼系数影响，则=/通过控制C2离合器的结合压力可以调节和控制发动机的输出负载转矩和整车的输出转矩。在离合器处于滑动状态时，=并满足式(3)。当处于结合状态时，整个系统为一个刚体，此时。=.(3)混合驱动模式与驱动发电模式当汽车上坡、急加速或发动机节气门开度大于80时，系统进入混合驱动模式，此时Cl、C2均

24、结合，系统为一刚体。此时CVT输入转矩为: = + (2-9)当电池SOC过低，且发动机在高效区且有富余功率输出时，系统进入驱动发电模式，此时 = - (2-10)在混合驱动模式下，由于电机助力的存在，从而满足发动机在最佳经济性曲线运行的同时大大提高系统的动力性能，可很好解决传统CVT传动动力性与经济性不能兼顾的问题，CVT速比仍可按式(17)方式确定。当节气门仅80时，为防止发动机燃油经济性的恶化，此时前电机加入驱动，发动机的目标转速保持不变，目标速比为: (2-11)(4)驱动发电模式 当整车进入驱动发电模式时，优先调节电机转矩使发动机工作在最佳经济曲线，当通过的调节不能使其工作在最佳运行

25、区域时，调节CVT的速比来满足发动机最佳油耗的关系，CVT目标速比可按纯发动机模式下关系确定.(5)减速，制动模式减速时离合器分离，离合器接合 ,旋转着的CVT输入轴对电机充电，对能量进行回收。减速制动时当车速度较高时,均接合.(6)倒车模式离合器接合，分离电机反转，和纯电机模式类似，由电机反向驱动，CVT此时速比最大。2.2.2耦合器总体布置设计一,布置方案整车参数与动力性指标本设计是以威乐轿车为原型车，将其改装为装备无级自动变速器CVT混联式混合动力汽车。1.整车参数满载总质m=1715kg,空载总质量=1200kg(含电机,电池组的质量),长/宽/高4185/1660/1510mm,空气

26、阻力系数=0.36,迎风面积,车轮滚动半径，传动效率=0 .9,滚动阻力半径系数.对于装备的CVT，金属带参考速比围约2.432-0.442发动机参数如表:排量最大功率最大扭矩气缸排列形式与缸数气门数喷油方式1498ml68/6000(kw/rpm)124NM直列四缸16气门电控2.动力性指标(1 ) 最大车速=178km/h(纯发动机驱动)。(2 ) 在车速v=90km/h时爬坡度i 5% (纯发动机驱动)。 图2-4 耦合系统在整车中的布置方案图2.2.3混联式混合动力汽车用电动机选型在混合动力汽车上,电动机的选用原则为:(1)高性能、低自重和小尺寸;(2)在较宽的转速围有较高的效率;(3

27、)电磁辐射尽量小;(4)成本低:(5)维护方便。另外,对电动机的选用还应综合考虑其控制系统的特点，要求能尽可能实现双向控制，对制动能量可以回收。目前混合动力汽车使用的电动驱动系统主要有直流电机驱动系统和交流电机驱动系统两种。直流电动机的优点是机械性能好，调速方便而且性能好。通常采用晶体管斩波器宽脉冲调制方法实现对电机转速的调节。由于直流电机驱动系统具有成本低、易于平滑调速、控制器简单、技术成熟等优点，曾在电动汽车上得到广泛应用，但由于直流电动机在运行过程中需要电刷和换向器换向限制了电机转速的进一步提高(最高转速6,000-8,000r/min)，另外，电机本身效率较低、结构复杂且体积大、重量大

28、、价格高、维护不方便决定了它必然会被其他先进的电机比如交流电机所取代。混 合 动 力汽车上用交流电机驱动系统主要有采用异步电机的驱动系统和永磁电机的驱动系统,也有部分电动机采用了开关磁阻电机组成的交流驱动系统。交流异步电机驱动系统主要选用三相鼠笼异步电动机，该电动机结构简单、坚固耐用、成本低廉、转速极限极高，采用先进的控制技术，其动态性能可与直流电机调速相媲美。随着电力电子技术、控制理论的发展以与感应电动机变频调速技术日趋成熟，阻碍使用交流异步电机的控制技术已不存在。永 磁 电 机驱动系统主要选用永磁无刷同步电机，该电机没有激磁铜耗、效率较高(最大效率可达95%)、功率因数高、体积小、功率密度

29、大，其主要不足是永磁材料昂贵，制造工艺复杂，性能受温度影响较大，大功率输出困难。开关 磁 阻 电机驱动系统中的开关磁阻电机结构十分简单、成本较低、可靠性高、起动性能好、调速性能好，控制装置也比较简单，主要缺点为转矩脉动达、噪声大、必须使用位置监测器、按照定子的凸极数来确定逆变器和电机的引出线等，实际上，开关磁阻电机驱动系统目前只被少数公司使用，但开关磁阻电机由于其性能特点和制造优势，随着技术的成熟也有着较好的应用前景。总之 ，考虑到技术发展趋势和性能要求，驱动系统成了混合动力汽车的主要选择，其中异步电机驱动系统和永磁电机驱动系统更具应用潜力，而其它电机比如开关磁阻电机随着技术的不断完善也将具有

30、一定的应用前景。本论文采用交流感应式异步电机，额定转矩90Nm，额定功率17kw，峰值功率30kw.2.2.4混合动力汽车用储能元件选型在混合动力汽车中,储能元件起着向电动机供能以与向动力传动系输出峰值功率的作用，另外还接收制动再生能量并将其存储起来。能量回收对提高混合动力汽车的总效率是非常有意义的，据文献介绍，对应EPA混合燃油循环，能量回收制动可减少车辆驱动能量需求的14%。因此在混合动力汽车上要求储能装置应在长时间能够接收制动功率，为使储能装置不致太庞大和过重，要求其应具有比较高的比功率和比能量。同时混合动力汽车上的储能元件需要频繁地充放电，因此还要求它的充放电特性较好，自放电率较低，输

31、出效率较高，其使用寿命即循环充放电的次数应较长。另外为降低整车的价格，储能元件的成本亦不能太高。目前 应 用 较为广泛的储能装置有飞轮电池、超级电容、电化学电池、燃料电池四种。飞轮电池具有2-4kw/kg的比功率和125wh/kg的比能量并且几乎免维护，具有较低的寿命周期成本，使之十分适合作重型卡车混合动力传动系的储能元件，目前，飞轮电池难以推广应用的原因是其昂贵的价格以与使用过程中的安全可靠性能。超级电容由于其比能量较低，只适合于比能量需求较低的轻度混合动力汽车，俄罗斯有关专家也指出在轻度混合动力汽车采用电容储能器将更加合理。当前在中度与其以上的混合动力汽车中使用较多、技术较为成熟的是电化学

32、电池即蓄电池，它包含了铅酸电池、镍氢电池和锉离子电池等。铅酸电池是汽车储能动力源中较为成熟的一种，它的比能量一般为30-40wh/kg，比功率一般为150-200w/kg，循环使用寿命一般为500700次。它具有可靠性高、原料易得、价格便宜等优点,比功率也较高，基本上能满足混合动力汽车加速度和爬坡要求。但常规的铅酸电池比能量低、难于快速充电、使用寿命不够长。另外,过放电和过充电时,铅酸电池的使用寿命将显著缩短，深度放电以与环境温度也对电池性能影响很大。这限制了它在混合动力汽车上的广泛应用。综上我们选取的电池为NiMH电池，标称容量16Ah，总电压288V：2.2.5主减速器速比的确定对于装备C

33、VT的并联式混合动力汽车，原则上应尽可能选取较大的主减速器速比,越大，汽车的加速和爬坡能力越强，所需的电机、电池组容量就越小。的大小要满足以下两个限制条件。(1)保证发动机按最小燃油消耗特性运行当汽车在纯发动机驱动工况匀速行驶时，的最大值应能保证当CVT速比调到最小值时，发动机在最低限制转速时也能按最小燃油消耗特性工作。由于无论当汽车空载或满载时均要求使发动机按照最小燃油消耗特性来工作，所以汽车阻力功率按空载工况计算。设发动机转速n=1500r/min所对应的功率等于车速为时的阻力功率，则得到以下不等式: (2-12)式中为发动机最低稳定转速=1500r/min.为CVT最小速比.车速由下式决

34、定: (2-13)(2) 保证纯发动机驱动工况的最高车速设汽车以最大速比原地起步加速，油门全开,当发动机运行到最大功率点B时(如图3.2)所示，控制发动机保持在最大功率点工作,并减少CVT速比使车速增加，直至达到最高车速C点。i0的大小应能保证当CVT速比调到最大值时，汽车的计算车速不低于设计所要求的最高车速，即: (2-14)式中:为发动机最大功率所对应的转速.最后配合程序计算的主减速器的速比为=4 .045.3 金属带传动结构设计3.1金属带式CVT 的无级变速原理金属带式CVT 主要由金属带和主、从动轮组成，主、从动带轮均为组合结构，都是由可动锥盘和固定锥盘组成，与油缸靠近的一侧可动锥盘

35、可以在轴上移动。另一锥盘与轴固定。可、从动锥盘都是楔形面结构，当动力传到主动轮上，液压缸在控制下对主动带轮可动锥盘产生轴向夹紧力，金属带的V 型金属块的侧边接触产生摩擦力向前带动金属块，这样使后面的金属块挤压前面的金属块，在二者之间产生挤推力，由于金属带的带长一定，在金属带力的作用下，金属带推动从动带轮可动锥盘，产生轴向移动，从而改变了金属带在主、从动轮上作用半径，实现无级变速传动。如图3-1 所示。图3-1 金属带式CVT 的无级变速原理3.2金属带式CVT 的关键部件3.2.1金属带金属带式CVT 的快速发展得益于金属带制造技术的成熟，在金属带式CVT 中，金属带-带轮是其核心部分。金属带

36、要允许两个带轮之间进行高扭矩传递，金属带组件因承受主动轮和从动轮的运动载荷而被压缩在一起，金属带的组件将产生挤推作用,而不像其它传动带那样产生的是拉伸作用，这种结构的效果就是，增加了带轮表面的摩擦力，减少打滑。金属带是一套非常精密的组件，金属块和金属环的加工制造都有严格的精度和性能要求。金属带中的金属钢环组的各层金属环应均载，否则会出现一层断，整体断的严重事故，另外形位公差、尺寸公差和配合公差的要求相当高，所以加工精度高，材料、工艺要求苛刻，综合成本极高，只有少数国家可以生产.目前金属带(图3-2)一般由厚度为1.5mm-2.2mm 宽度为24mm或30mm的300-400片钢片以与两匝各6-

37、12层的钢环构成.图3-2 目前金属带的结构图3.2.2金属钢环组两束金属钢环组夹在金属块两侧的狭槽，其中每层金属环是厚度为0.2mm的无缝环带。金属钢环组的功能一是引导V 型的金属块运动，二是承担金属带中的全部预紧力。金属钢环组要承受一个相当高的力，当金属带工作在相对较小半径时，将产生较大弯曲应力，这极大的降低金属带的寿命，因此金属钢环组通常采用多层薄金属环组成以降低弯曲应力的影响。金属环的最小厚度还受到加工条件的限制。金属环要有较高的韧性，须能抗数亿次弯曲循环次数，此外金属钢环组中的各层金属环还必须均载，即上层金属环的径和下层金属环的外径公差应在0.010.02mm，且两个连续金属环之间的

38、应力差不超过3060MPa，最里层与最外层金属环之间的应力差为3060MPa，否则金属带在传动中极易损坏，严重影响CVT的寿命。金属环的层数和尺寸对V 型金属带的韧性和传递转矩起着重要作用，特别是金属环的厚度是非常重要。见表2金属环的材料通常采用高强度合金，抗冲击，冷轧收缩量等符合要求的马氏体时效钢带，属很纯的低碳钢，约含18%的Ni 与Co、Mo 等，例如采用薄钢板马氏体钢带，厚度是0.4mm，经退火后被冷轧到0.18mm.3.2.3金属块如下图所示为V 型金属块的几何尺寸图，其楔角为11，金属块鞍座面到摇摆棱的高度为1.1mm。V 型金属块的主要功能是传递转矩，由于高效、低噪音的要求，金属

39、块必须能够保持在金属环力引起的预紧力下工作。V型金属块之间的接触面是曲面，金属块侧面槽里的支撑面是双曲面。基于弹性特性、强度与低噪音的要求，金属块的厚度一般在2.02.2mm. 凸凹和孔结构能防止金属块的偏移，在传动带直线部分的凸凹可以防止金属块之间相互错位，当传动带回转在曲线部分（带轮之间），因为金属块间相互自由位移，上述的错位也因此不会产生。金属块的材料采用是滚动轴承钢。3.2.4主、从动带轮金属带式CVT 中只有两个工作带轮：主动带轮和从动带轮。两者之间是通过金属带连接在一起，带轮应具有如下功能：（1）提供可变的带轮直径，从而允许金属带按各种速比进行动力传递。（2）对金属带保持足够的侧向

40、压力，以防止金属带打滑，因为打滑将会损坏金属带与带轮。（3）保证金属带与带轮的接触面必须有足够的硬度，以便抗挤压和磨损。（4）每个带轮包含一个固定锥盘和一个活动锥盘。主动锥盘与输入轴固定，从动锥盘直接安装在从动轮轴上并能沿轴向移动。（5）液压系统向每只可动锥盘施加连续变化的液压。（6）通过弹簧力、液压、金属带的共同作用，有效地改变带轮的工作半径，实现速比连续变化。图3-3 金属带轮结构图带轮中固定锥盘与轴做成一体，可动锥盘通过花键联结与轴同步旋转，并且能在轴上做轴向移动，在液压控制系统的作用作轴向移动，可连续地改变主、从动轮的工作半径，实现无级变速传动，这就是称之为无级变速器的原因所在，在速比

41、改变时，主、从动轮的可动锥盘的移动方向一样，速比由大变小时，主动轮的工作半径由小增大，而从动轮的工作半径由大减小。3.3金属带式CVT 的运动学分析3.3.1速比与速比围最大速比和最小速比是影响汽车动力性和燃油经济性的重要参数，最小速比与汽车的最高车速有关，一定程度上，较小的速比有利于汽车百公里油耗的降低，而最高速比与车辆的加速性能、爬坡性能和最小稳定车速有关，在一定程度上，增大最大速比有利于汽车动力性的改善。最大速比和最小速比是影响汽车动力性和燃油经济性的重要参数，最小速比与汽车的最高车速有关，一定程度上，较小的速比有利于汽车百公里油耗的降低，而最高速比与车辆的加速性能、爬坡性能和最小稳定车

42、速有关，在一定程度上，增大最大速比有利于汽车动力性的改善。无级变速器的速比是由主、从动轮的工作半径确定的，速比围是金属带式CVT 的最重要的几何参数之一。图3-4金属带几何变速图如图3-4，CVT 的速比可定义为： (3-1)则 (3-2)通常带轮工作半径与速比的关系可用图3-5 表示图3-5带轮工作半径与速比的关系速比围是指主动轮最大角速度和从动轮最小角速度的比值，变速围越宽，发动机最经济油耗区的使用围越宽，变速器就能在更大围实现发动机与外界载荷的最佳匹配，实现车辆最佳的经济性或动力性。速比围用公式表示是： (3-3)可以看出速比围的大小取决于主、从动轮工作的最大半径和最小半径。最大半径又受

43、两锥轮中心距的限制，最小半径则受主、从动轴的轴径尺寸的限制。当主、从动轮的结构尺寸一样时，采用对称结构，即 (3-4), (3-5) (3-6)通常一般在5左右，本文CVT 采用等尺寸的主、从动轮，速比在金属带参考速比围约在2.4320.442。根据此式，在给定带轮工作最小半径后，即可求出带轮节圆的最大半径： (3-7)变速围决定了无级变速器主要元件封闭容积的大小，如果将调大，其代价是增大了变速器的整体尺寸，因此的取值要兼顾受力和结构尺寸的要求，一般=30mm。3.3.2各运动区段的划分与其之间的几何关系金属带在运动过程中，其有效作用线是金属块的摇摆棱（节圆线见图3-6），在运转平面投影点的连

44、线，金属带的运行部分沿此线方向是连续的，线速度即为带速。由于金属块很薄，在带轮部分连接摇摆棱的线近视于圆弧。根据金属带的运动状态，可将整条带划分为四个不同的区段（图3-6），即主动带轮部分a-b、主动带轮至从动带轮直线部分b-c、从动轮部分c-d 和从动轮直线至主动轮直线部分d-a。由于金属带的长度L（一般指摇摆棱上的长度，也即节圆上的长度）和主、从动轮的中心距为定值，根据图3-6 可建立如下几何关系：图3-6金属带式CVT 运动区段与几何关系图 (3-8)式中：,分别为主、从动轮包角；：斜向角，且= 2-，=+2；RDR、RDN：分别为主、从动轮的节圆半径；A：轴距。在速比为最大或最小的极限

45、速比位置时： (3-9) (3-10)由=-2，=+2可得：= (3-11)式中：，为速比变化围由于A，显然1，可见随着速比围的增大而增大，随着A的增大而减小. 考虑结构方面的限制，不能太小，一般限定,所以,3.4 CVT主要部件设计结构设计和金属带的选型3.4.1钢球滑道结构设计1.钢球,滑道结构和滑道截面形状CVT主动轮,从动轮中的可动轮都是通过钢球与相应轴连接的,可动半轮在相应轴上可滑动,同时通过钢球进行转矩的传递.滑道钢球和球槽间根据工作状况必须满足下列要求:向滑动带轮平稳传递转矩.滑动带轮平滑滑动.为了确保这样的特性,钢球直径要满足相反的要求:为了滑动带轮平稳地传递扭矩,球和球槽间

46、不能有间隙,必须安装直径较大的钢球.为了随滑动带轮平滑移动,必须安装直径较小的钢球.上述分析表明,钢球和球槽间的配合间隙至关重要.要合理的选择配合精度和滚道界面形状.本文采用目前较常使用的弧形截面,截面上有三排滑道,主动带轮和从动带轮上的钢球数目是一样的,都是3个,如图3-7所示 图3-7 钢球-滑道结构2.钢球-滑道的尺寸设计 主动轮,滑动轮上有卡环,固定轴上有卡环,钢球位于两卡环之间:(1)最大速比状态时,两卡环距离: (3-12)式中: Z 钢球数目d 钢球直径c钢球与卡环的间隙值(2) 最小速比状态时两卡环之间的距离: (3-13)式中: 可动轮的最大位移量,由公式计算.图3-8钢球-

47、滑道最大速比状态时尺寸图图3-9钢球-滑道最小速比状态时尺寸图因此,设计时滑动轮最大滑移处应有限位结构,有效滑道长度至少大于,同时两卡环的设计应满足钢球的运动要求,通常把两卡环分别设计在固定轮轴和滑动轮上对应于最小运转半径。考虑结构方面的限制，不能太小，一般限定。3.4.2金属带的选型金属带是由几百个金属块与两束多层金属钢环组组成，金属带式CVT在传动过程中，金属块与金属环在工作中受力与的作用是不一样，因而对其要求也不一样。如果由于某个金属块或某层金属环损坏将影响金属带的传动，甚至导致使金属带的彻底报废。所以有必要对其强度进行分析，掌握其应力分布情况,便于正确合理设计。由式3-11知CVT的性

48、转速围约为2.432 0.442时, 即约为5.5,为了满足,我们可以达到轴距允许的围,根据耦合器输出功率P和转速n,最终采用了VDTCVT公司的901050型金属带，其主要的结构参数与技术参数：表3: 901050型CVT金属带的主要参数表3.4.3可动主动锥轮的设计该零件一般采用类比法设计,但要满足: (3-14)式中为保证扭转强度的最小轴径,为主动带轮油缸与锥轮固定点处螺钉中心孔径向位置.以上式子计算结果为: ; ,最后:. =44mm 所设计的可动主动锥轮外形尺寸如下图:图3-10 主动可动锥轮的结构图3.4.4主动锥轮轴的结构设计轴的结构设计就是确定轴的外形和全部结构尺寸。但轴的结构

49、设计原则上应满足如下要求：1)轴上零件有准确的位置和可靠的相对固定；2)良好的制造和安装工艺性；3)形状、尺寸应有利于减少应力集中；4）尺寸要求。（一）轴上零件的定位和固定轴上零件的定位是为了保证传动件在轴上有准确的安装位置；固定则是为了保证轴上零件在运转中保持原位不变。作为轴的具体结构，既起定位作用又起固定作用。1、轴上零件的轴向定位和固定：轴肩、轴环、套筒、圆螺母和止退垫圈、弹性挡圈、螺钉锁紧挡圈、轴端挡圈以与圆锥面和轴端挡圈等。2、轴上零件的周向固定：销、键、花键、过盈配合和成形联接等，其中以键和花键联接应用最广。（二） 轴的结构工艺性轴的结构形状和尺寸应尽量满足加工、装配和维修的要求。

50、为此，常采用以下措施：1、当某一轴段需车制螺纹或磨削加工时，应留有退刀槽或砂轮越程槽。2、轴上所有键槽应沿轴的同一母线布置。3、为了便于轴上零件的装配和去除毛刺，轴与轴肩端部一般均应制出45的倒角。过盈配合轴段的装入端常加工出带锥角为30的导向锥面。4、为便于加工，应使轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽、退刀槽和越程槽等尺寸一致。（三）提高轴的疲劳强度轴大多在变应力下工作，结构设计时应尽量减少应力集中，以提高其疲劳强度。1、结构设计方面 轴截面尺寸突变处会造成应力集中，所以对阶梯轴相邻轴段直径不宜相差太大，在轴径变化处的过渡圆角半径不宜过小。尽量避免在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹。在重要结构中可采

51、用凹切圆角、过渡肩环，以增加轴肩处过渡圆角半径和减小应力集中。为减小轮毂的轴压配合引起的应力集中，可开减载槽。2、制造工艺方面 提高轴的表面质量，降低表面粗糙度，对轴表面采用碾压、喷丸和表面热处理等强化方法，均可显著提高轴的疲劳强度。（四）选取轴的材料，初步计算轴径查教材P196：选取轴的材料为45钢，调质处理。（五）各轴段的直径和长度的确定1、各轴段直径确定a) 按扭矩估算所需的轴段直径d min (3-15)由上式可得轴的直径计算公式： (3-16)式中 A计算常数，与轴的材料和承载情况有关根据45钢 一般为3040 ,相应的A值取118107,根据发动机输出的功率和转速情况最后计算得 1

52、4.5 mm 所以取=17mmb) 按轴上零件安装、定位要求确定各段轴径。 确定轴承座端面位置,轴右端面至轴承座端面的距离=C1+C2C1为和耦合器输出轴齿轮相啮合的齿轮宽度一般为 20mm C2主动带轮轴卡簧厚为1.5mm。确定轴承盖厚度与位置查手册选用轴承6207-2RS(357217),因为要和该轴承型号径匹配,故该段轴径和长度随之确定.根据式3-12和图3-9 得: =25mm 从右到左,根据所设计的可动锥轮径和主动带轮活塞,并考虑定位和加紧要求,可以相继确定剩下各段尺寸如下图:. 图3-11主动锥轮轴的结构图3.4.5可动从动锥轮的设计但因为从动油缸工作油压相对要大一些,故外径应偏大

53、,经偏小最后:.图3-12从动可动锥轮的结构示意图3.4.6从动固定锥轮结构设计 选取轴的材料，初步计算轴径材料力学P196：选取轴的材料为45钢，调质处理。查教材按扭矩估算所需的轴段直径d min (3-17)由上式可得轴的直径计算公式： (3-18)式中 A计算常数，与轴的材料和承载情况有关根据45钢 一般为3040 ,相应的A值取118107,根据CVT输出的功率和转速情况最后计算得 16.8 mm 所以取=20mm 输出轴的最小直径显然是被动齿轮轴的齿轮处直径d，此处有一个键槽，故轴径应增大5%，即。最后使所选的轴直径d1与被动齿轮孔径要相适应。2确定轴承型号与该段轴尺寸为了使所选的该

54、轴段直径与联轴器的孔径相适应。故需同时选择轴承的型号。（1）类型的选择转速较高、要求消除冲击、吸振：选圆柱滚子轴承。（2）型号、尺寸选择根据轴径与圆柱滚子轴承孔径一致，选型号。查手册，选圆柱滚子轴承(22x50 x20),其孔径为20mm，故取dmin=d1=20mm；圆柱滚子轴承轴配合的长度为22mm。（3）该段轴长度为保证圆柱滚子轴承固定可靠，应使轴右端应有被动带轮轴碟形垫圈和锁紧螺母，故取L1=20+10+3=33mm3 确定穿越轴承盖轴段的直径为满足圆柱滚子轴承的定位要求，轴段需设计一轴肩。据轴肩高度h0.07d=0.0722.5=1.5mm，故d2=22.5+0.752=22.5+1

55、.5=24mm。4,根据,加紧弹簧尺寸可类比设计出左侧和从动固定轮配合的轴承和加紧螺母以与被动带轮轴承挡圈的各轴段直径很长度.5绘制从动固定轮阶梯轴外形尺寸. 图3-13 从动固定锥轮轴结构图结论混合电动汽车的研发正在全世界围如火如茶的进行着。本文就混合动力汽车关键部分之一动力耦合系统进行原理分析,并对CVT传动特性作出了研究分析，通过不同工况下功率,扭矩,转速的分析计算，完成了一个基于CVT的混合动力汽车动力耦合系统的设计。在原有车型的基础上，进行了整车的改装设计。通过计算，确定了包括驱动和能源部件的参数设计和选型、关键零部件的选择与设计，以与所有部件在整车中的安装布置。无极变速器(Cont

56、inuously Variable Transmission,CVT) 是目前汽车上最先进的自动变速器技术。它与普通自动变速器有较大的区别, 省去了复杂而又笨重的齿轮组合, 只用2组带轮, 通过改变驱动轮与从动轮传动带的接触半径, 实现连续变速传动。由于它的诸多优点, 可认为是最理想的汽车变速器。本篇论文主要针对金属带式CVT 的关键部件进行研究与分析，并对关键部件进行了结构设计.本文分析了金属带式CVT 的无级变速原理，介绍了金属带的发展与金属带的组件（金属块、金属环）的结构、材料、性能要求等等，分析了金属带CVT 的运动学,得到速比与金属带的工作半径的关系，带长与包角的关系.本文对作了金属带选型并设计了钢球滑道,主从动可动锥轮和主从动固定锥轮轴等主要部件,并绘制了CVT零件图和CVT总装图的二维图(CAD)和主动,从动锥轮的三维图(UG).由于时间仓促和本人所学知识有限,不能对金属带传动加紧力情况和速比控制进行研究,油缸压力,容积大小设计,耦合器系统结构设计等都是待完善的设计环节.希望以后能积累和学习更多的知识来系统,完整的完成这个设计过程. 致经过三个多月的毕业设计,使我对曾学过的.,等书里的相关知识又复习了一遍,每次学习都有新的收获,反复的学习使曾学过的知识在这个题目和应用背景下得到进