1、1科技方法训练报告书力学与工程学院理论与应用力学 09-1 班设 计 者：李凌杰 刘恩泽 刘晓林 邱兆云 尚荣鑫 谭晓引指导教师：王学滨 王俊光 杨彩红2目录1 设计题目任务及要求 31.1 设计题目 .31.2 设计的任务及要求 .32 无级变速装置的意义及用途 32.1 意义 .32.2 用途 .33 无级变速的特性及发展 43.1 特性 .43.2 发展 .44 无级变速的工作原理 54.1 钢带式 CVT54.2 滚轮转盘式 CVT65 无级变速的设计建模 85.1 传动系统建模与仿真 .85.2 液压控制系统的数学模型 .96 设计感言 .1131 设计题目任务及要求1.1 设计题目
2、无级变速装置的设计建模1.2 设计的任务及要求1. 无级变速装置的意义及用途。2无级变速的特性及发展。3.无级变速的工作原理。4.无级变速的设计建模。2 无级变速装置的意义及用途2.1 意义在一定速度范围内，能连续、任意的变换速度。Continuous Variable Transmission，简称 CVT 。2.2 用途无级变速按传动方式可采用液体传动、电力传动和机械传动三种方式。 (1)液体传动液体传动分为两类：一类是液压式，主要是由泵和马达组成或者由阀和泵组成的变速传动装置，适用于中小功率传动。另一类为液力式，采用液力耦合器或液力矩进行变速传动，适用于大功率（几百至几千千瓦） 。 液体
3、传动的主要特点是：调速范围大，可吸收冲击和防止过载，传动效率较高，寿命长，易于实现自动化：制造精度要求高，价格较贵，输出特性为恒转矩，滑动率较大，运转时容易发生漏油。 (2)电力传动电力传动基本上分为三类：一类是电磁滑动式，它是在异步电动机中安装一电磁滑差离合器，通过改变其励磁电流来调速，这属于一种较为落后的调速方式。其特点结构简单，成本低 无级变速，操作维护方便：滑动最大，效率低，发热严重，不适合长期负载运转，故一般只用于小功率传动。第二类是直流电动机式，通过改变磁通或改变电枢电压实现调速。其特点是调速范围大，精度也较高，但设备复杂，成本高，维护困难，一般用于中等功率范围（几十至几百千瓦）
4、，现已逐步被交流4电动机式替代。第三类是交流电动机式，通过变极、调压和变频进行调速。实际应用最多者为变频调速，即采用一变幅器获得变幅电源，然后驱动电动机变速。其特点是调速性能好、范围大、效率较高，可自动控制，体积小，适用功率范围宽：机械特性在降速段位恒转矩，低速时效率低且运转不够平稳，价格较高，维修需专业人员。近年来，变频器作为一种先进、优良的变速装置迅速发展，对机械无级变速器产生了一定的冲击。 (3)机械传动机械传动的特点主要是：转速稳定，滑动率小，工作可靠，具有恒功率机械特性，传动效率较高，而且结构简单，维修方便，价格相对便宜；但零部件加工及润滑要求较高，承载能力较低，抗过载及耐冲击性较差
5、，故一般适合于中、小功率传动。常见的无级变速器有液力机械式无级变速器和金属带式无级变速器（VDT-CVT） ，目前国内市场上能见到的、采用了这种技术的有雷克萨斯 CT200h、奥迪A6 部分车型、比亚迪（G3） 、日产（阳光、天籁、轩逸、逍客、骐达） 、派力奥(西耶那、周末风)、飞度（旧款才有） 、MG 3SW、旗云、长城（腾翼系列轿车） 、帝豪（EC7、EC7-RV）等车型，目前偏向于大型的有沃尔沃产的巴士。 3 无级变速的特性及发展3.1 特性无级变速指可以连续获得变速范围内任何传动比的变速系统。通过无级变速可以得到传动系与发动机工况的最佳匹配。常见的无级变速器有液力机械式无级变速器和金属
6、带式无级变速器（VDT-CVT） 。CVT 即无级变速传动，其英文全称 Continuous Variable Transmission，简称 CVT。发明这种变速传动机构的是荷兰人，有其装置的变速器也称为无段变速箱或者无级变速器。 这种变速器和普通自动变速器的最大区别是它省去了复杂而又笨重的齿轮组合变速传动，而只用了两组带轮进行变速传动。通过改变驱动轮与从动轮传动带的接触半径进行变速，其设计构思十分巧妙。由于 CVT 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员的乘坐舒适性，所以它是理想的汽车传动装置。无段变速箱轿
7、车一样有自己的档位，停车档 P、倒车档 R、空档 N、前进档 D 等，只是汽车前进自动换档时十分平稳，没有突跳的感觉。3.2 发展CVT 技术真正应用在汽车上不过十几年的时间，但它比传统的手动和自动变速器的优势却是显而易见的： （1）结构简单，体积小，零件少，大批量生产后的成本肯定要低于当前普通自动变速器的成本； （2）它的工作速比范围宽，容易与发动机形成理想的匹配，从而改善燃烧过程，进而降低油耗和排放； 5（3）具有较高的传送效率，功率损失少，经济性高。 当然，CVT 技术也有它的弱点，比如传动带容易损坏，无法承受较大的载荷等等，这些技术上的难关使得它一直以来多应用在小排量、低功率的汽车上。
8、目前 CVT 技术发展得相当迅速，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。4 无级变速的工作原理无级变速器(CVT：Continuous Variable Transmission)与有级式的主要区别在于：它的速比不是间断的，而是一系列连续的值，譬如可以从 3.455 一直变化到 0.85。CVT 结构比传统自动变速器简单，体积更小，它既没有手动变速器的众多齿轮副，也没有自动变速器复杂的行星齿轮组，它主要靠主、从动轮和金属带或滚轮转盘来实现速比的无级变化。其原理是与普通的变速箱一样大小不一的几
9、组齿轮在操控下有分有合，形成不同的速比，像自行车的踏板经大小轮盘与链条带动车轮以不同的速度旋转。由于不同的力度对各组齿轮产生的推力大小不一，致使变速箱输出的转速也随之变化，从而实现不分档次的徐缓转动。CVT 采用传动带和可变槽宽的棘轮进行动力传递，即当棘轮变化槽宽肘，相应改变驱动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速，传动带一般用橡胶带、金属带和金属链等。CVT 是真正无级化了，它的优点是重量轻，体积小，零件少，与 AT 比较具有较高的运行效率，油耗较低。但 CVT 的缺点也是明显的，就是传动带很容易损坏，不能承受较大的载荷，只能限用于在 1 升排量左右的低功率和低扭矩汽车，因此在自动变速器占有
10、率约 4 以下。近年来经过各大汽车公司的大力研究，情况有所改善。CVT 将是自动变速箱的发展方向。国内目前有多款车型装备了 CVT，如东风日产天籁、轩逸、奇骏等全系列车型，一汽大众奥迪，广汽本田飞度，南汽菲亚特西耶那、帕力奥，奇瑞旗云等。CVT 的主要结构和工作原理：4.1 钢带式 CVT6钢 式 带 CVT 机 构这种 CVT 是带轮和钢带的组合，取代常规的齿轮装置传递动力。主要部件包括主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。金属带由两束金属环和几百个金属片构成。主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组成，与油缸靠近的一侧带轮可以在轴上滑动，另一侧则固定。可动盘与固定盘都是锥面结构，它们
11、的锥面形成 V 型槽来与 V 型金属传动带啮合。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。可动盘的轴向移动量是由驾驶者根据需要通过控制系统调节主动轮、从动轮液压泵油缸压力来实现的。由于主动轮和从动轮的工作半径可以实现连续调节，从而实现了无级变速。在金属带式无级变速器的液压系统中，从动油缸的作用是控制金属带的张紧力，以保证来自发动机的动力高效、可靠的传递。主动油缸控制主动锥轮的位置沿轴向移动，在主
12、动轮组金属带沿 V 型槽移动，由于金属带的长度不变，在从动轮组上金属带沿 V 型槽向相反的方向变化。金属带在主动轮组和从动轮组上的回转半径发生变化，实现速比的连续变化。汽车开始起步时，主动轮的工作半径较小，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扭矩来保证汽车有较高的加速度。随着车速的增加，主动轮的工作半径逐渐减小，从动轮的工作半径相应增大，CVT 的传动比下降，使得汽车能够以更高的速度行驶。4.2 滚轮转盘式 CVT滚 轮 转 盘 式 CVT 机 构可用来传递更大的功率和扭矩，适用于较大排量的汽车上。这种 CVT 使用转盘和滚轮的结合传递驱动扭矩并改变传动比。它通过移动动力滚轮
13、改变传动比，输入转盘给动力滚轮及时施加作用力，所以这种 CVT 对传动比变化的反应比钢带式 CVT 更快，从而实现驾驶员加速器输入的传动比线性变化。此外，与钢带驱动式 CVT 类似，传动比的连续改变使驾驶员享受到无缝平顺换档，没有任何换档冲击。发动机动力传递到一个输入转盘，输入转盘的旋转运动把动力传递到滚轮，再经滚轮传递到输出转盘。通过连续改变动力滚轮的倾斜角度，CVT 执行平顺7而连续的传动比变化。输入转盘和动力滚轮之间接触点画圆的大小以及输出转盘和动力滚轮之间触点画圆的大小根据动力滚轮倾斜角度的变化而变化。圆的大小比值对应输入转盘和输出转盘的转速比，转速比等于传动比。当输出转盘的圆较大时，
14、输出转盘的旋转比输入转盘慢，这相当于传统变速器的低档。反之，输出转盘的圆较小时，输出转盘的旋转比输入转盘快，这相当于传统变速器的高档。动 力 滚 轮 构 造动力滚轮支撑在耳轴的上方和下方，总成与液压伺服活塞连接，可以上下移动。动力滚轮的这种构造可以使各个滚轮绕着耳轴旋转。当动力滚轮的轴线通过转盘中心时，不会产生滚轮的倾斜力。因此，既然滚轮倾斜保持不变，就没有改变传动比。由于转盘高速旋转，滚轮只要向上或向下移动 0.1mm-1.0mm，就可以倾斜。这就使 EXTROID CVT 即时响应传动比改变的指令，导致特别快速的传动比变化。动力滚轮的倾斜角度有液压机构进行操纵。尽管通过倾斜动力滚轮改变传动
15、比，但并没有直接给滚轮加力。相反，使用转盘产生的力使滚轮倾斜，当滚轮从中心轴垂直移动时，转盘就使滚轮倾斜。由于转盘高速旋转，转盘产生的力使滚轮移动和受力最小时就立刻倾斜，因此，我们能够快速感觉到传动比变化明显。当驾驶员的加速器输入时，就可以线性加速和减速。85 无级变速的设计建模5.1 传动系统建模与仿真建模示意图金属带式无级变速传动装置能传递的最大转矩与被动轮油缸的轴向夹紧力的关系。设发动机转矩为 Te，则被动轮油缸的工作压力。（1）iDRiiATP2cos式中， 为转矩储备系数，一般取值为 1.21.3；As 为被动轮油缸面积。可见，在相同条件下，提高摩擦系数 可减小带轮夹紧力，从而提高传
16、动效率。而摩擦系数 取决于无级变速系中所用的润滑油，它既要满足金属带与带轮之间有足够大的摩擦系数，又要满足传动系统中诸如轴承、齿轮的润滑要求。所以，能够实现的 不能太大，通常可实现的摩擦系数在 0.060.08 之间。当被动轮的工作压力(轴向夹紧力)确定以后，通过主动油缸改变传动比就归结为：被动轮的夹紧力通过金属带转化为主动轮油缸的轴向负荷，在金属带为定长的约束条件下，连续改变主动轮的节圆半径，从而实现传动比无级地变化。这样就把主被动轮轴向耦合的控制问题转化为两个单目标的压力控制(被动轮油缸-传递转矩)和位置控制(主动轮油缸-节圆半径)。9当被动轮油缸的夹紧力确定以后，它通过金属带在主动轮油缸
17、上产生的轴向负荷取决于 3 个因素：发动机输入转矩与能传递的最大转矩比、传动比与转速。考虑到无级变速传动在工作时，传动系传递转矩的储备系数 值是一定的，则发动机输入转矩与能传递的最大转矩比也将为定值。如 为 1.29，则转矩比 r 为 0.77。在这一转矩比下，发动机转速对主动轮、被动轮油缸轴向负荷比的影响很小，因而可忽略不计。所以，最后只要考虑传动比对主被动轮油缸轴向负荷比的影响即可。由 Toru Fujii 和 Miloiu 等人提出的金属带式无级变速主被动油缸轴向负荷的计算公式，当被动轮的轴向夹紧力确定以后，即可计算被动轮的夹紧力在主动轮油缸上产生的轴向负荷。 5.2 液压控制系统的数学
18、模型无级变速传动的液压控制系统见图 1。根据这一工作过程，可分别写出主动轮、被动轮的运动方程。对夹紧力控制系统可以得到（2）dtPVCQSeSRSPO式中，Qo 为油泵流量；Up 为进入主动轮油缸流量；Qs 为进入被动轮油缸流量； QR 为回油箱流量；Vs 为被动轮油缸及前部管路总容积；be 为油液体积弹性模量；Cs 为液压系统的泄漏系数；Ps 为被动轮油缸的工作压力。当主动轮的运动速度恒定时，被动轮的运动速度随无级变速传动比的变化规律见图 2。图 1 CVT 控 制 系 统 示 意 图10图 2 主 被 动 轮 的 运 动 与 传 动 比 的 关 系主动轮的运动由于约束引起被动轮油缸流量的变
19、化为（3）sSAxQ.由调压阀溢流至油箱的流量为（4）)(2),(oscsdcR PPC式中，Cdc 为调压阀流量系数； 为油液密度；Po 为回油管路压力；A(Ps,Pc)为调压阀溢流面积。当高压阀的结构尺寸确定后，溢流面积由被动轮当前压力 Ps 和期望压力Pc 决定。尤其当 Ps=Pc 时，则 0),(cSPA进入主动轮油缸的流量为(5)(2),(pscdpiCQ式中，Cdp 为传动比控制阀流量系数；A(i,ic)为传动比控制阀的节流面积。当阀的结构尺寸确定以后，其面积由当前传动比 i 和期望传动比 ic 确定。特别当 i=ic 时 0),(ciA据流量连续方程进入主动轮油缸的流量为(6)d
20、tPVxPCQpeppp.式中，Ap 为主动轮油缸面积；Cp 为主动轮油缸泄漏系数；Vp 为主动轮油缸及它的管路总容积；Pp 为主动轮油缸油压。主动轮油缸轴向运动方程(7)DRpppp QAPxKBxM11式中，Mp 为主动轮油缸、金属带及被动轮油缸的等效总质量；Bp 为主被动轮油缸总的等效阻尼系数；Kp 为主被动轮油缸总的等效刚度系数；QDR 为被动轮的夹紧力转换到主动轮油缸的轴向负荷。主动轮油缸的位移引起的主动轮节圆半径的变化为 tgxRpD2/min(8)xRp)(20ina6 设计感言我们的题目是无级变速装置的设计建模，在建模之前，我们查阅了网上的很多资料。在个过程中，我们学习到了获取知识的能力，可能有一些问题我们一无所知，但是，我们仍然可以完成这样的任务。庞大的网络资源，正等待着我们的开发利用。而且，在这个过程中我们互相合作，努力配合，在完成任务的同时，也增强了团队配合的意识。我们组每个人都付出的辛苦劳动，最终完成了老师布置的任务。
