1、上海交通大學碩士學位論文功率分流無級變速器的研究與應用方案的設計姓名:馬春生申請學位級別:碩士專業:車輛工程指導教師:何維廉20060201上海交通大學學位論文原創性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學位論文,是本人在導師的指導下,獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外,本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。學位論文作者簽名:馬春生日期: 2006年 2 月17 日上海交通大學學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定,同意學

2、校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權上海交通大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。保密,在_年解密后適用本授權書。本學位論文屬于不保密。(請在以上方框內打“”學位論文作者簽名:馬春生指導教師簽名:何維廉日期:2006年2月17日日期:2006 年2月17 日摘要汽車變速器是為解決發動機輸出轉速和轉矩與車輛轉速和轉矩之間的矛盾而設置的。車輛行駛性能的好壞,不僅取決于發動機,而且在很大程度上還依賴于變速器以及變速器與發動機的匹配。目前,無級變速器與手動變速器、自動變速器都已

3、成為汽車上的重要傳動裝置。本文研究的是其中一種獲得廣泛應用的機械式無級變速器,稱為金屬V帶式無級變速器。金屬V帶式無級變速傳動作為20世紀80年代末期出現的一種新型車輛傳動方式,可確保發動機在最佳燃油經濟線上運行,從而達到節省燃料、降低廢氣排放的目的;同時,加速無需切斷動力,使車輛不僅乘坐舒適而且超車加速性能好,并可減輕駕駛員的駕駛疲勞,提高行車的安全性,因此一直備受人們的關注。由于結構和傳動方式的限制,金屬V帶式無級變速器存在著承載能力較低,效率較低的問題,使其優越性不能得到充分地發揮。在采用無級變速器的裝置上,通過配置行星齒輪機構及其它組件,利用功率分流的方法,使一部分功率流經效率較低的無

4、級變速器,另一部分功率流經行星齒輪機構,這兩部分功率在輸出端匯合,由于行星齒輪的效率系數比無級變速器的效率系數高,從而在保證具有無級變速器本身傳動優點的基礎上,改善整個機構的傳動效率。能實現這個功能的裝置稱為功率分流無級變速器。為保證功率分流無級變速器能實現功率分流的功能,需要對該裝置的相關部件進行具體地分析和計算,并在此基礎上,探討進一步提高該裝置傳動效率的可能性。本文重點對金屬V帶式無級變速器采用功率分流裝置進行結構設計和理論分析?；旌蟿恿ζ嚺c傳統汽車相比,具有耗油量低,環保性能好等明顯優點。在汽油價格居高不下和環保要求日益嚴厲的今天,混合動力汽車獲得了極大的關注。把功率分流無級變速器應

5、用到混合動力汽車中,能夠充分發揮無級變速器可以提供兩個功率輸入端的優點,滿足各種行駛工況,并且由于傳動裝置的無級變速作用和功率分流作用,可以進一步提高傳動的效率。在研究功率分流無級變速器的基礎上,本文設計了把功率分流無級變速器應用到混合動力汽車中的傳動機構簡圖,分析了各種行駛工況,并且提出了傳動過程的控制策略。本文具體研究內容如下:1研究兩種新式功率分流無級變速器裝置(并聯式和串聯式的工作原理,分析該裝置中功率的傳動路線,以及該裝置實現功率分流所要滿足的條件。2引入第二分流的概念,設計第二分流的結構圖,并對第二分流進行功率和效率方面的分析研究。3提出把功率分流無級變速器應用到混合動力汽車中的方

6、案,設計新的傳動裝置圖,研究傳動機構的工作原理,并探討控制系統的設計思路。研究結果表明與常規無級變速器相比較,本文所分析的功率分流無級變速器具有更高的效率,承載扭矩的范圍更大;把功率分流無級變速器應用到混合電動車的傳動機構上,既可以滿足各種工況要求,又具有無級變速器變速平滑的優點。關鍵詞:無級變速器,功率分流,功率分流無級變速器,混合動力ABSTRACTThe transmission is used to change the rotate speed and torque of engine into the speed and drive torque of vehicle. The d

7、rive ability of vehicle is not only depend on the engine, but also depend on the transmission and the matching of the transmission with the engine.Like the manual transmission and the automatic transmission, the continuously This paper has a research on a widely used mechanical transmission, which i

8、s called V-belt CVT. As a new transmission appeared at the end of 1980, the V-belt CVT becomes more and more popular. It can make sure the engine running on the best efficient way in the fuel consumption map, then spare the fuel and lower the exhausted gas of vehicle. With the CVT, vehicle can accel

9、erate without cutting the power, so the vehicle is more comfortable and the accelerate ability is better, then lower the pressure of driver and increase the safety of driving.With the limitation of configuration and transmission, the V-belt CVT has a lower load capability and a narrow transmission r

10、atio, which limits the merit of the CVT.Power-split transmission uses planetary gear transmission (PGT in combination with variable elements, such as a CVT. The power is split and a fraction of the power flows through the CVT element to the PGT, while the remaining power circulates directly through

11、the PGT. This Power-split transmission is called CVPST. Comparing with CVT, continuously variable power split transmission (CVPST supplies a higher torque and efficiency.In order to make sure the CVPST can split the power, it is necessary to analyze the components and compute. Then try to find a way

12、 to improve the transmission efficiency.Comparing with the normal vehicles, the hybrid-electric vehicles (HEV have some merits, such as less fuel consumption, and more clear. Today, the price of gasoline is high and the exhaust standard is strict, so the HEV becomes the focus of the world. If the HE

13、V uses the CVPST as its transmission, it can improve its transmission efficiency further.This paper has a research on this transmission, proposes some new transmission configurations, the operate modes, and the control system of this kind of transmission. It is helpful for further research of other

14、people.The article includes follow contents:1 Studies the work principle of CVPST, analyses the power routine of CVPST,analyses why and how the CVPST can split the power.2Introduces a research on the second phase of power-split, proposes aconfiguration of second phase, and have a research on the pow

15、er andefficiency of this configuration.3 Proposes a new design of hybrid-electric vehicle which uses the CVPST,analyses the operate principle, plots some operate modes.The results of research show that the CVPST proposed by this article has higher efficiency than the single CVT, and can undertake bi

16、gger torque. Using the CVPST in Hybrid-Electric cars, can meet many operate requirements, and have the merits of CVT.Keyword: CVT, Power split, CVPST, Hybrid第一章緒論1.1課題的背景及意義在汽車工業的發展史中,傳動技術的每一次革新都對汽車整車性能的提高起到了重要作用。無級變速傳動是汽車最理想的一種傳動方式,金屬V帶式無級變速傳動作為20世紀80年代末期出現的一種新型車輛傳動方式,可確保發動機在最佳燃油經濟線上運行,從而達到節省燃料、降低廢

17、氣排放的目的;同時,加速無需切斷動力,使車輛不僅乘坐舒適而且超車加速性能好,并可減輕駕駛員的駕駛疲勞,提高行車的安全性,因此獲得了越來越廣泛地應用。然而,由于無級變速器傳動屬于摩擦傳動,與齒輪傳動相比效率有較大差距,并且由于功率依靠金屬帶來傳遞,而金屬帶承載能力有限,因而,設法改變無級變速器的效率和承載能力較低的問題就引起了廣泛地研究。因此,為了促進無級變速器作為車輛傳動機構的進一步發展,有必要解決金屬V帶式無級變速器的這一缺點。本文采用對流經無級變速器的功率進行分流的方法,以達到改善無級變速器傳動效率以及減輕無級變速器本身所承受載荷的目的。本文還嘗試著把功率分流無級變速器應用到混合動力汽車中

18、,并進行了有關傳動結構和工作原理的研究,希望能給混合動力汽車提供一個新穎的傳動方案。1.2無級變速器無級變速器,英文名稱是Continuously Variable Transmission,簡稱CVT,指能控制速比無級變化的變速器。它能提高汽車的動力性、燃料經濟性,方便汽車駕駛,使汽車行駛平順。無級變速器的種類很多,按照其結構形式可分為流體式、電動式和機械式三種。本文所研究的變速器是機械式無級變速器的一種,國內稱為金屬V帶式無級變速器,英文名稱是V-belt CVT。這種變速傳動必須在充分潤滑的條件下,通過高強度的摩擦在主動輪輸入轉速條件下,依靠改變兩帶輪錐盤間的軸向距離使金屬帶的工作半徑連

19、續發生變化,從而實現從動輪轉速可在一定范圍內連續變化,形成可連續變化的速比。金屬V帶式無級變速器的基本結構如圖1.1所示。 圖1.1 金屬V帶式無級變速器傳動結構Figure 1.1 Transmission structure of V-belt CVT1-發動機飛輪 2-離合器 3-主動工作輪液壓控制缸 4-主動工作輪可動部分4a-主動工作輪不動部分 5-油泵 6-從動工作輪可動部分 6a-從動工作輪不動部分7-從動輪液壓控制缸8-中間減速器 9-主減速器與差速器 10-從動輪液壓控制缸傳動器的主動帶輪、從動帶輪均由可動部分和不可動部分組成,帶輪的可動部分和不可動部分形成的V型槽與V型金屬

20、帶嚙合。當帶輪可動部分受到驅動力的作用靠近不可動部分時,V型槽較窄,鋼帶位于鋼帶外緣,帶輪的工作直徑最大;當帶輪可動部分受到驅動力的作用遠離不可動部分時,V型槽越來越寬,鋼帶逐漸靠近帶輪中心,工作半徑變小,帶輪的軸向滑移采用液壓控制。在工作中,通過控制主、從工作帶輪的可動部分的軸向移動,改變了金屬傳動帶的工作半徑,從而改變了傳動比。無級變速器可以使發動機始終控制在其經濟轉速區域內運行,從而可大大改善燃油經濟性,并且在加速時無須切斷動力,變速平滑,從而改善了乘坐舒適性。但由于無級變速器傳動屬于摩擦傳動,與齒輪傳動相比效率有較大差距,因而,設法改變無級變速器的效率問題就引起了廣泛的研究。一種方案是

21、從無級變速器本身的結構著手進行零部件優化和造型調整,另一種就是本文研究的方法:通過使用行星齒輪機構及其它組件,利用功率分流的方法,保證只有部分功率流經效率較低的無級變速器,從而在保證無級變速器性能的基礎上,改善整個機構的傳動效率。1.3功率分流無級變速器功率分流無級變速器,英文名稱是Continuously Variable Power-SplitTransmission,簡稱CVPST,是指在采用無級變速器的裝置上,通過配置行星齒輪機構及其它組件,利用功率分流的方法,使一部分功率流經效率較低的無級變速器,另一部分功率流經行星齒輪機構,這兩部分功率在輸出端匯合,由于行星齒輪的效率系數比無級變速

22、器的傳動系數高,從而在保證無級變速器本身傳動優點的基礎上,改善整個機構的傳動效率。 圖1.2 并聯CVPST裝置簡圖Figure 1.2 Schematic of a parallel CVPST system 圖1.3 串聯CVPST裝置簡圖Figure 1.3 Schematic of a series CVPST system無級變速器應用功率分流,可以提高傳遞效率,擴展變速比范圍,減少無級變速器鋼帶負荷,從而延長無級變速器壽命,提高汽車傳動機構的可靠性。1.4功率分流無級變速器的研究狀況對無級變速器的研究在一百多年前就已經進行,而對功率分流無級變速器的研究則出現的比較晚。在研究無級變速

23、器的基礎上,Lemmens于1972年提出了一種結合行星齒輪機構和金屬V帶式無級變速器的傳動結構。輸入軸驅動V帶無級變速器和鏈傳動機構,后者把轉矩傳動到行星架,而無級變速器把功率傳遞到太陽輪上;輸出軸與齒圈相連。此種機構使大部分功率通過行星齒輪結構傳遞,而無級變速器用來控制太陽輪的速度并因此得到一個變化的功率范圍。Lemmens于1974年改進了他的發明,用來滿足只需要空擋,前進檔,倒檔三個檔位要求的自動無級變速器。這種裝置產生了封閉功率循環,因而并不是真正的功率分流系統。另一位研究人員Takayama于1989年提出了一種功率分流傳動機構。傳動機構由V帶無級變速器和兩通路的差分離合器組成。大

24、部分功率傳遞到鋼帶,剩余功率通過兩通路差分離合器傳遞。當無級變速器達到最大傳動比時,由于輸出軸通過鋼帶得到的功率有部分還來自于差分離合器,兩通路差分離合器的輸出速度低于輸出齒輪速度。這種機構可以增加功率和加速能力并且同時減少鋼帶所承受的負荷。1992年,Cowan提出了結合行星齒輪機構的變速傳動機構。在此裝置中太陽輪和初級變速器安裝在輸入軸上,而行星架與輸出軸結合。變速器把一些輸入功率傳遞到反向齒輪軸上,而反向齒輪與調節輪結合,最終功率傳遞到齒圈。當調節輪和反向軸結合的時候輸入功率一分為二,一部分功率流經變速器,另一部分直接傳遞到太陽輪。通過分流輸入功率,導致通過無級變速器的功率降低,從而提高

25、系統效率。Mucino對功率分流無級變速器做了深入的研究,并得到重要的研究成果。Mucino不僅提出了一個新型的無級變速器設計裝置,還做了力學分析和運動學分析,給出了設計功率分流無級變速器需要注意的問題和解決方案,并且開發了一個功率分流無級變速器裝置的仿真程序,為深入研究功率分流現象準備了很好的工具。另外,G.Mantriota對無級變速器的功率分流現象也有獨特的見解和研究。G.Mantriota提出了一個新穎的功率分流無級變速器裝置,并通過對功率流的研究發現在此裝置中必須確定的情況,以便獲得一個沒有封閉循環的功率流;其次,在此基礎上提出了具有兩個分流的功率分流無級變速傳動裝置并給出了相關分析

26、。國外對混合動力汽車研究廣泛。豐田的prius和本田的civic混和動力汽車已經投入商用,其余各大廠商也加大了對混和動力汽車的研究力度。然而,對混合動力汽車應用功率分流無級變速器的研究較少,只有一些論文談及此方面的問題和做了一些初步研究。值得注意的是這些研究成果僅限于理論階段,尚未應用到實車階段。國內對無級變速器的研究開展的較晚,但隨著環保要求的提高和國際無級變速器研究的興起,國內的各大院校紛紛集中人力財力開始進行這方面的研究。重慶大學國家傳動重點實驗室在無級變速器這方面的研究成果比較多,對無級變速器的結構和傳動情況做了多方面的研究,上海交通大學汽車底盤所也對無級變速器的液壓控制和受力情況做過

27、一些研究。國內對功率分流無級變速器的研究比較少。1.5本課題研究的內容和意義本論文重點對金屬V帶式無級變速器使用功率分流裝置進行結構設計和理論分析,并提出了把功率分流無級變速器裝置應用到混合動力汽車中的設計思路。具體研究內容如下:1研究兩種新式功率分流無級變速器裝置(并聯式和串聯式的工作原理,分析了該裝置中功率的傳動路線,以及該裝置實現功率分流所要滿足的條件。2引入第二分流的概念,設計第二分流的結構圖,并對第二分流進行功率和效率方面的分析研究。3提出把功率分流無級變速器應用到混合動力汽車中的方案,設計新的傳動裝置圖,研究傳動機構的工作原理,并探討控制系統的設計思路。解決無級變速器的效率和承載能

28、力較低的問題,將會促進無級變速器進一步的發展和應用。由于功率分流無級變速器與常規無級變速器相比可以提高傳動效率,增大傳動扭矩,更好地滿足車輛行駛要求,所以在車輛上有著良好的應用前景;本文提出了在混合動力汽車中使用功率分流無級變速器的設計方法,也昭示了一個環保型汽車的應用前景。上海交通大學碩士學位論文 第二章 并聯功率分流無級變速器的研究第二章 并聯功率分流無級變速器的研究2.1 機構傳動分析功率分流無級變速器(CVPST 裝置由三部分組成:一個行星齒輪機構(PG ,一個無級變速器(CVT 和一個定速比機構(FR 。圖2.1就是一個并聯CVPST裝置的裝置簡圖。圖中無級變速器主動輪軸和定速比機構

29、輸入軸連接,無級變速器的被動輪軸直接與太陽輪連接,定速比機構與行星齒輪機構的行星架連接,這種機構形式稱為并聯功率分流無級變速器。 圖2.1 并聯CVPST 裝置簡圖Figure 2.1 Schematic of a parallel CVPST system如圖2.1 所示各個部件傳動比關系如下,1=2=3,CVT = 24,FR =35,PG =5456 (2-1 其中,i 表示i 部件的角速度,FR 表示定速比機構的傳動比,PG 表示此中工作狀況下行星齒輪機構的傳動比。功率分流無級變速器的總傳動比計算為:PS =16=FR +PG (CVT -FR (2-2 如果對于一個確定的無級變速器(

30、CVT ,即已知最小傳動比min CVT 和最大傳動比max CVT ,要求功率分流無級變速器(CVPST 裝置傳動比在一個范圍內,即有一個最小值(min PS 和一個最大值(max PS ,那么就可以明確計算出行星上海交通大學碩士學位論文 第二章 并聯功率分流無級變速器的研究齒輪機構和定速比機構的傳動比。如果PS 和CVT 之間成正比例關系,由式(2-2,則有下式成立:max PS =FR +PG (max CVT -FR (2-3min PS =FR +PG (min CVT -FR (2-4那么可由式(2-3,(2-4確定出所需行星齒輪機構和定速比機構的傳動比:PG =min max m

31、in max CVT CVT PS PS (2-5 FR =PG CVT PG PS 1max max (2-6在不同的條件下, 圖2.1所示裝置可能產生三種形式的功率流,如圖2.2所示: 圖2.2 CVPST 裝置中的功率流Figure 2.2 Power flows in the CVPST system可以看出在此CVPST 裝置中,當無級變速器傳動比CVT 和總傳動比分別成反比和正比時,可能產生I 型和II 型功率流,這兩種類型的功率流使功率在機構內部產生循環,浪費功率。III 型功率流是我們希望看到的,它保證只有一部分功率流過效率較低的無級變速器,從而有利于整體機構效率的提高。下面研

32、究的是并聯CVPST 機構在產生III 型功率流時功率流的情況。假定CVPST 的效率為1,通過各傳動路線求得功率流的計算關系。根據功率守恒定理,行星齒輪機構內的功率流滿足方程式:44T +55T =66T (2-7其中,i T 表示第i 路線的扭矩。方程式兩邊同時除以15W T 得到下式:54T T 14 +15 =56T T 16 (2-8 結合式(2-1和式(2-2,式(2-4可表示成:54T T CVT +FR =56T T PS (2-9上海交通大學碩士學位論文 第二章 并聯功率分流無級變速器的研究從式(2-7可以看出為了在III 型功率流下使PS 與CVT 成正比關系,也即表明為了

33、得到III 型功率流,PS 必須與CVT 同時也與4成正比關系。在實際傳動中,效率不等于100%的情況下,同樣可以得出以上結論。由III 型功率流圖可以明顯看出有下式成立:T 550,T 660 (2-10 即6655T T 0 (2-11 因為在行星齒輪機構中滿足65T T =PG -1, 65=11/(PG PS CVT PG (2-12 式(2-12結合式(2-2,(2-3,(2-4和(2-10,可以得到III 型功率流是發生在min maxPS PS min max CVT CVT =CVT (2-13其中CVT 表示無級變速器速比范圍?？梢钥闯鋈绻β史至鳠o級變速器的傳動比范圍小于無

34、級變速器,那么只出現III 型功率流。對III 型功率流進行進一步研究。假定此時功率分流無級變速器的效率等于1,則很容易得到,并聯CVPST 的輸出功率(PS P 和流經CVT 的功率(CVT P 之間的關系。由以上分析知:CVT P = 44T , PS P = 66T (2-14結合式(2-1,(2-7,(2-12得PS P =CVT P 1/(max min CVT PS PS CVT PS PS (2-15 由公式(2-11可以看出,只有當功率分流無級變速器(CVPST 的傳動比范圍小于無級變速器(CVT 的傳動比范圍時才可能獲得III 型功率流的優點,而CVPST 傳動比范圍比CVT

35、 較大時將產生II 型功率流, 效率比CV T 低。為了進一步探討功率分流的效果,下面研究具有兩個分流的功率分流無級變速傳動裝置。2.2具有兩個分流的功率分流無級變速傳動裝置這種具有兩個分流的功率分流無級變速傳動裝置,由一個CVPST 采用兩個離合器(C A ,C B 與軸A 或軸B 連接來構成。如圖2.3所示:采用一個并聯CVPST 在第一分流與軸A 相連(結合離合器C A 并脫開C B ,則在第一分流時1PS 最大值小于max CVT ,可以保證CVT 和PS 間成正比且滿足式(2-11,由此保證產生III 型功率流,裝置總傳動比由式(2-2確定。 圖2.3 具有兩個分流的CVPST 裝置

36、簡圖 Figure 2.3 Schematic of a CVPST system with two phases為方便對具有兩個分流的CVPST 裝置和常規無級變速器進行效率分析和比較,本文分析一個和無級變速器具有相同速比范圍的功率分流無級變速器(CVPST ,并且滿足下式:min CVT =min PS ,max CVT =max PS 則由上面對并聯CVPST 傳動機構的分析可知,行星齒輪機構和定速比機構傳動系數由下式確定:PG =minmax minmax1CVT CVT PS PS (2-16FR =PGCVT PG PS1maxmax1(2-17 圖2.4 第一分流:并聯CVPST

37、 裝置的III 型功率流Figure 2.4 First phase: type III power flow in the parallel CVPST system如果取定min CVT =min PS =min 1PS ,則FR 將等于min CVT 而與min 1PS 值無關(由式(2-15可看出。此外,當CVT =min CVT 時,4=5=6,此時,行星齒輪機構成為一個整體機構運轉。另外,由式(2-2可以看出,隨著無級變速器傳動比(CVT 的增加同時也增大了總傳動比PS 。當無級變速器達到最大的傳動比max CVT 時,PS 增大到max1PS。假定軸B 有一角速度等于1max C

38、VT ,則在該線路上無級變速器的軸A和軸B 轉速相同,稱此時為同步分流狀態。軸B 的這個角速度可由設置傳動比恰好等于max CVT 的定速比機構(FR *來實現,定速比機構安裝于CVT 系統的分流路線上,如圖2.3所示。功率分流無級變速器,在第二分流,采取結合離合器C B 并且分離離合器C A的方法(圖2.6,使該CVPST 與軸B 相連并組成一個串聯的結構。 圖2.5 同步分流Figure 2.5 Phase of synchronism 圖2.6 第二分流:串聯CVPST 裝置的III 型功率流Figure 2.6 Second phase: type III power flow in

39、the series CVPST system采取變速器部件保持不變(CVT ,FR ,PG ,則在第二功率分流內功率分流無級變速器的總傳動比2PS 為:2PS = max CVT PG +(1-PG CVTFR (2-18 代入公式(2-14和(2-15 得到:2PS =CVTCVT CVT CVT CVT CVT CVT CVT PS(min max max min min max1+max CVT (2-19觀察上式第二分流的結果,可以看到當CVT 由最大值變到最小值時,2PS 繼續增大直至達到max CVT 。進一步研究可發現,由公式(2-19,對于任何max 1PS 值,當CVT =

40、min CVT 時,可求得:2PS =max CVT ,亦即表示在第二分流,總速比由max1PS變化到max CVT ?？梢钥闯?圖2.6所示第二分流是III 型功率流,忽略損失,則有式:0654=+P P P (2-200654=+T T T (2-21 由此得到:45P P =CVTPG FRPG 1( (2-22 如果用式(2-16和(2-17代入式(2-22,則得:45P P =(min max max max min 11CVT PS CVT PS CVT CVT 0 (2-23 此裝置同時必須滿足式(2-11,通過采用功率分流裝置,用軸A 與第一分流相連,可以得到與CVT 部件速比

41、相同得傳動比并具有III 型功率流。下面給出一個具體的裝置以便于深入研究裝置效率。2.3實例分析假定采用min CVT =0.5,max CVT =2的無級變速器,則PS 對max 1PS 三個不同值間的關系特性見圖2.7。PG 和FR 的值由公式(2-16,(2-17可以算出。max1PS =0.8時,PG =0.2,FR =0.5,1PS =0.4+0.2CVT ,2PS =0.4+CVT8.0max1PS =1.2時,PG =7/15,FR =0.5,1PS =154+157CVT ,2PS =1514+CVT158 max1PS=1.6時,PG =2/15,FR =11/13,1PS

42、=152+1511CVT ,2PS =1522+CVT154用MATLAB 軟件繪制曲線如圖2.7。 圖2.7 不同的max1PS值下CVPST 的傳動比對CVT 的關系圖Figure 2.7 CVPST transmission ratio VS. CVT , at different max1PSvalues第一分流的特點在于PS 隨CVT 的增大而升高到max 1PS ;在第二分流,PS 隨著CVT 的減少而升高到最大值max CVT 。這樣的結論對提高變速器可以傳遞的功率范圍和效率是很有好處的。這兩個功率流沒有考慮功率損耗, 由公式(2-15可以求得輸出功率(PS P 和流過CV T

43、的功率(CVT p 之間的關系,并表示于圖2.8中。圖示曲線顯示輸出功率大于流經CVT 的功率,采用合適的max 1PS ,可以獲得增大的CVTPSP P 值。在第一分流有:CVTPS P P 1=1/(maxmin 1CVT PSPS CVT PSPS則max 1PS =0.8時,CVTPS P P 1 =4.0PS PS , 其中(8.05.0PS max1PS =1.2時,CVT PS P P 1 =3/8.0PS PS1PS=1.6時,CVT PS P P 1 =3在第二分流有:CVTPS P P 2=(FRPG CVTPG +11則max 1PS =0.8時,CVTPS P P 2

44、=21CVT+=4.0PS PS , 其中(28.0PS max1PS =1.2時,CVT PS P P 2 =471CVT+=15/14PS PS , 其中(22.1PS max1PS=1.6時,CVTPS P P 2=2111CVT+=15/22PS PS , 其中(26.1PS 用MATLAB 繪圖如下圖2.8。圖 2.8中,較密的虛線表示max 1PS =0.8時的函數關系,稀疏的虛線表示max1PS=1.2時的函數關系,實線表示max 1PS =1.6時的函數關系。由圖中曲線可以看出,隨著max 1PS 的增大,CVTPS P P 1的值較小的范圍就增大,即表示分流作用不明顯;亦即表

45、明在前一節所述的并聯CVPST 中,存在著隨著max PS 的增大,CVT PS P P 1值較小的范圍就增大,分流作用不明顯,這意味著存在擴大傳動比范圍的同時卻降低總體效率的問題;并且在前一節所述的并聯CVPST 中又不存在圖中CVTPS P P 2這一段曲線,所以總體效率得不到提高。而采用具有兩個分流的功率分流無級變速傳動裝置,則可以通過選擇合適的max 1PS ,來提高指定傳動階段的效率。 圖2.8 不同的max 1PS值下CVT PS P P 作為PS 的函數 Figure 2.8 CVTPS P P VS. PS , at different max 1PS values 2.4具有

46、兩個功率分流的無級變速器裝置的效率根據功率方程式,在第一分流內,在穩定狀態和采取PG 時可以計算出PG傳動的效率(圖2.5為 PG (54P P +6P =0 (2-24即PG (44T +55T +66T =0 (2-25作用于PG 傳動軸上的轉矩的平衡方程為0654=+T T T (2-26 計算得:54T T =6456PG PG =PSCVT PG FR PG PS (2-27 54P P =/1(/1/(1CVT FR PG CVT FR PG PG FR CVT PG + (2-28 其它的功率關系為(圖2.6:CVT P P 42=, FR P P 53=, 0321=+P P

47、P (2-29其中FR 和CVT 分別表示定速比機構FR 和無級變速器CVT 的效率。綜合上面各式計算出并聯CVPST 具有III 型功率流時第一分流內的效率為:1PS = -16P P = 3254(P P P P PG += FRCVT PG P P P P /1(1/(5/454+ (2-30 類似的,在第二分流成為串聯連接,仍為III 型功率流,求得:54P P =max/(/(22CVT PS PG PG FR CVT nax CVT PS (2-31 2PS = -16P P =*FR 5454/(11/(P P P P FR CVT PG + (2-32 其中*FR 表示CVPS

48、T 上的FR *機構的效率。則第一分流和第二分流的效率可以看作是PS 的函數。有許多文獻介紹了關于金屬V 帶式CVT 的效率的實驗研究,本文采用參考資料(1所提供的CVT 試驗數據,如圖2.9。 圖2.9 無級變速器效率作為PS 的函數Figure 2.9 Efficiency of CVT as a function of PS 圖2.10行星齒輪傳動的效率作為CVT 的函數Figure 2.10 Efficiency of the planetary gear train as a function of CVT 定速比機構FR 和FR *的效率為常數FR =*FR =0.98,行星齒輪機

49、構的效率PG 可依照參考資料(2提供的關系圖,如圖2.10。為了評價所提出的變速器的性能,對此功率分流無級變速器(CVPST 和常規CVT 之間的效率進行比較。假定該CVT 采用min CVT =0.5,max CVT =2,PG 和FR 值有式(2-16和(2-17確定。圖2.11 a 表示對于max 1PS =0.8時功率分流無級變速器效率作為總傳動比PS 函數的關系,圖2.11 b 表示對于max 1PS =1.2時CVPST 效率作為總傳動比PS函數的關系,圖2.11 c 表示對于max 1PS =1.6時CVPST 效率作為總傳動比PS 函數的關系。由圖可以看到首先對較低的第一分流階

50、段, max 1PS =0.8時CVPST 的效率高出CVT 最多,如圖a 中, 平均增大近0. 08,效率隨PS 的增大而減少, 確切地說與比值CVT PS P P /的降低有關。流過本身效率較低的CVT 的那部分功率增大, 因而功率流的總效率降低。在第二分流中, max 1PS =1.6時CVPST 的效率高出CVT 的效率最多,如圖c 中。 圖2.11 CVT 和CVPST 裝置的效率作為PS 的函數Figure 2.11 Efficiency of CVT and CVPST as a function of PS 從圖2.11可以看出,第一分流到第二分流的效率是不連續的,這種現象是由

51、于輸出功率和流經CVT 的功率之間的比值不連續造成的。max 1PS =0.8時,參看圖2.8,比值CVT PS P P /間斷不明顯,而圖2.11a中效率的間斷有約2%,這是由于裝在CVPST 上的定速比機構FR *只在第二功率分流中起作用且產生功率損失造成的。第一分流到第二分流的效率不連續,造成在CVT中轉矩不連續。2.5結論本節闡述一種新型的CVPST,具有兩個功率分流,并可保證功率流沒有封閉再循環。為了確定獲得一個III 型功率流從而保證輸出功率大于流經CVT 的功率, 而進行了運動學研究。已經闡述的兩個功率流, 其中各個分流的速比范圍都小于CVT , 在變速器的第一分流連接中, 產生

52、一種具有并聯式連接的CVPST;采用離合器的幫助,在第二分流, 產生一種具有串聯連接的CVPST。所提出的解決方法可使CVPST輸出功率大于流經CVT 的功率。通過適當的設計, 對于較高范圍和較低范圍的總傳動比值, 它可以獲得CVPST 裝置輸出功率和流經CVT 的功率之間較高的比值。獲得的結果表明, 通過本文推薦的CVPST裝置,它與采用常規CVT 相比較, 可顯著改善效率;并且由于流經無級變速器的功率只是總傳動功率的一部分,因而降低了無級變速器所承受的載荷,延長了工作壽命。2.6實驗研究為了驗證理論研究的準確性,可以建造一個特殊的實驗臺架,如圖2.12,以供進一步研究。如圖2.12所示,采

53、用轉矩-轉速儀測量功率分流無級變速器裝置(CVPST各路的轉矩和角速度,轉矩-轉速儀TT1位于輸入端,TT3位于輸出端,TT2位于行星齒輪傳動機構和無級變速器之間。為了得到不同的輸入轉速,試驗臺由一臺交流電機驅動。制動系統采用一帶風機的盤式制動器。在輸出端裝置一個壓力調節閥,壓力調節閥可同時改變裝置的輸出轉矩和制動器的輸入壓力。采用放大器和計算機來取得、儲存和處理轉矩-轉速儀測得的數據。由于試驗器材的缺乏,作者并未實際測量和驗證實際結果和本文理論結果的差異,僅提供試驗臺架圖以供參考。 圖2.12 試驗臺架簡圖Figure 2.12 Diagram of the test rig2.7本章小節1

54、提出了并聯式功率分流無級變速傳動裝置結構圖,通過分析功率分流無級變速器的工作原理和裝置中功率的傳動路線,從而確定裝置實現功率分流所要滿足的條件。2重點研究了無級變速器功率分流過程中出現的第二分流,通過對裝置可以實現功率分流所要滿足的條件的分析,表明了裝置需要第二分流的必要性。3繪制了第二分流的裝置簡圖,通過分析裝置中功率的傳動路線,得出了第二分流可以提高裝置效率的結論。4給出了試驗臺架布置圖,分析了試驗需要收集的數據和進一步研究的方法。第三章 串聯功率分流無級變速器的研究3.1機構傳動分析圖3.1所示的是一個串聯功率分流無級變速器(CVPST 裝置的簡圖。圖中無級變速器主動輪軸直接與太陽輪相連

55、,無級變速器的被動輪軸和定速比機構輸入軸連接,定速比機構與行星齒輪機構的行星架連接,這種機構形式稱為串聯功率分流無級變速器。 圖3.1 串聯CVPST 裝置簡圖Figure 3.1 Schematic of a series CVPST system對串聯CVPST 裝置進行分析:CVT =24 ,FR =45 ,PG =5356 ,1=2=3 (3-1 i 表示i 部件的角速度,FR 表示定速比機構的傳動比,PG 表示此中工作狀況下行星齒輪機構的傳動比。串聯功率分流無級變速器(CVPST 的總傳動比PS 為PS =16=PG +CVT FR (1-PG (3-2 對于一個確定的CVT (已知min CVT 和max CVT ,要求串聯CVPST 結構傳動比在一個范圍內,即有一個最小值(min PS 和一個最大值(max PS ,那么就可以明確計算出行星齒輪機構和