无级变速器的基本结构和变速原理Word下载.docx
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与有级变速器相比,它的优点明显:
(1)提高燃油
经济性和排放性能。
无级变速器在相当宽的范围内实现无级变速,可以获得传动系统与发动
机工况的最佳匹配状态,提高整车的燃油经济性,降低排放。
(2)提高动力性能。
无级变速
器能够获得较大的传动比,其动力性能明显优于机械变速器和自动变速器。
(3)改善驾驶舒
适性能。
因速比连续变化,可使换挡平滑,实现了手动变速器的快速反应和自动变速器舒适的双优点。
采用金属链条传递动力,解决了老式无级变速器“橡胶效应”和“离合器打滑”等问题。
1.1液力变矩器
液力变矩器是较早用于汽车传动的无级变速器,成功地用于高档汽车的传动中。
由于传
动效率低,且变速比大于2时效率急剧下降,经常仅在有级(2~3档)变速器的两档中间实现无级变速,因此未能推广开来,目前经常作为起步离合器在汽车传动中使用。
1.2金属带式无级变速器
金属带式无级变速器是荷兰VDT公司的工程师VanDoorne发明的,用金属带代替了
胶带,大幅度提高了传动的效率、可靠性、功率和寿命,经过30~40年的研究,开发已经成
熟,并在汽车传动领域占有重要的地位。
目前金属带式无级变速器的全球总产量已经达到250万辆/年,三年内将达到400万辆/年,发展速度很快。
金属带式无级变速器主要是由起步离合器、行星齿轮机构、无级变速机构、控制系统和
中间减速机构构成。
金属带式无级变速器的核心元件是金属带组件,金属带组件由两组9~12
层的钢环组合350~400片左右的摩擦片组成。
在传动时,主、从动两对锥盘夹持金属带,靠
摩擦力传递运动和转矩。
主、从动边的动锥盘的轴向移动,使金属带径向工作半径发生无级
变化,从而实现传动比的无级变化,即无级变速。
[9]
1.3摆销链式无级变速器
摆销链式无级变速器是由德国LUK公司将摆销链用于Audi汽车传动的成功范例。
与
金属带式CVT不同的是,它将无级变速部分放到低速级,即最后一级。
其原因是链传动的
多边形效应在高速级时会产生更大的振动、噪声和动态应力。
所以在其最新的结构中,加装
了导链板以减少振动和噪声。
但是由于在低速级传动中,要求传递的转矩大,轴向的夹持压
力就大,液压系统的油压也大,而摩擦盘式离合器所要求的油压又不高,这样,液压系统的
油压就比较复杂。
由此看来,如果能进一步降低或者消除多边形效应,将会进一步提高此类
传动的水平,简化整机设计,降低成本。
用两组摩擦盘式离合器和行星转换装置组成前进和倒档离合器,同时又满足起步离合器
简化了液压电
的功能要求,是很成功地设计。
目前许多公司用液力变矩器作为起步离合器,
控系统,但增加了液力变矩器。
而这样的两组摩擦盘式离合器加行星转换装置,在实现前进
和倒档离合器的功能时又显得累赘。
其传动简图如图1所示
图1Multitronic的传动简图
1.4环盘滚轮式无级变速器
环盘滚轮式无级变速器是英国Torotrak公司发明的车用无级变速器,其原理如图2所示。
运动和动力由输入盘靠摩擦力传给滚轮,滚轮将运动和动力靠摩擦力传给输出盘。
当滚轮在
垂直于纸面的轴向转动时,滚轮和两个环盘的接触点连续变化,输入盘和输出盘接触点(工
作点)的回转半径连续变化,实现无级变速传动。
[13]
图2环盘滚轮式无级变速器原理图
2金属带式无级变速器的基本结构
图3金属带式CVT的主要结构跟工作原理简图
1-发动机飞轮;
2-离合器及行星齿轮;
3-主动轮油缸;
4-主动轮可动部分;
4a-主动轮固定部分;
5-油缸;
6-从动轮油缸;
7-从动轮可动部分;
7a-从动轮固定部分;
8-中间减速器;
9-主减速器和差速器;
10-金属带
CVT的主要结构如上图所示,CVT的主要结构和工作原理如图所示,该系统主要包括主
动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。
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自动调节主动轮、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,从而实现了无级自动变速。
[12]
金属带是一种非常精密的组件,金属片和每一层钢环的加工制造都有严格的精度和性能
要求。
钢环组由一种高强度的马氏体时效钢制成,相邻两圈配合要求很高,否者将产生大的载荷不均,影响带的寿命。
因此,金属带组件的制造有很高的技术含量。
其结构示意图如图
4所示:
图4金属带组件图及局部放大图
1—金属片;
2—钢环
3金属带式无级变速的工作原理
如图5所示,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使汽车获得较高的加速度。
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,汽车能够以更高的速度
行驶。
⑹
可动锥盘K动轮
主动轮
定链盘
^2
辎向力
面宦徳盘
紬向力可动推盘
(b)
图5金属带式无级变速器传动变速原理
(a)传动原理图;
(b)变速原理图
以保证
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,
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。
前进时,前进挡离合器接合,倒档离合器松开。
动力从输入轴传到行星架,再传到与其
相连的右支架,经前进挡离合器传至太阳轮,通过太阳轮带动主动带轮,再由V形金属传
动带将动力传递到从动工作带轮,带轮的可动部分和固定部分形成的V形槽与V形金属带
啮合。
在工作中,当主、从动工作带轮的可动部分在油缸内液压力作用下做轴向移动时,连
续改变了金属传动带的工作半径,从而改变了传动比。
最后动力经中间减速器、主减速器与
差速器传递到车轮。
倒档时,前进挡离合器松开,倒档制动器接合。
行星轮机构的内齿圈被固定,内行星轮
与太阳轮啮合,外行星轮与内齿圈啮合,经这一双行星轮机构,传递到太阳轮的力矩方向发
生改变,后面的力矩传递路线与前进时相同。
金属带式无级变速器主要是通过改变两个工作带轮和金属带之间的接触半径来实现速
比的连续变化。
其变速过程如图6所示:
图6无极变速器的工作原理
1—输入轴;
2—主动轮固定部分;
3—主动轮可动部分;
4—主动轮液压工作缸;
5—被
动轮固定部分;
6—被动轮可动部分;
7—输出轴;
8—被动轮液压工作缸
如上图所示,两个V形轮(主、被动轮)都分为两部分:
一部分(如2、5)为固定,
另一部分(如3、6)可在轴上沿轴向移动,两部分形成的V形槽与V形金属带相啮合。
工
作时,假设主动轮工作半径为Rp,被动轮工作半径为Rs,则传动比为:
i=Rp/Rs,其中,
Rp为从动轮半径,Rs为主动轮半径。
主、被动轮的可动部分3、6在液压缸内液压力作用下,轴向移动,从而主动轮工作半
径Rp和被动轮工作半径Rs随之改变,传动比改变,达到了变速的目的。
可动带轮的轴向移动量可以通过液压控制系统分别调整,其中,i=f(Fp,Fs)
其中:
i—传动比
Fp—主动轮液压缸压力
Fs—被动轮液压缸压力
Fs决定金属传动带的张紧力,当i不变时,Fp保持不变。
只要根据汽车行驶工况及发动机工况要求实时控制Fp和Fs,即可实现变速器与发动机相匹配的无级变速传动。
[3]
4金属带式CVT控制技术的分类及发展
单压力回路控制,早期的CVT单压力回路系统控制原理如图7所示。
该系统差不多全
部保留了机-液控制系统的特点。
双压力回路控制,如图8。
双压力回路电子液压控制系统能够很好地解决单压力回路电子液压控制系统存在的诸多缺点。
[8]
图7单压力回路原理图
'
lAtuirU1^3SMW
當蓦事蓦调压用
建岀粮制阀
表輩力14-
«
总
图8双压力回路原理图
5金属带式CVT传动的控制技术
金属带式CVT的控制主要分为三种:
速比控制、夹紧力控制、起步离合器控制。
三者
之间的控制过程是相互耦合的。
在金属带式CVT的实时控制过程中,对速比控制时,需要
考虑夹紧力控制的影响,而设计夹紧力控制时,则可以不考虑速比控制。
由于起步离合器的
控制相对独立,故不考虑其对速比和夹紧力控制的影响。
下图9为CVT传动控制系统示意图。
[4]
图9CVT传动控制系统示意图
2.1速比控制
CVT的速比控制是实现实际速比精确跟随目标速比,即按照CVT传动系统的匹配策略,
控制速比根据汽车行驶工矿的改变而实时变化,使汽车在任何工矿下行驶时,均能维持发动
机工作在动力性模式或经济性模式下。
汽车行驶时,驾驶员改变加速踏板位移大小会直接改
变发动机的转速大小,同时使工作在动力性模式或经济性模式下的目标速比也随之发生变化。
这时,目标速比与实际速比便产生了一定的偏差,根据这个偏差值以及其变化率,速比
控制其便通过产生控制量来执行控制任务,使实际速比尽快的跟踪到目标速比上。
另外,在
汽车行驶过程中突遇路面阻力,汽车加速度很快下降,目标速比须发生改变以保证发动机提
供给汽车的牵引力与外界阻力相平衡,使发动机仍然维持工作在经济性模式或动力性模式下,这时,实际速比与目标速比产生了一定的偏差,根据这个偏差值以及其变化率,速比控制器通过产生控制量来控制执行机构,使实际速比尽快的逼近目标速比。
如图10所示:
图10速比控制系统框图
2.2夹紧力控制
夹紧力控制和速比控制是相互耦合的,夹紧力的变化必然要引起速比的变化。
而在实际控制中,控制价尽力并不考虑对其速比的影响。
也就是说控制被动缸的压力时(夹紧力与被动缸压力有关),并不考虑它对主动缸的影响
夹紧力控制是以CVT传递的转矩和它当前的速比为依据的,由于金属带的长度为一定
值,金属带式CVT所能传递的最大转矩Tin与金属带目标夹紧力Qdn和主动带轮节圆半径Rdr之间的关系为:
Tin=2uQdnRdr/cosa
式中,RdR为主动带轮节圆半径(m),该值可由主动轴间距、传动带周长、即时传动比计算
出;
u为金属块与带轮间的最大摩擦因数;
a为带轮锥形角,一般为11度。
设Te为发动机的输出转矩,一般,CVT所能传递的最大转矩Tin稍大于Te,以保证
CVT能可靠地传递发动机转矩。
因此,用储备系数k>
I表示有:
Tin-k*Te,于是金属带的目标夹紧力Qdn为:
QDN=kTecosa/(2uRdr)
夹儀力计算控制电压计算
图11夹紧力控制系统框图
2.3起步离合器控制
无级变速传动系统中的起步离合器采用的是湿式多片离合器,目的是使汽车能以足够大
的牵引力平顺的起步,提高驾驶舒适性,必要时切断动力传动。
通过手动操纵阀来选择起步离合器或制动器。
控制阀组控制离合器液压缸或制动器液压缸内的压力。
与常规液力机械自动变速传动汽车起步控制策略不同,对于无级自动变速汽车,车辆起
步时不仅液力变矩器发挥自动变扭调速的作用,金属带式无级变速传动装置也将发挥作用。
当车辆处于起步爬坡阶段时,充分利用液力变矩器低速增扭、通过性好的优点来实现车辆的
快速平稳起步,此时带传动速比维持在最低档:
当车辆处于低速行驶且液力变矩器速比大于
联合工作输出最大功率所对应的速比时,通过改变带传动速比来调节液力变矩器速比,从而
保证发动机与液力变矩器联合工作输出功率维持在最大值,使车辆获得最大的启动性能。
不
同油门开度下,维持发动机与液力变矩器联合工作输出功率最大时对应不同的液力变矩器速
比。
[14]
2.4其它先进控制理论的应用
为了追求更好的控制效果,得到更好的动力性、经济性和排放指标,一些新兴的、先进
的控制理论被应用于汽车动力传动系的控制中,其中的代表就是模糊控制。
其控制结构如下
图12所示:
图12模糊控制结构示意图
在汽车动力传动系中应用模糊控制主要有3个原因:
(1)模糊控制能够很好地辨别汽车的运行工况和驾驶员的驾驶意图。
(2)模糊控制是基于语义和规则的控制理论,应用与汽车动力传动系这样的强非线性系统具有很好的抗干扰效果。
(3)模糊控制具有很好的连接作用,可以将不同的控制算法结合起来,从而达到最优的控
制效果[1]
6金属带式CVT电液控制技术
金属带式CVT早期的控制系统多采用机液控制方式,但机液控制系统结构复杂,对传动
系统多种性能的匹配要求缺乏灵活性。
随着技术的进步和对汽车性能要求的不断提高,当前
无级变速传动系统的控制均采用电液控制方式。
电液控制方式可以使动力传动系统实现理想
的工作状态,达到动力性、经济性和排放之间的最佳平衡。
不同匹配策略的实现都是对无级
变速器的主压力和速比控制来实现的。
同时,采用电液控制方式还可以提高无级变速传动系
统的效率,降低不必要的损失。
⑵
下图13为金属带式CVT的电液控制系统原理图。
系统的油泵直接由发动机驱动,为整
个系统提供液压油。
系统的主压力由压力控制阀(比例溢流阀)调节,它直接作用在从动轮
油缸内。
在速比一定的条件下,主压力的大小决定了系统传递转矩的能力。
变速器的速比由
速比控制阀(位置伺服阀)调节。
调节主动轮油缸内的压力,是通过金属带的约束与从动轮
油缸内的压力达到新的平衡状态,从而改变主动轮的轴向位置来实现的。
在控制系统中,主、从动轮油缸压力Pp,Ps由压力传感器测量,主、从动轮的转速np,
ns由转速传感器测量,测量得到的信号通过A/D转换和驱动放大,变成可以驱动比例阀的控制电流,控制主、从动轮油缸的压力变化。
A/DQ/A和控制器构成了数据采集和反馈控制的
闭环控制回路,从而提高了系统的控制精度,发动机的转速nc和油门开度a的信号通过传
感器输入给控制器,通过相应的控制策略来保证CVT无滑移地运转。
[5]
7结论
在最近的十几年中,CVT技术已经上千迈进了一大步,使得CVT比有着超过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。
CVT技术正处于寿命周期的开始,CVT的特性将进一步提高,而我们中国也紧跟世界步伐,发展我们自主创新的无级变速器。
金属带式无级变速传动器作为新兴的车用变速器,具有明显的技术优势
和开发潜力。
金属带式CVT传动技术正处在寿命周期的开始,所以更应充分发展无级变速综
合控制系统中的电液控制技术,只有这样才能满足现代汽车发展的要求。
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