型差动齿轮的复合无级变速器的设计和性能验证.docx

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型差动齿轮的复合无级变速器的设计和性能验证

770JournalofMechanicalScienceandTechnology（KSMEInt.J.）,Vol.20,No.6,PP.770—781,2006

2K-HⅠ型差动齿轮的复合无级变速器的设计和性能验证

Yeon-SuKim*

SmallTransitResearchTeam,KoreaRailroadResearchInstitute,

#360-1Woram一dong,Uiwang一siGyeonggi一do437-757,Korea

Jae一MinPark

SchoolofMechanicalEngineering,GangwonHumanResourcesDevelopmentInstitute,

#165一]，Junghwage一ri,Bukbang一myeon,Hongchun一gun,Gangwon-do,250-885,Korea

Sang-HoonChoi

SchoolofMechanicalandAerospaceEngineering,KonkukUniversity,

#1Hwayang一Dong,Gwanglin一Gu,Seoul一City437-757,Korea

本文定义的复合CVTs（无级变速器）结合功率循环模式下的无级变速器和功率分配模式的无级变速器的约束设计，提出了将2K-HI-型差动齿轮用于连接到V带型CVU（无级变速单元）。

设计中受到的限制是需要有必要的和足够的条件以避免复合无级变速器中元素受到的几何干扰，并保证功率循环模式的无级变速器和功率分配模式的无级变速器之间顺利组合。

两个汤姆磅无级变速器根据约束设计进行设计和制造。

随着这些复合无级变速器的理论分析和性能进行了验证。

结果表明，约束设计是有效的，起作用的设计方法，设计的复合无级变速器具有更好的性能。

关键词：

复合CVT（无级变速器），差动齿轮，功率循环模式，功率分流模式，约束设计

1．介绍

  无级变速器，凭借其出色的动力传动性能和低燃油消耗，可以连续改变它的速比，并且在汽车应用中可以独立地控制发动机转速和车速。

虽然许多类型的无级变速单元是可用的，但几乎所有都不具有啮合空档功能，是低效的，并且较传统的齿轮传动寿命较短（Beachley和Frank，1980）。

为了克服与无级变速单元使用相关联的问题，目前正在研究的新型无级变速器，采用常规无级变速单元与差动齿轮组合的方法。

组合了无级变速单元和差动齿轮的无级变速器被归类为具有相反特性的功率分流模式和功率循环模式。

即功率分流模式有一个紧凑的设计，提高了效率，有更长的寿命，和更宽泛的传输范围。

然而它并没认识到，本身的啮合空档和反向运动功能。

另一方面，功率循环模式具有啮合空档和反向运动，向前运动的功能，但效率较低。

此外，它不具有一个紧凑的设计，由于其组成部分的高功率传动比，它寿命较短（Macmillan和Davis,1965;White,1967;Yu和BeachleY,1985;Wohl等人，1993;Mucino和Smith,1994;Morozumi和Kishi,1997）。

Kim和Choi（2000，2002和2004）提出了一些关于功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器的设计，将2K-HⅠ型-2K-HⅡ型和K-HⅤ型差动齿轮连接于V带式CVU。

此外，笔者还开发了理论公式来确定效率功率流以及CVUs的功率传动比，差动齿轮的功率传动比，和功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器的速比（Kim和Choi,2000,2002;Choi和Kim,2000;Choi,2003）。

有许多正在进行的关于复合无级变速器的研究表明，通过结合功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器怎样使其性能得到提升。

然而，几乎所有的复合CVTs，应该配备一个额外的链传动或同时用几个CVUs（Roberts,1984;MaceY,1986;Hanachi,1990;Morozumi等人,1992;Kishi等人,1992）。

Kim和Choi最近根据一些研究成果提出了一些将V带式CVU和一个差速齿轮相结合的复合CVT机制，（Kim和Choi,2000;Choi和Kim,2000），但无需额外的链传动或CVU（Kim和Choi,2002a,2002b;Choi,2003;Park等人,2004）。

本文件定义的复合CVT（无极变速器）的约束设计通过结合功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器，提出了将2K-HⅠ型差动齿轮连接到V带式CVU（无级变速单元）。

约束设计是必要的和充分的条件，以避免复合无级变速器的几何元素之间的干扰，并保证功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器之间的顺利装配。

两个复合CVT均按照约束设计进行设计和制造。

同时，作者核实了约束设计的有效性，并通过理论分析和性能实验验证了所设计的复合无级变速器性能的增强。

2．基本配置

这项研究描述的两种使用三个基本配置的无级变速器的复合CVTs的设计，如图1所示，连接V带式CVU和2K-HI-型差动齿轮。

虽然循环循环式无级变速器和功率分流式无级变速器的基本配置具有相同的结构，它们的功率流量因是否有一个惰轮（f）而不同。

图1·复合无级变速器的基本配置的设计

表1和表2给出了决定功率流模式，速比（i），效率（η）和图1中所示的基本配置无级变速单元的输入功率（Pi）的功率传送比（）（PCVU/Pi），差速齿轮的输入功率（Pi）的功率传送比（Pdif/Pi）。

公式中，D1和D2是两个柔性皮带轮的有效直径。

Za1,Zb1,Ze1,Zg1,Za2,Zb2,Ze2,Zg2和Zf分别是齿轮a1,b1,e1,g1,a2,b2,e2,g2和f的齿数。

η0’是各齿轮系的效率相乘得到的无级变速单元的效率。

为了计算η0’,作者分别用式

（1）来计算图1（a）中有一个惰轮（f）的基本配置,用式

（2）来计算图1（b）,1（c）中没有惰轮（f）的基本配置。

式

（1）中ηCVU代表V带式CVU的效率；ηa1b1为齿轮a1与b1之间的效率；ηe1f为齿轮e1与f之间的效率；ηfg1为齿轮f与g1之间的效率。

式

（2）中ηa2b2代表齿轮a2与b2之间的效率；ηe2g2代表齿轮e2与g2之间的效率（Kim和Choi，2002；Choi和Kim，2000）。

3．复合CVTs的设计

3.1V带式CVU

如图2所示，在V带式CVU中，两个柔性皮带轮安装在两根间距一定的轴上并由橡胶V带带动。

如果通过机械连接连接到变速比控制装置的柔性皮带轮之一的回转半径改变，其他皮带轮的回转半径将由螺旋弹簧自动调整，这样就会得到连续变化的速比。

作者设计了V带式CVU以获得0.5〜2.0范围的一个完整的变速比，279mm的中心距，和两个最大直径为216mm的柔性轮。

对于橡胶V带，作者选择美国制（RMA/MPTA2322V421），这种产品有牙形的内侧，它可以承受皮带的轴向力。

橡胶V带的宽度为36.5mm，楔角为220o，节距为1069.3mm。

3.22K-HⅠ型差动齿轮

如图3所示，2K-HⅠ型差动齿轮由太阳轮（s），齿圈（内齿轮，r）和三个行星轮（p）连接到行星架（c）上并有行星轮带动平稳旋转。

所有齿轮均选用标准直齿圆柱齿轮,压力角为20o，模数2.0，齿宽30mm。

太阳轮，齿圈及行星轮的齿数分别为Zs=24，Zr=72，Zp=24。

假设行星架固定,则2K-HⅠ型差动齿轮的效率（η0）可由太阳轮（s）和行星轮（p）之间的效率（ηsp）乘以齿圈（r）和行星轮（p）之间的效率（ηrp）来计算（Kim等人，2000；Morozumi，1989）。

η0=ηsp·ηrp（3）

3.3设计要求

由于复合无级变速器的设计是功率分流式无级变速器和功率分流式无级变速器的组合，它应该有反向档，齿轮空档，低速档，超速档等功能。

此外，较之功率循环式无级变速器，它应更高效和较低的功率传送比。

图4给出了复合无级变速器的设计要求的概念（Choi,2003;Kim和Choi,2002a;Kim和Choi,2002b）。

在本文中，作者以这样的方式设计了两个复合无级变速器，以符合以下设计要求：

（1）功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器应根据其转变点有相反的速比梯度。

（2）功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器在功率流的转变点应有相同的速比。

作者指定的转变点的速比为0.5，相当于汽车齿轮传动的首个齿轮。

（3）在整个速比范围内，功率循环式无级变速器应该有反向运动，齿轮空档功能，功率分流式无级变速器的速比应该在1.0以上，以使该无级变速器有反向运动，齿轮空档，低档和超速档功能。

3.4约束设计

本文定义的复合无级变速器的约束设计是通过将2K-HⅠ型差动齿轮连接到V带式无级变速单元提出的。

为了避免复合无级变速器中各元素之间相互的几何干扰，并保证功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器之间的顺利装配，约束设计是必要的也是充分的。

图5中给出了复合无级变速器的约束设计的概念。

文中，作者依此设计了两个复合无级变速器以满足以下约束设计要求：

（1）差动齿轮应该与柔性皮带轮（D1）的轴互不干扰。

换句话说，轴B和轴C之间的轴心距（C2）应大于差速齿轮的半径（C3）。

因此，式（4）应在复合无级变速器的设计中得到满足。

C2>C3（4）

（2）齿轮e1与g1的中心距应与齿轮e2与g2的中心距相同。

至于齿轮a1，b1，a2，b2应应用同样的约束设计。

因此因此，式（5）和式（6）应在复合无级变速器的设计中得到满足。

C1=Zg1+Ze1+2Zf=Zg2+Ze2（5）

C2=Zb1+Za1=Zb2+Zb2（6）

（3）V带式无级变速单元的中心距应等于齿轮e1（或e2），g1（或g2）的中心距与齿轮a1（或a2），b1（或b2）的中心距之和。

CCVU=C1+C2（7）

3.5复合无级变速器的设计

图6（a）是复合无级变速A-11的结构，通过组合功率循环式I型无级变速器与基本配置（图1（a））和功率循分流环式I型无级变速器（图1（b））。

图6（b）是复合无级变速A-12的结构，通过组合功率循环式I型无级变速器（图1（a））和功率循分流环式II型无级变速器（图1（c））。

复合无级变速A-11，当离合器A，B同时移到左侧时为功率循环式，当离合器A，B同时移到右侧时为功率分流式。

复合无级变速A-12，当离合器A，C移到左侧，离合器B移到右侧时为功率循环式，反之则为功率分流式。

（Kim和Choi，2002a）。

基于复合无级变速器机制的提出，设计方程，设计要求和约束设计，作者设计了两个复合无级变速器。

在复合无级变速A-11，A-12中，功率循环式的所有齿轮的齿数均被设计成相同的。

表3是复合无级变速器A-11，A-12的齿轮齿数。

4．复合无级变速器的性能验证

4.1理论分析

为了分析所设计的复合无级变速器轮系的效率，作者只考虑齿轮齿面（侧面）的摩擦损失（摩擦系数为0.1），不考虑轴承损失和润滑损失。

（Kim等人，2000；Morozumi，1989）。

基于研究，所有标准直齿圆柱齿轮系的效率，作者都定为0.982。

然后他们使用一个实验设备，通过改变无级变速单元的输入轴转速来测量V带式无级变速器在各种速比情况下的效率，并基于实验结果使用线性差值法来计算V带式无级变速器的效率。

图7为用于所设计的复合无级变速器性能分析的V带式无级变速单元的测量效率。

作者使用表1-3分析了复合无级变速器A-11（图6（a）），A-12（图6（b））的效率，速比，差动齿轮的功率传送比（Pdif/Pi）以及无级变速单元的功率传送比（PCVU/Pi），输入功率为Pi。

4.2性能试验

4.2.1复合无级变速器的制造

要被安装在复合无级变速器A-11，A-12上的V带式无级变速单元和2K-HⅠ型差动齿轮（如图2，3所示）的制造如图8和9。

4.2.2实验设备

如图10所示，用于复合无级变速器性能验证的实验设备由一个功率为11KW的交流电动机，V带式无级变速单元，2K-HⅠ型差动齿轮，扭矩传感器，速度传感器，一个负载装置和各种齿轮系。

交流电动机的转速是受控制的，所以无论外负载大小，设备能维持预设的速度恒定。

作者将两个扭矩传感器和两个速度传感器安装在试验设备的输入轴和输出轴上以测量其转矩和速度。

一个应变仪式传感器被用作转矩传感器，其测量范围为0-100nm，一个装有红色LED光源的光纤传感器被用作速度传感器，测量范围为60-2400rpm。

一种容量为0-100nm的电磁颗粒制动器作为负载装置，它能够连续地控制负载大小。

性能试验的所有的条件达到时，空转20分钟，以稳定橡胶V带上的张力，稳定齿轮系的轮齿表面的摩擦，冷却负载装置。

4.2.3实验结果分析

如图10所示，作者在实验设备平台上操作复合无级变速器，并在其输出轴上施加负载。

然后测量输入轴及输出轴上的转速和转矩。

通过改变输入轴转速,他们试验功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器的效率和速比,并用式（8）计算复合无级变速器的效率和速比。

式中,η代表复合无级变速器的效率；i代表速比；Ti为输入转矩；To为输出转矩；ωi为输入轴转速；ωo为输出轴转速（SAE推荐实践，1994）。

5．结果和讨论

5.1复合无级变速器A-11

图11（a）为给出了当V带式无级变速单元速比为0.5,复合无级变速器A-11为功率分流式I型时的性能试验结果。

当负载增大时,输入轴与输出轴上的转矩增大但转速仍保持恒定。

图11（b）为将试验结果代入式（8）中计算出的效率和速比,如图11（a）所示。

效率增大到最大值,同时转矩增大（负载增大）而速比保持恒定。

图12（a）和（b）分别代表输入轴转速为1200rpm时，复合无级变速器A-11的效率和速比的理论分析和性能试验的结果比较。

根据理论分析和性能试验得到的效率的结果基本相同,差距的范围在5%之内。

这些差异可能来自于在理论分析中未考虑到的复合无级变速器的惯性效应和实验设备，也有来自于连接部分的摩擦损失以及轴承。

然而,对于速比,齿轮空档,功率循环式I型和功率分流式I型的转换点,理论分析和性能试验得到的结果几乎相同。

图13（a）和（b）为复合无级变速器A-11在不同的输入转速时,效率和速比的性能试验结果。

功率循环式I型和功率分流式I型,不论输入轴转速如何变化（400-1400rpm）效率和速比基本保持恒定。

这和理论分析的结果是相同的。

图14所示为复合无级变速器A-11的V带式CVU对输入功率（Pi）的功率传送比（PCVU/Pi）及差动齿轮对输入功率（Pi）的功率传送比（Pdif/Pi）的理论分析结果。

至于功率分流式I型,V带式CVU和差动齿轮的功率传送比低于1.0,因为它们将总输入功率各自的分配比分别传送给各个部分。

然而对于功率循环式I型,由于部分输出功率可以循环回到CVT内,因此其V带式CVU和差动齿轮的功率传送比较高。

特别的,齿轮空档时,由于所有的输出功率都循环回到CVT内,所以此时各功率传送比均达到最大值。

5.2复合无级变速器A-12

图15（a）和（b）分别代表输入轴转速为1200rpm时，复合无级变速器A-12的效率和速比的理论分析和性能试验的结果比较。

入复合无级变速器A-11一样，理论分析和性能试验得到的效率基本相同，差距范围在5%之内。

此外,速比,齿轮空档,功率循环式I型和功率分流式II型的转换点的理论分析和性能试验结构基本相同。

图16为复合无级变速器A-12功率分流式II型在不同的输入转速时,性能试验的结果。

如复合无级变速器A-11一样,不论输入轴转速如何变化（400-1400rpm）效率和速比基本保持恒定。

这与理论分析结果也一致。

关于功率循环式I型的结果与图13（a）一致。

图17所示为复合无级变速器A-12的V带式CVU对输入功率（Pi）的功率传送比（PCVU/Pi）及差动齿轮对输入功率（Pi）的功率传送比（Pdif/Pi）的理论分析结果。

较之复合无级变速器A-11,与单独使用功率循环式相比,复合无级变速器A-12降低了组件的功率传送比。

5.3讨论

改变输入轴转速,所设计的复合无级变速器有稳定的性能,各元素之间没有任何几何干扰。

这也验证了功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器可以顺利组装。

对于所设计的没有额外链传动或无级变速单元的无级变速器功率循环式无级变速器实现了反向运动,齿轮空档和部分低档功能；然而对于拥有高效率和低功率传送比的组件的功率分流式无级变速器，几乎已经完全实现了低档和超速档的功能。

因此,较之单独使用功率循环式无级变速器，复合无级变速器更高效,功率传送比更低的组件,设计更紧凑。

较之单独使用功率分流式无级变速器，复合无级变速器有齿轮空档和反向运动功能。

5．总结

作者定义的将功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器组合的复合无级变速器的约束设计,提出了将2K-HI型差动齿轮连接到V带式CVU。

作者还根据约束设计方法设计了两个复合无级变速器。

作者通过理论分析和性能试验推出以下结论以得到所设计的复合无级变速器的V带式CVU和2K-HI型差动齿轮的效率,速比,功率流和功率传送比。

（1）约束设计是对于设计复合无级变速器有效的设计方法,提出了将2K-HI型差动齿轮连接到V带式CVU。

（2）输入轴转速变化时,复合无级变速器性能稳定,且较单独使用功率循环式无级变速器或功率分流式无级变速器,它有更高的性能。

（3）作者通过各种性能试验了复合无级变速器的设计公式的有效性。

6．参考文献

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