轿车用金属带式CVT传动效率的影响因素及机理研究

摘要

金属带式无级变速器(MetalBeltContinuouslyVariableTransmission)具有诸多优点，在轿车上应用已经取得了一定的成就。本文通过研究各因素造成的能量损失来揭示金属带式CVT传动效率的影响规律。通过试验台测试确定某负载时的带轮转速和传动比，以及带轮轴向推力和传动比的关系。主要研究成果和工作如下。
　　(1)确定了金属带式CVT的基本尺寸、主要相关参数和传动比变化范围等。对金属带CVT各部件间作用力关系进行分析，同时对关键部件进行数值计算，得出了带轮轴向推力随传动比的变化规律，以及传动比不同时金属块挤压力和钢带环张紧力的解析解。通过试验得出传动比整个变速范围内主、从动轮轴向推力与传动比的关系，并对试验结果和理论结果进行比较，说明理论的可靠性。通过虚拟样机得出金属块间挤压力的仿真数据，仿真与计算结果的一致性说明所建的模型正确可靠。
　　(2)揭示了金属带式CVT在变速过程中金属带偏斜的基本原理。使用“几何法”和“偏斜法”对金属带带长和偏斜量进行数值计算，对比确定了“偏斜法”较为实用。分析直母线带轮情况下，轴向偏斜对变速器功率损失的影响;分析复合母线在消除金属带轴向偏斜方面的优点和缺点，同时指出其存在的问题;应用共轭曲线原理消除金属带轴向偏斜，以渐开线为例求解与之共轭的带轮母线族:研究参数的变化对所得带轮母线形状的影响，以及母线形状对系统的影响。
　　(3)建立了金属带式CVT钢带环伸长模型。在圆弧段上将钢带环组简化为组合圆筒模型，在直线段上简化为单向拉伸模型。得出的钢带环组伸长模型计算结果包括:钢带环的应力应变、位移、伸长量、应变能和由此造成的功率损失等，同时分析了带轮轴向推力和工作半径对其影响规律。
　　(4)分析了金属带式CVT工作过程中的摩擦功率损失情况。其中包括钢带环与金属块间的摩擦滑动功率损失、带轮与金属块间的变形磨损功率损失以及钢带环间的滑动功率损失，同时确定了各项功率损失的数学模型，通过算例分析各项功率损失，明确了总的摩擦功率损失和效率随传动比的变化规律。当转矩比小于0.4时，由于输入扭矩较小，金属块与带轮为弹性流体动压润滑状态，以牛顿流体模型和Eyring模型来计算弹性流体动压润滑时的摩擦力。当转矩比大于0.4时，计算摩擦系数μ=0.04和μ=0.10时的功率损失。
　　(5)采用解析解和数值解两种方法对带轮变形导致的功率损失进行研究。将其简化为厚壁圆筒模型，对其锥面上的应力应变和位移进行了分析。采用规则六面体对模型进行网格划分，得出了当作用力和模型约束不变时，网格细化对变形没有影响的结论。以数值解中各单元应变能为基础，得出主、从动轮总应变能的变化规律，结合带轮工作半径和轴向推力等因素，揭示其对带轮应变能的影响机理，进而得出功率损失与传动比的关系。两种方法所得结果有较好的一致性。
　　(6)对金属带式CVT效率进行研究。得出了变速器效率的变化范围，以及影响变速器效率的主要因素及所占的比重。同时将效率的理论结论与试验结果相比较，说明了本研究结论的正确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 变速器发展概述

1．2．1 手动档变速器(MT)

1．2．2 自动档变速器(AT)

1．2．3 无级变速器(CVT)

1．3 MB-CVT国内外研究现状

1．3．1 MB-CVT国外研究现状

1．3．2 金属带式CVT国内研究现状

1．4 本课题的研究意义及主要内容

2 金属带式CVT设计及动力性能研究

2．1 引言

2．2 金属带式CVT几何尺寸的确定

2．2．1 金属带式CVT设计

2．2．2 算例分析

2．3 金属带式CVT相关参数的确定

2．3．1 相关参数的确定

2．3．2 算例分析

2．4 金属块强度的数值分析

2．5 金属带式CVT动力性能分析

2．5．1 金属带式CVT传动几何关系

2．5．2 CVT力学分析

2．5．3 传动比与带轮轴向推力的理论研究

2．5．4 带轮轴向推力与传动比的试验研究

2．5．5 金属带传动作用力的数值分析

2．6 金属块间挤压力的仿真研究

2．6．1 金属带式CVT实体建模

2．6．2 金属带式CVT的仿真分析

2．7 金属带离心力分析

2．8 本章小结

3 金属带轴向偏斜分析及解决方法研究

3．1 引言

3．2 直母线带轮时金属带轴向偏斜分析

3．2．1 金属带的轴向偏斜理论

3．2．2 两种不同计算带长和偏斜量的方法

3．2．3 传动比对金属带轴向偏斜的影响

3．2．4 钢带环附加侧向弯曲应力

3．2．5 直母线带轮产生偏斜所造成的功率损失研究

3．3 控制金属带偏斜的方法

3．3．1 常规方法减少金属带偏斜

3．3．2 曲母线带轮法减少金属带偏斜

3．3．3 新型复合母线与金属块侧边匹配研究

3．3．4 渐开线母线减少带轮轴向偏斜

3．4 本章小结

4 钢带环伸长及其造成的功率损失研究

4．1 引言

4．2 钢带环伸长问题分析

4．2．1 金属带式CVT模型

4．2．2 钢带环模型

4．2．3 圆弧段上钢带环应力应变和径向位移分析

4．2．4 直线段上钢带环应力应变和位移分析

4．2．5 钢带环长度的变化

4．2．6 算例分析与讨论

4．3 钢带环伸长造成的功率损失研究

4．3．1 圆弧段上钢带环变形能的损失分析

4．3．2 直线段上钢带环变形能的损失分析

4．3．3 钢带环变形能和功率损失分析

4．3．4 变形能分析和讨论

4．3．5 功率损失分析和讨论

4．4 本章小结

5 金属带式CVT摩擦功率损失研究

5．1 引言

5．2 功率损失模型

5．3 带轮与金属块间径向摩擦功率损失

5．4 带轮与金属块间切向摩擦功率损失

5．4．1 小载荷时弹性流体动力润滑状态的功率损失

5．4．2 大载荷时混合润滑状态的功率损失

5．5 最内层钢带环与金属块鞍面的摩擦功率损失

5．6 钢带环间相对滑动造成的功率损失

5．7 算例分析与讨论

5．8 本章小结

6 金属带式CVT带轮弹性特性及功率损失研究

6．1 引言

6．2 金属带式CVT带轮

6．2．1 金属带式CVT的基本假设

6．2．2 带轮变形几何关系

6．3 带轮弹性特性数学模型

6．4 带轮弹性特性解析解

6．4．1 算例基本参数

6．4．2 应力结果分析与讨论

6．4．3 应变结果分析与讨论

6．4．4 位移结果分析与讨论

6．5 带轮弹性特性数值解

6．5．1 仿真模型的建立

6．5．2 网格划分对结果的影响

6．5．3 应力和变形结果分析与讨论

6．5．4 应变结果分析与讨论

6．5．5 应变能损失结果分析与讨论

6．5．6 功率损失结果分析与讨论

6．6 本章小结

7 金属带式CVT效率研究

7．1 引言

7．2 CVT效率试验研究

7．2．1 试验设备与方案

7．2．2 效率计算原理

7．2．3 试验过程

7．2．4 试验数据

7．2．5 试验结果分析与讨论

7．3 本文的效率结果分析与讨论

7．4 本章小结

8 结论与展望

8．1 全文工作总结

8．2 主要创新点

8．3 研究展望

致谢

参考文献

在校学习期间所发表的论文