轿车钢带无级变速器设计.docx

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轿车钢带无级变速器设计

轿车钢带无级变速器设计+传动方案的设计+传动比设计+整车动力性计算

MetalBeltCVTDesignforAutomobileABSTRACT

ThemetalpushingCVTisakindofnewmechanicalfrictionaltypetransmission.Itprovidesexcellentdrivingperformancesincludingpowerfuldrivingcapacity,highefficiency,goodsmoothness,economy,etc.Particularlyitisfittesttothespotswheredrivingormediumpowerandcontinuouslyadjustingrevolutionisnecessary.Theprocessofdevelopment,basicstructure,transmissionprinciple,propertycharacteristicandfuturetrendsofCVTaredescribedforitsusesofautomobile.MetalbeltCVTistheidealvehicletransmissionmode,isofnationalresearchersandcarcompaniesfocusreview.Themetalbelttypecontinuouslyvariabletransmissionhistoryofthedevelopment,discussesthesignificanceoftheirresearch,reviewofmetalbeltCVTandforeignresearchStudy,thepresentsituationofthemetalbeltcontinuouslyvariabletransmissionelectro-hydrauliccontrolsystemcontrolstrategytrends.

Thisarticleoutlinesthehistoricaldevelopmentofcontinuouslyvariabletransmission,classification,characteristics,andmetalbelttypecontinuouslyvariabletransmissionbasicstructure,transmissiondiagram,workingprincipleandtheadvantagesanddisadvantages.Accordingtodesignrequirements,conductedadriveinthedesign,transmissiondesignandvehiclepowerthancalculated.Metalpulleytransmissioncontrolprogramdesign,thedesignofmetalbelt,clutch,intermediatereducer,reducer,planetarygearmechanismdesignandcomputationalgeometry.Everymajorsectorofthetransmissionparametersofthedesignwaschecked,includingthreeclutch,continuouslyvariabletransmissionmechanism,planetaryrow,reducer,differentialandsoon.Accordingtothedesignofeachaxisdiagram,ontheshaftandbearingtocompletethestrengthcalculationandlifetimecalculations.六~维^论,文.网

Keywords:

stripinfinitelyvariableCVTtransmissiondesigndevelopingtendency

摘要钢带无级变速器是一种新型的机械摩擦式无级变速器,具有承载能力强、效率高、平稳性好、环保节能等优良的传动特性,它特别适用于需要传递中大功率而又需无级调速的场合。

主要以其在轿车中的应用介绍了它的发展过程和现状,基本结构,传动原理,性能特点和发展趋势。

钢带无级变速传动也是汽车理想的传动方式,是各国研究者和汽车公司研究的重点,回顾了钢带无级变速器的发展历史,论述了其研究的重要意义,评述了金属带式无级变速器的国内外研究现状,展望了钢带无级变速器电液控制系统控制策略研究的发展趋势。

本文概述了无级变速器的发展历史、分类、特点以及金属带式无级变速器的基本结构、传动简图、工作原理以及优缺点。

根据设计要求，进行了传动方案的设计、传动比设计和整车动力性计算。

对照传动方案进行金属带轮设计、金属带的设计，离合器、中间减速器、主减速器、行星齿轮机构的几何参数设计和计算。

对变速器各个重要机构的参数设计进行了校核，包括三个离合器、无级变速器机构、行星排、减速器、差速器等。

根据各个轴的设计简图，对轴和轴承完成了强度计算和寿命计算。

关键词：

钢带无极变速CVT变速器设计发展趋势

1前言

1.1变速技术发展简介

汽车变速器是汽车变速器的重要组成成员，由于汽油机控制的额定转矩范围很广，需要用齿轮传动来控制驾驶时汽车速度的变化。

早期的汽车传动系，从发动机到车轮之间的动力传递性是很简单的，发动机驱动一组锥齿减速齿轮，在传递到一根轴和皮带轮上。

皮带轮和驱动桥上的链轮之间采用皮带传动，小链轮通过在一个驱动轮上的内齿轮啮合，使汽车行驶，而大链轮用来进行汽车加速。

如果汽车遇到上坡，此时汽车爬坡能力不够时，驾驶员就停下车子，是小链轮啮合后再驱动汽车。

按传动比的变化方式划分，变速器可分为有级式、无极式和综合式3种；按操纵方式划分，可分为强制操纵式、自动操纵式和半自动操纵式3种。

近年来，随车车辆技术的进步和汽车密度的加大，对变速器的性能要求也越来越高，众多的汽车工程师在对汽车变速器性能的研究中倾注了大量的心血，使得变速器技术取得了飞速发展。

1.1.1MT手动变速器

MT的英文全称是（manualtransmission）中文称为手动变速器。

即用手拨动变速杆才能改变变速器内的齿轮啮合位置，改变传动比，从而达到变速的目的。

MT变速箱是目前使用最广泛的变速器，未来手动变速箱的发展趋势是档位不断提高，以使发动机的转矩和转速更好地匹配汽车复杂的工况需求。

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图1-1手动变速器结构图

随着人们对汽车驾驭简化的要求不断提高，特别是国人希望能简化汽车操作，手动变速箱的市场必定会受到AT、CVT、DCT、三大变速箱的冲击。

但MT手动变速箱由于机械可靠性高、结构简单、动力性好这些原因，手动变速箱会是变速箱领域重要的组成部分。

1.1.2AT自动变速器

AT的英文全称是（AutomaticTransmission）自动变速箱是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。

其中液力变扭器是AT最重要的部件，它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，兼有传递扭矩和离合的作用。

自动变速器具有操作容易、驾驶舒适、能减少驾驶者疲劳的优点，已成为现代轿车配置的一种方向。

图1-2自动变速器结构图

目前国内自动变速箱比较受欢迎，尽管AT自动变速器使用的液力变矩器会提高车辆10%左右的油耗。

和当今节能环保的发展趋势相背，但作为自动变速箱中技术最成熟的一款变速箱，AT在未来一定时间内，AT自动变速箱仍有广阔的发展趋势，市场占有率将进一步提高。

1.1.3DCT双离合器变速器

DCT的英文全称是（DoubleClutchTransmission）.中文意思是双离合器变速箱。

也有人称之为DSG（Direct-ShiftGearbox），中文表面意思为“直接换挡变速器”。

大众汽车在2002年于德国沃尔夫斯堡首次向世界展示了这一技术创新。

新一代DCT变速器采用了双离合器和6个前进档的传统齿轮变速器作为动力的传送部件，主要与高扭矩的发动机配合使用。

图1-3双离合变速器结构图

DCT有一个由两组离合器片集合而成的双离合器装置，由电子控制及液压装置同时控制两组离合器及齿轮组的动作。

一个多片式离合器连接1、3、5挡和倒车挡，另一个连接的是2、4、6挡。

在某一档位时，离合器1结合，一组齿轮啮合输出动力，在接近换档时，下一挡段的齿轮已被预选，而与之相联的离合器2仍处于分离状态；在换入下一档位时，处于工作状态的离合器1分离，将使用中的齿轮脱离动力，同时离合器2啮合已被预选的齿轮，进入下一档。

两个多片式离合器的闭合几乎保持在同一时间内完成，整个过程往往只需要0.2秒的时间。

目前，国内市场上的汽车中，大众迈腾汽车就使用了DCT变速器。

相比较目前中国市场上广泛使用的AT自动变速器，DSG可以降低油耗。

与传统MT手动变速器相比，在整个换档期间能确保最少有一组齿轮在输出动力，令动力没有出现间断的状况。

但相比AMT对于MT的改动，由于DCT变速器的结构和国内常用的MT手动变速器相差较大，改进新的生产投入较大。

目前DCT变速箱面临的主要问题是制造加工的精度要求很高。

是以大众集团为首的欧洲车系主推的一款新型自动变速箱。

由于大众和一汽汽车、上汽的合作，在我国拥有广泛的市场基础，由此DCT变速箱拥有广阔的推广平台。

因此，DCT变速箱的发展前景最为乐观。

1.1.4CVT机械式无级变速器

CVT的英文全称是（ContinuouslyVariableTransmission），中文意思是“机械式无级变速器”。

CVT技术的发展已经有了一百多年的历史，德国奔驰公司是在汽车上采用CVT技术的鼻祖，早在1886年就将V型橡胶带式CVT安装在该公司生产的汽油机汽车上。

图1-4无级变速器结构图

CVT无级变速器是采用传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合传递动力。

可以使传动系与发动机工况实现最佳匹配。

金属带式无级变速器的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。

主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组成，与油缸靠近一侧的带轮可以在轴上滑动，另一侧则固定。

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。

1.2无级变速器的特点综述

1.2.1经济性

CVT可以在相当宽的范围内实现无级变速，从而获得传动系与发动机工况的最佳匹配，提高整车的燃油经济性。

德国的大众公司在自己的GolfVR6轿车上分别安装了4-AT和CVT进行ECE市区循环和ECE郊区循环测试，证明CVT能够有效节约燃油。

安装4-AT和CVT的大众公司的GolfVR6汽车的燃油消耗对比试验油耗4-ATCVTECE市区循环，L/100km14.413.2ECE郊区/远程循环，L/100km10.89.8

1.2.2动力性                                                                                                我的汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速能力。

汽车的后备功率越大,汽车的动力性越好。

由于CVT的无级变速特性,使其能够获得后备功率最大的传动比,所以CVT的动力性明显优于机械变速器（MT）和自动变速器（AT）。

试验显示,CVT汽车加速性（0-100Km/h）比AT汽车的加速性能提高7.5～11.5%,速度较高时加速性优于MT汽车。

1.2.3排放

由于CVT系统具有较宽的速比变化范围,可使发动机工作在最佳状态,从而改善了燃烧过程,减少了废气排放。

汽车行驶时所排出的有害物质含量常与发动机工作状态有关,当发动机在非稳态工况时,它所排出废气中的有害物质含量高。

而有级式机械传动,速比变化量由人工操作完成,导致发动机转速变化较大,使发动机处于非稳态工况。

所以,汽车排放废气中有害物含量高,污染环境严重。

对于自动变速,可控制发动机在排放污染较小的工况下工作。

据德国ZF公司测定,装备CVT后比安装4-AT的汽车减少排放约10%左右。

由于汽车传动自动变速有如此众多的优点,因此,汽车特别是轿车,采用自动变速传动已成为趋势。

1.2.4制造成本

CVT系统结构简单，零部件数目比AT（约500个）少（约300个），一旦汽车制造商开始大规模生产，CVT的成本将会比AT小。

勿庸置疑，CVT变速器的技术含量和制造难度都要比MT变速器高，与AT变速器相仿，由于金属带式CVT的结构简单，所含的零件数量比AT变速器少40％左右，整车的质量因而也有所减轻。

随着大规模生产以及系统、材料的革新,CVT零部件（如传动带、主动轮、从动轮等）的生产成本,将降低20%～30%L在1996年的美国汽车市场,装备CVT的HondaCivic轿车比装备4-AT的轿车便宜200多美元。

1.2.5驾驶平顺性

由于CVT的速比变化是连续不断的，所以汽车的加速或减速过程非常平缓，而且驾驶非常简单、安全。

从而使用户获得全方位的“行驶乐趣”。

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。

1.3无级变速器的分类

无级变速器按结构和传动方式可分为电力式、液力式和机械式三种。

其中，电力式和液力无级变速器因为成本高、效率低、结构复杂等原因没有得到广泛应用；而机械式与前两种比较，具有结构简单紧凑、成本低、操纵方便等优点而成为目前主流的选择。

因此，下面所提到的CVT都是指金属带传动的机械式无级变速器。

1.4金属带式无级变速器

1.4.1金属带式无级变速器的基本结构

金属带式无级变速器主要由主动带轮、从动带轮、金属带、加压和调速装置组成，其核心部件是金属带和从动带轮组成的传动系统。

下图为一种金属带式无级变速器的基本组成,主要包括：

油泵、离合器、前进和倒档切换机构、输入轴和主动轮（锥盘）、金属带、从动轮（锥盘）和输出轴、主减速器、差速器和驱动桥等。

图1-5 金属带式无级变速器的基本结构图

1—金属传动带；2—从动工作轮液压控制缸；3—从动工作轮可动部分；4—油泵；5—主动工作轮不动部分；6—主动工作轮可动部分；7—主动工作轮液压控制缸；8—离合器；9—发动机飞轮；10—从动工作轮不动部分；11—中间减速器；12—主减速器和差速器

1.4.2金属带式无级变速器的工作原理

金属带式无级变速器的主要结构主要由主动轮组、从动轮组和金属带构成。

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，与油缸靠近一侧的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，最后经减速器和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。

其变化的传动比定义为两工作轮的半径之比：

其中，、—主、从动带轮角速度（）      、—主、从动带轮节圆半径（mm）

 图1-6 金属带CVT工作原理图六~维^论,文.网

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。

1.4.3金属带式无级变速器的关键技术

迄今为止，CVT的主攻方向为：

可靠性、耐久性和效率。

前两个均与金属带有关，故CVT的关键技术首先是传动带，其次是效率。

传动带中最常用的是VDT钢带，它的内部由多层钢带和很多金属块组成。

带斜面的VDT传动带挂在型槽的传动轮上，钢带只起支撑作用，由V型槽侧面和V型金属块侧面传递动力。

钢带是无级传动中的关键技术，只有突破他的技术方面，才可能使CVT进入实用化阶段。

下面就是几种对VDT钢带的改进技术：

（1）在传递动力时，由于钢带夹在带轮V型槽内，受V型金属块向上的张力和传动带挂在带轮上产生的弯曲力同时作用，因而影响了钢带的使用寿命。

为解决此问题，采用了两种改进技术：

（a）采用事先对外侧钢带加压应力，对内测钢带加拉应力的预应力法。

（b）顺着钢带长度方向缩短内测钢带的长度。

图1-7 金属带结构图

（2）钢带制造方法的改进。

在多层钢带中，由于每层钢带的长度不同，它受到的力不同，这也降低了钢带的使用寿命。

（3）V型金属块和V型带轮之间紧密接触改进技术。

在传递动力时，为解决带轮驱动面上所产生的盈利均匀问题，在V型金属块本体侧面上开两个孔，以保证V型金属块和V型带轮之间紧密接触。

（4）钢带与V型金属块之间紧密接触的改进技术。

在V型金属块上开导向槽、沟和开口处，把多层钢带装到导向槽内的结果保证了多层钢带和V型金属块之间的紧密接触。

（5）消除V型金属块之间的碰撞噪声和V型金属块的轻量化方面的改进技术。

用金属块压成凹型金属块，以解决轻量化问题。

在凹部内填满弹性材料形成一体，对降低噪声效果显著。

1.5无级变速器与有级变速器的比较

近几十年中，由于各国集中研究减少空气阻力，使其阻力系数从七十年代中期的0.45降为较低的0.31，这样是最高车速增加，但受到国际上最高车速的限制，发动机被迫在部分地符合工作。

如果CVT提供0.5左右的超速比，就可以扩大车辆的变速范围，式车辆可以再发动机较低转速与较高转矩工况下输出功率，这样不仅减少噪声，增加动力传动系效率，降低辅助装置的动力消耗，同时还使发动机的转矩增加，燃烧热效率提高，排气中的一氧化碳与碳氢化合物减少，排气总量减少。

同时，无级变速器控制发动机转速，相对于油门开度都是闭环，而有级式变速器即使电控也只是判断出何时升档与降档时开环。

从图1-8可以看出无极变速转速保持在最小控制范围内，可使车速在很宽的范围内连续变化。

有级式自动变速器只是一档一档的升与降，而发动机转速随着每个相应的挡不断的交替变化。

相应的在图1-9中，途中实线为CVT的功率特性，虚线为四档自动变速器的功率特性，虚线便是了有级式自动变速器沿着油门开度的功率曲线上升到下一个换档点，如此下去。

挡位越多，越向最佳工作线迫近。

挡位无限多时，才能完全沿着最佳曲线工作，这时它已成为无极传动CVT。

图1-8 CVT与有级变速器传动特性比较图1-9 CVT与有级变速器功率特性比较

从上面的分析可以看出，一定有门加速时，对某档位，只是在一个车速才能发挥出该有们下的最大功率。

这用图1-10更能说明问题，通过CVT更能调节适应各种车速变化，则车轮已获得恒定的最大功率输出，故车轮转矩与车速曲线是一等轴双曲线。

而对有级变速器来说，每档位只是一点与CVT线相切，即发出最大功率，而其它所示的阴影区，是其结构所限下不能发挥出来的转矩，这种牵引性能的缺点，必然影响车辆动力性。

图1-10 牵引性能比较

有级式全机械自动变速器的换档产生动力中断，换档时离合器必须分离，油门随之减少，挂挡后离合器再结合，油门在相应增大。

这样，他不仅损失了很多加速性能，而且扩大了发动机转速激烈变化的范围，加深了非稳定工作程度，从而使发动机的动力型和经济性指标进一步恶化，换档平顺性下降以及乘坐舒适性变差；而无级变速器则完全不同，它可保持发动机油门与转速不变，通过调节CVT的传动比改变车速，已达到道路符合与发动机功率的新平衡，变换传动比时，相随的工作点在发动机图上午任何换档跳跃或功率损失。

   无极传动CVT深受非职业驾驶员欢迎，不仅因为对驾驶技术诬告要求与乘坐舒适，而且更主要的是；它总是按照驾驶员的意图，通过油门和反馈回来的转速，控制发动机在最佳工作位置工作，正常行驶时发动机转速低而且稳定，使车省油、噪声低而且行驶稳定。

在不平路面或山区行驶，驾驶员就不会再有该换档不换档、换错档的可能，CVT特别有效。

而当需要超车、加速、爬坡时，只要猛踏加速板，CVT就将自动增加传动比，其发动机立刻到达最大功率点，发动机最佳动力特性，其超车性能特别优越。

1.6无级变速器技术在国内外发展情况六~维^论,文.网

1987年，日本Subaru把装备CVT变速器的汽车投放市场，获得成功。

随着技术的发展，能源危机引发全球性的节约能源和环境保护意识的提高，在总结第一代的CVT的经验基础上，开发出了性能更佳，转矩容量更大的CVT。

现在NISSAN、TOYOTA、FORD、GM、AUDI等著名汽车品牌中，都有配备CVT变速器的轿车销售，全世界CVT轿车的年产量已达到近100

万辆。

因此无级变速汽车是当今汽车发展的主要趋势。

金属带式无级变速器的结构、力学分析、传动效率等,在国外已研究成熟,国外的研究热点主要集中在CVT电液控制系统的控制策略上,如CVT电液控制系统的智能PID控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制等。

金属带式无级变速器的结构、力学分析、传动效率等研究在国内已取得很大的进展,但CVT电液控制系统的控制策略、实验仿真等研究在国内刚刚起步。

目前我国正在考虑发展轿车自动变速器的问题。

自“九•五”期间轿车金属带式无级自动变速器的开发和研制已经被列入国家的重大科技攻关计划，以跟踪世界技术的发展和开发适合我国国情的汽车。

我们国家有巨大的汽车销售市场，然而我国汽车业所需的自动变速器（AT）全部依赖进口，这使得国产汽车配备AT后，成本增加很大，而装备自行开发生产CVT变速器，其成本提高不大，说明CVT的市场前景令人乐观。

在最近的十几年中，CVT技术已经上前迈进了一大步，使得CVT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。

如今，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。

2 方案论证

2.1金属带式无级变速器的基本结构

为了确定金属带式无级变速器的一套方案，我们必须对金属带式无级变速器的基本构成有一个清晰的了解。

金属带式无级变速器一般由起步离合器、行星齿轮倒档机构、无级变速器机构、控制系统和中间减速机构组成。

（1）起步离合器：

起步离合器的主要作用是使汽车以足够大的牵引力平顺起步，提高驾驶舒适性，必要时切断动力传输。

目前用于汽车起步的装置主要有几种：

干湿离合器、湿式离合器、电磁离合器和液力变矩器。

（2）行星齿轮机构：

无级变速器的行星齿轮机构用以实现前进挡和倒档之间的切换操作，采用双行星齿轮机构，行