外文翻譯--常功率無級變速器( cp—cvt) 工作原理和分析 中文版

1、<p>　　常功率無級變速器( CP—CVT) 工作原理和分析</p><p>　　Constant Power Continuously Variable Transmission</p><p>　?。–P—CVT）:Operating Principle and Analysis</p><p>　　O. S. Cretu R. P

2、. Glovnea</p><p>　　[摘要]本文是一種新穎的常功率無級變速器(CP—CVT)牽引傳動發(fā)表的系列論文的首篇。本文提出了常功率的基本機能原理和證實了該裝置的特性。該裝置屬于大家知道的圓環(huán)牽引傳動系列,它由兩個輸入盤、一個圓錐形環(huán)和另一圓環(huán)、一個錐形輸出盤和若干鋼球組成。各鋼球的轉(zhuǎn)軸按相對于輸入和輸出圓盤的幾何位置作自行調(diào)整,輸出轉(zhuǎn)矩的變化使鋼球相對盤的位置改變從而造成速比變化,首先進行鋼球運動學和

3、動力學分析,再推論了有關功率傳遞動力學公式和幾何參數(shù)。最后提出CP—CVT可提供的良好的功能穩(wěn)定功率特性滿足汽車工業(yè)要求的結(jié)論。</p><p>　　關鍵詞:常功率無級變速器；圓環(huán)牽引傳動；運動學；動力學</p><p><b>　　背景</b></p><p>　　實踐中用附加無級變速器可以改進機械變速器的性能,在汽車傳動系中藉助無級變速器可

4、以獲得10%—20%的燃油經(jīng)濟性[1]。</p><p>　　機械無級變速器是結(jié)構(gòu)和設計的一個大的變化,通常功率是通過許多中間元件由輸入軸傳到輸出軸,所有這些裝置有一個公共的原則,那就是控制輸出速度的變化,亦即“改變中間元件相對于輸入或輸出元件的位置”。</p><p>　　一般功率通過干、邊界摩擦或薄層油膜剪切力來傳遞,當功率通過油膜傳遞時,CVT是彈性流體動力(EHD)牽引型,而該盤或

5、滾球具有一個正常的滾動運動。由于它們有能力傳遞高的功率,快速響應動態(tài)變化,小的尺寸和良好的可靠性,該EHD牽引傳動用于汽車傳動系相對于帶和行星型CVT是完全成功的[2]。在汽車中采用或設計極普通的EHD牽引傳動是一種環(huán)形的輸入2輸出盤和環(huán)形的中間元件,簡單的稱為全環(huán)形或半環(huán)形牽引傳動,這些型式CVT已經(jīng)解決并設計成不同的結(jié)構(gòu),成功用于汽車傳動系, 特別用在日本的汽車制造廠[3-5]。</p><p>　　雖然牽引

6、傳動的功能原理相對簡單,為了獲得這些元件之間的同步的結(jié)果要求詳細分析中間元件的運動學和動力學,不同的輸入或輸出功率或傳動比控制這些對于一個好的性能的CVT是關鍵性的。</p><p>　　[6]表明EHD牽引傳動與在接觸面間流體的流變特性有關,為潤滑流體他們開發(fā)了一個粘彈模型,用于EHD接觸的分析。[7]在精確的牽引傳動中作了牽引力的分析, Zhang等[8]和Zoh等[9]開發(fā)了可用環(huán)球牽引傳動的分析模型,并研

7、究了側(cè)滑和牽引力以及該CVT動力學和傳動控制過程。[10]導出了全環(huán)球牽引傳動的操縱控制的精確幾何關系。[11]和[12]介紹了常功率牽引傳動原理和提出了該傳動的解。</p><p>　　本文提出一個牽引傳動的原型,它只采用一個半環(huán)盤,該裝置可以在輸出轉(zhuǎn)矩變化大的情況下保持傳遞功率在小范圍變化。</p><p><b>　　工作原理</b></p>&l

8、t;p>　　2.1 裝置的說明</p><p>　　圖1示一裝置的簡圖,該裝置表明它可合理保持功率傳遞為常數(shù)。</p><p>　　圖1 環(huán)球傳動CP—CVT 簡圖</p><p>　　該裝置由兩個輸入盤和圓錐盤和兩個半環(huán)組成,錐盤固定在輸入軸,環(huán)盤相對于軸可縱向滑動,若干鋼球均布于兩盤之間,這些鋼球位置用罩殼周向固定(如圖所示)。該罩殼允許各鋼球有四個自由

9、度(三個轉(zhuǎn)動和一個移動)。這些鋼球與輸出盤接觸,輸出盤也可能為錐形,輸出盤通過球2螺旋型聯(lián)軸器把功率傳到出軸。球形中間元件通過兩彈簧的予加載荷使它和盤間的保持接觸,一個彈簧裝于輸入軸在環(huán)盤的后面,而另一彈簧裝于輸出軸,它壓力作用于輸出軸。依據(jù)鋼球和盤對球自轉(zhuǎn)軸之間接觸點的距離速比有一個大的變化,輸出轉(zhuǎn)矩的改變導致鋼球位置改變?nèi)鐖D1(b)所示,它將表明于下節(jié)確定速比的變化。速比的變化造成裝置有可能承受合理穩(wěn)定的功率傳遞。</p>

10、;<p>　　2.2 中間元件的運動學</p><p>　　為了確定裝置的一中間鋼球的主要幾何特性和其運動學之間的關系如圖2 所示。</p><p>　　圖2 　一球形中間元件和作用角</p><p>　　A ,B和C分別表示鋼球和環(huán)盤輸入盤和輸出錐盤之間接觸點,選擇一個以鋼球中心為軸心的笛卡爾座標系,x 軸平行于常功率CVT(CP—CVT)的軸線,三

11、個接觸點在該座標系中有以下座標。</p><p>　　A(R cosa,-2R sina) ; B(-2R cos,-2R sin ); C(R cos,R sin)</p><p>　　由于事實上所有三個接觸點都位于同一平面內(nèi),所給平面這些點的速度具有一個垂直于平面的方向,因此在以下關系內(nèi),除了它不平行于XOY平面外,速度方向?qū)⒉辉訇U述。</p><p>　　

12、屬于輸入盤接觸點速度給定為</p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　式中r 是變角α的函數(shù),可寫成</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　鋼球以一個角速度轉(zhuǎn)動,關

13、于自轉(zhuǎn)軸的斜率,由圖2 ,屬于鋼球接觸點的速度如下</p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　根據(jù)圖2 導出軸到接觸點的距離為:</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由公式(3) 可寫成以下等于:</p><p><b&

14、gt;　?。?）</b></p><p>　　設計-工作在牽引曲線的線性區(qū)間的牽引傳動,即由Zhang等用蠕變速度確定在接觸區(qū)滑動很小[8]。這意味著在式(1)和(3)內(nèi)相應的速度可以認為等于式(1),(4)和(5) ,鋼球的自轉(zhuǎn)軸的斜率給出為:</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　基本計算后,速比可寫成

15、:</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　代入由式(2) 算出的r ,上式可進一步寫成:</p><p><b>　　（8）</b></p><p>　　2. 3 中間元件的動力學</p><p>　　圖3a示一鋼球的分離體圖,當由裝置傳遞轉(zhuǎn)矩為最小

16、和由于只考慮位于輸入軸和輸出軸上彈簧的軸向x 時,在該位置角α等于零。環(huán)形輸入盤以。表示的平行力壓在一鋼球上,相應在輸出盤上的力是 ,該鋼球由恒等方程式這些力之間的關系如下:</p><p>　　圖3 一中間中元件在兩不同位置的FBD</p><p><b>　　（9）</b></p><p>　　當一阻力矩作用于輸出軸時,在c點軸向力的新值可

17、以寫成為:</p><p><b>　　(10)</b></p><p>　　式中由球-螺旋聯(lián)軸節(jié)引起的可求出為</p><p><b>　　（11）</b></p><p>　　一個在接觸點C的水平力的增量破壞了在鋼球上的力的平衡,它使鋼球移動到一個新的平衡位置(見圖3(b)) ,在該新位置,作用

18、在A 點的力為</p><p><b>　　(12)</b></p><p>　　在該幾何外形,力和的關系為</p><p><b>　　（13）</b></p><p>　　由于一轉(zhuǎn)矩作用于輸出軸,根據(jù)方程式(9)到(13)可以求得作用在A 點的軸向力變量表達式如下:</p><

19、;p><b>　?。?4）</b></p><p>　　進一步推導可求出轉(zhuǎn)矩T :</p><p><b>　?。?4a）</b></p><p>　　式(14a)表明依據(jù)于接觸的角α輸出轉(zhuǎn)矩以及包括和速比的關系。</p><p>　　作為轉(zhuǎn)矩函數(shù)的傳遞功率由下式給出:</p>

20、<p><b>　　(15)</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　鋼球螺旋聯(lián)接的特性不可任意選擇,它的值受牽引函數(shù)的限制。在接觸點C的EH牽引力造成所要求的輸出轉(zhuǎn)矩,因此由EHD使轉(zhuǎn)矩相等以及由鋼球螺旋聯(lián)接可求得以下關系式:</p><p><b>　　(16)<

21、/b></p><p><b>　　3 討論</b></p><p>　　如以上表明的功率傳遞與輸出轉(zhuǎn)矩和速比的關系,它們通過接觸角相互聯(lián)系。因此采用自動調(diào)整速比的大小可以保持傳遞功率穩(wěn)定。</p><p>　　對于一個幾何形狀已知的裝置,輸出轉(zhuǎn)矩造成角α確定的變化,這些變化可以改變作用于后環(huán)盤的作用力。</p><p

22、>　　進一步研究影響傳遞功率的兩種情況: 固定的力和彈性的力。從實際觀點出發(fā),采用液壓負載裝置力 可以隨角α變?yōu)槿我馑璧男问健?lt;/p><p><b>　　3. 1 力定值</b></p><p>　　在這種情況后環(huán)盤的力為定值而等于零。因而式(14)成為:</p><p><b>　　(17)</b></p

23、><p>　　式(17)給出了輸出轉(zhuǎn)矩對角α的關系,并解式(8)和(15)可求得牽引傳動的特性。圖4 (a)和(b)示速比、轉(zhuǎn)矩和輸出功率為角α的函數(shù)。角β和γ的值的選擇應使獲得的功率的變化為最小。</p><p>　　圖4 (a)固定力情況速比和轉(zhuǎn)矩與角α的變化關系(b)固定力下功率與角α的變化關系</p><p>　　對于相對兩較小的角β值(大約為45°)

24、和較大的γ值(接近77°),速比和輸出轉(zhuǎn)矩隨角α而增大,但速比幾乎具有一個線性關系時,轉(zhuǎn)矩接近隨α的平方增大, 這將造成功率傳遞顯著穩(wěn)定,變化為4.8%,α值由0到50°,作動元件的確定量為 </p><p>　　3. 2 彈性型的力</p><p>　　在這種情況,假定該后環(huán)盤面的力由已知

25、特性的彈簧產(chǎn)生的。由輸出錐盤造成環(huán)盤位移決定鋼球位移,因此產(chǎn)生彈簧通過一距離附加的一個壓縮力,力的變化可表示為以下形式:</p><p><b>　　(18)</b></p><p>　　式中K表明為彈簧的彈性常數(shù)。</p><p>　　環(huán)盤的軸向位移等于彈簧的附加壓縮力,由圖5所示的簡單幾何關系求得</p><p>　

26、　圖5 環(huán)盤的軸向位移</p><p><b>　　(19)</b></p><p>　　聯(lián)立方程式(14),(18)和(19)求得輸出轉(zhuǎn)矩T和接觸角α之間的關系</p><p>　　= (20)</p><p>　　圖6(a)和6(b

27、)示速比,轉(zhuǎn)矩和功率隨角α在圖4 所示相同范圍變化而變化。</p><p>　　對于參量β(約50°) 和γ(約72°) 選擇最合適的值,對α在0和57范圍內(nèi)獲得P的變化不大于7%。另一面對作動元件尺寸的選擇使功率最好的變化,而它們與上述情況不再一致。對于變速箱作動元件的最后尺寸與所要求的功率和轉(zhuǎn)矩有關。</p><p>　　明顯的問題是作用于環(huán)盤上的力與角α有關,它造

28、成在所要求角度大小范圍內(nèi)輸出功率不變。消去式(14)和(15)之間的T 并保持功率不變,可以用算出的不連續(xù)值擬合的曲線求得該力。一個多項式函數(shù)給出和一與三個與作動元件尺寸即鋼球和環(huán)面的半徑有關的函數(shù)很好擬合,該力可以寫成:</p><p><b>　　(21)</b></p><p>　　上述公式內(nèi)常數(shù)可以選擇牽引傳動的幾何尺寸和所要傳遞的功率來確定。</p&g

29、t;<p>　　圖6 (a)對于彈性力速比和轉(zhuǎn)矩隨角α的變化(b)對于彈性力功率隨角α變化</p><p><b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　　原始CP—CVT牽引傳動描述和分析穩(wěn)定保持輸出功率的能力。</p><p>　　裝置由兩個輸入盤一個錐體和另一半環(huán),一個錐形輸出盤以及許多環(huán)形中間元件組成。</p>

30、;<p>　　CP—CVT的運動學和力分析說明速比,輸出轉(zhuǎn)矩、功率傳遞和內(nèi)部的幾何外形之間的相互關系。本研究有4個主要的結(jié)論:</p><p>　　1. 環(huán)盤后有一個穩(wěn)定的力,與速比變化從1到2.5時,輸出功率的變化小于5%。這在鋼球和輸入錐盤之間接觸角較小的情況下可以看到,而在和輸出盤接觸角較大情況則更為有利。</p><p>　　2. 對于速比在1和2.5之間,作用在后環(huán)

31、盤上一個彈性的力,輸出功率的變化小于7%。與固定的力情況相比較,和輸入錐盤的接觸角較小,而和輸出盤接觸角較小。</p><p>　　3. 當力作用在環(huán)盤上對接觸角α有一個多項式關系時,可求得該CP—CVT牽引傳動的最佳特性。對裝置尺寸選擇一最合適的數(shù)值,求得一個完全固定的輸出功率,速比在1和3之間變化,采用液壓負荷系統(tǒng)這點可以實現(xiàn)。</p><p>　　4. 該裝置建議免去任何鋼球位置轉(zhuǎn)軸

32、必須的控制,因它們自身調(diào)整運動學狀況。該特性提供了超過其他環(huán)狀牽引傳動的確定的優(yōu)點。牽引傳動成為用于汽車變速箱的很好的候選裝置,構(gòu)成它的一個優(yōu)點是輸出功率在固定水平的自動調(diào)整,從燃油經(jīng)濟性觀點出發(fā),發(fā)動機可在擴展時期以最優(yōu)狀態(tài)實際運轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　名稱</b></p><p>　　=鋼球螺旋聯(lián)軸節(jié)名義半 mean radius of the ball

33、-screw coupling</p><p>　　=速比 transmission ratio</p><p>　　=后環(huán)盤彈簧的彈性常 elastic constant of the spring behind toroidal disc</p><p>　　=球自調(diào)轉(zhuǎn)軸的斜率 —slope of the self-adjusted rotation axis

34、of the sphere</p><p>　　P=功率 power</p><p>　　=從球中心到軸的軸心的距離 distance from the center of spheres to the axes of theshafts</p><p>　　=環(huán)的半徑 radius of the torus</p><p>　　=鋼球球面半

35、徑 radius of the spherical balls</p><p>　　=環(huán)面半徑 radius of the toroidal surface</p><p>　　=速度 velocity</p><p>　　T=轉(zhuǎn)矩 torque</p><p>　　=球和環(huán)盤之間接觸角 contact angle between spher

36、es and the toroidal disc</p><p>　　=球和輸入錐盤之間接觸角 contact angle between spheres and the input conical disc</p><p>　　=球和輸出錐盤之間的接觸角 contact angle between spheres and the output conical disc</p>

37、<p>　　= EHD 牽引系數(shù) EHD traction coefficient</p><p>　　=螺旋聯(lián)軸節(jié)角度 angle of the screw coupling</p><p>　　=螺旋聯(lián)軸節(jié)摩擦角 friction angle in the screw coupling</p><p>　　=輸入軸的角速度 angular velo

38、city of the input shaft</p><p>　　=鋼球的角速度 angular velocity of the ball</p><p>　　=輸出軸角速度 angular velocity of the output shaft</p><p>　　* =本文指數(shù)b 和d 分別參見球和盤 In the text indexes b and d

39、refer to the balls and discs, respectively</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] Arita, M., 2000, ‘‘Recent CVT Technology and Their Effect on Improving Fuel Economy,’’ Proceedings Intern

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