外文翻譯--常功率無(wú)級(jí)變速器( CP—CVT) 工作原理和分析 中文版

常功率無(wú)級(jí)變速器 ( CP CVT) 工作原理和分析 Constant Power Continuously Variable Transmission （ CP CVT） :Operating Principle and Analysis O. S. Cretu R. P. Glovnea 摘要 本文是一種新穎的常功率無(wú)級(jí)變速器 (CP CVT)牽引傳動(dòng)發(fā)表的系列論文的首篇。本文提出了常功率的基本機(jī)能原理和證實(shí)了該裝置的特性。該裝置屬于大家知道的圓環(huán)牽引傳動(dòng)系列 ,它由兩個(gè)輸入盤(pán)、一個(gè)圓錐形環(huán)和 另一圓環(huán)、一個(gè)錐形輸出盤(pán)和若干鋼球組成。各鋼球的轉(zhuǎn)軸按相對(duì)于輸入和輸出圓盤(pán)的幾何位置作自行調(diào)整 ,輸出轉(zhuǎn)矩的變化使鋼球相對(duì)盤(pán)的位置改變從而造成速比變化 ,首先進(jìn)行鋼球運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析 ,再推論了有關(guān)功率傳遞動(dòng)力學(xué)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(chē)工業(yè)要求的結(jié)論。 關(guān)鍵詞 :常功率無(wú)級(jí)變速器 ； 圓環(huán)牽引傳動(dòng) ； 運(yùn)動(dòng)學(xué) ； 動(dòng)力學(xué) 1 背景 實(shí)踐中用附加無(wú)級(jí)變速器可以改進(jìn)機(jī)械變速器的性能 ,在汽車(chē)傳動(dòng)系中藉助無(wú)級(jí)變速器可以獲得 10% 20%的燃油經(jīng)濟(jì) 性 1。 機(jī)械無(wú)級(jí)變速器是結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的一 個(gè)大的變化 ,通常功率是通過(guò)許多中間元件由輸入軸傳到輸出軸 ,所有這些裝置有一個(gè)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(duì)于輸入 或輸出元件的位置”。 一般功率通過(guò)干、邊界摩擦或薄層油膜剪切力來(lái)傳遞 ,當(dāng)功率通過(guò)油膜傳遞時(shí) ,CVT是彈性流體動(dòng)力 (EHD)牽引型 ,而該盤(pán)或滾球具有一個(gè)正常的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。由于它們有能力傳遞高的功率 ,快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)變化 ,小的尺寸和良好的可靠性 ,該EHD牽引傳動(dòng)用于汽車(chē)傳動(dòng)系相對(duì)于帶和行星型 CVT是完全成功 的 2。在汽車(chē)中采用或設(shè)計(jì)極普通的 EHD牽引傳動(dòng)是一種環(huán)形的輸入 2輸出 盤(pán)和環(huán)形的中間元件 ,簡(jiǎn)單的稱(chēng)為全環(huán)形或半環(huán)形牽引傳動(dòng) ,這些型式 CVT已經(jīng)解決并設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu) ,成功用于汽車(chē)傳動(dòng)系 , 特別用在日本的汽車(chē)制造 廠 3-5。 雖然牽引傳動(dòng)的功能原理相對(duì)簡(jiǎn)單 ,為了獲得這些元件之間的同步的結(jié)果要求詳細(xì)分析中間元件的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué) ,不同的輸入或輸出功率或傳動(dòng)比控制這些對(duì)于一個(gè)好的性能的 CVT是關(guān)鍵性 的。 T e v a a r w e r k a n d J o h n s o n6表明 EHD牽引傳動(dòng)與在接觸面間流體的流變特性有關(guān) ,為潤(rùn)滑流體他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)粘彈模型 ,用于 EHD接觸的分析。 K a n n e l a n d D o w7在精確的牽引傳動(dòng)中作了牽引力的分析 , Zhang等 8和 Zoh等 9開(kāi)發(fā)了可用環(huán)球牽引傳動(dòng)的分析模型 ,并研究了側(cè)滑和牽引力以及該 CVT動(dòng)力學(xué)和傳動(dòng)控制過(guò)程 。Raghavan10導(dǎo)出了全環(huán)球牽引傳動(dòng)的操縱控制的精確幾何關(guān)系。 Cretu 11和C r e t u a n d G lo v n e a12介紹了常功率牽引傳動(dòng)原理和提出了該傳動(dòng)的解。 本文提出一個(gè)牽引傳動(dòng)的原型 ,它只采用一個(gè)半環(huán)盤(pán) ,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。 2 工作原理 2.1 裝置的說(shuō)明 圖 1示一裝置的簡(jiǎn)圖 ,該裝置表明它可合理保持功率傳遞為常數(shù)。 圖 1 環(huán)球傳動(dòng) CP CVT 簡(jiǎn)圖 該裝置由兩個(gè)輸入盤(pán)和圓錐盤(pán)和兩個(gè)半環(huán)組成 ,錐盤(pán)固定在輸入軸 ,環(huán)盤(pán)相對(duì)于軸可縱向滑動(dòng) ,若干鋼球均布于兩盤(pán)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(gè)自由度 (三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)移動(dòng) )。這些鋼球與輸出盤(pán)接觸 ,輸出盤(pán)也可能為錐形 ,輸出盤(pán)通過(guò)球 2螺旋型聯(lián)軸器把功率傳到出軸。球形中間元件 通過(guò)兩彈簧的予加載荷使它和盤(pán)間的保持接觸 ,一個(gè)彈簧裝于輸入軸在環(huán)盤(pán)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(pán)對(duì)球自轉(zhuǎn)軸之間接觸點(diǎn)的距離速比有一個(gè)大的變化 ,輸出轉(zhuǎn)矩的改變導(dǎo)致鋼球位置改變?nèi)鐖D 1(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。 2.2 中間元件的運(yùn)動(dòng)學(xué) 為了確定裝置的一中間鋼球的主要幾何特性和其運(yùn)動(dòng)學(xué)之間的關(guān)系如圖 2 所示。 圖 2 一球形中間元件和作用角 A ,B和 C分別表示鋼球和環(huán)盤(pán)輸入盤(pán)和輸出錐盤(pán)之間接觸點(diǎn) ,選擇一個(gè)以鋼球中心為軸心的笛卡爾座標(biāo)系 ,x 軸平行于常功率 CVT(CP CVT)的軸線 ,三個(gè)接觸點(diǎn)在該座標(biāo)系中有以下座標(biāo)。 A(R cosa,-2R sina) ； B(-2R cos ,-2R sin )； C(R cos ,R sin ) 由于事實(shí)上所有三個(gè)接觸點(diǎn)都位于同一平面內(nèi) ,所給平面這些點(diǎn)的速度具有一個(gè) 垂直于平面的方向 ,因此在以下關(guān)系內(nèi) ,除了它不平行于 XOY平面外 ,速度方向?qū)⒉辉訇U述。 屬于輸入盤(pán)接觸點(diǎn)速度給定為 11s i n ； s i nA d B dV r R V r R （ 1） 式中 r 是變角的函數(shù) ,可寫(xiě)成 s i n ,or r R （ 2） 其中1 .R R R 鋼球以一 個(gè)角速度2轉(zhuǎn)動(dòng) ,關(guān)于自轉(zhuǎn)軸 的斜率 tanm ,由圖 2 ,屬于鋼球接觸點(diǎn)的速度如下 2 ；AbV A A 2 ；BbV B B 2CbV C C (3) 根據(jù)圖 2 導(dǎo)出軸 到接觸點(diǎn)的距離為 : s i n ( ) ；A A R a s i n ( ) ；B B R s i n ( ) .C C R （ 4） 由公式 (3) 可寫(xiě)成以下等于 : AbBbVAABB V （ 5） 設(shè)計(jì) -工作在牽引曲線的線 性區(qū)間的牽引傳動(dòng) ,即由 Zhang等用蠕變速度確定在接觸區(qū)滑動(dòng)很 小 8。這意味著在式 (1)和 (3)內(nèi)相應(yīng)的速度可以認(rèn)為等于式(1),(4)和 (5) ,鋼球的自轉(zhuǎn)軸的斜率給出為 : s i n s i nt a n c o s c o s s i n ( )rm rR （ 6） 基本計(jì)算后 ,速比13/i 可寫(xiě)成 : s i n c o s ( s i n )s i n c o s s i nm rRi m r R （ 7） 代入由式 (2) 算出的 r ,上式可進(jìn)一步寫(xiě)成 : c o s s i n s i n s i nc o s s i n s i no om r R Rim r R （ 8） 2. 3 中間元件的動(dòng)力學(xué) 圖 3a示一鋼球的分離體圖 ,當(dāng)由裝置傳遞轉(zhuǎn)矩為最小和由于只考慮位于輸入軸和輸出軸上彈簧的軸向 x 時(shí) ,在該位置角等于零。環(huán)形輸入盤(pán)以0AF。 表示的平行力壓在一鋼球上 ,相應(yīng)在輸出盤(pán)上的力是0CF ,該鋼球由恒等方程式這些力之間的關(guān)系如下 : 圖 3 一中間中元件在兩不同位置的 FBD 00t a n()t a n t a nCAFF （ 9） 當(dāng)一阻力矩作用于輸出軸時(shí) ,在 c點(diǎn)軸向力的新值可以寫(xiě)成為 : 0C C CF F F (10) 式中由球 -螺旋聯(lián)軸節(jié)引起的CF可求出為 22t a n ( )CTF D （ 11） 一個(gè)在接觸點(diǎn) 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(dòng)到一個(gè)新的平衡位置 (見(jiàn)圖 3(b) ,在該新位置 ,作用在 A 點(diǎn)的力為 0A A AF F F (12) 在該幾何外形 ,力AF和CF的關(guān)系為 t a n c o s s i nt a n c o s s i nACFF （ 13） 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(diǎn)的軸向力變量表達(dá)式如下 : 0t a n c o s s i n t a nt a n c o s s i n t a n t a nAAFF （ -1 ）22 t a n c o s s i nt a n ( ) t a n c o s s i nTD +（ 14） 進(jìn)一步推導(dǎo)可求出轉(zhuǎn)矩 T : 20 t a n ( )t a n t a n t a n()t a n t a n 2 t a n t a nA DT F F -1 （ 14a） 式 (14a)表明依據(jù)于接觸的角輸出轉(zhuǎn)矩以及包括和速比的關(guān)系。 作為轉(zhuǎn)矩函數(shù)的傳遞功率由下式給出 : 13 0 0( ) ( )P T T T Ti (15) 式中 200 t a n ( )2C DTF 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(diǎn) 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(guān)系式 : 2 t a n ( )2 c o sCRD (16) 3 討論 如以上表明的功率傳遞與輸出轉(zhuǎn)矩和速比的關(guān)系 ,它們通過(guò)接觸角相互聯(lián)系。因此采用自動(dòng)調(diào)整速比的大小可以保持傳遞功率穩(wěn)定。 對(duì)于一個(gè)幾何形狀已知的裝置 ,輸出轉(zhuǎn)矩造成 角確定的變化 ,這些變化可以改變作用于后環(huán)盤(pán)的作用力AF。 進(jìn)一步研究影響傳遞功率的AF兩種情況 : 固定的力和彈性的力。從實(shí)際觀點(diǎn)出發(fā) ,采用液壓負(fù)載裝置力AF 可以隨角變?yōu)槿我馑璧男问健?3. 1 力AF定值 在這種情況后環(huán)盤(pán)的力為定值而AF等于零。因而式 (14)成為 : 20 t a n ( )t a n c o s s i n t a n)2 t a n c o s s i n t a n t a nA DTF （ (17) 式 (17)給出了輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)角的關(guān)系 ,并解式 (8)和 (15)可求得牽引傳動(dòng)的特性。圖 4 (a)和 (b)示速比、轉(zhuǎn)矩和輸出功率為角的函數(shù)。角和的值的選擇應(yīng)使獲得的功率的變化為 最小。 圖 4 (a)固定力情況速比和轉(zhuǎn)矩與角的變化關(guān)系 (b)固定力下功率與角的變化關(guān)系 對(duì)于相對(duì)兩較小的角值 (大約為 45 )和較大的值 (接近 77 ),速比和輸出轉(zhuǎn)矩隨角而增大 ,但速比幾乎具有一個(gè) 線性關(guān)系時(shí) ,轉(zhuǎn)矩接近隨的平方增大 , 這將造成功率傳遞顯著穩(wěn)定 ,變化為 4.8%,值由 0到 50 ,作動(dòng)元件的確定量為 10( 0 . 0 9 , 0 . 0 6 , 0 . 1 2 )R m R m r m 3. 2 彈性型的力AF 在這種情況 ,假定該后環(huán)盤(pán)面的力由已知特性的彈簧產(chǎn)生的。由輸出錐盤(pán)造成環(huán)盤(pán)位移決定鋼球位移 ,因此產(chǎn)生彈簧通過(guò)一距離 X 附加的一個(gè)壓縮力 ,力AF的變化可表示為以下形式 : AF K X (18) 式中 K表明為彈簧的彈性常數(shù)。 環(huán)盤(pán)的軸向位移等于彈簧的附加壓縮力 ,由圖 5所示的簡(jiǎn)單幾何關(guān)系求得 圖 5 環(huán)盤(pán)的軸向位移 c o s ( )1c o sXR (19) 聯(lián)立方程式 (14),(18)和 (19)求得輸出轉(zhuǎn)矩 T和接觸角之間的關(guān)系 0t a n c o s s i n t a nt a n c o s s i n t a n t a nAF （ -1 ）22 t a n c o s s i nt a n ( ) t a n c o s s i nTD + = c o s ( )1c o sKR (20) 圖 6(a)和 6(b)示速比 ,轉(zhuǎn)矩和功率隨角在圖 4 所示相同范圍變化而變化。 對(duì)于參量 (約 50 ) 和 (約 72 ) 選擇最合適的值 ,對(duì)在 0和 57范圍內(nèi)獲得 P的變化不大于 7%。另一面對(duì)作動(dòng)元件尺寸的選擇使功率最好的變化 ,而它們與上述情況10( 0 . 0 8 5 , 0 . 0 4 , 0 . 1 2 )R m R m r m 不再一致。對(duì)于變速箱作動(dòng)元件的最后尺寸與所要求的功率和轉(zhuǎn)矩有關(guān)。 明顯的問(wèn)題是作用于環(huán)盤(pán)上的力與角有關(guān) ,它造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(gè)多項(xiàng)式函數(shù)給出和一與三個(gè)與作動(dòng)元件尺寸即鋼球和環(huán)面的半徑有關(guān)的 函數(shù)很好擬合 ,該力AF可以寫(xiě)成 : 320 ()AAF F a x b x c x d (21) 上述公式內(nèi)常數(shù)可以選擇牽引傳動(dòng)的幾何尺寸和所要傳遞的功率來(lái)確定。 圖 6 (a)對(duì)于彈性力速比和轉(zhuǎn)矩隨角的變化 (b)對(duì)于彈性力功率隨角變化 4 結(jié)論 原始 CP CVT牽引傳動(dòng)描述和分析穩(wěn)定保持輸出功率的能力。 裝置由兩個(gè)輸入盤(pán)一個(gè)錐體和另一半環(huán) ,一個(gè)錐形輸出盤(pán) 以及許多環(huán)形中間元件組成。 CP CVT的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力分析說(shuō)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(guān)系。本研究有 4個(gè)主要的結(jié)論 : 1. 環(huán)盤(pán)后有一個(gè)穩(wěn)定的力 ,與速比變化從 1到 2.5時(shí) ,輸出功率的變化小于5%。這在鋼球和輸入錐盤(pán)之間接觸角較小的情況下可以看到 ,而在和輸出盤(pán)接觸角較大情況則更為有利。 2. 對(duì)于速比在 1和 2.5之間 ,作用在后環(huán)盤(pán)上一個(gè)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(pán)的接觸角較小 ,而和 輸出盤(pán)接觸角較小。 3. 當(dāng)力作用在環(huán)盤(pán)上對(duì)接觸角有一個(gè)多項(xiàng)式關(guān)系 時(shí) ,可求得該 CP CVT牽引傳動(dòng)的最佳特性。對(duì)裝置尺寸選擇一最合適的數(shù)值 ,求得一個(gè)完全固定的輸出功率 ,速比在 1和 3之間變化 ,采用液壓負(fù)荷系統(tǒng)這點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)。 4. 該裝置建議免去任何鋼球位置轉(zhuǎn)軸必須的控制 ,因它們自身調(diào)整運(yùn)動(dòng)學(xué)狀況。該特性提供了超過(guò)其他環(huán)狀牽引傳動(dòng)的確定的優(yōu)點(diǎn)。牽引傳動(dòng)成為用于汽車(chē)變速箱的很好的候選裝置 ,構(gòu)成它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是輸出功率在固定水平的自動(dòng)調(diào)整 ,從燃油經(jīng)濟(jì)性觀點(diǎn)出發(fā) ,發(fā)動(dòng)機(jī)可在擴(kuò)展時(shí)期以最優(yōu)狀態(tài)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)。 名稱(chēng) 2D=鋼球螺旋聯(lián)軸節(jié)名義半 mean radius of the ball-screw coupling i =速比 transmission ratio k =后環(huán)盤(pán)彈簧的彈性常 elastic constant of the spring behind toroidal disc m =球自調(diào)轉(zhuǎn)軸的斜率 tan slope of the self-adjusted rotation axis of the sphere P=功率 power r =從球中心到軸的軸心的距離 distance from the center of spheres to the axes of theshafts 0r=環(huán)的半徑 radius of the torus R =鋼球球面半徑 radius of the spherical balls 1R=環(huán)面半徑 radius of the toroidal surface V =速度 velocity T=轉(zhuǎn)矩 torque =球和環(huán)盤(pán)之間接觸角 contact angle between spheres and the toroidal disc =球和輸 入錐盤(pán)之間接觸角 contact angle between spheres and the input conical disc =球和輸出錐盤(pán)之間的接觸角 contact angle between spheres and the output conical disc = EHD 牽引系數(shù) EHD traction coefficient =螺旋聯(lián)軸節(jié)角度 angle of the screw coupling =螺旋聯(lián)軸節(jié)摩擦角 friction angle in the screw coupling 1=輸入軸的角速度 angular velocity of the input shaft 2=鋼球的角速度 angular velocity of the ball 3=輸出軸角速度 angular velocity of the output shaft * =本文指數(shù) b 和 d 分別參見(jiàn)球和盤(pán) In the text indexes b and d refer to the balls and discs, respectively 參考文獻(xiàn) 1 Arita, M., 2000, Recent CVT Technology and Their Effect on Improving Fuel Economy, Proceedings International Trib. 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