外文翻譯--常功率無級變速器( CP—CVT) 工作原理和分析 中文版

常功率無級變速器 ( 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。各鋼球的轉軸按相對于輸入和輸出圓盤的幾何位置作自行調整 ,輸出轉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)要求的結論。 關鍵詞 :常功率無級變速器 ； 圓環(huán)牽引傳動 ； 運動學 ； 動力學 1 背景 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以獲得 10% 20%的燃油經濟 性 1。 機械無級變速器是結構和設計的一 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”。 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已經解決并設計成不同的結構 ,成功用于汽車傳動系 , 特別用在日本的汽車制造 廠 3-5。 雖然牽引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。 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。 K a n n e l a n d D o w7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 ,并研究了側滑和牽引力以及該 CVT動力學和傳動控制過程 。Raghavan10導出了全環(huán)球牽引傳動的操縱控制的精確幾何關系。 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原理和提出了該傳動的解。 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 裝置的說明 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)。 圖 1 環(huán)球傳動 CP CVT 簡圖 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度 (三個轉動和一個移動 )。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。依據鋼球和盤對球自轉軸之間接觸點的距離速比有一個大的變化 ,輸出轉矩的改變導致鋼球位置改變如圖 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 中間元件的運動學 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。 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 ,三個接觸點在該座標系中有以下座標。 A(R cosa,-2R sina) ； B(-2R cos ,-2R sin )； C(R cos ,R sin ) 由于事實上所有三個接觸點都位于同一平面內 ,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 ,除了它不平行于 XOY平面外 ,速度方向將不再闡述。 屬于輸入盤接觸點速度給定為 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) ,可寫成 s i n ,or r R （ 2） 其中1 .R R R 鋼球以一 個角速度2轉動 ,關于自轉軸 的斜率 tanm ,由圖 2 ,屬于鋼球接觸點的速度如下 2 ；AbV A A 2 ；BbV B B 2CbV C C (3) 根據圖 2 導出軸 到接觸點的距離為 : s i n ( ) ；A A R a s i n ( ) ；B B R s i n ( ) .C C R （ 4） 由公式 (3) 可寫成以下等于 : AbBbVAABB V （ 5） 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)內相應的速度可以認為等于式(1),(4)和 (5) ,鋼球的自轉軸的斜率給出為 : s i n s i nt a n c o s c o s s i n ( )rm rR （ 6） 基本計算后 ,速比13/i 可寫成 : 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 ,上式可進一步寫成 : 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 中間元件的動力學 圖 3a示一鋼球的分離體圖 ,當由裝置傳遞轉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 ,在該位置角等于零。環(huán)形輸入盤以0AF。 表示的平行力壓在一鋼球上 ,相應在輸出盤上的力是0CF ,該鋼球由恒等方程式這些力之間的關系如下 : 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） 當一阻力矩作用于輸出軸時 ,在 c點軸向力的新值可以寫成為 : 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 ,作用在 A 點的力為 0A A AF F F (12) 在該幾何外形 ,力AF和CF的關系為 t a n c o s s i nt a n c o s s i nACFF （ 13） 由于一轉矩作用于輸出軸 ,根據方程式 (9)到 (13)可以求得作用在 A 點的軸向力變量表達式如下 : 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） 進一步推導可求出轉矩 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)表明依據于接觸的角輸出轉矩以及包括和速比的關系。 作為轉矩函數(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 C的 EH牽引力造成所要求的輸出轉矩 ,因此由 EHD使轉矩相等以及由鋼球螺旋聯(lián)接可求得以下關系式 : 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。因此采用自動調整速比的大小可以保持傳遞功率穩(wěn)定。 對于一個幾何形狀已知的裝置 ,輸出轉矩造成 角確定的變化 ,這些變化可以改變作用于后環(huán)盤的作用力AF。 進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。從實際觀點出發(fā) ,采用液壓負載裝置力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)給出了輸出轉矩對角的關系 ,并解式 (8)和 (15)可求得牽引傳動的特性。圖 4 (a)和 (b)示速比、轉矩和輸出功率為角的函數(shù)。角和的值的選擇應使獲得的功率的變化為 最小。 圖 4 (a)固定力情況速比和轉矩與角的變化關系 (b)固定力下功率與角的變化關系 對于相對兩較小的角值 (大約為 45 )和較大的值 (接近 77 ),速比和輸出轉矩隨角而增大 ,但速比幾乎具有一個 線性關系時 ,轉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)盤面的力由已知特性的彈簧產生的。由輸出錐盤造成環(huán)盤位移決定鋼球位移 ,因此產生彈簧通過一距離 X 附加的一個壓縮力 ,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 圖 5 環(huán)盤的軸向位移 c o s ( )1c o sXR (19) 聯(lián)立方程式 (14),(18)和 (19)求得輸出轉矩 T和接觸角之間的關系 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 ,轉矩和功率隨角在圖 4 所示相同范圍變化而變化。 對于參量 (約 50 ) 和 (約 72 ) 選擇最合適的值 ,對在 0和 57范圍內獲得 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10( 0 . 0 8 5 , 0 . 0 4 , 0 . 1 2 )R m R m r m 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矩有關。 明顯的問題是作用于環(huán)盤上的力與角有關 ,它造成在所要求角度大小范圍內輸出功率不變。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AF可以寫成 : 320 ()AAF F a x b x c x d (21) 上述公式內常數(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。 圖 6 (a)對于彈性力速比和轉矩隨角的變化 (b)對于彈性力功率隨角變化 4 結論 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。 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。 CP CVT的運動學和力分析說明速比 ,輸出轉矩、功率傳遞和內部的幾何外形之間的相互關系。本研究有 4個主要的結論 : 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。 2. 對于速比在 1和 2.5之間 ,作用在后環(huán)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。 3. 當力作用在環(huán)盤上對接觸角有一個多項式關系 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)。 4. 該裝置建議免去任何鋼球位置轉軸必須的控制 ,因它們自身調整運動學狀況。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 ,構成它的一個優(yōu)點是輸出功率在固定水平的自動調整 ,從燃油經濟性觀點出發(fā) ,發(fā)動機可在擴展時期以最優(yōu)狀態(tài)實際運轉。 名稱 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)盤彈簧的彈性常 elastic constant of the spring behind toroidal disc m =球自調轉軸的斜率 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=轉矩 torque =球和環(huán)盤之間接觸角 contact angle between spheres and the toroidal disc =球和輸 入錐盤之間接觸角 contact angle between spheres and the input conical disc =球和輸出錐盤之間的接觸角 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 分別參見球和盤 In the text indexes b and d refer to the balls and discs, respectively 參考文獻 1 Arita, M., 2000, Recent CVT Technology and Their Effect on Improving Fuel 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