7 鋼球錐輪式無級變速器設計

7 鋼球錐輪式無級變速器設計,鋼球錐,輪式,無級,變速器,設計 1附錄 I汽車無級變速器技術(shù)和應用的發(fā)展綜述摘要：簡述了無級變速器的發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀．從技術(shù)角度介紹了金屬帶式無級變速器的基本結(jié)構(gòu)，比較了金屬帶與鏈條的結(jié)構(gòu)和性能差異；給出機液控制系統(tǒng)和電液控制系統(tǒng)的原理及優(yōu)缺點，以及新近開發(fā)出的滑移控制策略．總結(jié)了無級變速器的優(yōu)勢．從應用角度列舉了核心廠商，調(diào)研了國內(nèi)市場的主要無級變速器車型，給出國內(nèi)外無級變速器汽車市場的發(fā)展預測；最后闡述了今后的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：汽車；無級變速器；控制系統(tǒng)；滑移控制21 世紀能源日益趨緊，油價在高位上節(jié)節(jié)攀升，節(jié)能減排已經(jīng)成為制約汽車發(fā)展壯大的關(guān)鍵問題之一，由此，各種自動變速器不斷沖擊著傳統(tǒng)的手動變速器，變速器行業(yè)的更新?lián)Q代悄然而至。CVT，真正實現(xiàn)了無級變速，使汽車具有理想的性能。2004年，中國汽車工業(yè)協(xié)會和中國齒輪協(xié)會就國內(nèi)自動變速箱的研發(fā)方向達成了共識：優(yōu)先發(fā)展電控機械式自動變速器和無級變速器，適時發(fā)展雙離合器自動變速，適當生產(chǎn)液力機械自動變速器。因此，CVT 在中國市場將會扮演更為重要的角色。本文在充分了解 CVT 歷史發(fā)展脈絡的前提下，總結(jié)前人 CVT 綜述論文的研究成果與發(fā)展現(xiàn)狀。先是從技術(shù)角度出發(fā)，給出了 CVT 的基本機構(gòu)，以及帶式 CVT 和鏈式 CVT 的對比情況；接著介紹了控制技術(shù)的發(fā)展進程，尤其是對兩代控制系統(tǒng)的原理和特點以及滑移控制策略作了總體介紹；詳細分析論述了 CVT 的優(yōu)勢。再從應用角度出發(fā)，調(diào)研國內(nèi)市場 CVT車型的應用情況，預測今后國內(nèi)外 CVT 市場的發(fā)展情況；最后提出 CVT 的發(fā)展趨勢，并對國內(nèi)的 CVT 發(fā)展給出了建議。1 無級變速器概述1.1 無級變速器發(fā)展歷程早在 1490 年，達芬奇就草繪了無級變速器原型圖。19 世紀 70 年代，出現(xiàn)了機械式無級變速器，但是由于當時受材質(zhì)與工藝方面的條件限制，發(fā)展緩慢。直到 20 世紀70 年代以后，機械式無級變速器獲得迅速和廣泛的發(fā)展，產(chǎn)品有摩擦式、鏈式、帶式及脈動式 4 大類，約 30 多種結(jié)構(gòu)形式。20 世紀 80 年代以后，主要發(fā)展趨向是美、日等國進行高速、高效、大轉(zhuǎn)矩機械無級變速器的研制開發(fā)。進入 2l 世紀后，CVT 發(fā)展更為迅猛。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外綜述文章很多。在國外，文獻[1]對 CVT 與 AT 和 DCT 進行全方位對比，預測了今后 CVT 的發(fā)展。在國內(nèi)，文獻[2—4]闡述了 CVT 發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀，分析了其發(fā)展趨勢；通過一系列試驗結(jié)果，詳述了 CVT 與其他類型變速器之間的優(yōu)缺點。2不同類型 CVT 中，帶式 CVT 開發(fā)最早，應用最廣。1955 年，荷蘭 VDT 公司的橡膠帶式 CVT 樣車試驗，由于該傳動機構(gòu)體積過大，傳動比太小，橡膠帶壽命短，最終未能普及。1956 年，德國 PIV 公司開始研究鏈式 CVT。20 世紀 80 年代，橡膠帶式 CVT 被推力帶式 CVT 代替，投入市場使用。1989 年，德國 Luk 公司開始研發(fā) 300 N。m 級的轎車 CVT，并選擇 PIV 鏈條。1999 年，Luk 公司 CVT 鏈條的第一代產(chǎn)品在奧迪Multitronic 上誕生；2004 年，應用于美國市場福特 CFT30。2007 年 5 月，生產(chǎn) 120萬條 Luk 鏈條。CVT 控制系統(tǒng)，包括離合器控制、速比控制及夾緊力控制。國外對此展開了深入而廣泛的研究；國內(nèi)起步較晚，但是也有不少研究成果。在國外，文獻[7]結(jié)合魯棒模型匹配方法，建立了 CVT 伺服速比系統(tǒng)，增強其抗干擾性能。文獻[8]設計了模糊增益調(diào)度系統(tǒng)，應用于 CVT 液壓伺服系統(tǒng)的 PI(比例積分)控制器中，并設計了一個非線性補償系統(tǒng)。文獻[9]提出了瞬態(tài)情況下燃油最優(yōu)化控制問題的解決方案；基于此，提出了一個簡化控制策略。在國內(nèi)，文獻[10]設計了帶有前饋抗回繞的 PI 控制器，用于 CVT夾緊力控制，進行了仿真和裝車試驗。文獻[11]驗證一 T PID(比例積分微分)控制方法可以實現(xiàn) CVT 速比的合理變化控制。文獻[12—13]建立了汽車傳動系統(tǒng)模型，設計了模糊控制器和 PID 控制器，通過仿真對 2 種方法進行對比；開發(fā)的 CVT 汽車自適應模糊控制系統(tǒng)具有良好的魯棒性。采取各種控制理論的目的在于使 CVT 系統(tǒng)各方面性能最優(yōu)化。從裝車效果來看，將這些控制理論應用于 CVT 控制系統(tǒng)中，獲得了良好的效果。2 無級變速器基本結(jié)構(gòu)目前實際應用的 CVT 主要有：帶式 CVT、鏈式 CVT 及錐盤滾輪式 CVT 等。以金屬帶式 CVT 為例，分析 CVT 的基本結(jié)構(gòu)。金屬帶式 CVT 主要是由行星齒輪機構(gòu)、起步裝置、V 形帶輪與金屬帶、減速機構(gòu)構(gòu)成。行星齒輪機構(gòu)與倒擋離合器配合，實現(xiàn) CVT 的倒擋行駛。起步裝置主要有 3 種：多片濕式離合器，電磁離合器，液力變矩器。其中，多片濕式離合器結(jié)構(gòu)尺寸小，響應快，能量損失小，目前應用較為廣泛；電磁離合器重量及尺寸大，熱負荷能力低，僅用于微型車輛上；液力變矩器，起步扭矩大，坡道起步性能好，駕駛?cè)菀追奖?，微動性能好，能阻隔發(fā)動機弓}起的部分振動和沖擊，但是價格昂貴。V 型帶輪由主動帶輪和從動帶輪組成，每個帶輪均由可動和不動錐盤組成。由于 CVT 可提供的速比變化范圍一般為 0.5～2.5，范圍過窄，不能完全滿足整車傳動比變化范圍的要求，因此設有減速機構(gòu)，拓寬其速比范圍。由行星齒輪機構(gòu)傳遞的扭矩直接傳遞到主動帶輪，金屬帶將動力從主動帶輪傳遞到從動帶輪上，再由從動帶輪將動力經(jīng)過減速機構(gòu)傳出。通過主、從動帶輪可動錐盤的軸向運動，改變了金屬帶的傳動半徑，從而實現(xiàn)速比變化。3鏈式 CVT 與帶式 CVT 結(jié)構(gòu)原理基本相同，僅僅是用鏈條來代替帶。帶式 CVT 依靠金屬片之間推力傳遞扭矩，而鏈式 CVT 依靠拉力傳遞扭矩。在眾多結(jié)構(gòu)形式 CVT 中，帶式 CVT 產(chǎn)銷量遙遙領先，發(fā)展最為迅速。鏈式 CVT 由于其進入市場較晚，因此，應用范圍遠不如帶式 CVT 廣泛。2006 年，帶式 CVT 產(chǎn)量與鏈式 CVT 產(chǎn)量比值是 9：1，同年，帶式 CVT 年產(chǎn)量超過 240 萬套。其中，Bosch 金屬帶來源于荷蘭 VDT 公司專利，Luk 鏈條來源于德國 PIV 公司專利?？陀^來說，帶式 CVT 結(jié)構(gòu)上由于金屬帶層層疊加，造成各層金屬帶半徑會有微弱差別，從而引起金屬帶之間的蠕動現(xiàn)象；而鏈式 CVT 在其自身結(jié)構(gòu)上，就解決了這一問題。此外，傳統(tǒng)帶式 CVT 夾緊力控制策略方面，部分工況下夾緊力明顯過剩。3 無級變速器控制系統(tǒng)CVT 控制系統(tǒng)，實現(xiàn) CVT 系統(tǒng)傳動比的自動無級變化。它主要由油泵系統(tǒng)、各種電磁閥和控制閥、皮托管、油溫傳感器等組成。CVT 控制系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了兩代控制系統(tǒng)。早期 CVT 產(chǎn)品多采用第一代控制系統(tǒng)—— 機液控制系統(tǒng)，近期開發(fā)的產(chǎn)品一般采用第二代控制系統(tǒng)— 電液控制系統(tǒng)。而目前國際先進的 CVT 生產(chǎn)廠商正在開發(fā)一種應用于電液控制系統(tǒng)的新型控制策略—滑移控制策略，用來提高 CVT 的自身效率，并已經(jīng)成功制造出樣機。機液控制系統(tǒng)，采用機械裝置對作動器進行控制，譬如利用節(jié)氣門控制凸輪控制速比控制閥等。其缺點如下：系統(tǒng)響應速度慢且不精確；不能對主從動缸的壓力進行獨立控制；皮托管不能準確監(jiān)測發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化；金屬帶停留的位置不確定，影響下次起動的平穩(wěn)性；不能適用其他車型。因此，這種 CVT 效率低，難以體現(xiàn)出其節(jié)油的優(yōu)越性，已經(jīng)逐漸被淘汰，市場上極為少見。電液控制系統(tǒng)，采用步進電機、夾緊力電磁閥與離合器電磁閥對其液壓系統(tǒng)進行控制，能夠更加迅速準確地控制各液壓元件 l1 。這種方式能夠提高作動系統(tǒng)的響應速度與精確度，能夠比較準確地讓發(fā)動機工作在預定的工作區(qū)域，基本解決了機液控制系統(tǒng)中的固有缺陷，如主、從動缸的壓力可以獨立控制，因而可以使傳動裝置按駕駛員的操作意圖達到最佳匹配等。但是由于其采用夾緊力控制系統(tǒng)，CVT 自身效率低，抵消了發(fā)動機上節(jié)省的燃油，還是沒有很好體現(xiàn)出 CVT 的燃油經(jīng)濟性。目前市場上基本都是電液控制系統(tǒng)型 CVT。最近，一些主要 CVT 生產(chǎn)廠商正在開發(fā) CVT 滑移控制策略。研究證明壓力鋼帶能夠在一個較長時間內(nèi)承受較大滑移量，且沒有較明顯的磨損。因此，該策略以鋼帶及帶輪之間的滑移量作為控制參數(shù)，而滑移量是通過將幾何比與變速機構(gòu)的速度比進行比較而確定的。幾何比通過測得的變速機構(gòu)的幾何特性推算。此滑移量通過一個單輸入一單輸出控制器控制，該控制器可以根據(jù)滑動誤差調(diào)節(jié)從動柱塞的壓力。新型控制策略可以降低 5％～5.5％的油耗。4在此基礎上，改進變速機構(gòu)內(nèi)部，采用更專用的液壓回路等，可以將油耗減低到10％以上?；瓶刂撇呗杂行Ы档土艘簤合到y(tǒng)的壓力，提高了 CVT 自身的效率，采用滑移控制策略的新型電液控制系統(tǒng)開發(fā)出后，將大大提高 CVT 的市場競爭能力，勢必會引發(fā) CVT 控制系統(tǒng)發(fā)展的又一次革命。4 CVT 優(yōu)勢CVT，是人們長期夢寐以求的變速機構(gòu)，它的應用具有十分重要的意義，已成為當今汽車界最熱門的課題之一。CVT 的發(fā)展勢必對我國汽車工業(yè)的發(fā)展乃至整個國民經(jīng)濟的迅速騰飛有著舉足輕重的意義 。4.1 提高汽車性能(1)安全性。CVT 汽車駕駛員只要控制油門踏板和制動踏板，這不僅改善了駕駛員工作條件，減輕駕駛員勞動強度，而且簡化操作，使汽車易于駕駛，大大提高了汽車安全性。(2)舒適性。CVT 汽車起步和速比變化過程中不致于產(chǎn)生縱向沖擊或抖動，消除了換擋過程中的頓挫感，即不存在 MT 和 AMT 汽車的換擋品質(zhì)問題，提高了駕駛的平順性，改善了駕駛員和乘員的雙重舒適性。(3)行駛性能。在傳統(tǒng)的 MT 汽車中，汽車的駛性能與駕駛員的駕駛技術(shù)有密切關(guān)系。CVT 汽車可以消除人為換擋，可使汽車行駛過程中經(jīng)常處于良好的性能狀態(tài)，提高汽車的行駛性能。(4)成本問題。CVT 體積小，易于安裝；結(jié)構(gòu)簡單，部件少；生產(chǎn)成本比 6 速 AT與 DCT 低。4.2 與汽車其他先進技術(shù)的完美結(jié)合CVT 與混合動力技術(shù)結(jié)合，讓發(fā)動機工作在最佳工況，達到低能耗、低污染和高度自動化。研究表明，采用 CVT 傳動系統(tǒng)的混合動力汽車的油耗有減少 30％的潛能，排放有降低 50％的潛能。CVT 與行星齒輪機構(gòu)連接，形成無限變速器。相對于 CVT 而言，IVT 進一步擴展了速比的范圍，在無需離合器的情況下實現(xiàn)倒擋運。4.3 普及轎車使用隨著社會的不斷發(fā)展，駕駛經(jīng)驗不豐富的人也將成為駕車的主流。CVT 汽車不需要換擋，操作簡單輕便，非常適合這部分群體駕駛。這有利于轎車作為代步的工具，在中國乃至全球得到進一步普及。4.4 節(jié)約能源不同變速箱在降低油耗方面的潛能是不同的，6 速 AT 在現(xiàn)有基礎上可以有 3％ 左右的油耗下降，DCT 在現(xiàn)有基礎上可以有 2％～4％的油耗下降，而CVT 油耗下降的潛能最大，可以有 5％～8％。CVT 控制發(fā)動機在排放污染較小的工況下5工作，排放廢氣中有害物含量低，減輕環(huán)境污染。在近 30 年來，隨著國際油價居高不下以及原油資源的耗竭，石油危機對油價的助推作用無時無刻不在影響著汽車消費者們的購車傾向，越來越多的汽車消費者將會選擇經(jīng)濟型轎車。預計在 2035 年，世界石油資源將達到開采最高峰，屆時開采量將逐年遞減；此外，各國對環(huán)境保護的條例越來越嚴格，小排量、燃油經(jīng)濟性好的車輛將是未來家用的主流車型，而這類車型非常適合裝配 CVT，讓發(fā)動機的效率達到最優(yōu)。CVT汽車減少了汽車的有害尾氣排放，對人類健康的維護，城市環(huán)境的保護，以及人與自然的可持續(xù)性發(fā)展，有著極為深遠的意義。4.5 提升中國汽車行業(yè)的國際競爭力建立 CVT 自主開發(fā)平臺及其產(chǎn)業(yè)鏈，可以提高我國變速器科研水平以及國際競爭力。同時，汽車工業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，要快速發(fā)展我國的國民經(jīng)濟，就必須重視汽車工業(yè)正常而有序的發(fā)展。成功地開發(fā)出 CVT，建立 CVT 產(chǎn)業(yè)鏈，可以使整個國家汽車變速器行業(yè)得到一個質(zhì)的飛躍，促進汽車電子行業(yè)及汽車相關(guān)零部件行業(yè)的發(fā)展，提高汽車工業(yè)的整體技術(shù)含量，將有助于國內(nèi)汽車工業(yè)迎頭趕上，進而超越國外發(fā)達國家的汽車工業(yè)。此外，汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，勢必會給社會帶來更多的就業(yè)機會，減輕政府提供就業(yè)崗位的壓力；還可以給國家?guī)砀嗟某隹陬~，創(chuàng)造更為可觀的稅收收益，從而帶動整個國家國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展。5 CVT 廠商及應用CVT 的核心廠商有 Bosch，Luk 和 ZF 3 家。德國 Bosch-VDT 公司是 CVT 鋼帶獨特技術(shù)的原創(chuàng)公司和全球 CVT 鋼帶制造的獨家壟斷性公司。德國 Luk 公司是 Audi 公司A4，A6，A8 轎車 Multitronic CVT 核心部件的主要供應商，其生產(chǎn)的鋼鏈式 CVT 關(guān)鍵部件還向美國 Ford 汽車公司供貨。德國 ZF 公司的 CVT 產(chǎn)品有 3 個系列：VT1，CFT23，CFT30。其中 VT1 系列、CFT23 系列是帶式傳動的，CFT30 系列是鏈式傳動的。國際上，知名汽車公司紛紛大力發(fā)展裝備 CVT 的汽車。歐洲的VW，Mercedes。Benz，BMW，F(xiàn)iat 汽車公司，美國的 Ford，Chrysler 汽車公司以及亞洲的 Toyota，Honda，Nissan，Subaru，Hyundai 等主要汽車公司都擁有裝備 CVT 的汽車。目前，全球市場有超過 700 萬輛帶式 CVT 汽車，超過 60 多款車型采用 CVT。國內(nèi)已有不少車型裝載了 CVT。表 1 給出了國內(nèi)市場 CVT 車型及主要技術(shù)參數(shù)。這些車型在傳動方式和起步裝置上存在差異。國內(nèi)市場以 ZF 公司的 VT1F 型變速器為主，采用帶式傳動方式，起步裝置多為多片濕式離合器，應用車型主要是排量在 2.0 L 或2.0 L 以下的汽車。從理論數(shù)據(jù)來看，國內(nèi)幾款 CVT 汽車在燃油經(jīng)濟性上有著不俗表現(xiàn)。可以預見，在未來的一段時間內(nèi)，CVT 在國內(nèi)市場乃至全球市場的裝車率會有更大的提高。6近年來，隨著汽車電子技術(shù)、新材料及加工技術(shù)的不斷進步，CVT 正朝著以下幾個方面發(fā)展：(1)結(jié)構(gòu)方面。改進其液壓系統(tǒng)，CVT 結(jié)構(gòu)更加小巧和緊湊，降低成本，提高汽車的總體性能，使其性價比進一步提高。(2)性能方面。通過 CVT 的總體控制，進一步降低其油耗，減少有害氣體排放，提高其動力性及舒適性。(3)控制系統(tǒng)。通過不斷改進，向滑移控制策略發(fā)展，實現(xiàn)更優(yōu)良的性能；在控制方法方面，將先進的控制方法(例如 PID 控制、模糊控制、網(wǎng)絡控制、自適應控制等理論)應用于 CVT 離合器控制、速比控制和夾緊力控制中，進一步優(yōu)化控制策略，實現(xiàn)更為精確的控制。(4)應用領域。將 CVT 應用于混合動力汽車上；將 CVT 拓展為 IVT；前輪驅(qū)動 CVT逐步向后輪驅(qū)動 CVT 發(fā)展；CVT 最大可傳遞扭矩在不斷提高，因此 CVT 在大排量汽車上應用會更為廣泛。自 CVT 被列為國家科技攻關(guān)課題以來，已過去了 12 年，但還是沒能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的目標。隨著國內(nèi)需求的不斷增多，CVT 國產(chǎn)化勢在必行，意義重大。國內(nèi)洛陽三明及湖南容大兩 2 家民企在 CVT 上花費了大量的人力、物力，計劃于近期小批量投產(chǎn) CVT。國內(nèi)從事 CVT 研究的單位，不論目標是量產(chǎn) CVT 的企業(yè)，還是從事相關(guān)理論研究的科研院所，都應該緊跟國際 CVT 的發(fā)展步伐，在引進吸收先進技術(shù)的同時，不斷地開展創(chuàng)新工作，這樣才能真正將 CVT 國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化。參考文獻：[1]羅伯特博世 GmbH.Continuously 無級變速器：基準，地位和潛力[R]。斯圖加特：博世公司，2007。[2] 吳光強．賀林，范大鵬，等．車用無級變速器性能研究 EJ]．傳動技術(shù)，2007．21(2)：16．[3]王紅巖，秦大同，周云山，等．汽車無級變速器傳動系統(tǒng)綜合控制的研究，機械工程學報，2000，36(2)：38．[4]赫爾穆特牛頓米 B.500 無級變速器組件功率分流[R]Bfihl：LuK 的有限公司，2002。[5]保羅.喬斯，模糊控制不斷無級變速器[電子束],2008。O1]．http：hn ．1ib．ucdavis．edu／dept／pse／resources／cvtO4／papers／ZF％20Description20VT1F20040323．pdf.[6]菲夫納河 Guzzella 翁代爾 CH.Fue1.optimal 控制無級變速器動力系統(tǒng)研究[J]?？刂乒こ虒嵺`，2003（11）：329。