鋼球錐輪式無級變速器設(shè)計【Koop-B型】【P=4.5kw n=1500rpm R=6】【說明書+CAD+solidedge】

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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(yīng)用角度出發(fā)，調(diào)研國內(nèi)市場CVT車型的應(yīng)用情況，預(yù)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(yù)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。 不同類型CVT中，帶式CVT開發(fā)最早，應(yīng)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(yīng)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(shè)計了模糊增益調(diào)度系統(tǒng)，應(yīng)用于CVT液壓伺服系統(tǒng)的PI(比例積分)控制器中，并設(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)快，能量損失小，目前應(yīng)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(shè)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。 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(lǐng)先，發(fā)展最為迅速。鏈式CVT由于其進入市場較晚，因此，應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)速度與精確度，能夠比較準確地讓發(fā)動機工作在預(yù)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。 在此基礎(chǔ)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(yīng)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(chǔ)上可以有3％ 左右的油耗下降，DCT在現(xiàn)有基礎(chǔ)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(yù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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)?？梢灶A(yù)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。 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(luò)控制、自適應(yīng)控制等理論)應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域。將CVT應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)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. 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