金屬帶式CVT速比變化遲滯特性試驗(yàn)研究

郝建軍，梁曉龍，程 昶，張志剛

（1. 重慶理工大學(xué) 汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，巴南 400054；2. 重慶科學(xué)技術(shù)研究院，渝北 401123）

0 引言

金屬帶式CVT不僅能實(shí)現(xiàn)較好驅(qū)動(dòng)的性能，同時(shí)又能降低油耗, 被認(rèn)為是理想的傳動(dòng)裝置[1]。裝有這種裝置的汽車已逐步占領(lǐng)市場(chǎng)。CVT的控制是通過(guò)金屬帶在帶輪上可移動(dòng)性來(lái)改變工作半徑，這種改變通常是由帶輪軸向推力控制的[2]。若推力過(guò)小, 則金屬帶在帶輪上打滑, 這不僅使速比精度下降甚至傳動(dòng)失效, 還加快了金屬帶傳動(dòng)副的磨損,縮短帶與帶輪的使用壽命;而推力過(guò)大, 也將增加不必要的摩擦損失,同樣也會(huì)降低傳動(dòng)系的效率,還會(huì)導(dǎo)致金屬帶的張力過(guò)大,縮短帶的使用壽命[3]。因此，控制主從動(dòng)帶輪上的軸向推力是金屬帶式CVT發(fā)揮優(yōu)良性能的關(guān)鍵。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CVT的變速機(jī)理及特性的研究主要圍繞穩(wěn)態(tài)推力比與速比關(guān)系方面進(jìn)行，如To ru Fu jii等人，而對(duì)CVT速比變化遲滯特性研究相對(duì)比較少。遲滯特性對(duì)于CVT的精確控制和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都具有重要影響，因此，有必要展開(kāi)對(duì)CVT速比變化遲滯特性相關(guān)試驗(yàn)研究。

1 CVT速比變化遲滯特性

1.1 CVT速比變化遲滯

在CVT 傳動(dòng)過(guò)程中，由于金屬帶長(zhǎng)度不變,主動(dòng)缸推力增大（減?。? 金屬帶徑向有向外（內(nèi)）移動(dòng)的趨勢(shì),而從動(dòng)部分金屬帶徑向有向內(nèi)（外）移動(dòng)的趨勢(shì)[4], 這就是改變推力導(dǎo)致速比變化的過(guò)程。

然而在上述速比變化過(guò)程中速比變化滯后于推力比變化。并且在速比連續(xù)變大和連續(xù)變小過(guò)程中推力比變化規(guī)律存在差異。圖1為速比變化遲滯示意圖。速比變化遲滯特性表征速比由小變大和由大變小過(guò)程中主從動(dòng)帶輪推力比曲線存在遲滯環(huán)。

圖1 速比變化遲滯曲線

2 金屬片上的受力

1.2 速比變化遲滯分析

CVT 變速時(shí)金屬帶在輪槽內(nèi)徑向運(yùn)動(dòng)，帶上的金屬片受到徑向摩擦力F的作用，如圖2所示。圖中P為金屬帶環(huán)對(duì)金屬片壓力；F為金屬片所受軸向推力；N為錐盤面對(duì)金屬片推力；FT為為切向摩擦力；FR為徑向摩擦力；正負(fù)表示方向。在CVT速比從穩(wěn)態(tài)到變速的過(guò)程，實(shí)際上是徑向摩擦力FR從靜摩擦力變化到滑動(dòng)摩擦力的過(guò)程。

以負(fù)載下CVT速比從大變小過(guò)程中主從動(dòng)金屬片作具體受力分析，主動(dòng)輪上金屬片的側(cè)面受力如圖3所示。FDR1為前后金屬片推擠作用合力；PDRT為主動(dòng)帶輪和金屬帶環(huán)對(duì)金屬片的合力；FDRR、FDRT分別為主動(dòng)輪金屬片受到的徑向摩擦力和切向摩擦力。開(kāi)始變速時(shí)，主動(dòng)輪推力增大，此時(shí)徑向摩擦力FDRR隨之增大但為靜摩擦力，金屬帶并未徑向移動(dòng)。當(dāng)FDRR增大到滑動(dòng)摩擦?xí)r，金屬帶發(fā)生徑向移動(dòng)，開(kāi)始變速，圖3中四力平衡，得到FDR1和PDRT的合力FDR總和FDRR、FDRT合力FDRf平衡。金屬片實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镕DR總的方向，與FDRT夾角為β，徑向滑動(dòng)摩擦力FDRRmax=μ· NDR·sinβ，NDR為主動(dòng)錐盤對(duì)金屬片壓力，μ為帶輪錐盤的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

圖3 速比從大變小主動(dòng)帶輪金屬片側(cè)面受力

圖4 速比從大變小時(shí)從動(dòng)帶輪金屬片側(cè)面受力

如圖4為速比從大變小從動(dòng)輪金屬片上側(cè)面受力，徑向摩擦力FDNR主動(dòng)帶輪方向相反。上述過(guò)程徑向摩擦力FDNR也是從靜摩擦力逐漸增大到滑動(dòng)摩擦FDNRmax。金屬片實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镕DN1的方向，與FDRT夾角為β’，徑向滑動(dòng)摩擦力FDNRmax=μ·NDN·sinβ’。

圖5 不同變速過(guò)程主從動(dòng)帶輪受力

如圖5為速比從大變小和從小變大過(guò)程主從動(dòng)帶輪受力；FDR、FDN分別為主動(dòng)輪金屬片受到推力；NDR、NDN分別為主動(dòng)輪金屬片受到錐盤支持力；PDR、PDN分別為主動(dòng)輪金屬片受到金屬環(huán)壓力；FDRRmax、FDNRmax分別為主動(dòng)輪金屬片受到最大靜摩擦力。從圖上可知速比從大到小和從小到大的兩個(gè)過(guò)程，變速原理相同，主從動(dòng)帶輪徑向摩擦力方向相反，變速過(guò)程都是從不受徑向摩擦力FR到變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力FRmax，都存在遲滯且為兩個(gè)反向。

綜上所述，速比從大到小和從小到大的兩個(gè)過(guò)程中，速比變化對(duì)應(yīng)推力比變化存在遲滯，且推力比變化兩過(guò)程呈現(xiàn)為不一致。

2 試驗(yàn)

為了研究金屬帶無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)中速比變化遲滯特性。本文以試驗(yàn)研究為手段，對(duì)金屬帶CVT遲滯特性及其影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)以鋼帶及帶輪組為核心傳動(dòng)組件，設(shè)計(jì)制造了CVT傳動(dòng)試驗(yàn)裝置、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該裝置與系統(tǒng)一起構(gòu)成了如圖5所示的試驗(yàn)系統(tǒng)。

試驗(yàn)中為了消除主、從動(dòng)液壓缸壓力耦合的影響[5]，液壓系統(tǒng)采用了雙聯(lián)齒輪泵，分別提供了兩個(gè)獨(dú)立的油壓源。本試驗(yàn)還將CVT試驗(yàn)箱中的主、從動(dòng)帶輪設(shè)計(jì)成相同，目的在于減小主從動(dòng)錐盤液壓缸面積不同而帶來(lái)的慣性影響，試驗(yàn)用主從動(dòng)錐盤中心間距169mm，金屬帶由 329塊摩擦片和 2組金屬帶環(huán)組成。每個(gè)帶環(huán)組疊合 12條鋼環(huán), 單層帶環(huán)厚度約為 0.18mm，寬度為8.75mm，12條金屬帶帶環(huán)的總厚度約為2mm。摩擦片的寬為 24.7mm，高為15mm，厚為2.2mm，CVT試驗(yàn)箱如圖6所示。

試驗(yàn)時(shí),通過(guò)壓力傳感器測(cè)量主動(dòng)帶輪的液壓缸壓力和從動(dòng)帶輪上液壓缸壓力, 推力比是由主動(dòng)輪壓力與液壓缸面積乘積除以從動(dòng)輪得到。主從動(dòng)帶輪的轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得。速比是由主動(dòng)帶輪的轉(zhuǎn)速除以從動(dòng)帶輪的轉(zhuǎn)速求出。

圖6 CVT試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖7 CVT試驗(yàn)箱

800rpm-40N·m遲滯曲線

2.2 試驗(yàn)過(guò)程：

1）在轉(zhuǎn)速n1、轉(zhuǎn)矩為M 1下依照最大可傳遞轉(zhuǎn)矩設(shè)定一個(gè)從動(dòng)推力。

2）在設(shè)定n1，M 1下，調(diào)整主動(dòng)輪推力改變速比，完成速比由小到大和由大到小的循環(huán)。

3）依據(jù)上述過(guò)程，完成不同轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩M下的試驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，如圖8所示，800rpm-40N·m過(guò)程中速比從大到小和從小到大過(guò)程中推力比呈現(xiàn)不一致，符合定性理論分析，速比從大變小時(shí)推力比曲線在速比從小變大之上。

圖9 800rpm、1200rpm-40N·遲滯曲線

圖10 不同轉(zhuǎn)速下的Δh 平均值

圖11 800rpm下各轉(zhuǎn)矩遲滯曲線

圖12 不同轉(zhuǎn)矩比的Δh平均值

如圖9為40N·m下不同轉(zhuǎn)速的遲滯特性曲線。負(fù)載40N·m下500rpm 、800rpm和1200rpm遲滯特性曲線大致相同。用Δh來(lái)表示同一速比下推力比的差值即遲滯寬度。圖10為各轉(zhuǎn)速下的Δh平均值，從圖10可知隨轉(zhuǎn)速升高，遲滯寬度有減小趨勢(shì)。

如圖11為轉(zhuǎn)速為800rpm-40N·m、80 N·m、120 N·m。從圖中可以看出三種轉(zhuǎn)矩下的遲滯曲線比較接近，40 N·m、80 N·m、120 N·m對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩比0.29,0.58,0.89。結(jié)合文獻(xiàn)[2]可知轉(zhuǎn)矩比對(duì)推力比的影響不大，特別在轉(zhuǎn)矩比大于0.5之后幾乎沒(méi)影響。圖12為不同轉(zhuǎn)矩比下Δh平均值，從圖可知Δh平均值在一小范圍波動(dòng)，綜上可認(rèn)為轉(zhuǎn)矩比對(duì)遲滯特性曲線影響不大。

3 結(jié)論

1）試驗(yàn)得出了金屬帶式CVT速比在0.5—2.2內(nèi)連續(xù)變化過(guò)程中變化的遲滯曲線，結(jié)論符合定性理論分析。速比從小到大的推力比在速比從大到小推力比之上。

2）在一定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，隨轉(zhuǎn)速升高遲滯特性寬度有減小趨勢(shì) 。轉(zhuǎn)矩比對(duì)遲滯特性影響不大。

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