推力鋼帶式和鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器(CVT)效率研究

林　健，潘國(guó)揚(yáng)，張燕鳳

(奇瑞汽車股份有限公司,安徽 蕪湖　241009)

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推力鋼帶式和鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器(CVT)效率研究

林健，潘國(guó)揚(yáng)，張燕鳳

(奇瑞汽車股份有限公司,安徽 蕪湖241009)

摘要：研究了推力鋼帶式CVT和鏈條式CVT的功率損失即效率特性，特別針對(duì)傳動(dòng)鏈條和推力鋼帶，從結(jié)構(gòu)及工作原理分析兩者在傳動(dòng)效率上的差異，并且通過(guò)臺(tái)架效率試驗(yàn)對(duì)比兩種技術(shù)的效率表現(xiàn)。研究結(jié)果表明：鏈條式CVT在傳動(dòng)效率上的綜合表現(xiàn)優(yōu)于推力鋼帶式CVT，特別在LOW速比和OD速比條件下，鏈?zhǔn)紺VT效率優(yōu)勢(shì)更明顯。

關(guān)鍵詞：無(wú)級(jí)變速器；效率；推力鋼帶；鏈條

隨著政府對(duì)節(jié)能減排要求的逐年提高，無(wú)級(jí)變速器(CVT)由于其在燃油經(jīng)濟(jì)性上的出色表現(xiàn)，在乘用車上的應(yīng)用正得到快速發(fā)展[1-7]。2014年CVT占乘用車自動(dòng)變速器比例超過(guò)20%，僅次于占有率最高的AT。

目前在市場(chǎng)上批量應(yīng)用的CVT技術(shù)包括博世公司的推力鋼帶式CVT和舍弗勒公司的鏈?zhǔn)紺VT，其中推力鋼帶式CVT在市場(chǎng)上應(yīng)用最早，且性能出色，特別是由于其帶式嚙合傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)使得其在NVH性能上表現(xiàn)突出。推力鋼帶式CVT是目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣的CVT技術(shù)，不過(guò)由于推力鋼帶鋼環(huán)組材料強(qiáng)度的限制，導(dǎo)致其主要是在中小排量車上應(yīng)用[8]；鏈?zhǔn)紺VT由于扭矩容量較大，目前主要應(yīng)用于大排量車型上，比如奧迪公司、斯巴魯公司、Jatco公司的大扭矩CVT就是鏈?zhǔn)紺VT的代表。

上述兩種CVT技術(shù)的總體結(jié)構(gòu)和原理都非常類似，主要區(qū)別在于傳動(dòng)帶形式的不同。由于博世公司CVT推力鋼帶和舍弗勒公司CVT鏈條在結(jié)構(gòu)及工作原理上存在很大差異，導(dǎo)致兩種CVT技術(shù)在性能上有較大差異，主要表現(xiàn)在傳動(dòng)效率及NVH性能，而這兩項(xiàng)性能正是目前變速器公司開(kāi)發(fā)CVT中重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)要點(diǎn)。本文將重點(diǎn)對(duì)兩種CVT技術(shù)的效率進(jìn)行研究，通過(guò)理論分析和專項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)比，為CVT的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)依據(jù)。

1　理論分析

CVT傳動(dòng)鋼帶和傳動(dòng)鏈條雖然都是通過(guò)與帶輪錐面的摩擦來(lái)傳遞動(dòng)力，不過(guò)兩者在結(jié)構(gòu)上存在較大差異，導(dǎo)致傳動(dòng)帶內(nèi)部工作原理上有很大差異，如圖1、2所示。

圖1　QR019型CVT鋼帶

圖2　適用QR019型CVT鏈條

金屬推力鋼帶是由幾百個(gè)金屬推片和2組金屬環(huán)組成，每個(gè)金屬片的厚度為1.4mm左右，單側(cè)鋼環(huán)組由厚度為0.2mm左右的12或9片鋼環(huán)組成。金屬推力鋼帶動(dòng)力傳遞分為2個(gè)階段：起初扭矩是通過(guò)金屬鋼環(huán)內(nèi)側(cè)和鋼帶推片接觸面之間的摩擦力來(lái)傳遞的，動(dòng)力通過(guò)一側(cè)鋼帶的拉力來(lái)傳遞扭矩；隨著扭矩的逐漸增加，鋼環(huán)內(nèi)側(cè)和推片之間發(fā)生打滑，使得另外一側(cè)推片被擠壓，增加部分的扭矩開(kāi)始通過(guò)鋼帶推片之間的推力來(lái)傳遞，在實(shí)際工作中，鋼帶的大部分扭矩傳遞都是通過(guò)鋼帶推片之間相互擠壓來(lái)傳遞的，所以這種傳動(dòng)鋼帶也叫推力帶。

CVT傳動(dòng)鏈條不同于傳統(tǒng)的鏈條，它是靠銷子側(cè)面和帶輪錐面摩擦傳遞動(dòng)力，通過(guò)一側(cè)鏈條的拉力來(lái)傳遞扭矩，不過(guò)其銷子不同于傳統(tǒng)鏈條的銷子。如圖3所示，由2個(gè)圓弧曲面的銷子組成銷子組，這樣傳動(dòng)鏈的銷子和鏈節(jié)之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，2個(gè)鏈節(jié)之間的彎曲通過(guò)銷子兩配合曲面的滾動(dòng)來(lái)完成，在提高鏈條壽命的同時(shí)提升了傳動(dòng)效率。

圖3　CVT用傳動(dòng)鏈條

1.1CVT傳動(dòng)鋼帶功率損失理論分析

圖4、5分別為鋼帶及其工作原理。本文將從以下幾個(gè)模塊分析鋼帶傳動(dòng)的功率損耗：

1) 鋼環(huán)和推片鞍面及鋼環(huán)內(nèi)部相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的功率損耗

圖5為鋼帶在帶輪內(nèi)運(yùn)動(dòng)示意圖。鋼帶將在主從動(dòng)帶輪上沿著嚙合半徑Rpri和 Rsec運(yùn)行，因此可以計(jì)算出任意工況下鋼帶推片的線速度 Vseg(m/s)，如式(1)所示。

(1)

圖4　CVT鋼帶部件示意圖

圖5　CVT鋼帶在帶輪內(nèi)運(yùn)動(dòng)示意圖

CVT鋼帶在工作過(guò)程中推片之間繞推片擺線轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼帶在帶輪運(yùn)行中擺線軌跡組成的鋼帶和帶輪嚙合的節(jié)圓也就是如圖5所示的推片擺線軌跡。如圖5所示，推片鞍面也就是鋼環(huán)組內(nèi)側(cè)和推片擺線的距離為δ，由于該距離的存在導(dǎo)致了主從動(dòng)帶輪推片鞍面處線速度不同，因此有式(2)：

(2)

除了當(dāng)速比為1，也就是主、從動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速相同時(shí)，式(2)成立。鋼帶鋼環(huán)組內(nèi)各鋼環(huán)的轉(zhuǎn)速差同樣也滿足式(2)，所以鋼帶在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，除了在速比為1的工況下外，鋼帶鋼環(huán)和推片鞍面之間以及各鋼環(huán)和相鄰鋼環(huán)之間一直存在相對(duì)的滑動(dòng)，從而產(chǎn)生摩擦功率損失。

2) 工作中推片之間產(chǎn)生間隙而導(dǎo)致鋼片和帶輪間產(chǎn)生的功率損耗

如圖6所示，鋼帶傳遞扭矩過(guò)程中鋼環(huán)內(nèi)部將產(chǎn)生拉應(yīng)力，推片之間將產(chǎn)生沿運(yùn)動(dòng)方向的壓應(yīng)力，這些部件在受力過(guò)程中都將產(chǎn)生相應(yīng)變形，這樣將導(dǎo)致鋼帶工作中推片之間產(chǎn)生間隙，并且鋼帶本身內(nèi)部在不受力情況下推片之間也存在一定間隙。鋼帶扭矩的傳遞主要靠推片之間的互相推力來(lái)實(shí)現(xiàn)，在主從動(dòng)帶輪兩側(cè)的推片組，其中一側(cè)受力，另一側(cè)不受力，這樣將使得推片之間的間隙存在于不受力的一側(cè)鋼帶，而在不受力的推片繼續(xù)運(yùn)行進(jìn)入帶輪并過(guò)渡到鋼帶的另一側(cè)時(shí)，推片之間的間隙將消失，這將導(dǎo)致推片和帶輪之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，而且相對(duì)滑動(dòng)都出現(xiàn)在扭矩輸入端帶輪上，這在Fujii等[10]的研究中已得到證實(shí)。將鋼帶中推片內(nèi)部總間隙量記為ebelt(m)，鋼帶總長(zhǎng)度記為L(zhǎng)band。結(jié)合圖6可以得到：由于推片之間間隙而導(dǎo)致鋼帶運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中推片和帶輪錐面之間的滑動(dòng)速度Vslip(m/s)的計(jì)算如式(3)所示。

(3)

由于間隙一直存在，并且間隙側(cè)推片在進(jìn)入帶輪過(guò)程中存在相對(duì)滑動(dòng)，所以推片和帶輪錐面滑動(dòng)速度Vslip一直存在，從而產(chǎn)生摩擦功率損失。

圖6　鋼帶推片間間隙分布示意圖

3) 帶輪錐盤變形導(dǎo)致鋼帶在其中運(yùn)行產(chǎn)生的功率損耗

由于帶輪和鋼帶配合傳遞扭矩，需要在帶輪上作用足夠大的軸向力才能產(chǎn)生足夠的摩擦力。如圖7所示，由于軸向力的施加使得帶輪錐盤產(chǎn)生不規(guī)則變形，并且同樣使得在錐盤內(nèi)的鋼帶推片產(chǎn)生軸向壓縮變形，這樣就使得外側(cè)進(jìn)入錐盤的推片和錐盤配合面之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生摩擦功率損失。

圖7　帶輪CAE受力析變形示意圖

1.2CVT傳動(dòng)鏈條功率損失理論分析

如圖3所示，CVT傳動(dòng)鏈條是通過(guò)帶輪錐盤和傳動(dòng)鏈條銷子摩擦傳遞扭矩。在傳遞扭矩過(guò)程中，鏈條均承受拉力；銷子是由2個(gè)圓弧曲面的銷子組成的銷子組，這樣傳動(dòng)鏈在進(jìn)入或出帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，銷子和鏈節(jié)之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，2個(gè)鏈節(jié)之間的彎曲通過(guò)銷子2個(gè)配合曲面的滾動(dòng)來(lái)完成，沒(méi)有產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)[9]，對(duì)比本文1.1節(jié)所示的鋼帶的功率損失，鏈條在和鋼帶采用相同的邊界條件下，鏈條的功率損耗即效率影響因素如下：如圖7所示，由于帶輪和鏈條配合傳遞扭矩同樣需要在帶輪上作用足夠大的軸向力才能產(chǎn)生足夠的摩擦力來(lái)傳遞扭矩，這樣就會(huì)和鋼帶一樣使得外側(cè)進(jìn)入錐盤的鏈條銷子和錐盤配合面之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，同樣產(chǎn)生摩擦功率損失。

由綜合理論分析可知：在相同使用邊界條件下，在LOW速比和OD速比工況下，CVT鏈條的傳動(dòng)效率明顯高于CVT鋼帶傳動(dòng)效率；在速比值為1的MID速比工況下，鏈?zhǔn)紺VT的效率優(yōu)勢(shì)沒(méi)有在LOW和OD工況下明顯。

2　試驗(yàn)研究

為了對(duì)推力鋼帶式CVT和鏈?zhǔn)紺VT的效率性能有一個(gè)客觀的對(duì)比研究，主要針對(duì)鏈條和推力鋼帶對(duì)CVT整機(jī)效率的表現(xiàn)進(jìn)行分析，需要將鏈條和推力鋼帶放在同一型CVT上進(jìn)行研究，特選取同型號(hào)的推力鋼帶和鏈條安裝在QR019型CVT上進(jìn)行分析。

2.1QR019型CVT

QR019型CVT主體結(jié)構(gòu)為目前CVT常用的結(jié)構(gòu)形式，如圖8所示。該CVT采用液力變矩器作為起步系統(tǒng)，采用行星齒輪機(jī)構(gòu)作為前進(jìn)、倒擋系統(tǒng)并且布置在輸入軸側(cè)，使用博世推力鋼帶配合帶輪系統(tǒng)作為變速機(jī)構(gòu)，采用電液控制實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行器動(dòng)作。具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖8　QR019型CVT變速器

扭矩容量/(N·m)190起步機(jī)構(gòu)液力變矩器變矩器最大增扭系數(shù)1.9速比帶輪速比2.39～0.44主減速比4.7825.141鋼帶類型Bosch24phase7帶輪中心距/mm169變速器油品SP-Ⅲ變速器油量/L8.0控制形式電液式

2.2QR019型CVT推力鋼帶

QR019型CVT使用的是博世公司第7代鋼帶，如圖1所示，其主要參數(shù)如表2所示。

2.3適用QR019型CVT鏈條

針對(duì)QR019型CVT選擇了專門適用的舍弗勒CVT鏈條，如圖2所示，其主要參數(shù)如表3所示。

表2　QR019型CVT鋼帶參數(shù)

表3　QR019型CVT鏈條參數(shù)

為了確保試驗(yàn)分析客觀合理并排除其余因素的影響，選擇下線合格的QR019型CVT新變速器，在同一臺(tái)試驗(yàn)變速器上通過(guò)鋼帶和鏈條的更換來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析，確保其余部件狀態(tài)一致。

試驗(yàn)前首先將推力鋼帶裝入一臺(tái)預(yù)選的QR019型CVT變速器，如圖9所示。整箱裝配完成后將CVT變速器在如圖10所示變速器效率測(cè)試臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)。按照本文2.4節(jié)所示的試驗(yàn)方法完成試驗(yàn)后，將該CVT變速器拆解更換上述CVT鏈條，進(jìn)行再次裝箱試驗(yàn)，如圖11所示。

圖9　QR019型CVT裝配鋼帶

圖10　變速器效率測(cè)試臺(tái)架

圖11　QR019型CVT裝配鏈條

2.4試驗(yàn)方法

在變速器進(jìn)行效率測(cè)試中，為了使試驗(yàn)條件盡可能模擬CVT在整車下的工作狀態(tài)，同時(shí)考慮試驗(yàn)資源和周期的合理利用，試驗(yàn)條件設(shè)定如下：CVT變速器處于D擋；液力變矩器處于鎖止?fàn)顟B(tài)；變速器油溫控制在(80±5)℃；速比、輸入轉(zhuǎn)速、輸入扭矩設(shè)定如表4所示。

兩次對(duì)比試驗(yàn)中，所用CVT油品都為原QR019型CVT指定專用油，變速器在試驗(yàn)臺(tái)上的安裝位置及加油量均相同。

表4　效率試驗(yàn)工況

2.5試驗(yàn)結(jié)果

推力鋼帶式CVT和鏈?zhǔn)紺VT在各工況下的效率測(cè)試結(jié)果如下：

1) 在LOW速比下的效率試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。從數(shù)據(jù)中可以看出：整體效率表現(xiàn)鏈?zhǔn)紺VT優(yōu)于帶式CVT，在所測(cè)的各工況下鏈?zhǔn)紺VT效率比帶式CVT高出1%～2%。

2) 在MID速比下的效率試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。從數(shù)據(jù)中可以看出：整體效率表現(xiàn)鏈?zhǔn)紺VT和帶式CVT基本相當(dāng)，鏈?zhǔn)紺VT效率表現(xiàn)并未明顯優(yōu)于帶式CVT。

圖12　LOW速比鋼帶式和鏈?zhǔn)紺VT效率對(duì)比結(jié)果

圖13　MID速比鋼帶式和鏈?zhǔn)紺VT 效率對(duì)比結(jié)果

3) 在OD速比下的效率試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。從數(shù)據(jù)中可以看出：整體效率表現(xiàn)鏈?zhǔn)紺VT明顯優(yōu)于帶式CVT，和LOW速比工況類似，在所測(cè)的各工況下鏈?zhǔn)紺VT效率比帶式CVT高1%～2%。

圖14　OD速比鋼帶式和鏈?zhǔn)紺VT 效率對(duì)比結(jié)果

3　結(jié)束語(yǔ)

本文研究表明：目前市場(chǎng)上的CVT所使用的推力鋼帶和鏈條在傳動(dòng)效率表現(xiàn)上存在一定差異，整體上鏈?zhǔn)紺VT效率表現(xiàn)比帶式CVT優(yōu)秀，尤其是在LOW和OD速比條件下。

在LOW速比和OD速比下鏈?zhǔn)紺VT比帶式CVT效率高1%～2%，隨著速比往MID速比靠近，效率優(yōu)勢(shì)逐漸下降，在MID速比下兩者效率表現(xiàn)基本相當(dāng)。

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(責(zé)任編輯劉舸)

收稿日期：2016-01-18

作者簡(jiǎn)介：林健(1976—)，男，安徽六安人，工程師，奇瑞汽車工程研究總院總監(jiān)、兼蕪湖奇瑞變速器有限公司副總經(jīng)理，主要從事汽車變速器研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.07.002

中圖分類號(hào)：U467.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8425(2016)07-0010-06

InvestigationintotheEfficiencyofPushBeltCVTandChainCVT

LINJian,PANGuo-yang,ZHANGYan-feng

(CheryAutomobileCo.,Ltd.,Wuhu241009,China)

Abstract:This thesis investigated the mechanical efficiency of the push belt CVT and chain CVT, especially in transmission chain and thrust steel belt; Firstly, the power loss of the two types’ CVT belt was analyzed according to the theoretical working principle, and then the efficiency on the test bench was tested. As a result: the chain CVT’s mechanical efficiency is better than the push belt CVT’s, especially at the condition of Low and OD ratio.

Key words:continuously variable transmission; efficiency; push belt; chain

引用格式：林健，潘國(guó)揚(yáng)，張燕鳳.推力鋼帶式和鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器(CVT)效率研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(7):10-15.

Citationformat：LINJian,PANGuo-yang,ZHANGYan-feng.InvestigationintotheEfficiencyofPushBeltCVTandChainCVT[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(7):10-15.