單電機(jī)調(diào)節(jié)無級變速器試驗(yàn)研究

劉森+張?zhí)m春+王程+沈宏生+王杉峰+張碩

摘 要：為了降低無級變速器的能量損耗，在對電液式無級變速器分析的基礎(chǔ)上，提出一種單電機(jī)調(diào)節(jié)速比的無級變速器。介紹了單電機(jī)調(diào)節(jié)無級變速器（Single Motor Continuously Variable Transmission，SM-CVT）的結(jié)構(gòu)原理并分析了其速比變化和傳動效率的影響因素。搭建單電機(jī)調(diào)節(jié)無級變速器試驗(yàn)平臺，在不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)得到SM-CVT速比的變化特性，及其傳動效率隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律，為該型無級變速器的速比控制及傳動效率提高提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無級變速器；速比；速比變化率；傳動效率；試驗(yàn)研究

中圖分類號：U463.212 文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.06

Abstract：A kind of SM-CVT （Single Motor Continuously Variable Transmission） was put forward which regulated the speed ratio by a single motor considering the characteristics of electro-hydraulic CVT and energy loss. The structure principles of SM-CVT were introduced and the influencing factors of speed ratio change and of transmission efficiency were analyzed. A test bench for the SM-CVT was assembled which can provide the tests with different speeds and torques. The changing characteristics of speed ratio and transmission efficiency varying with the load torque are obtained by experiments which forms the basis for the speed ratio control and for improving the transmission efficiency of SM-CVT.

Keywords：continuously variable transmission； speed ratio； speed ratio change rate； transmission efficiency； experimental study

近幾年，隨著環(huán)境和能源問題越來越突出，社會大眾對汽車節(jié)能環(huán)保的要求越來越高，對采用燃油發(fā)動機(jī)的汽車來說，提高其運(yùn)行效率也越來越重要。變速器作為發(fā)動機(jī)動力輸出的關(guān)鍵樞紐，顯得極其重要，如何提高變速器與發(fā)動機(jī)的匹配是值得思考的問題[1]。相比于手動變速器及自動變速器，裝有金屬帶式無級變速器（VDT-CVT）的發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放等都有明顯改善。VDT-CVT采用的調(diào)節(jié)方式有機(jī)械機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)和電控液壓調(diào)節(jié)，目前的VDT-CVT普遍采用電控液壓調(diào)節(jié)方式，而不同的調(diào)節(jié)方式對變速器的性能會產(chǎn)生不同的影響[2-3]。

針對VDT-CVT電控液壓調(diào)節(jié)方式存在的不足，本文提出采用SM-CVT的調(diào)節(jié)方案，介紹了該方案的調(diào)速原理和控制方式，進(jìn)行試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)和研制，并在該試驗(yàn)臺架上進(jìn)行了試驗(yàn)測試。

1 SM-CVT組成及工作原理

SM-CVT主要包括輸入、輸出軸，主、從動帶輪定盤和動盤，傳動帶，齒輪傳動機(jī)構(gòu)，速比調(diào)節(jié)電機(jī)等[4]，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

VDT-CVT動力傳輸通過傳動V帶傳輸，由于傳動V帶的長度是一定的，主、從動帶輪動盤和定盤的距離變化迫使傳動V帶在主、從動帶輪上的工作直徑發(fā)生變化，傳動速比發(fā)生改變。當(dāng)主動帶輪上的工作直徑處于最大值，從動帶輪上的工作直徑處于最小值時(shí)，傳動速比為最小值。當(dāng)主動帶輪上的工作直徑處于最小值，從動帶輪上的工作直徑處于最大值時(shí)，傳動速比為最大值。VDT-CVT主、從動帶輪動盤和定盤間的距離是通過改變主、從動帶輪動盤的軸向位置來確定的。SM-CVT通過速比調(diào)節(jié)電機(jī)帶動第二、三速比齒輪，再由第二、三速比齒輪帶動第一、四速比齒輪，使得與主、從動帶輪動盤相連的螺旋螺母在螺旋絲杠上旋轉(zhuǎn)，從而左右移動來改變主、從動帶輪動盤和定盤間之間的距離，進(jìn)而改變傳動速比[5-7]?；赟M-CVT工作原理設(shè)計(jì)了樣機(jī)，樣機(jī)傳動V帶采用橡膠帶，并研制了試驗(yàn)臺架，對其傳動速比控制和傳動效率等進(jìn)行了試驗(yàn)。SM-CVT試驗(yàn)臺架框架圖及實(shí)物圖如圖2和圖3所示。

2 SM-CVT試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)臺架組成

試驗(yàn)中的主要裝置有：

（1）渦流制動器。型號為WZ-20；功率為3 kW；額定電流為3 A；輸入轉(zhuǎn)速為300～3 000 r/min。

（2）調(diào)頻電機(jī)。型號為Y2VP-132S1-2；功率為55 kW；額定電壓為380 V；額定電流為100 A；基準(zhǔn)頻率為50 Hz。

（3）轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器。型號為CGQY-2；額定轉(zhuǎn)矩為20 Nm；靈敏度為0.2%FS。共兩臺。

（4）試驗(yàn)用SM-CVT為非標(biāo)，傳動比范圍為0.6～1.8。

（5）速比調(diào)節(jié)電機(jī)。永磁無刷電機(jī)；額定電壓為24 V；額定電流為3 A；傳遞比為1∶20。

（6）無級變速器控制器TCU一臺。

2.2 試驗(yàn)測試原理

SM-CVT傳動速比是由速比調(diào)節(jié)電機(jī)來控制，通過TCU控制速比調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，改變SM-CVT傳動速比。SM-CVT采用調(diào)頻電機(jī)作為其動力源，TCU根據(jù)試驗(yàn)操作的指令，調(diào)節(jié)調(diào)頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小作為CVT的輸入轉(zhuǎn)速，再調(diào)節(jié)渦流制動器的工作電流確定渦流制動器的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，作為CVT的輸出負(fù)載。TCU通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，采集輸入、輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，控制速比調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)CVT速比的控制。

試驗(yàn)臺架的數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)輸入等采用監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（Monitor and Control Generated System，MCGS）控制面板，如圖4

所示。

2.3 SM-CVT試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容主要包括SM-CVT的傳動速比控制和傳動效率測試。其中，傳動速比控制考慮了負(fù)載轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)速等影響因素；傳動效率測試主要測定在一定的傳動速比下，對應(yīng)不同負(fù)載和不同轉(zhuǎn)速下的傳動效率[8-9]，并據(jù)此得到SM-CVT傳動效率的變化規(guī)律。

2.4 試驗(yàn)步驟

2.4.1 SM-CVT速比控制試驗(yàn)

（1）負(fù)載轉(zhuǎn)矩為空載、輕載、重載時(shí)的傳動速比變化。

（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，改變速比調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。

2.4.2 SM-CVT傳動效率測試

（1）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min 、1 700r/min時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為4 Nm、6 Nm、8 Nm、10 Nm、12 Nm、14 Nm、16 Nm、18 Nm的工況傳動效率。

（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩為6 Nm、12 Nm、18 Nm時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min 、1 000 r/min、1 500 r/min、1 700 r/min 的工況傳動效率。

（3）輸入轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 500 r/min 時(shí)，傳動速比從大到小變化過程中的傳動效率[10-11]。

試驗(yàn)過程包括：速比調(diào)節(jié)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的速比變化，輸入轉(zhuǎn)速相同情況下不同的速比調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的速比變化；輸入轉(zhuǎn)速相同情況下不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的傳動效率變化，相同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下不同的輸入轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的效率變化，效率隨傳動速比的變化等[12]。

2.5 速比變化分析

2.5.1 不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩對速比的影響

在負(fù)載轉(zhuǎn)矩為空載、輕載和重載時(shí)，傳動速比從大到小變化。由圖5可知，隨著負(fù)載的越來越大，傳動速比變化過程中的波動性越大。

2.5.2 速比調(diào)節(jié)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速對速比的影響

速比調(diào)節(jié)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的速比變化如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知，速比變化存在一定的波動性，當(dāng)速比變化較快時(shí)，對應(yīng)的SM-CVT速比波動較大。速比調(diào)節(jié)電機(jī)在同一轉(zhuǎn)速下，輸入轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)比1 700 r/min時(shí)速比變化率的波動小。

在速比電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為80 r/min和120 r/min時(shí)，對應(yīng)輸入轉(zhuǎn)速1 000 r/min和1 700 r/min，傳動速比從小到大變化時(shí)的速比變化率如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)速比電機(jī)轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)，對應(yīng)的速比變化率大于速比電機(jī)轉(zhuǎn)速80 r/min時(shí)的速比變化率，相對應(yīng)的速比變化大。

2.6 傳動效率分析

2.6.1 負(fù)載轉(zhuǎn)矩對傳動效率的影響

當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速保持在600 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min、1 700 r/min時(shí)，設(shè)定CVT的速比為1，負(fù)載轉(zhuǎn)矩從4 Nm逐漸增大到18 Nm，變速器傳動效率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系如圖9所示。

在保持輸入轉(zhuǎn)速不變，負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，傳動效率逐漸增大，當(dāng)達(dá)到某兩個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)時(shí)，傳動效率保持在一個(gè)相對平穩(wěn)的狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于這個(gè)范圍，傳動效率呈下降趨勢。在輸入轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，將負(fù)載從4 Nm提升到 6 Nm，傳動效率從81.9%增加到87.2%，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加了4 Nm，傳動效率增加了5.3%。負(fù)載轉(zhuǎn)矩在6～15 Nm之間時(shí)，傳動效率變化值在2%左右。負(fù)載轉(zhuǎn)矩在15～18 Nm時(shí)，傳動效率從86.8%下降到82.6%，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加了3 Nm，傳動效率減少了4.2%。由圖9可知，低負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載逐漸增加，傳動效率快速提升；高負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載逐漸升高，傳動效率提升緩慢，并穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)；當(dāng)負(fù)載高于一定值時(shí)，傳動效率呈明顯下降的趨勢。

2.6.2 輸入轉(zhuǎn)速對傳動效率的影響

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持在6 Nm、12 Nm、18 Nm時(shí)，輸入轉(zhuǎn)速逐漸增大，變速器傳動效率與輸入轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如圖10所示。

當(dāng)負(fù)載為6 Nm，輸入轉(zhuǎn)速從600 r/min升至1 700 r/min時(shí)，傳動效率從83.6%降至80.9%，下降了2.7%。當(dāng)負(fù)載為12 Nm，輸入轉(zhuǎn)速從600 r/min

升至1 700 r/min時(shí)，傳動效率從83.9%降至80.5%，下降了3.4%。當(dāng)負(fù)載為18 Nm，輸入轉(zhuǎn)速從600 r/min升至1 700 r/min時(shí)，傳動效率從78.9%降至73%，下降了5.9%，降幅較大。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，隨著輸入轉(zhuǎn)速增加，傳遞的功率超過所對應(yīng)的最大傳動功率，從而導(dǎo)致傳動效率下降。

2.6.3 傳動速比對傳動效率的影響

傳動速比與傳動效率的變化關(guān)系如圖11所示。輸入轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 500 r/min時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為定值，連續(xù)調(diào)節(jié)速比，使傳動速比從0.6升至1.8，得到傳動效率與傳動速比的關(guān)系：傳動速比從0.6升至0.8時(shí)，CVT的傳動轉(zhuǎn)矩開始上升，傳動效率波動大，整體呈上升趨勢；當(dāng)傳動速比從0.8升至1時(shí)，傳動轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定上升且沒有超過最大傳動轉(zhuǎn)矩，傳動效率穩(wěn)定在一定范圍；當(dāng)傳動速比從1升至1.8時(shí)，CVT傳動轉(zhuǎn)矩超過最大傳動轉(zhuǎn)矩，傳動效率持續(xù)下降。

3 結(jié)論

（1）提出的SM-CVT控制性能良好，當(dāng)速比調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速較快時(shí)，其速比波動幅度較大。速比調(diào)節(jié)電機(jī)在同一轉(zhuǎn)速下，輸入轉(zhuǎn)速越高，變速器速比變化率波動越大。

（2）SM-CVT在低負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載的增加，變速器傳動效率升高明顯。在高負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載的增大，變速器傳動效率升高緩慢。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩高于一定值時(shí)，變速器傳動效率呈下降趨勢。

試驗(yàn)表明，通過調(diào)節(jié)速比執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)角，可以實(shí)現(xiàn)SM-CVT速比的控制，具有控制方便、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，對新型CVT的設(shè)計(jì)研究具有借鑒作用。

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