金屬帶式無級變速器夾緊力試驗研究

摘 要:建立了汽車金屬帶式無級變速器(CVT)夾緊力試驗裝置系統，在其試驗裝置上標定了穩態下的主從缸夾緊力關系，定義了臨界夾緊力，進行了CVT傳動效率試驗驗證，對參數進行修正。為驗證夾緊力的合理性，試驗車裝備了RDC15 CVT國產自動變速器，進行夾緊力試驗驗證.試驗結果表明，標定后的夾緊力滿足CVT傳動要求，為國產CVT的量產提供了技術支持。

關鍵詞:汽車金屬帶式無級變速器;夾緊力;夾緊力試驗

中圖分類號:U463.212文獻標識碼:A

A Study on Clamping Force Test of Metal V-belt Type CVT

CAO Cheng-long1 ，ZHOU Yun-shan1 ，GAO Shuai2 ，AN Ying2

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body， Hunan Univ， Changsha， Hunan410082， China;

2. College of Automobile Engineering， Jilin Univ，Changchun， Jilin130025， China)

Abstract: Clamping force control of metal V-belt type CVT is one of key technologies， because of the complexity of the metal V-belt transmission， it is hard to use mathematic model accurately describing the clamping force fomula， large numbers of tests should to do， then modify parameters base on empirical model. A clamping force test device is built， on which clamping force relationship between primary cylinder pressure and slave cylinder pressure is calibrated under steady state， critical clamping force is defined ， CVT efficiency is also tested. In order to judge the reasonableness of the clamping force ， A test vehicle equipped with RDC15 CVT made in China ， clamping force test is done， the results show that CVT Transmission meet the requirements after the clamping force calibration ， technologies is supported for the mass production of CVT interiorly.

Keywords: metal V-belt type CVT; clamping force; clamping force test

汽車金屬帶式無級變速器(CVT)越來越受市場青睞，其關鍵技術包括夾緊力控制和速比控制，夾緊力控制任務是保證將發動機動力安全可靠地傳遞到驅動輪上，過大的夾緊力加劇關鍵零部件的磨損，增加液壓系統能耗，降低CVT傳動效率，過小的夾緊力增加了金屬帶打滑的可能性，如何合理地控制夾緊力成為關鍵技術之一;速比控制任務主要是根據駕駛員意圖，連續變動速比使車輛運行在較好的動力性、經濟性和舒適性等狀態下工作。

由于V型鋼帶傳動機理比較復雜，很難用精確解析數學模型表達，目標夾緊力控制需通過大量試驗基礎上建立數學模型，然后進行參數修正。本文通過搭建CVT變速器試驗臺，進行夾緊力標定試驗，并在樣車上進行夾緊力控制試驗驗證。

1穩態下的主從夾緊力平衡

CVT傳動過程中，由于金屬帶長度不變，在從動缸夾緊力下，金屬帶徑向有向外移動的趨勢，而主動部分金屬帶徑向有向內移動的趨勢，為在某一穩定速比下工作，必需有足夠主動夾緊力 與從動夾緊力 相平衡，因此夾緊力控制和速比控制具有耦合效應，如圖1，

由受力分析可得主動輪的夾緊力為:

(1)

從動輪的夾緊力為:

(2)

式中: ——金屬帶張力;

——錐輪錐角;

——金屬帶在主、從動輪上的包角;

—— 主、從動輪徑向摩擦系數。

圖1 主、被動夾緊力平衡關系

Fig .1 Balance relation of clamping force between primay cylinder and slave cylinder

主、從動輪的符號相反。因為金屬帶長度一定。如金屬帶在主動輪上向外滑動，則它在從動輪上必向里滑動。由上面兩式得金屬帶無負載時，主、被動輪推力之比為:

(3)

確定實用目標夾緊力公式:

(4)

其中， 為最大傳遞轉矩， 為帶輪的半錐角， 為金屬帶與帶輪的摩擦系數， 為金屬帶在主動帶輪上的工作半徑， 為傳動儲備系數，系數 是一個重要參數，反映動力傳遞的可靠程度， 取值主要考慮以下幾方面:①防止金屬帶與帶輪的滑磨過大;②夾緊力控制精度;③傳遞轉矩的大小;④工作油溫的影響。

在某一速比，金屬帶所傳遞的轉矩下，目標從動缸夾緊力如圖2所示，速比越大，傳遞轉矩越大，目標從動夾緊力越大，使夾緊力控制在合理的范圍之內。

圖2目標夾緊力

Fig .2 The target clamping force

2 夾緊力控制試驗及驗證

2.1夾緊力試驗裝置系統

圖3 夾緊力試驗裝置

Fig .3 Test rig for clamping force

夾緊力試驗裝置如圖3，驅動由電機代替發動機進行驅動，對負載電機加載進行道路負載模擬，道路負載模擬首先利用車輛路面試驗數據建立道路負載模型，通過復合控制算法，抑制多余轉矩的產生，合理控制負載轉矩輸出，可滿足多種工況的道路負載模擬。扭矩轉速傳感器實時測量驅動和負載的轉矩及轉速，則CVT傳動效率 定義: =(負載電機轉矩×負載電機轉速)/(驅動電機轉矩×驅動電機轉速)。為了實現測試的自動化，采用計算機輔助測試系統，上位機完成各個參數數據的顯示打印功能，下位機采用高性能數字信號處理芯片TMS320F2812，配以相應的信號采集電路、驅動模塊，完成從動壓力控制閥和速比控制閥的驅動，其中夾緊力控制閥使用高速開關閥，采用PWM驅動，主要技術參數如下表1，其特性曲線如圖4，控制量最小時，相當于驅動電磁閥不通電，為了保證電控單元在失效模式下，車輛仍能運行，系統壓力最大，隨著輸入占空比的增加，夾緊力在一定區域成線性關系，低于某一控制量，存在死區，達到最小壓力，不能調壓，這是由液壓系統決定的。

表1 夾緊力控制閥主要參數

Tab.1Parameters of the secondary solenoid

圖4 夾緊力控制閥特性曲線

Fig .4 Curve of the secondary solenoid

試驗裝置夾緊力控制采用工業廣泛應用的PID控制器，根據驅動電機轉矩和速比確定目標夾緊力，實際壓力傳感器采樣夾緊力與目標值差值，通過PID調節，輸出PWM信號驅動夾緊力控制閥，具體實現如圖5。由于夾緊力控制閥在一定控制范圍內存在死區，而PID控制器由于積分作用不斷地累加而加大，從而導致夾緊力控制閥開度達到極限位置Xmax，若PID控制器繼續增加輸出PWM信號U(x)，夾緊力控制閥開度不可能更大，從而進入飽和區，一旦出現反向偏差，U(x)從飽和區退出，進入飽和區越深則退出所需時間越長，為了防止這種積分飽和的情況，PID控制采用抗積分飽和法，先判斷上一時刻的輸出量是否達到極限，是則只增加負偏差，否則增加正偏差，保證夾緊力控制閥不能長時間停留在飽和區。

圖5 夾緊力PID控制

Fig .5 Clamping force control using PID

夾緊力控制的目的是保證轉矩的安全傳遞，防止金屬帶在帶輪上打滑;提高液壓控制系統的效率;減少速比控制對夾緊力控制的影響。試驗過程中，保持驅動電機轉矩不變，CVT速比按0.1的速比間隔從最大速比到最小速比，標定穩態下主從動缸夾緊力關系，改變驅動轉矩，重復上述過程，從而完成整個夾緊力標定。在某一速比和驅動轉矩條件下，不斷降低從動缸夾緊力，在某一位置會出現由于主從動缸夾緊力不平衡導致速比波動明顯(大于4%)，定義此時夾緊力為臨界夾緊力點，如圖6為臨界夾緊力圖，因此，夾緊力必需大于臨界夾緊力，同時夾緊力也不能過大，選取合理的安全系數 ，不斷修正安全系數 ，此外，臨界夾緊力也同時反映了在此夾緊力條件下，金屬帶傳遞最大轉矩容量。

圖6 不同驅動轉矩下的臨界夾緊力

Fig .6 The critical clamping force under different drive torque

夾緊力一定時，將金屬帶能傳遞轉矩極限記為 ，如果實際輸入轉矩為 ，則定義兩者之間的比值為轉矩比 :

(5)

若 ，則不會出現較大滑移率，但是過大的傳動余量會導致金屬帶過度張緊，降低金屬帶使用壽命及傳動效率;若 ，由于夾緊力不足，將導致金屬帶滑移率過大，磨損金屬帶和錐面。為分析夾緊力對傳動效率的影響，測試了不同速比下的CVT傳動效率，如圖7。在大于臨界夾緊力的條件下，夾緊力越小，則CVT傳動效率越高，這不僅歸因于液壓系統損失的降低，同時是CVT傳動能量的損失的減少，另外注意到速比越小，CVT傳動效率越低，這對于CVTF油品測試具有參考意義，不同油品條件下小速比時傳動效率有很大的差異。因此，可根據試驗進一步對目標夾緊力進行修正，提高CVT傳動效率。

圖7 不同速比下的CVT傳動效率

Fig .7 Curves of CVT efficiency under different ratios

2.2夾緊力實車驗證

試驗車力帆520裝備了RDC15 CVT國產自動變速器，其主要技術參數如下:

表2 CVT主要參數

Tab.2Parameters of CVT

通過臺架試驗夾緊力標定及對目標夾緊力公式(4)的修正，實車目標夾緊力更具有合理性，能滿足CVT不同工況下的轉矩傳遞要求，為對其進行驗證，開展了試驗車10萬公里疲勞試驗，試驗后，金屬環端面磨損應在可使用范圍范圍內，錐輪錐盤不得有嚴重的磨損(用手觸摸可感覺凹痕磨損量)，在各極限工況下，金屬帶不能出現打滑現象，圖8為急加速下夾緊力情況，圖9為有制動夾緊力情況，為了保證在制動工況下金屬帶不打滑，需進一步調整夾緊力的控制參數，減少金屬帶的磨損量。

圖8 急加速下的夾緊力

Fig .8 Clamping force control of rapid accelerate

圖9 有制動情況下的夾緊力

Fig .9 Clamping force control of braking

3結論

夾緊力控制是金屬帶式無級變速器的關鍵之一，難以用精確的數學方法實現，本文通過搭建夾緊力控制試驗裝置系統，定義了臨界夾緊力，確定夾緊力在大于臨界夾緊力的安全系數下，夾緊力越小越好;進行了CVT傳動效率試驗，對夾緊力模型參數進步修正，使夾緊力控制在合理范圍之內，同時，為驗證夾緊力的合理性，對CVT進行10萬公里可靠性試驗，金屬帶和錐輪錐面磨損在承受范圍之內，這說明標定后的夾緊力符合CVT傳動要求。

參考文獻

[1] 薛殿倫，張友坤，鄭聯珠，等.金屬帶式無級變速器的速比控制[J].農業機械學報，2003，34(3):8-11.

XUE Dian-lun，ZHANG You-kun，ZHENG Lian-zhu，et al. Speed ratio control of metal V-belt type CVT[J].Transactions of The Chinese Society of Agricultural Machinery， 2003， 34(3):8-11. (In Chinese)

[2]周云山，劉金剛，鄒乃威，等.無級變速傳動裝置夾緊力控制系統建模、辨識及實驗驗證[J].中國機械工程，2007(6):19.

ZHOU Yun-shan，LIU Jin-gang，ZOU Nai-wei，et al.Modeling， Identification and experimental Validation of CVT Clamping Force Control System[J].China Mechanical Engineering，2007(6):19. (In Chinese)

[3]張寶生，付鐵軍，周云山，等.金屬帶式無級變速傳動系統與發動機的匹配及其控制策略[J].吉林大學學報:工學版，2004，34(1).

ZHANG Bao-sheng，FU Tie-jun，ZHOU Yun-shan，et al.Matching of V-belt type continuously variable transmission with engine and its control strategy[J].Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition，2004，34(1). ( In Chinese)

[4]周云山，鐘勇. 汽車電子控制技術[M].機械工業出版社，2004.

[5]程乃士.汽車金屬帶式無級變速器-CVT原理和設計[M].機械工業出版社，2008.

[6]張伯英.金屬帶式無級變速傳動機理與控制的研究[D].長春:吉林大學，2003.

ZHANG Bo-ying.Study on transmission mechanism and control of metal pushing V-belt type CVT [D].Changchun:Jilin University ，2003. (In Chinese)

[7]KOBAYASHI D， et al.A Study on the Torque Capacity of a Metal Pushing V-Belt for CVTs.SAE Paper， 980822 (1998).

[8]Hiroyuki Nishizawa， Hiroyuki Yamaguchi， Hideyuki Suzuki and Masataka Osawa Kunihiro Iwatuki and Yasuhiro Oshiumi Friction Characteristics Analysis for Clamping Force Setup in Metal V-Belt Type CVT SAE Paper， 2005-01-1462 (2005)