基于實車路況的膠帶式無級變速器調速特性仿真

廖林清，胡 飛，謝 明，藺朝莉

(1.重慶理工大學 a.汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室;b.重慶汽車學院，重慶 400054;2.重慶電子工程職業學院，重慶 401331)

膠帶式無級變速器由于具有結構簡單、質量小、可以實現傳動比的連續改變等優點被廣泛地應用于踏板摩托車、雪橇摩托車中。目前，國內對無級變速傳動進行了大量研究［1-8］，但是對膠帶式無級變速器的研究相對較少，尤其對在整車實際行駛路況、油門開度變化時，膠帶式無級變速器如何調整速比等問題在理論上的研究比較缺乏。

本文在前人建立的膠帶式無級變速器雙輪加壓模型［9］的基礎上，研究某型號雪橇摩托車在冰面行駛路況下膠帶式無級變速器在整車上的調速特性，得到了膠帶式無級變速器的傳動比與雪橇摩托車的油門開度、路面坡度的變化關系。本文固定一系列膠帶式無級變速器的傳動比和負載扭矩的值，通過理論計算得到對應的油門開度和道路坡度值。

1 油門開度的計算

在雪橇摩托車上，膠帶式無級變速器前端與發動機輸出軸相連，后端與減速器相連。通過膠帶式無級變速器的傳動比、傳動效率可換算得到雪橇摩托車發動機的輸出扭矩

其中:Te為發動機輸出扭矩;T為膠帶式無級變速器的負載扭矩;i為膠帶式無級變速器的傳動比;ηcvt為膠帶式無級變速器的傳動效率，一般取值0.8。

前人已繪制出膠帶式無級變速器的傳動比、負載扭矩、發動機轉速三者的關系曲面［9］，結合式(1)，可得膠帶式無級變速器的傳動比、發動機輸出扭矩、發動機轉速三者的關系。在已知某一雪橇摩托車發動機的發動機轉速-輸出扭矩-油門開度圖時，對于任何發動機轉速、輸出扭矩，運用數學中的插值法可找到對應的油門開度值，由此計算出與膠帶式無級變速器的傳動比和負載扭矩相對應的雪橇摩托車發動機的油門開度值。

1.1 繪制發動機轉速-輸出扭矩-油門開度圖

繪制發動機轉速-輸出扭矩-油門開度圖，即繪制發動機在不同油門開度下的速度特性曲線。本文研究的雪橇摩托車的發動機為某大排量汽油發動機，其主要參數如表1所示。

表1 某發動機主要參數

通過參考有關發動機速度特性曲線的資料［10-11］，用Matlab繪制發動機的油門開度-發動機轉速-輸出扭矩圖，如圖1所示。

圖1 油門開度-發動機轉速-輸出扭矩圖

1.2 油門開度的確定

通過Matlab編程交換油門開度-發動機轉速-輸出扭矩圖的坐標順序，把Z坐標換為油門開度的值，X、Y坐標分別換為發動機轉速、發動機輸出扭矩的值，結果如圖2所示。

圖2 發動機轉速-輸出扭矩-油門開度圖

利用膠帶式無級變速器的傳動比、膠帶式無級變速器的負載扭矩，通過式(1)得到發動機輸出扭矩的值，如表2所示。已知膠帶式無級變速器的傳動比、負載扭矩、發動機轉速三者的關系曲面［9］，結合表2得到膠帶式無級變速器的傳動比、發動機輸出扭矩、發動機轉速三者的關系，在已知發動機轉速和輸出扭矩時，用插值法ZI=griddata(x，y，z，XI，YI)進行插值，求得對應的油門開度值。計算結果如表3所示。

表2 發動機輸出扭矩的值 N·m

表3 雪橇摩托車的油門開度值 %

2 坡度的計算

坡度可通過雪橇摩托車在冰面上的行駛方程式來計算。汽車的行駛方程式為［12］

其中:Ft為雪橇摩托車的驅動力;Fice為雪橇摩托車在冰面上行駛的總阻力。

雪橇摩托車作為在冰雪地區特殊路況下的專用車輛，極少在其他路面行駛，本文僅考慮雪橇摩托車在冰面上行駛的情況。雪橇摩托車的支撐方式、驅動方式及行駛路況均不同于普通的摩托車、汽車，因可忽略壓實及推土等效應，將雪橇摩托車在冰面上的行駛阻力Fice簡化為車輛與冰面接觸間的摩擦阻力［13-14］Ffice、空氣阻力 Fw、坡度阻力Fi和加速阻力Fj。

本文研究的雪橇摩托車處于穩態行駛狀態，加速阻力Fj=0，多余的驅動力全部用來爬坡，則行駛的總阻力為［11］

其中:μice為冰面與車輛摩擦因數;W為雪橇摩托車車重(kN);α為道路的坡度(°);CD為空氣阻力系數;ua為車速(km/h);A為迎風面積(m2)。

對于雪橇摩托車，車速與發動機轉速的關系為［12］

式中:n為發動機轉速(r/min);z為履帶驅動輪齒數;p為履帶節距(m);icvt為無級變速器傳動比;ig為齒輪箱傳動比。

雪橇摩托車的驅動力表示為［11］

式中:Re為驅動輪半徑(m)，Re=p/(2×π/z);T為發動機輸出轉矩(N·m);icvt為無級變速器傳動比;ig為減速箱傳動比;η為傳動效率。

根據膠帶式無級變速器的傳動比、負載扭矩、發動機轉速三者的關系曲面［9］，以及式(2)～(5)和表4，計算出不同膠帶式無級變速器傳動比和負載扭矩所對應的雪橇摩托車的坡度，采用度數法表示，如表5所示。

表4 雪橇摩托車主要參數

表5 雪橇摩托車爬的坡度 (°)

3 基于整車的膠帶式無級變速器的調速特性研究

通過計算出的表3和表5的值，建立由油門開度、坡度、傳動比三者構成的調速曲面，如圖3所示。

圖3反映了在冰面上行駛的雪橇摩托車，其膠帶式無級變速器的傳動比隨油門開度、路面坡度變化的調速特性。

圖3 膠帶式無級變速器調速曲面

3.1 油門開度對傳動比的影響

坡度不變時，傳動比與油門開度的關系相當于平行于y-z平面的鉛垂面與調速曲面的交線在y-z平面的投影線，分別取坡度 a=0，a=0.2，a=0.4，a=0.6，a=0.8，a=1，此時傳動比與油門開度的關系如圖4所示。

圖4 油門開度與傳動比的關系

由圖4可知:

1)在坡度不變時，傳動比隨油門開度的增大而變小，且開始減小得快，后來減小得平緩。

2)傳動比與油門開度的關系為非線性。

3)坡度越大，傳動比隨油門開度的變化越早，圖像變得平緩。

4)坡度不同，傳動比為1時對應的油門開度也不同。

5)當坡度為0時，處于勻速行駛狀態的雪橇摩托車其傳動比隨油門開度的增大而減小，剛好滿足油門增大，車輛需高速行駛的要求。

由圖4可以得出:對于搭載膠帶式無級變速器的雪橇摩托車，其爬坡時的每個坡度都對應一個最小的油門開度，用最小的油門開度爬坡，可以達到降低油耗的目的，此時膠帶式無級變速器自動調整傳動比到最大值3。

3.2 坡度對傳動比的影響

油門開度不變時，傳動比與坡度的關系，相當于平行于x-z平面的鉛垂面與調速曲面的交線在x-z平面的投影線，分別取油門開度e=0.2，e=0.4，e=0.6，e=0.8，e=1，傳動比與坡度的關系如圖5所示。

圖5 坡度與傳動比的關系

由圖5可知:

1)當油門開度不變時，傳動比隨著坡度的增大而增大。

2010年5月中旬，徐河的公司在挖電纜溝時塌方，兩名工人被埋身亡，徐河拿出四十萬元與死者家屬私了。6月7日，徐河假意對妻子廉小花說：“死者家屬漫天要價，咱倆只有假離婚，我凈身出戶，咱家才不至于傾家蕩產。”廉小花也替丈夫著急，便同意了，兩人悄悄辦了離婚手續。徐河將兩套房產歸廉小花名下，并把幾十萬元錢的存折交給廉小花，說是全部積蓄。

2)傳動比與坡度的關系為非線性。

3)隨著油門開度的增大，傳動比隨坡度的變化趨于平緩。

4)在滿足動力性的前提下，每一個油門開度對應車輛能爬坡的最小和最大坡度。油門開度越大，能爬的最小坡度和最大坡度越大。

5)在任一油門開度下爬坡時，爬其對應的最小坡度時的傳動比為1，爬其對應的最大坡度時的傳動比為3。

3.3 油門開度與坡度的變化關系

目標速比不變時，油門開度與坡度的關系，相當于用平行于x-y平面的水平面去截取調速曲面后，所得的交線在x-y平面的投影。分別取i=1，i=1.25，i=1.5，i=2，i=2.5，i=3 時，油門開度與坡度的關系如圖6所示。

圖6 坡度與油門開度的關系

由圖6可得:

1)若要維持傳動比不變，隨著坡度增大，油門開度要隨之增大。

2)維持傳動比不變，油門開度與所爬坡度的變化呈非線性關系。低傳動比時的油門開度隨坡度的變化速率快于高傳動比時。

坡度增大，雪橇摩托車的行駛阻力增大，膠帶式無級變速器的從動輪負載增加。若要保持無級變速器的傳動比不變，則應增加膠帶式無級變速器的主動輪的轉速，通過增大油門開度提升轉速。

4 結束語

本文在前人建立的膠帶式無級變速器的雙輪加壓模型基礎上，引入了在冰面行駛的某一型號雪橇摩托車，研究了膠帶式無級變速器的調速特性，得到了膠帶式無級變速器的傳動比隨油門開度和坡度的變化情況，為膠帶式無級變速器在車輛上的應用研究提供了參考。在雪面上行駛的雪橇摩托車其膠帶式無級變速器的調速特性將是下一步的研究方向。

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