金屬帶式CVT速比變化遲滯特性試驗研究

郝建軍，梁曉龍，程 昶，張志剛

（1. 重慶理工大學 汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，巴南 400054；2. 重慶科學技術研究院，渝北 401123）

0 引言

金屬帶式CVT不僅能實現較好驅動的性能，同時又能降低油耗, 被認為是理想的傳動裝置[1]。裝有這種裝置的汽車已逐步占領市場。CVT的控制是通過金屬帶在帶輪上可移動性來改變工作半徑，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失效, 還加快了金屬帶傳動副的磨損,縮短帶與帶輪的使用壽命;而推力過大, 也將增加不必要的摩擦損失,同樣也會降低傳動系的效率,還會導致金屬帶的張力過大,縮短帶的使用壽命[3]。因此，控制主從動帶輪上的軸向推力是金屬帶式CVT發揮優良性能的關鍵。近年來，國內外學者對CVT的變速機理及特性的研究主要圍繞穩態推力比與速比關系方面進行，如To ru Fu jii等人，而對CVT速比變化遲滯特性研究相對比較少。遲滯特性對于CVT的精確控制和動態響應都具有重要影響，因此，有必要展開對CVT速比變化遲滯特性相關試驗研究。

1 CVT速比變化遲滯特性

1.1 CVT速比變化遲滯

在CVT 傳動過程中，由于金屬帶長度不變,主動缸推力增大（減?。? 金屬帶徑向有向外（內）移動的趨勢,而從動部分金屬帶徑向有向內（外）移動的趨勢[4], 這就是改變推力導致速比變化的過程。

然而在上述速比變化過程中速比變化滯后于推力比變化。并且在速比連續變大和連續變小過程中推力比變化規律存在差異。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程中主從動帶輪推力比曲線存在遲滯環。

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 變速時金屬帶在輪槽內徑向運動，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為金屬帶環對金屬片壓力；F為金屬片所受軸向推力；N為錐盤面對金屬片推力；FT為為切向摩擦力；FR為徑向摩擦力；正負表示方向。在CVT速比從穩態到變速的過程，實際上是徑向摩擦力FR從靜摩擦力變化到滑動摩擦力的過程。

以負載下CVT速比從大變小過程中主從動金屬片作具體受力分析，主動輪上金屬片的側面受力如圖3所示。FDR1為前后金屬片推擠作用合力；PDRT為主動帶輪和金屬帶環對金屬片的合力；FDRR、FDRT分別為主動輪金屬片受到的徑向摩擦力和切向摩擦力。開始變速時，主動輪推力增大，此時徑向摩擦力FDRR隨之增大但為靜摩擦力，金屬帶并未徑向移動。當FDRR增大到滑動摩擦時，金屬帶發生徑向移動，開始變速，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。金屬片實際運動方向為FDR總的方向，與FDRT夾角為β，徑向滑動摩擦力FDRRmax=μ· NDR·sinβ，NDR為主動錐盤對金屬片壓力，μ為帶輪錐盤的滑動摩擦系數。

圖3 速比從大變小主動帶輪金屬片側面受力

圖4 速比從大變小時從動帶輪金屬片側面受力

如圖4為速比從大變小從動輪金屬片上側面受力，徑向摩擦力FDNR主動帶輪方向相反。上述過程徑向摩擦力FDNR也是從靜摩擦力逐漸增大到滑動摩擦FDNRmax。金屬片實際運動方向為FDN1的方向，與FDRT夾角為β’，徑向滑動摩擦力FDNRmax=μ·NDN·sinβ’。

圖5 不同變速過程主從動帶輪受力

如圖5為速比從大變小和從小變大過程主從動帶輪受力；FDR、FDN分別為主動輪金屬片受到推力；NDR、NDN分別為主動輪金屬片受到錐盤支持力；PDR、PDN分別為主動輪金屬片受到金屬環壓力；FDRRmax、FDNRmax分別為主動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過程，變速原理相同，主從動帶輪徑向摩擦力方向相反，變速過程都是從不受徑向摩擦力FR到變為滑動摩擦力FRmax，都存在遲滯且為兩個反向。

綜上所述，速比從大到小和從小到大的兩個過程中，速比變化對應推力比變化存在遲滯，且推力比變化兩過程呈現為不一致。

2 試驗

為了研究金屬帶無級變速傳動中速比變化遲滯特性。本文以試驗研究為手段，對金屬帶CVT遲滯特性及其影響因素進行了試驗研究。

2.1 試驗裝置

試驗以鋼帶及帶輪組為核心傳動組件，設計制造了CVT傳動試驗裝置、計算機控制系統。該裝置與系統一起構成了如圖5所示的試驗系統。

試驗中為了消除主、從動液壓缸壓力耦合的影響[5]，液壓系統采用了雙聯齒輪泵，分別提供了兩個獨立的油壓源。本試驗還將CVT試驗箱中的主、從動帶輪設計成相同，目的在于減小主從動錐盤液壓缸面積不同而帶來的慣性影響，試驗用主從動錐盤中心間距169mm，金屬帶由 329塊摩擦片和 2組金屬帶環組成。每個帶環組疊合 12條鋼環, 單層帶環厚度約為 0.18mm，寬度為8.75mm，12條金屬帶帶環的總厚度約為2mm。摩擦片的寬為 24.7mm，高為15mm，厚為2.2mm，CVT試驗箱如圖6所示。

試驗時,通過壓力傳感器測量主動帶輪的液壓缸壓力和從動帶輪上液壓缸壓力, 推力比是由主動輪壓力與液壓缸面積乘積除以從動輪得到。主從動帶輪的轉速和傳遞轉矩由轉速轉矩傳感器測得。速比是由主動帶輪的轉速除以從動帶輪的轉速求出。

圖6 CVT試驗系統示意圖

圖7 CVT試驗箱

800rpm-40N·m遲滯曲線

2.2 試驗過程：

1）在轉速n1、轉矩為M 1下依照最大可傳遞轉矩設定一個從動推力。

2）在設定n1，M 1下，調整主動輪推力改變速比，完成速比由小到大和由大到小的循環。

3）依據上述過程，完成不同轉速n、轉矩M下的試驗。

表1 實驗工況

2.3 試驗結果分析

通過對試驗數據整理，如圖8所示，800rpm-40N·m過程中速比從大到小和從小到大過程中推力比呈現不一致，符合定性理論分析，速比從大變小時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 不同轉速下的Δh 平均值

圖11 800rpm下各轉矩遲滯曲線

圖12 不同轉矩比的Δh平均值

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

如圖11為轉速為800rpm-40N·m、80 N·m、120 N·m。從圖中可以看出三種轉矩下的遲滯曲線比較接近，40 N·m、80 N·m、120 N·m對應轉矩比0.29,0.58,0.89。結合文獻[2]可知轉矩比對推力比的影響不大，特別在轉矩比大于0.5之后幾乎沒影響。圖12為不同轉矩比下Δh平均值，從圖可知Δh平均值在一小范圍波動，綜上可認為轉矩比對遲滯特性曲線影響不大。

3 結論

1）試驗得出了金屬帶式CVT速比在0.5—2.2內連續變化過程中變化的遲滯曲線，結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）在一定轉速，轉矩范圍內，隨轉速升高遲滯特性寬度有減小趨勢 。轉矩比對遲滯特性影響不大。

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