推力鋼帶式和鏈式無級變速器(CVT)效率研究

林　健，潘國揚，張燕鳳

(奇瑞汽車股份有限公司,安徽 蕪湖　241009)

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推力鋼帶式和鏈式無級變速器(CVT)效率研究

林健，潘國揚，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，特別針對傳動鏈條和推力鋼帶，從結(jié)構(gòu)及工作原理分析兩者在傳動效率上的差異，并且通過臺架效率試驗對比兩種技術(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，鏈式CVT效率優(yōu)勢更明顯。

關(guān)鍵詞：無級變速器；效率；推力鋼帶；鏈條

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

目前在市場上批量應(yīng)用的CVT技術(shù)包括博世公司的推力鋼帶式CVT和舍弗勒公司的鏈式CVT，其中推力鋼帶式CVT在市場上應(yīng)用最早，且性能出色，特別是由于其帶式嚙合傳動的優(yōu)勢使得其在NVH性能上表現(xiàn)突出。推力鋼帶式CVT是目前市場上應(yīng)用最廣的CVT技術(shù)，不過由于推力鋼帶鋼環(huán)組材料強度的限制，導(dǎo)致其主要是在中小排量車上應(yīng)用[8]；鏈式CVT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就是鏈式CVT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)在傳動效率及NVH性能，而這兩項性能正是目前變速器公司開發(fā)CVT中重點關(guān)注的技術(shù)要點。本文將重點對兩種CVT技術(shù)的效率進行研究，通過理論分析和專項試驗對比，為CVT的開發(fā)提供技術(shù)依據(jù)。

1　理論分析

CVT傳動鋼帶和傳動鏈條雖然都是通過與帶輪錐面的摩擦來傳遞動力，不過兩者在結(jié)構(gòu)上存在較大差異，導(dǎo)致傳動帶內(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金屬推片和2組金屬環(huán)組成，每個金屬片的厚度為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。金屬推力鋼帶動力傳遞分為2個階段：起初扭矩是通過金屬鋼環(huán)內(nèi)側(cè)和鋼帶推片接觸面之間的摩擦力來傳遞的，動力通過一側(cè)鋼帶的拉力來傳遞扭矩；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，增加部分的扭矩開始通過鋼帶推片之間的推力來傳遞，在實際工作中，鋼帶的大部分扭矩傳遞都是通過鋼帶推片之間相互擠壓來傳遞的，所以這種傳動鋼帶也叫推力帶。

CVT傳動鏈條不同于傳統(tǒng)的鏈條，它是靠銷子側(cè)面和帶輪錐面摩擦傳遞動力，通過一側(cè)鏈條的拉力來傳遞扭矩，不過其銷子不同于傳統(tǒng)鏈條的銷子。如圖3所示，由2個圓弧曲面的銷子組成銷子組，這樣傳動鏈的銷子和鏈節(jié)之間沒有相對滑動，2個鏈節(jié)之間的彎曲通過銷子兩配合曲面的滾動來完成，在提高鏈條壽命的同時提升了傳動效率。

圖3　CVT用傳動鏈條

1.1CVT傳動鋼帶功率損失理論分析

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

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

圖5為鋼帶在帶輪內(nèi)運動示意圖。鋼帶將在主從動帶輪上沿著嚙合半徑Rpri和 Rsec運行，因此可以計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)運動示意圖

CVT鋼帶在工作過程中推片之間繞推片擺線轉(zhuǎn)動，鋼帶在帶輪運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)致了主從動帶輪推片鞍面處線速度不同，因此有式(2)：

(2)

除了當速比為1，也就是主、從動帶輪轉(zhuǎn)速相同時，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)，所以鋼帶在運轉(zhuǎn)過程中，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)之間一直存在相對的滑動，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)生沿運動方向的壓應(yīng)力，這些部件在受力過程中都將產(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實現(xiàn)，在主從動帶輪兩側(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)運行進入帶輪并過渡到鋼帶的另一側(cè)時，推片之間的間隙將消失，這將導(dǎo)致推片和帶輪之間產(chǎn)生相對滑動，而且相對滑動都出現(xiàn)在扭矩輸入端帶輪上，這在Fujii等[10]的研究中已得到證實。將鋼帶中推片內(nèi)部總間隙量記為ebelt(m)，鋼帶總長度記為Lband。結(jié)合圖6可以得到：由于推片之間間隙而導(dǎo)致鋼帶運轉(zhuǎn)過程中推片和帶輪錐面之間的滑動速度Vslip(m/s)的計算如式(3)所示。

(3)

由于間隙一直存在，并且間隙側(cè)推片在進入帶輪過程中存在相對滑動，所以推片和帶輪錐面滑動速度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)進入錐盤的推片和錐盤配合面之間產(chǎn)生相對滑動，產(chǎn)生摩擦功率損失。

圖7　帶輪CAE受力析變形示意圖

1.2CVT傳動鏈條功率損失理論分析

如圖3所示，CVT傳動鏈條是通過帶輪錐盤和傳動鏈條銷子摩擦傳遞扭矩。在傳遞扭矩過程中，鏈條均承受拉力；銷子是由2個圓弧曲面的銷子組成的銷子組，這樣傳動鏈在進入或出帶輪運轉(zhuǎn)時，銷子和鏈節(jié)之間沒有相對滑動，2個鏈節(jié)之間的彎曲通過銷子2個配合曲面的滾動來完成，沒有產(chǎn)生相對滑動[9]，對比本文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)生足夠的摩擦力來傳遞扭矩，這樣就會和鋼帶一樣使得外側(cè)進入錐盤的鏈條銷子和錐盤配合面之間產(chǎn)生相對滑動，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鏈條的傳動效率明顯高于CVT鋼帶傳動效率；在速比值為1的MID速比工況下，鏈式CVT的效率優(yōu)勢沒有在LOW和OD工況下明顯。

2　試驗研究

為了對推力鋼帶式CVT和鏈式CVT的效率性能有一個客觀的對比研究，主要針對鏈條和推力鋼帶對CVT整機效率的表現(xiàn)進行分析，需要將鏈條和推力鋼帶放在同一型CVT上進行研究，特選取同型號的推力鋼帶和鏈條安裝在QR019型CVT上進行分析。

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)，采用行星齒輪機構(gòu)作為前進、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)作為變速機構(gòu)，采用電液控制實現(xiàn)各執(zhí)行器動作。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，在同一臺試驗變速器上通過鋼帶和鏈條的更換來進行對比分析，確保其余部件狀態(tài)一致。

試驗前首先將推力鋼帶裝入一臺預(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所示變速器效率測試臺架進行試驗。按照本文2.4節(jié)所示的試驗方法完成試驗后，將該CVT變速器拆解更換上述CVT鏈條，進行再次裝箱試驗，如圖11所示。

圖9　QR019型CVT裝配鋼帶

圖10　變速器效率測試臺架

圖11　QR019型CVT裝配鏈條

2.4試驗方法

在變速器進行效率測試中，為了使試驗條件盡可能模擬CVT在整車下的工作狀態(tài)，同時考慮試驗資源和周期的合理利用，試驗條件設(shè)定如下：CVT變速器處于D擋；液力變矩器處于鎖止狀態(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。

兩次對比試驗中，所用CVT油品都為原QR019型CVT指定專用油，變速器在試驗臺上的安裝位置及加油量均相同。

表4　效率試驗工況

2.5試驗結(jié)果

推力鋼帶式CVT和鏈式CVT在各工況下的效率測試結(jié)果如下：

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

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

圖12　LOW速比鋼帶式和鏈式CVT效率對比結(jié)果

圖13　MID速比鋼帶式和鏈式CVT 效率對比結(jié)果

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

圖14　OD速比鋼帶式和鏈式CVT 效率對比結(jié)果

3　結(jié)束語

本文研究表明：目前市場上的CVT所使用的推力鋼帶和鏈條在傳動效率表現(xiàn)上存在一定差異，整體上鏈式CVT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速比下鏈式CVT比帶式CVT效率高1%～2%，隨著速比往MID速比靠近，效率優(yōu)勢逐漸下降，在MID速比下兩者效率表現(xiàn)基本相當。

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(責(zé)任編輯劉舸)

收稿日期：2016-01-18

作者簡介：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：U467.3

文獻標識碼：A

文章編號：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，潘國揚，張燕鳳.推力鋼帶式和鏈式無級變速器(CVT)效率研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(7):10-15.

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