單電機調節無級變速器試驗研究

劉森+張蘭春+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上，提出一種單電機調節速比的無級變速器。介紹了單電機調節無級變速器（Single Motor Continuously Variable Transmission，SM-CVT）的結構原理并分析了其速比變化和傳動效率的影響因素。搭建單電機調節無級變速器試驗平臺，在不同的轉速和轉矩下進行試驗研究。通過試驗得到SM-CVT速比的變化特性，及其傳動效率隨負載轉矩的變化規律，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。

關鍵詞：無級變速器；速比；速比變化率；傳動效率；試驗研究

中圖分類號：U463.212 文獻標文獻標識碼：A文獻標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，隨著環境和能源問題越來越突出，社會大眾對汽車節能環保的要求越來越高，對采用燃油發動機的汽車來說，提高其運行效率也越來越重要。變速器作為發動機動力輸出的關鍵樞紐，顯得極其重要，如何提高變速器與發動機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）的發動機動力性、經濟性以及排放等都有明顯改善。VDT-CVT采用的調節方式有機械機構調節和電控液壓調節，目前的VDT-CVT普遍采用電控液壓調節方式，而不同的調節方式對變速器的性能會產生不同的影響[2-3]。

針對VDT-CVT電控液壓調節方式存在的不足，本文提出采用SM-CVT的調節方案，介紹了該方案的調速原理和控制方式，進行試驗臺設計和研制，并在該試驗臺架上進行了試驗測試。

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，齒輪傳動機構，速比調節電機等[4]，其結構原理如圖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生變化，傳動速比發生改變。當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，傳動速比為最小值。當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，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通過速比調節電機帶動第二、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，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，進而改變傳動速比[5-7]。基于SM-CVT工作原理設計了樣機，樣機傳動V帶采用橡膠帶，并研制了試驗臺架，對其傳動速比控制和傳動效率等進行了試驗。SM-CVT試驗臺架框架圖及實物圖如圖2和圖3所示。

2 SM-CVT試驗研究

2.1 試驗臺架組成

試驗中的主要裝置有：

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

（2）調頻電機。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；基準頻率為50 Hz。

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

（4）試驗用SM-CVT為非標，傳動比范圍為0.6～1.8。

（5）速比調節電機。永磁無刷電機；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 試驗測試原理

SM-CVT傳動速比是由速比調節電機來控制，通過TCU控制速比調節電機轉角和轉速，改變SM-CVT傳動速比。SM-CVT采用調頻電機作為其動力源，TCU根據試驗操作的指令，調節調頻電機的轉速大小作為CVT的輸入轉速，再調節渦流制動器的工作電流確定渦流制動器的負載轉矩，作為CVT的輸出負載。TCU通過轉速轉矩傳感器，采集輸入、輸出軸的轉速和轉矩，根據設定的試驗數據，控制速比調節電機的轉角和轉速，從而實現CVT速比的控制。

試驗臺架的數據顯示、數據采集、數據存儲、數據輸入等采用監視與控制通用系統（Monitor and Control Generated System，MCGS）控制面板，如圖4

所示。

2.3 SM-CVT試驗內容

試驗內容主要包括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載轉矩、輸入轉速等影響因素；傳動效率測試主要測定在一定的傳動速比下，對應不同負載和不同轉速下的傳動效率[8-9]，并據此得到SM-CVT傳動效率的變化規律。

2.4 試驗步驟

2.4.1 SM-CVT速比控制試驗

（1）負載轉矩為空載、輕載、重載時的傳動速比變化。

（2）負載轉矩不變時，改變速比調節電機的轉速大小。

2.4.2 SM-CVT傳動效率測試

（1）發動機轉速為600 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min 、1 700r/min時，負載轉矩為4 Nm、6 Nm、8 Nm、10 Nm、12 Nm、14 Nm、16 Nm、18 Nm的工況傳動效率。

（2）負載轉矩為6 Nm、12 Nm、18 Nm時，發動機轉速為600 r/min 、1 000 r/min、1 500 r/min、1 700 r/min 的工況傳動效率。

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

試驗過程包括：速比調節電機不同轉速下的速比變化，輸入轉速相同情況下不同的速比調節電機轉速對應的速比變化；輸入轉速相同情況下不同的負載轉矩所對應的傳動效率變化，相同的負載轉矩下不同的輸入轉速所對應的效率變化，效率隨傳動速比的變化等[12]。

2.5 速比變化分析

2.5.1 不同的負載轉矩對速比的影響

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

2.5.2 速比調節電機不同的轉速對速比的影響

速比調節電機不同轉速時的速比變化如圖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，當速比變化較快時，對應的SM-CVT速比波動較大。速比調節電機在同一轉速下，輸入轉速1 000 r/min時比1 700 r/min時速比變化率的波動小。

在速比電機轉速分別為80 r/min和120 r/min時，對應輸入轉速1 000 r/min和1 700 r/min，傳動速比從小到大變化時的速比變化率如圖8所示。

由圖8可知，當速比電機轉速為120 r/min時，對應的速比變化率大于速比電機轉速80 r/min時的速比變化率，相對應的速比變化大。

2.6 傳動效率分析

2.6.1 負載轉矩對傳動效率的影響

當輸入轉速保持在600 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min、1 700 r/min時，設定CVT的速比為1，負載轉矩從4 Nm逐漸增大到18 Nm，變速器傳動效率與負載轉矩的變化關系如圖9所示。

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

2.6.2 輸入轉速對傳動效率的影響

當負載轉矩保持在6 Nm、12 Nm、18 Nm時，輸入轉速逐漸增大，變速器傳動效率與輸入轉速的變化關系如圖10所示。

當負載為6 Nm，輸入轉速從600 r/min升至1 700 r/min時，傳動效率從83.6%降至80.9%，下降了2.7%。當負載為12 Nm，輸入轉速從600 r/min

升至1 700 r/min時，傳動效率從83.9%降至80.5%，下降了3.4%。當負載為18 Nm，輸入轉速從600 r/min升至1 700 r/min時，傳動效率從78.9%降至73%，下降了5.9%，降幅較大。當負載轉矩不變時，隨著輸入轉速增加，傳遞的功率超過所對應的最大傳動功率，從而導致傳動效率下降。

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系如圖11所示。輸入轉速穩定在1 500 r/min時，負載轉矩為定值，連續調節速比，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系：傳動速比從0.6升至0.8時，CVT的傳動轉矩開始上升，傳動效率波動大，整體呈上升趨勢；當傳動速比從0.8升至1時，傳動轉矩穩定上升且沒有超過最大傳動轉矩，傳動效率穩定在一定范圍；當傳動速比從1升至1.8時，CVT傳動轉矩超過最大傳動轉矩，傳動效率持續下降。

3 結論

（1）提出的SM-CVT控制性能良好，當速比調節電機轉速較快時，其速比波動幅度較大。速比調節電機在同一轉速下，輸入轉速越高，變速器速比變化率波動越大。

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

試驗表明，通過調節速比執行電機轉角，可以實現SM-CVT速比的控制，具有控制方便、結構簡單、制造成本低等優點，對新型CVT的設計研究具有借鑒作用。

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