橡膠帶式無級變速器傳動特性研究與試驗驗證

陳諾田哲文趙一寧王楨艾天樂

橡膠帶式無級變速器傳動特性研究與試驗驗證

陳諾1，田哲文1，2，趙一寧1，王楨1，艾天樂1

（1.現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室（武漢理工大學），湖北 武漢 430070；2.汽車零部件技術湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430070）

研究了橡膠帶式無級變速器的傳動特性，并結合巴哈賽車實際工況進行動力學匹配。搭建CVT臺架試驗臺，通過改變其機構參數使CVT的調速性能與賽事需求相匹配，充分利用理想速比范圍，并保證發動機始終工作在峰值功率和峰值轉矩區間（2 800～3 600 r/min），實現高效的動力傳遞以及較優的動力性能，實車測試驗證試驗方法的可靠性。

橡膠帶式CVT；臺架試驗；巴哈賽車；傳動特性

中國大學生巴哈越野大賽（簡稱“BSC”）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。賽車需要在炮彈坑、土坡、泥坑等多種復雜越野工況下行駛，對變速器速比調節有較高要求。

巴哈賽車普遍采用橡膠帶式無級變速器，其成本低、結構簡單但設計要求較高，多用于坐式摩托車、全地形越野車和雪橇車的動力傳動[1]。國內外巴哈車隊幾乎全部使用該類型CVT，但國內普遍存在動力性差、傳動效率低等缺陷，難以達到巴哈賽事的要求，因此對其調速特性進行優化匹配便顯得尤為重要。

1 橡膠帶式CVT結構及調速原理

橡膠帶式CVT結構如圖1所示。

圖1 橡膠帶式CVT結構簡圖

橡膠帶式CVT基本結構主要由主動輪盤、從動輪盤和V形傳動皮帶組成。隨著發動機轉速和后輪負荷的變化，由于皮帶長度和中心距不變，CVT的主、從動輪的工作半徑會在普利珠、小彈簧、大彈簧和扭力凸輪的綜合作用下發生改變，從而實現速比的無級調節[2]。

V形皮帶CVT調速過程可分為3個階段，分別為離合期、調速期、超速期[3]。在離合期，發動機轉速增加使普利珠產生足夠的離心力克服主動輪小彈簧，主動輪活動盤靠近固定盤，皮帶和主動開閉盤之間開始結合，但此時的轉速不足以夾緊皮帶傳輸動力。隨著發動機轉速的增加，普利珠克服彈簧的離心力產生足夠的夾緊力，皮帶滑動消失，動力開始傳輸給減速器[4]。在調速期，隨著發動機轉速的加快，主動輪工作直徑增大，從動輪工作直徑減小，車輛在其速度范圍內一直加速，此時發動機轉速保持恒定，CVT由大傳動比逐漸變化為小傳動比。在超速期，CVT調速階段已經完成，此時發動機轉速繼續增加，則CVT將按照最小傳動比繼續加速[5]。

最理想的速比調節應該具備以下三點：發動機達到峰值轉速和峰值扭矩區間時進入調速期；離合期結束時CVT處于最大傳動比；速比的變化區間盡量大，充分利用傳動比。

2 橡膠帶式CVT的優化

2.1 行駛工況分析

根據汽車理論的相關知識，綜合分析4種常見工況，地面附著系數約取0.5～0.6，得到如下公式：

=X2×

結合巴哈賽車的結構參數，將耐久地面所能提供的最大切向反作用力，轉換為車輪的轉矩，計算得保證汽車不打滑時的最大驅動力矩為=135 N×。

巴哈賽車行駛過程中，在沙石路、土坡以及泥坑中行駛時的車速較低，經計算空氣阻力在行駛阻力中的占比很小，在這3種工況下行駛時的行駛阻力主要考慮滾動阻力，分別計算這3種工況下勻速行駛時的行駛阻力為286 N、696 N和465 N。

因需牽引2 t重的汽車，考慮載荷往后軸的轉移，再結合賽車的結構參數計算得，地面所能提供的最大切向反作用力=1 442 N×，=350 N×。經測量坡度為30%，而飛坡工況接近80%。

2.2 發動機動力匹配

CVT結構參數優化時需要匹配發動機特性。巴哈大賽統一使用型號為M20H的百力通發動機。同上述分析，CVT結構參數調整的目標是：發動機達到峰值轉速和峰值扭矩區間時進入調速期，離合期結束時CVT處于最大傳動比，速比的變化區間盡量大[6]。

M20H發動機外特性曲線如圖2所示。

分析圖2可以得出，2 800 r/min與3 600 r/min分別是發動機峰值轉矩和峰值功率處的轉速，CVT的換擋區間在這個轉速范圍內最佳。

2.3 臺架試驗

2.3.1 試驗的基本操作流程

臺架試驗臺如圖3所示。

圖3 臺架試驗臺

試驗的基本操作流程如下：通過改變磁粉測功機的電流大小對減速器輸出軸施加可控的負載，即阻力矩；通過安裝在發動機輸出軸、CVT輸出軸、減速器輸出軸的三個扭矩傳感器測量并記錄轉速和轉矩的大小；通過8通道數據采集系統采集分析數據。

2.3.2 試驗數據處理與總結

CVT的理論速比范圍為0.43～3.0，但加載后原廠速比范圍僅為1.2～2.8，其中傳動比處于3.0時傳動效率僅為30%，即皮帶打滑嚴重，未完全結束離合期。傳動比為2.8時傳動效率才達到80%，即實際速比范圍為1.2～2.8。不論是普利珠的調節還是彈簧的調節，得到的調速曲線都近似正態分布。在離合期過后，CVT的傳動效率都高于80%，且隨轉速的提高效率也在提高，且在發動機轉速為3 600 r/min時最大值達到85%。

經過反復測試，普利珠質量為53 g，主動輪小彈簧彈簧剛度為201 N/mm，預緊力為300 N，從動輪大彈簧彈簧剛度為700 N/mm，預緊力為375 N，為匹配賽車的最優組合。此時最小傳動比為0.68，最大傳動比為2.60，調速區間基本與發動機峰值功率和峰值扭矩區間吻合（2 800～3 600 r/min）。峰值扭矩點為2 800 r/min，為傳動比最大點2.60，此時有利于滿足最大爬坡度要求。經理論計算，得賽車最高車速為66 km/h，最大爬坡度為35%，0～30 m直線加速時間為4 s，0～60 m加速時間6.7 s。CVT傳動比隨發動機轉速變化如圖4所示。

圖4 CVT傳動比隨發動機轉速變化圖

2.4 實車測試驗證

經越野賽道測試和直線加速測試得到優化前后動力性能對比情況，如表1所示。

表1 優化前后動力性能對比

性能參數優化前優化后 最高車速/（km·h-1）4566 最大爬坡度/（%）1632 0～30 m加速時間/s5.144.53 0～60 m加速時間/s8.357.02

燃油消耗上也由平均一箱油跑55 min，提升為一箱油跑68 min，可見燃油經濟性也有了一定的提升。

3 結論

研究CVT的結構和調速原理，分析優化方向。結合賽事工況和發動機外特性曲線，提出優化目標。通過臺架試驗對CVT的5個關鍵參數進行優化，使發動機始終工作在峰值扭矩和峰值功率區間，有效提高巴哈賽車的動力性能和燃油經濟性。實車測測試驗證了臺架試驗方法的正確性，經臺架試驗優化后的CVT調速性能更加適應巴哈工況。

［1］上官文斌，王江濤，王小莉.橡膠V帶式無級變速器性能的測試與試驗研究［J］.振動測試與診斷，2009，29（2）：127-132.

［2］朱才朝，田佳佳，劉懷舉，等.帶式無級變速器性能試驗臺的開發［J］.重慶大學學報，2009（3）：294-298.

［3］曹俊衛.橡膠V帶式無級變速器傳動分析研究［D］.重慶：重慶大學，2012.

［4］田哲文，左效超.基于遺傳算法的V型皮帶CVT參數優化及試驗驗證［J］.機械傳動，2020（2）：73-79.

［5］肖強，朱才朝，田佳佳，等.雪地車動力傳動系統設計與匹配［J］.機械設計與研究，2008（8）：100-107.

［6］廖林清，藺朝莉，謝明，等.大功率膠帶式無級變速器力學模型的建立和調速性能的研究［J］.機械傳動，2013，37（1）：14-19.

U463.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.015

2095－6835（2020）14－0047－02

陳諾（2000—），男，湖北黃岡人，本科在讀，研究方向為巴哈賽車無級變速器傳動。

田哲文（1972—），男，湖北仙桃人，碩士，副教授，研究方向為汽車動力學及零部件測試技術。

〔編輯：嚴麗琴〕