式无级变速器性能的测试与试验研究
第29卷第2期
2009年6月
振动、测试与诊断
JournalofVibration,Measurement&Diagnosis
Vol-29No.2Jun.2009
橡胶V带式无级变速器性能的测试与试验研究’
上官文斌1
王江涛2
王小莉1
(1华南理工大学机械与汽车工程学院广州,510641)(2上海汽车集团股份有限公司技术中心上海,201804)
摘要
首先给出了橡胶V带式无级变速器(CVT)的性能评价与试验方法;然后测试了一传递扭矩达120N m的
橡胶V带式cVT的性能,给出了该CVT在不同输入转速与不同负载转矩下的传递效率、转矩损失、转速损失和速比的变化特性,并进行了分析;最后研究了橡胶V带式CVT主动轮限位弹簧的刚度、离心飞锤的质量以及从动轮的压扭弹簧的刚度对橡胶V带式CVT性能的影响,揭示了橡胶V带式CVT的结构参数对其性能的影响规律.
橡胶V带式无级变速器(CVT)传递效率转矩损失
U461.1
关键词
中图分类号THl32
性能测试与分析方法、结构参数对橡胶V带式
引
言
橡胶V带式CVT具有速比连续变化、结构简
CVT性能影响方面的研究工作较少。王传菲[4]、任大鹏等[5]在理论上对橡胶V带式CVT进行了动力学和运动学分析,并对装有橡胶V带式CVT的整车性能进行了仿真计算。朱建儒等[6】给出了摩托车的无级变速特性曲线及其设计要求,以及确定了V带无级变速尺寸的规则。
本文试验用的橡胶V带式CVT安装在一辆ATV上,其传递的最大转矩可以达到120
FChen[卜2]和C
K
N nl
单、成本低廉、安装和维修方便、操控简单、驾驶平顺舒适等优点,目前广泛使用在全地形越野车(ATV)、园林运输车辆和运动休闲车等特种车辆的传动系统中。由于橡胶V带式CVT通过摩擦传动,其传递效率在80%左右。
近10年来,台湾的T验研究和性能分析。F
Sung[2。3]对橡胶V带式CVT进行了较为深入的试
FChen和DW
(金属带一液压式CVT传递的最大转矩可达到400N m,摩托车用橡胶带式CVT个传递的转矩一般小于50N m)。对该橡胶V带式CVT进行了测试分析,得到其在不同输入转速和不同负载转矩下的传递效率、转矩损失、转速损失、传递功率和速比。试验研究了橡胶V带式CVT主动轮离心飞锤限位弹簧的刚度、离心飞锤的质量以及从动轮的压扭弹簧的刚度对橡胶V带式CVT性能的影响,试验分析了橡胶V带式CVT的结构参数对其性能的影响规律。文中的试验测试与分析方法、试验结果为设计高效率的橡胶V带式CVT提供了试验分析方法与性能数据参考。文中得到的CVT的性能曲线,也是进行ATV车传动系统匹配的重要参数。
Lee[1]试验研
究了一橡胶V带式CVT的传递效率、功率损失和速比的变化。在他们的试验中,CVT传递的最大扭矩只有6N m,最大输入转速为6
000
r/min。但
Chen和Sung等人未开展CVT的结构参数(例如:橡胶V带式CVT主动轮限位弹簧的刚度、离心飞锤的质量以及从动轮的压扭弹簧的刚度)对CVT性能影响的试验研究。Lee和Sung[zJ通过在CVT前端安装一对减速齿轮,在不影响整体变速功能的情况下降低CVT的速比至l附近,将CVT的传递效率提高了近lo%。Chen和Sung[s]研究了橡胶V带式CVT的转矩损失机理,分析了CVT的转矩损失与负载转矩、速比、V带厚度、输入转速、V带拉力等的内在关系。
我国生产ATV的厂家逐渐增多,其产品大都出口到欧、美国家,对大扭矩橡胶V带式CVT产品的需求量日益增加。而我国对橡胶V带式CVT的
1
橡胶V带式CVT的结构与工作原理
图1给出了橡胶V带式CVT的结构图。橡胶
V带式CVT主要由主动轮、从动轮和橡胶V型传动皮带等组成。图2为主动轮的实物图,图3为从动
.国家自然科学基金资助项目(编号:50575073)。
收稿日期:2008—09.25;修改稿收到日期:2008—12—09.
万方数据
128
振动、测试与诊断第29卷
轮的实物图。主动轮由主动固定轮、主动移动轮、限位弹簧、离心飞锤、复位弹簧和卡盘等组成。从动轮由从动移动轮、从动固定轮和压扭弹簧等组成。
图1橡胶V带式CVT的结构形式1.主动固定轮;2.主动移动轮;3.限位弹簧;4.离心飞锤;5.复位弹簧;6.卡盘;7.从动移动轮f8.从动固定轮;9.橡胶V带;10.压扭弹簧
图2主动轮实物图
图3从动轮实物图
CVT工作时,其动力由发动机输入,从动轮安装在变速箱的输入轴上。由于装有该CVT的车辆一般不安装离合器,因此,主动轮的移动轮与固定轮之间的初始距离应略大于V型皮带的宽度,以便在起步时可以暂时中断动力传输。当发动机怠速时,离心飞锤产生的离心力较小,此时主动轮的移动轮未发生轴向移动,橡胶V带未传递动力,从动轮处于静止状态。随着发动机转速的升高,离心飞锤沿主动轮径向被甩出,离心飞锤产生的离心力随发动机转速的增加逐渐增大。因为CVT主动轮的卡盘被固定在主动轮中心轴上,因此,离心飞锤只能沿卡盘的
万方数据
内曲面运动,从而推动移动轮向固定轮靠近,进而压紧橡胶V带,并带动从动轮开始转动。
随着主动轮输入转速的升高,离心飞锤产生的径向离心力增大,使主动轮的移动轮与主动轮的固定轮之间的距离进一步缩小,从而推动橡胶V带沿径向向主动固定轮移动,导致主动轮的工作半径逐渐增大。由于主、从动轮的中心轴距为定值,橡胶V带的长度固定不变,因此,从动轮移动轮压缩压扭弹簧,使得从动轮在轴线且离开从动固定轮的方向运动。此时,从动轮的工作半径减小。当主动轮输入转速逐渐降低时,工作原理与加速过程相反。可以看出,在CVT工作过程中,主动轮和从动轮的工作半径是连续变化的,从而实现了速比的连续变化。
2
橡胶V带式CVT的性能计算、评价与试验方法
CVT的性能是指其在不同工况下的速比、转速
损失、转矩损失和传递效率‘卜3。。
由主动轮和从动轮的工作半径可以计算得到
CVT的速比i
i=r2/r1
(1)
其中:n为主动轮工作半径;,.。为被动轮工作半径。
CVT的转速损失和转矩损失的计算公式为:转速损失
塑:坠二型
(2)
珂
咒l
转矩损失
d下T:T—11--FT—zi焉r=——了i—一
(3)LJ,
上
J
1
其中:以,为CVT主动轮的转速;,z:为被动轮的转速;丁。为主动轮的转矩;丁:为被动轮的转矩。
由式(2)、式(3)定义的转速损失和扭矩损失是由于V型带打滑和V型带与轮之间的摩擦引起的。
CVT的传递效率为输出功率与输入功率之比
7=器X
100%(4)
图4为CVT台架试验原理图,图5为测试现场。试验台主要组成为:拖动主电机(模拟发动机)、前转速一转矩传感器、后转速一转矩传感器、加载电机、变速箱、2个激光位移传感器以及用于整个电路控制和数据采集的主控制台。由主电机提供输入转速,通过万向传动轴将动力传递给前转速一转矩传感器,动力经CVT变速后到达后转速一转矩传感器,最
后动力传递至加载电机。反之,当加载负载转矩时,
第2期上官文斌等:橡胶V带式无级变速器性能的测试与试验研究
129
图4
CVT台架试验原理图
图5CVT台架试验实物图
加载电机产生制动力,先后通过后转速一转矩传感器、CVT、前转速一转矩传感器和万向传动轴,把负载转矩传递到主电机。试验中,前、后传感器将测量的CVT输入转速和转矩以及输出转速和转矩传递给主控制台,进行数据处理。试验中使用2个高精度激光位移传感器来测量主、从动轮工作半径的变化,进而计算出CVT的速比。
3
橡胶V带式CVT性能的实测与分析
通过分析试验数据,可得到CVT在以下两种
工况中的性能曲线:a。负载转矩固定时,传递效率、转速损失、扭矩损失和速比随输入转速变化的曲线;b.输入转速固定时,传递效率、转速损失、扭矩损失和速比随负载转矩变化的曲线。
试验工况确定主要考虑与CVT相连的发动机的转速范围、CVT在ATV车传动系统匹配所需的数据要求、CVT最低工作转速等。本文的试验工况为:当固定负载转矩(从10~120N m,每隔10N m试验1次)时,测试CVT的性能与输入转速的关系;当输入转速固定(1900~4
000
r/rain,每隔
万方数据
100
r/rain试验1次),测试CVT的性能与负载转矩的关系。由于篇幅有限,本文只给出当负载转矩为
80
N m和输入转速固定为3
000
r/rain时CVT
的性能。
负载转矩固定为80N m时,CvT传递效率、转速损失、扭矩损失和速比随加载转矩变化的曲线见图6。输入转速固定为3000
r/rain时,CVT传递
效率、转速损失、扭矩损失和速比随加载转矩变化的
曲线见图7。
摹、
丑丑
求
制
}Ⅲ
输入转速/(r rainl)
图6负载转矩为80N m时CVT的性能
寥、
筮丑惫
硝
I皿
加载转矩,叫 m)
图7输入转速为3
000
r/min时CVT的性能
由图6可见,负载转矩固定为80N m,当输入转速达到2
500
r/rain时,CVT进入正常工作状态
(V带无打滑)。当输入转速低于3100
r/rain时,速
比缓慢减小,转矩损失和转速损失在10%附近,CVT的传递效率变化不大并稳定在80%附近。当输入转速在3100~3
500
r/min时,速比迅速减
小,转矩损失和转速损失稍有降低,CVT的传递效率升高至85%。当输入转速超过3
500
r/rain时,速
比减小速度放缓,转矩损失和转速损失基本不变,CVT的传递效率稳定在85%。因此在这种工况下,CVT的传递效率随速比的减小提高不多。
由图7可见,输入转速固定为3
000
r/min,当
负载转矩较小时,转矩损失较大,CVT的传递效率
130
振动、测试与诊断
第29卷
为70%左右。随着负载转矩的增加,速比迅速增大,传递效率由70%升高至85%,然后缓慢降低至
80%。
综合图6、图7可知,在两种工况下,当转矩损失和转速损失增大时,CVT的传递效率降低;反之,CVT的传递效率升高。与速比的快速降低或升高趋势相比,CVT的传递效率随速比的减小而缓慢升高,随速比的增大而缓慢降低。
4
结构参数对CVT性能影响的实测与分析
对所研究的橡胶V带式CVT,改变其性能结
构的方法有:a.使用不同弹簧组合而得到不同刚度的主动轮限位弹簧(大一大组合,小一小组合,大一小组合,图2显示为大一小弹簧组合);b.使用质量不等的主动轮飞锤;c.改变从动轮压扭弹簧的刚度。
试验中所用CVT的结构参数为:主动轮的内、外径分别为73和194mm;从动轮的内、外径分别为144和242mm。离心飞锤有2种,其质量分别为
180和140g。离心飞锤限位弹簧有2个,其大、小弹
簧的扭转刚度分别为9.6和3.3N m/rad。经过组合(大一大组合、小一小组合,大一小组合)可以得到3种不同扭转刚度的离心飞锤限位弹簧。本文进行了6种不同的组合:2个不同质量的离心飞锤,3种不同组合的限位弹簧。在不同的测试条件下测试了CVT的性能(从10"-"120N m范围内,固定负载转矩,每隔10N m为1次,测试了CVT的性能与输入转速的关系;在1
900
4000
r/rain的输入转
速范围内,每隔100r/min为1次,测试CVT的性能与负载转矩的关系),其测试结果具有一定的规律。以下给出一些典型的试验结果。
4.1主动轮限位弹簧、离心飞锤对CVT性能的影响4.1.1
主动轮限位弹簧刚度对CVT性能的影响
当离心飞锤为180g时,分别使用大一大弹簧组合(大弹簧)、小一小弹簧组合(小弹簧)对CVT进行试验,得到限位弹簧的刚度对CVT性能的影响。
表l给出了使用大、小弹簧时,为使从动轮输出转速分别达到500r/rain和4
500r/rain所需要的
主动轮输入转速。由表1可知,主动轮限位弹簧刚度越大,则需更高的输入转速来达到相同的从动轮输出转速。这是由于当限位弹簧刚度较大时,离心飞锤在相同的离心力作用下,主动移动轮的轴向位移更小一些。因此需要较高的主动轮输入转速来增大主
万方数据
动移动轮的轴向位移,增大主动轮工作半径,提高CVT从动轮的输出转速。
表l不同限位弹簧时CVT的主动轮转速要求r/rain限位弹簧
从动轮输出转速/(r min一)
500
4500
当负载转矩固定为80N m,使用大、小弹簧
时CVT的性能见图8。由图可见,不同刚度的主动轮限位弹簧对CVT的传递效率、转矩损失、转速损
摹、
丑求
IⅢ
输入转速/(r min‘)(a)工作效率与转矩损失
零、
水鞲丑锻{{i}
癣
输入转速/(r rain-‘)(b)速比与转速损失
图8固定负载转矩为80N m时CVT的性能
失及速比曲线影响的变化趋势基本相同,但两者存在大约500r/rain的输入速度差,即与小弹簧CVT相比较,大弹簧CVT需要高于小弹簧CVT大约
500
r/min的输入速度来达到相同的传递效率、转矩损失或转速损失。
由图8可见,在相同的输入转速下,大弹簧
CVT的速比始终大于小弹簧CVT的速比,这是因为在相同的输入转速下,大弹簧CVT的从动轮工作半径大一些,主动轮的工作半径小一些。另外,大弹簧CVT的输入转速为2
200
r/min时,转速损失
大约为48%,小弹簧CVT的输入转速为1
700r/
rain时,转速损失为25%。这是因为在这两个输入
第2期上官文斌等:橡胶V带式无级变速器性能的测试与试验研究
131
转速下,大、小弹簧CVT的主动移动轮刚刚开始压紧橡胶V带,V带打滑比较严重,工作状态不稳定。综上所述,可以认为在相同的速比下,大、小弹簧CVT的传递效率、转矩损失和转速损失基本一致。4.1.2主动轮离心飞锤对CVT性能的影响
主动轮使用大一大弹簧组合的限位弹簧(大弹簧)时,选择2种不同质量的主动轮离心飞锤对CVT进行性能试验,分析离心飞锤质量对CVT性能的影响。2种离心飞锤质量分别为180g(大飞锤)
和140g(小飞锤)。
表2给出了使用大、小飞锤时,为使从动轮输出转速分别达到500r/min和4
500r/min所需要的
主动轮输入转速。由表2可知,主动轮离心飞锤质量越小,CVT主动轮需要越高的输入转速来达到相同的从动轮输出转速。因为当主动轮离心飞锤质量较小时,在相同主动轮输入转速下离心飞锤产生的离心力更小,主动移动轮的轴向位移也较小,因此需要较高的主动轮输入转速来增大主动轮工作半径,提高从动轮的输出转速。
衰2不同离心飞锤时CVT主动轮转速要求r/min
离心飞锤
从动轮输出转速/(r min-1)
质量/g
S00
4500
图9给出了负载转矩固定为80N m,分别使用大、小飞锤时CVT的性能曲线对比。由图可见,当输入转速低于3
300
r/min时,在相同的输入转速
下,离心飞锤质量越大,其传递效率越高,转矩损失越小。当输入转速高于3300r/min时,在相同的输
入转速下,两者的传递效率和转矩损失基本相同。输
入转速低于2
400
r/min时,离心飞锤质量越大,转
速损失更小一些。但是在输入转速大于2
400r/rain
时,两者的转速损失基本一致。在相同的输入转速下,离心飞锤质量越大,CVT的速比越低,这是由于离心飞锤质量越大,产生的离心惯性力就越大,主动移动轮作用在橡胶带上的轴向压力也越大,主动轮工作半径越大,速比越小。
4.2从动轮压扭弹簧对CVT性能的影响
采用两种不同刚度的压扭弹簧(刚度分别为
1.65N/mm和3.06
N/mm)进行试验,分析从动轮
压扭弹簧对CVT性能的影响。
当输入转速固定为3
000
r/min时,分别使用
大、小刚度的压扭弹簧时,CVT性能见图10。由图
万方数据
摹、
丑求
}Ⅲ
输入转速/(r rainl)(a)转矩损失与工作效率
零
jI<丑辑耀磺
懈
输入转速/(r rain-1)(b)速比与转速损失
图9固定负载转矩为80N m时CvT的性能
寥、
丑求
1Ⅲ
加载转矩,叫 m)
(a)转矩损失与工作效率
幂、
水辑丑j{i!硝
摇
加载转矩/刚 m)(b)速比与转速损失
图10固定输入转速为3
000r/rain时CVT的性能
可见,负载转矩低于30N m时,压扭弹簧刚度越大,转矩损失越大,传递效率越低。当负载转矩高于
132
振动、测试与诊断
第29卷
30
N m时,随着加载转矩的增加,压扭弹簧刚度
越大,转矩损失越小,传递效率越高。另外,压扭弹簧刚度越大,从动移动轮对皮带的压紧力更大,V带打滑较小。当负载转矩低于70N m时,在相同的负载转矩下,压扭弹簧刚度越大,速比越高,转速损失越大。当负载转矩高于70N m时,在相同的负载转矩下,压扭弹簧刚度越大,速比越小,转速损失基本相同。
5
结论
(1)根据试验CVT的有关尺寸参数,计算得到最大传动比是3.3,最小传动比是0.75,而试验得到的cvT的速比也在这个范围内,试验测试的速比范围与计算值范围基本一致,说明试验过程是有效
的。
(2)由于试验台的主电机有最高转速的限制,加载电机也有额定转速的限制,因此,试验中实际的最高输入转速只有3500
r/min,最小传动比一般只
能在空载的时候达到。尽管该CVT的标定最高转
速为5
000
r/min,但与之匹配使用的发动机的最大转速为3
800
r/rain,因而试验结果揭示了该CVT
在使用状态下的各种性能。
(3)从试验数据看,在正常工作状态下,橡胶V带CVT的传递效率一般在80%附近波动。
(4)试验结果表明,主动轮中使用小刚度弹簧和大质量离心飞锤时,可以提高CVT的传递效率。当负载转矩较小时,使用小刚度压扭弹簧;当负载转矩较大时,使用大刚度压扭弹簧,也可以提高CVT的传递效率。
万方数据
参
考
文
献
[13
ChenTF,LeeD
W,Sung
CK.Anexperimental
study
on
transmission
efficiencyof
a
rubberV—belt
CVT[J].Mechanism
and
MachineTheory,1998,33
(4):351-363.
[2]Lee
D
W,SungCK.Ontheefficiency
analysis
and
improveddesignofa
rubberV—belt
CVT[J].Interna-
tional
JournalofVehicleDesign。1997,18(2):119-
131.
[3]ChenTF,SungCK.Design
considerationsforim-
provingtransmissionefficiencyofthe
rubberV-beh
CVT[J].InternationalJournal
of
VehicleDesign,
2000,24(4):320_333.
[4]王传菲,贾小平,于魁龙.新型带式CVT力学分析及在
动力传动系统中的应用仿真[J].装甲兵工程学院学
报,2006,20(6):41—45.
[5]任大鹏,秦伟.摩托车V型皮带式无级变速器的力学
分析[J].机械传动,2005,29(2):21—24.
[6]朱建儒,杨建伟,陆凤仪,等.摩托车无级变速系统的设
计研究[J].太原重型机械学院学报,2003,24(4):260—
264.
第一作者简介:上官文斌男,1962年lO月生,教授。现主要从事汽车振动分析与控制、汽车设计理论与方法的研究。曾发表“EnginemountS
andpower
train
mounting
systems:a
review”
(《InternationalJournalofVehicle
De—
sign)2009年第49卷第4期)等论文。
E—mail:shangquanwb99@tsinghua.org.
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