金属带式无级变速器的力学分析

第26卷 第1期 金属带式无级变速器的力学分析 41

文章编号:1004-2539(2002)01-0041-04

金属带式无级变速器的力学分析

(上海交通大学汽车研究所, 上海 200030)

郭毅超 何维廉

摘要 论述了金属带式无级变速器的力学分析模型,建立了金属环、金属块的力学分析模型。运用相关工具就金属环张力和金属块挤推力进行计算分析,得出了重要的结果,可直接用于金属带CVT的

设计分析。

关键词 金属带式无级变速器 金属带 力学分析

无级自动变速传动作为汽车理想的传动系统,自汽车诞生以来一直是人们追求的目标。无级变速传动(ContinuouslyVariableTransmission,简称为CVT)具有普通有级变速传动无法相比的优点,它可以控制汽车发动机始终运行在最佳目标运行区,显著提高汽车的经济性,改善汽车的动力性。既减少了汽车的行驶冲击,也减轻驾驶员的劳动强度。

本文在详细分析金属带式无级变速器传动原理的基础上,建立力学分析模型,并深入地分析、计算了不同转矩比、速比条件下金属带式无级变速传动金属带的张力、挤推力等,为进行金属带的强度校核奠定了基础,可用于金属带CVT的设计分析。

动力传递。在工作中,当主、从动锥轮的活动锥轮沿轴向移动时,可改变金属带在主、从动锥轮上的工作半径,从而改变无级变速器的传动比。活动锥轮的移动量是根据汽车变速的要求,通过调节作用在主、从动锥轮油缸内的液压压力来实现的。由于液压力的调节是连续变化的,所以可实现汽车的无级变速传动。

2 金属带

VanDoorne.s传动装置公司开发的金属V-带由许多很薄的钢环组成,金属推块满装在钢环上。图2所示为金属V-带结构示意图。图3所示为金属推块尺寸图。每片钢环的厚度为0.2mm,2组钢环插入推块两侧的狭槽内。

1 金属带式无级变速传动原理

图1表示了金属带式无级变速器的带传动装置的结构简图。发动机输出的动力传到金属带式无级变速传动装置的主动锥轮,通过V型金属带将动力传输到从动锥轮,之后经减速器与差速器传递到车轮。带传

图2 金属带结构示意图

图3 金属推块尺寸图

1.从动轴活动锥轮 2.主动轴固定锥轮 3.主动轴活动锥轮4.从动轴固定锥轮 5.金属带

图1 金属带式无级变速器带传动装置结构简图

3 力分析模型

为了便于分析,本文作了如下假设

(1)由于金属块的厚度(为2.2mm)与带轮包角上金属带的总长相比很小,可认为金属块间相互作用的Q动装置是其核心部分,它主要由主动锥轮、从动锥轮以及V型金属带组成。其主、从动轮均为组合结构,由活动锥轮和固定锥轮组成。主动锥轮的活动锥

V

42 机械传动 2002年

(2)忽略金属块弯曲变形的影响。

(3)金属带中的叠层金属环近似看成一条钢带,它所受的周向张力为T。

(4)不考虑金属带的偏移。(5)视摩擦系数为常量。

(6)带轮为刚体,忽略带轮变形的影响。(7)金属带传动模型建立在准静态基础上,忽略其他的惯性力的影响。3.1 摩擦力方向

金属带式无级变速器的独特结构,使金属块的摆棱角与金属块鞍部间存在一段距离$r,如图4所示。在运行过程中,金属块的摆棱在两个带轮包角上是连续接触的,金属块鞍部的速度是不连续的,在两带轮之间的直线部分,金属块肩部的速度与带轮相同。以带轮入口处B点的分析为例,

有

角处的张力,阻碍了金属块向前运行,金属环的摩擦力方向与主动轮旋转方向相反;在从动带轮(小半径带轮处)入口处,金属块鞍座的速度比金属环速度快,在小半径带轮上产生了滑移,金属块间摩擦力、金属块与带轮之间的摩擦力方向均与带轮旋转方向一致。

图5 摩擦力方向

3.2 金属块与金属带位置示意图

金属块与金属带位置示意图如图6所示。由于金属块的独特结构,使金属带在运行过程中只有金属块的摆棱(图6半径r所指位置)在两个带轮包角上是

VBDR=VBDN=

VB(rDB+$r)=VB(1+)rDBrDBVB(rDN+$r)=V)B(1+rDNrDNVB(1+

(2)

连续接触的,因此金属带的回转半径(即金属带中金

属块间的推挤力Q的作用半径)与金属块的回转半径相差$r。

图4 金属块与金属环位置示意图

)

VBDRrDBrDB+$r

==VBDN

VB(1+)rDB+rDBi式中 VB)))带速

VV从动轮上金属块肩部速度BDR、BDN)))主、 rDB、rDN)))主从动轮半径

i

)))速比

文献[2]中实验研究表明,速比i\1时,如图5(a)所示,主动轮(小半径带轮)鞍座的速度要比金属环的速度快,金属环要阻碍金属块向前运行,金属块间的摩擦力方向与主动轮旋转方向相反;同时由于金属块鞍部与金属环间产生了滑移,金属环间的摩擦力方向与主动轮旋转方向相同。

当i<1时,如图5(b)所示,在主动轮入口处,鞍座的速度要比金属环的速度慢,金属块要阻碍金属环向前运行,金属块的摩擦力方向与主动轮旋转方向相

反图6 金属带及结构示意图

3.3 i\1时金属环的力分析模型和作用在金属块间

的挤推力分析模型

3.3.1 i\1时金属环的力分析模型

如图7所示,在带轮包角任意处H取金属环上微小单元dH,忽略高阶微量,其受力分析为

dE-LbdFP=0

EdH-dFP=0E(H)=EBexp(LbH)

式中 E和E(H))))金属环张力

EB

)))初始张力

(1)

(2)(3)

第26卷 第1期 金属带式无级变速器的力学分析 43

FP)))金属环作用在金属块鞍座的正压

力

Lb)))

金属块与金属环间的摩擦因数

Tin

Ef*=r=(EB-EA)-(QB-QA)

p

式中 Ef*)))有效传递力

Tinrp

得

[EB-EBexp(LbH)]-[QB-EBexp(LbH)]=

Tin

rp

QBexp(LacH)+

)))输入转矩

)))主动轮的节圆半径

(8)

(9)

3.4 i<1时金属环的力分析模型和作用在金属块间

的挤推力分析模型

图7 金属环上的受力分析模型(i\1)

3.3.2 i\1作用在金属块间的挤推力分析模型在带轮包角上任意位置的金属块取微小单元dH,

如图8所示,忽略高阶微量,金属块的挤推力分析为

-dQ+LbdFP-2LadNcosC=0Q(H)dH-dFP+2(sinA+LasinCcosA)dN=0式中 La)))金属块与带轮间的摩擦因数

dN)))鞍座作用在带轮上的正压力

C)))滑移角

A)))带轮V形槽斜面与纵向轴线间夹角(如

图8所示

)

(4)(5)

3.4.1 i<1时金属环的力分析模型

图9 金属环上的受力分析模型(i<1)

金属环与带轮间的摩擦力方向如图4所示,受力分析如图9所示,忽略高阶微分量,其微分方程为

dE+LbdFP=0(10)

EdH-dFP=0

E(H)=EAexp(-LbH)

式中 EA)))初始张力

(11)(12)

3.4.2 i<1时作用在金属块间的挤推力分析模型

图8 金属块上的受力分析模型(i<1)

由式(2)、式(4)、式(5)得到

Q(H)dH-E(H)dH+[-dQ+LbE(H)dH]@sinA+LbsinCcosA

=0

LacosC

LcosC

,Lc为当量摩擦因数,

sinA+LasinCcosAa

可得到下列描述挤推力分布的微分方程令Lac=

)-(Lac-Lb)E(H)dH=LacQ(H

Q(H)=QBexp(LacH)-EBexp(LbH)

带轮的旋转方向一致

QB)))金属块在直线部分的挤推力

(6)(7)

图10 金属块上的受力分析模型(i<1)

在带轮包角上的任意位置对金属块取微小单元

dH,忽略高阶微分量,金属块的挤推力分析如图10所示,其微分方程如下

dQ-LbdFP-2LadNcosC=0Q(H)dH-dFP+2(sinA-LasinCcosA)dN=0

LacosC

令Lac=sinA-LasinCcosA,则

Q(H)A(-LacH)-A(-Lb(13)(14)

式中 Q(H))))金属块间的挤推力,其力的方向与

(15)

44 机械传动 2002年

式中 QA、EA)))初始挤推力、张力得

[EA-EAexp(-LbH)]-[QA-EAexp(-LbH)]=

Tin

rp

QAexp(-LacH)+

(16

)

挤推力进行计算分析,分析所用的参数为:金属带长L=655mm;单个金属块厚度t=2.2mm;带轮中心距A=155mm;最大额定传递转矩Tin=76.0N.m;速比i=0.5,i=1.0,i=1.5,i=2.0,i=2.5;La=0.09;Lb=

0.16;金属块数(用n表示)为298。其数值分析结果如图11(a)~(e)所示。0点对应于主动轮上金属块的啮入位置,x正向对应于金属块在金属带上的运转环绕方向。上面的曲线为金属环张力F1,下面的曲线为金属块挤推力F。

5 计算结果的分析说明及结论

(1)金属环张力随传动比i变化;i先减小后增大,在i=1时为最小值。

(2)金属块挤推力在整条金属带上并非始终存在。随着传动比i的不同,金属块挤推力为0的区域和挤推力最大值也随之变化;i越大,金属块挤推力为0的区域越小,但挤推力最大值减小。

(3)金属块间挤推力和金属环张力的大小与传递的转矩紧密相关,转矩越大,金属块间挤推力和金属环张力也越大,金属块和金属环的载荷分配由传动比确定,此结果可直接用于金属带CVT的设计分析。

参

考

文

献

1 王红岩.金属带式无级变速传动系统分析)匹配与综合控制的研究1博士学位论文2.长春:吉林工业大学,1998.

2 HIROKIASAYAMA.Mechanismofmetalpushingbelt.JSAEReview

9532209,1995.

3 ToruFuji.StudyofametalpushingV-belttypeCVT-part1.SAE93066

图11 金属环张力、金属块挤推力的计算结果

4 KimH,etal.MetalbeltCVTandengineoptimaloperationbyelectro-hy2

drauliccontrol.In.Proc.ofJSAECVT.96YolohamaPaperSeries9636501

4 计算分析结果

本文以Matlab5.3为工具对金属环张力和金属块(上接第18页)

收稿日期:20010709 收修改稿日期:20010911作者简介:郭毅超(1977-),男,北京市人,硕士研究生

参考文献

5 结束语

本文方法没有片面地追求轨迹再现机构的运动精度,而是从工程实际出发,在满足所需轨迹再现精度的前提下致力于增加机构的可制造性,降低制造成本。该方面在求得机构尺寸的最优组合的同时,可使机构运动精度的稳健性和制造公差得到良好的匹配,是一种直接面向制造的设计方法。把模糊数学方法和稳健设计原理相结合,来研究和解决平面连杆机构运动设计问题尚是一个新的课题,本文方法对同类问题具有1 徐锦康.机械优化设计.北京:机械工业出版社,1996

2 杨伦标,高英仪.模糊数学原理及应用.广州:华南理工大学出版社,1993

3 程立周.稳健设计.北京:机械工业出版社,2001

4 程立周等.工程随机变量优化设计方法)))原理与应用.北京:科

学出版社,1997

5 EggertR.J,MayneR.W.ProbabilisticOptimalDesignUsingSuccessive

SurrogateProbabilityDensityFunction.Trans.oftheASME,J.ofMech.Design,1993,115收稿日期:20010813

湖南省自然科学基金项目(00JJY2050)湖南省教育厅高校科研资助项目(00C294)

:),,,

2

culations,theauthorhasderivednewformulasforcalculatingthereturnstagnantanglecausedbytheshaftingelasticdeformation,whichin2cludestheeffectsofnotonlytheshaftingelastictorsionaldeformationbutalsotheelasticbendingdeformation.Ithasbeenprovedthattheef2fectoftheshaftingelasticbendingdeformationonthereturnstagnantanglecausedbytheshaftingelasticdeformationshouldnotbenegligi2ble.

Keywords: Returnstagnantangle Shaftingelasticbendingdefor2mation Shaftingelastictorsionaldeformation

AnOptimalSynthesisforFree-formStyleMachineToolSettingParameters)Part1:EstablishingtheOptimalModel,,,,

,,,,,,,,,,,,,,

ZhangYanhong,etal.(28)

Abstract Inthispaper,Free-formstylemachinetoolsettingparam2etersisanalyzed,andamathematicalmodelofoptimalsynthesisises2tablished.Keepingthepredeterminedsecond-ordercontactparametersunchangedandoptimizingthird-ordercontact,thismodelcanmean2whjleoptimizetheforth-ordercontactparameters,ingprojectiononparameterline,theeffectivenessofthealgorithmsisverifiedbycomputersimulation.

Keywords: Free-formstylemachinetool Projectiononparameterline Optimization

TheStudyandRealizationofOptimizationAlgorithmofTwo-speedUniversalWinch.sTransfersystem,,,,,,,,,

,,,,,,,,,,,,,,,

ChenGong,etal.(33)

Abstract Thispaperanalyzedthetwo-speeduniversalwinch.stransfersystem,thenestablishedoptimizationmodel,andposedaprac2ticaloptimizationalgorithm.ItcanbereferencedbyCADofsimilargearingtransfersystem.

Keywords: Two-speeduniversalwinch Transfersystem Opti2mizationmodel Optimizationalgorithm

TheCalculationforShavingoftheHypoidGears,,,,,,

,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

XiongShi(36)

Abstract Thispaperanalysesthedeferencebetweenthecarbideshaverandthecommoncutterforhypoidgear,andmainlyanalysesandaccuratelycalculatestheparametersofshaverincuttingthehypoidgear.

Keywords: Hypoidgear Shaving

GenerationofHFTHypoidPinionFilletSurfacesandtheTestforUndercuttingandInterferencewithGearTop

,,,,,,,,,,,,,,,

,,,,,,,FangZongde,etal.(38)

TheForceAnalysisofMetalPushingBeltContinuouslyVariableTransmission(CVT),,,,,,,,

GuoYichao,etal.(41)

Abstract ThearticleputsforwardtheforceanalysismodelofthemetalpushingbeltCVT,andsetuptheforceanalysismodelofthemetalringandthemetalblock.ThearticleusesrelatedtoolsandgetsimportantresultsthatcanbeusedtodesignametalpushingbeltCVT.Keywords: CVT Metalpushingbelt Forceanalysis

AStudyofTensileStressDistributionActingonRingsintheDif2ferentFitnessforCVT

,,,,,,,

LiuYuanhai,etal.(45)

Abstract SteelringisakeypartofmetalV-belt;theloaddistribu2tiononitshasagreatinfluenceonitsdrivingcapacityanditsservicelife.Inthispaper,therelationoffitnessbetweenringsandstressdistri2butionisanalyzed.Itisshownthattheproperinterferencefitbetweenringscouldmakethetensilestressevenandsmooth,andthecomputa2tionalformulasforinterferencequantityisderived.

Keywords: CVT Metal V-belt Steelrings FitnessTheInfluenceofFrictionCoefficientontheContactFatigueLifeofGear,,,,,,,,,,,,,,XiaYanqiu,etal.(48)Abstract Thefrictioncoefficientoftwoadditivesandtwoindustrygearlubricantwereinvestigatedinthefourballtester,staticanddynamicfrictioncoefficientwereinvestigatedinstationarydynamicfrictioncoeffi2cienttestmachine.Theexperimentonball-polefatiguetesterap2provedthatfatiguelifearisewithfrictioncoefficientreduce,andthefrictioncoefficientisanimportantfactortofatiguelife.

Keywords: Lubricantadditives Frictioncoefficient Surfacefa2tigueofgear

Elastic-ringPlanetaryTractionDriveforHighSpeedPowerTransmission,,,,,,,,,,,

XuanHaijun,etal.(50)

Abstract DependontheresearchbytheChemicalMachineInstituteofZhejiangUniversityonhigh-speedtransmissioninpastseveralyears,anewelastic-ringplanetarytractiondriveisdevelopedforhigh-speedpowertransmission.Withthecomputercontrolledhigh-pres2sureoilsystem,thedeformationoftheelasticringcanbeadjusted.Thedeformationandstressonelastic-ringcanbeobtainedbyFEA.Itisproveditcanbeusedinsuper-highspeedpowertransmission.Keywords: Tractiondrive Elastic-ring FiniteelementanalysisTheAnalysisandDesignforHighSpeedGearsunderHighTem2peratureandImpactConditions

,,,,,,,

MoAigui(52)

Abstract Inthispaper,thedesignmethodofgearsworkingunderhighspeed,hightemperatureandhighstartimpactisevaluated.Sever2aldesignguidance,scuhasgeartraintype,speedratiosplit,materialselection,gearparametersdesignandloadbalance,arediscussedindetail.

Keywords: Speedreducer Highspeed Hightemperature Highstartimpact

Gears

,,,,,

TheInfluenceoftheTeethNumberofDrivingGearontheFlowCharacteristicsofCompoundExternalGearPump

,,,,,,,,,,,,,,,,,HouBo,etal.(54)Abstract Thispaperintroducestheworkingprinciple,Deducesthee2quationsofinstantaneousflowandthepulsationofthegearpump.AftertheAbstract AnanalyticalrepresentationofHFT(HypoidFormateTilt)hypoidpinionfilletsurfacehasbeenadvanced.Onthisbasis,anaccu2ratemodelofpiniontoothhasprovided.Bythenumericalsimulationoncomputer.Aniterativeapproachfordeterminingthepinionmachine-toolsettingsbyusingthelocalsynthesisandpiniontoothmodelhasbeendeveloped,whichmadetherealtoothheightandrequiredmeshingqualitybesatisfiedsimultaneously.Further,anaccuratetestforunder2cuttingandinterferencewithgeartophasbeencombinedwithabovementionedapproachtomakeupaperfectprogramfordesigning,ana2lyzingandsimulatingthehypoidgeardrives. )

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/iyu1.html