外文翻譯--常功率無(wú)級(jí)變速器( cp—cvt) 工作原理和分析 中文版

1、<p>　　常功率無(wú)級(jí)變速器( CP—CVT) 工作原理和分析</p><p>　　Constant Power Continuously Variable Transmission</p><p>　　（CP—CVT）:Operating Principle and Analysis</p><p>　　O. S. Cretu R. P

2、. Glovnea</p><p>　　[摘要]本文是一種新穎的常功率無(wú)級(jí)變速器(CP—CVT)牽引傳動(dòng)發(fā)表的系列論文的首篇。本文提出了常功率的基本機(jī)能原理和證實(shí)了該裝置的特性。該裝置屬于大家知道的圓環(huán)牽引傳動(dòng)系列,它由兩個(gè)輸入盤、一個(gè)圓錐形環(huán)和另一圓環(huán)、一個(gè)錐形輸出盤和若干鋼球組成。各鋼球的轉(zhuǎn)軸按相對(duì)于輸入和輸出圓盤的幾何位置作自行調(diào)整,輸出轉(zhuǎn)矩的變化使鋼球相對(duì)盤的位置改變從而造成速比變化,首先進(jìn)行鋼球運(yùn)動(dòng)學(xué)和

3、動(dòng)力學(xué)分析,再推論了有關(guān)功率傳遞動(dòng)力學(xué)公式和幾何參數(shù)。最后提出CP—CVT可提供的良好的功能穩(wěn)定功率特性滿足汽車工業(yè)要求的結(jié)論。</p><p>　　關(guān)鍵詞:常功率無(wú)級(jí)變速器；圓環(huán)牽引傳動(dòng)；運(yùn)動(dòng)學(xué)；動(dòng)力學(xué)</p><p><b>　　背景</b></p><p>　　實(shí)踐中用附加無(wú)級(jí)變速器可以改進(jìn)機(jī)械變速器的性能,在汽車傳動(dòng)系中藉助無(wú)級(jí)變速器可

4、以獲得10%—20%的燃油經(jīng)濟(jì)性[1]。</p><p>　　機(jī)械無(wú)級(jí)變速器是結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的一個(gè)大的變化,通常功率是通過(guò)許多中間元件由輸入軸傳到輸出軸,所有這些裝置有一個(gè)公共的原則,那就是控制輸出速度的變化,亦即“改變中間元件相對(duì)于輸入或輸出元件的位置”。</p><p>　　一般功率通過(guò)干、邊界摩擦或薄層油膜剪切力來(lái)傳遞,當(dāng)功率通過(guò)油膜傳遞時(shí),CVT是彈性流體動(dòng)力(EHD)牽引型,而該盤或

5、滾球具有一個(gè)正常的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。由于它們有能力傳遞高的功率,快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)變化,小的尺寸和良好的可靠性,該EHD牽引傳動(dòng)用于汽車傳動(dòng)系相對(duì)于帶和行星型CVT是完全成功的[2]。在汽車中采用或設(shè)計(jì)極普通的EHD牽引傳動(dòng)是一種環(huán)形的輸入2輸出盤和環(huán)形的中間元件,簡(jiǎn)單的稱為全環(huán)形或半環(huán)形牽引傳動(dòng),這些型式CVT已經(jīng)解決并設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu),成功用于汽車傳動(dòng)系, 特別用在日本的汽車制造廠[3-5]。</p><p>　　雖然牽引

6、傳動(dòng)的功能原理相對(duì)簡(jiǎn)單,為了獲得這些元件之間的同步的結(jié)果要求詳細(xì)分析中間元件的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué),不同的輸入或輸出功率或傳動(dòng)比控制這些對(duì)于一個(gè)好的性能的CVT是關(guān)鍵性的。</p><p>　　[6]表明EHD牽引傳動(dòng)與在接觸面間流體的流變特性有關(guān),為潤(rùn)滑流體他們開發(fā)了一個(gè)粘彈模型,用于EHD接觸的分析。[7]在精確的牽引傳動(dòng)中作了牽引力的分析, Zhang等[8]和Zoh等[9]開發(fā)了可用環(huán)球牽引傳動(dòng)的分析模型,并研

7、究了側(cè)滑和牽引力以及該CVT動(dòng)力學(xué)和傳動(dòng)控制過(guò)程。[10]導(dǎo)出了全環(huán)球牽引傳動(dòng)的操縱控制的精確幾何關(guān)系。[11]和[12]介紹了常功率牽引傳動(dòng)原理和提出了該傳動(dòng)的解。</p><p>　　本文提出一個(gè)牽引傳動(dòng)的原型,它只采用一個(gè)半環(huán)盤,該裝置可以在輸出轉(zhuǎn)矩變化大的情況下保持傳遞功率在小范圍變化。</p><p><b>　　工作原理</b></p>&l

8、t;p>　　2.1 裝置的說(shuō)明</p><p>　　圖1示一裝置的簡(jiǎn)圖,該裝置表明它可合理保持功率傳遞為常數(shù)。</p><p>　　圖1 環(huán)球傳動(dòng)CP—CVT 簡(jiǎn)圖</p><p>　　該裝置由兩個(gè)輸入盤和圓錐盤和兩個(gè)半環(huán)組成,錐盤固定在輸入軸,環(huán)盤相對(duì)于軸可縱向滑動(dòng),若干鋼球均布于兩盤之間,這些鋼球位置用罩殼周向固定(如圖所示)。該罩殼允許各鋼球有四個(gè)自由

9、度(三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)移動(dòng))。這些鋼球與輸出盤接觸,輸出盤也可能為錐形,輸出盤通過(guò)球2螺旋型聯(lián)軸器把功率傳到出軸。球形中間元件通過(guò)兩彈簧的予加載荷使它和盤間的保持接觸,一個(gè)彈簧裝于輸入軸在環(huán)盤的后面,而另一彈簧裝于輸出軸,它壓力作用于輸出軸。依據(jù)鋼球和盤對(duì)球自轉(zhuǎn)軸之間接觸點(diǎn)的距離速比有一個(gè)大的變化,輸出轉(zhuǎn)矩的改變導(dǎo)致鋼球位置改變?nèi)鐖D1(b)所示,它將表明于下節(jié)確定速比的變化。速比的變化造成裝置有可能承受合理穩(wěn)定的功率傳遞。</p>

10、;<p>　　2.2 中間元件的運(yùn)動(dòng)學(xué)</p><p>　　為了確定裝置的一中間鋼球的主要幾何特性和其運(yùn)動(dòng)學(xué)之間的關(guān)系如圖2 所示。</p><p>　　圖2 　一球形中間元件和作用角</p><p>　　A ,B和C分別表示鋼球和環(huán)盤輸入盤和輸出錐盤之間接觸點(diǎn),選擇一個(gè)以鋼球中心為軸心的笛卡爾座標(biāo)系,x 軸平行于常功率CVT(CP—CVT)的軸線,三

11、個(gè)接觸點(diǎn)在該座標(biāo)系中有以下座標(biāo)。</p><p>　　A(R cosa,-2R sina) ; B(-2R cos,-2R sin ); C(R cos,R sin)</p><p>　　由于事實(shí)上所有三個(gè)接觸點(diǎn)都位于同一平面內(nèi),所給平面這些點(diǎn)的速度具有一個(gè)垂直于平面的方向,因此在以下關(guān)系內(nèi),除了它不平行于XOY平面外,速度方向?qū)⒉辉訇U述。</p><p>　　

12、屬于輸入盤接觸點(diǎn)速度給定為</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中r 是變角α的函數(shù),可寫成</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　鋼球以一個(gè)角速度轉(zhuǎn)動(dòng),關(guān)

13、于自轉(zhuǎn)軸的斜率,由圖2 ,屬于鋼球接觸點(diǎn)的速度如下</p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　根據(jù)圖2 導(dǎo)出軸到接觸點(diǎn)的距離為:</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由公式(3) 可寫成以下等于:</p><p><b&

14、gt;　?。?）</b></p><p>　　設(shè)計(jì)-工作在牽引曲線的線性區(qū)間的牽引傳動(dòng),即由Zhang等用蠕變速度確定在接觸區(qū)滑動(dòng)很小[8]。這意味著在式(1)和(3)內(nèi)相應(yīng)的速度可以認(rèn)為等于式(1),(4)和(5) ,鋼球的自轉(zhuǎn)軸的斜率給出為:</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　基本計(jì)算后,速比可寫成

15、:</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　代入由式(2) 算出的r ,上式可進(jìn)一步寫成:</p><p><b>　　（8）</b></p><p>　　2. 3 中間元件的動(dòng)力學(xué)</p><p>　　圖3a示一鋼球的分離體圖,當(dāng)由裝置傳遞轉(zhuǎn)矩為最小

16、和由于只考慮位于輸入軸和輸出軸上彈簧的軸向x 時(shí),在該位置角α等于零。環(huán)形輸入盤以。表示的平行力壓在一鋼球上,相應(yīng)在輸出盤上的力是 ,該鋼球由恒等方程式這些力之間的關(guān)系如下:</p><p>　　圖3 一中間中元件在兩不同位置的FBD</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　當(dāng)一阻力矩作用于輸出軸時(shí),在c點(diǎn)軸向力的新值可

17、以寫成為:</p><p><b>　　(10)</b></p><p>　　式中由球-螺旋聯(lián)軸節(jié)引起的可求出為</p><p><b>　?。?1）</b></p><p>　　一個(gè)在接觸點(diǎn)C的水平力的增量破壞了在鋼球上的力的平衡,它使鋼球移動(dòng)到一個(gè)新的平衡位置(見圖3(b)) ,在該新位置,作用

18、在A 點(diǎn)的力為</p><p><b>　　(12)</b></p><p>　　在該幾何外形,力和的關(guān)系為</p><p><b>　　（13）</b></p><p>　　由于一轉(zhuǎn)矩作用于輸出軸,根據(jù)方程式(9)到(13)可以求得作用在A 點(diǎn)的軸向力變量表達(dá)式如下:</p><

19、;p><b>　?。?4）</b></p><p>　　進(jìn)一步推導(dǎo)可求出轉(zhuǎn)矩T :</p><p><b>　　（14a）</b></p><p>　　式(14a)表明依據(jù)于接觸的角α輸出轉(zhuǎn)矩以及包括和速比的關(guān)系。</p><p>　　作為轉(zhuǎn)矩函數(shù)的傳遞功率由下式給出:</p>

20、<p><b>　　(15)</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　鋼球螺旋聯(lián)接的特性不可任意選擇,它的值受牽引函數(shù)的限制。在接觸點(diǎn)C的EH牽引力造成所要求的輸出轉(zhuǎn)矩,因此由EHD使轉(zhuǎn)矩相等以及由鋼球螺旋聯(lián)接可求得以下關(guān)系式:</p><p><b>　　(16)<

21、/b></p><p><b>　　3 討論</b></p><p>　　如以上表明的功率傳遞與輸出轉(zhuǎn)矩和速比的關(guān)系,它們通過(guò)接觸角相互聯(lián)系。因此采用自動(dòng)調(diào)整速比的大小可以保持傳遞功率穩(wěn)定。</p><p>　　對(duì)于一個(gè)幾何形狀已知的裝置,輸出轉(zhuǎn)矩造成角α確定的變化,這些變化可以改變作用于后環(huán)盤的作用力。</p><p

22、>　　進(jìn)一步研究影響傳遞功率的兩種情況: 固定的力和彈性的力。從實(shí)際觀點(diǎn)出發(fā),采用液壓負(fù)載裝置力 可以隨角α變?yōu)槿我馑璧男问健?lt;/p><p><b>　　3. 1 力定值</b></p><p>　　在這種情況后環(huán)盤的力為定值而等于零。因而式(14)成為:</p><p><b>　　(17)</b></p

23、><p>　　式(17)給出了輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)角α的關(guān)系,并解式(8)和(15)可求得牽引傳動(dòng)的特性。圖4 (a)和(b)示速比、轉(zhuǎn)矩和輸出功率為角α的函數(shù)。角β和γ的值的選擇應(yīng)使獲得的功率的變化為最小。</p><p>　　圖4 (a)固定力情況速比和轉(zhuǎn)矩與角α的變化關(guān)系(b)固定力下功率與角α的變化關(guān)系</p><p>　　對(duì)于相對(duì)兩較小的角β值(大約為45°)

24、和較大的γ值(接近77°),速比和輸出轉(zhuǎn)矩隨角α而增大,但速比幾乎具有一個(gè)線性關(guān)系時(shí),轉(zhuǎn)矩接近隨α的平方增大, 這將造成功率傳遞顯著穩(wěn)定,變化為4.8%,α值由0到50°,作動(dòng)元件的確定量為 </p><p>　　3. 2 彈性型的力</p><p>　　在這種情況,假定該后環(huán)盤面的力由已知

25、特性的彈簧產(chǎn)生的。由輸出錐盤造成環(huán)盤位移決定鋼球位移,因此產(chǎn)生彈簧通過(guò)一距離附加的一個(gè)壓縮力,力的變化可表示為以下形式:</p><p><b>　　(18)</b></p><p>　　式中K表明為彈簧的彈性常數(shù)。</p><p>　　環(huán)盤的軸向位移等于彈簧的附加壓縮力,由圖5所示的簡(jiǎn)單幾何關(guān)系求得</p><p>　

26、　圖5 環(huán)盤的軸向位移</p><p><b>　　(19)</b></p><p>　　聯(lián)立方程式(14),(18)和(19)求得輸出轉(zhuǎn)矩T和接觸角α之間的關(guān)系</p><p>　　= (20)</p><p>　　圖6(a)和6(b

27、)示速比,轉(zhuǎn)矩和功率隨角α在圖4 所示相同范圍變化而變化。</p><p>　　對(duì)于參量β(約50°) 和γ(約72°) 選擇最合適的值,對(duì)α在0和57范圍內(nèi)獲得P的變化不大于7%。另一面對(duì)作動(dòng)元件尺寸的選擇使功率最好的變化,而它們與上述情況不再一致。對(duì)于變速箱作動(dòng)元件的最后尺寸與所要求的功率和轉(zhuǎn)矩有關(guān)。</p><p>　　明顯的問(wèn)題是作用于環(huán)盤上的力與角α有關(guān),它造

28、成在所要求角度大小范圍內(nèi)輸出功率不變。消去式(14)和(15)之間的T 并保持功率不變,可以用算出的不連續(xù)值擬合的曲線求得該力。一個(gè)多項(xiàng)式函數(shù)給出和一與三個(gè)與作動(dòng)元件尺寸即鋼球和環(huán)面的半徑有關(guān)的函數(shù)很好擬合,該力可以寫成:</p><p><b>　　(21)</b></p><p>　　上述公式內(nèi)常數(shù)可以選擇牽引傳動(dòng)的幾何尺寸和所要傳遞的功率來(lái)確定。</p&g

29、t;<p>　　圖6 (a)對(duì)于彈性力速比和轉(zhuǎn)矩隨角α的變化(b)對(duì)于彈性力功率隨角α變化</p><p><b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　　原始CP—CVT牽引傳動(dòng)描述和分析穩(wěn)定保持輸出功率的能力。</p><p>　　裝置由兩個(gè)輸入盤一個(gè)錐體和另一半環(huán),一個(gè)錐形輸出盤以及許多環(huán)形中間元件組成。</p>

30、;<p>　　CP—CVT的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力分析說(shuō)明速比,輸出轉(zhuǎn)矩、功率傳遞和內(nèi)部的幾何外形之間的相互關(guān)系。本研究有4個(gè)主要的結(jié)論:</p><p>　　1. 環(huán)盤后有一個(gè)穩(wěn)定的力,與速比變化從1到2.5時(shí),輸出功率的變化小于5%。這在鋼球和輸入錐盤之間接觸角較小的情況下可以看到,而在和輸出盤接觸角較大情況則更為有利。</p><p>　　2. 對(duì)于速比在1和2.5之間,作用在后環(huán)

31、盤上一個(gè)彈性的力,輸出功率的變化小于7%。與固定的力情況相比較,和輸入錐盤的接觸角較小,而和輸出盤接觸角較小。</p><p>　　3. 當(dāng)力作用在環(huán)盤上對(duì)接觸角α有一個(gè)多項(xiàng)式關(guān)系時(shí),可求得該CP—CVT牽引傳動(dòng)的最佳特性。對(duì)裝置尺寸選擇一最合適的數(shù)值,求得一個(gè)完全固定的輸出功率,速比在1和3之間變化,采用液壓負(fù)荷系統(tǒng)這點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　4. 該裝置建議免去任何鋼球位置轉(zhuǎn)軸

32、必須的控制,因它們自身調(diào)整運(yùn)動(dòng)學(xué)狀況。該特性提供了超過(guò)其他環(huán)狀牽引傳動(dòng)的確定的優(yōu)點(diǎn)。牽引傳動(dòng)成為用于汽車變速箱的很好的候選裝置,構(gòu)成它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是輸出功率在固定水平的自動(dòng)調(diào)整,從燃油經(jīng)濟(jì)性觀點(diǎn)出發(fā),發(fā)動(dòng)機(jī)可在擴(kuò)展時(shí)期以最優(yōu)狀態(tài)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　名稱</b></p><p>　　=鋼球螺旋聯(lián)軸節(jié)名義半 mean radius of the ball

33、-screw coupling</p><p>　　=速比 transmission ratio</p><p>　　=后環(huán)盤彈簧的彈性常 elastic constant of the spring behind toroidal disc</p><p>　　=球自調(diào)轉(zhuǎn)軸的斜率 —slope of the self-adjusted rotation axis

34、of the sphere</p><p>　　P=功率 power</p><p>　　=從球中心到軸的軸心的距離 distance from the center of spheres to the axes of theshafts</p><p>　　=環(huán)的半徑 radius of the torus</p><p>　　=鋼球球面半

35、徑 radius of the spherical balls</p><p>　　=環(huán)面半徑 radius of the toroidal surface</p><p>　　=速度 velocity</p><p>　　T=轉(zhuǎn)矩 torque</p><p>　　=球和環(huán)盤之間接觸角 contact angle between spher

36、es and the toroidal disc</p><p>　　=球和輸入錐盤之間接觸角 contact angle between spheres and the input conical disc</p><p>　　=球和輸出錐盤之間的接觸角 contact angle between spheres and the output conical disc</p>

37、<p>　　= EHD 牽引系數(shù) EHD traction coefficient</p><p>　　=螺旋聯(lián)軸節(jié)角度 angle of the screw coupling</p><p>　　=螺旋聯(lián)軸節(jié)摩擦角 friction angle in the screw coupling</p><p>　　=輸入軸的角速度 angular velo

38、city of the input shaft</p><p>　　=鋼球的角速度 angular velocity of the ball</p><p>　　=輸出軸角速度 angular velocity of the output shaft</p><p>　　* =本文指數(shù)b 和d 分別參見球和盤 In the text indexes b and d

39、refer to the balls and discs, respectively</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] Arita, M., 2000, ‘‘Recent CVT Technology and Their Effect on Improving Fuel Economy,’’ Proceedings Intern

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