考虑张力和挤压力的金属带动力性能研究

　　无级变速器(continuously variable transmission,CVT)与传统有级变速器相比,可以保证汽车发动机始终运行在最佳目标运行区,从而显著地改善汽车的经济性和动力性,同时增强了汽车的可操作性,可明显降低驾驶员的疲劳程度。最新资料显示:在相同的情况下,无级变速器比手动有级变速器节约燃油消耗可以达到20% ~30%。

　　自金属带式CVT出现以来,国内外许多学者都对其传动机理进行了研究,得出了不同金属带传动的力学模型,但仍未有一个相对统一和有效的理论。以日本的S. Kanhara和英国的J. D. Micklem所建的模型系统相比较[1, 2],均不能完整地解释FujiiT实验中出现的各种现象[3, 4]。笔者以FujiiT所完成的实验为参考,建立了一个金属带式CVT的简化模型。分析了带轮轴向推力与传动比的关系,得出了钢带环张紧力和金属块间挤压力的理论计算公式。

　　1　金属带式无级变速器的基本结构及工作原理

　　金属带式无级变速器主要由主动带轮、从动带轮、金属带、加压和调速装置组成,其核心部件是金属带和主、从动带轮组成的传动系统,见图1。

　　主、从动带轮分别由一轴向固定带轮和轴向移动带轮组成。置于固定和移动两带轮构成的V形槽内的金属带是一个组合元件,它由数百片厚约2 mm的V形金属块和嵌在金属块鞍面内的两组金属钢带环组成。每组钢带环由若干层厚度为0·18 mm的钢带环套组合而成,带环宽度和层数可根据传递转矩的不同而增减。钢带环的作用一是引导金属块的运动方向,二是承担金属带中的张力。金属块的作用是传递转矩。带轮母线应与金属块侧边共轭,以保证变速过程中金属带不发生轴向偏斜,使金属带不承担附加侧向弯曲应力的作用。在金属带式无级变速器的工作过程中,主、从动带轮的中心距是固定的,根据传动比的要求,主、从动轴上的移动带轮作轴向移动,改变带轮的工作半径,从而改变传动比。由于带轮的工作半径可以连续变化,所以可实现无级变速。

　　2　CVT的动力学分析

　　2·1　CVT力学分析的一些基本假设

　　在传递转矩过程中,由于金属块与带轮之间、金属块之间、金属块与钢带环之间存在相互作用关系,使得金属带的受力[5, 6]情况非常复杂,且随着工况不同而改变。为便于分析,做以下假设[7, 8]:

　　(1)金属带在带轮运转形成的圆形轨道上工作,带轮运转形成的包角圆心与带轮中心重合。

　　(2)每个金属块的厚度相对于带轮包角上金属带的总长很小,可认为金属块间相互作用的挤压力E(k)是连续的。

　　(3)将金属带的叠层钢带环看成一条钢带环,不考虑钢带环组内部各环间的滑动和摩擦。