汽车cvt结构和性能的研究

112汽车CVT结构和性能的研究摘要：改善燃油经济性和二氧化碳排放水平是新型轿车开发工作中优先考虑的问题。新开发的6档自动变速器和CVT将应用在车辆上。这些变速器可完全满足降低燃油消耗和排放的要求，并在任何情况下都能提高驾驶舒适性。将它们于5档后轮驱动和4档前轮驱动自动变速器相比，即可发现新变速器系统的优越性。在NEDC(新欧洲循环驾驶)试验中可节约6%—8%的燃油。关键词：汽车,自动变速器,无级变速器,燃油经济性,加速性Abstract：TheimprovementinfueleconomyandinCO2emissionlevelshasahighpriorityinthedevelopmentworkofnewpassengercarsandnewmodels．Newlydeveloped6一speedautomatictransmissionsandcontinuouslyvariabletransmissions(CVT)willbeavailableinvehiclesinthenearfuture．Thesetransmissionswillfulfilltherequirementstoreducefuelconsumptionandemissionsandwillincreasedrivingcomfortatthesametime．Acomparisonwiththestateoftheartsolutions，i．e．5一speedautomatictransmissionsforrearwheeldrivenand4-speedautomaticsforfrontwheeldrivencars，showstheadvantageofthenewtransmissionsystems．ThenewdesignsleadtoafuelconsumptionreductionintheNewEuropeanDrivingCycle(NEDC)of6to8%.Keywords:Automobile,AutomaticTransmission,CVT,Fueleconomy,Acceleration22引言目前在轿车开发过程中，降低燃油消耗是检验新品种和新车型的一个关键。在欧洲，背后的促进力量来自：1991年德国汽车制造商自行决定在2005年实现减少燃油消耗25%，同时欧洲汽车协会(ACEA)在1995年建议将汽车燃油消耗降至欧洲可接受的水平。德国汽车制造商预测以汽车工业平均水平而论在14年内能将轿车的平均油耗从8升／100km降到6升／100km，相当于从每加仑56.8英里增加到每加仑75.7英里。ACEA的协议建立在到2008年汽车的二氧化碳排放将从180g／km(112g／mi)降至140g／km(87g／mi)。这样一个雄心勃勃的目标只能通过各方面的改进才能实现。为达到该目标，除了改进发动机外，传动系统也应做出贡献。作为传动系的主要部件，变速器尤为重要。除了最低燃油消耗和高的性价比外，在评判轿车水平方面，驾驶舒适性正成为一个重要的依据。本文将重点对传动系统中的变速器的进行研究和论述，来说明对变速器的改进对汽车经济性的贡献。第1章变速器的种类简介及运用1.1变速器的功能变速器是汽车传动系中重要的机构，它的作用主要有3个，分别是：第一，在较大范围内改变汽车行驶速度的大小和汽车驱动轮上扭矩的大小。由于汽车行驶条件不同，要求汽车行驶速度和驱动扭矩能在很大范围内变化。例如在高速路上车速应能达到100km/h，而在市区内，车速常在50km/h左右。空车在平直的公路上行驶时，行驶阻力很小，则当满载上坡时，行驶阻力便很大。而汽车发动机的特性是转速变化范围较小，而转矩变化范围更不能满足实际路况需要。第二，实现倒车行驶。汽车发动机曲轴一般都是只能向一个方向转动的，而汽车有时需要能倒退行驶，因此，往往利用变速箱中设置的倒档来实现汽车倒车行驶。第三，实现空档。当离合器接合时，变速箱可以不输出动力。例如可以保证驾驶员在发动机不熄火时松开离合器踏板离开驾驶员座位。变速箱由变速传动机构和变速操纵机构两部分组成。变速传动机构的主要作用是改变转矩和转速的数值和方向；操纵机构的主要作用是控制传动机构，实现变速器传动比的变换，即实现换档，以达到变速变矩。机械式变速箱主要应用了齿轮传动的降速原理。简单的说，变速箱内有多组传动比不同的齿轮副，而汽车行驶时的换档行为，也就是通过操纵机构使变速箱内不同的齿轮副工作。如在低速时，让传动比大的齿轮副工作，而在高速时，让传动比小的齿轮副工作。1.2变速器的种类1.2.1手动变速器（MT）手动变速器(MT：ManualTransmission)采用齿轮组，由于每挡的齿轮组的齿数是固定的，所以各挡的变速比是个定值(也就是所谓的“级”)。比如，一挡变速比是3.455,二挡是2.056,再到五挡的0.85,这些数字再乘上主减速比就是总的传动比，总共只有5个值(即有5级)，所以说它是有级变速器。手动变速器是最常见的变速器，它的基本构造用一句话概括，就是两轴一中轴，即指输入轴、33轴出轴和中间轴，它们构成了变速器的主体，当然还有一根倒档轴。手动变速器又称手动齿轮式变速器，含有可以在轴向滑动的齿轮，通过不同齿轮的啮合达到变速变扭目的。1.2.2液力自动变速器（AT）液力自动变速器传动部件主要是液力变矩器和多组行星齿轮组成。它仍然分为多档，实际上是一种分段的无级变速器。目前它是国外用的最多的自动变速器，在美国采用液力自动变速器的轿车已达90%以上，日本已达73%，欧洲为65%。它的效率在86~90%。其优点：①免除了手动变速器的换挡和脚踩离合的频繁操作，使开车变得简单、省力。②动力性优越，在大阻力、低转速下发动机不会熄火。缺点是：结构复杂、重量大、效率低、成本高、油耗高。从发展来看，液力自动变速器已走过60多年历史，其功能和潜力的开发已经接近极限，长期存在的不足比如：启动速度慢、工作效率低、油耗大等问题到目前为止还未有突破性改进。1.2.3电控机械自动变速器（AMT）电控机械自动变速器是在现有的手动变速器基础上，增加了一套自动换挡机构而成。自动换挡机构已成功应用的有两类，一是以电机为主的电控换挡机构，二是由油缸为主的电液控制系统。AMT的研究始于上世纪70年代，瑞典Scania系统、德国DaimlerBenz的ESP系统、美国Eaton的SAMT系统，1983年，日本五十铃公司在世界上最先研制成功电子控制全机械式有级自动变速器NAVI-5，装于ASKA轿车投放市场，美国Eaton公司于1983年宣布成功地将重型货车的手动变速器实现了自动化，德国ZF公司对Ecosplit变速器的16挡也完全实现了自动换挡，并于1988年装于Geneva货车上。AMT是动力中断情况下的换挡，需要频繁地控制离合器，由于轿车的惯量小，离合器的控制好坏直接影响起步和换挡的平顺性，同时，每辆汽车的离合器行程存在差异，因此，离合器起步控制和换挡操纵规律是困恼AMT技术发展的难点，造成AMT自动离合器磨损和坡道、弯道一外换挡等不良现象，难于正确反映驾驶员44操纵意图，相对广泛应用的AT来说，AMT换挡品质较差。这一阶段主要是研究自动离合器，而对于换挡控制于换挡控制策略，AMT还不十分成熟。1.2.4金属带式无极自动变速器（CVT）金属式无极自动变速器由可轴向分合的楔形带轮和钢带组件构成，变速原理类似于V形橡胶带无级变速器传动。金属带技术的发展可追述到V形橡胶带传动。1928年，荷兰Dr.HubDoorne兄弟创立了VanDoorne’sAutomobielfabriekNV汽车厂，1958年在Eindhoven制造了橡胶带自动变速器Variomatic,该变速器整个装置比较笨重，在后桥需要较大的安装空间，经管如此，它仍销售了120万台。上世纪60年代荷兰的汽车设计者开始研究结构更紧凑，传递功率更大的CVT，经过分析，他们认为金属带可以传递更大的功率密度。随后开展了对金属带的研究。1973年，第一台装用钢带的CVT变速器装用在DAF66汽车上。第2章CVT的发展历史及现状2.1无级变速器的发展历史达芬奇在1490年，概念化了1级无级变速。第一个有关无级变速器的专利环形无极变速器提交于1886年，并最终在1935年欧洲和美国被授予的第一个相关专利。金属带式CVT的装车使用只有十几年的时间,但是CVT技术的发展已有100多年的历史。1886年,DaimlerBenz在首辆采用汽油机的汽车上装上了橡胶带CVT。1906年,美国卡特车装用了简单的金属盘摩擦传动无级变速器。1912年，英国摩托车制造商Rudge-Whitworth建造了RudgeMulti。RudgeMulti是一个很大的改进版本的较高境界的Gradua齿轮。该RudgeMulti是如此成功，以至于从1913年开始无级变速器齿轮最终被禁止在著名的旅游杯比赛中使用。1930年AustinSixteen车上,装用了牵引式CVT。电子控制技术特别是计算机控制技术的发展,使得无级变速传动得到应用与发展。20世纪60年代后期,荷兰工程师VanDoorne研究出金属带CVT,这是CVT技术具有划时代意义的事件。1972年,H.VanDoorne成立了独立的公司。1978年,意大利Fiat公司的汽车开始装用VanDoorne的CVT。1987年,美国Fort汽车公司的汽车装有这种CVT。目前,市场上的CVT有三种产品:P821型,采用电磁离合器作为起动装置,机—液或电—液控制系统,以外齿轮泵作为液压源,实用于发动机排量在1.3以下的小型轿车;P811型,实用于发动机排量在1.8以下的中型轿车;P844型,采用新型金属传55动带,将液力变矩器与CVT综合,全电子控制系统,实用于发动机排量在3.3以下的豪华轿车。1990年美国生产出计算机控制的无级调速液压自动变速器(CVT),此后日本、美国、德国等轿车生产商大多采用此项技术。日本在研制CVT的初期,即将电子控制技术与CVT技术结合,成功地开发出电子控制技术的CVT,即ECVT,陆续装在Rex,Sambar和Justy上。1992年3月日产尼桑在富士重工ECVTN的基础上开发了N-无级变速器。在20世纪90年代末，日产开始设计自己的无级变速器，允许较高的扭矩和传递动力。这种模式的变速箱被用于日本的一些市场。日产也是唯一的在最近几年，使轧辊的无级变速器推向市场的汽车制造商。其环形无级变速器，名为Extroid，可以在日本市场的Y34日产凯莱和V35天然气GT-8中看见它们的身影，然而，在日产尼桑收购Cedric/Gloria时，这种变速箱还不流行。丰田汽车在1997年的普锐斯汽车上运用来了功率分流传动（PST）装置，以及后来的在国际上销售的所有丰田和雷克萨斯的混合动力车都继续使用该系统（在混合动力驱动名称的下面有标志）。虽然出售是类似ECVT的东西，但事实上这种装置是没有固定的传动比的。PST系统允许电动机或内燃机（ICE）来驱动汽车或两者共同来推动车辆。完整的系统的反应（在计算机控制下）是类似于电容式电压互感器无级变速器，它速度相对较低，并不断在低功率或更低和不断高功率或更高功率转换。2.2无级变速技术的发展现状2.2.1金属带式无级变速器国外的研究领域金属带式无级变速器的结构、力学分析、传动效率等,在国外已研究成熟,国外的研究热点主要集中在CVT电液控制系统的控制策略上,如CVT电液控制系统的智能PID控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制等。金属带式无级变速器的结构、力学分析、传动效率等研究在国内已取得很大的进展,但CVT电液控制系统的控制策略、实验仿真等研究在国内刚刚起步。2.2.2我国对于金属带式无级变速器的研究展望自“九·五”以来,轿车金属带式无级自动变速器的开发和研制已经被列入国家的重大科技攻关计划,重庆大学、吉林大学等承担了多项金属带式无级变速器方面的国家自然科学基金项目。以奇瑞汽车有限公司为代表的汽车制造厂商承担了科技部金属带式无级变