作者:王瑾 劉飛濤丨EDC電驅(qū)未來(lái)
帶式與鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器是目前應(yīng)用最廣泛的兩種形式。鋼帶和傳動(dòng)鏈兩種傳動(dòng)媒介,因其結(jié)構(gòu)、邊界要求以及承載能力的不同,影響變速器的整體設(shè)計(jì),需要在變速器開(kāi)發(fā)的初期階段確定。本文論述了鋼帶和傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與傳動(dòng)特點(diǎn),可應(yīng)用于無(wú)級(jí)變速器帶輪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型。
變速器是衡量汽車經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及油耗的重要指標(biāo)之一,自主研發(fā)具備最佳性能的變速器是汽車行業(yè)的主要課題之一。目前常見(jiàn)的變速器有:手動(dòng)變速器(MT)、自動(dòng)變速器(AT)、雙離合變速器(DCT)和無(wú)級(jí)變速器(CVT)。其中,無(wú)級(jí)變速器與其他幾類有級(jí)變速器的明顯區(qū)別是可以連續(xù)改變傳動(dòng)比,在整個(gè)變速過(guò)程中實(shí)現(xiàn)連續(xù)、無(wú)間斷的無(wú)級(jí)變速,使車速變化平穩(wěn),避免了有級(jí)變速的換檔頓挫與換檔響應(yīng)延遲問(wèn)題。
無(wú)級(jí)變速器的特點(diǎn)
1.整車動(dòng)力性
無(wú)級(jí)變速器最為顯著的特點(diǎn)是速比可以連續(xù)無(wú)級(jí)地變化,換檔舒適平順,較裝配MT、DCT和AT的車型,乘坐舒適性大大提高,相對(duì)于有級(jí)變速器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。如圖1所示為CVT和AT車速變化時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化波動(dòng),由曲線波動(dòng)范圍可以看出CVT車速改變時(shí)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化波動(dòng)范圍較小,而AT隨著車速變化對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化波動(dòng)影響較大。
2.燃油經(jīng)濟(jì)性
圖1 CVT和AT車速變化時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化
CVT能夠在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速,實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)特性的最佳匹配,使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)域,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率,從而提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。
3.結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性
相對(duì)于有級(jí)變速器,CVT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,也更有利于輕量化、小型化設(shè)計(jì)。CVT不需要多組齒輪組傳動(dòng),既沒(méi)有MT的眾多齒輪副,也沒(méi)AT復(fù)雜的行星齒輪組,而是通過(guò)一組可變直徑的傳動(dòng)輪和傳動(dòng)帶來(lái)傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出。CVT傳動(dòng)系統(tǒng)的零件數(shù)量相較于AT、MT和DCT更少,使變速器成本降低20%以上。
帶式無(wú)級(jí)變速器
1.鋼帶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
如圖2所示,帶式無(wú)級(jí)變速器的鋼帶是由400多片鋼片和兩組鋼環(huán)組成,每片鋼片厚度約為1.5~1.8 mm,每組鋼環(huán)由9片或12片厚度為0.18 mm的薄環(huán)帶無(wú)縫疊合組成。鋼環(huán)的作用是約束鋼片,提供預(yù)緊力,并正確引導(dǎo)鋼片運(yùn)動(dòng)。鋼帶是一套非常精密的組件,鋼環(huán)的材料冶煉難度大,國(guó)內(nèi)尚無(wú)該材料冶煉經(jīng)驗(yàn),工藝精度要求極高。
帶式CVT的鋼帶承載能力取決于鋼環(huán)強(qiáng)度,可傳遞的轉(zhuǎn)矩有限,目前常用的轉(zhuǎn)矩范圍為150~280 N·m,超出280 N·m的應(yīng)用較少。
2.帶式CVT帶輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖2 鋼帶
帶輪系統(tǒng)是無(wú)級(jí)變速器CVT的核心部分,由主、從動(dòng)帶輪軸總成和鋼帶組成,如圖3所示。鋼帶兩端繞在一組主、從動(dòng)帶輪上,通過(guò)油壓變化推動(dòng)主、從動(dòng)可動(dòng)帶輪軸向移動(dòng)。當(dāng)動(dòng)力傳到主動(dòng)帶輪上,在液壓控制系統(tǒng)作用下,主動(dòng)帶輪油缸內(nèi)的油壓推動(dòng)主動(dòng)帶輪沿主動(dòng)帶輪軸軸向移動(dòng),產(chǎn)生軸向夾緊力;軸向夾緊力作用在鋼帶的鋼片V形側(cè)邊,與帶輪產(chǎn)生摩擦力向前帶動(dòng)鋼片,使后面的鋼片擠壓前面的鋼片,在二者之間產(chǎn)生擠推力;由于鋼帶的帶長(zhǎng)一定,在鋼帶張力的作用下,鋼帶推動(dòng)從動(dòng)帶輪可動(dòng)錐盤(pán),產(chǎn)生軸向移動(dòng);當(dāng)主、從動(dòng)可動(dòng)帶輪沿著帶輪軸做軸向移動(dòng)時(shí),鋼帶在主、從動(dòng)帶輪上的回轉(zhuǎn)半徑發(fā)生變化,速比隨之發(fā)生改變。
鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器
鋼帶式和鋼鏈?zhǔn)紺VT其主要區(qū)別是使用的傳遞媒介不同,傳遞轉(zhuǎn)矩的原理略有差異。鋼帶式CVT是通過(guò)鋼片側(cè)面與帶輪錐面間的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩,整齊排列在鋼環(huán)上的鋼片推動(dòng)鋼帶傳動(dòng);而鏈?zhǔn)紺VT則是通過(guò)鏈銷側(cè)面帶輪錐面間的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩,通過(guò)鏈銷連接的鏈片之間的拉力拉動(dòng)傳動(dòng)鏈傳動(dòng)。
但無(wú)論是鋼帶還是鋼鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速,控制變速系統(tǒng)傳動(dòng)比的原理是一致的,都是通過(guò)油壓推動(dòng)帶輪執(zhí)行缸,改變鋼帶或傳動(dòng)傳動(dòng)鏈的工作半徑,實(shí)現(xiàn)速比的連續(xù)變化。
1.傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器是用金屬傳動(dòng)鏈作為傳遞媒介,傳動(dòng)鏈由鏈片和鏈銷組成,鏈片分為長(zhǎng)鏈節(jié)鏈片和短鏈節(jié)鏈片,按照特定的排列組合順序疊加,利用一對(duì)鏈銷將組合的鏈片串聯(lián)在一起,共同構(gòu)成鏈?zhǔn)阶兯傧到y(tǒng)。
由于鏈片的節(jié)距與鋼片差距很大,極易產(chǎn)生多邊形效應(yīng),產(chǎn)生共振及噪聲。采用不同節(jié)距的鏈片組合,能夠有效避免相同節(jié)距時(shí)發(fā)生共振的情形,減小多邊形效應(yīng),降低傳動(dòng)噪聲,提高CVT的整體性能。為改善噪聲問(wèn)題,鏈?zhǔn)紺VT通常需要加裝導(dǎo)鏈板,減小傳動(dòng)鏈振動(dòng)帶來(lái)的噪聲問(wèn)題。
2.鏈?zhǔn)紺VT帶輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器的變速原理與鋼帶式CVT相同,是利用傳動(dòng)鏈在帶輪上直徑的變化來(lái)進(jìn)行無(wú)級(jí)變速。與帶式CVT帶輪系統(tǒng)不同的是傳動(dòng)鏈的鏈節(jié)之間是通過(guò)鏈銷柔性連接的,該特點(diǎn)使其可以獲得更小的工作半徑,更有助于整機(jī)的小型化和輕量化。但同時(shí)這種柔性連接使傳動(dòng)鏈傳遞的穩(wěn)定性下降,產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲,需加裝導(dǎo)鏈板進(jìn)行導(dǎo)向固定。
鏈 式 CVT結(jié)構(gòu)緊湊,承載能力較鋼帶大,適用于大轉(zhuǎn)矩CVT。上汽通用汽車的CVT變速器是國(guó)內(nèi)首款采用傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)的無(wú)級(jí)變速器。
圖3 鋼帶——帶輪系統(tǒng)
帶式與鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)的差異
1.帶式與鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器的速比帶寬對(duì)比
最大速比(LOW)和最小速比(OD)是影響汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)。最小速比與汽車的最高車速有關(guān),一定程度上,較小的速比有利于汽車百公里油耗的降低;而最大速比與車輛的加速性能、爬坡性能和最小穩(wěn)定車速有關(guān)。在一定程度上,增大最大速比有利于汽車動(dòng)力性的改善。
如圖4所示,鋼帶的運(yùn)轉(zhuǎn)半徑范圍是由鋼片尺寸決定的,鋼片肩部以下1 mm位置是鋼帶的節(jié)線位置,即鋼帶的運(yùn)轉(zhuǎn)半徑。傳動(dòng)鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)半徑范圍是由鏈銷尺寸決定的,鏈銷的近似中心位置為傳動(dòng)鏈的節(jié)線位置,即傳動(dòng)鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)半徑。傳動(dòng)鏈節(jié)線上部的尺寸較鋼帶小,從而可獲得更大運(yùn)轉(zhuǎn)半徑。此外,鋼帶受限于鋼環(huán)本身的彎曲應(yīng)力,其最小運(yùn)轉(zhuǎn)半徑受到一定限制,而傳動(dòng)鏈的柔性連接則不需要考慮最小半徑的限制,因此,傳動(dòng)鏈能獲得更寬的速比范圍。
以某款CVT180變速器為例,對(duì)帶式與鏈?zhǔn)降乃俦葞掃M(jìn)行比較。對(duì)于轉(zhuǎn)矩180 N·m左右的CVT變速器,通常選用節(jié)線寬度為24 mm的鋼帶與傳動(dòng)鏈,即兩種形式的帶輪傳動(dòng)系統(tǒng),鋼帶和傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)選型所選用的軸向尺寸是一致的,但因鋼帶和傳動(dòng)鏈本身結(jié)構(gòu)不同,在帶輪中心距一致的情況下,兩者的最大和最小轉(zhuǎn)動(dòng)半徑會(huì)有差異,從而導(dǎo)致速比帶寬不同。
同轉(zhuǎn)矩、中心距條件下,帶式與鏈?zhǔn)綆л喯到y(tǒng)所能達(dá)到的速比帶寬見(jiàn)表所示,鏈?zhǔn)捷^帶式速比范圍增大約6.3%。
2.帶式與鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器的效率對(duì)比
帶式無(wú)級(jí)變速器,當(dāng)鋼帶運(yùn)轉(zhuǎn)半徑縮小時(shí),鋼環(huán)內(nèi)側(cè)與外側(cè)的半徑差相對(duì)擴(kuò)大,鋼環(huán)之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),導(dǎo)致摩擦損耗增加;而在速比為1時(shí),兩帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)半徑一致,鋼環(huán)間相對(duì)靜止,滑動(dòng)摩擦較小,摩擦損失較小。因此,在小轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的低速檔和高速檔,帶式CVT傳動(dòng)效率較低;隨著轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的增大,在1速比位置時(shí),傳動(dòng)效率達(dá)到最高。
鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器,傳動(dòng)鏈在小工作半徑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),其內(nèi)應(yīng)力相比鋼帶的彎曲應(yīng)力小,功率損失較小。鏈銷之間為圓弧接觸,能夠產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),形成相對(duì)滾動(dòng)摩擦,減小傳動(dòng)鏈系統(tǒng)的內(nèi)磨擦損耗,可以提高傳動(dòng)鏈系統(tǒng)傳遞效率。
表 帶式與鏈?zhǔn)剿俦葞?/p>
圖 4 鋼帶與鏈條截面
圖5 效率測(cè)試條件
圖6 帶式與鏈?zhǔn)降腘VH對(duì)比
圖7 鏈?zhǔn)紺VT增加導(dǎo)軌降噪
以某款CVT180變速器為例,對(duì)帶式與鏈?zhǔn)降膫鲃?dòng)效率進(jìn)行比較。測(cè)試條件如圖5。
結(jié)果顯示,鏈?zhǔn)脚c帶式CVT的效率在速比1時(shí)近似,在車輛向高速檔變速時(shí),鏈?zhǔn)紺VT效 率 較 帶 式CVT高2.27%~5.53%;在車輛向低速檔變速時(shí),鏈?zhǔn)紺VT效率較帶式CVT高1.38%~4.27%,且隨著轉(zhuǎn)矩的增大,鏈?zhǔn)脚c帶式CVT效率的差值增大。
3.帶式與鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器的噪聲對(duì)比
帶式CVT因鋼帶的鋼片數(shù)目多,鋼片節(jié)距小,傳動(dòng)過(guò)程中的多邊形效應(yīng)較小,不易引起振動(dòng)和噪聲;而鏈?zhǔn)紺VT因鏈節(jié)之間的節(jié)距較大,多邊形效應(yīng)較大,更容易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。因此,帶式CVT具備更佳的NVH性能,如圖6所示。鏈?zhǔn)紺VT通過(guò)加裝導(dǎo)軌、隔音罩等附件,能夠獲得一定的降噪效果,如圖7所示。
總結(jié)
帶式與鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器的特點(diǎn)如下:在轉(zhuǎn)矩能力方面,鋼帶的主要應(yīng)用范圍在150~280 N·m,目前市場(chǎng)大轉(zhuǎn)矩CVT(>300 N·m)以鏈?zhǔn)骄佣啵瑐鲃?dòng)鏈較鋼帶具有明顯優(yōu)勢(shì)。
在速比帶寬上,傳動(dòng)鏈的高度尺寸較鋼帶小,且傳動(dòng)鏈的最小運(yùn)轉(zhuǎn)半徑可以比鋼帶更小,在帶輪系統(tǒng)中心距一致的情況下,可以實(shí)現(xiàn)更寬的速比范圍。
在效率方面,理論分析與測(cè)試顯示,傳動(dòng)鏈在高傳動(dòng)比和低傳動(dòng)比時(shí),效率較鋼帶有明顯提升。鋼帶在起步和高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的傳動(dòng)效率較低,為提高效率,可增大鋼帶的最小工作半徑,使鋼帶運(yùn)行在高效率區(qū)間。
在噪聲方面,鋼帶的小節(jié)距鋼片結(jié)構(gòu)使帶式CVT的NVH特性更佳。
審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:無(wú)級(jí)變速器CVT傳動(dòng)研究
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