汽车无级变速器设计

汽车无级变速器设计

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摘要

摘要

人们早就认识到无级变速器是提高汽车性能的理想装置，并一直不懈的努力研究，努力追求实现这一目标。70年代后期，荷兰VonDoorne’s Transmission 公司研制成功VOT金属传动带并于1982年投放市场，推动CVT技术向实用化迈进了一大步。1987年美国福特公司首次在市场上小批量推出装有这种VDT带的CVT汽车，此后意大利菲亚特，日本富士重工和德国大众等多家公司也推出了小批量的CVT汽车（如Ford的Fiesta、Scorpio;Fiat的Uon、Ritmo;Sabaru的Ecvt、WV的Golf等）。各国均视其为自动变速技术的崭新途径，已成为当前国际汽车的研究开发领域的一个热点。

无极传动CVT与其他自动变速器相比较，优点是明显的。其操纵方便性和乘坐舒适性可与液力变矩器相当，而传动效率却高得多，接近有级机械式自动变速器的水平。更主要的是，它能最好的协调车辆外界行驶条件与发动机负载，使汽车具有一个不存在“漏洞”的牵引特性，且调速时无需切断动力充分发掘发动机的潜力，从而可显著降低汽车的油耗，提高最大车速和改善超车的性能。无极传动CVT特别受到非职业驾驶员的欢迎，因为它从根本上简化了操纵，不仅可取消变速、离合器踏板，而且总是按驾驶员意图控制发动机在最佳工作位置工作。此外，由于工作和控制原理相对简单，CVT传动完全可以做到比有级变速器（AT）传动更紧凑，更轻，成本更低。

对于CVT这种具有广阔使用发展前景的技术，迄今国内研究、应用的很少。我们在前人研究的基础上，针对广州本田即将生产的经济型轿车设计一种CVT，来替换原来的变速器，为以后CVT的研究和试验打下基础。

关键词：无级变速器结构设计自动压紧

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目录

摘要

1.绪论

1.1汽车变速器的类型? (1)

1.2汽车变速器的类型和特点 (1)

1.3采用无极变速器——CVT的汽车可以节油的原理 (2)

1.4实现汽车无级变速器——CVT大变速比、大转矩的关键——无偏

斜金属带式无极变速传动 (3)

2.CVT的总体设计

2.1原车的相关参数 (5)

2.2带传动的分析 (5)

2.3压紧装置的设计 (8)

2.4齿轮设计计算 (15)

2.5轴的设计计算 (22)

2.6轴承的设计计算 (30)

2.7锥轮处的键的设计计算 (31)

3.变速器的调控分析

3.1 CVT的一般调控理论分析 (32)

3.2 CVT最佳调控逻辑 (34)

4.总结 (38)

5.致谢 (39)

6.参考文献 (40)

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1. 绪论

1.1 汽车变速器的类型

目前汽车变速器按变速特点来分，可分为两大类：一是有级变速器；二是无级变速器。按执行变速的方式来分，可以分为自动和手动两类。

1. 2 汽车变速器的类型和特点

1.2.1 液力变矩器

液力变矩器是较早用于汽车传动的无级变速器，成功地用于高档汽车的传动中。由于传动效率低，且变速比大于2时效率急剧下降，经常仅在有级（2～3档）变速器的两档中间实现无极变速，因此未能推广开来。目前经常作为起步离合器在汽车中使用。

1.2.2 宽V形胶带式无级变速器

宽V形胶带式无极变速器是荷兰DAF公司在1965年以前的产品，主要用在微型轿车上，一共生产了约80万辆。由于胶带的寿命和传动效率低，进而研究和开发了汽车金属带式无级变速器。

1.2.3 金属带式无级变速器

金属带式无级变速器是荷兰VDT公司的工程师Van Dooren 发明的，用金属带代替胶带，大幅度提高了传动效率、可靠性、功率和寿命，经过30～40年的研究，开发已经成熟，并在汽车传动领域占有重要的地位。目前金属带式无级变速器的全球总产量已经达到250万辆/年，在今后三年内将达到400万辆，发展速度很快。

金属带式无级变速器的核心元件是金属带组件。金属带组件由两组9～12层的钢环组和350～400片左右的摩擦片组成，其中钢环组的材料，尤其

>2000MP），各层环之间“无间隙”是制造工艺是最难的，要实现强度高（

b

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配合。以前只有荷兰VDT公司掌握这种工艺，现在我国沈阳越士达无级变速器有限公司也已近掌握了这种技术，并在重庆工学院建成了一条示范性生产线。

金属带式无级变速器的传动原理，主、从两对锥盘夹持金属带，靠摩擦力传递动力和转矩。主、从动边的动锥盘的轴向移动，使金属带径向工作半径发生无级变化，从而实现传动的无级变化，即无级变速。

1.2.4 摆销链式无极变速器

摆销链式无级变速器是由德国LUK公司将摆销链用于Audi汽车传动的成功范例。与金属带式CVT不同的是，它将无级变速部分放在低速级，即最后一级。其原因是链传动的多边形效应在高速级是会产生更大的噪音和动态应力。所以其最新的结构中，假装了导链板以减少震动和噪声。但是由于在低速级传动中，要求传递的转矩大，轴向的压力较大，液压系统的

MP），而摩擦盘式离合器所要求的油压又不高，这油压也大（大约为8～9

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样，液压系统就比较复杂。由此看来，如果能进一步降低和消除多边形效应，将会进一步提高此类传动的水平，简化整机设计、降低成本。

1.2.5 环盘滚轮式无级变速器

环盘滚轮式无级变速器是英国Torotrak 公司发明的无级变速器。运动和动力由输入盘靠摩擦力传给滚轮，滚轮降运动和动力靠摩擦力传给输出盘。当滚轮在垂直于纸面的轴向运动时，滚轮和两个环盘的接触点连续变化，输入盘和输出盘接触点的回转半径连续变化，实现无极传动。

1.3采用无极变速器——CVT的汽车可以节油的原理

由于汽车的发动机的进排气系统是考虑了空气流的动力学而设计的，由凸轮轮廓形块决定进气和排气气门的开闭。发动机在某一最佳转速下能够进气充分、排气充分、燃烧完全、能量利用充分、排气污染少；但离开

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这一转速就会有进气不充分、排气不充分、燃烧不完全、能量利用差、油耗增加和排气污染增加等问题。

汽车的车速是随机的，在20～30km/h到150～180km/h之间变化。为了很好的利用发动机的动力和减少油耗，采用有级变速（MT和AT），在两档之间依靠发动机的转速变化来适应车速的变化，因而发动机无法达到最佳的工作状态。

采用液力变矩器的无级变速器，由于其工作原理是油作为动力传动的介质，许多能量消耗在油的内摩擦上，传动效率低，通常为80～85%，比传统的MT和AT大约费油10%～20%，而且液力变矩器转差较大，效率较低。通常减速比不大于2，只能增加2～3档有级变速，每两档间用液力变矩器实现无级变速。

无级变速器（CVT）可以使发动机在最佳状态下工作，依靠变速器无级调速来适应汽车的各种速度，因此可以是发动机燃烧最好，排气污染最小，达到节油的目的。

1.4级变速——CVT大变速比、大转矩的关键——无偏斜金属

带式无级变速传动

对称直母线锥盘情况下，金属带在变速过程中必然产生偏斜。此偏斜量限制了锥盘的半径，也限制了变速比。因而对称直母线锥盘所产生金属带的偏斜，一方面限制了车辆节油的经济车速范围;另一方面限制了锥盘工作半径的增加，也限制了可传递的转矩，即传动能力。目前，汽车CVT的R=5.5左右，通常用于排量在2.0L以下的汽车传动中。

变速比一般在

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1.5 抛弃液压加压系统，进一步节油

汽车金属带和摆销链式无极变速器——CVT，是当前汽车自动变速器中

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最具前景的传动形式。目前汽车金属带式无级变速器绝大部分采用液压加压、电子系统控制方案。

发动机的动力通过变矩器离合器和液力变矩器传给前进、倒档离合器，液力泵产生的高压油通过液压缸将力施加给锥盘变速装置，该力施加给金属带组件产生摩擦力，将主动轮的转矩传递给从动轴，然后通过减速装置，经减速器输出给车轮。

这种方案的优点在于除了金属带传动的全新技术以外，全部采用了成熟技术，可行性好。但与成熟的AT（自动变速器）技术一样，有一个重要的弱点，即是均采用耗能的液压伺服系统。AT和MT（手动变速器）均为齿轮传动，AT比MT多耗油15%左右，其原因在于液压私服系统耗能。采用CVT 的汽车，由于CVT可使发动机在最佳区域工作，因而达到节油的目的。目前其油耗与采用MT的汽车持平。

如果抛弃液压加压系统，将避免能量的损失，达到更加节油的目标。

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2. CVT的总体设计

2.1 原车相关参数

本次设计的各项参数如下：

面对对象 1.0L轿车

轿车驱动形式前置前驱

发动机最高转速5881（r/min）

最大功率38.0kw/5800rpm

最高车速135km/h

最大扭矩75.0Nm/3299rpm

倒档传动比 3.125

传动比范围0.864-3.09

主减速器传动比 4.5

2.2 带传动的分析

2.2.1 变速方式

在金属带传动中，带轮由圆锥盘组成，利用圆锥盘的轴向移动来达到变速。这种变速机构紧凑，传动可靠，应用范围广泛。在这种变速器中，有的只是一个带轮可轴向移动，另一个带轮的直径是固定不变的，这种情况下变速，必须同时改变两轮的中心距，这在我们的设计中是难以布置和难以控制甚至难以达到的。另一些机构两轮都起变速作用，这又分为两种情况：A、两轮的两边都可以调节;B、只有一边可以调节。要调节就必须有控制或压紧机构，在A中情况下，机构必然变得复杂和庞大，而B情况可以有效地避免这种情况的发生。

本方案采用一级变速就可以达到设计要求。

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II 在金属带的选取上，我们选用了现有的自制金属带，结构参数为：上底宽32mm ，高15mm ，工作中径为26mm 。

综上所述:本方案在带轮的结构选择单级，两个带轮都是面可调的金属带形式。

2.2.2 基本运动关系

1）带轮的移动距离

带轮的移动距离受到两边带轮相碰的位置和带达到带轮内边缘的位置所限制。

1222

b D d x tg ?-== 因此，在双向移动的情况下：

式中 ?——带轮两边的夹角；

1b ——带底面的宽度，1222p b h tg b ???=- ???

p b ——带中性层的宽度；

2h ——中性层至底面的距离，21h h h =- (1h 为带中性层面至顶面的距离)，在带轮移动的情况下，轴向移动距离为上式中X 的二倍。

2）CVT 传动比及调速的范围

为了具有较高的传动效率，且设计和制造的方便，两个带轮的尺寸设计为同样大小。要扩大变速的范围，须增加带的宽度，减小带轮的槽角或减小带轮的直径d 。

带轮的楔角太小容易使带楔在槽中，此外，楔角越小，带上受到的横向力就越大，也容易使带挠曲，所以楔角不能太小。经验值为22-24度。我们选用28度的楔角。