廖林清，胡 飛，謝 明，藺朝莉

(1.重慶理工大學(xué) a.汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.重慶汽車學(xué)院，重慶 400054;2.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331)

膠帶式無級變速器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、可以實(shí)現(xiàn)傳動比的連續(xù)改變等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于踏板摩托車、雪橇摩托車中。目前，國內(nèi)對無級變速傳動進(jìn)行了大量研究［1-8］，但是對膠帶式無級變速器的研究相對較少，尤其對在整車實(shí)際行駛路況、油門開度變化時，膠帶式無級變速器如何調(diào)整速比等問題在理論上的研究比較缺乏。

本文在前人建立的膠帶式無級變速器雙輪加壓模型［9］的基礎(chǔ)上，研究某型號雪橇摩托車在冰面行駛路況下膠帶式無級變速器在整車上的調(diào)速特性，得到了膠帶式無級變速器的傳動比與雪橇摩托車的油門開度、路面坡度的變化關(guān)系。本文固定一系列膠帶式無級變速器的傳動比和負(fù)載扭矩的值，通過理論計算得到對應(yīng)的油門開度和道路坡度值。

1 油門開度的計算

在雪橇摩托車上，膠帶式無級變速器前端與發(fā)動機(jī)輸出軸相連，后端與減速器相連。通過膠帶式無級變速器的傳動比、傳動效率可換算得到雪橇摩托車發(fā)動機(jī)的輸出扭矩

其中:Te為發(fā)動機(jī)輸出扭矩;T為膠帶式無級變速器的負(fù)載扭矩;i為膠帶式無級變速器的傳動比;ηcvt為膠帶式無級變速器的傳動效率，一般取值0.8。

前人已繪制出膠帶式無級變速器的傳動比、負(fù)載扭矩、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速三者的關(guān)系曲面［9］，結(jié)合式(1)，可得膠帶式無級變速器的傳動比、發(fā)動機(jī)輸出扭矩、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速三者的關(guān)系。在已知某一雪橇摩托車發(fā)動機(jī)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出扭矩-油門開度圖時，對于任何發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出扭矩，運(yùn)用數(shù)學(xué)中的插值法可找到對應(yīng)的油門開度值，由此計算出與膠帶式無級變速器的傳動比和負(fù)載扭矩相對應(yīng)的雪橇摩托車發(fā)動機(jī)的油門開度值。

1.1 繪制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出扭矩-油門開度圖

繪制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出扭矩-油門開度圖，即繪制發(fā)動機(jī)在不同油門開度下的速度特性曲線。本文研究的雪橇摩托車的發(fā)動機(jī)為某大排量汽油發(fā)動機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 某發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

通過參考有關(guān)發(fā)動機(jī)速度特性曲線的資料［10-11］，用Matlab繪制發(fā)動機(jī)的油門開度-發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出扭矩圖，如圖1所示。

圖1 油門開度-發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出扭矩圖

1.2 油門開度的確定

通過Matlab編程交換油門開度-發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出扭矩圖的坐標(biāo)順序，把Z坐標(biāo)換為油門開度的值，X、Y坐標(biāo)分別換為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)輸出扭矩的值，結(jié)果如圖2所示。

圖2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出扭矩-油門開度圖

利用膠帶式無級變速器的傳動比、膠帶式無級變速器的負(fù)載扭矩，通過式(1)得到發(fā)動機(jī)輸出扭矩的值，如表2所示。已知膠帶式無級變速器的傳動比、負(fù)載扭矩、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速三者的關(guān)系曲面［9］，結(jié)合表2得到膠帶式無級變速器的傳動比、發(fā)動機(jī)輸出扭矩、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速三者的關(guān)系，在已知發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出扭矩時，用插值法ZI=griddata(x，y，z，XI，YI)進(jìn)行插值，求得對應(yīng)的油門開度值。計算結(jié)果如表3所示。

表2 發(fā)動機(jī)輸出扭矩的值 N·m

表3 雪橇摩托車的油門開度值 %

2 坡度的計算

坡度可通過雪橇摩托車在冰面上的行駛方程式來計算。汽車的行駛方程式為［12］

其中:Ft為雪橇摩托車的驅(qū)動力;Fice為雪橇摩托車在冰面上行駛的總阻力。

雪橇摩托車作為在冰雪地區(qū)特殊路況下的專用車輛，極少在其他路面行駛，本文僅考慮雪橇摩托車在冰面上行駛的情況。雪橇摩托車的支撐方式、驅(qū)動方式及行駛路況均不同于普通的摩托車、汽車，因可忽略壓實(shí)及推土等效應(yīng)，將雪橇摩托車在冰面上的行駛阻力Fice簡化為車輛與冰面接觸間的摩擦阻力［13-14］Ffice、空氣阻力 Fw、坡度阻力Fi和加速阻力Fj。

本文研究的雪橇摩托車處于穩(wěn)態(tài)行駛狀態(tài)，加速阻力Fj=0，多余的驅(qū)動力全部用來爬坡，則行駛的總阻力為［11］

其中:μice為冰面與車輛摩擦因數(shù);W為雪橇摩托車車重(kN);α為道路的坡度(°);CD為空氣阻力系數(shù);ua為車速(km/h);A為迎風(fēng)面積(m2)。

對于雪橇摩托車，車速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為［12］

式中:n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);z為履帶驅(qū)動輪齒數(shù);p為履帶節(jié)距(m);icvt為無級變速器傳動比;ig為齒輪箱傳動比。

雪橇摩托車的驅(qū)動力表示為［11］

式中:Re為驅(qū)動輪半徑(m)，Re=p/(2×π/z);T為發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(N·m);icvt為無級變速器傳動比;ig為減速箱傳動比;η為傳動效率。

根據(jù)膠帶式無級變速器的傳動比、負(fù)載扭矩、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速三者的關(guān)系曲面［9］，以及式(2)～(5)和表4，計算出不同膠帶式無級變速器傳動比和負(fù)載扭矩所對應(yīng)的雪橇摩托車的坡度，采用度數(shù)法表示，如表5所示。

表4 雪橇摩托車主要參數(shù)

表5 雪橇摩托車爬的坡度 (°)

3 基于整車的膠帶式無級變速器的調(diào)速特性研究

通過計算出的表3和表5的值，建立由油門開度、坡度、傳動比三者構(gòu)成的調(diào)速曲面，如圖3所示。

圖3反映了在冰面上行駛的雪橇摩托車，其膠帶式無級變速器的傳動比隨油門開度、路面坡度變化的調(diào)速特性。

圖3 膠帶式無級變速器調(diào)速曲面

3.1 油門開度對傳動比的影響

坡度不變時，傳動比與油門開度的關(guān)系相當(dāng)于平行于y-z平面的鉛垂面與調(diào)速曲面的交線在y-z平面的投影線，分別取坡度 a=0，a=0.2，a=0.4，a=0.6，a=0.8，a=1，此時傳動比與油門開度的關(guān)系如圖4所示。

圖4 油門開度與傳動比的關(guān)系

由圖4可知:

1)在坡度不變時，傳動比隨油門開度的增大而變小，且開始減小得快，后來減小得平緩。

2)傳動比與油門開度的關(guān)系為非線性。

3)坡度越大，傳動比隨油門開度的變化越早，圖像變得平緩。

4)坡度不同，傳動比為1時對應(yīng)的油門開度也不同。

5)當(dāng)坡度為0時，處于勻速行駛狀態(tài)的雪橇摩托車其傳動比隨油門開度的增大而減小，剛好滿足油門增大，車輛需高速行駛的要求。

由圖4可以得出:對于搭載膠帶式無級變速器的雪橇摩托車，其爬坡時的每個坡度都對應(yīng)一個最小的油門開度，用最小的油門開度爬坡，可以達(dá)到降低油耗的目的，此時膠帶式無級變速器自動調(diào)整傳動比到最大值3。

3.2 坡度對傳動比的影響

油門開度不變時，傳動比與坡度的關(guān)系，相當(dāng)于平行于x-z平面的鉛垂面與調(diào)速曲面的交線在x-z平面的投影線，分別取油門開度e=0.2，e=0.4，e=0.6，e=0.8，e=1，傳動比與坡度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 坡度與傳動比的關(guān)系

由圖5可知:

1)當(dāng)油門開度不變時，傳動比隨著坡度的增大而增大。

2010年5月中旬，徐河的公司在挖電纜溝時塌方，兩名工人被埋身亡，徐河拿出四十萬元與死者家屬私了。6月7日，徐河假意對妻子廉小花說：“死者家屬漫天要價，咱倆只有假離婚，我凈身出戶，咱家才不至于傾家蕩產(chǎn)?！绷』ㄒ蔡嬲煞蛑保阃饬?，兩人悄悄辦了離婚手續(xù)。徐河將兩套房產(chǎn)歸廉小花名下，并把幾十萬元錢的存折交給廉小花，說是全部積蓄。

2)傳動比與坡度的關(guān)系為非線性。

3)隨著油門開度的增大，傳動比隨坡度的變化趨于平緩。

4)在滿足動力性的前提下，每一個油門開度對應(yīng)車輛能爬坡的最小和最大坡度。油門開度越大，能爬的最小坡度和最大坡度越大。

5)在任一油門開度下爬坡時，爬其對應(yīng)的最小坡度時的傳動比為1，爬其對應(yīng)的最大坡度時的傳動比為3。

3.3 油門開度與坡度的變化關(guān)系

目標(biāo)速比不變時，油門開度與坡度的關(guān)系，相當(dāng)于用平行于x-y平面的水平面去截取調(diào)速曲面后，所得的交線在x-y平面的投影。分別取i=1，i=1.25，i=1.5，i=2，i=2.5，i=3 時，油門開度與坡度的關(guān)系如圖6所示。

圖6 坡度與油門開度的關(guān)系

由圖6可得:

1)若要維持傳動比不變，隨著坡度增大，油門開度要隨之增大。

2)維持傳動比不變，油門開度與所爬坡度的變化呈非線性關(guān)系。低傳動比時的油門開度隨坡度的變化速率快于高傳動比時。

坡度增大，雪橇摩托車的行駛阻力增大，膠帶式無級變速器的從動輪負(fù)載增加。若要保持無級變速器的傳動比不變，則應(yīng)增加膠帶式無級變速器的主動輪的轉(zhuǎn)速，通過增大油門開度提升轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)束語

本文在前人建立的膠帶式無級變速器的雙輪加壓模型基礎(chǔ)上，引入了在冰面行駛的某一型號雪橇摩托車，研究了膠帶式無級變速器的調(diào)速特性，得到了膠帶式無級變速器的傳動比隨油門開度和坡度的變化情況，為膠帶式無級變速器在車輛上的應(yīng)用研究提供了參考。在雪面上行駛的雪橇摩托車其膠帶式無級變速器的調(diào)速特性將是下一步的研究方向。

［1］李紅朋，胡建軍，陳曦，等.加速工況下濕式雙離合自動變速器預(yù)換擋控制策略［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012(12)：5-10.

［2］楊偉斌，陳全世，吳光強(qiáng)，等.智能修正型換擋規(guī)律的設(shè)計及在雙離合器式自動變速器中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2009(01)：205-210.

［3］張莉，朱波，王鼎龍，等。變速器齒輪沖擊試驗(yàn)的加載方式研究［J］.客車技術(shù)與研究，2011(6)：42-43.

［4］楊軍廣，紀(jì)新宇，冉振亞.汽車變速器再制造研究［J］.四川兵工學(xué)報，2011(2)：93-95.

［5］楊偉斌，陳全世，吳光強(qiáng)，等.基于城市循環(huán)工況的雙離合器式自動變速器同步器的控制策略［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2008(12)：244-248.

［6］閻清東，李宏才.濕式多片式制動器帶排轉(zhuǎn)矩研究［J］.機(jī)械，2001(6)：73-75.

［7］駱順志，程越，李鑫.機(jī)械電子控制金屬帶式變速器速比控制及仿真［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011(8)：14-20.

［8］楊翔宇，代紅偉，陳寶，等.雙離合器自動變速器正扭矩?fù)Q擋控制過程［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012(5)：1-5.

［9］藺朝莉.大功率膠帶式無級變速器調(diào)速性能的研究［D］.重慶：重慶理工大學(xué)，2012.

［10］廖林清，柯晶晶，謝明，等.發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩特性分析及相關(guān)圖形的修正［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012(3)：8-11.

［11］廖林清，李亞娟，謝明，等.雪橇車無級變速器變速系統(tǒng)力學(xué)分析研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2010(10)：189-191.

［12］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［13］肖強(qiáng)，朱才朝，等.雪地車動力傳動系統(tǒng)設(shè)計與匹配［J］.機(jī)械設(shè)計與研究，2008(5)：100-102.

［14］屈翔，張君，廖林清.某雪橇車無級變速器調(diào)速特性分析與參數(shù)匹配［J］.機(jī)械設(shè)計，2011(2)：61-65.