王 爽，董小瑞，毛虎平

(中北大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

無級變速器(CVT)可實現(xiàn)實時自主地改變傳動比，達(dá)到發(fā)動機、變速器與汽車行駛道路載荷的最佳匹配，以滿足車輛具有最優(yōu)的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能，而且汽車能夠平穩(wěn)變速，滿足日益提高的乘坐舒適度。但傳統(tǒng)的無級變速器傳動效率不高，特別是其傳動效率受車輛實時變化的工況影響較大［1］。另外，其傳送帶的使用壽命較短，變速范圍較小，其應(yīng)用推廣相應(yīng)的也受到一定的限制。故提出一種新型的行星環(huán)錐齒輪功率分流式無級變速器，即行星環(huán)錐齒輪式無級變速器和差動輪系的組合。是指在采用傳統(tǒng)無級變速器的裝置基礎(chǔ)上，通過行星齒輪機構(gòu)及其它組件的配置結(jié)構(gòu)改進(jìn)，添置壓盤等機構(gòu)，利用外部載荷實時正壓力進(jìn)行調(diào)控調(diào)速環(huán)和圓錐面之間的摩擦力，利用功率分流的方法，使其中一部分功率流經(jīng)效率較低的行星架，另一部分功率流經(jīng)行星環(huán)錐齒輪傳動機構(gòu)，這兩部分功率在輸出端匯合。由于行星錐齒輪的效率系數(shù)比行星架的傳動系數(shù)高，從而在保證無級變速器本身傳動優(yōu)點的基礎(chǔ)上，改善整個機構(gòu)的傳動效率。變速時，水平移動變速環(huán)，改變行星環(huán)錐齒輪的自轉(zhuǎn)半徑，實現(xiàn)變速;而且調(diào)速環(huán)和行星環(huán)錐齒輪是通過摩擦力傳遞動力的。其行星環(huán)錐齒輪調(diào)速范圍大，傳動效率高。在滿負(fù)荷下可穩(wěn)步從零起動，適應(yīng)變工況工作。其中差動輪系組合真正實現(xiàn)功率分流，克服原行星環(huán)錐式無級變速器傳遞功率小的缺點［2］。因此在車輛等行業(yè)具有重要的實用價值意義。

1 傳動結(jié)構(gòu)與工作原理

該設(shè)計機構(gòu)主要采用齒輪通過牽引力運動(實際為摩擦運動)，其效率在整個運動傳動比變化范圍內(nèi)都比較高，其傳動原理為:功率從輸入軸7 輸入，一部分功率直接傳遞到行星架11，另外一部分功率經(jīng)過中心輪5、行星錐輪1、調(diào)速環(huán)2、中心齒輪21、行星齒輪20、中心內(nèi)齒輪18、14 傳遞，兩部分功率同時傳遞給行星齒輪13，行星輪將兩部分功率進(jìn)行合成，經(jīng)過行星輪12、中心內(nèi)齒輪9，最終通過輸出軸10 將功率輸出。調(diào)速時，改變外環(huán)2 和行星環(huán)錐齒輪1 自轉(zhuǎn)半徑，達(dá)到了無級變速的目的。不論在調(diào)速還是運轉(zhuǎn)時，外環(huán)2 都不轉(zhuǎn)動。輸入軸7 的輸入轉(zhuǎn)矩以及輸出軸10 的輸出轉(zhuǎn)矩為:

式中:P7—輸入功率kW;n7—輸入轉(zhuǎn)速r/min。

圖1 行星環(huán)錐齒輪功率分流式無級變速器機構(gòu)簡圖

圖2 行星環(huán)錐齒輪簡圖

對于環(huán)錐齒輪裝置，由環(huán)錐大齒輪、環(huán)錐小齒輪和調(diào)速錐面結(jié)合傳遞動力。環(huán)錐齒輪沒有保持架，處于浮動狀態(tài)，在傳遞動力的三部分中，只有一部分是摩擦面，由此環(huán)錐齒輪浮動非常小，但是在工作狀態(tài)下，特別是調(diào)速過程中，環(huán)錐齒輪存在傾翻力矩，使得其有一定的浮動量，從而降低傳動效率，縮短環(huán)錐齒輪的壽命。為了改善此缺點，在環(huán)錐大齒輪和調(diào)速錐面之間設(shè)計一個圓環(huán)體，同時與其對應(yīng)的小支撐環(huán)和大支撐環(huán)，這樣可以平衡在調(diào)速過程中產(chǎn)生的傾翻力矩，不僅可以改善環(huán)錐大齒輪和環(huán)錐小齒輪的傳動特性，而且可以提高調(diào)速環(huán)和調(diào)速錐面的壽命，減小滑動量，提高傳遞效率。

對于后續(xù)的差動輪系設(shè)計時，可能會出現(xiàn)兩種情況，一種存在封閉功率流，另一種為功率分流傳動。如果出現(xiàn)前者，不僅不能提高效率，反而封閉功率流使得效率減低，并且無級變速器的傳遞功率大大下降。該機構(gòu)的差動輪系屬于后者，屬于完全功率分流傳動。特點是輸入功率大部分直接傳遞到行星架，而小部分功率經(jīng)過環(huán)錐齒輪式無級變速器傳遞到內(nèi)嚙合中心輪，最后在行星輪處合成輸出。

在機構(gòu)設(shè)計裝置中，合理選取行星環(huán)錐齒輪傳動裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和輸入、輸出構(gòu)件的參數(shù)［3-4］，則是避免傳動結(jié)構(gòu)功率回流現(xiàn)象的關(guān)鍵，也是提高機構(gòu)傳動效率的有效途徑。

2 傳動比計算推導(dǎo)

由圖一可知，從主動錐齒輪經(jīng)過環(huán)錐齒輪至從動錐齒輪中，其機構(gòu)的運動自由度為1，在后續(xù)的差動輪系中，其自由度為2;

因此，我們也可以計算出來從輸入軸到輸出軸的總傳動比為:

式中:i21、i21-5為中心內(nèi)齒輪21 與齒輪17 的傳動比、齒輪21 與齒輪5 的傳動比。z17、z18、z3、z5、z21、z22、z13、z9、z12為中心齒輪17、齒輪18、齒輪3、齒輪5、齒輪21、齒輪22、齒輪13、齒輪9、齒輪12 的齒數(shù);n9為輸出中心輪的轉(zhuǎn)速;n7為輸入軸的轉(zhuǎn)速;n5為主動中心錐齒輪轉(zhuǎn)速。將圖一簡化為下圖三，可以將差動輪系看作X，行星環(huán)錐齒輪輪系看作P。

圖3 PX 封閉行星傳動簡圖

由圖一和圖三可以計算出

由式子(1)、(3)、(4)可知:

則總傳動比公式也可表示為:

式中:nt、nn、nu分別表示構(gòu)件t、n、u的轉(zhuǎn)速，nw表示輸出軸端的轉(zhuǎn)速;ithm表示差動輪系中固定構(gòu)件t，當(dāng)h主動，m從動時候的傳動比［5-6］。

3 機構(gòu)效率及功率的計算研究

3.1 分析功率能量流動的幾種狀況

在設(shè)計行星環(huán)錐齒輪輪系時，要特別注意輪系中的功率流動問題［7-10］。如其型式及有關(guān)參數(shù)選擇不當(dāng)時，可能會產(chǎn)生只在一般輪系內(nèi)部循環(huán)流動的封閉功率流;依據(jù)PX 封閉行星傳動簡圖可以得出一小部分功率通過輸入軸和主動中心錐齒輪驅(qū)動行星環(huán)錐小齒輪，使各行星錐齒輪一方面隨輸入軸繞中心軸線作公轉(zhuǎn)，同時本身在調(diào)速環(huán)的作用下又繞行星環(huán)錐齒輪自身的中心線作自轉(zhuǎn)，二者合成的行星運動通過從動中心錐齒輪帶動圓柱齒輪、同步齒輪、同步圓柱齒輪將功率傳給定軸齒輪;然后，傳給中心內(nèi)齒輪及同步內(nèi)嚙合齒輪;同時大部分功率通過輸入軸直接傳給行星架;兩部分功率通過行星輪合成，再經(jīng)過同步行星輪、輸出中心輪，最后總功率從輸出軸輸出。分析其PX 封閉行星環(huán)錐機構(gòu)可知:如此可以增加機構(gòu)系統(tǒng)的功率容量，以此提高機構(gòu)的運轉(zhuǎn)效率，從結(jié)構(gòu)設(shè)計上避免復(fù)雜多變工況轉(zhuǎn)換時系統(tǒng)的異常振動。

圖4 圖一與圖三結(jié)合的結(jié)構(gòu)簡圖

差動輪系和行星輪系以及諧波傳動都可以看作三軸傳動，其指具有三個基本構(gòu)件的傳動系統(tǒng)，且此三個基本構(gòu)件的傳動系統(tǒng)必須有三軸傳動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式和外部負(fù)載運動狀況、工作條件共同決定的［11-12］。對于圖3，由輸入功率的流向及差動輪系和行星環(huán)錐齒輪無級變速器均為行星齒輪傳動，滿足力矩關(guān)系，則有下式成立:

對于差動輪系傳動組，則

對于行星環(huán)錐齒輪輪系傳動組，則有

考慮到v為機架，相當(dāng)于一軸輸入，一軸輸出，另一軸固定，輸入功率等于輸出功率?？傻贸鲂行黔h(huán)錐齒輪的功率分流式無級變速器機構(gòu)的總比例

3.2 差動輪系效率的計算

式中:φ0=φ1+φ2+φ3;φ1、φ2為齒輪嚙合損失的系數(shù);φ3為軸承傳動時的損失系數(shù);φ0為總的輪系傳動損失系數(shù);在2K-H 差動輪系中，若m，t兩軸輸入，h軸端輸出時，在考慮其能量損耗的前提下，輸出軸動力及其傳動的功率和傳遞的效率滿足:

但當(dāng)不考慮其能量損耗理想情況下功率之間的關(guān)系［8］:

當(dāng)行星輪的個數(shù)大于3 時，φ3=0.005，

z1，z2為齒輪副中大、小齒輪的齒數(shù)。

ηtmh =η內(nèi)×η內(nèi);，其他定軸輪系效率等數(shù)據(jù)均可查閱手冊。

圖5 原RX 環(huán)錐齒輪傳動系

4 實驗計算結(jié)果分析

以原2K-H 組合的功率分流式行星錐環(huán)無級變速器和本研究RX 行星環(huán)錐齒輪功率分流式無級變速器為研究比較對象，進(jìn)行功率結(jié)果的分析比較。已知輸入功率為2.2 kW，輸入轉(zhuǎn)速為1800r/min，齒輪嚙合效率為η內(nèi)=0.98;η外=0.99;圖5 的與圖4 中的取-0.5，令差動輪系中的傳動比取不同值。計算分析步驟為:依據(jù)上式求出原行星環(huán)錐變速器效率即現(xiàn)行的效率、差動輪系的效率和定軸輪系的傳動效率。最后可以求出其總效率。得到數(shù)據(jù)運用MATLAB 如圖6 進(jìn)行示意圖分析比較:

圖6 效率比較曲線

5 結(jié)論

(1)對RX 行星環(huán)錐齒輪功率分流式無級變速器適當(dāng)調(diào)整其傳動比，可以有效提高其工作傳動效率;齒輪傳動機構(gòu)，行星環(huán)錐齒輪機構(gòu)及其控制策略均滿足車輛的操控性及平順性的要求。

(2)兩種RX 行星環(huán)錐齒輪功率分流式無級變速器均是隨著傳動比的增加而效率增加，但在較高速傳動時，其總效率隨著傳動比增加降低。

該研究方法為進(jìn)一步分析行星環(huán)錐齒輪功率分流式無級變速器機構(gòu)傳動過程、動力學(xué)分析、強度校核、優(yōu)化設(shè)計分析等提供了較為準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。

［1］周祖煥. 齒輪無級變速原理［J］. 機械傳動，2001(2):31 -33.

［2］趙玉香，孫首群，朱衛(wèi)光，等.行星齒輪傳動機構(gòu)動力學(xué)分析［J］.機械傳動，2008(4):69 -71.

［3］張?zhí)m春，常思勤.功率分流式無級變速器的整車經(jīng)濟(jì)性研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，32(3):346-349.

［4］羅紹新，王芙蓉.行星齒輪功率分流式無級變速器的設(shè)計研究［J］.機械設(shè)計與制造，2010(4):141 -143.

［5］胡強.新型無級變速器的設(shè)計與研究［D］. 武漢:武漢理工大學(xué)，2010.

［6］孫智民，沈允文，李素有.封閉行星齒輪傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性研究［J］.機械工程學(xué)報，2002，38(2):44 -48.

［7］毛虎平，任家駿.高效率功率分流式RX 行星環(huán)錐無級變速器研究［J］.機械管理開發(fā)，2007(3):1 -2.

［8］孫智民，季林紅，沈允文.2K-H 行星齒輪傳動非線性動力學(xué)［J］.清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，43(5):636-639.

［9］魏超，苑士華，胡紀(jì)繽.等差式液壓機械無級變速器的速比控制理論與實驗研究［J］.機械工程學(xué)報，2011，47(16):101-105.

［10］PFIFFNER R.GUZZELLA L，ONDER C H. Fuel—optimal control of CVT powertrains［J］. Control Engineering Practice，2003，11(3):329 -336.

［11］苑士華，侯國勇，張寶斌.液壓機械無級變速器的變參數(shù)PID 控制［J］.機械工程學(xué)報，2004，40(7):81 -84.

［12］胡建軍.金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)速比匹配控制策略［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2001，24(6):12 -17.