馮能蓮，米 磊

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124）

活齒無級變速器傳動效率分析與試驗(yàn)研究

馮能蓮，米 磊

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124）

為研究活齒無級變速器（movable-teeth continuously variable transmission，MCVT）的傳動效率，分析了MCVT的功率損失機(jī)理，建立了其傳動效率理論計(jì)算模型，搭建了其傳動效率試驗(yàn)臺，開展了定傳動比條件下MCVT傳動效率與其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩關(guān)系的試驗(yàn)研究.結(jié)果表明:由齒側(cè)間隙產(chǎn)生的滑動摩擦功率損失、沖擊功率損失、攪油功率損失以及油封功率損失是MCVT的主要功率損失.在定傳動比為1.2時(shí)，MCVT的傳動效率可達(dá)95%左右.轉(zhuǎn)矩對MCVT傳動效率的影響顯著，而轉(zhuǎn)速對MCVT的傳動效率影響不顯著，但MCVT高轉(zhuǎn)速時(shí)的傳動效率要大于低轉(zhuǎn)速時(shí)的傳動效率.當(dāng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩同時(shí)從低到高變化時(shí)，傳動效率逐漸增大.

活齒無級變速器；傳動效率；定傳動比

無級變速器（continuously variable transmission，CVT）是一種可直接通過改變主、從動錐輪接觸半徑來實(shí)現(xiàn)速比無級調(diào)節(jié)的變速裝置.CVT的速比可在其最大值和最小值之間連續(xù)變化［1］，而最佳速比能減少發(fā)動機(jī)的燃油消耗，使發(fā)動機(jī)在最高效工況下工作.研究結(jié)果表明:無級變速傳動最多能減少60%的燃油消耗［2］.

目前，CVT主要包括金屬帶式和金屬鏈?zhǔn)?，其主要部分包括主動輪、從動輪和傳動?金屬帶式CVT和金屬鏈?zhǔn)紺VT均采用摩擦式傳動，并依靠液壓裝置傳遞動力，傳遞的轉(zhuǎn)矩受限，功率損失也較大，因此傳動效率較低［3-4］.活齒無級變速器（movable-teeth CVT，MCVT）采用無級嚙合傳動方式，降低了對液壓裝置的需求，轉(zhuǎn)矩傳遞能力更強(qiáng)，傳動效率更高.

常規(guī)變速器的功率損失主要包括機(jī)械損失和液力損失［5］.與其相似，MCVT的機(jī)械損失主要是由齒側(cè)間隙導(dǎo)致的滑動摩擦、沖擊以及油封摩擦引起的；液力損失主要是由旋轉(zhuǎn)部件對潤滑油的攪動所引起的.由于MCVT采用非摩擦式嚙合傳動方式，不僅傳遞的轉(zhuǎn)矩較大，也降低了對液壓裝置的需求，同時(shí)功率損失減少.

1　MCVT的組成及工作原理

1.1MCVT的組成

MCVT由金屬齒形鏈、主動錐輪、從動錐輪、活齒單元等關(guān)鍵部分組成.其結(jié)構(gòu)如圖1所示［6］.

MCVT的錐輪與金屬帶式CVT的錐輪相似，但MCVT的錐輪沿錐輪母線開有嵌槽6，嵌槽對活齒單元4的運(yùn)動起導(dǎo)向作用，金屬齒形鏈（或帶）1為一種內(nèi)表面具有嚙合齒的傳動鏈（或帶），其覆于活齒單元上，如圖1所示.活齒單元是MCVT的關(guān)鍵部位，每個(gè)活齒單元開有2個(gè)活齒槽，活齒槽內(nèi)裝有活齒，活齒由若干薄滑片和1個(gè)滑塊疊合組成，如圖2所示［6］.增設(shè)滑塊的目的主要是避免嚙合時(shí)出現(xiàn)單個(gè)或較少的滑片與鏈齒嚙合的情況，防止較少的滑片嚙合時(shí)出現(xiàn)斷裂，從而增強(qiáng)活齒的轉(zhuǎn)矩傳遞能力.

1.2MCVT的工作原理

MCVT是一種非摩擦式的無級變速傳動裝置，采用活齒嚙合傳動.活齒單元均布于錐輪，在活齒單元的兩端設(shè)有滾輪，當(dāng)錐輪軸向移動時(shí)，在錐輪的壓力作用下活齒單元依靠滾輪可沿錐輪嵌槽徑向移動，從而改變主、從動錐輪中活齒單元與金屬齒形鏈的嚙合半徑，以此來改變傳動比，如圖2所示.因此，MCVT的速比調(diào)節(jié)原理與金屬帶式CVT相同，即通過主、從動錐輪軸向移動來改變金屬鏈與主、從動錐輪的接觸半徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速.

運(yùn)行前，活齒處于活齒槽中；運(yùn)行時(shí)，在離心力和鏈條壓力作用下，滑片可從活齒槽中甩出并與金屬齒形鏈的鏈齒嚙合.活齒通過自由無級滑移可構(gòu)成任意形狀的嚙合齒形，同時(shí)會形成與鏈齒輪廓相同的齒槽，如圖2所示.由于活齒的滑移方向與受力方向不同，因此活齒可以自由隨當(dāng)前的嚙合齒形所需及時(shí)變形而實(shí)現(xiàn)無級嚙合.因?yàn)辇X片是活動的，所以在嚙合狀態(tài)下MCVT仍然可以實(shí)現(xiàn)無級變速傳動.活齒傳遞功率時(shí)的受力方向與自由滑移方向垂直，具有自鎖性，所以其承載受力時(shí)不會改變齒廓形狀，可保持正常嚙合態(tài).

1.3MCVT的特點(diǎn)

MCVT改變了傳統(tǒng)CVT的摩擦式傳動方式，通過活齒和鏈齒的嚙合來傳遞動力，它的主要特點(diǎn)如下:

1）采用活齒無級嚙合傳動方式，與金屬帶式CVT相比，傳遞的轉(zhuǎn)矩更大，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩高功率傳遞.

2）嚙合式傳動方式可避免摩擦式傳動方式的打滑現(xiàn)象，動力傳遞連續(xù)、可靠，提高了傳動效率，減小了鏈條與錐輪的磨損.

3）MCVT在速比調(diào)節(jié)時(shí)依靠滾輪使活齒單元沿錐輪徑向移動，由滾動摩擦代替了金屬帶式CVT的滑動摩擦，調(diào)速更方便，并能減少金屬鏈與錐輪間的磨損.

4）利用MCVT能傳遞大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)級聯(lián)式的活齒無級變速傳動裝置，增大速比范圍的同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩的傳遞.

2　MCVT的傳動效率分析

2.1MCVT功率損失分析

通過對MCVT結(jié)構(gòu)、工作原理及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的分析，可得MCVT的功率損失主要存在以下3個(gè)方面:

1）MCVT采用活齒嚙合傳動，在嚙合過程中存在明顯的齒側(cè)間隙.齒側(cè)間隙引起了金屬齒形鏈與活齒單元之間的滑動摩擦，同時(shí)也造成了嚙合沖擊，產(chǎn)生了摩擦功率損失和沖擊功率損失.

2）MCVT采用浸油潤滑方式，因此，在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生攪油功率損失.

3）MCVT的輸入軸和輸出軸與箱體之間有油封元件，因此，會產(chǎn)生油封功率損失.

2.2各項(xiàng)功率損失的分析與計(jì)算

2.2.1由齒側(cè)間隙產(chǎn)生的滑動摩擦和沖擊功率損失

由于滑片具有一定的厚度（2 mm左右），使得MCVT在嚙合傳動過程中存在齒側(cè)間隙，因此，在傳動過程中金屬齒形鏈和單元體之間具有以齒側(cè)間隙L為滑動距離的滑動摩擦功率損失，同時(shí)，齒側(cè)間隙也造成了活齒與鏈齒的嚙合沖擊功率損失.

在傳動過程中，由于齒側(cè)間隙的最大值為滑片厚度，相對于嚙合圓周較小，可將活齒在齒側(cè)間隙L內(nèi)的圓周運(yùn)動簡化為直線運(yùn)動，因此，為了簡化計(jì)算，可假設(shè)在產(chǎn)生嚙合沖擊時(shí)，活齒在間隙內(nèi)的切向運(yùn)動為瞬間勻加速直線運(yùn)動，由此假設(shè)可計(jì)算出活齒與鏈齒沖擊前的速度

低年級孩子的書面語言學(xué)習(xí)剛剛起步，識字量、詞匯量少，書面語言圖式有限，寫話時(shí)必然捉襟見肘，即使是初步理解和積累的部分，要達(dá)到能運(yùn)用的水平，也還要有一個(gè)過程。所以要實(shí)現(xiàn)從隨意的口頭表達(dá)到有序的書面表達(dá)，是不小的一道坎。因而，教師需要選擇貼近學(xué)生生活的文本進(jìn)行模仿練筆，并且教師要善于將文本掰開了、揉碎了，讓學(xué)生感受到文本的“有序”。以下是筆者在教學(xué)《我叫黑臉琵鷺》的仿寫時(shí)，幫助學(xué)生建立有序表達(dá)的片段。

式中:VDR為主動輪線速度，m/s；VDR1為主動輪活齒與鏈齒沖擊前的速度，m/s；k為主動輪的線加速度，m/s2；TDR為主動輪轉(zhuǎn)矩，N·m；J為主動輪轉(zhuǎn)動慣量，kg/m2；RDR為主動輪嚙合半徑，m.

由于活齒與鏈齒沖擊后變?yōu)橥凰俣?，因此，可將活齒與鏈齒的嚙合沖擊過程看成是完全非彈性碰撞，則根據(jù)動量守恒定理可得出沖擊后的主動輪線速度

式中:m1為活齒的沖擊質(zhì)量，kg；m2為鏈齒的沖擊質(zhì)量，kg；VDR2為沖擊后主動輪線速度，m/s.

其中活齒的沖擊質(zhì)量取為錐輪質(zhì)量M1，鏈齒的沖擊質(zhì)量取為鏈條質(zhì)量M2.VDC為金屬齒形鏈的鏈速［7］

式中:VDC為金屬齒形鏈鏈速，m/s；ZDR為鏈輪齒數(shù)；nDR為主動輪轉(zhuǎn)速，r/min；p為金屬齒形鏈鏈條節(jié)距，mm.

由式（1）～（4）可得出齒側(cè)間隙造成的主動輪線速度差

傳動過程中主動輪活齒提供的驅(qū)動力為

由于主、從動輪均存在齒側(cè)間隙，因此，均有滑動摩擦功率損失.計(jì)算時(shí)按照主動輪計(jì)算，則滑動摩擦功率損失為

2.2.2攪油損失

攪油損失與旋轉(zhuǎn)件數(shù)目、回轉(zhuǎn)件尺寸和浸油深度等因素有關(guān).本文采用攪油損失數(shù)學(xué)模型［8］: Pj=1.43e3υ，其中υ為車輛行駛速度.將車輛行駛速度表示成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，再通過某傳動比下由發(fā)動機(jī)到攪油齒輪的傳動比將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速換算為攪油齒輪的轉(zhuǎn)速，從而得到攪油損失計(jì)算式［8］

式中:P2為攪油功率損失，kW；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；ic為某擋位下發(fā)動機(jī)到攪油齒輪的傳動比.

2.2.3油封功率損失

油封的功率損失主要是摩擦損失，并且與軸的轉(zhuǎn)速有關(guān)，文中使用公式［8］

計(jì)算油封的功率損失.式中:P3為油封功率損失，kW；n為軸的轉(zhuǎn)速，r/min.

2.3MCVT傳動效率的計(jì)算

試驗(yàn)用MCVT機(jī)體的主動錐輪（或從動錐輪）質(zhì)量M1為23.5 kg，金屬齒形鏈總質(zhì)量M2為6.25 kg，錐輪半徑R為122 mm，主動錐輪（或從動錐輪）活齒單元數(shù)量ZDR為4，金屬齒形鏈鏈條節(jié)距p為120 mm.

MCVT在傳動過程中的各項(xiàng)功率損失之和為

MCVT的傳動效率為

式中:P為輸入功率；η1為聯(lián)軸器的傳遞效率，其取值為0.99［9］.當(dāng)傳動比為1.2時(shí)，MCVT傳動效率與主動輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖3所示.

3　MCVT傳動效率的試驗(yàn)研究及分析

試驗(yàn)中用到的試驗(yàn)設(shè)備主要有驅(qū)動電機(jī)、電渦流測功機(jī)和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器.MCVT傳動效率試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖4所示，實(shí)物圖如圖5所示.

試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速控制在1 300 r/m以下，轉(zhuǎn)矩控制在150 N·m以下，速比設(shè)定為1.2，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，得到不同轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速下的效率值.MCVT傳動效率與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩關(guān)系的三維擬合圖如圖6所示.

試驗(yàn)結(jié)果表明:速比為1.2時(shí)，在不同的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩下，MCVT的最大傳動效率可達(dá)95%左右，與理論效率計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果相符.文獻(xiàn)［9-10］的試驗(yàn)結(jié)果表明:在相同工況下，金屬帶式CVT的傳動效率為85%～92%，與其相比，MCVT的傳動效率較高.

通過對MCVT理論及試驗(yàn)傳動效率擬合圖的進(jìn)一步分析可知，轉(zhuǎn)矩對MCVT的傳動效率影響較為顯著，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，其傳動效率呈逐漸增大趨勢；轉(zhuǎn)速對MCVT的傳動效率影響并不顯著，但高轉(zhuǎn)速時(shí)的效率要大于低轉(zhuǎn)速時(shí)的效率.當(dāng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都從低到高變化時(shí)，傳動效率逐漸增大.

4　結(jié)論

1）MCVT的功率損失主要包括嚙合傳動過程中由于齒側(cè)間隙產(chǎn)生的滑動摩擦和沖擊功率損失、攪油功率損失以及油封功率損失.

2）傳動比為1.2時(shí)，通過改變主動輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，MCVT的傳送效率可達(dá)95%左右，與傳統(tǒng)金屬帶式CVT相比，效率較高.

3）定傳動比下，轉(zhuǎn)矩對MCVT的傳動效率影響顯著，轉(zhuǎn)速對MCVT的傳動效率影響不顯著，但高轉(zhuǎn)速時(shí)的效率要大于低轉(zhuǎn)速時(shí)的效率.當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩同時(shí)從低到高變化時(shí)，傳動效率逐漸增大.

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（責(zé)任編輯 梁 潔）

Analysis and Experimental Investigations of Transmission Efficiency of Movable-teeth CVT

FENG Nenglian，MI Lei
（College of Environment and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

In order to investigate the transmission efficiency of movable-teeth CVT（MCVT），the power losses of MCVT was analyzed and the theoretical model of its transmission efficiency was set up.Then，transmission efficiency test platform was set up for the MCVT.Lastly，experimental study of the relations among transmission efficiency，speed and torque was conducted when the transmission ratio was fixed.The results show that the power losses of the sliding friction and impact caused by the backlash of the tooth，the power loss of the oil stirring and the power loss of oil seal are the main power losses of iMCVT.The transmission efficiency of iMCVT can reach 95%when the constant transmission ratio is 1.2.Torque is the most significant impact to the transmission efficiency.The effect of speed on the transmission efficiency of iMCVT is not significant，but the efficiency of high speed is greater than that of low speed.The transmission efficiency is gradually increasing when speed and torque both range from the low to high.

movable-teeth continuously variable transmission（MCVT）；transmission efficiency；constant transmission ratio

TH 132.46

A

0254-0037（2016）10-1547-05

10.11936/bjutxb2015100013

2015-10-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51075010）；北京市教育委員會重點(diǎn)資助項(xiàng)目（KZ200910005007）

馮能蓮（1962—），男，教授，主要從事新能源汽車、汽車電子、智能車輛方面的研究，E-mail:fengnl@bjut.edu.cn