劉森+張?zhí)m春+王程+沈宏生+王杉峰+張碩

摘 要：為了降低無(wú)級(jí)變速器的能量損耗，在對(duì)電液式無(wú)級(jí)變速器分析的基礎(chǔ)上，提出一種單電機(jī)調(diào)節(jié)速比的無(wú)級(jí)變速器。介紹了單電機(jī)調(diào)節(jié)無(wú)級(jí)變速器（Single Motor Continuously Variable Transmission，SM-CVT）的結(jié)構(gòu)原理并分析了其速比變化和傳動(dòng)效率的影響因素。搭建單電機(jī)調(diào)節(jié)無(wú)級(jí)變速器試驗(yàn)平臺(tái)，在不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過(guò)試驗(yàn)得到SM-CVT速比的變化特性，及其傳動(dòng)效率隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律，為該型無(wú)級(jí)變速器的速比控制及傳動(dòng)效率提高提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無(wú)級(jí)變速器；速比；速比變化率；傳動(dòng)效率；試驗(yàn)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.212 文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.06

Abstract：A kind of SM-CVT （Single Motor Continuously Variable Transmission） was put forward which regulated the speed ratio by a single motor considering the characteristics of electro-hydraulic CVT and energy loss. The structure principles of SM-CVT were introduced and the influencing factors of speed ratio change and of transmission efficiency were analyzed. A test bench for the SM-CVT was assembled which can provide the tests with different speeds and torques. The changing characteristics of speed ratio and transmission efficiency varying with the load torque are obtained by experiments which forms the basis for the speed ratio control and for improving the transmission efficiency of SM-CVT.

Keywords：continuously variable transmission； speed ratio； speed ratio change rate； transmission efficiency； experimental study

近幾年，隨著環(huán)境和能源問(wèn)題越來(lái)越突出，社會(huì)大眾對(duì)汽車(chē)節(jié)能環(huán)保的要求越來(lái)越高，對(duì)采用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，提高其運(yùn)行效率也越來(lái)越重要。變速器作為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出的關(guān)鍵樞紐，顯得極其重要，如何提高變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配是值得思考的問(wèn)題[1]。相比于手動(dòng)變速器及自動(dòng)變速器，裝有金屬帶式無(wú)級(jí)變速器（VDT-CVT）的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放等都有明顯改善。VDT-CVT采用的調(diào)節(jié)方式有機(jī)械機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)和電控液壓調(diào)節(jié)，目前的VDT-CVT普遍采用電控液壓調(diào)節(jié)方式，而不同的調(diào)節(jié)方式對(duì)變速器的性能會(huì)產(chǎn)生不同的影響[2-3]。

針對(duì)VDT-CVT電控液壓調(diào)節(jié)方式存在的不足，本文提出采用SM-CVT的調(diào)節(jié)方案，介紹了該方案的調(diào)速原理和控制方式，進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)和研制，并在該試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。

1 SM-CVT組成及工作原理

SM-CVT主要包括輸入、輸出軸，主、從動(dòng)帶輪定盤(pán)和動(dòng)盤(pán)，傳動(dòng)帶，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，速比調(diào)節(jié)電機(jī)等[4]，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

VDT-CVT動(dòng)力傳輸通過(guò)傳動(dòng)V帶傳輸，由于傳動(dòng)V帶的長(zhǎng)度是一定的，主、從動(dòng)帶輪動(dòng)盤(pán)和定盤(pán)的距離變化迫使傳動(dòng)V帶在主、從動(dòng)帶輪上的工作直徑發(fā)生變化，傳動(dòng)速比發(fā)生改變。當(dāng)主動(dòng)帶輪上的工作直徑處于最大值，從動(dòng)帶輪上的工作直徑處于最小值時(shí)，傳動(dòng)速比為最小值。當(dāng)主動(dòng)帶輪上的工作直徑處于最小值，從動(dòng)帶輪上的工作直徑處于最大值時(shí)，傳動(dòng)速比為最大值。VDT-CVT主、從動(dòng)帶輪動(dòng)盤(pán)和定盤(pán)間的距離是通過(guò)改變主、從動(dòng)帶輪動(dòng)盤(pán)的軸向位置來(lái)確定的。SM-CVT通過(guò)速比調(diào)節(jié)電機(jī)帶動(dòng)第二、三速比齒輪，再由第二、三速比齒輪帶動(dòng)第一、四速比齒輪，使得與主、從動(dòng)帶輪動(dòng)盤(pán)相連的螺旋螺母在螺旋絲杠上旋轉(zhuǎn)，從而左右移動(dòng)來(lái)改變主、從動(dòng)帶輪動(dòng)盤(pán)和定盤(pán)間之間的距離，進(jìn)而改變傳動(dòng)速比[5-7]?；赟M-CVT工作原理設(shè)計(jì)了樣機(jī)，樣機(jī)傳動(dòng)V帶采用橡膠帶，并研制了試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)其傳動(dòng)速比控制和傳動(dòng)效率等進(jìn)行了試驗(yàn)。SM-CVT試驗(yàn)臺(tái)架框架圖及實(shí)物圖如圖2和圖3所示。

2 SM-CVT試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架組成

試驗(yàn)中的主要裝置有：

（1）渦流制動(dòng)器。型號(hào)為WZ-20；功率為3 kW；額定電流為3 A；輸入轉(zhuǎn)速為300～3 000 r/min。

（2）調(diào)頻電機(jī)。型號(hào)為Y2VP-132S1-2；功率為55 kW；額定電壓為380 V；額定電流為100 A；基準(zhǔn)頻率為50 Hz。

（3）轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器。型號(hào)為CGQY-2；額定轉(zhuǎn)矩為20 Nm；靈敏度為0.2%FS。共兩臺(tái)。

（4）試驗(yàn)用SM-CVT為非標(biāo)，傳動(dòng)比范圍為0.6～1.8。

（5）速比調(diào)節(jié)電機(jī)。永磁無(wú)刷電機(jī)；額定電壓為24 V；額定電流為3 A；傳遞比為1∶20。

（6）無(wú)級(jí)變速器控制器TCU一臺(tái)。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試原理

SM-CVT傳動(dòng)速比是由速比調(diào)節(jié)電機(jī)來(lái)控制，通過(guò)TCU控制速比調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，改變SM-CVT傳動(dòng)速比。SM-CVT采用調(diào)頻電機(jī)作為其動(dòng)力源，TCU根據(jù)試驗(yàn)操作的指令，調(diào)節(jié)調(diào)頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小作為CVT的輸入轉(zhuǎn)速，再調(diào)節(jié)渦流制動(dòng)器的工作電流確定渦流制動(dòng)器的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，作為CVT的輸出負(fù)載。TCU通過(guò)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，采集輸入、輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，控制速比調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)CVT速比的控制。

試驗(yàn)臺(tái)架的數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)輸入等采用監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（Monitor and Control Generated System，MCGS）控制面板，如圖4

所示。

2.3 SM-CVT試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容主要包括SM-CVT的傳動(dòng)速比控制和傳動(dòng)效率測(cè)試。其中，傳動(dòng)速比控制考慮了負(fù)載轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)速等影響因素；傳動(dòng)效率測(cè)試主要測(cè)定在一定的傳動(dòng)速比下，對(duì)應(yīng)不同負(fù)載和不同轉(zhuǎn)速下的傳動(dòng)效率[8-9]，并據(jù)此得到SM-CVT傳動(dòng)效率的變化規(guī)律。

2.4 試驗(yàn)步驟

2.4.1 SM-CVT速比控制試驗(yàn)

（1）負(fù)載轉(zhuǎn)矩為空載、輕載、重載時(shí)的傳動(dòng)速比變化。

（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，改變速比調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。

2.4.2 SM-CVT傳動(dòng)效率測(cè)試

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min 、1 700r/min時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為4 Nm、6 Nm、8 Nm、10 Nm、12 Nm、14 Nm、16 Nm、18 Nm的工況傳動(dòng)效率。

（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩為6 Nm、12 Nm、18 Nm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min 、1 000 r/min、1 500 r/min、1 700 r/min 的工況傳動(dòng)效率。

（3）輸入轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 500 r/min 時(shí)，傳動(dòng)速比從大到小變化過(guò)程中的傳動(dòng)效率[10-11]。

試驗(yàn)過(guò)程包括：速比調(diào)節(jié)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的速比變化，輸入轉(zhuǎn)速相同情況下不同的速比調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的速比變化；輸入轉(zhuǎn)速相同情況下不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)效率變化，相同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下不同的輸入轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的效率變化，效率隨傳動(dòng)速比的變化等[12]。

2.5 速比變化分析

2.5.1 不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)速比的影響

在負(fù)載轉(zhuǎn)矩為空載、輕載和重載時(shí)，傳動(dòng)速比從大到小變化。由圖5可知，隨著負(fù)載的越來(lái)越大，傳動(dòng)速比變化過(guò)程中的波動(dòng)性越大。

2.5.2 速比調(diào)節(jié)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速對(duì)速比的影響

速比調(diào)節(jié)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的速比變化如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知，速比變化存在一定的波動(dòng)性，當(dāng)速比變化較快時(shí)，對(duì)應(yīng)的SM-CVT速比波動(dòng)較大。速比調(diào)節(jié)電機(jī)在同一轉(zhuǎn)速下，輸入轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)比1 700 r/min時(shí)速比變化率的波動(dòng)小。

在速比電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為80 r/min和120 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入轉(zhuǎn)速1 000 r/min和1 700 r/min，傳動(dòng)速比從小到大變化時(shí)的速比變化率如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)速比電機(jī)轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的速比變化率大于速比電機(jī)轉(zhuǎn)速80 r/min時(shí)的速比變化率，相對(duì)應(yīng)的速比變化大。

2.6 傳動(dòng)效率分析

2.6.1 負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)傳動(dòng)效率的影響

當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速保持在600 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min、1 700 r/min時(shí)，設(shè)定CVT的速比為1，負(fù)載轉(zhuǎn)矩從4 Nm逐漸增大到18 Nm，變速器傳動(dòng)效率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系如圖9所示。

在保持輸入轉(zhuǎn)速不變，負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，傳動(dòng)效率逐漸增大，當(dāng)達(dá)到某兩個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)時(shí)，傳動(dòng)效率保持在一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于這個(gè)范圍，傳動(dòng)效率呈下降趨勢(shì)。在輸入轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，將負(fù)載從4 Nm提升到 6 Nm，傳動(dòng)效率從81.9%增加到87.2%，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加了4 Nm，傳動(dòng)效率增加了5.3%。負(fù)載轉(zhuǎn)矩在6～15 Nm之間時(shí)，傳動(dòng)效率變化值在2%左右。負(fù)載轉(zhuǎn)矩在15～18 Nm時(shí)，傳動(dòng)效率從86.8%下降到82.6%，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加了3 Nm，傳動(dòng)效率減少了4.2%。由圖9可知，低負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載逐漸增加，傳動(dòng)效率快速提升；高負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載逐漸升高，傳動(dòng)效率提升緩慢，并穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)；當(dāng)負(fù)載高于一定值時(shí)，傳動(dòng)效率呈明顯下降的趨勢(shì)。

2.6.2 輸入轉(zhuǎn)速對(duì)傳動(dòng)效率的影響

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持在6 Nm、12 Nm、18 Nm時(shí)，輸入轉(zhuǎn)速逐漸增大，變速器傳動(dòng)效率與輸入轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如圖10所示。

當(dāng)負(fù)載為6 Nm，輸入轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min升至1 700 r/min時(shí)，傳動(dòng)效率從83.6%降至80.9%，下降了2.7%。當(dāng)負(fù)載為12 Nm，輸入轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min

升至1 700 r/min時(shí)，傳動(dòng)效率從83.9%降至80.5%，下降了3.4%。當(dāng)負(fù)載為18 Nm，輸入轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min升至1 700 r/min時(shí)，傳動(dòng)效率從78.9%降至73%，下降了5.9%，降幅較大。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，隨著輸入轉(zhuǎn)速增加，傳遞的功率超過(guò)所對(duì)應(yīng)的最大傳動(dòng)功率，從而導(dǎo)致傳動(dòng)效率下降。

2.6.3 傳動(dòng)速比對(duì)傳動(dòng)效率的影響

傳動(dòng)速比與傳動(dòng)效率的變化關(guān)系如圖11所示。輸入轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 500 r/min時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為定值，連續(xù)調(diào)節(jié)速比，使傳動(dòng)速比從0.6升至1.8，得到傳動(dòng)效率與傳動(dòng)速比的關(guān)系：傳動(dòng)速比從0.6升至0.8時(shí)，CVT的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩開(kāi)始上升，傳動(dòng)效率波動(dòng)大，整體呈上升趨勢(shì)；當(dāng)傳動(dòng)速比從0.8升至1時(shí)，傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定上升且沒(méi)有超過(guò)最大傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，傳動(dòng)效率穩(wěn)定在一定范圍；當(dāng)傳動(dòng)速比從1升至1.8時(shí)，CVT傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩超過(guò)最大傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，傳動(dòng)效率持續(xù)下降。

3 結(jié)論

（1）提出的SM-CVT控制性能良好，當(dāng)速比調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速較快時(shí)，其速比波動(dòng)幅度較大。速比調(diào)節(jié)電機(jī)在同一轉(zhuǎn)速下，輸入轉(zhuǎn)速越高，變速器速比變化率波動(dòng)越大。

（2）SM-CVT在低負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載的增加，變速器傳動(dòng)效率升高明顯。在高負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載的增大，變速器傳動(dòng)效率升高緩慢。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩高于一定值時(shí)，變速器傳動(dòng)效率呈下降趨勢(shì)。

試驗(yàn)表明，通過(guò)調(diào)節(jié)速比執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)角，可以實(shí)現(xiàn)SM-CVT速比的控制，具有控制方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)新型CVT的設(shè)計(jì)研究具有借鑒作用。

參考文獻(xiàn)（References）：

楊新樺，馬亞亞，葉明，等. 金屬帶式無(wú)級(jí)變速器速比變化對(duì)車(chē)輛加速度的影響規(guī)律研究[J]. 機(jī)械傳動(dòng)， 2015，39（7）：23-26.

YANG Xinhua，MA Yaya，YE Ming，et al. Research of the Influence Law of the CVT Speed Ratio Changing Rate on the Vehicle Acceleration [J]. Journal of Mechanical Transmission，2015，39（7）：23-26. （in Chinese）

張?zhí)m春，貝紹軼，倪彰，等. 帶式無(wú)級(jí)變速器速比控制系統(tǒng)研究綜述 [J]. 機(jī)械傳動(dòng)，2014，38（12）：174-177.

ZHANG Lanchun，BEI Shaoyi，NI Zhang，et al. Sum-mary of the Study on Speed Ratio Control System of Belt-type Continuously Variable Transmission [J]. Journal of Mechanical Transmission，2014，38（12）：174-177. （in Chinese）

朱才朝，劉懷舉，杜雪松，等. 橡膠帶式CVT特性研究現(xiàn)狀綜述[J]. 汽車(chē)工程，2010，32（6）：519-523.

ZHU Caichao，LIU Huaiju，DU Xuesong，et al. A Review on the Research Status Quo of the Characteristics of Rubber-belt CVT [J]. Automotive Engineering，2010，32（6）：519-523. （in Chinese）

楊新樺. 金屬帶式無(wú)級(jí)變速器控制系統(tǒng)與控制策略研究 [D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2010.

YANG Xinhua. Study on Control System and Control Strategies of Metal Belt Continuously Variable Transmission [D]. Wuhan：Huazhong University of Science and Tech-nology，2010. （in Chinese）

張?zhí)m春，常思勤. 全電調(diào)節(jié)無(wú)級(jí)變速器的理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證 [J]. 汽車(chē)工程，2009，31 （8）：751-755.

ZHANG Lanchun，CHANG Siqin. Theoretical Analysis and Test Verification of All-electrically Regulated CVT [J]. Automotive Engineering，2009，31（8）：751-755. （in Chinese）

BERTINI L， CARMIGNANI L， FRENDO F. Analytical Model for the Power Losses in Rubber V-belt Continuously Variable Transmission（CVT）[J]. Mechanism and Machine Theory，2014，78（8）： 289-306.

藺朝莉，胡飛. 大功率膠帶式無(wú)級(jí)變速器整車(chē)調(diào)速特性 [J]. 機(jī)械傳動(dòng)，2014，38 （5）：135-138.

LIN Zhaoli，HU Fei. Property of Ratio Changing of Full Vehicle of High Power Pubber V-Belt CVT [J]. Journal of Mechanical Transmission，2014，38（5）：135-138. （in Chinese）

廖林清，藺朝莉，謝明，等. 大功率膠帶式無(wú)級(jí)變速器力學(xué)模型的建立和調(diào)速性能的研究 [J]. 機(jī)械傳動(dòng)， 2013，37（1）：14-19.

LIAO Linqing，LIN Zhaoli，XIE Ming，et al. Establish-ment of Mechanics Model and Research on Property of Ratio Changing of High-power Rubber V-belt CVT [J]. Journal of Mechanical Transmission，2013，37（1）：14-19. （in Chinese）

王文璽，吳鳳林，張東浩. 金屬帶式無(wú)級(jí)變速汽車(chē)原理與傳動(dòng)效率的研究[J]. 機(jī)械傳動(dòng)，2013，37（8）：30-33.

WANG Wenxi，WU Fenglin，ZHANG Donghao. Study on Principle and Transmission Efficiency of Vehicle Equipped with Metal Belt CVT [J]. Journal of Mecha-nical Transmission，2013，37（8）：30-33. （in Chinese）

郝建軍，劉云云，蘭家水，等. 錐環(huán)式CVT傳動(dòng)效率的試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（10）：254-256.

HAO Jianjun，LIU Yunyun，LAN Jiashui，et al. Experi-mental Study on Transmission Efficiency of Cone Ring

CVT [J]. Journal of Mechanical Transmission，2014（10）：254-256. （in Chinese）

HU Jianjun，JI Yi，YAN Jiujiang. Parameter Design and Performance Analysis of Zero Inertia Continuously Variable Transmission System [J]. Springer-Verlag，2015（22）：180-188.

張?zhí)m春，常思勤，貝紹軼，等.全電調(diào)節(jié)橡膠帶式無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)的力學(xué)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].機(jī)械傳動(dòng)， 2010，34（10）：62-65.

ZHANG Lanchun，CHANG Siqin，BEI Shaoyi，et al. Mechanics Analysis and Test on Continuously Variable Transmission with Electromechanical Pulley Actuation System [J]. Journal of Mechanical Transmission，2010， 34（10）：62-65. （in Chinese）