金属推块V型带CVT在高速的非稳态动力学

文章编号:100628244(2005)03218209金属推块V 型带CV T 在高速的非稳态动力学On the T ransient Dynamics of A Metal PushingV 2B elt CVT at High SpeedsN il abh S ri v astav a I mti az 2UL 2H a g ue(De p art ment of Mechanical En gi neeri n g Clemson Uni versit y )[摘要]CV T (无级变速器)提供的连续速比间的要求有限。

目前已经开发了许多稳态模型,说明CV T 的动力学,但它们不能阐述带高速时惯性对CV T 性能产生的影响。

本研究将着重于开发一种详细的非稳态模型来探索和了解不同的动力特性对金属推块V 型带CV T 的相互影响,本文采用连续的库仑(Coulomb )摩擦理论近似模拟带和带轮之间的摩擦。

许多研究旨在观测惯量和滑动情况下的载荷状态对CV T 传递转矩能力的影响。

讨论了计算简图数学模型和不同载荷方案的相应结果。

该结果表明惯性对CV T 转矩传递特性的显著影响。

[Abstract]A CV T offers a continuum of gear ratio s between desired limit s.A number of steady 2state mod 2els have been developed in recent years to explain t he dynamics of CV T ;however ,t hey are unable to cap 2t ure t he influence of high 2speed inertial effect s of t he belt on t he performance characteristics of a CV T.The present research focuses on developing a detailed transient model to explore and understand the various dy 2namic interactions in a metal p ushing V 2belt CV T.This paper uses continuous Coulomb friction approxima 2tion t heory to model friction between the belt and the p ulleys.Studies were conducted to observe t he influ 2ence of inertial and loading conditions on t he slip behaviour and torque transmitting ability of t he CV T.The comp utational scheme ,t he mat hematical models ,and t he result s corresponding to different loading scenari 2os are discussed.The result s indicate t he significance of inertial effect s on the torque transmission charac 2teristics of a CV T. 关键词:无级变速器　CV T 金属推块　非稳态　V 型带 Key words :continuously variable transmission ,CV T ;metal p ushing ;transient ;V 2belt. 中图分类号:T H132.46 文献标识码:A作者简介:Nilabh Srivastava obtained a B Tech (Mechanical )in 1999at t he Indian Institute of Technology ,Guwahati ,India.He also ob 2tained an MS (Mechanical )in 2002from Clemson University ,Clemson ,SC ,USA ,and is currently pursuing his phD (Mechanical )from t he same university.Imtiaz 2U I 2Haque is Chair and Professor of Mechanical Engineering ,Clemson ,SC ,USA.He obtained an MS in mechanical engineering in 1977,and a PhD in 1982in engineering mechanics ,bot h at Clemson University ,Clemsonm ,SC ,USA.He has over 100research publications ,as well as consulting experience wit h BMW ,US Army ,MAR TA ,Milliken ,including ot hers.1　前言无级变速器(CV T )是新出现的一种自动变速器技术,它可为高端和低端速比间提供连续不间断的速比。

制造商和工程师们已经提出了它比常规手动和自动变速器具有很多优点。

该CV T 的工作机理可追溯到1950年,Van Doone 公司推荐了基于橡胶V 型带设计的Variomatic CV T 。

它提供了超过自动变速器的许多潜在的优点。

简述有:较高的发动机效率、较好的燃油经济性、低的成本和采用较少的部件获得无穷多的速比。

CV T 正在积极地和自动变速器竞争,目前有些汽车制造商:例如Honda ,Toyota ,Ford ,Nissan 等已经在积极地在桥车产品中开拓CV T 的各种优点。

已经对CV T 的不同方面进行了种种研究,如性能、滑动特点、效率、外形结构设计、损耗机理—81—第19卷第3期2005年9月传 动 技 术DRIV E SYSTEM TECHN IQU E Vol.19　No.3September 2005图1　推块V型带CV T结构布置Fig.1　Pushing V2belt CV T arrangement等等,但是在大多数新表述的文献中,关于带的滑动,都是以稳态和定传动比的假设为依据。

它们没有研究带惯性作用的影响,而惯性在高速对CV T 系统动力学是不可避免的。

Gerbert(1996)在橡胶带CV T中对滑动特性作了比较详细的阐述。

滑动归结于带的蠕变屈服、剪切变形和弯曲刚度。

Micklem等(1993,1994)结合弹性流体动力润滑理论模拟带和带轮之间的摩擦,并同时研究由于带的土契形作用的传动损失。

K im和Lee(1994)采用准静态平衡条件求得带滑动关系,主动带轮接触弧假定因自锁而是静止的,以而求出速比—转矩负载—轴向力间关系。

Sun(1988)完成金属V型带传动的基础分析,并求得阐述以准静态平衡为基础的带特征方程组,它同时还结合考虑了带组件各带之间的摩擦力。

Srniv 和Pfeiffer(1999)依据于有限元模型和多刚体公式分析了CV T链传动。

Amijima等(1992)完成了在块型CV T上轴向力分布的一种理论和实验研究,采用准静态平衡概念导出了模拟方程式。

Kluger和Fussner (1997)根据其特性、设计限制和效率对不同型式CV T 进行了对比研究。

Carbore等(2000)开发了一种金属推块V型带的理论模型推断速比快速变化时的非稳态动力学。

这些无因次方程可确定各种不同的承载方案,但是带的径向和切向运动之间的匹配不能详细模拟。

本研究的目的是开发一个详述金属推块V带CV T的非稳态动力学模型,以便了解其滑动特性、转矩能力、带的惯性影响和CV T在不同载荷状态影响下不同的动力特性的相互影响。

CV T的基本结构由两个可变直径保持固定分离距离的带轮组成,用一动力传递装置如一根带或链连接。

组成带轮的两个滑盘是可动的,带轮的滑盘在轴向力作用下,使带在其上作径向运动。

由离心滚子机构、或盘环装置或液压系统提供轴向力,带可以依据负载状态和该轴向力作径向或切向运动。

在发动机侧的带轮称为主动带轮,在终传动侧的称为从动带轮。

图1(Micklem等1994)示带的结构和金属带CV T的结构。

带由许多薄钢带夹持于许多梯形钢块中组成,这些组件用销和槽相互连接,利用带的推压作用把转矩由主动带轮传递到从动带轮。

因各带和各组件之间存在摩擦,带组件类似平带也有助于传递转矩。

所以存在推拉作用的组合,在带CV T装置内带可传递转矩。

有关金属推带模型的模拟分析和结果将在下节详细阐述。

2　金属推块V型带CV T的模拟CV T模型的外部状态作用着如一个固定的主动轴向力,在主动带轮上一固定的输入转矩和在从动带轮上一负载转矩。

该模型的目标是在于找出带和带轮间作为带部件穿过包角(即从带的入口到出口)的动特性的相互影响。

为分析推压V型带作以下假定:・带轮为刚性,它们间无不同轴度・推块组和带组件作为连续带处理・推块组的质心和组合带的一致・带长不变・组合带和推块组间即将产生滑动状态・忽略带的弯曲和扭转刚度・带和带轮间的接触线和带轮轴平行。

该带推块和驱动带轮相啮合的分离体图如图2至图4所示。

得出以下公式。

带组件 求出带组件为无穷多片的切向和径向力总和分别为:—91—∑F t∶→μa d F -d T =dm b 3a t ∑Fr∶→dF -Tdγ=dm b 3a r (1)图2　主动带组的分离体图Fig.2　Free body diagram of DRIV ERpack图3　主动推块组的分离体图Fig.3　Free body diagram of DRIV ERelement图4　带推块在主动带轮槽上作用力Fig.4　Forces of belt element on DRIV ER pulleysheave推块同样求出无穷多带推块在切向和径向力的总和分别为:∑F t∶→dQ -μa d F -2μb d N co s ξsgn |v t -r θ|)=dm e 3a t∑Fr∶→Qdγ-dF +2dN (sin δ-μb sinξcos δsgn |v r |=dm e 3a r (2) 忽略带轮盘惯性的影响,求出图4所示轴向力的总和为:dF z =dN (cos δ+μb sinξsin δsgn |v r |)F ap p =∫αdF z,(3) F ap p 是主动轴向力在主动带轮上输入和摩擦转矩和为:∑M 0∶→I θ¨=τin +∫α2μb r cos ξsgn |v t -r θ・|dN (4) 采用运动学求得带推块的速度和加速度方程式如下:v r = r co s <-r γsin <v t = r sin <+r γcos <a t =2 r γcos <-rγθ・sin <-r <・θ・si n <+r θ¨cos <+¨r si n <+r <¨cos <-r <・2si n <a r =¨r cos <- r <si n <- r γsi n <-r γ <cos <-r ¨γsi n <-r θ2cos <- r θsin <-r θ<cos <<=γ-θ(5) 上式中滑移角ξ表明作用于平面的摩擦力,带进入带轮槽切向运动面内滑动。