金属带式无级变速器摩擦功率损失研究

的剪应变也可能超过 106 s - 1 ;此外 ,在几十到几百
微米的空间尺度内 ,润滑油膜将产生几百摄氏度
的局部温升 ;这一切变化都是在瞬间发生的 ,通常
润滑油通过接触区的时间仅有几个毫秒 ,甚至更
金属带式无级变速器摩擦功率损失研究 ———张 武 刘 凯 周春国等
短 。Hertz 接触理论认为 ,线线接触的弹流润滑 , 由于接触区的曲率半径通常比膜厚大几个数量
(6)
式中 , n1 、n2 分别为主从动轮的转速 , r/ min 。
结合式 (4) 和式 (5) ,得出
Pl1 = [ R1 ( T2 - T1 k21 ) n1 / k1 +
R2 ( T1 - T2 k22 ) n2 / k2 ]/ 9549 ( kW)
(7)
式 (6) 、式 (7) 中 Tl1 、Tl2 的单位为 N ·m , T1 、T2 的
Abstract : In order to imp rove t he t ransmissio n efficiency of metal belt . The power lo ss of metal belt CV T was determined as fo ur part s , by synt hetically co nsidering t he effect of t he slip o n t he power lo ss , t he calculatio n fo rmulate of power lo ss was fo und. Take t he t ransmissio n ratio i = 01 85 , i = 11 00 and i = 21 35 fo r examples , every power lo ss was calculated , t he result s indicate t hat f rictio n bet ween segment and p ulley is t he main factor , wit h t he increase of t ransmissio n ratio , power lo ss is increased after reducing and efficiency is reduced af ter increasing fo r a while. The efficiency is t he highest when t ransmissio n ratio equal s to 11 00.
上 。可以确定的是 ,主动轮在恒定低速运动状态 下的磨损深度要大于从动轮的磨损深度 。这个结 论可以很好地支持滑动主要发生在小半径带轮圆 弧上的观点 。
(3) 各个部件在金属带圆弧上的滑动分配是 恒定的 。金属带和带轮之间的滑动以及各钢带环 之间的滑动不会对润滑油的摩擦因数产生影响 。
(4) 假设金属带的侧边进出带轮时 ,由于力的 作用 ,各个部件的变形可以忽略不计 。
实验研究结果表明 :车辆低速行驶时 ,液压系 统效率损失较大 ;车辆高速行驶时 ,传动效率损失 较大 。通过减小从动轮压力安全系数 、提高金属 带与带轮间的摩擦因数 、改进结构等方式可以提 高传动系统的整体效率 。Ko bayashi 等[2] 着重分 析了金属块之间的间隙对滑动的影响 ,通过仿真 预言了滑动率急速上升时变速器所能传递的极限 扭矩 。这个模型注重低传动比和高传动力矩时的
∫c
Tl4 = 2 N 2 d Tl4 = 4 N 2ηq2 ( vS / R2 - n2 ) / t2 (10) 0
润滑状态 , 随着载荷的增加 , 润滑状态也发生改
变 ,由弹流润滑状态变成部分膜弹流润滑和边界
润滑的混合润滑状态 。因此 ,金属块与带轮之间滑
动的功率损失要分为两个阶段考虑 。
1. 2. 1 小载荷时弹流润滑状态的功率损失
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金属带与带轮的接触弧上存在着一层润滑油
膜 ,小载荷即转矩比 r < 01 4 时 ,它们之间的功率
笔者研究了金属带式 CV T 中 ,金属块与钢 带环之间 、各层钢带环之间以及金属块与带轮间 的功率损失 ,确定了各项损失的数学模型 ,并进行 了算例分析 ,定量说明各项功率损失所占的比重 。
1 功率损失模型
钢带环的张力以及金属块的推力在不同速比 和扭矩比下的变化规律可参考文献 [ 4 ] 。因为金 属带是由很薄的若干个金属块和钢带环组合而成 的 ,所以做如下假设 :
Key words : metal belt ; co ntinuo usly variable t ransmissio n (CV T) ; f rictio n ; power lo ss
0 引言
传动效 率 是 直 接 影 响 金 属 带 式 无 级 变 速 器 (continuously variable transmission , CV T) 应用效 能的两大问题之一 ,是制约其大规模装备于汽车传 动系统的重要因素。由于 CV T 是摩擦传动 ,不可 避免地存在滑动现象 ,因此影响了其传动效率 。为 了提高汽车的经济性 ,所以必须弄清楚 CV T 效率 的变化规律 。由金属带式 CV T 的系统构成可以看 出 ,其传动效率损失来自于很多方面[1] 。
关键词 :金属带 ;无级变速器 ;摩擦 ;功率损失 中图分类号 : T H132. 46 文章编号 :1004 —132X(2010) 11 —1293 —05
Research on Friction Power Loss of Metal Belt Continuously Variable Transmission Zhang Wu Liu Kai Zho u Chunguo Zhang Haiyuan Zhang Baofeng Xi’an U niversit y of Technology ,Xi’an ,710048
(5) 忽略所有的惯性力作用 。 1. 1 金属块与带轮间的径向摩擦功率损失
一直以来 ,金属带与带轮间摩擦模型的建立 都存在两种理论 :库仑摩擦理论和流体弹性动力 学理论 。文中应用库仑摩擦理论对金属带与带轮 间的摩擦模型进行分析 。金属块与带轮间的径向 摩擦功率损失是由金属带进出带轮时发生的径向 滑动引起的 。金属块进入从动轮后 ,金属块之间 的挤压力变大 ,导致金属块侧面的法向力随之增 大 ,因此金属块在带轮入口处的径向摩擦力也变 大[5] 。当金属块进入带轮时 ,它必须克服径向摩 擦力才能到达相应的工作半径 。当金属块离开带 轮时 ,它必须克服径向摩擦力才能从运行半径位 置转移到带轮边缘 ,金属块需要额外的功率来克 服这种摩擦力 。这一现象同时存在于主动轮和从 动轮中 。由此可知 ,在实际运行中 ,在带轮的进口 处 ,金属带的作用半径稍大于运行半径 ;在出口 处 ,金属带的作用半径稍小于运行半径 , 如图 1 所示 。
单位为 N , R1 、R2 的单位为 mm 。
1. 2 金属块与带轮间的切向摩擦功率损失
金属带在传动的过程中是通过与主从动带轮
的摩擦来传递转矩的 ,因此 ,金属带在带轮的切向
方向上存在滑动现象 。在载荷由零到最大载荷的
整个变化过程中 , 金属带与带轮之间处于不同的
摩擦状态 。小载荷时 ,金属带与带轮之间处于弹流
(4)
Tl2 = M′2 - M2 = FR 2 / k2 - M2 =
R2 ( T1 - T2 k22 ) / k2 ( N ·m)
(5)
式中 , M′1 为主动轮输出转矩 ; M′2 为从动轮输入转矩 。
因此 ,金属带进出带轮的功率损失为
Pl1 = π( n1 Tl1 + n2 Tl2 ) / 3000 ( kW)
R x 1 - k2x = K
(1)
x = 1 ,2 式中 , K 为试验常数 ,可以取 K = 51 5mm[6] 。
图 1 中 , M1 为主动轮输入转矩 , M2 为从动轮 输出转矩 。T1 、T2 分别为上半部分和下半部分的
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钢带环拉力 , F 为金属块间的挤压力 。在恒定的高
转矩比的情况下 , T1 和 T2 在直线段保持不变 , F 仅存在于金属带较紧的一边 , 并且在直线段保持
金属带式无级变速器摩擦功率损失研究 ———张 武 刘 凯 周春国等
金属带式无级变速器摩擦功率损失研究
张 武 刘 凯 周春国 张海源 张宝锋
西安理工大学 ,西安 ,710048
摘要 :为了提高金属带式无级变速器的传动效率 ,将金属带组件的功率损失确定为四部分 ,考虑滑 动对功率损失的影响并得出了功率损失计算公式 。以传动比分别为 01 85 、11 00 、21 35 为例 ,对各项功率 损失进行了计算 。分析结果表明 ,金属块与带轮间的摩擦是造成 CV T 功率损失的主要原因 。总的摩 擦功率损失随着传动比的增大而先减小后增大 ,效率随着传动比的增大而先增大后减小 。传动比为 11 00 时 CV T 效率最高 。
不变[7 ] 。
根据主动轮和从动轮的扭矩平衡 ,可以得出
M1 + T1 k1 R1 = Fk 1 R1 + T2 R1 / k1
(2)
M2 + T1 R2 / k2 = FR 2 / k2 + T2 k2 R2
(3)
主动轮和从动轮的扭矩损失分别等于各自输
入扭矩和输出扭矩之差 :
Tl1 = M1 - M′1 = M1 - Fk1 R1 = R1 ( T2 - T1 k21 ) / k1 ( N ·m)
图 1 金属带进出带轮时的运行位置示意图
主动轮入口处的作用半径 R1i = R1 / k1 , 出口 处的作用半径 R1o = R1 k1 ; 从动轮入口处的作用 半径 R2i = R2 / k2 ,出口处的作用半径 R2o = R2 k2 , R1 、R2 分别为主动轮和从动轮的工作半径 , k1 、k2 分别为主动轮和从动轮小于 1 的系数 。它们可以 由以下公式确定 :
(1) 由于金属块间的负载和滑动速度都相对 较小 ,因此忽略金属块之间的能量损失 。
(2) 因为小半径带轮圆弧和金属块间的大空 隙容易产生滑动 ,所以金属带与带轮发生在小圆 弧上的相对滑动较明显 。因此 ,滑动发生在高传 动比 (低速) 的主动轮和低传动比 (高速) 的从动轮
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中国机械工程第 21 卷第 11 期 2010 年 6 月上半月
度为 2 a ,金属滑块的边缘宽度为 S ,长度为 c。注意
到金属带运行半径是对于宽度为 S 处 , 并设此处
速度为 vS ,带轮直母线与带轮轴线铅垂面的夹角 θ = 11°[10 ] ,考虑 X 处的微元油膜传递的扭矩 :
d Tl4 / d x = 2 a2η( vS / R2 - n2 ) ( R2 - xco sθ) 2 / t2 (9)
收稿日期 :2009 —09 —25 基金项目 : 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 资 助 项 目 (20060700002) ; 陕 西 省 重 点 学 科 建 设 专 项 资 金 资 助 项 目 (080204)
滑动现象 ,但是它不能说明实际工况时传动效率 的问题 。还有学者讨论了润滑油对 CV T 传动效 率的影响 。L ebrecht 等[3] 建立了弹性带轮的仿真 模型以分析产生噪声的原因 ,但没有深入研究带 轮变形对效率的影响 。
级 ,因此可以将接触区视为平面 。由于此时不考 虑金属带进出带轮的功率损失 ,所以金属带在主 从动带轮上切向滑动的扭矩损失可以表示为[ 9 ]
Tl3 = - Tl4 R1 / R2
(8)
式中 , Tl3 、Tl4 分别为金属带在主从动轮上的切向扭矩损
失 , N ·m 。
以从动轮的扭矩损失为例 , 参考图 2 , 油膜宽
传递就是由这层润滑油膜的黏性剪切应力来完成
的[8] 。此时的摩擦力受到压力分布 、油膜厚度 、温
度分布以及润滑油剪切应力与应变之间关系等的
影响 ,润滑油所处的状态极为特殊 :弹流润滑属于 薄膜润滑 ,通常润滑膜厚度为 01 1～11 0μm ,但是
润滑油膜中的压力很大 ,并且膜厚越小 ,压力越
大 ,即使是纯滚动状态 ,润滑油在某些部位所承受