无级变速系统的结构、原理和检修

1、无级变速系统技术及原理分析1.1、无级变速机构简介无级变速动力传递机构主要由前传动和后传动两大部分组成。

如图1所示，前传动由前带轮、后带轮、V带3大件组成；后传动由后齿轮箱内的末级齿轮轴、双联齿轮、动力输入轴组成。

在前传动与后传动之间，由重锤式干式自动离心式离合器来联接或切断动力。

前传动机构既是动力传递机构，又是无级自动变速机构。

前带轮由主动盘、强制冷却风扇、空心轴套、离心滚柱、定位板、移动盘组成。

后带轮由固定盘、移动盘以及离心力控制弹簧组成。

传动带内侧有齿牙（不属于同步带），传动带在前、后带轮之间，既是动力传递件，又是无级变速件。

后传动是一个二级减速传动箱，它是将前传动输入的转速在此进行二级减速增矩后，把动力传递给后轮轴。

V带无级变速系统（Continuously Variable Transmission以下简称CVT）目前广泛用于踏板车的传动系统中。

该系统与我们常见的有挡变速系统相比主要有以下优点：a）操作简单、平稳舒适。

CVT系统传动比的变化只需由油门控制曲轴转速就可以达到，并可实现传动比的连续变化，没有有挡变速系统所必需的离合、变挡等操作和传动比突变造成的冲击。

b）CVT系统在设计范围内减速比可连续变化，使摩托车在使用时，发动机转速保持在比较理想的范围内，有利于降低油耗，减少排放污染。

1.2、CVT与动力系统的分析传动系统与动力系统的匹配是摩托车取得良好性能的重要途径。

CVT系统具有连续的动力输出和无级变速的动力特性，相比有挡式变速系统更容易达到比较理想的综合性能，但考虑到摩托车使用时各种工况的复杂性，CVT系统与动力系统的匹配也是一个必须考虑油耗、排放、加速性、最高车速等多种因素并折衷取舍的复杂问题。

这就必须仔细设定CVT系统的主要规格：最大减速比（imax）、最小减速比（imin）、二次减速比（i2）以及CVT主动轮上的离心式转速感应调控机构和从动带轮上的转矩感应机构。

车辆在稳定行驶时，CVT从动轮上的转矩感应机构对传动带的轴向控制功能相当于车辆负荷转矩的比例放大器，其比例系数取决于转矩感应机构转矩斜槽的升角和工作半径。

比例系数的大小可是定量，也可随斜槽升角的改变而改变，以更好地适应运行工况要求，提高系统效率。

CVT 主动带轮上的离心式转速感应调控机构是发动机输入转速和输出的主动轮轴向力的比例控制器，其比例系数由离心滚子滑道轨迹和离心滚子运转半径来决定。

在设计以上参数时，必须考虑在各种不同的转速、转矩工况下主从动带轮作用力的平衡关系，以及由此给整车油耗、排放、动力性带来的影响。

由图2可以看出当摩托车在加速初期CVT处于接近最大减速比状态，到了最高车速时则处于最小减速比状态，但二者都需要再经过二次减速才能将发动机输出的动力传输到后轮。

所以3者必须互相匹配才可能得到最佳性能。

下面我们来分析CVT系统减速比的设定与整车动力性能的关系。

a）加速性摩托车行驶时受力情况如图3所示。

发动机输出转矩克服行车阻力后剩余的用于加速。

发动机加速之初CVT处于最大减速比状态，而发动机的输出转矩被最大减速比和二次减速比之积所放大（imax·i2），为了取得较大加速度应尽量加大imax·i2之值。

近年来由于人们对加速感的追求，各车型均尽量放大imax·i2之值，但受CVT系统本身尺寸限制（如传动带宽度、曲轴箱体积等），imax通常不会超过3，但i2太大又会影响到最高车速，因此必须加以取舍。

b）最高车速当发动机的驱动力经过传动系统后，在后轮的输出等于当时的定速行车阻力时，该车就无余力加速而保持这个速度。

当油门全开，摩托车输出的最大后轮驱动力与行驶阻力相等时，摩托车的车速称为最高车速。

当imax·i2改变时会改变后轮驱动力，最高车速会随之改变。

当imax·i2大时，后轮驱动力较大，发动机转速超过最大扭力点使驱动力下降，车速降低；当imax·i2太小时，驱动力不够大，不能得到高车速；只有当imax·i2居中而匹配适当时，才可能得到较高的车速。

当摩托车在平路行驶达到最高车速时，驱动力T为最高车速的Vmax的二次函数，故并非imax·i2最大才可得到最大的Vmax。

不同排量发动机减速比的比较如表1所示。

表中imax·i2之值50mL比125mL大得多，一个原因是日本法规限制50mL摩托车的最高车速为60km/h；另一个原因则是由于转矩不同，50mL摩托车为了取得较好的加速性而将i2放大；imax由于受CVT系统尺寸的限制而不能太小，故imax·i2之值小不下来，不然50mL的最高车速可进一步提高。

c）油耗污染进行动力系统匹配的目的，除了要达到良好的加速性和最高车速性能外，最重要的就是要取得良好的油耗污染指数。

包括发动机性能曲线、油耗曲轴、排放物（CO、HC)曲线等，还有就是摩托车实际使用时的行走曲线（包括加速和定速行驶）。

由于目前油耗测试中定速行驶所占比例相当大，所以通常先考虑定速行驶工况。

图4为某轻型摩托车定速为30km/h、40km/h、50km/h时所需转矩的情况。

3条曲线各表示1条等转矩双曲线，也就意味着定速50km/h时所需功率可由4000r/min、4Nm或6000r/min、3Nm分别得到；或者说这条曲线上任何一点均代表可提供定速50km/h骑乘路面阻力的转速和转矩的组合。

图5、图6、图7分别是该摩托车发动机的油耗、HC、CO等3种曲线，从图中可以看出最低油耗的点在4000r/min附近，而最低CO、HC排放分别在3500r/min和6500r/min。

图中显示的资料表示不同车速时最适当的转速范围各不相同，而要达到最低油耗和最低污染，对发动机也有不同的最佳运转要求，所以发动机定速行驶时的行走曲线是根据发动机相关资料，并参考其他类似发动机的定速行走曲线来设计（图2中的定速行走曲线），再由各定速所受行驶阻力计算发动机所需的输出转矩，即可图5、图6、图7上画出此定速行走曲线，如此可判断所设计的定速街曲线是否落在适当的油耗污染性能区域内，然后在整个系统制作完成后的样车测试时再进一步修正到理想性能。

要降低发动机油耗，污染的方式很多，有的方法是从根本上提升发动机设计性能，也有的是采用对废气进行还原，此外还有从传动系统的角度出发，由传动系统本身的特性去配合发动机来达到性能改善的目的。

1.3无级变速机构的结构特点离心式无级变速机构的总体布局如图8所示，前带轮也称为主动带轮，装在曲轴左端的轴颈上。

后带轮也称从动带轮，它与离合器甩块总成组合为一体，滑套在后齿轮箱输入轴上，习惯称该轴为带轮轴。

目前50-250ml踏板车型基本上使用的是这种布局结构，所不同的也只是零件的尺寸和具体的结构略有差异。

a）前带轮（主动轮）前带轮装在曲轴上，图9为CH125车型的前带轮总成结构。

主动盘与曲轴为花键配合，在配套、垫圈以及定位板的支撑下，由曲轴端面螺母压紧在曲轴上，不允许有丝毫的松动或旷量，否则既容易产生响声，又容易造成曲轴花键或主动盘花键损坏，同时又影响无级变速机构动作时的灵敏度。

不同的车型，主动盘与曲轴的连接方法也不同，图9中右上角为1E50FM发动机主动盘结构，主动盘通过花键板与曲轴花键配合，主动盘的前端还装有起动齿轮。

空心轴套的内径与曲轴颈为间隙配合，这个间隙只是为拆装方便而设置的间隙，轴套在前带轮装配后，与曲轴之间没有任何旷量和松动。

轴套的外径上滑套着移动盘，工作时移动盘可以沿轴套作轴向移动。

轴套的外径与移动盘的内径之间的间隙一般保持在0.03mm。

间隔过小，受热后移动盘移动阻力增大，严重时出现冷机变速正常，热机后车速和动力提不起来；间隙过大，工作时移动盘在轴套上产生倾斜摆动而形成支点，造成移动阻力过大，车辆行驶时有发冲现象及响声。

移动盘在发动机工作时定位板卡爪槽的带动下旋转，在离心滚柱的推力作用下，在旋转的同时沿轴套轴向移动，而轴套本身与曲轴没有动力传递关系。

主动盘与移动盘多使用铝合金材料加工成型，在主动盘与移动盘夹角之间装配有V形异步传动带。

在移动盘内设置有6个轨道槽，如图10所示，6个轨道槽互成60°夹角，在轨道槽内分别装有滚柱。

轨道槽沿移动盘中心位置处深，外圆处浅。

定位板利用钢块冲压成型，圆周上每120°有1个缺口，并在缺口上套装耐磨橡胶滑块，用来防止定位板直接与移动盘上互成120°的卡爪结合，延长移动盘卡爪的使用寿命。

离心滚柱在绝大部分车型中为6个，滚柱的外圆上套装有硬质耐磨、耐温复合塑料，防止滚柱直接与移动盘轨道槽接触，使轨道槽产生过早的磨损。

滚柱大都为铜材空心结构，各车型对滚柱的尺寸和质量都有严格要求。

我国目前的踏板车大都模仿日本车型或引进日本的技术，主要为铃木、本田、雅马哈三大系列。

以50ml发动机为例，图10中给出了这3个生产厂家的离心滚柱的标准尺寸和质量要求。

其它车型只要与图中A、B尺寸相同，可以互换。

滚柱的尺寸和质量与变速机构的布置、总轴向力等因素有关，并且要保证在最大转矩附近应有良好的变速状态。

b）后带轮（从动轮）和传动带后带轮也称从动带轮，它与离合器组装为一体。

图11为后带轮与离合器的实物和结构示意图，后带轮由主动盘和移动盘，弹簧、转矩凸轮销和螺旋槽组成。

移动盘可以在传动带的压力下，克服弹簧的弹力沿主动盘轴颈作轴向运动（移动）的同时，又在凸轮销和螺旋槽的作用下做一定量的旋转。

从动带轮的左右、右半部利用钢板冲压焊接而成，工作表面进行氮化处理以延长使用寿命。

无级变速器所用传动带是由氯丁橡胶和聚脂线绳制成的，断面结构材料如图12（b）所示，是无级变速器上非常重要的零部件。

由于无级变速使用V带包角变化范围大，线速度高，可达30m/s，传递功率大，散热条件差。

所以，V带材料的要求也很严格，其硬度、抗拉强度定负荷下的伸长量、尺寸精度要求都很高，以保证传动带的工作可靠和使用寿命。

在传动带上都标注有尺寸和装配方向。

以某品牌100型摩托车使用的V带为例。

其外圆周长792mm，外圆宽度为16.5mm，内圈上有75个齿。

需注意的是，齿两面的斜角是不相同的，朝向运动方向的齿前面为12°，齿后面为20°，断面楔角为30°，如图12（a）、（b）所示，比带轮楔角大2°。

这是由于V带在经过带轮处弯曲时，外部拉伸层产生横向压缩，内部压缩层产生横向伸长，从而使V带的楔角减少2°-4°，为保证V带在工作时侧面与带轮槽紧密接触，在自由状态下，应使其楔角比带轮大2°，事实上，V带在不同直径的带轮上工作时，楔角是变化的。

一般，V带弯曲越严重（即曲率越小），楔角变得越小。

为使传动带与带轮在不同直径处均有良好的切合，带轮盘制成圆弧曲线，使带轮楔角变化适应V带工作时的楔角变化规律，即带轮大直径处的楔角大，小直径处的楔角小。