轻型商务车变速器设计

摘要

无级式变速器具有驱动皮带与工作直径可变的主、从动轮配合传递功率由于无级式变速器能够连续地变化传动比,因此获得传动系与传动机的最佳匹配,提高车辆的经济性、动力性、操控性、舒适性,是一种较为理想的车辆传动系统。机械无级变速器是其中一种无级变速器,它是一种能够在相对的控制下,在两个极限范围内,连续变化其输出轴的转速。能满足工艺需求的灵活性、过程机械化、自动化开发以及提高机器工作性能。本文从轻型商务车机械式无级变速器的优点和缺点出发,改进其在性能方面的缺陷,使其更好地满足不同机械的工作条件和对产品的需求。

关键字词:轻型商务车无级变速器;机械式无级变速器;轻型商务车性能

第一章.绪论

1.1课题背景及其意义

无级变速器,也称连续可变变速器[15]。无级变速是一个比较古老的说法,最先取得成功和应用的是十八世纪德国Daimlar-Benz公司制造的汽油发动机,它是一种V形橡胶皮带无级变速器,但是,由于其传输转矩容量、可靠性、使用寿命等各方面的条件限制下,其应用范围非常有限。因此,自轻型商务车问世百余年来,其最基础的传动方式就是有级齿轮。但在1970年代中期,荷兰VanDoorne’sTransmissieB.V公司研发了一种金属皮带式的无级变速传动装置,

并将其简称为VDT-CVT。该无级自动变速器解决了以往各种传动方式的不足,使其达到了真正的无级变速。VDT-CVT自1987年正式上市被使用后,至今已被全球各大车企采用,并自行研发。无级变速技术是目前最先进的轻型商务车传动技术之一,CVT技术正逐步被各国轻型商务车厂商所重视。目前,CVT的车型有奥迪A6,奥迪A4,南京菲亚特。CVT的综合性能优于手动变速器(MT)和自动变速器(AT),可以与发动机进行更好的动力匹配,因此,CVT成为当前轻型商务车发展的主要方向之一。

第二章.无极变速器的结构组成和工作原理

2.1无级变速机构

它包括一个金属传动带,一个主动轮组,一个被动轮组。其中,主动轮和被动轮组均为活动圆锥盘和静止圆锥盘。如图2-1

2.2CVT的总体结构

如图2-2所示。发动机扭矩由飞轮阻尼或扭矩变换器传输至CVT。在前进挡的倒挡上,每个后挡都有一个多片离合CVT,它可以用行星齿轮和两个离合器来完成前进和后退。CVT是通过调整主锥轮和从动锥轮压室的压力来驱动可滑动锥轮,从而达到变速和变速的目的,并确保在较低的压力下锥轮斜面与钢带之间的接触压力达到充分的接触压力。如图2-3所示

VT2-VT3包括许多部件,按照各自的功能可以分成三类。

第1类一机械传动装置

该部分的作用是提供机械驱动和扭矩传送。

第2类一控制系统

与控制系统相关的部件,根据负载状况和行驶需求,在一定时间内,控制系统必须确保变速器能够传输功率,并且在一定时间内改变传动比。

第3类一外部连接装置

和与传动装置的外部相连的部件。在这些部件中,有的在变速箱里面,有的和变速箱相连接,还有一些部件是整个体系的一部分,但它们分散在车身的其它地方。其工作原理如图所示

2.3CVT的特点

由上述CVT的组成及工作原理,不难得出它具有以下特点:

(1)CVT能够在较大的范围内进行无级调速,使其与发动机工作状态相符合,从而改善轻型商务车的经济性。

(2)轻型商务车的爬坡性能和加速性能取决于轻型商务车的后备功率,备用动力越多,车辆的动力性能也就越好。CVT具有无级变速特性,使其具有最大的备用功率,因此CVT的动力性能要比其他类型的变速器好很多。

(3)CVT具有较大的速比工作范围,可以在最优状态下运行,提高燃烧性能,减少尾气排放。

(4)因为CVT的速度比一直在变化,因此车辆的加速度和减速都很平稳,并且很安全。

(5)CVT没有常规变速箱的传动齿轮,也就没有常规的变速器进行换档阶段的跳跃,所以CVT轻型商务车在换档时的顿挫也会随之消失。CVT变速箱的线性输出使得驾驶者在实际驾驶CVT车辆时会有很好的动力输出,这也符合当今消费者对驾驶舒适性的需求[1]。

(6)CVT系统的构造相对来说比较简单,CVT零件的数量(大约200个)比AT(500个)要少将近300个,因此CVT传动系统的总质量要轻一些,生产成本也要低一些,当然,它的重量也会相应地减轻,在减少车身重量的情况下,车辆的燃油消耗会减少,加速度也会增加[1]。

缺点:

(1)CVT在传递扭矩的时候,主要是由钢皮驱动,对钢材的强度和刚度都有很高的要求,但目前的材料限制,在一定的韧性下,钢带所能承受的最大拉力和扭矩都是有限的。通常情况下,轻型商务车在排量大于2.8升或扭矩大于280Nm时,很难安装CVT。

(2)为了使CVT达到最优的传动比,需要采用精密的电控和液压控制。这种改变滑轮工作半径的主要是由液压来控制锥盘的夹持力。

(3)尽管CVT零部件数量少,结构比较简单,但CVT一旦发生故障通常会非常严重,所以维护起来花费很大。

(4)CVT属于摩擦传动,所能传递的最大功率收摩擦力矩的限制,由于是摩擦传动,所以它的传动效率也不高,这些也是带式无级变速器的现有技术瓶颈。由于受所能传递的最大功率的限制,目前CVT多用在排量比较小的轻型商务车上。

2.4CVT和传统Auto的区别

CVT与传统的Auto相比,有两个最大的不同:首先,该系统省却了繁琐、笨拙的齿轮组合变速装置,仅采用两组圆锥齿轮进行换档。传动机构主要依靠主、从动轮、金属皮带、辊子等实现无级变速。其次,其速度比率是连续的,是一组连续的数值。此使用该种变速器有以下这些优势:

(1)当车辆速度不变时,引擎的速度就会降低。

(2)改善排放控制/减少燃油消耗量

(3)NVH(噪音、振动、刺耳声)相对比较低的。

(4)加速比较平稳。

(5)在山区道路上能够驾驶灵活。

(6)结构更简单,体积更小。

第三章.轻型商务车无级变速器的类型

无级变速器的种类按照不同的形式可以分很多种,因此,根据其运行模式和驱动方式,可以分为三种类型:机械式、电动式、流体式三大类。

3.1电传动式无级变速器的应用

此类无级变速系统由发电机、控制系统和牵引马达三部分构成。它具有传输功率大、易于控制、传动效率高、噪音分贝小、环境污染少、自动化程度相对高、元件配置简单、可以用燃料电池代替原动机等优点[2],特别是在当前,能源与环境问题日趋严峻的今天。各国都在致力于解决环保与能源问题上的各种研发,由此加快点传动式无极传动系统的发展速度。但是,由于它的体积大、造价高,特别是在手动控制的情况下,控制器的结构也很复杂,因此,当前电传动式无级变速器只适合用在矿山自卸车、大型铲运机和轮式装载机。

3.2流体式无级变速器的应用

液体型CVT有两类,一种是液力CVT,另一种是液压CVT。广泛应用于轿车,公交车,商用车,重型车,工程车等。

3.2.1液力无级变速器

液压机械式无级变速是目前发展最成熟、使用范围最广、综合性能最好的一种[2]。一般的液压传动系统由三个部件构成:泵轮、涡轮和导轮。在原动机的作用下,泵轮转动,产生动力,将机械能转化成油液,产生一定动能的油液,将它转化为机械能,通过与涡轮连接,驱动轻型商务车。涡轮机在轻型商务车运行工况的改变中发挥了转矩的作用,并相应地改变了车速。可在较大的范围内持续地改变输出速度,构成液力机械无级变速。由于液压传动系统的变速范围很小,通常会在后边加入一阶机械传动,液力无级变速又称为变矩器,通过液压油的动能来传输能量,利用离合器的功能,也能使转速、力矩连续地改变,因此,致使轻型商务车起步平稳,加速更加迅速柔和,并具有良好的阻尼特性,能够很好地适应外部负荷的频繁变动[10]。它的主要缺陷:结构比较繁琐,成本较大,效率不高。

它的主要优势:使用简便、驾驶员换挡次数少、传动比转换性好、持续、平滑、舒适度好、排放污染小、减少驾驶员疲劳、为驾驶员增加安全性。

3.2.2液压无级变速器

液压机械无级变速器(HMT),采用静力无级调速器,行星减速轮系和分流汇流机构所构成的[11]44-48。液压CVT的变速范围广,易于控制,使其达到最优的稳定性,尤其适合于复杂工作环境的工程车辆。所有,液压式CVT已被普遍应用在各样的机械行业,特别是在工程机械方面。但是,目前轻型商务车液力驱动还面临着两个主要问题:一是传动效率不高,以目前的液压技术程度来看,其最大效率仅为75~85%,在一些工作条件下仅为50%~70%。在轻型商务车启动或者低功率运行时,它的效率将会越来越低,二是由于高功率的油泵和电机难以生产,所以更加难以实现高精度的加工[10]12-14。

液压无级变速器有着以下特点:

(1)能适应不断变化的外部负载,并且能实现连续无级变速。确保引擎处于最佳的动力点或节能点,从而改善了轻型商务车的动力性、经济性以及操作效率。

(2)采用油液作为传输媒介,起到减振作用,减少动力系统的动态负荷,预防引擎过载、熄火,延长有关部件的使用年限。

(3)具有良好的缓冲性能,能有效地降低震动,降低噪音,改善乘坐舒适度。

(4)低稳速运行可以改善轻型商务车在恶劣的条件下的通过率和低转速工作品质。

(5)它具有轻巧、容易实现自动控制的特点,减轻了人工的劳动强度。与机械式无级变速器做比较的话,它具有传动功率大、使用寿命长、体积小、质量轻、惯性低、结构紧凑、安装方便等优点。

综上所述,可以得出,液压机械无级变速传动在工程车辆等大功率传动领域还是有着明显的优势和广阔的发展前景。

3.3机械式无级变速器

机械式无级变速变速器是在一般机械传动的基础上,加入微电脑控制的电液伺服自动变速装置,目前已在一些低档轿车,局部卡车和商业车辆中使用。机械式无级变速器有着组成结构简单,相对来说可靠性比较高,无级调速比较简单等许多优点。下章着重介绍一下机械式无极变速器。

第四章.机械式无级变速器

4.1轻型商务车机械式无级变速器的工作原理

机械式无级变速器是一种传动机构,它包括三个部件:变速、调速、压力和输出机构。它的工作原理是利用一种以联轴器(或凸轮)装置为脉冲发生器,把输入轴的等速旋转转化成摇臂的往复运动,然后,利用单向超越离合器,把摇杆的往复摆动转化成一个单向的脉动转动,无级变速主要是利用变速机构来改变杆机构中各个杆的大小比例,让摇臂的摆角及其平均摆动速率持续变化[8]。它的作用特点就是:当输入速度恒定时,可以使输出轴的速度在某一特定的区间内不断地改变,用来适应各种运行条件下机械或生产系统的需要。当与减速齿轮相配合时,可以使变速范围和转矩得到更大的扩展,从而达到提高产品的产量、满足产品转换的要求、节能、自动化等各方面的要

求。因此,机械式无级变速器是一种普遍使用的传动部件,已经被普遍地使用在各个行业[4]。

4.2轻型商务车机械式无级变速器的发展

机械式无级变速装置诞生于十九世纪七十年代,但因材料、工艺等因素的制约,其发展相对缓慢。直至二十世纪七十年代以后,70年代之后,首先,由于先进的熔炼、热处理、精密加工、数控机床等技术和牵引传动理论以及润滑油的产生和发展,才逐渐克服了制约因素;其次在达到机械化、自动化以及提高机械工作性能的同时,我们生活中对无级传动系统应用的需求也日益增多。所以,在这样的情况下,机械式的无级变速传动以飞快上升的趋势迅速发展。日本,德国,意大利,美国,俄国等是机械式无级变速器研制开发的几个核心大国。

4.3轻型商务车机械式无级变速器的优点

二十世纪八十年代开始发展起来的轻型商务车机械无级变速器是一种新型的传动形式,它的优点是结构组成简单,传动效率较高,并且相对其他变速器来说环境适应性较强,传动稳定十分可靠,操作和维修都比较方便[6]。与原来广泛使用的MT和AT相比,其优势也是显而易见的。

(1)轻型商务车机械式无级变速器的发展是顺应了轻型商务车传动系统从手工到自动化的发展趋势。实现了无级变速器的自动平滑,操作简单,避免了MT、AT在换挡过程中产生的跳动和撞击,它减少了人工作业的工作量,减少了噪音,增加了驾驶的舒适度和安全可靠性。

(2)轻型商务车机械无级变速器是有着恒定的功率特性,其输出扭矩与速度呈反比关系,特征曲线呈双曲线,以满足车辆传动系统的恒定输出功率需求;与MT、AT的分档变速箱相比,CVT的变速是连续的,它的速度快、平稳,所以它能够更好地满足车辆在不同的道路条件下的行驶需求。

(3)因为轻型商务车机械的无级变速器可以根据不同的行驶条件,及时地调节变速,这样它就可以达到最优的工况,达到最优的性能,同时不会产生任何的碰撞和动力损失,达到最优的燃油经济性;由于燃烧充分,尾气排放量降低,对环境友好(比AT节省10%~17%的燃油消耗,降低10%左右的废气)。另外,CVT的特点是结构简单,造价低,维护操作简单,效率可高达90%,工作也比较稳定。

所以,可以说无级变速器是目前最先进的一种新型变速器。目前,全球有数百万辆不同型号的车辆都使用了这种技术,在未来的发展中,它将会是轿车传动的主要类型,并且可以得到更好的发展和更广泛的应用。

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