英语原文共 23 页
关于以皮带和链条传动的无级变速器综述：动力学特性与控制特性
Nilabh Srivastava a,*, Imtiaz Haque b
北卡罗莱纳大学机械工程与工程科学学院，
大学城路9201号，DCH355，夏洛特，NC28223，美国
克莱姆森大学机械工程系，EIB106，SC29634,美国
摘要
在过去的二十年有关汽车的重要研究中，汽车工程师们一直致力于开发能减少汽车能耗的车辆变速器。随着人们对环境问题的关注的增多，汽车生产商和消费者都开始追求更低的废气排放和更高的行驶效率，并为之不断努力。无级变速器（CVT）能够提供一定的区域内连续变化的档位，通过在汽车不同的行驶工况下，与发动机运行工况的匹配提高了汽车燃油经济性和动力性。虽然CVT对于改善车辆燃油经济性有着至关重要的作用，但是在大规模生产的汽车中，它的全部潜力尚未实现。本文阐述了摩擦式无级变速器的动态模型和控制的最新研究成果。广泛探讨了有关基本概念，数学模型及基本算法。同时进一步探讨了在未来对于CVT的建模和控制会遇到的挑战以及核心关注点。
关键词 CVT；无级变速器；皮带；摩擦；建模；动力性；回顾
主要内容
1.简介hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..19
2.带式无级变速器的动态模型hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;...21
3.链式无级变速器的动态模型hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;...30
4.CVT控制hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..34
5.结论hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;...36
鸣谢hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..38参考文献hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..
1.简介
随着社会经济的发展，环境问题日益突出。而在有关当今全球变暖的辩论中，汽车能耗已经成为关键因素。在过去的几十年里，有关汽车性能，排放以及燃油经济性，汽车行业正在面临着渐趋严格的由市场以及监管部门设立的标准。（比如美国的CAFEacute;标准，欧洲的ACEA标准，排放贸易法规等）。交通行业引起的主要温室气体，比如二氧化碳（CO2）的排放量，随着旅游业的发展，能源的使用以及石油的进口而稳步增长。燃油经济性是决定汽车温室气体排放的一个关键因素。目前有三个根本的减少车辆运输行业温室气体排放的。(a)提高汽车燃料的效率,（b）用低碳能源替代碳密集能源(即使用替代能源燃料技术)和(c)减少运输量。随着消费主义和城市化的迅猛发展，通过减少车辆使用量来实现减排的空间很小，而尽管替代能源如燃料电池、电动机、电池、太阳能、风能等技术能够有效地减少温室气体排放，但是它们目前在实施策略、基础设施、成本和可驾驶性方面面临重大挑。另一方面，重要的研究机会在于改进现有的发动机和传动技术，在可替代燃料技术继续发展的同时，也能满足排放法规的早期要求。最近,由于无级变速器(CVT)在低排放和高性能方面的潜力，在汽车领域引起了极大的兴趣。无级变速器是一种新兴的汽车传动技术，能够在一个在高、低极值之间提供连续的传动比，同时运动部件较少。这就提高了车辆的燃油经济性和动力性，允许更好地匹配发动机在不同工况下的不同的工作条件。现如今CVT正与自动变速器展开激烈的竞争，一些汽车制造商比如本田、丰田、福特、尼桑等，热衷于在生产车辆中利用无级变速器的各种优势。无级变速器也是未来混合动力汽车的一项很有前途的动力总成技术。然而,尽管无级变速器具有许多优点，但提高燃油经济性和更好性能的目标尚且没有在实际生产的车辆上得到显著的实现。为了实现更低的排放和更好的性能，必须要能够捕捉和理解CVT系统中的动态交互，以便于开发设计高效的控制系统来克服现有的损失，提高车辆的燃油经济性。现如今有许多种CVT，每一种都具有各自的特点，如球形无级变速、静压式无级变速、E-CV、环形无级变速、功率分流无级变速、带式无级变速器、链式无级变速器、球型环形无级变速、米尔纳无级变速等。然而，在所有的汽车的应用中，皮带式和链式无级变速器是最常用的CVT。因此，本文回顾了目前最先进的研究，在动力学和控制方面改良现有的带式和链式无级变速器来达到实现优化汽车燃油经济性和行驶性能的目的。同时也对基础理论，数学模型，和未来的研究挑战方向进行了讨论。本文不仅对这类无级变速器系统的动态建模有深刻的认识，同时评估了当前和未来的研究策略，以设计有效的无级变速器控制器，确定可能的机械损失，特征化操纵机构，并进行设计优化研究。尽管全面地阐述这一日星月异发展领域的研究成果是十分困难的(即包罗万象)，我们希望本文提及的研究成果至少是有代表性的，并且能为那些对摩擦式无级变速器的动态建模和控制感兴趣的人提供一个良好的研究平台。如果本文没有能够提及那些本应被提及的文献，作者为此致以真诚的歉意。
图1 金属带式无级变速器：（a）基本元件（b）金属带结构图
图2 链条式无级变速器：（a）基本元件；（b）滚针链结构图
无级变速器的基本结构是由两个保持固定距离的变直径滑轮组成的，并且滑轮之间由传动装置比如皮带或者链条连接。其中一个滑轮是可移动的。皮带/链条承受径向力和切向力，大小取决于滑轮所受的扭矩和轴向力。这可以保证连续的传动比。在发动机一侧的滑轮称为主动滑轮，而在减速器一侧的滑轮叫做从动滑轮。图和图展示了金属V形带式CVT和链式CVT的基本布置。在金属V形带式无级变速器中，扭矩通过金属带的推力作用从主动轮传递到从动滑轮。由于带与带单元之间存在摩擦，所以皮带包与平胶带一样，也参与扭矩的传输。因此，在金属带中有一个共同的推拉作用，保证转矩在金属V带式CVT系统中的传递。
从另一方面来说，在链式CVT中，图二中展示的板和滚针将牵引力从主动滑轮传递到从动滑轮。与金属带式无级变速器不同的是，链条与滑轮之间的接触力在链式无级变速器中是离散分布的。当链环进入和离开滑轮槽时，就会产生冲击。因此,激发机制是存在的，这些机制与链环的多边形作用密切相关。这在整体上会引起链式无级变速器系统的振动，从而进一步影响其动态性能。带式和链式无级变速器系统都属于摩擦式传动，这是由于其动态性能和转矩容量很大程度上取决于皮带/链条与滑轮之间的接触片之间的摩擦特性。有关无级变速器的不同方面的性能已经进行了大量的研究，如性能、滑移特性、效率、结构设计、损耗机制、振动、工作状态等。为了读者能更好的理解，本文将以多个不同的部分来阐述。
2.带式无级变速器的动态模型
在过去的二十年中，有许多论文描述了带式无级变速器系统中的动态相互作用。带式无级变速器中最常用的传动装置是钢质V带或橡胶V带。很多与金属V带和橡胶V带相关的工作被频繁使用，是因为现如今的汽车制造商和科学家已经对这种CVT进行了深入的研究。现有的带式CVT模型大多是基于准稳态模型的建模的，只有少数例外是基于静态模型的。Gerber在有关于牵引带机构的理解方面做了大量的工作，特别是金属推V带和橡胶V带。作者用准静态平衡分析方法开发了一套捕捉皮带和滑轮之间的动态相互作用的方程组。因为皮带可以同时在径向和切线方向上移动，可以采用变滑角法来描述带与滑轮之间的摩擦。之前，许多研究人员，如Kimmic、Gutya、Amijim等，都假设了恒定的滑动角度推导了皮带轮绕带的运动方程。变滑角法要求，本构方程能够解决运动过程中CVT的平衡性，兼容性，同时还能预测带轮系统的动态特性。为了考虑带的惯性对系统动态特性的影响，建立了向心效应模型。图3和图4说明了带式无级变速器传动的几何结构、滑动面以及忽略了弯曲效应的V带式CVT的运动简图分析。只有滑动或活动的园弧，如图3所示为（zeta;,），对扭矩传递起到了作用。(alpha;，)代表皮带与滑轮的接触弧角，而()则表示各自作用在主动滑轮和从动滑轮的上的输入和输出扭矩。
图3 带式CVT的几何分析
图4 绕在滑轮上的金属带的运动学分析
还分析了带式无级变速器的滑移特性。根据蠕变、柔度、剪切挠度、带的抗弯刚度对滑移进行分类。作者还探讨了由于带和滑轮之间配合不良而在楔入过程中产生的滑移。采用有限元分析方法计算了带内剪切挠度，并确定了金属带的粘滑状况。然而，在这分析过程中并没有考虑到皮带惯性、加载条件、和皮带径向变化(由于滑轮轴向力)对滑移行为的影响。也研究了弯曲强度和惯性对橡胶V带系统的影响。同样，为了考虑到金属带的惯性必须要对向心效应建模。由于弯曲，皮带旋转出滑轮后不再沿直线运动。导致接触弧小于公称弧，带传动的牵引力增大。利用普通梁理论对该带的进、出口坡度进行了预测。抗弯刚度对皮带的装载和卸载行为有极大的影响。曲率的快速变化可能改变摩擦力的方向，从而影响带式无级变速器传动扭矩的能力。也研究了滑轮的偏度和挠度对V带式无级变速器的影响。增大或缩短滑轮在轴向上的槽宽，会影响带轮槽内皮带的运动。滑轮的位移可以归因于局部偏差、板偏差和滑轮斜度等现象。图5展示了这种由于轴向弹性变形和半滑轮的偏斜导致的滑轮槽宽度的偏差。局部挠度取决于局部轴向压力。利用板理论计算了半滑轮的整体挠度。然后，对平板方程和带式方程同时求解，得到带轮系统的动态性能指标。滑轮的斜度可能是由活动滑轮组的可移动半轮的间隙引起的。作者提及了奇异解的存在性(也称为正交点)。其中摩擦力是径向的，微分方程中的所有导数都都为零。位于正交点的解的性质在很大程度上决定了在其他位置和条件下解的性质。结果表明，小斜度和中斜度滑轮的轴向力与理想情况下的轴向力相差不大(即平行滑轮的一半)。另一方面，较大斜度的滑轮则大大增加了滑轮的轴向力，以至于转矩减低至一半。
图5 滑轮的变形模型：（a）轴向变形；（b）滑轮斜度
Worley和对的工作进行了扩展，用近似数学的方法求出了封闭形式的解来描述主动轮和从动轮的数值结果。双曲形式和三角形式用于描述主要的主动接触园弧(不包括结合和脱离区域)上的张力分布。作者得到的结果与Gerbert的结果数值上非常接近;然而，有关于主动轮的动力特性并没有得到确认。为了了解无级变速器在改变传动比时的表现，对橡胶V带无级变速器的动态特性进行了有序的研究。所得结果与稳态结果有着显著差异。在中速和高角速度的情况下，橡胶带的部分黏着区域会以阿基米德螺旋线的形式出现。作者提出了一种简单的闭式近似方法，以方便变量工作特性的计算。Sorge和开发了一种不考虑惯性和弯曲影响的三阶橡胶v带模型。他们在v形带力学中引入了“类粘着”接触的概念。他们建议v形皮带不要沿着整个接触圆弧粘在滑轮墙上，而是通过一个相对速度极低的空转区域，。在这个区域内，轨迹几乎是圆形的，张力几乎是恒定的。也对受滑轮弯曲影响的金属V带CVT做了力学分析。为了简化模型，该带被假定为刚性的。作者使用虚位移的概念，得到了带式轨迹、张力分布、轴向推力和滑移的近似值。作者得到结论，当带式轨迹更接近最大半径外圆时，皮带轮偏转会产生非常重要的影响。在中等半径园附近影响减小，在内夹紧园附近影响可忽略不计。因此，由于皮带和皮带轮的弹性变形的影响，建议在较小半径处使用混合模型，以便恰当地捕捉动态特性。还利用变形和弹性楔块的概念对橡胶V带进行了分析。作者的主要目的是分析带的轨迹。这项研究涉及橡胶v形带的张力分布和径向穿透量的理论问题。而忽略了弯曲和惯性效应。带的变形只与轴向力有关，忽略了泊松效应。作者结合并利用带的横向弹性和力-形变方程得到了带轮系统的滑动条件和近似解。
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