橡胶V带式CVT性能关键影响因素实验研究.pdf

2023年 第47卷 第8期Journal of Mechanical Transmission橡胶V带式CVT性能关键影响因素实验研究廖中文1 王海林2（1 广东农工商职业技术学院 科研与产业服务处，广东 广州 510507）（2 华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642）摘要 带式无级变速器（Continuously Variable Transmission，CVT）传动效率一般在 80%附近波动，为进一步提升传动效率，提高经济效益和使用可靠性，以国产全地形越野车（All-Terrain Vehicle，ATV）为研究对象，针对在运行测试中发现的整车传动效率低、大负载工况下橡胶皮带打滑、皮带工作寿命短等问题，对橡胶带式CVT进行结构简化，利用CVT试验台架开展主动轮限位弹簧、离心飞锤和从动轮压扭弹簧3个关键构件对CVT性能影响的实验研究。结果表明，通过优化设计弹簧的刚度及离心飞锤的质量并进行合理的参数匹配，可以有效提高橡胶V带CVT工作效率。研究为设计高效率的橡胶V带式CVT提供了实验分析方法与性能数据参考。关键词 橡胶V带 CVT ATV 实验研究 性能测试Experimental Study on Key Influencing Factors of Rubber V-belt CVT PerformanceLiao Zhongwen1 Wang Hailin2(1 Scientific Research and Industrial Services Department,Guangdong AIB Polytechnic,Guangzhou 510507,China)(2 College of Engineering,South China Agriculture University,Guangzhou 510642,China)Abstract The transmission efficiency of belt continuously variable transmission(CVT)generally fluctuates around 80%.In order to further improve transmission efficiency,gain economic benefit and reliability,domestic all-terrain off-road vehicle(ATV)is taken as the study object which presents problems such as low transmission efficiency,rubber belt slipping under heavy load condition and short working life of belt in the running test.The structure of the rubber belt CVT is simplified,and the influences of three key components,driving wheel limit spring,centrifugal fly hammer and slave wheel pressure torsion spring,on the performance of CVT are analyzed by using CVT experimental bench.The results show that the efficiency of rubber V-belt CVT is improved by optimizing the stiffness of the spring and the mass of centrifugal fly hammers,and reasonably matching parameters.This study provides some reference of experimental analysis method and performance data for the design of high efficiency rubber V-belt CVT.Key words Rubber V-belt CVT ATV Experimental study Performance test0 引言(All-Terrain Vehicle，ATV)是一种集娱乐、体育运动、旅游于一体的特种车辆，可适应沙滩、草地、山路、旅游场所等多种复杂路面，可用于运动休闲、货架牵引、代步、公安消防、军事作战和农业运输等，受到越来越多的年轻人喜爱和认同。ATV一般配备低压扁平轮胎、前后双横臂独立悬架和橡胶带式无级变速器，以适应复杂多变的道路条件1。V型带式无级变速器（Continuously Variable Transmission，CVT）是基于V型橡胶带传动的传动部件，是全地形车、雪橇车、摩托车、赛车以及农用机械等多种车辆的主要传动装置和核心变速方式，在整车动力传动系统中扮演至关重要的角色2-4。Okimura等5通过预测V型带式CVT车辆加速过程中的瞬态行为，开展仿真分析研究，可以有效地调整CVT的相关参数。Aulakh6基于遗传算法（Genetic Algorithm，GA），提出 CVT 的参数优化方法，以文章编号：1004-2539（2023）08-0104-06DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2023.08.014104第8期廖中文，等：橡胶V带式CVT性能关键影响因素实验研究提高其稳定性和传动效率。金兆辉等7通过试验研究，优化CVT参数，使巴哈赛车能较快地到达理论最高车速。梅宁等8使用卡盘式变径带轮与多楔带相结合的带传动方式，提出一种新型结构的卡盘式变径带轮无级变速器，提高了传输的稳定性和可靠性。在对某国产ATV进行运行测试时，发现该车前双横臂独立悬架系统与转向系统间存在运动干涉、车辆的行驶平顺性和操纵稳定性欠佳、ATV的传动系统效率低等问题。本文着重解决由于配置橡胶带式CVT带来的整车传动效率低、在大负载工况下橡胶皮带打滑、皮带工作寿命短等问题9-11。通过简化CVT结构，分析CVT工作性能的影响因素，开展橡胶V带式CVT性能测试，研究在不同输入转速与不同负载转矩下的传递效率、转矩损失、转速损失和速比的变化曲线；研究主动轮限位弹簧、离心飞锤以及从动轮压扭弹簧的结构设计参数对橡胶V带式CVT综合性能的影响。1 CVT的结构及工作原理橡胶V带式CVT结构如图1所示，其主要由主动轮、从动轮和橡胶V型传动皮带等部件组成12。主动轮由主动固定轮、主动移动轮、离心飞锤、复位弹簧、限位弹簧和卡盘等组成；从动轮由从动固定轮、从动移动轮和压扭弹簧等组成13。主动轮连接发动机动力输出轴，从动轮连接变速箱动力输入轴。由于CVT没有配置离合器，因此，主动移动轮2与主动固定轮1间的初始距离应略大于V 型皮带宽度，在起步时可以暂时中断动力传输。发动机怠速运转时，离心飞锤4产生的离心力较小，主动移动轮2不会发生轴向移动，橡胶V带9没有工作，从动移动轮7处于静止状态。随着发动机转速升高，离心飞锤4沿径向被甩出，离心力逐渐增大，推动主动移动轮2向主动固定轮1靠近，从而压紧橡胶V带9，并带动从动轮转动。随着离心飞锤4产生的径向离心力持续增大，主动移动轮2与主动固定轮1之间的距离进一步缩小，从而推动橡胶V带9沿径向向主动固定轮1移动，主动轮的工作半径逐渐增大。由于主、从动轮的中心距为定值，橡胶V带9的长度固定不变，因此迫使从动移动轮7压缩压扭弹簧10并沿从动轴远离从动固定轮8做轴向移动，导致从动移动轮7与从动固定轮8之间的距离增大，从动轮的工作半径减小。主动轮输入转速降低时，工作原理与加速过程相反。由此可以实现CVT工作过程中主动轮和从动轮的工作半径的连续变化，从而实现速比的连续变化。2 CVT实验方案及性能研究CVT性能测试试验台主要由拖动主电动机，前、后转速、转矩传感器，加载电动机，变速箱，激光位移传感器以及主控制台等部件组成。试验原理如图2所示。拖动主电动机负责提供动力来源，动力传递路线为：万向传动装置前转速、转矩传感器CVT后转速、转矩传感器加载电动机。当加载负载转矩时，动力传递路线相反。前、后转速、转矩传感器负责测量CVT输入、输出转速和转矩并传递给主控制台进行处理和显示。通过高精度激光位移传感器来测量主、从动轮工作半径的变化，速比可以由主、从动轮的工作半径计算得到。综合分析，CVT性能测试试验台主要用于测试输入转速n1、输入转矩T1、输出转速n2、输出转矩T2、主动轮皮带与位移传感器的距离S1、从动轮皮带与位移传感器的距离S2等数据。CVT 性能的主要评价指标包括工作效率、转矩损失、转速损失和速比，具体计算公式分别如式（1）式（4）所示。工作效率为1.主动固定轮；2.主动移动轮；3.限位弹簧；4.离心飞锤；5.复位弹簧；6.卡盘；7.从动移动轮；8.从动固定轮；9.橡胶V带；10.压扭弹簧。图1橡胶V带式CVT的结构Fig.1Structure of rubber V-belt CVT105第47卷=T被动n被动T主动n主动 100%（1）转矩损失为dTT=T主动-T被动iT主动（2）转速损失为dnn=n主动-n被动/in主动（3）速比为i=r被动r主动（4）式中，r为工作半径；T为转矩；n为转速。为了研究CVT性能，利用试验台架模拟CVT的常见工况，当负载转矩为50 Nm时，在转速每增加100 r/min时，记录传递效率、转速损失、转矩损失和速比的数值变化，得到CVT性能曲线，如图3所示。当固定转速为3 200 r/min时，在负载转矩每增加5 Nm时，记录传递效率、转速损失、转矩损失和速比的数值变化，得到CVT性能曲线，如图4所示。由图3可知，当输入转速低于2 700 r/min时，速比平稳减少，转矩损失和转速损失均在10%左右波动，CVT工作效率在80附近波动；当输入转速处于2 8003 200 r/min时，速比迅速减小，转矩损失和转速损失略有降低，CVT 工作效率升高至 84%；当输入转速超过 3 200 r/min 时，速比减小速度放缓，转矩损失和转速损失保持小范围波动，CVT工作效率在85%偏上。由图4可知，当输入转速为3 200 r/min时，随着加载转矩的增加，速比快速增大，工作效率先由 71%升高至 84%，后缓慢降至80，转速损失和转矩损失处于低水平变化。3 CVT实验结果分析对于橡胶 V带式 CVT，改变其性能结构的方法主要有3种：一是通过不同弹簧间的相互组合，得到不同刚度的主动轮限位弹簧；二是使用质量不等的主动轮飞锤；三是改变从动轮压扭弹簧的刚度14-16。为了对比分析3种方法的作用效果，制订对比实验方案如表1所示。通过对比 1#与 2#，可得到主动轮限位弹簧对CVT性能的作用效果；通过对比1#与3#，可得到离心飞锤质量对CVT性能的作用效果；通过对比3#与4#，可得到从动轮压扭弹簧刚度对CVT性能的作用效果。3.1主动轮限位弹簧刚度对CVT性能的影响从结构上看，每个离心飞锤配套一对限位弹簧（大弹簧和小弹簧）；当离心飞锤工作时，通过限位弹簧的刚度来调节离心飞锤在卡盘内曲面上的运动位置。结合表 1 中的 1#与 2#，使用 140 g 的离心飞图2CVT台架试验原理图Fig.2Experimental schematic diagram of the CVT bench图350 Nm负载转矩下的CVT性能曲线Fig.3CVT performance curves at 50 Nm load torque表1不同CVT实验方案组合Tab.1Combination of different CVT experimental schemesCVT组合编号1#2#3#4#主动轮限位弹簧组合大弹簧组合小弹簧组合大弹簧组合大弹簧组合主动轮离心飞锤质量/g140140180180从动轮压扭弹簧刚度/（Nm）1.651.651.653.06图43 200 r/min转速下的CVT性能曲线Fig.4CVT performance curves at 3 200 r/min106第8期廖中文，等：橡胶V带式CVT性能关键影响因素实验研究锤，取扭转刚度分别为 9.3 Nm/rad 和 3.6 Nm/rad的大、小弹簧进行实验，通过对比分析实验数据，可得到主动轮限位弹簧对CVT性能的作用效果。当负载转矩 50 Nm 时，使用大、小弹簧测试CVT性能曲线如图5所示。由图5可以看出，在输入转速变化时，大、小弹簧CVT的工作效率、转矩损失、转速损失及速比曲线的变化趋势基本相同，保持大约500 r/min的输入速度差，说明相比小弹簧CVT，大弹簧CVT需要高于小弹簧CVT大约500 r/min的输入速度来达到相同的工作效率、转矩损失或转速损失。在相同的输入转速时，大弹簧 CVT 的速比要大于小弹簧 CVT。另外，大弹簧 CVT 的输入转速为 2 200 r/min 时，转速损失大约为 20；小弹簧CVT 的输入转速为 1 700 r/min 时，转速损失约为10，V带打滑不太严重，工作状态基本稳定。综上所述，可以认为在相同的速比下，大、小弹簧CVT的工作效率、转矩损失和转速损失基本一致。当输入转速 2 100 r/min时，使用大、小弹簧测试CVT性能曲线如图6所示。由图6可以看出，随着加载转矩的变化，大、小弹簧CVT的工作效率、转矩损失、转速损失及速比曲线的变化趋势基本相同。在负载转矩较小时，CVT对应的转矩损失为80%左右，此时CVT的工作效率很低。随着负载转矩的增加，转矩损失逐渐变小，当负载转矩加载到70 Nm左右时，大弹簧对应的转速损失急剧增加，皮带出现严重打滑，此时CVT的工作效率低下。3.2主动轮离心飞锤质量对CVT性能的影响结合表1中的1#与3#，使用大弹簧，取质量分别为140 g和180 g的两种离心飞锤进行实验，通过对比分析实验数据，可得到主动轮离心飞锤质量对CVT性能的作用效果。当负载转矩50 Nm时，使用大、小飞锤测试CVT性能曲线如图7所示。当输入转速低于3 300 r/min时，在相同的输入转速下，离心飞锤质量越大，产生的离心惯性就越大，主动移动轮作用在橡胶带上的轴向压力也越大；主动轮工作半径越大，速比越小，其工作效率越高，转矩损失越小。当输入转速高于3 300 r/min时，在相同的输入转速下，二者的工作效率和转矩损失基本相同。在相同输入转速下，二者的转速损失基本一致。当输入转速为 3 200 r/min时，使用大、小飞锤测试CVT性能曲线如图8所示。在相同的负载转矩（a）工作效率与转矩损失（b）转速损失与速比图5负载转矩为50 Nm时大、小弹簧测试CVT性能曲线Fig.5CVT performance curves for large and small springs with load torque of 50 Nm（a）工作效率与转矩损失（b）转速损失与速比图6输入转速为2 100 r/min时CVT性能曲线Fig.6CVT performance curves when the input speed is 2 100 r/min107第47卷下，离心飞锤质量越大，其工作效率越高，转矩损失越小，但是二者的转速损失基本一致。在相同的负载转矩下，离心飞锤质量越大，离心惯性就越大，主动移动轮作用在橡胶带上的轴向压力也越大，CVT的速比越低。3.3从动轮压扭弹簧刚度对CVT性能的影响结合表1中的3#与4#，取刚度分别为1.65 N/mm和3.06 N/mm的两种从动轮压扭弹簧进行实验，通过对比分析实验数据，可得到从动轮压扭弹簧刚度对CVT性能的作用效果。当输入转速 3 200 r/min时，使用两种刚度的扭压弹簧测试CVT性能曲线如图9所示。随着加载转矩的增加，压扭弹簧刚度减小，转矩损失减小，工作效率升高。在相同的负载转矩下，压扭弹簧刚度越小，速比越小，转速损失基本相同。这说明压扭弹簧刚度越小，其速比在1附近工作的时间就越长，但不利于车辆的加速性能。（a）工作效率与转矩损失（b）转速损失与速比图7负载转矩为50 Nm时大、小飞锤测试CVT性能曲线Fig.7CVT performance curves for large and small fly weights with load torque of 50 Nm（a）工作效率与转矩损失（b）转速损失与速比图8输入转速为3 200 r/min时大、小飞锤测试CVT性能曲线Fig.8CVT performance curves for large and small fly weights when the input speed is 3 200 r/min （a）工作效率与转矩损失 （b）转速损失与速比图9输入转速为3 200 r/min时两种刚度压扭弹簧测试CVT性能曲线Fig.9CVT performance curves for two stiffness compression and torsion springs when the input speed is 3 200 r/min108第8期廖中文，等：橡胶V带式CVT性能关键影响因素实验研究4 结论通过计算可知，实验用橡胶V带式CVT的传动比为0.732，与理论值基本保持一致，反证了实验过程的有效性。由实验数据可知，正常工作状态下，橡胶V带CVT的工作效率一般低于85%，在80附近波动，这主要是由摩擦传动导致的。实验结果表明，当实验设定转速在2 1003 600 r/min时，采用不同的组合并优化设计离心飞锤的质量以及弹簧的刚度，是提高橡胶 V 带 CVT 工作效率的有效途径，研究为橡胶V带CVT在整车上的匹配提供了科学依据。受制于主电动机和加载电动机的最高转速和额定转速，传动比难以完全模拟实际工作场景，在后续的研究中需要进一步完善。参考文献1王江涛.ATV悬架系统的设计优化及橡胶带式CVT性能实验研究 D.广州：华南理工大学，2008：3.WANG Jiangtao.Study on optimization design mehods for the suspension system of an all terrain vehicle and experimental study on the performance of a rubber V-belt CVT D.Guangzhou：South China University of Technology，2008：3.2田佳佳.橡胶带式CVT传动特性研究 D.重庆：重庆大学，2010：5-8.TIAN Jiajia.Study on transmission characteristics of rubber V-belt CVT D.Chongqing：Chongqing University，2010：5-8.3王传菲，贾小平，于魁龙.新型带式CVT力学分析及在动力传动系统中的应用仿真 J.装甲兵工程学院学报，2006，20（6）：41-45.WANG Chuanfei，JIA Xiaoping，YU Kuilong.Kinematics and dynamic analysis of new type CVT and simulation of driveline J.Journal of Academy of Armored Force Engineering，2006，20（6）：41-45.4左效超.V型带式CVT调速特性研究及参数优化 D.武汉：武汉理工大学，2020：1-2.ZUO Xiaochao.Research on speed regulation characteristics and parameter optimization of V-belt CVT D.Wuhan：Wuhan University of 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