单电机调节无级变速器试验研究

刘森+张兰春+王程+沈宏生+王杉峰+张硕

摘 要：为了降低无级变速器的能量损耗，在对电液式无级变速器分析的基础上，提出一种单电机调节速比的无级变速器。介绍了单电机调节无级变速器（Single Motor Continuously Variable Transmission，SM-CVT）的结构原理并分析了其速比变化和传动效率的影响因素。搭建单电机调节无级变速器试验平台，在不同的转速和转矩下进行试验研究。通过试验得到SM-CVT速比的变化特性，及其传动效率随负载转矩的变化规律，为该型无级变速器的速比控制及传动效率提高提供了依据。

关键词：无级变速器；速比；速比变化率；传动效率；试验研究

中图分类号：U463.212 文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.06

Abstract：A kind of SM-CVT （Single Motor Continuously Variable Transmission） was put forward which regulated the speed ratio by a single motor considering the characteristics of electro-hydraulic CVT and energy loss. The structure principles of SM-CVT were introduced and the influencing factors of speed ratio change and of transmission efficiency were analyzed. A test bench for the SM-CVT was assembled which can provide the tests with different speeds and torques. The changing characteristics of speed ratio and transmission efficiency varying with the load torque are obtained by experiments which forms the basis for the speed ratio control and for improving the transmission efficiency of SM-CVT.

Keywords：continuously variable transmission； speed ratio； speed ratio change rate； transmission efficiency； experimental study

近几年，随着环境和能源问题越来越突出，社会大众对汽车节能环保的要求越来越高，对采用燃油发动机的汽车来说，提高其运行效率也越来越重要。变速器作为发动机动力输出的关键枢纽，显得极其重要，如何提高变速器与发动机的匹配是值得思考的问题[1]。相比于手动变速器及自动变速器，装有金属带式无级变速器（VDT-CVT）的发动机动力性、经济性以及排放等都有明显改善。VDT-CVT采用的调节方式有机械机构调节和电控液压调节，目前的VDT-CVT普遍采用电控液压调节方式，而不同的调节方式对变速器的性能会产生不同的影响[2-3]。

针对VDT-CVT电控液压调节方式存在的不足，本文提出采用SM-CVT的调节方案，介绍了该方案的调速原理和控制方式，进行试验台设计和研制，并在该试验台架上进行了试验测试。

1 SM-CVT组成及工作原理

SM-CVT主要包括输入、输出轴，主、从动带轮定盘和动盘，传动带，齿轮传动机构，速比调节电机等[4]，其结构原理如图1所示。

VDT-CVT动力传输通过传动V带传输，由于传动V带的长度是一定的，主、从动带轮动盘和定盘的距离变化迫使传动V带在主、从动带轮上的工作直径发生变化，传动速比发生改变。当主动带轮上的工作直径处于最大值，从动带轮上的工作直径处于最小值时，传动速比为最小值。当主动带轮上的工作直径处于最小值，从动带轮上的工作直径处于最大值时，传动速比为最大值。VDT-CVT主、从动带轮动盘和定盘间的距离是通过改变主、从动带轮动盘的轴向位置来确定的。SM-CVT通过速比调节电机带动第二、三速比齿轮，再由第二、三速比齿轮带动第一、四速比齿轮，使得与主、从动带轮动盘相连的螺旋螺母在螺旋丝杠上旋转，从而左右移动来改变主、从动带轮动盘和定盘间之间的距离，进而改变传动速比[5-7]。基于SM-CVT工作原理设计了样机，样机传动V带采用橡胶带，并研制了试验台架，对其传动速比控制和传动效率等进行了试验。SM-CVT试验台架框架图及实物图如图2和图3所示。

2 SM-CVT试验研究

2.1 试验台架组成

试验中的主要装置有：

（1）涡流制动器。型号为WZ-20；功率为3 kW；额定电流为3 A；输入转速为300～3 000 r/min。

（2）调频电机。型号为Y2VP-132S1-2；功率为55 kW；额定电压为380 V；额定电流为100 A；基准频率为50 Hz。

（3）转速转矩传感器。型号为CGQY-2；额定转矩为20 Nm；灵敏度为0.2%FS。共两台。

（4）试验用SM-CVT为非标，传动比范围为0.6～1.8。

（5）速比调节电机。永磁无刷电机；额定电压为24 V；额定电流为3 A；传递比为1∶20。

（6）无级变速器控制器TCU一台。

2.2 试验测试原理

SM-CVT传动速比是由速比调节电机来控制，通过TCU控制速比调节电机转角和转速，改变SM-CVT传动速比。SM-CVT采用调频电机作为其动力源，TCU根据试验操作的指令，调节调频电机的转速大小作为CVT的输入转速，再调节涡流制动器的工作电流确定涡流制动器的负载转矩，作为CVT的输出负载。TCU通过转速转矩传感器，采集输入、输出轴的转速和转矩，根据设定的试验数据，控制速比调节电机的转角和转速，从而实现CVT速比的控制。

试验台架的数据显示、数据采集、数据存储、数据输入等采用监视与控制通用系统（Monitor and Control Generated System，MCGS）控制面板，如图4

所示。

2.3 SM-CVT试验内容

试验内容主要包括SM-CVT的传动速比控制和传动效率测试。其中，传动速比控制考虑了负载转矩、输入转速等影响因素；传动效率测试主要测定在一定的传动速比下，对应不同负载和不同转速下的传动效率[8-9]，并据此得到SM-CVT传动效率的变化规律。

2.4 试验步骤

2.4.1 SM-CVT速比控制试验

（1）负载转矩为空载、轻载、重载时的传动速比变化。

（2）负载转矩不变时，改变速比调节电机的转速大小。

2.4.2 SM-CVT传动效率测试

（1）发动机转速为600 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min 、1 700r/min时，负载转矩为4 Nm、6 Nm、8 Nm、10 Nm、12 Nm、14 Nm、16 Nm、18 Nm的工况传动效率。

（2）负载转矩为6 Nm、12 Nm、18 Nm时，发动机转速为600 r/min 、1 000 r/min、1 500 r/min、1 700 r/min 的工况传动效率。

（3）输入转速稳定在1 500 r/min 时，传动速比从大到小变化过程中的传动效率[10-11]。

试验过程包括：速比调节电机不同转速下的速比变化，输入转速相同情况下不同的速比调节电机转速对应的速比变化；输入转速相同情况下不同的负载转矩所对应的传动效率变化，相同的负载转矩下不同的输入转速所对应的效率变化，效率随传动速比的变化等[12]。

2.5 速比变化分析

2.5.1 不同的负载转矩对速比的影响

在负载转矩为空载、轻载和重载时，传动速比从大到小变化。由图5可知，随着负载的越来越大，传动速比变化过程中的波动性越大。

2.5.2 速比调节电机不同的转速对速比的影响

速比调节电机不同转速时的速比变化如图6和图7所示。

由图6和图7可知，速比变化存在一定的波动性，当速比变化较快时，对应的SM-CVT速比波动较大。速比调节电机在同一转速下，输入转速1 000 r/min时比1 700 r/min时速比变化率的波动小。

在速比电机转速分别为80 r/min和120 r/min时，对应输入转速1 000 r/min和1 700 r/min，传动速比从小到大变化时的速比变化率如图8所示。

由图8可知，当速比电机转速为120 r/min时，对应的速比变化率大于速比电机转速80 r/min时的速比变化率，相对应的速比变化大。

2.6 传动效率分析

2.6.1 负载转矩对传动效率的影响

当输入转速保持在600 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min、1 700 r/min时，设定CVT的速比为1，负载转矩从4 Nm逐渐增大到18 Nm，变速器传动效率与负载转矩的变化关系如图9所示。

在保持输入转速不变，负载转矩增大时，传动效率逐渐增大，当达到某两个负载转矩范围内时，传动效率保持在一个相对平稳的状态，当负载转矩大于这个范围，传动效率呈下降趋势。在输入转速为600 r/min时，将负载从4 Nm提升到 6 Nm，传动效率从81.9%增加到87.2%，即负载转矩增加了4 Nm，传动效率增加了5.3%。负载转矩在6～15 Nm之间时，传动效率变化值在2%左右。负载转矩在15～18 Nm时，传动效率从86.8%下降到82.6%，即负载转矩增加了3 Nm，传动效率减少了4.2%。由图9可知，低负载时，随着负载逐渐增加，传动效率快速提升；高负载时，随着负载逐渐升高，传动效率提升缓慢，并稳定在一定范围内；当负载高于一定值时，传动效率呈明显下降的趋势。

2.6.2 输入转速对传动效率的影响

当负载转矩保持在6 Nm、12 Nm、18 Nm时，输入转速逐渐增大，变速器传动效率与输入转速的变化关系如图10所示。

当负载为6 Nm，输入转速从600 r/min升至1 700 r/min时，传动效率从83.6%降至80.9%，下降了2.7%。当负载为12 Nm，输入转速从600 r/min

升至1 700 r/min时，传动效率从83.9%降至80.5%，下降了3.4%。当负载为18 Nm，输入转速从600 r/min升至1 700 r/min时，传动效率从78.9%降至73%，下降了5.9%，降幅较大。当负载转矩不变时，随着输入转速增加，传递的功率超过所对应的最大传动功率，从而导致传动效率下降。

2.6.3 传动速比对传动效率的影响

传动速比与传动效率的变化关系如图11所示。输入转速稳定在1 500 r/min时，负载转矩为定值，连续调节速比，使传动速比从0.6升至1.8，得到传动效率与传动速比的关系：传动速比从0.6升至0.8时，CVT的传动转矩开始上升，传动效率波动大，整体呈上升趋势；当传动速比从0.8升至1时，传动转矩稳定上升且没有超过最大传动转矩，传动效率稳定在一定范围；当传动速比从1升至1.8时，CVT传动转矩超过最大传动转矩，传动效率持续下降。

3 结论

（1）提出的SM-CVT控制性能良好，当速比调节电机转速较快时，其速比波动幅度较大。速比调节电机在同一转速下，输入转速越高，变速器速比变化率波动越大。

（2）SM-CVT在低负载时，随着负载的增加，变速器传动效率升高明显。在高负载时，随着负载的增大，变速器传动效率升高缓慢。当负载转矩高于一定值时，变速器传动效率呈下降趋势。

试验表明，通过调节速比执行电机转角，可以实现SM-CVT速比的控制，具有控制方便、结构简单、制造成本低等优点，对新型CVT的设计研究具有借鉴作用。

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