橡胶带式无级变速器传动特性研究与试验验证

陈诺田哲文赵一宁王桢艾天乐

橡胶带式无级变速器传动特性研究与试验验证

陈诺1，田哲文1，2，赵一宁1，王桢1，艾天乐1

（1.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室（武汉理工大学），湖北 武汉 430070；2.汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070）

研究了橡胶带式无级变速器的传动特性，并结合巴哈赛车实际工况进行动力学匹配。搭建CVT台架试验台，通过改变其机构参数使CVT的调速性能与赛事需求相匹配，充分利用理想速比范围，并保证发动机始终工作在峰值功率和峰值转矩区间（2 800～3 600 r/min），实现高效的动力传递以及较优的动力性能，实车测试验证试验方法的可靠性。

橡胶带式CVT；台架试验；巴哈赛车；传动特性

中国大学生巴哈越野大赛（简称“BSC”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。赛车需要在炮弹坑、土坡、泥坑等多种复杂越野工况下行驶，对变速器速比调节有较高要求。

巴哈赛车普遍采用橡胶带式无级变速器，其成本低、结构简单但设计要求较高，多用于坐式摩托车、全地形越野车和雪橇车的动力传动[1]。国内外巴哈车队几乎全部使用该类型CVT，但国内普遍存在动力性差、传动效率低等缺陷，难以达到巴哈赛事的要求，因此对其调速特性进行优化匹配便显得尤为重要。

1 橡胶带式CVT结构及调速原理

橡胶带式CVT结构如图1所示。

图1 橡胶带式CVT结构简图

橡胶带式CVT基本结构主要由主动轮盘、从动轮盘和V形传动皮带组成。随着发动机转速和后轮负荷的变化，由于皮带长度和中心距不变，CVT的主、从动轮的工作半径会在普利珠、小弹簧、大弹簧和扭力凸轮的综合作用下发生改变，从而实现速比的无级调节[2]。

V形皮带CVT调速过程可分为3个阶段，分别为离合期、调速期、超速期[3]。在离合期，发动机转速增加使普利珠产生足够的离心力克服主动轮小弹簧，主动轮活动盘靠近固定盘，皮带和主动开闭盘之间开始结合，但此时的转速不足以夹紧皮带传输动力。随着发动机转速的增加，普利珠克服弹簧的离心力产生足够的夹紧力，皮带滑动消失，动力开始传输给减速器[4]。在调速期，随着发动机转速的加快，主动轮工作直径增大，从动轮工作直径减小，车辆在其速度范围内一直加速，此时发动机转速保持恒定，CVT由大传动比逐渐变化为小传动比。在超速期，CVT调速阶段已经完成，此时发动机转速继续增加，则CVT将按照最小传动比继续加速[5]。

最理想的速比调节应该具备以下三点：发动机达到峰值转速和峰值扭矩区间时进入调速期；离合期结束时CVT处于最大传动比；速比的变化区间尽量大，充分利用传动比。

2 橡胶带式CVT的优化

2.1 行驶工况分析

根据汽车理论的相关知识，综合分析4种常见工况，地面附着系数约取0.5～0.6，得到如下公式：

=X2×

结合巴哈赛车的结构参数，将耐久地面所能提供的最大切向反作用力，转换为车轮的转矩，计算得保证汽车不打滑时的最大驱动力矩为=135 N×。

巴哈赛车行驶过程中，在沙石路、土坡以及泥坑中行驶时的车速较低，经计算空气阻力在行驶阻力中的占比很小，在这3种工况下行驶时的行驶阻力主要考虑滚动阻力，分别计算这3种工况下匀速行驶时的行驶阻力为286 N、696 N和465 N。

因需牵引2 t重的汽车，考虑载荷往后轴的转移，再结合赛车的结构参数计算得，地面所能提供的最大切向反作用力=1 442 N×，=350 N×。经测量坡度为30%，而飞坡工况接近80%。

2.2 发动机动力匹配

CVT结构参数优化时需要匹配发动机特性。巴哈大赛统一使用型号为M20H的百力通发动机。同上述分析，CVT结构参数调整的目标是：发动机达到峰值转速和峰值扭矩区间时进入调速期，离合期结束时CVT处于最大传动比，速比的变化区间尽量大[6]。

M20H发动机外特性曲线如图2所示。

分析图2可以得出，2 800 r/min与3 600 r/min分别是发动机峰值转矩和峰值功率处的转速，CVT的换挡区间在这个转速范围内最佳。

2.3 台架试验

2.3.1 试验的基本操作流程

台架试验台如图3所示。

图3 台架试验台

试验的基本操作流程如下：通过改变磁粉测功机的电流大小对减速器输出轴施加可控的负载，即阻力矩；通过安装在发动机输出轴、CVT输出轴、减速器输出轴的三个扭矩传感器测量并记录转速和转矩的大小；通过8通道数据采集系统采集分析数据。

2.3.2 试验数据处理与总结

CVT的理论速比范围为0.43～3.0，但加载后原厂速比范围仅为1.2～2.8，其中传动比处于3.0时传动效率仅为30%，即皮带打滑严重，未完全结束离合期。传动比为2.8时传动效率才达到80%，即实际速比范围为1.2～2.8。不论是普利珠的调节还是弹簧的调节，得到的调速曲线都近似正态分布。在离合期过后，CVT的传动效率都高于80%，且随转速的提高效率也在提高，且在发动机转速为3 600 r/min时最大值达到85%。

经过反复测试，普利珠质量为53 g，主动轮小弹簧弹簧刚度为201 N/mm，预紧力为300 N，从动轮大弹簧弹簧刚度为700 N/mm，预紧力为375 N，为匹配赛车的最优组合。此时最小传动比为0.68，最大传动比为2.60，调速区间基本与发动机峰值功率和峰值扭矩区间吻合（2 800～3 600 r/min）。峰值扭矩点为2 800 r/min，为传动比最大点2.60，此时有利于满足最大爬坡度要求。经理论计算，得赛车最高车速为66 km/h，最大爬坡度为35%，0～30 m直线加速时间为4 s，0～60 m加速时间6.7 s。CVT传动比随发动机转速变化如图4所示。

图4 CVT传动比随发动机转速变化图

2.4 实车测试验证

经越野赛道测试和直线加速测试得到优化前后动力性能对比情况，如表1所示。

表1 优化前后动力性能对比

性能参数优化前优化后 最高车速/（km·h-1）4566 最大爬坡度/（%）1632 0～30 m加速时间/s5.144.53 0～60 m加速时间/s8.357.02

燃油消耗上也由平均一箱油跑55 min，提升为一箱油跑68 min，可见燃油经济性也有了一定的提升。

3 结论

研究CVT的结构和调速原理，分析优化方向。结合赛事工况和发动机外特性曲线，提出优化目标。通过台架试验对CVT的5个关键参数进行优化，使发动机始终工作在峰值扭矩和峰值功率区间，有效提高巴哈赛车的动力性能和燃油经济性。实车测测试验证了台架试验方法的正确性，经台架试验优化后的CVT调速性能更加适应巴哈工况。

［1］上官文斌，王江涛，王小莉.橡胶V带式无级变速器性能的测试与试验研究［J］.振动测试与诊断，2009，29（2）：127-132.

［2］朱才朝，田佳佳，刘怀举，等.带式无级变速器性能试验台的开发［J］.重庆大学学报，2009（3）：294-298.

［3］曹俊卫.橡胶V带式无级变速器传动分析研究［D］.重庆：重庆大学，2012.

［4］田哲文，左效超.基于遗传算法的V型皮带CVT参数优化及试验验证［J］.机械传动，2020（2）：73-79.

［5］肖强，朱才朝，田佳佳，等.雪地车动力传动系统设计与匹配［J］.机械设计与研究，2008（8）：100-107.

［6］廖林清，蔺朝莉，谢明，等.大功率胶带式无级变速器力学模型的建立和调速性能的研究［J］.机械传动，2013，37（1）：14-19.

U463.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.015

2095－6835（2020）14－0047－02

陈诺（2000—），男，湖北黄冈人，本科在读，研究方向为巴哈赛车无级变速器传动。

田哲文（1972—），男，湖北仙桃人，硕士，副教授，研究方向为汽车动力学及零部件测试技术。

〔编辑：严丽琴〕