CN108240436B

CN108240436B - 一种牵引式cvt无自旋机构综合方法

Info

Publication number: CN108240436B
Application number: CN201810032662.5A
Authority: CN
Inventors: 李超; 姚进; 李华; 杨亚茹; 高文翔
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2020-10-13
Anticipated expiration: 2038-01-12
Also published as: CN108240436A

Abstract

本发明一种牵引式CVT无自旋机构综合方法，先对牵引式CVT进行无自旋机构设计，得到无自旋基本机构，具体方法步骤为：提取牵引式CVT无自旋基本机构的最小传动单元；选取机构综合的“构型因子”；列出单个构型因子的所有构型；构建构型因子表；填写因子表元素，进行机构构型综合；对构型因子表中的变异机构进行修正，构建无自旋机构集。本发明所述机构综合方法采用了一种构建构型因子表的方式，把机构综合问题简化为特征机构组合变异问题，可以快速地实现对牵引式CVT无自旋基本机构进行机构变异，找出同族无自旋机构集，为牵引式CVT无自旋机构设计理论的延展和应用奠定了基础。

Description

一种牵引式CVT无自旋机构综合方法

技术领域

本发明涉及牵引式CVT领域，尤其涉及一种牵引式CVT无自旋机构综合方法。

背景技术

CVT（CVT）是一种理想的机械传动方案，因为CVT可以提供一系列的连续传动比使得车辆发动机始终处于高效点工作，这就极大地提高了整车的效率，减小了车辆排放，达到节能减排的作用。CVT具有动力高、油耗低、排放少的特点，据统计，采用CVT的汽车比采用自动变速器（AT）的汽车油耗减少7%-15%，废气排放降低约10%，生产成本降低20%-30%；而采用CVT传动系的混合动力车的油耗可能减少30%，排放可减少45%。牵引式CVT具有功率密度高、效率高、传递功率大等特点，将会成为未来CVT技术的发展方向。因此，牵引式CVT技术在日本、英国、美国等发达国家已经被广泛研究。

传统的牵引式CVT有直接传动式、中间原件式和行星传动式，不同类型牵引式CVT，其传动效率均有所不同，现在公认的牵引式CVT中存在效率损失有：自旋损失、滑移损失、侧滑损失，轴承损失和搅油损失。其中侧滑损失、搅油损失、轴承损失相对较小，尤其是侧滑损失仅在变速时或者其它特殊的工况下在才产生，而滑移损失是完全伴随着牵引传动而产生的，这种损失是不可避免的。相对其他诸类损失而言，自旋损失所占比例相对较大，一般为总效率损失的40%-60%，当传动的载荷相对较小时自旋损失所占的比例更大。因此，减小自旋，可以大幅提高牵引式 CVT 的整体传动效率，提高牵引式 CVT 的最大传递扭矩，增大牵引式 CVT 的应用范围和传动能力。

自旋损失指的是牵引面与被牵引面之间的速度分布不均匀导致的扭矩损失，对于自旋损失的研究，多数学者集中在自旋损失的分析、建模与求解等问题上。Snidle和Achard最先对弹流润滑条件下的凹面接触的纯自旋接触状态中的自旋问题进行了仿真。随后，Dowson等人开始针对自旋问题进行了大量研究，从纯自旋状态的球体平面点接触，到滚动、侧滑与自旋运动共存的椭圆接触等都进行了研究，并在研究中指出自旋会对滚动与侧滑产生影响，同时会使得油温上升。Zou与Yang等人针对自旋问题的研究主要集中在预测油膜厚度及接触压力等问题。Tanaka等人建立了一种弹塑性模型计算滚动轴承的自旋损失；Newall和Lee针对全环面牵引式CVT接触状态下的自旋损失进行了自旋损失计算，并与实验结果进行了比较分析。值得一提的是李青涛等人根据牵引传动无自旋的两种状态，对半环面牵引式CVT进行了无自旋锥盘母线优化，得到一种指数型曲线，并指出经过无自旋优化后的指数型牵引式CVT比半环面牵引式CVT传动效率在大部分工作状态下都高。该学者对于牵引式CVT进行的结构优化方法被称为“无自旋设计方法”，为牵引式CVT效率研究开辟了一条新途径；申请号为201610929356.2的中国发明专利“一种牵引式CVT无自旋结构设计方法”详细公开了该方法。

但该方法还仅限于能针对特殊类牵引式CVT建立其母线的无自旋数学模型与方程求解，但对于求解后进一步实现无自旋结构化并未讨论，因此仅得到基本的牵引式CVT无自旋机构，不能完全得到同族的牵引式CVT的其他无自旋机构。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种牵引式CVT无自旋机构综合方法，以通过该方法找到更多的牵引式CVT无自旋机构，构建出无自旋机构集。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种牵引式CVT无自旋机构综合方法，首先对牵引式CVT进行无自旋机构设计，得到无自旋基本机构，其次的方法步骤如下：

步骤一：提取牵引式CVT无自旋基本机构的最小传动单元，包括传动元件和变速元件；

步骤二：选取机构综合的“构型因子”，对应的第i个构型因子为X_i；优选变速时变速元件的运动特征、变速运动时可动构件、传动单元对称性、变速运动副类型等作为构型因子；

步骤三：列出单个构型因子的所有构型，对应的第i个构型因子的第m个构型为X_i ^m；

步骤四：构建构型因子表；具体为：选取任意两个构型因子X_i和X_j，假设其分别具有m和n个构型，则分别将其作为因子表的横轴和纵轴，构建具有（m+1）x （n+1）个元素的构型因子表；

步骤五：填写因子表元素，进行机构构型综合；具体为：按照构型因子表元素的构型特点对牵引式CVT无自旋机构进行机构变异，得出理论上的（m+1）x （n+1）个变异机构；

步骤六：对构型因子表中的变异机构进行修正，构建无自旋机构集；具体为：从机构可实现角度对因子表中的每个元素对应的机构进行分析，去掉不可行机构，修正欠可行机构，保留可行机构，得出牵引式CVT对应的无自旋机构集。

本发明所述的牵引式CVT无自旋机构设计的方法步骤包括：

步骤1：提取牵引式CVT的调速单元机构，至少包括牵引元件、传动元件及其相互接触关系；

步骤2：绘制上述调速单元机构图，建立直角坐标系，直角坐标系的X轴与传动元件或牵引元件的回转轴线重合。

步骤3：根据接触点的运动情况，选择牵引元件或传动元件作为无自旋设计对象，并假设设计后的牵引元件或传动元件的母线方程为

；

步骤4：根据假设的牵引元件或传动元件的母线方程

，求解过该曲线上任意点

的切线方程

，并使其在任意点满足相交状态，即该切线方程、牵引元件回转轴线和传动元件回转轴线相交于一点，得出无自旋机构设计方程；

具体方法为：

A. 根据假设的牵引元件或传动元件的母线方程

，求解过该曲线上任意点

的切线方程

；

B.根据坐标系关系和调速单元的特征参数，求解牵引元件回转轴线方程为

，求解传动元件回转轴线方程为

；

C.联立

和

，求解交点坐标

；

D.联立切线方程

与

或

的任一回转轴线方程，求解交点坐标

；

E.使得

与

重合，即满足相交状态，得出无自旋机构设计方程。

步骤5：将上述无自旋机构设计方程转化为无自旋结构微分方程并求解，得出无自旋机构基本解；

步骤6：采用上述无自旋机构基本解对应的牵引元件或传动元件替换原有牵引式CVT的牵引元件或传动元件，完成无自旋机构设计，得到无自旋机构基本机构。

上述方案中，所述牵引式CVT可为移动调速定点传动类牵引式CVT、移动调速动点传动类牵引式CVT、摆动调速定点传动类牵引式CVT、摆动调速动点传动类牵引式CVT的一类或一种。

上述方案中，所述牵引式CVT为移动调速定点传动类牵引式CVT，且牵引件元件与传动元件的回转轴线正交时，如滚轮平盘牵引式CVT，其得出的无自旋机构基本解为

，C为某一常数；对应的无自旋机构基本机构为“锥盘滚轮式”无自旋机构。

上述方案中，无自旋机构基本机构为“锥盘滚轮式”时，步骤二中选取机构综合的“构型因子”时，优先选取为“X₁—变速运动可动件动度”和“X₂—传动机构对称性”；

更进一步，步骤三中列出单个构型因子的所有构型时，“X₁—变速运动可动件动度”对应有三个标准构型，分别为：X₁ ¹—锥盘可动，即仅锥盘摆动实现变速（一个牵引元件动）；X₁ ²—滚轮可动，即仅滚轮摆动实现变速（一个牵引元件动）；X₁ ³—锥盘与滚轮均可动，即滚轮移动锥盘转动实现变速（两个牵引元件都动）；

“X₂—传动机构对称性”对应有三个标准构型，分别为：X₂ ¹—“I”型对称，即滚轮关于锥盘的回转轴线对称，也称左右对称；X₂ ²—“—”型对称，即锥盘关于滚轮的回转轴线对称，也称上下对称；X₂ ³— “十”型对称，即两个传动元件均相对于彼此回转轴线对称，或称为互对称，也称中心对称。

本发明所述方案中，所述牵引式CVT还可以为半环面牵引式CVT、锥盘环面牵引式CVT、滚锥平盘牵引式CVT等，当所述牵引式CVT还可以为半环面牵引式CVT时，其无自旋机构基本解为

，其中

，

为滚轮接触半径，

为半锥角，C为某一常数；对应的无自旋机构基本机构为单盘“指数式”无自旋机构。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提出一种针对牵引式CVT进行无自旋机构综合的方法，可以快速地实现对牵引式CVT无自旋基本机构进行机构变异，找出同族无自旋机构集，为牵引式CVT无自旋机构设计理论的延展和应用奠定了基础。

2.本发明所述的一种牵引式CVT无自旋机构综合方法，采用了一种构建构型因子表的方式，把机构综合问题简化为特征机构组合变异问题，这为机构学发展提供了一种新的思路和理念。

附图说明

图1为本发明所述的一种牵引式CVT无自旋机构综合方法的方法步骤。

图2 为平盘滚轮牵引式CVT机构示意图。

图3为本发明所述的一种牵引式CVT无自旋机构综合方法在进行滚轮平盘牵引式CVT无自旋机构综合时，进行无自旋机构设计后得到的无自旋基本机构锥盘滚轮牵引式CVT机构示意图。

图4 为锥盘滚轮牵引式CVT无自旋机构综合步骤三中“变速运动可动件动度”的标准构型示意图。

图5 为锥盘滚轮牵引式CVT无自旋机构综合步骤三中“传动机构对称性”的标准构型示意图。

图6为锥盘滚轮牵引式CVT无自旋机构综合步骤四中构建的构型因子表示意图。

图7为锥盘滚轮牵引式CVT无自旋机构综合步骤五中根据因子表进行机构综合的变异解示意。

图8为锥盘滚轮牵引式CVT无自旋机构综合步骤六中对构型因子表中的变异机构进行修正后构建的无自旋机构集。

附图中，各数字与箭头代表的含义如下：

1-平盘；1’-锥盘；2-滚轮；3-输入轴；4-输出轴。

具体实施例

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

实施例一

如图1所示，为一种牵引式CVT无自旋机构综合方法的具体步骤流程，所述牵引式CVT可以为滚轮平盘牵引式CVT、半环面牵引式CVT、锥盘环面牵引式CVT、滚锥平盘牵引式CVT等等。本实施例中为了具体说明，选择对象为结构最简单的一种牵引式CVT——平盘滚轮牵引式CVT，滚轮平盘牵引式CVT由传动机构（包括输入平盘1与输出滚轮2）、加压机构和调速机构组成，通过输入平盘1与输出滚轮2之间产生的牵引力来传递动力，加压机构提供接触点法向压力，调速机构用于调节输出滚轮在输入平盘1上的作用半径，以实现无级变速。该类型牵引式CVT的主要特点是调速元件采用移动的方式实现变速，且调速元件的相对接触位置固定，可以称为移动调速定点传动类牵引式CVT，常用于机床、计算机构、测速机构等领域。

对其进行无自旋机构综合涉及的方法步骤如下：首先，对平盘滚轮牵引式CVT进行无自旋机构设计，具体为：

步骤1：提取滚轮平盘式牵引式CVT的变速单元机构，该变速单元包括牵引元件平盘1（也称牵引传动元件，简称传动元件）和变速传动元件滚轮2（简称变速元件），如图2所示。

步骤2：绘制上述调速单元结构图，建立直角坐标系，其直角坐标系的X轴与滚轮的回转轴线重合，Y轴与平盘的回转轴线重合，坐标原点为滚轮回转轴线与平盘回转轴线的交点；

步骤3：滚轮平盘式牵引式CVT的调速单元中，接触点在平盘1上移动，而在滚轮2上不动，因此，选择平盘1作为无自旋设计对象，并假设经过无自旋设计后的平盘1的母线方程为

；

步骤4：根据假设的平盘1的母线方程

，求解过该曲线上任意点

的切线方程

，并使其在任意点满足相交状态，具体过程如下：

1）设

为

的一点，则过点

的切线方程

；

2）由步骤2中建立的坐标系，从坐标系关系可知，平盘1的回转轴线为Y轴，即

，滚轮2的回转轴线为X轴，即

；

3）联立

与

，求出交点坐标

；

4）联立切线方程

与

，求出交点坐标

；

5）

与

重合，即得出无自旋机构设计方程

步骤5：将上述无自旋机构设计方程转化为无自旋机构微分方程

，并求解，得出无自旋机构基本解

；

步骤6：从步骤5中可知，得出的平盘1无自旋结构母线的表达式为

，对应的平盘结构为锥形结构，采用锥形结构平盘1’替换原有平盘1，即实现了无自旋机构设计，得到滚轮平盘牵引式CVT无自旋机构设计基本机构——锥盘滚轮牵引式CVT，如图4所示。

步骤一：提取平盘滚轮牵引式 CVT无自旋基本机构锥盘滚轮牵引式CVT的最小传动单元，包括平盘1（上述的牵引元件）和滚轮2（上述的传动元件），如图4所示。

步骤二：选取机构综合的“构型因子”；在牵引式CVT机构研究中，变速机构的变速运动可动件动度和传动机构的对称性是比较重要的影响因素，因此本实施例中针对锥盘滚轮牵引式CVT机构，将“X₁—变速运动可动件动度”与“X₂—传动机构对称性”作为机构综合时的构型因子。

步骤三：列出单个构型因子的所有构型；分析可知，锥盘滚轮无自旋牵引式CVT传动单元由锥盘与滚轮组成，重新定义传动元件变速运动特征，在保证无自旋传动的前提下，分析出“X₁—变速运动可动件动度”具备3种标准变速运动型，如图4所示，分别为：X₁ ¹—锥盘可动，即仅锥盘摆动实现变速（一个牵引元件动）；X₁ ²—滚轮可动，即仅滚轮摆动实现变速（一个牵引元件动）；X₁ ³—锥盘与滚轮均可动，即滚轮移动锥盘转动实现变速（两个牵引元件都动）；“X₂—传动机构对称性”对应有三个标准构型，如图5所示，分别为：X₂ ¹—“I”型对称，即滚轮关于锥盘的回转轴线对称；X₂ ²—“—”型对称，即锥盘关于滚轮的回转轴线对称；X₂ ³— “十”型对称，即两个传动元件均相对于彼此回转轴线对称，或称为互对称。

步骤四：构建构型因子表，以“X₁—变速运动可动件动度”作为横轴，“X₂—传动机构对称性”作为纵轴，构建构型因子表，共9个元素，如图6所示。

步骤五：填写因子表元素，进行机构构型综合；按照图6所示的构型因子表，对锥盘滚轮牵引式CVT机构进行变异，得出对应的变异机构集合，如图7所示。

步骤六：对构型因子表中的变异机构进行修正，构建无自旋机构集；具体为：从机构可实现角度对图7表中的每个元素对应的机构进行分析，X₁ ² X₂ ²和X₁ ² X₂ ³机构在实现变速中出现接触分离状态，不可行，因此去掉不可行机构X₁ ² X₂ ²和X₁ ² X₂ ³；而X₁ ¹ X₂ ³机构在实现变速中出现接触干涉状态，但可以通过变速运动可动件滚轮的动度得以修正，即增加滚轮平移的运动特征，因此修正欠可行机构X₁ ¹ X₂ ³为x₁ ³X₂ ³；保留其他的可行机构，得出牵引式CVT对应的无自旋机构集，如图8所示。

对上述综合结果进行分析，“X₁ ¹ X₂ ³” 修正后的“x₁ ³X₂ ³”型与“X₁ ³ X₂ ³”型锥盘滚轮无自旋牵引式CVT机构性能最佳，主要体现在：（1）采用滚轮作为输入输出元件，锥盘为中间传动元件，较其他结构对称性好，且可以布置多个中间元件，提高承载能力；（2）为双腔式结构，可以传递较大的功率与扭矩；（3）变速过程中，接触点在滚轮与锥盘上均改变，克服了环面牵引式CVT接触点在滚轮上固定的缺点，可减小传动元件之间的接触磨损，利于提高使用寿命；（4）制造容易，锥盘工作面是一个标准的锥面，比环面、球面、指数型曲面等都好加工。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理、创造性和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种牵引式CVT无自旋机构综合方法，其方法包括首先对牵引式CVT进行无自旋机构设计，得到无自旋基本机构，其特征在于：所述方法步骤还包括：

步骤二：选取机构综合的“构型因子”，对应的第i个构型因子为X_i；

步骤四：构建构型因子表；具体为：选取两个构型因子X_i和X_j，列出其分别具有的m和n个构型，分别将其作为因子表的横轴和纵轴，构建具有(m+1)x(n+1)个元素的构型因子表；

步骤五：填写因子表元素，进行机构构型综合；具体为：按照构型因子表元素的构型特点对牵引式CVT无自旋基本机构进行机构变异，得出理论上的(m+1)x(n+1)个变异机构；

2.如权利要求1所述的一种牵引式CVT无自旋机构综合方法，其特征在于：所述步骤二中选取机构综合的“构型因子”时，选择变速时变速元件的运动特征、变速运动时可动构件动度、传动单元对称性、变速运动副类型作为构型因子。

3.如权利要求1所述的一种牵引式CVT无自旋机构综合方法，其特征在于：所述牵引式CVT为滚轮平盘牵引式CVT，其无自旋机构基本解为y＝Cx，C为某一常数；对应的无自旋机构基本机构为“锥盘滚轮式”无自旋机构。

4.如权利要求3所述的一种牵引式CVT无自旋机构综合方法，其特征在于：所述步骤二中选取机构综合的“构型因子”时，选取为“X₁—变速运动可动件动度”和“X₂—传动机构对称性”。

5.如权利要求4所述的一种牵引式CVT无自旋机构综合方法，其特征在于：步骤三中列出单个构型因子的所有构型时，“X₁—变速运动可动件动度”对应有三个标准构型，分别为：X₁ ¹—锥盘可动、X₁ ²—滚轮可动、X₁ ³—锥盘与滚轮均可动；“X₂—传动机构对称性”对应有三个标准构型，分别为：X₂ ¹—“I”型对称、X₂ ²—“—”型对称、X₂ ³—“十”型对称。

6.如权利要求1所述的一种牵引式CVT无自旋机构综合方法，其特征在于：所述牵引式CVT为半环面牵引式CVT，其无自旋机构基本解为

其中L＝r₀tanθ，r₀为滚轮接触半径，θ为半锥角，C为某一常数；对应的无自旋机构基本机构为单盘“指数式”无自旋机构。