MB-CVT金屬塊與鋼帶環(huán)接觸特性研究

張武，郭衛(wèi)，柴華

(西安科技大學機械工程學院，陜西 西安 710054)

MB-CVT金屬塊與鋼帶環(huán)接觸特性研究

張武，郭衛(wèi)，柴華

(西安科技大學機械工程學院，陜西 西安 710054)

以金屬帶式無級變速器金屬塊與鋼帶環(huán)接觸特性為研究目標，建立了金屬塊與鋼帶環(huán)作用力數(shù)學模型，完成了金屬塊與鋼帶環(huán)運動關(guān)系分析，最后通過數(shù)值解方法對金屬塊與鋼帶環(huán)接觸特性進行了研究。結(jié)果顯示:金屬塊y方向位移以金屬塊幾何中心處最大，約為0.5μm;金屬塊z方向位移在金屬塊鞍面出現(xiàn)負位移，而在下部圓弧槽則出現(xiàn)正位移;最大應(yīng)力發(fā)生在金屬塊側(cè)面，其值為22.1MPa。研究成果可為金屬塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

鋼帶環(huán);金屬塊;無級變速器;接觸

金屬帶式無級變速器(metal belt continuously variable transmission，MB-CVT)是目前乘用車領(lǐng)域最成功的CVT之一，裝配該變速器的車輛具有乘坐舒適、操作簡單、燃料消耗率低、廢棄物排放小等優(yōu)點。因此，MB-CVT在乘用車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于其屬于摩擦傳動系統(tǒng)，傳遞扭矩的能力受到了一定的限制，因而沒能廣泛地應(yīng)用于大排量汽車。最新研究顯示，裝備MB-CVT的汽車比普通自動擋汽車平均節(jié)油7%～15%［1-3］。

S.Akehurst、H.Kim等忽略了MB-CVT各組件間的相互作用，并認為兩組鋼帶環(huán)和金屬塊是一個連續(xù)的整體，同時在分析中予以了考慮［4-5］。日本的S.Kuwabara與英國的J.D.Micklem等所建的金屬帶組件力學模型系統(tǒng)［6-7］，各有各的缺陷，均不能完整地解釋Fujii T實驗中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象［8-9］。黃宏成等［10］通過ADAMS軟件分析了MB-CVT變速傳動機構(gòu)效率。筆者［11］之前關(guān)于金屬帶組件的研究沒有涉及金屬塊與鋼帶環(huán)接觸特性的數(shù)值分析，因此本文主要通過數(shù)值仿真分析方法研究金屬塊與鋼帶環(huán)間的接觸特性。

1 金屬塊與鋼帶環(huán)組件

1.1 金屬塊與鋼帶環(huán)作用力分析

MB-CVT金屬帶主要由兩組鋼帶環(huán)組成，每組鋼帶環(huán)由若干層厚度為0.2mm的鋼帶環(huán)組合而成，同時包括數(shù)百個金屬塊［12-13］。圖1所示為金屬帶式無級變速器基本結(jié)構(gòu)，圖2所示為MBCVT金屬帶組件。

圖1 MB-CVT基本結(jié)構(gòu)

圖2 金屬帶組件

主動輪上鋼帶環(huán)和金屬塊上的作用力分析如圖3所示［11］。從動輪上金屬塊與鋼帶環(huán)的受力分析與作用力平衡公式與此類似，這里不做展示。

圖3中:PA為鞍面法向力，下標A表示主動輪;TA為鋼帶環(huán)張力;FrbA為鞍面摩擦力，下標r表示鋼帶環(huán)，下標b表示金屬塊;EA為金屬塊間擠壓力;NA為帶輪法向力;FpbA為切向摩擦力，下標p表示帶輪，下標b表示金屬塊;FRA為徑向摩擦力; FCrA為鋼帶環(huán)離心力;FCbA為金屬塊離心力;AA為金屬塊承受的軸向推力;α=11°。

主動輪上第k個半金屬塊與變速器各組件間的作用力關(guān)系如式(1)所示。

式中:δ為傳動比i不同時相關(guān)作用力的方向系數(shù)，i＜1時，δ=－1;i≥1時，δ=1。

圖3 金屬帶組件力學模型

1.2 金屬塊與鋼帶環(huán)運動關(guān)系

主動帶輪和從動帶輪工作過程中，每個金屬塊搖擺棱具有相同的切線速度，其余部位的切線速度都不相等，鋼帶環(huán)之間也存在這種現(xiàn)象。圖4所示為帶組件上圍繞許多金屬塊并繞帶輪包角運轉(zhuǎn)的幾何形狀。鞍面距離搖擺棱大約為dR=1mm［14］。從動帶輪上金屬塊鞍面切線速度為vss:

式中:v2為金屬塊搖擺棱處的從動輪線速度;R2為金屬塊搖擺棱處的從動輪工作半徑。

圖4 金屬塊鞍面與最內(nèi)層鋼帶環(huán)、鋼帶環(huán)之間的相對滑動

在帶輪處于工作半徑較大的接觸區(qū)域時，鋼帶環(huán)和金屬塊間的摩擦力較大。這時它們彼此間的滑動幾乎可以被忽略，因此帶輪工作半徑較小時容易發(fā)生滑動［15-16］。在工作半徑較大的帶輪上，最內(nèi)層鋼帶環(huán)的切線速度vb1可以用金屬塊鞍面表示為:

式中:R1為金屬塊搖擺棱處的主動輪工作半徑。

2 算例參數(shù)確定

本節(jié)參數(shù)及數(shù)值主要參照參考文獻［17］:額定功率P=70 kW，最大輸入轉(zhuǎn)矩M1=160N·m，最大輸入轉(zhuǎn)速n1=6 000r/min，主、從動輪工作半徑r取值范圍31.5～74.0mm，傳動比i取值范圍0.42～2.35。同時規(guī)定以帶輪入口處的金屬塊為起點，對金屬塊進行編號。表1所示為某傳動比情況下金屬塊間接觸力數(shù)值分布［17］。

表1 金屬塊與鋼帶環(huán)接觸特性分析相關(guān)原始參數(shù)及數(shù)值

3 金屬塊與鋼帶環(huán)接觸特性分析與討論

在金屬帶式無級變速器的正常工作狀態(tài)下，金屬塊與鋼帶環(huán)的接觸主要以金屬塊為研究對象，可以將它看作是鋼帶環(huán)對金屬塊存在一個切向的摩擦力和相對圓心的正壓力。由于金屬塊鞍面的面積太小，且考慮金屬塊在圓弧段內(nèi)的受力和約束情況，若將其看作是半空間體問題來處理，計算的結(jié)果與實際情況相差較大，因此利用有限元的方法對其進行分析。

金屬塊鞍面擠壓力和平行于鞍面的切向力均與鋼帶環(huán)的張力差存在映射關(guān)系，而鋼帶環(huán)的張力差取決于傳動比。鋼帶環(huán)對金屬塊鞍面的擠壓力僅發(fā)生在圓弧段范圍內(nèi)，此時金屬塊兩側(cè)與帶輪接觸并假設(shè)其固定。根據(jù)金屬塊的受力及工作狀態(tài)對其進行約束:對金屬塊背面z方向位移進行約束，金屬塊側(cè)面與帶輪接觸，以金屬塊為研究對象，視帶輪為剛體，對金屬塊兩側(cè)面進行x，y方向位移約束。

圖5所示為金屬塊y方向位移圖。由圖可知:金屬塊的y方向位移分布以金屬塊幾何中心對稱，主要集中在金屬塊的中心位置，金屬塊兩側(cè)面位移較小。由于兩側(cè)的鋼帶環(huán)對金屬塊有向下擠壓的效果，且與帶輪接觸并固定，致使越靠近金屬塊中心的區(qū)域y方向的位移就越大。位移數(shù)值為負，表示位移方向向下，與y軸方向相反，最大位移量為0.493μm。

圖5 y方向位移圖

圖6所示為金屬塊與鋼帶環(huán)接觸的z方向位移圖。由圖可以看出:金屬塊鞍面z方向出現(xiàn)負位移，而在下部圓弧槽z方向則出現(xiàn)正位移。這是由于鋼帶環(huán)對金屬塊鞍面的作用力使金屬塊壓縮而產(chǎn)生負位移，此時金屬塊兩側(cè)向產(chǎn)生小范圍彎折，導致金屬塊下部突出。由于在圓弧段內(nèi)，金屬塊間接觸部位是在其搖擺棱附近，這樣金屬塊就不能完全接觸，此時金屬塊之間產(chǎn)生空隙，同時由于鋼帶環(huán)對金屬塊切向的作用力，使得金屬塊產(chǎn)生微小翹曲，結(jié)合帶輪對金屬塊兩側(cè)的擠壓，增加了翹曲的幅度，致使在實際工作中出現(xiàn)損壞、斷裂現(xiàn)象。

圖6 z方向位移圖

圖7所示為金屬塊與鋼帶環(huán)接觸應(yīng)力云圖。由圖可知:金屬塊在鞍面圓弧槽位置產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是由于鋼帶環(huán)對金屬塊鞍面的擠壓引起金屬塊鞍面圓弧槽應(yīng)力集中，并且關(guān)于金屬塊幾何中心對稱分布。最大應(yīng)力發(fā)生在金屬塊側(cè)面，其值為22.1MPa。由此可知，金屬塊磨損主要發(fā)生在與帶輪接觸的部位，而與鋼帶環(huán)接觸的金屬塊鞍面則較少。

圖7 金屬塊與鋼帶環(huán)接觸應(yīng)力分布

4 結(jié)束語

本文基于有限元理論研究了金屬帶式無級變速器金屬塊與鋼帶環(huán)接觸特性。對現(xiàn)有金屬塊結(jié)構(gòu)進行的應(yīng)力與位移分析，不僅為金屬塊優(yōu)化提供了研究基礎(chǔ)，還為金屬帶式無級變速器輕量化設(shè)計提供了研究思路。由于實驗條件限制，因而本文傾向于理論研究。后續(xù)可加強實驗研究，以進一步完善理論分析結(jié)果。

［1］Kong Lingyuan，Parker R G.Steady mechanics of layered，multiband belt drives used in continuously variable transmissions (CVT)［J］.Mechanism and Machine Theory，2008，43(2): 171-185.

［2］Alasvn.Modeling of loss mechanisms in a pushing metal V-belt continuously variable transmission part 1:torque losses due toband friction［J］.Drive System Technique，2004(11):1269-1281.

［3］Asayama H.Mechanism of metal pushing belt［J］.JSAE Review，1995，42(2):171-174.

［4］Akehurst S，Vaughan N D，Parker D A.Modelling of loss mechanisms in a pushing metal V-belt continuously variable transmission part 2:pulley deflection losses and total torque loss validation［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D:Journal of Automobile Engineering，2004，218(11): 1283-1293.

［5］Kim H，Lee J.Analysis of belt behavior and slip characteristics for a metal V-belt CVT［J］.Mechanism and Machine Theory，1994，29(6):865-876.

［6］Kuwabara S，F(xiàn)ujii T，Kanehara S.Study on a metal pushing V-belt type CVT:band tension and load distribution in steel rings［J］.JSAE Review，1999，20(1):55-60.

［7］Micklem J D，Longmore D K，BURROWS C R.Modelling of the steel pushing V-belt Continuously Variable Transmissions［J］. Mech Engrs，1994，208(C1):13-27.

［8］Fujii T，Kurokawa T，Kanehara S.A study on a metal pushing V-belt type CVT-part 1:realation between transmitted torqe and pulley thrust［J］.SAE Tech Paper，1993，65(3):932-941.

［9］Fujii T，Kurokawa T，Kanehara S.A study on a metal pushing V-belt type CVT-part 2:compression force between metal blocks and ring tension［J］.SAE Tech Paper，1993，65(3):942-951.

［10］黃宏成，鄒峰.基于ADAMS的金屬帶式CVT變速傳動機構(gòu)效率分析［J］.機械設(shè)計與研究，2009，25(6):114-116.

［11］張武，劉凱，周春國，等.考慮張力和擠壓力的金屬帶動力性能研究［J］.機械科學與技術(shù)，2009，28(9):1185-1189.

［12］王成，李冰怡，宋傳學，等.金屬帶式無級變速器速比控制的改進算法［J］.機械設(shè)計與研究，2010，26(6):71-74.

［13］姚文俊，孫旭.基于汽車無級變速器最佳傳動效率的夾緊力控制策略研究［J］.機械科學與技術(shù)，2013，32(7):1060-1064.

［14］Narita K，Priest M.Metal-metal friction characteristics and the transmission efficiency of a metal V-belt-type continuously variable transmission［J］.Institution of Mechanical Engineers，2007，221(1):11-26.

［15］Ide T.Metal V-belt used for continuously variable transmission for passenger car［J］.SAE Jpn，2000，54(4):4-9.

［16］Takahara H，Abo K.Heat generation analysis of a metal V-belt for CVTs［J］.SAE Jpn，2000，54(4):16-20.

［17］張武，周春國，劉凱.金屬帶式無級變速器帶輪變形研究［J］.中國機械工程，2010，21(15):1771-1774.

Research on metal block and metal ring contact character in metal belt continuously variable transmission

ZHANG Wu，GUO Wei，CHAI Hua
(School of Mechanical Engineering，Xi＇an University of Science and Technology，Shaanxi Xi＇an，710054，China)

Focusing on an analysis of the contact characteristic between metal block and metal ring of metal belt ontinuously variable transmission(CVT)，it establishes the mechanism model between metal block and metal ring，analyzes kinematical relations of them，proposes the contact characteristic based on numerical methods. The results indicate that the metal block y direction displacement is maximum in its geometry centre，the value is 0.5μm.The metal block z direction displacement is negative displacement in metal block surface and positive displacement in arc gutter.The maximum stress is 22.1Mpa in metal block side.Research results can provide reference for the metal structure optimization design.

metal ring;metal block;CVT;contact

TH132

A

2095-509X(2015)07-0058-04

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.07.014

2015-05-18

中國博士后科學基金資助項目(2014M562518XB);西安科技大學博士啟動金項目(2012QDJ027)

張武(1985—)，男，陜西涇陽人，西安科技大學講師，博士，主要研究方向為乘用車無級變速傳動。