英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
设计液压无级变速器（CVT）用于改装后轮驱动汽车
摘要
该研究表明，为了降低汽车的整体燃料消耗，现有的后轮驱动车辆可以改装无级变速器。 这种改装能力是该变速器相对于其他无级变速器的主要优点。 通过改装本文所示的变速箱部件来改装汽车，现有的车辆变速箱继续使用，除了由液压无级变速箱本身替代的传动轴之外。本文使用车辆动力学的标准模型，详细分析了所有齿轮的速比，并说明了如何确定液压泵和电机的尺寸，以确保操作的安全压力水平。 为了说明这种方法的有用性，为1997年福特Ranger设计了一个实际的变速箱，并且通过设法在车辆的斜坡速度输出中保持发动机速度恒定来评估变速箱的可调整范围。 总之，这项研究表明，设计方法是有效的，并且在车辆的低地速期间仅观察到发动机转速的微小误差。
介绍
背景：多年来，汽车行业一直使用无级变速器。 在汽车中使用无级变速器的动机是实现动力的无级变速传动，这允许内燃机在给定动力需求的情况下以其最有效的运行点运行。 研究表明，这些变速箱能够将燃油消耗降低高达60％[1]。 尽管连续变速器已经存在多年，尽管它们显示出巨大的降低燃料消耗的承诺，但它们仍然由于太昂贵而无法在市场上得到广泛接受。 这很大程度上是由于大多数连续可变技术属于电动类型，而这些变速器的组件并不便宜。 例如，考虑丰田卡罗拉与其可比紧凑型电动混合动力车丰田普锐斯之间的价格差异。 这两款车之间的成本差异超过了8000美元，这使得大多数消费者的设计成本不断变化。
为了增加无级变速技术在汽车市场的渗透率，环保局（EPA）一直在赞助开发液压混合动力车辆的项目[2]。美国环保局认为液压无级变速车比电动无级变速车更具成本效益; 然而，由于液压设计特别是在高压下运行时会产生高水平的可闻噪声，因此这些液压设计未被证明是可以接受的。换句话说，提高燃油效率和降低初次购买成本的好处还不足以说服消费者忍受与液压无级变速车辆相关的噪音。在这种情况仅仅是电动连续可变车辆出售给乘客使用，并且只有少数人是由拥有足够财富的人购买以将环境问题放在他们的钱袋子之前。 换句话说，电动连续可变车辆市场是只为少数人提供服务的利基市场。
本文正在撰写，以考虑连续变量车辆的另一个利基市场。 具体而言，探讨了改装具有液压无级变速器的现有后轮驱动车辆的可行性，以向环保型人员提供升级其车辆的选项，而无需支付与电动无级变速设计相关的高成本。 尽管这种现有解决方案没有解决与液压传动相关的噪音问题，但它通过使用较便宜的液压元件并通过在最终传动中使用车辆中的现有机械变速器及其相关的差动齿轮来解决成本问题。本文提出的变速箱简单地用液压无级变速器代替车辆中的驱动轴，从而产生能够显着降低汽车燃料消耗的无级变速传动系统。 换句话说，如果最终用户愿意承受与液压无级变速器相关的传统噪声水平，本文提出的无级变速器可以显着降低该个人的燃料消耗成本，同时保留燃烧多余石油基燃料的副作用。
文献评论：如前所述，汽车无级变速器研究的目标是在给定功率需求的最大效率点运行内燃机。 这项研究大致分为电动无级变速技术和液压无级变速技术。
电动无级变速器的研究例子包括Pfiffner等人所做的工作[3]。其中的数值方法是用于对变速箱进行建模并优化发动机效率。 这项工作并没有详细模拟传动系统，而是考虑了发动机的效率特性。 传输效率假定为100％。Pfiffner总结说，使用所提出的控制方法，燃油消耗可能会降低多达5％。Mapelli等人[4]已经考虑了类似于Pfiffner的传输; 然而，他们更关注变速箱本身的损失。这项工作并没有将无级变速车与传统设计进行比较，因此很难知道是否有任何改进。凯塞尔等人[5]在其电动无级变速车辆的描述中提供了更多细节，该车辆包括两个电动发电机，其中电力电子装置用于调节电池电力输入和输出。 通过考虑所有部件的效率，Kessels及其同事得出结论，由于全球最佳车辆效率可能不符合该操作点，因此对于给定的功率需求而言，在最大效率点运行发动机可能并不总是最佳的。Ehsani等人[6]为考虑电动无级变速器的基本组成部分提供了更全面的教科书。Kumar和Ivantysynova研究了液压无级变速器[7]，其中无级变速器的泵和马达与蓄能器一起使用以提供用于存储制动能量的能力以及优化发动机的效率。 这项工作得出的结论是，液压无级变速器的设计可以将相比之下的电动无级变速器的燃料消耗减少16％以上。密苏里大学还对液压混合动力技术进行了大量的工作。Dirck [8]已经建立了一个简单的液压混合动力系统，该系统采用并行离散变速器，表明典型汽车的燃油消耗量可能会减少37％，城市驾驶和公路驾驶减少14％。朱红 [9]已经建立了一种更复杂的液压无级变速器，该液压无级变速器利用压力补偿泵和可变排量马达，同时考虑了液压系统的效率特性。 在他的工作中，Vermillion已经表明，该城市的燃油消耗可能仅减少1.28％，高速公路驾驶则可能减少22％以上。Al-Ghrairi [10]表明，由Vermillion建模的传动装置可以在紧凑的空间内设计，同时确保所有传动部件（包括复杂的齿轮传动装置）都能满足现代机器设计实践中典型的安全系数要求。除此之外，所有这些工作对于考虑实施无极变速传动技术时可能遇到的障碍非常有用。 这篇文献中描述的大部分工作都集中在无级变速器的控制上，其目标是要么优化发动机效率或优化整体车辆效率。 虽然这是这些传输的最终目标; 这项工作假定变速器的设计很容易实现，因此中间泵，电机和传动装置的设计几乎完全被忽略。 本文旨在考虑传动部件本身的总体设计。 换言之，本文告诉读者如何指定齿轮，泵和电机，以实现整个变速器的令人满意的调整水平。 该设计的应用由后轮驱动汽车给出，其中现有的变速器部件继续被使用。
目标： 该研究表明，为了降低汽车的整体燃料消耗，现有的后轮驱动车辆可以简单地改装无级变速器。 这种变速器的改装能力是其显示优于其他无级变速器的主要优点。 通过改装本车与本文所示的变速箱部件，现有的车辆变速箱继续使用，除了由液压无级变速箱本身替代的传动轴之外。 本文使用车辆动力学的标准模型，对所有齿轮的速比进行详细分析，并说明如何确定液压泵和电机的大小，以确保操作的安全压力水平。 为了说明这种方法的有用性，为1997年福特Ranger设计了一个实际的变速箱，并且通过设法在车辆的斜坡速度输出中保持发动机速度恒定来评估变速箱的可调整范围。 总之，这项研究表明，设计方法是有效的，并且在车辆的低地速期间仅观察到发动机转速的微小误差
传输描述
图1 示出了液压无级变速器的示意图，因为它以改进的配置布置在汽车内。 在该示意图中，在图的每个象限中示出了四个汽车轮胎; 然而，只有后轮由变速器驱动。 换句话说，这辆车是后轮驱动。 内燃机显示在作为发动机传统位置的两个前轮胎之间。 标准汽车变速箱位于发动机的下游，其离散和可变速比是由sum;t表示。在标准变速器的输出轴上，显示了一个正齿轮，用于在机械路径和液压路径之间分配动力传输。该正齿轮显示为一个简单的示意图; 然而，应该提到的是，可能会使用复合直齿轮，来实现这个档位所需的速比。 机械功率路径如图1所示。图1 是一个以角速度1旋转的简单轴。液压动力通道是标准的静液压传动装置，包括变量泵和定量马达。 泵的轴转速如图1中2表示，电机的轴转速由h表示。如图1所示，机械和液压动力路径通过行星齿轮重新连接，如图中的sum;符号所示。 然后连接行星齿轮的输出轴到标准差速器，然后将动力传输到每个后轮轴。 重要的是要注意，这种变速器不包括能量存储部件，并且不能再生制动能量。 图1所示的变速器，通过在最佳工作点运行内燃机实现其提高的效率，从而将燃料效率提高多达60％[1]。 如果包含能量存储设备，则可以实现额外的改进。这种变速器布局的重要特点是无级变速器可以作为车辆的改型设计。 换句话说，标准机械变速器和差速器之间的主驱动轴可以从车辆中去掉，并且用包括正齿轮，机械轴，液压传动装置和行星齿轮的无级变速器替代。 本文将描述如何设计这种变速器以实现无级变速器的优点，而无需替换汽车的其他主要动力和动力传输部件。
图1：液压无级变速器示意图
汽车造型
图2 示出了将用作液压无级变速器的分析，设计和控制的基础的汽车的示意图。 在该图中，车辆被示为以平坦表面在速度v处向左行驶。车辆的质量由符号m表示，并且示出后轮胎与道路之间的力F以使车辆前锋。 轮胎的转矩和速度用符号T和表示，轮胎半径用符号R表示。在下面的段落中，将对车辆的动态运动进行建模；
图2：汽车示意图
在水平方向上作用于车辆的总和力可以写成以下运动方程式：
(1)
其中右边的第二项表示与速度v的平方成比例的风阻，右边的第三项表示由于车辆重量引起的车辆的滚动阻力。 这些术语是可以在文献中访问的标准车辆建模术语[6]。 在等式(1)，q是空气密度，Cd是无量纲阻力系数，A是车辆的有效前部面积，Cr是无量纲滚动阻力系数，g是引力常数。从轮胎的静态分析可以看出，在水平方向上施加在汽车上的力由下式给出
(2)
其中系数2表示有两个轮胎，每个轮胎都以转矩T转动。类似地，如果假定轮胎不滑动，则可以示出水平方向上的车辆速度由
(3)
其中是每个轮胎的角速度。 用等式(2) 和(3) 代入方程(1)，汽车的以下运动方程可写成如下：
(4)
这个等式的输入是转矩T，其将通过车辆变速器从车辆发动机传递到每个轮胎。 传输的分析和建模将在本文的传输分析部分进行。
传输分析
一般：本部分将用于分析图1所示液压无级变速器的传动部件。分析的目的是确定发动机和车辆轮胎之间的整体速比，并说明如何通过调整泵的斜盘角度将该速比变成连续可变的类型。 该分析将通过考虑每个传输组件并假设所有传输组件都是100％有效来进行。
机械传动：数字1 示出了连接到发动机的机械变速器，其可在一组离散的速比之间调节。 对于典型的汽车应用，可以选择五种不同的速比。 通过机械传动装置传递动力可以是
(5)
其中Te和e是发动机的转矩和速度，T3和3是传送到正齿轮组中央齿轮的扭矩和速度。 在等式(5)，符号t表示机械传动的可调速比。
直齿轮：图1 也显示了连接到机械传动装置的正齿轮。 如前所述，该齿轮最有可能需要是复合齿轮类型才能达到所需的速比，因此，图3 以更现实的安排来说明这个装备。 图3 是从车辆后部看朝向发动机看的，其中r1，r2，r31和r32是每个齿轮的节圆半径。 请注意，齿轮系的液压路径和机械路径之间的中心距分别由符号Ch和Cm表示。
图3：复合正齿轮示意图
为了满足动力学平衡和运动学关系，可以证明
（6）
速度比由下式给出
（7）
这些速度比将在后面的部分进行设计和规定被控制。 关注研究将针对控制问题本身。
液压传动。 液压传动如图2所示。1由位移控制泵和定量马达组成。 可以看出，液压传动装置的输入和输出扭矩由下式给出
（8）
其中P是变速器的工作压力，Vp是泵的最大容积排量，是泵的标准化斜盘角度，其范围在，Vm是电机的体积排量[11]。 同样，泵和电机的速度可分别写成如下：
（9）
其中Q是从泵到电机的体积流量。
通过代数方法从等式中消除P和Q.(8) 和(9)，通过液压传动装置的动力输送可以写成
（10）
液压传动装置的速度比由下式给出
（11）
重要的是要注意，由于设计中的应力限制，液压回路内存在压力限制，(10) 没有明确说明这一限制。 方程(8) 将在本文的设计部分用于解释这一点。
方程(11) 通过改变泵的旋转斜盘角度来控制液压传动装置的速比。这种斜盘角度的智能控制是提高总体效率的机制电力传输完成; 因此，最佳控制对于这个参数成为一个非常重要的话题为了实现传输目标。 该参数的自动控制超出了本研究的范围，然而，本文提供了对该装置的数学描述的论文
行星齿轮：如图1所示，行星齿轮用于重新连接连续可变变速器的液压和机械路径，并将组合动力分配给差速器。 图中显示了行星齿轮的原理图，图4 如同从车辆后方观察发动机一样。 这个图显示了液压路径，左侧和右侧的机械路径。 行星齿轮位于中间。 液压路径通过与外环啮合的齿轮连接到行星齿轮。 这两个齿轮的节圆半径如图4所示， 由尺寸rh和rR表示。 机械路径通过啮合齿轮而与行星齿轮连接，齿轮与连接在行星齿轮臂上的不太明显的齿轮啮合。 行星齿轮的臂是如图4所示 由四根固定在四个行星齿轮上的辐条组成。 附着在手臂上的齿轮如图4，由一个半径为rA的虚拟节圆组成，位于行星齿轮本身的后面。 机械路径的齿轮由图中所示节圆半径rm。 如图3和4所示，使用符号Ch和Cm分别显示了齿轮系的液压路径和机械路径之间的中心距。
为了通过行星齿轮对动力传动进行建模，该齿轮单元的简化示意图如图5所示。这个示意图更清楚地标识太阳轮，手臂，行星和环。 为了简单起见，在
全文共11177字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[9062]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
