金屬帶式汽車無級(jí)變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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SY-025-BY-3 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 學(xué)生姓名 郭蕾 系部 汽車與交通工程學(xué)院 專業(yè)、班級(jí) 車輛工程07-11班 指導(dǎo)教師姓名 安永東 職稱 副教授 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 金屬帶式汽車無級(jí)變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 一、課題研究現(xiàn)狀,選題的目的、依據(jù)和意義 1、研究現(xiàn)狀 近年來，隨著車輛技術(shù)的進(jìn)步和道路上車輛密度的加大，汽車已經(jīng)成為現(xiàn)代文明社會(huì)重要的組成部分，人們對(duì)汽車的各項(xiàng)性能也提出了更高的要求，特別是經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性方面?，F(xiàn)在為了提高汽車的這些性能，人們嘗試了多項(xiàng)努力。本文就是在這背景下完成的。堅(jiān)持以原有的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用新型的金屬帶式無級(jí)變速器(CVT)替代原有的有級(jí)變速裝置。金屬帶式無級(jí)變速器(CVT)作為汽車?yán)硐氲淖兯賯鲃?dòng)裝置，具有廣闊的發(fā)展前景和市場空間，與目前應(yīng)用較廣的自動(dòng)變速器(AT)相比，其性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單、可以實(shí)現(xiàn)汽車的無級(jí)變速。無級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)匹配及控制是實(shí)現(xiàn)車輛性能的關(guān)鍵技術(shù)之一,通過合理地控制無級(jí)變速器，可以使汽車按駕駛員的意圖在汽車的行駛阻力和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率之間自動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)最佳匹配，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在理想的工況下運(yùn)行, 以便把汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性發(fā)揮到極限狀態(tài)。金屬帶式無級(jí)變速器越來越受到人們的重視并且獲得了較快的發(fā)展，世界上主要的汽車廠商也都在進(jìn)行無級(jí)變速器的研發(fā)工作。 ⑴ 國外無級(jí)變速器的研究動(dòng)態(tài) 金屬帶式CVT的裝車使用只有十幾年的時(shí)間,但是CVT技術(shù)的發(fā)展已有100多年的歷史，1886年，Daimler Benz 在首輛采用汽油機(jī)的汽車上裝上了橡膠帶CVT。1906年，美國卡特車裝用了簡單的金屬盤摩擦傳動(dòng)無級(jí)變速器。1930年在Austin Sixteen車上，裝用了牽引式CVT。電子控制技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使得無級(jí)變速傳動(dòng)得到應(yīng)用與發(fā)展。20世紀(jì)60年代后期，荷蘭工程師Van Doorne研究出金屬帶CVT，并裝備于DAF公司制造的小型轎車上。但是由于橡膠帶式CVT存在一系列的缺陷，如傳遞功率有限、傳遞轉(zhuǎn)矩低、傳動(dòng)帶和夾緊機(jī)構(gòu)的能量損失較大、以及使用壽命短等，因而沒有被汽車行業(yè)普遍接受。1972年H.Van Doorne博士發(fā)明了金屬傳動(dòng)帶，解決了橡膠帶使用壽命低、傳遞功率小的本質(zhì)缺陷。1978年，意大利Fiat公司的汽車開始裝用Van Doorne CVT。1987年，美國Ford公司的汽車裝有這種CVT，很快引起汽車工業(yè)的關(guān)注。1997年上半年，日本日產(chǎn)公司開發(fā)了使用在2.0L汽車上的CVT。在此基礎(chǔ)上，日產(chǎn)公司在1998年開發(fā)了一款中型轎車，設(shè)計(jì)了包含一個(gè)手動(dòng)換檔模式的CVT。新型CVT采用一個(gè)最新研制的高強(qiáng)度寬鋼帶和一個(gè)高效率液壓控制系統(tǒng)，這些新技術(shù)的應(yīng)用使CVT可傳遞更大轉(zhuǎn)矩。日產(chǎn)公司研究開發(fā)的CVT電子控制技術(shù)，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)模式，使汽車在下坡時(shí)可以一直根據(jù)車速實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，而不是采用常規(guī)制動(dòng)器限速，解決了長距離制動(dòng)引起制動(dòng)器發(fā)熱的問題。同時(shí)在濕滑路面上能夠平順地增加速比來防止打滑。日產(chǎn)公司計(jì)劃將它的CVT的應(yīng)用范圍從1.0L擴(kuò)大到3.0L的轎車。日本三菱公司選用CVT傳動(dòng)技術(shù)與直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)組合，可以保證在所有速比下，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力平順無間斷地傳遞。CVT根除了傳統(tǒng)的自動(dòng)變速器換檔時(shí)動(dòng)力不連續(xù)現(xiàn)象以及頓挫感，從而獲得更滿意的響應(yīng)速度和控制性能。日本富士重工擁有15年開發(fā)CVT的經(jīng)驗(yàn)。1997年5月，富士重工將它的Vistro微型車裝配了E-CVT(設(shè)有六檔手動(dòng)換檔模式的CVT)。1999年上半年，美國的福特公司和德國ZF公司合作，在巴達(dá)維亞和俄亥俄州合資建廠,為福特公司的轎車和輕型載貨車設(shè)計(jì) CVT變速器，從2001年開始投入生產(chǎn)。除經(jīng)典的前置前驅(qū)方式外，ZF公司還設(shè)計(jì)有發(fā)動(dòng)機(jī)縱置前輪驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)縱置后輪驅(qū)動(dòng)的CVT產(chǎn)品系列。經(jīng)過10多年的不斷完善，CVT傳動(dòng)技術(shù)由早期的小排量逐漸發(fā)展到大中排量轎車，其傳遞功率已超過150KW，轉(zhuǎn)矩已超過350Nm。目前，市場上的CVT有三種產(chǎn)品：P821型，采用電磁離合器作為起動(dòng)裝置，機(jī)—液或電—液控制系統(tǒng)，以外齒輪泵作為液壓源，實(shí)用于發(fā)動(dòng)機(jī)排量在1.3以下的小型轎車；P811型，實(shí)用于發(fā)動(dòng)機(jī)排量在1. 8以下的中型轎車；P844型，采用新型金屬傳動(dòng)帶，將液力變矩器與CVT綜合，全電子控制系統(tǒng)，實(shí)用于發(fā)動(dòng)機(jī)排量在3. 3以下的豪華轎車。日本在研制CVT的初期，即將電子控制技術(shù)與CVT技術(shù)結(jié)合，成功地開發(fā)出電子控制技術(shù)的CVT，即ECVT，陸續(xù)裝在Rex，Sambar和Justy上。1990年美國生產(chǎn)出計(jì)算機(jī)控制的無級(jí)調(diào)速液壓自動(dòng)變速器(CVT),此后日本、美國、德國等轎車生產(chǎn)商大多采用此項(xiàng)技術(shù)。 ⑵ 國內(nèi)無級(jí)變速器的研究動(dòng)態(tài) 國內(nèi)對(duì)汽車無級(jí)變速器的研究最早可追述到60年代，清華大學(xué)的宋鏡滾教授對(duì)汽車橡膠帶無級(jí)變速器進(jìn)行了研究，用傳統(tǒng)的Euler理論對(duì)橡膠V帶無級(jí)變速傳動(dòng)進(jìn)行了分析，對(duì)彎曲、拉伸所產(chǎn)生的帶應(yīng)力及應(yīng)力對(duì)帶疲勞壽命的影響進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)措施，以及汽車車速——油門兩參數(shù)匹配控制的簡單原理。80年代中期哈爾濱工業(yè)大學(xué)載人航天器設(shè)計(jì)教研室的楊滌教授在美國作訪問學(xué)者期間，與美國California-Davis大學(xué)的Andrew A. Frank教授合作，從純控制理論的角度，對(duì)CVT非線性動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究。80年代末東北大學(xué)的程乃士教授從德國回國后，開始了CVT鋼帶的試制工作，并應(yīng)用鍵合圖理論，推導(dǎo)了VDT公司P811 變速器液壓控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程，但沒有具體的參數(shù)和仿真結(jié)果。90年代初北京理工大學(xué)的姜正根教授在兵器工業(yè)部的資助下，開展了CVT的研究，在購買了國外的鋼帶后，設(shè)計(jì)制造了簡單的實(shí)驗(yàn)裝置，但由于同為兵器工業(yè)部的長安集團(tuán)對(duì)該項(xiàng)目不認(rèn)可，CVT項(xiàng)目沒有進(jìn)一步的進(jìn)展。清華大學(xué)曾嘗試對(duì)金屬帶CVT進(jìn)行研究，武漢工學(xué)院也試圖對(duì)汽車牽引式CVT進(jìn)行研究。90年代初，華南理工大學(xué)黃向東教授從意大利學(xué)成歸國，在國家自然科學(xué)基金青年基金的資助下，開展了金屬帶CVT的研究，試制了H型金屬鋼帶，對(duì)CVT的匹配控制規(guī)律進(jìn)行了研究，并推導(dǎo)了CVT過渡狀態(tài)的理想調(diào)速率，指出了速比調(diào)節(jié)的方向和速率，該調(diào)節(jié)規(guī)律申請(qǐng)了國家專利。上海交通大學(xué)花家壽教授在上海齒輪箱廠的資助下，以VDT公司的P811樣機(jī)為實(shí)驗(yàn)件搭建了CVT傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。湖南大學(xué)以周云山教授和薛殿倫博士為首的CVT研發(fā)小組，具有多年從事無級(jí)變速器的研究經(jīng)驗(yàn)。多年的潛心研究，消化了國外的先進(jìn)技術(shù)，已經(jīng)掌握無級(jí)變速器與整車的動(dòng)力匹配規(guī)律、速比控制方法、離合器起步過程控制以及液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。總而言之，從國內(nèi)外對(duì) CVT 的研究狀況來看，CVT是一項(xiàng)實(shí)踐性非常強(qiáng)的技術(shù)，國內(nèi)外對(duì)金屬帶CVT的研究方興未艾。 金屬帶式無級(jí)變速器的結(jié)構(gòu)、力學(xué)分析、傳動(dòng)效率等，在國外已研究成熟，國外的研究熱點(diǎn)主要集中在CV T電液控制系統(tǒng)的控制策略上，如CVT電液控制系統(tǒng)的智能PID控制、魯棒控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。金屬帶式無級(jí)變速器的結(jié)構(gòu)、力學(xué)分析、傳動(dòng)效率等研究在國內(nèi)已取得很大的進(jìn)展，但CVT電液控制系統(tǒng)的控制策略、實(shí)驗(yàn)仿真等研究在國內(nèi)剛剛起步。 2、目的、依據(jù)和意義 汽車界對(duì)CVT技術(shù)的研究開發(fā)日益重視，特別是在微型轎車中，CVT被認(rèn)為是最佳的傳動(dòng)裝置。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的不斷應(yīng)用，使得CVT的總體性能比同類的AT更為突出。根據(jù)世界各汽車公司按不同的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CVT進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，CVT與同類四檔自動(dòng)變速器相比：加速性能可提高10%，燃油經(jīng)濟(jì)性提高10%~15%，排放降低10%，平順性更好。 金屬帶式無級(jí)變速器是汽車?yán)硐氲膫鲃?dòng)系統(tǒng)，它可提高汽車的經(jīng)濟(jì)性，改善汽車的動(dòng)力性，便于操作是汽車的核心技術(shù)之一。金屬帶式無級(jí)變速器的結(jié)構(gòu)、變速原理、受力情況等已經(jīng)研究成熟，但國內(nèi)CVT的關(guān)鍵技術(shù)——電液伺服系統(tǒng)控制方法的研究尚處于起步階段，國外研究得也不成熟。目前CVT控制策略的研究是CVT研究的熱點(diǎn)，隨著CVT控制策略研究的深入，金屬帶式無級(jí)變速器國產(chǎn)化的日子指日可待。金屬帶式無級(jí)變速器的試驗(yàn)應(yīng)包括專用臺(tái)架及路況試驗(yàn)，CVT專用臺(tái)架技術(shù)由世界上少數(shù)幾個(gè)大公司壟斷，如ZF公司、Doorne公司等，CVT所有的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)都能在專用臺(tái)架上進(jìn)行，但專用臺(tái)架造價(jià)高，國內(nèi)外研究人員研究CVT的動(dòng)態(tài)特性時(shí)大多在自制的簡易實(shí)驗(yàn)臺(tái)上并配合仿真進(jìn)行。結(jié)合金屬帶式無級(jí)變速器，設(shè)計(jì)金屬帶式無級(jí)變速器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使變速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)迅速、準(zhǔn)確的變速。 此次對(duì)金屬帶式汽車無級(jí)變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的計(jì)，其目的主要有： 一是重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力，使學(xué)生能夠盡快適應(yīng)企業(yè)需求，為企業(yè)挑選優(yōu)秀適用人才提供平臺(tái)； 二是通過設(shè)計(jì)交流創(chuàng)造學(xué)術(shù)競爭氛圍，為師生之間、同學(xué)之間提供良好的交流平臺(tái)，進(jìn)而推動(dòng)學(xué)科建設(shè)的提升； 金屬帶式汽車無級(jí)變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在提高和檢驗(yàn)汽車行業(yè)院校學(xué)生的綜合素質(zhì)，為汽車工業(yè)健康、快速和可持續(xù)發(fā)展積蓄人才,對(duì)增進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研三方的交流與互動(dòng)合作等方面具有十分廣泛的意義。 毫無疑問，對(duì)于對(duì)汽車的了解僅限于書本和個(gè)人駕乘體驗(yàn)的大學(xué)生而言，能夠獨(dú)立的完成金屬帶式汽車無級(jí)變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，是一段非常富有挑戰(zhàn)的過程，同時(shí)也是一段受益頗豐的過程。在大腦一片空白的開始、興奮的初步設(shè)計(jì)、激烈的爭執(zhí)、無可奈何的妥協(xié)、令人抓狂的一次次返工、絞盡腦汁的解決難題之后，設(shè)計(jì)者能獲得的不僅僅是CAD、ANSYS等軟件的熟練運(yùn)用以及對(duì)焊接、定位、機(jī)加工等技術(shù)特征的掌握,更有汽車工程師的基本素養(yǎng)和豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 1、研究的基本內(nèi)容 （1）研究汽車無級(jí)變速器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)； （2）根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)并結(jié)合結(jié)構(gòu)工藝性等要求確定無級(jí)變速器傳動(dòng)方案； （3）根據(jù)無級(jí)變速器傳動(dòng)方案確定無級(jí)變速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)； （4）中間減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)按齒輪受力、轉(zhuǎn)速、噪聲要求等情況選擇齒輪的變位系數(shù)、壓力角、螺旋角、模數(shù)和齒頂高系數(shù)； （5）撰寫設(shè)計(jì)說明書并完成主要總成裝配圖，零件圖。 2、擬解決的主要問題 （1）金屬帶式無級(jí)變速器傳動(dòng)摩擦副的共軛關(guān)系； （2）金屬帶式無級(jí)變速的金屬帶傳動(dòng)的力分析； （3）金屬帶帶環(huán)的應(yīng)力與強(qiáng)度分析，帶輪與摩擦片的接觸強(qiáng)度計(jì)算； （4）直母線錐盤導(dǎo)致的金屬帶偏斜及其影響； （5）金屬帶傳動(dòng)的摩擦因數(shù)和傳動(dòng)效率； （6）金屬帶傳動(dòng)的傳動(dòng)能力和帶輪軸向推力的確定； （7）摩擦傳動(dòng)原理和摩擦因數(shù)； （8）離合器換向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，如倒檔行星機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算。 三、技術(shù)路線（研究方法） 市場調(diào)查，收集資料 理解金屬帶式變速器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 主傳動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)分析 無級(jí)變速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 中間減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校核分析 總體傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)與選擇 繪制總體傳遞動(dòng)力路線圖 繪制裝配圖以及相應(yīng)零件圖 撰寫設(shè)計(jì)說明書，繪制總裝配圖及零件圖 最終形成研究成果 Y N 四、進(jìn)度安排 1、進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，查看相關(guān)資料，對(duì)課題的基本內(nèi)容有一定的認(rèn)識(shí)和了解，并完成開題報(bào)告。第1-2周（2月28日～3月11日） 2、初步確定設(shè)計(jì)的總體方案，討論確定方案；對(duì)無級(jí)變速器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。第3-6周（3月14日～4月8日） 3、提交設(shè)計(jì)草稿，進(jìn)行討論，修定。第7周（4月11日～4月15日） 4、無級(jí)變速機(jī)構(gòu)、中間減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，繪制裝配圖及相應(yīng)零件圖。第8-12周（4月18日～5月20日） 5、提交正式設(shè)計(jì)，教師審核。第13-14周（5月23日～6月3日） 6、按照審核意見進(jìn)行修改。第15周（6月6日～6月10日） 7、整理所有材料，裝訂成冊(cè)，準(zhǔn)備答辯。第16周（6月13日～6月17日） 五、參考文獻(xiàn) [1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:人民交通出版社，2002，(08). 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