CVT封闭的2K-H型差动轮系啮合效率分析
2023-11-30
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第2期 2012年2月 文章编号:1001—3997(2012)02—0181—03 机械设计与制造 Machinery Design&Manufacture 181 CVT封闭的2K—H型差动轮系啮合效率分析术 黄云峰 (衢州学院机械工程学院,衢州324000) Meshing efficiency analysis of 2K-H type differential gear train closed by CVT HUANG Yun-feng (School of Mechanical Engineering,Quzhou University,Quzhou 324000,China) 【摘要】针对封闭式无级变速器内部容易发生功率循环而造成效率降低的问题,以输入耦合 cⅥ1(Continu0usly Variable Transmission)传动系统为研究对象,简单地介绍了其基本结构及工作原理, 在无能量损失的理想状态下详细推导了该传动系统实现功率分流的充分条件。其次,在该充分条件下 简化了输入耦合CVT传动系统中起汇流作用的2K—H型差动轮系啮合效率表达式,得到了影响啮合效 率的输入构件结构参数和运动状态等因素,求证了其获得最大值的条件。最后,通过实例验证了所得到 的2K—H型差动轮系啮合效率最大条件的正确性。结果表明,该条件从设计的角度保证了2K—H型差动 轮系啮合效率最大,是一种行之有效的设计方法。 关键词:输入耦合;CVT;功率分流;差动轮系;效率分析 【Abstract】For the problem that power circultiaon and low eficifency easily occur in closed Continu- ously Variable Transmission(CVT),the input—coupled CVT drive system Was taken s tahe object ofstudy, the fundamental structure and workingprinciple ofthe input—-coupled CVT drive system were briely ifntro—- duced.Without loss ofenergy in the input-coupled CVT drive system,the suicifent conditionfor the input- coupled CVT drive system to realize power split Was deduced in detail.Next,under the suicifent condition, the meshing eicifency expressionfor the 2K—H type diferentila gear trin actaing s power c0 uence ian the input—-coupled CVT drive system Was simplfed,and tihe factors reltaed to meshing eicifency of the 2K——H type diferentil gaear train such as the structurla parameter and motion stte oaf input components were obtined.aThe conditions for meshing eicifency of the 2K—H type diferentila gear train to be maxi- mized were demonstrated.Finally,the conditions of maximum meshing eficifencyfor the 2K-H type differ- entila eagr train were veriied by afnalyzing the examples.The resuhs show that the conditions of maximum eshimng eicifency ensure the highest meshing eicifency ofthe 2K-H type diferentila eagr trainfrom the design point ofview. e idea of maximizing the meshing efifciency analysis ofthe 2K—H type diferentila eagr train is an effective desin gapproach.‘ Key words:Input-coupled;CVT;Power split;Differential gear train;Eficiency analysis f中图分类号:TH16,TH132.425文献标识码:A 1引言 输入耦合无级变速器在输入端经输入轴、无级变速单元实 现功率分流㈣,在输出端通过2K—H型差动轮系进行功率汇流, 在一定程度上减轻无级变速单元的负荷,提高变速器传递动力的 择相应的运动参数和结构参数,以便2K—H型差动轮系获得最大 的啮合效率且结构紧凑。 2输入耦合CVT功率分流的充分条件 输入耦合CVT传动系统方框图,如图1所示。动力通过双 能力 。2K—H型差动轮系因其速比范围宽、传递功率大、结构紧 路径传递,减小了各构件的负荷。实现功率汇流的2K—H型差动 凑,在机械传动中被广泛应用 。传动效率是衡量2K—H型差动 轮系,如图2所示。中心轮a的动力来自图1中的 ,内齿轮b的 轮系性能的一个重要指标,传统的效率分析大都是将给定的参数 动力来自图1中的只,汇流后的动力 经行星架h输出。 代入效率计算公式,得出结果 ,没有进一步考虑这些参数对传 动效率的影响。在行星齿轮传动中,主要的功率损失为啮合齿轮 副中的摩擦损失(简称啮合损失)、轴承中摩擦损失和液力损失。 其中与啮合损失相对立的效率称为啮合效率,可以用计算方法求 得;而轴承损失用计算方法求得的结果误差较大,液力损失至今 还没有可使用的计算公式l】31。因此,将从设计的角度研究影响 CV 2K—H型差动轮系啮合效率的结构参数和运动参数,探讨如何选 图中:★来稿13期:2011-04—18★基金项目:衢州市科技计划项目(2010109) 图1输人耦合CVT传动系统方框 级变速单元;FR一定轴轮系;DGT__差动轮系。 182 黄云峰:CVT封闭的2K—H型差动轮系啮合效率分析 第2期 _l—I 行星排特性参数,p= 。 (16) (17) 叩 (18) 式中: —损失系数(包括啮合损失系数和轴承损失系数);p一 根据式(14),式(16)化简得:,7(枞 1一 对于图2所示的差动轮系,则有: h= O)b - ̄ h 图2 2K-H型差动轮系 1 )∞ =xoo+pm = (19)(20) 然而,如果传动系统参数选择不当,其内部将发生功率循环。 一旦循环功率存在,将加大构件的负荷,加剧构件的磨损,并产生 将式(19)和式(20)代人式(17)得: 较大的振动和噪声,严重降低传动系统的性能。因此,对封闭传动 系统应尽量避免内部发生功率循环,保证功率流分流。对于图1, 要实现功率分流,需满足系下列不等式组。0< l-cv一<l (1) r/ ̄oh)t,=t一者‘ 代入式(21)得:叼( 将p= Za(21) 1一 Z Zb× (22) 对于图2所示的差动轮系,则有: 对图2进行分析。假定 、 和 分别表示中心轮o、内齿 轮b、输出轴h受到的外力矩;oc 、OC 和叫h分别表示中心轮o、内 齿轮b、输出轴Jl的角速度;Pd、 和 分别表示中心轮。、内齿轮 b、输出轴h的功率;并假定动力力矩为正,阻力力矩为负,输入功 -o.23× 一1 ) 忽略滚动轴承的摩擦损失,将式(23)代入式(22)得: rod-ro b‰ 石0.23×. 。 _(23) ) (25) × 率为正,输出功率为负;那么2K—H型差动轮系在忽略摩擦损失 和液力损失的情况满足下列两个平衡方程『】4-151。 力矩平衡: 瓦+ 0 能量守恒: 6+Throb=0 (2) (3) 根据图2可得: : 将式(25)代入式(24)得: 联立式(2)和式(3)求解得: = ,孚= (4)(5) :1_0.23 coa-O .)b 等(26) 式(26)表明,2K-H型差动轮系啮合效率与输入构件的结构 于是:鲁= = ( ̄∞Oh "一 ̄∞a )C O=b_ 失,那么: =Vb 根据图1,输入功率 分成 和Pd,因此有: = +Pd(7) 假定无级变速单元CVU和固定速比机构FR没有能量损 (8) (6) 参数和运动状态有关。3.2 2K—H型差动轮系啮合效率最大的条件 +( 2) 2 2w:。 (27) 由式(7)和式(8)得: — ,. -(9) ∞∞(O-h - O Ca)b—b _(i)OC将式(9)代入式(6)得:—PP=_ +(2ctJ。 ) : 的函数得: (28) (1o) 令式(27)等于零,并化简得: ( ) :2( — )z: (29) (11) 由式(1o)得: = t∞6—删a)COb 将式(29)整理成 关于 由式(8)和式(11)得: =几[COh-'O)a)OC—b ∞6—瞄o “,^ (12) =1一引1 Za+ )<l (3o) C t 将式(12)代入式(1)得:0< t,Ob- ̄On, C<1 (13) 同理,令式(28)等于零,并整理成_OCa关于 、 的表达式 对于不等式组式(13),仅就中心轮口、内齿轮6转向同向且 ∞ >O的情形展开讨论。 (1)当 、 同向时,则∞ ,由式(13)得:0<co6<COb<co (14) 得: = 1( zb__+ )<1 不符合初始条件02 M >o。 因此,将式(3O)作为 ( 取得最大值的必要条件。 (31) 和初始条件 和初始条件 >0一致。 >0矛盾。 (2)当∞6、01.^反向时,则o)h<O,由式(13)得OJa'<tOh<0<tO6(15) 另外,考虑到2K-H型差动轮系结构要求紧凑,通常其行星 (32) (33) ≤ 因此,输入耦合cvT机构实现功率分流的充分条件为0<to < 轮的尺寸不超过中心轮的尺寸,即:rob<coⅡ。 联立式(25)和式(32)得: 1 Zo<l 3 2K—H型差动轮系啮合效率分析 3.1 2K—I"1型差动轮系啮合效率表达式 根据饶振纲编著的《行星齿轮传动设计》得:当中心轮o,内 齿轮b为输人构件,行星架h为输出构件,且∞ H型差动轮系的啮合效率为: >O时,2K- 将式(33玳人式(3o 导:当且仅当 = 时: f \: \ 。/一9 (34) 将式(26)整理成关于Cmb的函数得:O No.2 Feb.2012 1一 机械设计与制造 183 人条件满足to。 >to >0的情况下,推导出的2K-H型差动轮系 (35) 啮合效率最大条件的正确性。 1-o_23 毒 将式(35)关于! 求导数得: 5结论 (1)输入耦合CVT传动系统实现功率分流的充分条件为 2K—H型差动轮系中心轮a、内齿轮b和行星架h的角速度满足 堂 :0.23× >0 (36) d(ot=bI)(z0一z斗。 ) 0<to6<to^<toa。 (2)输入耦合CVT传动系统在充分条件下实现功率分流时, 式(36)表明,叼 是关于 ot时,有最大值,即: a 的增函数。因此,当( )“ } 2K—H型差动轮系啮合效率的表达式为: 叼( 1—0・23 X to a-O) b× Zb+Za (竹( )^) : 一 ・ 4 _( 二;=Z_a +i_Z b ( 7) (3)对于2K—H型差动轮系,当动力从中心轮a、内齿轮b输 综上所述,对于图2所示的2K—H型差动轮系,在动力从中 入,行星架 输出,且对应的的转速满足toa Ⅻ >0 ̄oto=心轮。、内齿轮b输入,行星架h输出,且三构件角速度满足to > ∞时,只需在设计上尽可能地满足 : 1争 >0的情况下,当 =1] ̄_to o= 时,则该差动轮系啮答效率 ,j该差动轮系啮合效率 最大。 最大。对于图1所示的HT-CVT传动系统,传动比条件tob: 可 参考文献 以通过CVU和定轴轮系FR的传动比设计来满足,而 = 可 [1]SHEU Kuen—ban,YAN Hong~sen.Dual mode transmission designs for Z6 归结为2K—H型差动轮系的配齿计算。 motorcycles[J].JSME,Series c,2002(45):637-646. 4实例分析 [2]S.Schembfi Volpe,G.Carbone,M.Napolitano,et a1.Design optimization of input and output coupled power split infinitely variable transmissions 对于图1所示的输入耦合cvT传动系统,CVU的传动比 [J]_Journal ofMechaniclaDesign,2009,131(11):1-11. iv=1~2.3,定轴轮系FR的传动比 。=9,2K—H型差动轮系的齿数 [3]李杰,王乐勤.国内基于功率分支技术齿轮箱的发展现状[J].机械传 和钆为依次三组配齿,分析2K—H型差动轮系的啮合效率, 动,2007,31(4):106—110. 如表1所示。 [4]王成,方宗德,张军辉.基于图论的2K-H型周转轮系效率计算的研究 表1 2K—H型差动轮系的配齿 [J].制造业自动化,2007(29)8:15—20. [5]纪传建.差动轮系在扩大无级变速范围中的应用[J].机械设计,2006, 23(1):53—55. [6]HE Yu-peng,ZHAO Sheng—dun,ZOU Jun,et a1.Study of utilizing differentila gear train to achieve hybrid mechanism of mechanical press [J]_Science in China Seires E:Technological Sciences,2007,50(1):69— 由图1和图2可知,.otb: ∈[0.048,0.11],将表1中各组 /'0 8O. 。 数据分别代入2K--H型差动轮系啮合效率计算公式(35),并由 [7]于洋,唐进元,卢延峰.一类封闭式差动轮系传动比及力矩分析[n机 MATLAB绘制效率曲线,如图3所示。 械传动,2008(32)2:30—31. [8]黄宏成,闻居博,徐继财.功率分流无级变速器多种组合传动效率计算 分析[J].机械设计与制造,2010(9):154—156. [9]朱江.对差动轮系效率计算问题的讨论[J].新疆大学学报:自然科学 版,1992(13)2:35—38. [1O]桂乃磐,郭惠昕.2K—H型封闭差动轮系效率算法的比较研究[J].机 械传动,2001(5):29—31. [1 1]刘鹄然,姜琪.2K—H差动轮系效率分析[J].西安交通大学学报,1992 (26)6:95—100. [12]王成,方宗德.2K—H型差动轮系传动效率简化计算的研究[J].北京 2 联合大学学报:自然科学版,2007,21(2):23—26. [13]饶振纲.行星齿轮传动设计[M].北京:化学工业出版社,2003:109. 图3 2K-H型差动轮系啮合效率 [14]VHMucinozLu,JE Smith,MKimcikiewicz,等.汽车采用的无级变 图3表明,在2K—H型差动轮系结构紧凑( ≥ )的前提下, 速功率分流变速器的设计[J].传动技术,2004,18(1):18—25. 配齿中 越接近 ,则在相同的 一条件下,对应的啮合效率越 [15]RUI Xiao-ming,L/Lin,u Xj—mei.Fundamentlas of a power splitting Z L j Ⅲ 大。另外,在每一组配齿中, = =0.11时,其啮合效率最大。 driving chain ofr large wind turbines[C J.Proceedings of the 7th World ∞ Congress on Intelligent Control and Automation,Chongqing,China, 实例分析的结果验证了2K—H型差动轮系在结构紧凑和输 2008:9347-9350.