基于实车路况的胶带式无级变速器调速特性仿真

2013-07-06廖林清蔺朝莉

重庆理工大学学报(自然科学) 2013年4期

廖林清，胡飞，谢明，蔺朝莉

(1.重庆理工大学 a.汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室;b.重庆汽车学院，重庆 400054;2.重庆电子工程职业学院，重庆 401331)

胶带式无级变速器由于具有结构简单、质量小、可以实现传动比的连续改变等优点被广泛地应用于踏板摩托车、雪橇摩托车中。目前，国内对无级变速传动进行了大量研究［1-8］，但是对胶带式无级变速器的研究相对较少，尤其对在整车实际行驶路况、油门开度变化时，胶带式无级变速器如何调整速比等问题在理论上的研究比较缺乏。

本文在前人建立的胶带式无级变速器双轮加压模型［9］的基础上，研究某型号雪橇摩托车在冰面行驶路况下胶带式无级变速器在整车上的调速特性，得到了胶带式无级变速器的传动比与雪橇摩托车的油门开度、路面坡度的变化关系。本文固定一系列胶带式无级变速器的传动比和负载扭矩的值，通过理论计算得到对应的油门开度和道路坡度值。

1 油门开度的计算

在雪橇摩托车上，胶带式无级变速器前端与发动机输出轴相连，后端与减速器相连。通过胶带式无级变速器的传动比、传动效率可换算得到雪橇摩托车发动机的输出扭矩

其中:Te为发动机输出扭矩;T为胶带式无级变速器的负载扭矩;i为胶带式无级变速器的传动比;ηcvt为胶带式无级变速器的传动效率，一般取值0.8。

前人已绘制出胶带式无级变速器的传动比、负载扭矩、发动机转速三者的关系曲面［9］，结合式(1)，可得胶带式无级变速器的传动比、发动机输出扭矩、发动机转速三者的关系。在已知某一雪橇摩托车发动机的发动机转速-输出扭矩-油门开度图时，对于任何发动机转速、输出扭矩，运用数学中的插值法可找到对应的油门开度值，由此计算出与胶带式无级变速器的传动比和负载扭矩相对应的雪橇摩托车发动机的油门开度值。

1.1 绘制发动机转速-输出扭矩-油门开度图

绘制发动机转速-输出扭矩-油门开度图，即绘制发动机在不同油门开度下的速度特性曲线。本文研究的雪橇摩托车的发动机为某大排量汽油发动机，其主要参数如表1所示。

表1 某发动机主要参数

通过参考有关发动机速度特性曲线的资料［10-11］，用Matlab绘制发动机的油门开度-发动机转速-输出扭矩图，如图1所示。

图1 油门开度-发动机转速-输出扭矩图

1.2 油门开度的确定

通过Matlab编程交换油门开度-发动机转速-输出扭矩图的坐标顺序，把Z坐标换为油门开度的值，X、Y坐标分别换为发动机转速、发动机输出扭矩的值，结果如图2所示。

图2 发动机转速-输出扭矩-油门开度图

利用胶带式无级变速器的传动比、胶带式无级变速器的负载扭矩，通过式(1)得到发动机输出扭矩的值，如表2所示。已知胶带式无级变速器的传动比、负载扭矩、发动机转速三者的关系曲面［9］，结合表2得到胶带式无级变速器的传动比、发动机输出扭矩、发动机转速三者的关系，在已知发动机转速和输出扭矩时，用插值法ZI=griddata(x，y，z，XI，YI)进行插值，求得对应的油门开度值。计算结果如表3所示。

表2 发动机输出扭矩的值 N·m

表3 雪橇摩托车的油门开度值 %

2 坡度的计算

坡度可通过雪橇摩托车在冰面上的行驶方程式来计算。汽车的行驶方程式为［12］

其中:Ft为雪橇摩托车的驱动力;Fice为雪橇摩托车在冰面上行驶的总阻力。

雪橇摩托车作为在冰雪地区特殊路况下的专用车辆，极少在其他路面行驶，本文仅考虑雪橇摩托车在冰面上行驶的情况。雪橇摩托车的支撑方式、驱动方式及行驶路况均不同于普通的摩托车、汽车，因可忽略压实及推土等效应，将雪橇摩托车在冰面上的行驶阻力Fice简化为车辆与冰面接触间的摩擦阻力［13-14］Ffice、空气阻力 Fw、坡度阻力Fi和加速阻力Fj。

本文研究的雪橇摩托车处于稳态行驶状态，加速阻力Fj=0，多余的驱动力全部用来爬坡，则行驶的总阻力为［11］

其中:μice为冰面与车辆摩擦因数;W为雪橇摩托车车重(kN);α为道路的坡度(°);CD为空气阻力系数;ua为车速(km/h);A为迎风面积(m2)。

对于雪橇摩托车，车速与发动机转速的关系为［12］

式中:n为发动机转速(r/min);z为履带驱动轮齿数;p为履带节距(m);icvt为无级变速器传动比;ig为齿轮箱传动比。

雪橇摩托车的驱动力表示为［11］

式中:Re为驱动轮半径(m)，Re=p/(2×π/z);T为发动机输出转矩(N·m);icvt为无级变速器传动比;ig为减速箱传动比;η为传动效率。

根据胶带式无级变速器的传动比、负载扭矩、发动机转速三者的关系曲面［9］，以及式(2)～(5)和表4，计算出不同胶带式无级变速器传动比和负载扭矩所对应的雪橇摩托车的坡度，采用度数法表示，如表5所示。

表4 雪橇摩托车主要参数

表5 雪橇摩托车爬的坡度 (°)

3 基于整车的胶带式无级变速器的调速特性研究

通过计算出的表3和表5的值，建立由油门开度、坡度、传动比三者构成的调速曲面，如图3所示。

图3反映了在冰面上行驶的雪橇摩托车，其胶带式无级变速器的传动比随油门开度、路面坡度变化的调速特性。

图3 胶带式无级变速器调速曲面

3.1 油门开度对传动比的影响

坡度不变时，传动比与油门开度的关系相当于平行于y-z平面的铅垂面与调速曲面的交线在y-z平面的投影线，分别取坡度 a=0，a=0.2，a=0.4，a=0.6，a=0.8，a=1，此时传动比与油门开度的关系如图4所示。

图4 油门开度与传动比的关系

由图4可知:

1)在坡度不变时，传动比随油门开度的增大而变小，且开始减小得快，后来减小得平缓。

2)传动比与油门开度的关系为非线性。

3)坡度越大，传动比随油门开度的变化越早，图像变得平缓。

4)坡度不同，传动比为1时对应的油门开度也不同。

5)当坡度为0时，处于匀速行驶状态的雪橇摩托车其传动比随油门开度的增大而减小，刚好满足油门增大，车辆需高速行驶的要求。

由图4可以得出:对于搭载胶带式无级变速器的雪橇摩托车，其爬坡时的每个坡度都对应一个最小的油门开度，用最小的油门开度爬坡，可以达到降低油耗的目的，此时胶带式无级变速器自动调整传动比到最大值3。

3.2 坡度对传动比的影响

油门开度不变时，传动比与坡度的关系，相当于平行于x-z平面的铅垂面与调速曲面的交线在x-z平面的投影线，分别取油门开度e=0.2，e=0.4，e=0.6，e=0.8，e=1，传动比与坡度的关系如图5所示。

图5 坡度与传动比的关系

由图5可知:

1)当油门开度不变时，传动比随着坡度的增大而增大。

2010年5月中旬，徐河的公司在挖电缆沟时塌方，两名工人被埋身亡，徐河拿出四十万元与死者家属私了。6月7日，徐河假意对妻子廉小花说：“死者家属漫天要价，咱俩只有假离婚，我净身出户，咱家才不至于倾家荡产。”廉小花也替丈夫着急，便同意了，两人悄悄办了离婚手续。徐河将两套房产归廉小花名下，并把几十万元钱的存折交给廉小花，说是全部积蓄。

2)传动比与坡度的关系为非线性。

3)随着油门开度的增大，传动比随坡度的变化趋于平缓。

4)在满足动力性的前提下，每一个油门开度对应车辆能爬坡的最小和最大坡度。油门开度越大，能爬的最小坡度和最大坡度越大。

5)在任一油门开度下爬坡时，爬其对应的最小坡度时的传动比为1，爬其对应的最大坡度时的传动比为3。

3.3 油门开度与坡度的变化关系

目标速比不变时，油门开度与坡度的关系，相当于用平行于x-y平面的水平面去截取调速曲面后，所得的交线在x-y平面的投影。分别取i=1，i=1.25，i=1.5，i=2，i=2.5，i=3 时，油门开度与坡度的关系如图6所示。

图6 坡度与油门开度的关系

由图6可得:

1)若要维持传动比不变，随着坡度增大，油门开度要随之增大。

2)维持传动比不变，油门开度与所爬坡度的变化呈非线性关系。低传动比时的油门开度随坡度的变化速率快于高传动比时。

坡度增大，雪橇摩托车的行驶阻力增大，胶带式无级变速器的从动轮负载增加。若要保持无级变速器的传动比不变，则应增加胶带式无级变速器的主动轮的转速，通过增大油门开度提升转速。

4 结束语

本文在前人建立的胶带式无级变速器的双轮加压模型基础上，引入了在冰面行驶的某一型号雪橇摩托车，研究了胶带式无级变速器的调速特性，得到了胶带式无级变速器的传动比随油门开度和坡度的变化情况，为胶带式无级变速器在车辆上的应用研究提供了参考。在雪面上行驶的雪橇摩托车其胶带式无级变速器的调速特性将是下一步的研究方向。

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