某車金屬帶式CVT鋼球滑道的設計

摘要：在國內某車金屬帶式無級變速器開發中，介紹如何進行鋼球滑道截面形狀的選取和應力計算，以及鋼球的安裝尺寸確定。通過運用有限元法，計算出鋼球滑道在轉矩和金屬帶夾緊引起的載荷共同作用下的最大擠壓應力；指出鋼球在變速過程中的移動僅是與之相接觸可動輪移動距離的一半，鋼球應滿足最大速比狀態和最小速比狀態時的幾何安裝要求。

關鍵詞：汽車；金屬帶式CVT；鋼球滑道

中圖分類號：U463.212 文獻標志碼：A文章編號：1005-2550（2011）02-0044-04

Designing of Steel-slideway of a Vehicle’s Belt-Drive CVT

ZHANG Jing-feng，FANG Chi，ZENG Jiong-li

（Dongfeng Automobile Co.，Ltd，Wuhan 430056，China）

Abstract：How to select steel-slideway section sharp，and calculate slideway stress and ascertain steel-ball setting dimension in developing a national vehicle’s belt-drive CVT are introduced. By FEA，maximum press stress of the steel-slideway being given rise to both torque and belt clamp force is calculated. By analysis， a theory that steel-ball motion distance in shift process only equals to the traction wheel’s is put out， the steel-ball installation should be fitted with both maximum speed ratio and minimum speed ratio.

Key words：automobile；belt-drive CVT；steel-slide way

汽車采用CVT（無級變速器）能使傳動系與發動機工況最好的匹配， 提高整車的經濟性和動力性，并提高操縱方便性和舒適性，減少汽車的排放。然而CVT的發展經歷了相當漫長的過程，直到20世紀60年代末荷蘭VDT公司的H.Van Doorne博士成功研制出了傳遞容量大、效率高、結構緊湊的金屬帶式CVT，才使CVT的開發突破瓶頸走向成熟［1~3］。國內對CVT的研究工作起步較晚，主要集中在大專院校，尚處在研究開發階段，并多以理論研究為主，取得了一些成果和寶貴數據。但對鋼球滑道傳力構件的研究較少。本文介紹國內某車金屬帶式CVT開發中鋼球滑道截面形狀的選取、鋼球載荷狀態和應力分析，以及鋼球的安裝尺寸確定。

1 鋼球滑道截面形狀的選取

CVT主、從動輪中的可動輪均通過鋼球與相應的軸連接，并通過鋼球進行轉矩的傳遞，結構見圖1。鋼球和滑道間必須有合適的間隙，才能保證轉矩平穩地通過鋼球和滑道傳遞（需要直徑較大的鋼球），又要能保證可動帶輪平滑地軸向滑動（需要直徑較小的鋼球）。因而，合理地選擇鋼球與滑道間的配合精度和滾道截面形狀尤為重要。

如果采用單圓截面滾道，則鋼球定位性差；如果固定帶輪滾道截面采用橢圓形，滑動帶輪軌道采用單圓截面，鋼球與滾道有三點接觸，雖然能被精確地定位在軌道中心，但加工較復雜；而哥特式弧形截面（Gothic Arc），固定帶輪和滑動帶輪各由兩條圓弧組成（如圖2所示）。鋼球與滑道四點接觸，鋼球定位穩定，受載平穩，且便于加工。因此該車的CVT滾道截面采取了這種結構，其CVT截面上有三排滑道，主動輪上每排滑道3個鋼球，從動輪上每排滑道4個鋼球。

2 鋼球受載分析理論

鋼球和滑道間的作用載荷如圖3所示。帶輪通過鋼球傳遞轉矩，鋼球承受由此引起的載荷Ft；油缸壓力提供軸向夾緊力FD（圖中未畫出），使滑動帶輪受到由此引起的垂直錐面的反作用力N，導致鋼球受到不隨軸轉動變化的、位于主從動軸線平面內的徑向作用力Fd 。

假設軸向力在帶輪包角范圍內均勻作用，則：

Fd=tgsin（1）

忽略Ft至軸心的距離與鋼球質心至軸心半徑之差，則：

Ft=Mt（2）

式中：Mt為鋼球滑輪組件所受力矩；R0為鋼球質心至軸心半徑。

因鋼球與滑道為點接觸，相互作用力方向只能沿法線方向，如圖4所示。在轉矩一定時，每排鋼球所受的Ft是穩定的，總是沿著轉動的切線方向，但每排鋼球所受的Fd分量隨轉動位置而變化（其方向不改變，其值時刻發生變化），且三排鋼球所受的Fd分量的相互關系難以確定，這使得精確確定鋼球的接觸力變得困難。文獻［2］利用仿真給出了三排鋼球載荷隨軸轉角變化曲線（如圖5所示）。該文指出三滑道鋼球載荷幅值不等是由于滑道加工誤差造成的。從圖中可以看出滑道A鋼球在轉角120 °時載荷F達到最大，滑道B、C鋼球載荷曲線與滑道A鋼球載荷曲線相位差分別為120 °、240 °。

3 鋼球擠壓應力的有限元計算

該車CVT的鋼球、錐輪組件轉角為零的瞬時位置，通過分析主動輪在速比最大狀態時載荷F最大，以此作有限元分析，其有關數據見表1。

表1 該車CVT主動輪鋼球、錐輪組件有關數據

3.1 建模與加載

圖6（a）為用ANSYS前處理建立的球與滑道的有限元模型（正視圖），所用單元為六面體單元和四面體單元（僅鋼球使用）。為了提高運算速度，對小尺寸、大曲率的鋼球作了剛化處理，這本身與鋼球相對硬度相符合。其它件按各向同性彈性的碳鋼處理。圖中在模型中加入芯軸2是為了加載的需要。構件2和構件1的公用邊界處的節點是融合起來的，這樣兩者就能相互進行力的傳遞。為加載方便，本文采用反構件加載方法，即讓實際的轉動件3不動，讓1和2轉動，所受轉矩同樣反向加載。

圖6 有限元模型

3.2 計算和取值

圖6（b）是計算后整個模型系統的變形情況，從圖上看Fd的作用使構件2和1沿y方向有所移動。為了顯示鋼球的壓應力狀況，直接取鋼球是不行的，原因是鋼球作剛化處理，不便于取值，因此采用反構件取值，取與鋼球相接觸的1構件的單元上節點的應力值，如表2所示。

表2 A、B、C 考察點的應力

上面的取值只是接觸部位的一個點狀態的結果，仍不能排除其它點的值改變上述應力大小順序的可能性，為此將整個模型系統的應力狀況進行顯示，如圖7所示。從圖上的應力色彩可看出，所先取的點很有代表性，它反映了B處鋼球所受擠壓應力最大，C處次之，A處最小。

圖7 擠壓應力分布

4 鋼球的安裝尺寸

確定鋼球安裝尺寸是非常重要的，它與可動輪的最大滑移量及鋼球的運動方式有關。

鋼球在滑道中的運動方式：鋼球與滑動輪接觸點為a、a′，與固定輪接觸點為b、b′，見圖8。假設滑動輪移動距離為x，移動速度為，鋼球上點a、a′具有同樣的移動速度，鋼球上點b、b′ 速度為零，成為瞬時轉動中心，因此鋼球質心速度為，鋼球質心移動距離為x。

圖8 鋼球運動分析

以從動輪為例做安裝要求分析見圖9。滑動帶輪上有內卡環，固定輪軸上有外卡環，鋼球位于兩卡環之間。

圖9 鋼球的安裝尺寸分析

1）最大速比狀態時，兩卡環距離：

Lmin=Zd+c（3）

式中：Z為鋼球數目；d為鋼球直徑；c為鋼球與卡環的間隙值。

2）最小速比狀態時，兩卡環距離：

Lmax=Zd+c+Xmax（4）

Xmax=（Rmax-Rmin）tg（5）

式中：Xmax為可動輪的最大滑移量。

該車設計時滑動輪最大滑移處設有限位結構，有效滑道長度大于Lmax，同時兩卡環的設計滿足鋼球的運動要求，把兩卡環分別設計在固定輪軸和滑動帶輪上。

5 結論

1）鋼球滑道采用哥特式弧形截面（Gothic Arc），鋼球與滑道四點接觸，鋼球定位穩定，受載平穩，且便于加工。

2）建立了鋼球和滑道的有限元分析模型，找出了最大的接觸應力值。

3）鋼球移動距離僅是與之接觸的可動輪移動距離的一半，鋼球應滿足最大速比狀態時和最小速比狀態時的幾何安裝要求。

參考文獻：

［1］ 吉林工業大學汽車系無級變速傳動課題組．轎車金屬帶式無級自動變速的發展現狀與趨勢［M］： 長春：吉林工業大學出版社，1997.

［2］ Makoto Imaida. Development of a Pully System for Belt-Drive CVT Applicable to2.0-Liter Engine Class Vehicle［J］.SAE 9932188.

［3］ 張晶峰．金屬帶式無級變速傳動設計方法的研究［D］．長春：吉林大學，2002.