基于實(shí)車路況的膠帶式無(wú)級(jí)變速器調(diào)速特性仿真

廖林清，胡 飛，謝 明，藺朝莉

(1.重慶理工大學(xué) a.汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.重慶汽車學(xué)院，重慶 400054;2.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331)

膠帶式無(wú)級(jí)變速器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量小、可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)改變等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于踏板摩托車、雪橇摩托車中。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)進(jìn)行了大量研究［1-8］，但是對(duì)膠帶式無(wú)級(jí)變速器的研究相對(duì)較少，尤其對(duì)在整車實(shí)際行駛路況、油門開度變化時(shí)，膠帶式無(wú)級(jí)變速器如何調(diào)整速比等問(wèn)題在理論上的研究比較缺乏。

本文在前人建立的膠帶式無(wú)級(jí)變速器雙輪加壓模型［9］的基礎(chǔ)上，研究某型號(hào)雪橇摩托車在冰面行駛路況下膠帶式無(wú)級(jí)變速器在整車上的調(diào)速特性，得到了膠帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比與雪橇摩托車的油門開度、路面坡度的變化關(guān)系。本文固定一系列膠帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比和負(fù)載扭矩的值，通過(guò)理論計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的油門開度和道路坡度值。

1 油門開度的計(jì)算

在雪橇摩托車上，膠帶式無(wú)級(jí)變速器前端與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸相連，后端與減速器相連。通過(guò)膠帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比、傳動(dòng)效率可換算得到雪橇摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩

其中:Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩;T為膠帶式無(wú)級(jí)變速器的負(fù)載扭矩;i為膠帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比;ηcvt為膠帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)效率，一般取值0.8。

前人已繪制出膠帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比、負(fù)載扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速三者的關(guān)系曲面［9］，結(jié)合式(1)，可得膠帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速三者的關(guān)系。在已知某一雪橇摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出扭矩-油門開度圖時(shí)，對(duì)于任何發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出扭矩，運(yùn)用數(shù)學(xué)中的插值法可找到對(duì)應(yīng)的油門開度值，由此計(jì)算出與膠帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比和負(fù)載扭矩相對(duì)應(yīng)的雪橇摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的油門開度值。

1.1 繪制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出扭矩-油門開度圖

繪制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出扭矩-油門開度圖，即繪制發(fā)動(dòng)機(jī)在不同油門開度下的速度特性曲線。本文研究的雪橇摩托車的發(fā)動(dòng)機(jī)為某大排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 某發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

通過(guò)參考有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性曲線的資料［10-11］，用Matlab繪制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門開度-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出扭矩圖，如圖1所示。

圖1 油門開度-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出扭矩圖

1.2 油門開度的確定

通過(guò)Matlab編程交換油門開度-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出扭矩圖的坐標(biāo)順序，把Z坐標(biāo)換為油門開度的值，X、Y坐標(biāo)分別換為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的值，結(jié)果如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出扭矩-油門開度圖

利用膠帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比、膠帶式無(wú)級(jí)變速器的負(fù)載扭矩，通過(guò)式(1)得到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的值，如表2所示。已知膠帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比、負(fù)載扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速三者的關(guān)系曲面［9］，結(jié)合表2得到膠帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速三者的關(guān)系，在已知發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出扭矩時(shí)，用插值法ZI=griddata(x，y，z，XI，YI)進(jìn)行插值，求得對(duì)應(yīng)的油門開度值。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的值 N·m

表3 雪橇摩托車的油門開度值 %

2 坡度的計(jì)算

坡度可通過(guò)雪橇摩托車在冰面上的行駛方程式來(lái)計(jì)算。汽車的行駛方程式為［12］

其中:Ft為雪橇摩托車的驅(qū)動(dòng)力;Fice為雪橇摩托車在冰面上行駛的總阻力。

雪橇摩托車作為在冰雪地區(qū)特殊路況下的專用車輛，極少在其他路面行駛，本文僅考慮雪橇摩托車在冰面上行駛的情況。雪橇摩托車的支撐方式、驅(qū)動(dòng)方式及行駛路況均不同于普通的摩托車、汽車，因可忽略壓實(shí)及推土等效應(yīng)，將雪橇摩托車在冰面上的行駛阻力Fice簡(jiǎn)化為車輛與冰面接觸間的摩擦阻力［13-14］Ffice、空氣阻力 Fw、坡度阻力Fi和加速阻力Fj。

本文研究的雪橇摩托車處于穩(wěn)態(tài)行駛狀態(tài)，加速阻力Fj=0，多余的驅(qū)動(dòng)力全部用來(lái)爬坡，則行駛的總阻力為［11］

其中:μice為冰面與車輛摩擦因數(shù);W為雪橇摩托車車重(kN);α為道路的坡度(°);CD為空氣阻力系數(shù);ua為車速(km/h);A為迎風(fēng)面積(m2)。

對(duì)于雪橇摩托車，車速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為［12］

式中:n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);z為履帶驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù);p為履帶節(jié)距(m);icvt為無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)比;ig為齒輪箱傳動(dòng)比。

雪橇摩托車的驅(qū)動(dòng)力表示為［11］

式中:Re為驅(qū)動(dòng)輪半徑(m)，Re=p/(2×π/z);T為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(N·m);icvt為無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)比;ig為減速箱傳動(dòng)比;η為傳動(dòng)效率。

根據(jù)膠帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比、負(fù)載扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速三者的關(guān)系曲面［9］，以及式(2)～(5)和表4，計(jì)算出不同膠帶式無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)比和負(fù)載扭矩所對(duì)應(yīng)的雪橇摩托車的坡度，采用度數(shù)法表示，如表5所示。

表4 雪橇摩托車主要參數(shù)

表5 雪橇摩托車爬的坡度 (°)

3 基于整車的膠帶式無(wú)級(jí)變速器的調(diào)速特性研究

通過(guò)計(jì)算出的表3和表5的值，建立由油門開度、坡度、傳動(dòng)比三者構(gòu)成的調(diào)速曲面，如圖3所示。

圖3反映了在冰面上行駛的雪橇摩托車，其膠帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比隨油門開度、路面坡度變化的調(diào)速特性。

圖3 膠帶式無(wú)級(jí)變速器調(diào)速曲面

3.1 油門開度對(duì)傳動(dòng)比的影響

坡度不變時(shí)，傳動(dòng)比與油門開度的關(guān)系相當(dāng)于平行于y-z平面的鉛垂面與調(diào)速曲面的交線在y-z平面的投影線，分別取坡度 a=0，a=0.2，a=0.4，a=0.6，a=0.8，a=1，此時(shí)傳動(dòng)比與油門開度的關(guān)系如圖4所示。

圖4 油門開度與傳動(dòng)比的關(guān)系

由圖4可知:

1)在坡度不變時(shí)，傳動(dòng)比隨油門開度的增大而變小，且開始減小得快，后來(lái)減小得平緩。

2)傳動(dòng)比與油門開度的關(guān)系為非線性。

3)坡度越大，傳動(dòng)比隨油門開度的變化越早，圖像變得平緩。

4)坡度不同，傳動(dòng)比為1時(shí)對(duì)應(yīng)的油門開度也不同。

5)當(dāng)坡度為0時(shí)，處于勻速行駛狀態(tài)的雪橇摩托車其傳動(dòng)比隨油門開度的增大而減小，剛好滿足油門增大，車輛需高速行駛的要求。

由圖4可以得出:對(duì)于搭載膠帶式無(wú)級(jí)變速器的雪橇摩托車，其爬坡時(shí)的每個(gè)坡度都對(duì)應(yīng)一個(gè)最小的油門開度，用最小的油門開度爬坡，可以達(dá)到降低油耗的目的，此時(shí)膠帶式無(wú)級(jí)變速器自動(dòng)調(diào)整傳動(dòng)比到最大值3。

3.2 坡度對(duì)傳動(dòng)比的影響

油門開度不變時(shí)，傳動(dòng)比與坡度的關(guān)系，相當(dāng)于平行于x-z平面的鉛垂面與調(diào)速曲面的交線在x-z平面的投影線，分別取油門開度e=0.2，e=0.4，e=0.6，e=0.8，e=1，傳動(dòng)比與坡度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 坡度與傳動(dòng)比的關(guān)系

由圖5可知:

1)當(dāng)油門開度不變時(shí)，傳動(dòng)比隨著坡度的增大而增大。

2010年5月中旬，徐河的公司在挖電纜溝時(shí)塌方，兩名工人被埋身亡，徐河拿出四十萬(wàn)元與死者家屬私了。6月7日，徐河假意對(duì)妻子廉小花說(shuō)：“死者家屬漫天要價(jià)，咱倆只有假離婚，我凈身出戶，咱家才不至于傾家蕩產(chǎn)。”廉小花也替丈夫著急，便同意了，兩人悄悄辦了離婚手續(xù)。徐河將兩套房產(chǎn)歸廉小花名下，并把幾十萬(wàn)元錢的存折交給廉小花，說(shuō)是全部積蓄。

2)傳動(dòng)比與坡度的關(guān)系為非線性。

3)隨著油門開度的增大，傳動(dòng)比隨坡度的變化趨于平緩。

4)在滿足動(dòng)力性的前提下，每一個(gè)油門開度對(duì)應(yīng)車輛能爬坡的最小和最大坡度。油門開度越大，能爬的最小坡度和最大坡度越大。

5)在任一油門開度下爬坡時(shí)，爬其對(duì)應(yīng)的最小坡度時(shí)的傳動(dòng)比為1，爬其對(duì)應(yīng)的最大坡度時(shí)的傳動(dòng)比為3。

3.3 油門開度與坡度的變化關(guān)系

目標(biāo)速比不變時(shí)，油門開度與坡度的關(guān)系，相當(dāng)于用平行于x-y平面的水平面去截取調(diào)速曲面后，所得的交線在x-y平面的投影。分別取i=1，i=1.25，i=1.5，i=2，i=2.5，i=3 時(shí)，油門開度與坡度的關(guān)系如圖6所示。

圖6 坡度與油門開度的關(guān)系

由圖6可得:

1)若要維持傳動(dòng)比不變，隨著坡度增大，油門開度要隨之增大。

2)維持傳動(dòng)比不變，油門開度與所爬坡度的變化呈非線性關(guān)系。低傳動(dòng)比時(shí)的油門開度隨坡度的變化速率快于高傳動(dòng)比時(shí)。

坡度增大，雪橇摩托車的行駛阻力增大，膠帶式無(wú)級(jí)變速器的從動(dòng)輪負(fù)載增加。若要保持無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比不變，則應(yīng)增加膠帶式無(wú)級(jí)變速器的主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，通過(guò)增大油門開度提升轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在前人建立的膠帶式無(wú)級(jí)變速器的雙輪加壓模型基礎(chǔ)上，引入了在冰面行駛的某一型號(hào)雪橇摩托車，研究了膠帶式無(wú)級(jí)變速器的調(diào)速特性，得到了膠帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比隨油門開度和坡度的變化情況，為膠帶式無(wú)級(jí)變速器在車輛上的應(yīng)用研究提供了參考。在雪面上行駛的雪橇摩托車其膠帶式無(wú)級(jí)變速器的調(diào)速特性將是下一步的研究方向。

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