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CVT: 引领工程机械技术革命?(一)

发布时间:2014-08-25 09:31:26 来源:中国工程机械品牌网 作者:陈能诵
  【中国工程机械品牌网 报道】在今年的美国工程机械展(CONEXPO 2014)上,卡特彼勒展示了装有无级变速(CVT)传动系统的Cat972M XE装载机,引起行业的广泛关注。国际知名的传动系统供应商也纷纷投入巨资研发并推出相应的产品。CVT技术在汽车领域已经有成熟的应用,由于非道路车辆的作业工况比较复杂,而没有得到推广。随着对节能、减排的日趋重视,节能高效的CVT技术将给工程机械带来一场技术革命吗?对于中国市场而言,还会很远吗?
  非道路机械CVT与汽车CVT技术有什么区别?各自有何特点?
  广西柳工机械股份有限公司首席科学家、中央研究院副院长初长祥:CVT是英文Continuous Variable Transmission的缩写。直译为连续变速或连续换挡,一般翻译为无级变速。
广西柳工机械股份有限公司首席科学家、中央研究院副院长初长祥
广西柳工机械股份有限公司首席科学家、中央研究院副院长初长祥
  无级变速在汽车的传动系统上早有应用。最常见的汽车CVT系统采用带传动,它利用主动-从动皮带轮的节圆直径变化来实现传动比的改变,如下图所示。
无级变速在汽车的传动系统上早有应用。最常见的汽车CVT系统采用带传动,它利用主动-从动皮带轮的节圆直径变化来实现传动比的改变
  图中可以看到,主动和从动可动锥轮的轴向移动可以改变两个皮带轮的节圆直径。需要注意的是,由于皮带的长度和两皮带轮的轴距不可改变,所以当一个皮带轮的节圆直径增加时,另一个皮带轮的节圆直径必须减小以保持皮带紧绷。主动和从动可动锥轮的轴向移动可以通过计算机程序控制和液压执行机构来实现。
  影响带传动CVT性能和可靠性的主要部件是皮带。取代橡胶皮带的金属带更加可靠和高效,常见的金属带结构如下图所示。
常见的金属带结构
  金属带由多种薄带钢组成,这些薄带钢又由高强度、领结形的金属束集而成。金属带不会滑动、承载能力强并且寿命更长,噪音也更低。
  还有一种自动挡汽车系统采用了半环形CVT系统。它用圆盘和动力滚子代替了皮带轮和皮带,其工作原理如下图所示。
其工作原理
  其中输入圆盘连接到发动机飞轮上,相当于驱动皮带轮;输出圆盘连接到输出轴上,相当于从动皮带轮。图中看出,改变动力滚子在输入、输出圆盘之间的位置就相当于改变皮带轮的节圆直径。当动力滚子接触输入圆盘中心处附近时它还接触到输出圆盘的轮缘附近,此时工况为低速行驶(即低速挡);当动力滚子接触输入圆盘的轮缘附近时它还接触到输出圆盘的中心附近,此时工况为高速行驶(即高速挡)。动力滚子的微小倾斜变化都将改变输入圆盘-输出圆盘之间的传动比,即产生无数的“档位”,实现无级变速。
  汽车CVT扩大了功率输出范围,可以提升传动效率。小型汽车的工作载荷平稳,扭矩变化范围小,上述系统可以满足这些需求。重型载重卡车的发动机功率大,载荷变化比较剧烈,上述系统难以胜任,于是就有了液压-机械式CVT系统。
  对于装载机等工程机械来说,它的作业工况比载重卡车更加恶劣和严酷,因此必须采用适应这种工况的无级变速方案,液压-机械式CVT系统就是其中一种。
  液压-机械式CVT系统中,发动机功率分两条支路进入传动系统,一条为机械支路, 另一条为液压支路。行星式传动为实现两条支路的动力输入并且可控提供了较好的方案,单行星排传动的基本方程为:ns+Knr-(1+K)nc=0,式中ns——太阳轮转速;nr——内齿圈转速;nc——行星轮架转速;K(齿数比Zr/Zs)——行星排特征参数。
  这是一个三元一次齐次方程,有3个未知数。只要我们给太阳轮、行星轮架和内齿圈这3个构件中的任意2个以确定的数值,就可以根据方程求出第3个,而那“任意2个”就是物理意义上两种不同形式的动力输入。
  根据工况需要,这种系统可以有三种不同的动力输入模式。低速时动力全部通过液压传输,即静液驱动;高速时动力全部通过机械传输,即机械驱动;介于上述两种工况之间时则采用液压和机械两种方式混合传输动力。通过调节两条支路的功率占比可以最大程度地提升传动系统的效率,并满足各种复杂作业工况的需求。其中液压支路所占的比例越多,整个传动系统的传递的扭矩越大,但效率越低,因此整机作业工况研究和两条支路的功率分配及控制是该系统的两大核心技术。
  卡特彼勒972M XE 装载机就属于液压-机械式CVT系统,它在传动系统的输入端将两个支路耦合,其原理如下图所示。
工作原理
  图中看出,这种传动方案机械支路为太阳轮输入,液压支路为内齿圈输入,两路动力进入行星排耦合后从行星轮架输出。这只是一个原理示意图,如果行星轮架输出的扭矩和转速范围不能满足整机作业需求时,可以在行星排之后连接齿轮副进行调节。
  传统的装载机传动系统依靠液力变矩器来实现无级变速。液力变矩器主要由泵轮、涡轮和导轮组成,发动机的动力经泵轮输入,经涡轮输出,导轮固定不动,工作时变矩器内腔充满传动油,液流在泵轮转动的作用下获得了动能,并冲击涡轮转化为涡轮的动力,同时在固定导轮的反作用下,使涡轮的扭矩得到放大,从而实现系统扭矩的变化。
  液力变矩器也是无级变速的一种,它能够使输出端的扭矩根据载荷的变化自动和连续改变,以适应各种作业工况的需求。近百年的发展历史使得该项技术很成熟,且具有结构简单、可靠和成本低的优点,应用非常广泛。由于液力变矩器依靠流体的动能来传递能量,冲击损失大,传动效率低,这是它最大的缺点。为了提高变矩器自身的效率,人们进行了大量的改进。例如自由导轮技术,涡轮闭锁技术,双泵轮技术和双导轮技术等。特别值得一提的是,一台性能优异的变矩器和发动机必须进行合理的匹配才能组成一台“联合工作的发动机”,这才是真正用在机器上的动力源。
  卡拉罗传动技术有限公司战略市场和产品管理总监Fabio Gallo: 所有CVT概念均是侧重于集中利用内燃发动机的最佳扭矩和消耗。最有效的解决方案就是提供完整的动力传动总成并带有电子控制单元,即发动机+变速箱。
卡拉罗传动技术有限公司战略市场和产品管理总监Fabio Gallo
卡拉罗传动技术有限公司战略市场和产品管理总监Fabio Gallo
  汽车领域的CVT和非公路用车的CVT最主要有两点不同:
  (1)范围。汽车CVT主要目的是提高驾驶舒适性,而非公路用车CVT主要是燃油效率和生产能力的最佳结合。
  (2)结构。汽车CVT最经常用到的是机械式解决方案,即推拉链式。现如今非公路车辆用的CVT主流应用是取代液压功率分流。(未完待续)
    本文属《建设机械技术与管理》独家向中国工程机械品牌网供稿,如需转载请注明来源和作者,违者必究!

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