770Journal of Mechanical Science and Technology (KSME Int. J.),Vol.20, No.6,PP.770—781,2006
2K-HⅠ型差动齿轮的复合无级变速器的设计和性能验证
Yeon-Su Kim*
Small Transit Research Team, Korea Railroad Research Institute, #360-1 Woram一dong, Uiwang一siGyeonggi一do 437-757, Korea
Jae一Min Park
School of Mechanical Engineering, Gangwon Human Resources Development
Institute,
# 165一]，Junghwage一ri, Bukbang一myeon, Hongchun一gun, Gangwon-do,
250-885, Korea Sang-Hoon Choi
School of Mechanical and Aerospace Engineering, Konkuk University, #1 Hwayang一Dong, Gwanglin一Gu, Seoul一City 437-757, Korea
本文定义的复合CVTs（无级变速器）结合功率循环模式下的无级变速器和功率分配模式的无级变速器的约束设计，提出了将2K-H I-型差动齿轮用于连接到V带型CV U（无级变速单元）。设计中受到的限制是需要有必要的和足够的条件以避免复合无级变速器中元素受到的几何干扰，并保证功率循环模式的无级变速器和功率分配模式的无级变速器之间顺利组合。两个汤姆磅无级变速器根据约束设计进行设计和制造。随着这些复合无级变速器的理论分析和性能进行了验证。结果表明，约束设计是有效的，起作用的设计方法，设计的复合无级变速器具有更好的性能。
关键词：复合CVT（无级变速器），差动齿轮，功率循环模式，功率分流模式，约束设计
1．介绍
无级变速器，凭借其出色的动力传动性能和低燃油消耗，可以连续改变它的速比，并且在汽车应用中可以独立地控制发动机转速和车速。虽然许多类型的无级变速单元是可用的，但几乎所有都不具有啮合空档功能，是低效的，并且较传统的齿轮传动寿命较短（Beachley和Frank，1980）。
为了克服与无级变速单元使用相关联的问题，目前正在研究的新型无级变速器，采用常规无级变速单元与差动齿轮组合的方法。组合了无级变速单元和差动齿轮的无级变速器被归类为具有相反特性的功率分流模式和功率循环模式。即功率分流模式有一个紧凑的设计，提高了效率，有更长的寿命，和更宽泛的传输范
围。然而它并没认识到，本身的啮合空档和反向运动功能。另一方面，功率循环模式具有啮合空档和反向运动，向前运动的功能，但效率较低。此外，它不具有一个紧凑的设计，由于其组成部分的高功率传动比，它寿命较短（Macmillan和Davis, 1965;White, 1967;Yu和BeachleY, 1985;Wohl等人，1993;Mucino和Smith, 1994;Morozumi和Kishi, 1997）。Kim和Choi（2000，2002和2004）提出了一些关于功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器的设计，将2K-H Ⅰ型- 2K-H Ⅱ型和K-H Ⅴ型差动齿轮连接于V带式CVU。此外，笔者还开发了理论公式来确定效率功率流以及CVUs的功率传动比，差动齿轮的功率传动比，和功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器的速比（Kim和Choi, 2000, 2002;Choi和Kim,2000;Choi, 2003）。
有许多正在进行的关于复合无级变速器的研究表明，通过结合功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器怎样使其性能得到提升。然而，几乎所有的复合CVTs，应该配备一个额外的链传动或同时用几个CVUs
（Roberts,1984;MaceY,1986;Hanachi, 1990;Morozumi 等人,1992;Kishi等人, 1992）。Kim和Choi最近根据一些研究成果提出了一些将V带式CVU和一个差速齿轮相结合的复合CVT机制，（Kim和Choi, 2000;Choi和Kim, 2000），但无需额外的链传动或CVU（Kim和Choi, 2002a, 2002b;Choi, 2003;Park等人,2004）。
本文件定义的复合CVT（无极变速器）的约束设计通过结合功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器，提出了将2K-H Ⅰ型差动齿轮连接到V带式CVU（无级变速单元）。约束设计是必要的和充分的条件，以避免复合无级变速器的几何元素之间的干扰，并保证功率循环式无级变速器和功率分流式无级变速器之间的顺利装配。两个复合CVT均按照约束设计进行设计和制造。同时，作者核实了约束设计的有效性，并通过理论分析和性能实验验证了所设计的复合无级变速器性能的增强。
2．基本配置
这项研究描述的两种使用三个基本配置的无级变速器的复合CVTs的设计，如图1所示，连接V带式CVU和2K-H I-型差动齿轮。虽然循环循环式无级变速器和功率分流式无级变速器的基本配置具有相同的结构，它们的功率流量因是否有一个惰轮（f）而不同。
图1·复合无级变速器的基本配置的设计
表1和表2给出了决定功率流模式，速比（i），效率（η）和图1中所示的基本配置无级变速单元的输入功率（Pi）的功率传送比（)(PCVU/Pi），差速齿轮的输入功率(Pi)的功率传送比(Pdif/Pi)。公式中，D1和D2是两个柔性皮带轮的有效直径。Za1,Zb1,Ze1,Zg1,Za2,Zb2,Ze2,Zg2和Zf分别是齿轮a1,b1,e1,g1,a2,b2,e2,g2和f的齿数。η0’是各齿轮系的效率相乘得到的无级变速单元的效率。为了计算η0’,作者分别用式(1)来计算图1(a)中有一个惰轮(f)的基本配置,用式(2)来计算图1(b) ,1(c)中没有惰轮(f)的基本配置。式(1)中ηCVU代表V带式CVU的效率；ηa1b1为齿轮a1与b1之间的效率；ηe1f为齿轮e1与f之间的效率；ηfg1为齿轮f与g1之间的效率。式(2)中ηa2b2代表齿轮a2
与b2之间的效率；η和Kim，2000）。
e2g2
代表齿轮e2与g2之间的效率（Kim和Choi，2002；Choi
3．复合CVTs的设计
3.1 V带式CVU
如图2所示，在V带式CVU中，两个柔性皮带轮安装在两根间距一定的轴上
并由橡胶V带带动。如果通过机械连接连接到变速比控制装置的柔性皮带轮之一的回转半径改变，其他皮带轮的回转半径将由螺旋弹簧自动调整，这样就会得到连续变化的速比。作者设计了V带式CVU以获得0.5?2.0范围的一个完整的变速比，279mm的中心距，和两个最大直径为216mm的柔性轮。对于橡胶V带，作者选择美国制（RMA / MPTA2322V421），这种产品有牙形的内侧，它可以承受皮带的轴向力。橡胶V带的宽度为36.5mm，楔角为220o，节距为1069.3 mm。
