半环形无级变速器的开发

　　国外轴承科技半环形无级变速器的开发NSK中国技术中心译（NSK中国技术中心，江苏昆山215335）速，依靠两旋转体之间的弹性流体润滑油膜的剪切力来实现动力的传递。针对牵引驱动WT的长寿命要求，试验开发了WT专用钢并对其接触表面进行碳氮共渗，达到了良好的效果。

　　NSK于1978年开始研发牵引驱动半环形CVT（无级变速器）并于1999年11月成功批量应用于日产公爵（Cedric）车和荣御（Gloria）车。本文将总结过去21年研发历程，介绍牵引驱动半环形CVT的技术特点以及它的发展前景。

　　1环形CVT的历史年11月27日申请了美国专利，专利号为197472在这项专利中，圆盘B与圆盘D之间安装了摆动轮E见圆盘B和圆盘D呈球面，改变摆动轮的角度就可以改变两圆盘的相对速度。由于其结构简单，曾尝试使用于工业产品。随着汽车的出现，也曾尝试应用于汽车变速箱，并于20世纪20年代生产、销售了很多样品。曾经制造了一辆采用这种装置且称之为“摩擦驱动”的汽车。然而它并没有在商业上获得成功。1937年dKraus及他的儿子JKraus在美国TEXAS州对安装在一辆85马力的福特车中的牵引驱动CVT进行了试验。那次试验的CVT传动比从265：1到06：1根据测试结果，他们指出，CVT能实现高加速度，高燃油效率以及更清洁的车辆排放。1943年，Wright的CVT.他们进行了许多对比试验和实车试验。K.Krau指出降低动力传递9（2000年10月），原著：町田尚村上保夫点即接触点的自旋，不仅可以增加接触面积，而且可以提高传动效率和耐久性能并减小尺寸。东京大学工业技术研究所M.Ishihara教授指出，CVT燃油效率更高，因此汽车变速箱的发展趋势是采用半环形CVT.吸取石油危机的教训并采纳M.Ishihara教授的建议，NSK于1978年开始与2环形CVT的基本结构21几何特征根据形状可将环形CVT分为2类：环形CVT和半环形CVT.给出一个环形CVT的示例。其几何特征为：连接动力滚子与动力输入圆盘和动力输出圆盘的接触点的直线OO'必须经过动力输入圆盘和动力输出圆盘形成的圆心。因此，动力滚子与动力输入圆盘和动力输出圆盘之间由于传递动力而产生的接触载荷不会作用于动力滚子的支承轴承。另一方面，通过接触点0，0'的切线相互平行，不会相交，接触点上自旋严重。

　　给出了半环形CVT接触部位的几何示意图。通过接触点OO的切线相交于点E当交点E位于旋转轴I上时，接触点O0'的自旋为0.半环形CVT的自旋损失小于给出的环形CVT.这是由于变速器的转速范围内，交点E接近于旋转轴，半环形CVT可以实现无自旋。根据点0的自旋ws为动力输入圆盘动力滚子动力出圆盘半环形CVT的几何示意图为半环形CVT的示意图，其环面为凹球面且圆盘支承轴承必须承受作用在圆盘上的轴向载荷。另外，由于中直线OO不通过球面的圆心，动力滚子轴承必须承受动力滚子所承受的轴向载荷和输入、输出圆盘轴向分力。

　　半环形CVT示意2传动比由得，旋转半径为Ri二动力滚子接触点的旋转半径，mR3为输出圆盘接触点的旋转半径，m；R12为输出/俞入圆盘的主曲率半径，m；为球面直径，m. 23动力传递利用说明动力传递系统。输入轴动力依次传递到加载凸轮，凸轮滚子，输入圆盘，动力滚子，输出圆盘和输出齿轮。由Hertz接触理论，输入圆盘与动力滚子的接触点，即中点O实际上是一个椭圆。长半轴a和短半轴b分别为性模量，nm2；E2为动力滚子材料的弹性模量，Nm2；V1为输入圆盘材料的泊松比；V2为动力滚子材料的泊松比；11为输入圆盘的主曲率半径（中垂直于纸面，m）；12为输入圆盘的主曲率半径（中平行于纸面m），R21为动力滚子的主曲率半径（中垂直于纸面，m）；22动力滚子的主曲率半径（中平行于纸面，m）；m为椭圆积分系数。

　　接触点的平均压力为点O的传递力矩和牵引力为引系数。

　　接触载荷Fc为加载凸轮轴向载荷Fa的分力。轴向载荷Fa正比于输入轴力矩24力平衡方程所示为的A-A剖面图。4个油缸的液压载荷承受作用在耳轴上的牵引力的反作用力。当圆盘和动力滚子之间传递动力时，动力滚子的旋转轴线与圆盘的旋转轴线相交，y轴方向的力平衡方程为半环形CVT剖面图号油缸的液压载荷，Pa；A为油缸面积，m2.液压载荷由外部油泵提供。1 4号油缸和23号油缸由各自的油路连接，由变速器控制阀门控制油压。

　　25变速器控制装置正如前面所描述，控制动力滚子的倾斜角就可以实现半环形CVT的变速。改变动力滚子y轴方向的中心轴方向而在接触区的倾斜方向产生运动矢量，从而改变动力滚子的倾斜角（）。此时，接触区发生侧移产生倾斜载荷。a示出了滚子旋转轴线和圆盘旋转轴线相交时，作用载荷平衡时的动力传递状态。当步进电机控制阀门套筒沿x轴方向移动时，压力Ph和Pl改变，耳轴沿J轴方向移动（相反方向）（b）并且圆盘和动力滚子的接触点也相应改变。经过这一过程，产生了倾斜旋转载荷（c）并且左右耳轴对称倾斜（图倾斜量转变成控制阀槽在x方向上（与套筒同向）的移动。进动凸轮移动阀槽来调整套筒的位移以及改变压力。当达到（16）式所示的力平衡时，停止倾斜量变化（e）因此，只要使控制阀门套筒产生运动即可得到变速所需载荷。采用这种液压伺服机构的关键特征是控制载荷完全不受传递载荷大小的影响。进行实车行驶试验时，采用小型步进电机。

　　26加载凸轮可以采用液压系统和机械系统产生接触载，a，b（c），dlle，半环形CVT变速控制原理荷。液压系统产生的接触载荷取决于传递力矩大小，控制精确且比较简单。但当汽车安装液压系统时，由于空间的限制，液压缸截面有限所以必须提供高压。因此，油泵成本和它的能量损失成为一大难题。为了将半环形CVT应用到汽车中，开发了一种机械系统，该机械系统由锥形压力调节弹簧和加载凸轮组成。所示接触点O和，'作用载荷通过牵引驱动传递。现在，仅考虑点O此点产生的牵引力为由（17）式和（18）式可知，传递输入轴力矩所需的接触载荷为将（2）式代入上式，在变速箱传动比范围内所需的接触载荷为为了在接触点产生接触载荷，可以采用锥形压力调节弹簧和加载凸轮两种轴向载荷生成机构。即使输入轴力矩为0或非常小时，调节锥形弹簧压力确保接触点满足牵引驱动功能所需要的最小接触载荷。当输入轴力矩超过某一确定值即超过锥形压力调节弹簧的适用范围时，加载凸轮开始工作。加载凸轮通过花键和输入轴连接。加载凸轮由输入轴驱动，当凸轮滚子滚过凸轮面时产生轴向载荷。此载荷迫使输入圆盘与动力滚子接触，从而在接触点产生接触载荷。

　　3牵引驱动牵引驱动实现动力传递是依靠两旋转体之间的弹性流体润滑油膜的剪切力来实现的，见。基于Hanrock-Dowson理论可以计算流体油膜厚度。当接触表面压力为Pmax=22GPa表面速度为U=242m/s且油温为120°C时计算得到中心油膜厚度hc大约为0 4接触载荷Fc和切向载荷Tc之间的关系见（13）式。

　　牵引驱动关于牵引载荷产生机理，随着弹流润滑理论的发展，曾尝试许多理论论述。1977年Johnson等人提出一个合理的解释。他们利用润滑油的弹塑性模型阐述了牵引载荷生成机理并把弹流润滑接触面的运动分为3类，即滑动，侧滑和自旋。后续研究中，根据Eyrhg理论，高压下的牵引流体被看成为非线性Maxwell流变学模型。根据试验确认了极限剪切力的存在，得到流体牵引曲线，从而迅速掌握了牵引载荷驱动机理。Tana ka利用这些理论分析了牵引载荷驱动变速器的传动效率。

　　4牵引用润滑油用牵引驱动的特殊合成牵引润滑油。它是一种苯基环炔合成油。它的最大牵引系数为0 095高于环烃油。1987年，日本出光公司的Hata和Aoyama两人使用一种双圆柱滚子试验机，试了40~140°C内各种润滑油的牵引系数，并预测了它们在牵引驱动汽车中的应用。试验结果表明长便甩；艮好的沉氧k.m定性摩擦片系砰* -R的*般精性-适当的《度-K粘迕指ft抵fi流动宵瘴引锕坫的拚农（见）受温度变化影响小，而且在高温下具有高牵引系数的润滑油可应用于汽车。后来，NSK公司的Nalianeda和Achiha开发了一种双圆柱滚子试验机，可以在模拟实车行驶条件下测试润滑油的牵引系数。0给出了一个试验结果。试验结果是在不同自旋速度下得到的。因为目前CVT中仅使用一种润滑油，这种润滑油不仅具有高的牵引系数，还要具有1所示的各种特性。开发CVT适用的牵引润滑油在技术上是一项巨大的挑战。

　　5耐久可靠性2给出了圆盘疲劳试验机的疲劳分析结果。当使用疲劳指数评价疲劳状况时，显而易见，牵引驱动CVT接触表面和内部的疲劳状况非常恶劣。因此，必须采取措施延长重载荷运行条件下牵引驱动CVT零件的滚动接触疲劳寿命，而且需要同时提高耐表面和内部起源型疲劳剥落的能力。

　　3示出了NSK轴承的长寿命化技术。针对内部起源型疲劳剥落，应采用SUJ2EP钢。这种钢的开发理念是降低疲劳剥落可能起源点的非金属夹杂物含量。在SUJ2EP钢的基础上，NSK又开发了CVT专用钢，其中非金属夹杂物的数量、大小和分布受到更严格的控制。4示出了普通纯度的渗碳钢和高纯度的CVT渗碳钢中氧化夹杂物的分布。如图所示，CVT渗碳钢中的夹杂物的数量和尺寸都较小，且其曲线分布区域较小。另一方面，针对表面起源型疲劳剥落，必须降低坚硬异物引起的表面压痕的危害性。差动齿轮箱的润滑油中含有许多坚硬磨粒，最恶劣工况下，滚动疲劳寿命仅为其计算寿命的1/5异物压痕周边凸肩部应力集中是疲劳寿命降低的主要原因。采用TF技术可以降低这样的应力集中。5说明了异物压痕和凸肩部的应力集|更好的表面减少夹杂物高纯度凝量I碳氮“狂夹杂物周边的应力集中r起源1内部起源f疲劳1表面起源型疲措施-工NSKEP钢CVT钢封'完全淬火钢渗碳钢4钢中纯净度的评估结果中程度。应力集中用rA值来表征，它为压痕凸肩部曲率r与压痕半径c之比。它表明r/c值越小，应力集中越严重。6示出了r/c值与残留奥氏体含量之间的关系。从本质上来说，TF技术提高了热处理残留奥氏体含量，从而增加r/c值。7示出了滚动接触疲劳寿命的试验结果。随着残留奥氏体含量的增加，疲劳寿命延长。另外，采用碳氮共渗技术，可以提高残留奥氏体含量，同时又能保证硬度。进一步而言，碳氮共渗过程中采用高纯度的液氮，可以改善高温状态下的耐久性性能从而保证高温高压状态下的长寿命。8给出了牵引表面的耐久性试验结果。1984~1987年，频繁发生疲劳剥落，自1993年采用碳氮共渗CVT钢后，牵引表面的疲劳剥落再没有发生过，实现了长疲劳寿命。

　　8超纯净钢（编辑：温朝杰）