新型车用金属带式无级变速器螺旋缠绕钢丝疲劳与磨损失效机理研究

Due to the new metal belt continuously variable transmission (WR-CVT) base theory is lacking, and the steel wire wear and bending fatigue mechanism is unknown. The project focuses on the WR-CVT steel wire wear and bending fatigue mechanism. The research contents: (1) Bending wire rope math model can be develop by differential geometry theory and space coordinate transformation theory, a reasonable description of bearing uneven has been obtained through a analysis of spiral wound wire bending state bearing performance; (2) Through wire rope bending fatigue numerical calculation and experimental analysis under the variable load-ultra high frequency bending limit conditions, achieving wire rope fatigue influence law in multiple stresses, bending frequency, tension and wrap angle, this research can be used to describe the bending fatigue resistance; (3) Through wire rope micro area wear experiment, reveal WR-CVT wire wear failure mechanism, research the wearing capacity of the steel wire, grinding characteristics and the characteristics of wear debris clarify the contact stress by the sliding speed, wire rope spiral angle, wire rope twist sense, load, time, friction coefficient and mapping relations. These studies provide science supporting for development of CVT key components life design theory, and it is important for CVT key technology of the localization of a breakthrough.

鉴于新型金属带式无级变速器（即，WR-CVT）缺少基础理论研究，对其疲劳、磨损失效机理尚不清楚。因此，本项目拟对WR-CVT钢丝弯曲疲劳和几何不连续磨损失效机理等科学问题开展研究，主要包括：（1）采用微分几何理论和空间坐标变换理论构建弯曲钢丝绳数学模型，通过分析钢丝弯曲承载特性，完成钢丝承载均匀性的合理描述；（2）通过对变载荷–超高频次弯曲极限工况条件下钢丝弯曲疲劳数值计算与实验分析，阐明综合应力、弯曲频次、张力和包角等参量对钢丝弯曲疲劳失效的影响规律，实现钢丝弯曲疲劳进程的科学解释和表征；（3）通过钢丝微区磨损实验，揭示WR-CVT钢丝磨损失效机理，澄清接触应力、滑动速度、钢丝绳螺旋角、捻向、载荷、时间、摩擦系数对钢丝磨损量、磨痕特征和磨粒特征的影响规律并建立映射关系。本研究不仅为无级变速器关键部件的寿命设计理论提供科学支持，并且对于实现乘用车无级变速器国产化关键技术的突破具有积极意义。

金属带式无级变速器(MB-CVT)是目前乘用车变速系统应用最为广泛的一种无级变速器，其核心技术被国外少数几家企业垄断。鉴于国内尚未真正解决的金属带批量、可靠制造问题，本研究团队自行设计了钢绳环式无级变速器(WR-CVT)，并获得了专利授权。在国家自然科学基金青年基金的支持下，本项目主要进行了WR-CVT传动原理可行性试验及钢绳环的力学特性研究。主要采用微分几何理论和空间坐标变换理论构建了钢绳环数学模型，并在Pro/E软件中建立了钢绳环几何模型，通过计算分析认为随着钢绳环螺旋缠绕的进行，各个钢丝的空间位置、相位以及是否与金属块圆弧槽接触都将发生变化，最终导致钢丝应力数值也发生变化，但不与圆弧槽接触的截面钢丝应力分布更为均匀，与金属块接触的两根钢丝应力集中明显。本项目还自行设计制造了WR-CVT 试验台，并完成了WR-CVT传动原理可行性试验、传动比和传动效率的测试计算。采用扫描电子显微镜观察了钢丝磨痕、断口和磨屑的微观表面形貌，利用X-射线EDS分析仪分析了钢丝磨痕区材料元素种类与含量，分析认为钢丝的磨损形式主要是磨粒磨损。现阶段的研究对后续钢绳环和金属块的摩擦磨损研究具有一定借鉴意义。.WR-CVT传动方案得到了《Mechanism and Machine Theory》期刊评审的肯定，同时得到了BOSCH集团位于荷兰蒂尔堡CVT总部的认可，但认为MB-CVT经过几十年的发展，在市场上更具备成本优势。本研究团队在研究中还发现了WR-CVT金属块和钢绳环的非连续接触与传统的连续接触在力学特性方面有明显的区别，这在试验中也有体现。关于金属块与钢绳环间的微动磨损和微动疲劳损伤等内容具有很重要的研究价值，开展非连续接触理论的研究无论对WR-CVT的应用或具有非连续接触工况的其他领域的都具有重要的科学意义和广泛的应用前景。