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目 錄 第一章 概論 ..............................................1 1.1 無級變速器的特征和應用 ...............................................................................1 1.2 無級變速器類型 ...............................................................................................1 1.3 機械無級變速器的性能參數(shù) ...........................................................................4 1.4 機械無級變速器的研究現(xiàn)狀 ...........................................................................5 1.5 課題的研究內容和要求 ...................................................................................8 第二章 菱錐式無級變速器工作原理 .........................10 2.1 無級變速器的工作原理 ..................................................................................10 2.2 菱錐無級變速器的結構特點 ..........................................................................12 2.3 菱錐無級變速器的變速原理 ..........................................................................13 第三章 菱錐無級變速器部分零件的設計與計算 ...............17 3.1 電動機的選擇 ..................................................................................................17 3.2 變速器基本型號的確定 ..................................................................................17 3.3 菱錐與主動輪結構尺寸的計算 ......................................................................17 3.4 輸入側加壓裝置 ..............................................................................................18 3.5 輸出側加壓裝置 ..............................................................................................18 3.6 強度校核計算 ..................................................................................................19 3.7 輸入、輸出軸的結構設計 ..............................................................................19 3.8 輸入、輸出軸上軸承的選用 ..........................................................................20 第四章 主要零件的校核 ...................................21 4.1 輸出、輸入軸的校核 ......................................................................................21 4.2 軸承的校核 ......................................................................................................22 總 結 ...................................................23 致 謝 ...................................................24 參考文獻 .................................................25 附 錄 1：英文文獻翻譯及原文 ..............................26 附 錄 2：英文文獻原文 ....................................29 I 摩擦式機械無級變速器結構設計 摘 要 : 機械無級變速器是一種能適應工藝要求多變、工藝流程機械化和自動化發(fā)展以及 改善機械工作性能的一種通用傳動裝置。本文簡要介紹了菱錐式機械無級變速器的基本結 構、設計計算的方法、材質及潤滑等方面的知識，并以此作為本次無級變速器設計的理論 基礎。 本設計采用的是以菱形錐輪作為中間傳動元件，通過改變錐輪的工作半徑來實現(xiàn)輸出 軸轉速連續(xù)變化的菱錐錐輪式無級變速器。本文分析了在傳動過程中變速器的主動輪、菱 錐、和外環(huán)的工作原理和受力關系；詳細推導了實用的菱錐錐輪式無級變速器設計的計算 公式；并針對設計所選擇的參數(shù)進行了具體的設計計算；繪制了所計算的菱錐錐輪式無級 變速器的裝配圖和主要傳動元件的零件圖，將此變速器的結構和工藝等方面的要求表達得 更為清楚。由于機械無級變速器絕大多數(shù)是依靠摩擦傳遞動力，故承受過載和沖擊的能力 差，且不能滿足嚴格的傳動比要求。 這種無級變速器有良好的結構和性能優(yōu)勢，具有很強的實用價值，完全可以作為批量生產 的無級變速器。其主要特點是：1.變速范圍較寬；2.恒功率特性好；3.可以升、降速，正、 反轉。4.運轉平穩(wěn)，抗沖擊能力較強；5.輸出功率較大；6.使用壽命長；7.調速簡單，工 作可靠；8.容易維修。 關鍵詞：機械無級變速器；摩擦式；菱錐錐輪式 II Friction mechanical structure design Abstract: The mechanical variable speed drives is a general purpose gearing which can accommodate the variable requirements of the process planning, mechanization of the schedule drawing ,the development of automation and the improvement of the mechanical working capabilities. The article briefly introduce the basic structure, the way of design and calculation, material and lubricate of the pyramid type variable speed drives, and taking them as the theory basis of the design of mechanical variable speed drives. This design uses the pyramid wheel as the middle transmission component, by changing its’ working radius to realize the continuous change of the output axis. This article analyzes the working theory and the working forces of the drive wheel, pyramid wheel and outer ring during the transmission process. It also deduces the practical calculation formula of the pyramid wheel type variable speed drives, it also goes on the material calculation aim at the selection parameter. It protracts the assemble-drawing of the pyramid wheel type variable speed drives and the accessory- drawing of the mostly drive component. So it can express more clearly of the structure and process planning of the variable speed drives. Since the vast majority of mechanical transmission rely on mechanical friction CVT to transmit power, so it is of poor quality to withstand the impact of overload, and can not fullfil the foot strict transmission ratio. The variable speed drives has good structure and properties, and it can use as batch production. The most specialties: 1 wide range of variable speed;2 the constant output power; 3 it can rotate positively and versedly; 4 stable accuracy of speed; 5 high output power; 6 long life; 7 simply and precise control of speed; 8 easy maintain. Key Words: mechanical variable speed drives, friction type, pyramid type 0 第一章 概論 1.1 無級變速器的特征和應用 機械無級變速器是一種傳動裝置，其功能特征主要是：在輸入轉速不變的 情況下，能實現(xiàn)輸出軸的轉速在一定范圍內連續(xù)變化，以滿足及其或生產系統(tǒng) 在運轉過程中各種不同工況的要求；其結構特征主要是：需由變速傳動機構、 調速機構以及加壓裝置或輸出機構三部分組成。 機械無級變速器的適用范圍廣，有在驅動功率固定的情況下，因工作阻力 變化而需要調節(jié)轉速以產生相應驅動力矩者（如化工行業(yè)中的攪拌機械，即要 求隨著攪拌物料的粘度、阻力增大而能相應的減慢攪拌速度） ；有根據(jù)工況要求 需要調節(jié)速度者（如起重運輸機械要求隨物料及運行去區(qū)段的變化而能相應改 變提升或運行速度，食品機械中的烤干機或制藥機械要求隨著溫度變化而調節(jié) 轉移速度） ；有為獲得恒定的工作速度或張力而需要調節(jié)速度者（如端面切削機 床加工時需保持恒定的切削線速度，電工機械中的繞線機需保持恒定的卷繞速 度，紡織機械中的漿紗機及輕工機械中的薄膜機皆需要調節(jié)轉速以保持有恒定 的張力等） ；有為適應整個系統(tǒng)中各種工況、工位、工序或單元的不同要求而需 協(xié)調運轉速度以及需要配合自動控制者（如各種各樣半自動的生產、操作或裝 配流水線） ；有為探求獲得最佳效果而需變換速度者（如試驗機械或離心機需調 速以獲得最佳效果） ；有為節(jié)約能源而需進行調速者（如風機、水泵等） ；此外， 還有按各種規(guī)律的或不規(guī)律的變化要求而進行速度調節(jié)以及實現(xiàn)自動或程序控 制等。 綜上所述，可以看出采用無級變速器，尤其是配合減速傳動是進一步擴大 其變速范圍與輸出轉矩，能更好地適應各種機械的工況要求，使之效能最佳， 在提高產品的產量與質量，適應產品變換需要節(jié)約能源實現(xiàn)整個系統(tǒng)的機械化、 自動化等各個方面皆具有顯著的效果。故無級變速器目前已成為一種基本的通 用傳動型式，應用于紡織、輕工、食品、包裝、化工、機床、電工、起重運輸、 礦山冶金、工程、農業(yè)、國防、及試驗等各類機械，已開發(fā)有各種類型并已系 列化生產。 1.2 無級變速器類型 為實現(xiàn)無級變速，按傳動方式可采用液體傳動、電力傳動和機械傳動三種 1 方式。 液體傳動 液體傳動分為兩類：一類是液壓式，主要是由泵和馬達組成或者由閥和泵 組成的變速傳動裝置，適用于中小功率傳動。另一類為液力式，采用液力耦合 器或液力矩進行變速傳動，適用于大功率（幾百至幾千千瓦） 。 液體傳動的主 要特點是：調速范圍大，可吸收沖擊和防止過載，傳動效率較高，壽命長，易 于實現(xiàn)自動化：制造精度要求高，價格較貴，輸出特性為恒轉矩，滑動率較大， 運轉時容易發(fā)生漏油。 電力傳動 電力傳動基本上分為三類：一類是電磁滑動式，它是在異步電動機中安裝 一電磁滑差離合器，通過改變其勵磁電流來調速，這屬于一種較為落后的調速 方式。其特點結構簡單，成本低，操作維護方便：滑動最大，效率低，發(fā)熱嚴 重，不適合長期負載運轉，故一般只用于小功率傳動。 二類是直流電動機式， 通過改變磁通或改變電樞電壓實現(xiàn)調速。其特點是調速范圍大，精度也較高， 但設備復雜，成本高，維護困難，一般用于中等功率范圍（幾十至幾百千瓦） ， 現(xiàn)已逐步被交流電動機式替代。 三類是交流電動機式，通過變極、調壓和變頻 進行調速。實際應用最多者為變頻調速，即采用一變幅器獲得變幅電源，然后 驅動電動機變速。其特點是調速性能好、范圍大、效率較高，可自動控制，體 積小，適用功率范圍寬：機械特性在降速段位恒轉矩，低速時效率低且運轉不 夠平穩(wěn)，價格較高，維修需專業(yè)人員。近年來，變頻器作為一種先進、優(yōu)良的 變速裝置迅速發(fā)展，對機械無級變速器產生了一定的沖擊。 機械傳動 機械無級變速器與液力無級變速器和電力無級變速器相比，結構簡單，維 護方便，價格低廉，傳動效率較高，實用性強，傳動平穩(wěn)性好，工作可靠。特 別是某些機械無級變速器在很大范圍內具有恒功率的機械特性（這是電力和液 壓無級調速裝置所難達到的） 。因此，可以實現(xiàn)能適應變工況工作，簡化傳動方 案，節(jié)約能源和減少污染等要求，但不能從零開始變速。機械式無級變速器按 傳動原理一般可分為：摩擦式、帶式、鏈式和脈動式四大類,約 30 種類型。 1．摩擦式 摩擦式無級變速器是指利用主、從動剛性元件(或通過中間元件)在接觸處產 生的摩擦力和潤滑油膜牽引力進行傳動，并可通過改變其接觸處的工作半徑進 行無級變速的一種變速器。摩擦式無級變速器由三部分組成:傳遞運動和動力的 摩擦變速傳動機構;保證產生摩擦力所需的加壓裝置 ;實現(xiàn)變速的調速機構。它具 有各種不同的結構類型，一般可分為： 2 直接傳動式，即主、從動摩擦元件直接接觸傳動； 中間元件式，即主、從動元件通過中間元件進行傳動； 行星傳動式，即中間元件作行星運動的傳動機構。 目前，國內應用較廣或已形成系列進行生產的主要有:錐盤環(huán)盤式、多盤式、 轉環(huán)直動式、鋼球錐輪式、菱錐式、行星錐盤和行星環(huán)錐無級變速器等。 2．鏈傳動式 鏈式無級變速器是一種利用鏈輪和鋼質撓性鏈條作為傳動元件來傳遞運動 和動力的機械變速裝置。它屬于開發(fā)較早、應用較多的一種通用型變速器。 鏈式無級變速器由鏈輪和鏈條構成的傳動機構、調速機構和鏈條張緊加壓 機構三部分組成。它是通過主、從動鏈輪的兩對錐盤的軸向移動實現(xiàn)調速的。 按鏈條結構形式可分為以下幾類:滑片鏈無級變速器、滾柱鏈無級變速器、套環(huán) 鏈無級變速器、擺銷鏈無級變速器等幾種。前兩種變速器發(fā)展比較成熟，應用 廣泛，后兩種變速器體現(xiàn)了鏈式無級變速器的發(fā)展方向。 3．帶傳動式 它與鏈式變速器相似，其變速傳動機構是由作為主、從動帶輪的兩對錐盤 及張緊在其上的傳動帶組成。其工作原理是利用傳動帶左右兩側面與錐盤接觸 所產生的摩擦力進行傳動，并通過改變兩錐盤的軸向距離以調整它們與傳動帶 的接觸位置和工作半徑，從而實現(xiàn)無級變速。它由于具有結構簡單，工作平穩(wěn) 等優(yōu)點，在機械無級變速器中可以說是應用最廣的一種。 帶式無級變速器根據(jù)傳動帶的形狀不同，可分為平帶無級變速器和 V 帶 無級變速器兩種類型。帶式無級變速器結構簡單、承載能力強、變速范圍大、 制造容易、工作平穩(wěn)、易損件少、能吸收振動、噪聲低、節(jié)能環(huán)保、帶的更換 方便，尤其是它克服了以往各類無級變速器傳遞功率較小的缺點 ,可用于需要 中大功率范圍。因而是機械無級變速器中廣泛應用的一種；其缺點是外形尺寸 較大而變速范圍較小。 4．脈動式 脈動式無級變速器主要由傳動機構、輸出機構(超越離合器)和調速機構三 個基本部分組成的低副機構，故具有以下特點：傳動可靠、壽命長、變速范圍 大、調速精度高、最低輸出轉速可為零、調速性能穩(wěn)定、靜止和運動時均可調 速、結構較簡單、制造較容易。但它存在著有待進一步解決的問題，例如：調 速范圍在擴大之后，在結構和使用上如何實現(xiàn)增速變速傳動和采用復合式超越 離合器；高速輸出時不平衡慣性力所引起的振動增大，如何避免共振現(xiàn)象；低 速輸出時脈動不均勻性顯著增加，如何提高單向超越離合器的承載能力和抗沖 擊能力等。國際上，在機械式脈動無級變速器領域，目前以德國、美國和日本 3 的技術水平較高，其成熟技術以德國的 GUSA 型及美國的 ZERO-MAX 型系 列產品為代表。就目前來說，鑒于結構性能上的局限性，現(xiàn)有脈動式無級變速 器主要用于中小功率(18kW 以下)、中低速(輸入 n1=1440r/min，輸出 n2=0- 1000r/min)、降速型以及對輸出軸旋轉均勻性要求不嚴格的場合。例如在熱處理 設備、清洗設備以及化工、醫(yī)藥、塑料、食品和電器裝配運輸線等領域的應用。 1.3 機械無級變速器的性能參數(shù) 機械無級變速器的結構類型比較多，性能的差異也較大，為了能正確判別 變速器的性能特點，現(xiàn)將有關的指標參數(shù)分述如下。 （1）機械特性 是指無級變速器在輸入轉速一定的情況下，其輸出功率 P2或 轉矩 T2隨輸出轉速 n2的變化關系（一般以 P2-n或 T2-n曲線表示） ，也稱為輸出 特性，是衡量變速器的一個重要性能指標。 1）恒功率特性 當輸出轉速 n2變化時，輸出功率 P2保持恒定，輸出轉矩 T2 隨 n2 的降低而增大，或者相反。 2）恒轉矩特性 當輸出轉速 n2變化時，輸出轉矩 T2保持不變。 3）變功率、變轉矩特性 當輸出轉速 n2變化時，輸出功率 P2轉矩 T2按一定規(guī) 律（曲線）變化。 4）組合型特性 當輸出轉速 n2在低速區(qū)段變化時，具有恒轉矩特性，而當 n2 在高區(qū)段變化時，則有恒功率特性。 上述特性是指變速器輸出轉速 n2在規(guī)定的主要變速區(qū)段是具有的機械特性， 而不一定是全部變速區(qū)域，例如在高低速兩端就可能出現(xiàn)其他的變化規(guī)律。另 外，在變功率、變轉矩特性中，輸出轉矩 T2 的最大值不一定對應最低輸出轉速 n2min。 （2）輸入功率 P1與輸入轉速 n1由于受傳動元件的強度所限，目前大部分機械 無級變速器傳遞的功率比較小，一般輸入功率 P1=0.18~7.5kW,h 只有少部分結 構類型達到 P1=75～100kW,個別類型可達 150kW 以上。 機械無級變速器通常由電動機驅動，一般輸入轉速 n1=1500r/min 或 n1=750r/min 或小功率時增高至 n1=3000r/min。個別類型可達 n1=7000r/min。 （3）輸出轉速 n2 一般是指一個變速范圍或區(qū)段，即 n2=n2min～n 2max。此中 還分為升、降速型和降速型以及可反轉或不可反轉等。 （4）傳動比 i21 傳動比（有時也稱為減速比）與齒輪傳動相反，是采用輸出 轉速 n2與輸入轉速 n1之比來計算的，即 4 12ni? 在變速器中，輸出轉速可以降低到零，故能得出傳動比 i21=∞。 （5）變速比 Rb （又稱為調速比）Rb 是變速器輸出軸上最高轉速 n2max 與最低 轉速 n2min 之比值，即 min2axRb? 顯然，Rb 愈大，變速范圍就愈寬，所以，它也是變速器的一個重要性能指標。 （6）滑動率 ε 與脈動度 δ 在利用摩擦傳動的無級變速器中主、從動元件 之間存在滑動，因此導致實際輸出轉速 n2將低于名義轉速 為了判別這一特性，02n 現(xiàn)以名義輸出轉速 與實際輸出轉速 n2只差對名義輸出轉速 之比稱為滑動率02n （又稱為滑差率或轉差率） ，以 ε 表示，即 %1020???? 滑動率 ε 可通過測得的實際轉速 n2算出一般變化范圍為 ε=3%～10%。對于各 種不同的變速器皆有各自的要求和規(guī)定。 對于采用連桿機構傳動的脈動式無級變速器，其輸出軸的轉速是不均勻的。 為了衡量這種不均勻性或波動程度，引用了性能指標參數(shù)脈動度 δ。脈動度用 輸出角速度的變化幅度與平均輸出角速度之比值來表示，即 m2inax2????? 脈動度 δ 的大小隨所采用的連桿機構的結構而定，一般脈動度應為 δ<0.1～0.3。 （7）機械效率 η 機械傳動效率 η 是輸出功率 P2輸入功率 P1之比，屬于通 用的性能指標。但是對于無級變速器給出的機械傳動效率，一般是指其最高的 效率。 綜上所述可以看出，影響機械誤解變速器性能的因素較多，故在選用時應 根據(jù)需要全面考慮。 1.4 機械無級變速器的研究現(xiàn)狀 CVT 變速傳動機構早在 1908 年就已應用于摩托車。1955 年，荷蘭 DAF 公司 首先在汽車上試裝采用“V”型橡膠帶的 CVT。由于結構設計和選材等方面的問 5 題，該傳動機構體積過大，傳動比過小，無法滿足汽車行駛的要求。1972 年 H Van-Doorne 博士成立 Van Doorne’s Transmission B.V 公司，簡稱 VDT 公司， 進行大規(guī)模試驗研究金屬帶式無級變速器。因此，習慣上把這種金屬帶式無級 變速器稱為 VDT-CVT。金屬帶傳動不僅可以實現(xiàn)傳遞功率容量大、效率高，同 時也改變了帶傳動傳遞的傳統(tǒng)原理，將拉式傳動改為推式為主。 由于金屬帶大量生產過程的復雜性，直到 1987 年才實現(xiàn) CVT 商品化。日本 Subaru 汽車廠是首先開始大量生產 CVT 的汽車廠。1987 年 Subaru 將電子控制 的 CVT（P821 型）裝備于 Justy 汽車（發(fā)動機排量 1～1.2 升）上,成功占領了 日本市場。之后,歐洲的 Ford 和 Fiat 把 CVT（機械式，P811 型）裝備于發(fā)動 機排量為 1.1～1.6L 的轎車上，投入市場，受到用戶好評。兩系統(tǒng)主要結構特 點為： 1、P811 以濕式多片離合器為起步裝置，P821 用電磁離合器作起步裝置 2、P811 采用機—液控制系統(tǒng)，P821 采用電—液控制系統(tǒng)。 3、他們都以外嚙合齒輪作為液壓元件，并采用單液壓回路，即主動缸的面積大 于被動缸面積的非對稱結構。 90 年代，VDT 公司在第一代產品生產和使用總結基礎上，開發(fā)第二代產品。 第二代產品主要技術指標較多地超過目前最先進地液力機械自動變速器，具有 更好的經濟性和操縱平順型。并在結構上作了較多改進，如： 1、采用新型金屬傳動帶 2、雙級滾子葉片泵 3、全電子控制系統(tǒng) 目前,金屬帶式無級變速是國外汽車無級變速傳動研究和推廣的重點,世界 主要汽車公司都在研究和開發(fā)金屬帶無級變速系統(tǒng)。1991 年，德國 ZF 公司應 用 VDT 技術開發(fā)了適用于發(fā)動機排量為 1.5～2.5L 前置前驅動轎車的 CVT 系列 產品。1996 年，日本 Honda 公司和荷蘭的 VDT 公司共同研制的新型無級變速器 已裝備在發(fā)動機排量為 1.6L 經濟型轎車 Civic 上。裝備的 CVT 傳動裝置稱為 Honda Multi Matic 其產品與 CVT 的產品有些不同的結構特點，如： 1、起步離合器放到了被動輪的輸出端 2、用了雙壓力回路，于是主動缸面積與被動缸面積可做成相等的對稱結構； 3、增加電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障后的備用液壓回路。 金屬帶式無級變速器由 VDT 公司取得重大突破，所以習慣上又稱為 VDT— CVT，其關鍵部件包括：金屬傳動帶、工作輪、油泵、起步離合器、中間減速機 構以及控制系統(tǒng)組成。 傳動器的主、被動輪由固定和可動的兩部分組成，形成 V 型槽，與金屬帶嚙 6 合。當輸入工作帶輪的可動部分沿軸向外移動，輸出工作輪的可動部分沿軸向 內移動，使得輸入帶輪工作半徑變小，而輸出帶輪半徑變大，輸出與輸入帶輪 的工作半徑之比變大，即傳動比變大，反之，傳動比將變小，工作半徑大小變 化是連續(xù)的。金屬傳動帶有多個金屬片與兩組金屬環(huán)組成。每片金屬片的厚度 為 1.4mm，在兩側工作輪擠壓力作用下傳遞動力。每組金屬環(huán)由數(shù)條厚為 0.18mm 的環(huán)帶疊合而成，金屬環(huán)功用是提供預緊力，在動力傳遞過程中，約束 和引導金屬片的運動，有時承擔部分轉矩傳遞。主從動輪由可動與不動的半錐 輪組成。其工作面大多為直線錐面體。在液壓控制系統(tǒng)作用下，依靠鋼球—滑 道結構作軸向移動，可連續(xù)的改變傳動帶輪工作半徑，實現(xiàn)無級變速傳動。油 泵是為 CVT 傳動系統(tǒng)提供控制、冷卻和潤滑的液壓油源。常用的液壓油泵有兩 種形式，既齒輪泵和葉片泵。為提高液壓油泵的工作效率，在最近開發(fā)的 CVT 傳動器中采用滾子式葉片泵。汽車起步離合器包括濕式多片離合器、電磁離和 器和液力變矩器三種。液力變矩器與 CVT 系統(tǒng)合理匹配，可使汽車以足夠大的 牽引力平順的起步，提高駕駛舒適性。當發(fā)動機轉速高時，閉鎖離合器將泵輪 與渦輪鎖住，成為整機傳動，提高了傳動效率。但成本較高，為降低成本，研 究人員一直在致力于引用電控技術，在電磁離合器或多片濕式離合器上實現(xiàn)液 力變矩器的傳遞特性。由于無級變速機構可提供的傳動比（即速比，輸出帶輪 的工作半徑與輸入帶輪工作半徑之比）范圍為 0.445～2.6 左右,不能完全滿足 整車傳動比變化范圍的要求,因而設有中間減速機構。控制系統(tǒng)是用來實現(xiàn) CVT 系統(tǒng)傳動速比無級自動變化的 VDT-CVT 控制系統(tǒng)，分機—液控制系統(tǒng)和電—液 控制系統(tǒng)。機液控制系統(tǒng)主要有油泵、液壓調節(jié)閥（速比和帶與輪間壓緊力的 調節(jié)） 、傳感器（油門和發(fā)動機轉速）和主、從工作輪的液壓缸及管道組成。日 本的本田公司開發(fā)的 CVT 中，采用是電—液控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以利用電子控制 系統(tǒng)容易實現(xiàn)控制算法的優(yōu)點，對系統(tǒng)進行精確的控制。而采用液壓執(zhí)行機構 可以利用液壓系統(tǒng)反應快的特點。CVT 初期產品多采用機—液控制系統(tǒng)，近期 一般采用電—液控制系統(tǒng)，但電—液控制系統(tǒng)成本高。 ECVT 電子控制系統(tǒng)由電磁控制離合器、電子控制單元、傳感元件、電磁閥組 成。傳感元件包括選檔操縱手柄位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、車速傳感器 和制動踏板位置傳感器等，它們?yōu)榭刂茊卧峁└鞣N與汽車行駛狀態(tài)有關的信 號?？刂茊卧源藶楦鶕?jù)做出判斷，并將控制信號送至電磁閥，控制電磁離合 器和液壓系統(tǒng)的工作。當選檔手柄位于 P、N 之外任一位置時，電子控制單元使 離合器內的金屬粉末磁化，離合器接合，將發(fā)動機的動力平穩(wěn)地傳遞給主動輪。 液壓系統(tǒng)根據(jù)實際需要輸出適當?shù)膲毫刂茙л唭刹糠珠g相對滑移程度，并使 兩帶輪工作直徑的變化趨勢相反，進而改變變速器傳動比。為提高 ECVT 總體工 7 作性能，電磁閥還可調節(jié)液壓系統(tǒng)的線壓力。當變速器的輸出轉矩小于最大轉 矩的 60%時，線壓力降低，帶輪夾緊力相應減小，變速器工作更加平穩(wěn)。反之， 帶輪在高壓作用下夾緊鋼帶，避免鋼速打滑，保證動力傳遞的可靠性。德國 ZF 公司開發(fā)的智能型 ECVT 加大了金屬帶的寬度，它所能傳遞的最大轉矩達 210N?m，可應用在發(fā)動機排量 2.5L 的中型轎車上。它還具有更好的動力性和燃 油經濟性。制造工藝要求較高給 CVT(ECVT)的普及帶來了新的困難。但隨著汽 車制造工業(yè)水平的不斷提高，這一問題將會解決。 1.5 課題的研究內容和要求 本設計采用的是以菱形錐輪作為中間傳動元件，通過改變錐輪的工作半徑 來實現(xiàn)輸出軸轉速連續(xù)變化的菱錐錐輪式無級變速器。本文分析了在傳動過程 中變速器的主動輪、菱錐、和外環(huán)的工作原理和受力關系；詳細推導了實用的 菱錐錐輪式無級變速器設計的計算公式；并針對設計所選擇的參數(shù)進行了具體 的設計計算；繪制了所計算的菱錐錐輪式無級變速器的裝配圖和主要傳動元件 的零件圖，將此變速器的結構和工藝等方面的要求表達得更為清楚。 目前，工業(yè)自動化的不斷提高和無級變速器的廣泛應用也對它提出了更高 的要求。機械式無級變速器主要特點是結構簡單，價格低廉；轉速穩(wěn)定，滑動 率小；工作可靠，具有恒功率機械特性和較高的傳動效率；維修方便；適用于 條件惡劣的應用工況。但零部件加工及潤滑要求較高，承載能力低，抗過載及 耐沖擊性能較差，故一般適合于中小功率傳動。與齒輪變速箱調速相比，只適 用于小功率調速系統(tǒng)。摩擦式由于主要依靠摩擦而使機械效率較低；帶式和鏈 式由于制造成本和尺寸較大所以變速范圍較?。幻}動式由于結構問題依然存在 速度脈動。 由于機械無級變速器自身的特點已不能完全適應各種機械的工況要求，隨 著科學技術的飛速發(fā)展，又出現(xiàn)了電力調速技術和液壓調速技術。在電力調速 技術中，由于直流調速技術的設備復雜，成本高，維護困難等不足，促使人們 尋求一種更為先進的調速方式，即交流調速技術的研發(fā)已逐步取代了直流調速 技術的使用。交流電動機雖然有很多優(yōu)點，但其最大的缺點是調速困難。 隨著社會化大生產的發(fā)展，生產制造技術的日益復雜，對生產工藝的要求 進一步提高，這就要求生產機械能夠在工作速度、定位精度、快速啟動和制動、 控制靈活性和自動化水平等方面達到更高水平，力求既能夠具有良好的驅動性 能，使執(zhí)行機構工作最優(yōu)化，同時也能夠把人們從繁重的體力勞動中解放出來。 因此，人們努力尋找解決交流電動機調速難的問題，從而出現(xiàn)了更先進的變頻 8 調速、伺服控制調速等新技術。交流變頻調速的理論基礎是壓頻比一定的變頻 調速方法。目前變頻調速控制器主要采用以下控制結構:交一交變頻和交一直一 交變頻，變頻控制可分為兩類:脈沖幅值調節(jié)方式(PAM)和脈寬調制方式(PWN)， 后一種是目前變頻控制中應用最多的一種方式。這兩種控制方式基本上是基于 異步電動機靜態(tài)數(shù)學模型的基礎，其運行動態(tài)性能指標不高，只能適用于一般 工況，對于動態(tài)性能要求提高的應用場合又出現(xiàn)了交流矢量控制技術。近十年 來，除交流變頻調速外，交流伺服控制異軍突起，其應用已日益廣泛。由于伺 服系統(tǒng)在矢量控制的基礎上，通過電動機上的轉子位置檢測元件，對轉子位置 進行動態(tài)監(jiān)控，使得整個系統(tǒng)具有非常高的動態(tài)響應特性，其調速范圍、輸出 力矩等均大大優(yōu)于普通變頻系統(tǒng)。交流伺服調速方式是當今最為先進的無級變 速技術，其公認的優(yōu)點使其必將成為日后調速控制的主要手段。隨著其控制性 能的日益完善，特別是信息技術等諸多功能的開發(fā)順應了傳動系統(tǒng)控制自動化 的歷史潮流，因此它必將成為未來調速技術的主流。在不斷追求更先進、更高 效的新型調速技術的同時，需要注意其性能價格比問題。因此，機械調速技術 在一些簡單的、要求不高的單機、手動調速工況中仍占有一席之地。所以未來 的機械式無級變速器要求能夠高效地傳遞功率，有較大的變速范圍，調速性能 穩(wěn)定且運行平穩(wěn)。采用齒輪嚙合或桿件組合實現(xiàn)無級變速是機械式無級變速器 今后發(fā)展的一個方向，因為這種類型的無級變速器可以實現(xiàn)無摩擦，高效地傳 遞大功率，變速平穩(wěn)，壽命長，變速范圍大且結構簡單，制造容易。 課題研究的內容：機械菱錐式無級變速器結構的設計；無級變速器變速器 的結構設計與計算；對關鍵部件進行強度和壽命校核 設計要求：輸入功率 P=2.2kw，輸入轉速 n=1500r/min，調速范圍 Rb=6； 結構設計時應使制造成本盡可能低；安裝拆卸要方便；外觀要勻稱，美觀；調 速要靈活，調速過程中不能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，能實現(xiàn)動態(tài)無級調速；關鍵部件滿 足強度和壽命要求；畫零件圖和裝配圖。 9 第二章 菱錐式無級變速器工作原理 2.1 無級變速器的工作原理 無級變速器(CVT：Continuous Variable Transmission)與有級式的主要區(qū)別 在于：它的速比不是間斷的，而是一系列連續(xù)的值，譬如可以從 3.455 一直變 化到 0.85。CVT 結構比傳統(tǒng)自動變速器簡單，體積更小，它既沒有手動變速器 的眾多齒輪副，也沒有自動變速器復雜的行星齒輪組，它主要靠主、從動輪和 金屬帶或滾輪轉盤來實現(xiàn)速比的無級變化。 其原理是與普通的變速箱一樣大小不一的幾組齒輪在操控下有分有合，形 成不同的速比，像自行車的踏板經大小輪盤與鏈條帶動車輪以不同的速度旋轉。 由于不同的力度對各組齒輪產生的推力大小不一，致使變速箱輸出的轉速也隨 之變化，從而實現(xiàn)不分檔次的徐緩轉動。 CVT 采用傳動帶和可變槽寬的棘輪進行動力傳遞，即當棘輪變化槽寬肘， 相應改變驅動輪與從動輪上傳動帶的接觸半徑進行變速，傳動帶一般用橡膠帶、 金屬帶和金屬鏈等。CVT 是真正無級化了，它的優(yōu)點是重量輕，體積小，零件 少，與 AT 比較具有較高的運行效率，油耗較低。但 CVT 的缺點也是明顯的， 就是傳動帶很容易損壞，不能承受較大的載荷，只能限用于在 1 升排量左右的 低功率和低扭矩汽車，因此在自動變速器占有率約 4 以下。近年來經過各大汽 車公司的大力研究，情況有所改善。CVT 將是自動變速箱的發(fā)展方向。 國內目前有多款車型裝備了 CVT，如東風日產天籟、軒逸、奇駿等全系列 車型，一汽大眾奧迪，廣汽本田飛度，南汽菲亞特西耶那、帕力奧，奇瑞旗云 等。 CVT 的工作原理 CVT (Continuously Variable Transmission) 即無級變速器，是能在保持發(fā)動 機的低油耗和低轉速的同時連續(xù)無級改變速比的變速器。 10 CVT 技術目前只能用在小排量汽車上的，而各個汽車廠商針對 CVT 都有 了不同的叫法，當然也會根據(jù)他們自己情況作出改動啦，比如本田就叫 eCVT，而日產日產則稱為 Hyper CVT。 人們平時乘車時所關心的是油耗、動力以及車的駕駛性能。但是對發(fā)動機 來說，油耗、動力、駕駛性能有其各自最佳轉數(shù)范圍。發(fā)動機的最佳運轉試范 圍是扭矩曲線的峰值部分，通常也是指發(fā)動機的高速領域。但另一方面，油耗 也是有其最佳 圍的。不知大家是否聽說過"合理油耗駕駛 "一詞。當車在高速路 上以時速 80km 行駛時并且發(fā)動機轉速保持在 2500 轉左右，半油門狀態(tài)時， 即維持了最小限度的馬力又不浪費汽油的高效率發(fā)揮，此時發(fā)動機處於最佳運 轉狀態(tài)。如果以此狀態(tài)在一般路面上行駛的油耗也能令人滿意，但是，對於裝 配了只有 4、5 檔變速器的汽車來說，這是相當困難的問題。解決此問題的最好 方式就是使用 CVT (無級變速器) 。CVT 可以在維持最佳油耗下的發(fā)動機轉速 的同時實現(xiàn)無變檔的連續(xù)變速。而且，CVT 在提高發(fā)動機的轉數(shù)達到發(fā)揮最佳 功率的 圍時，可以選擇全功率狀態(tài)下的行駛。普通車在傾斜路面上行駛，會發(fā) 生 3 檔時發(fā)動機轉數(shù)過高，4 檔時馬力不足的尷尬局面。而自動變速的車輛， 變速箱會在 3 檔 4 檔之間往返，車子的變速處於不穩(wěn)定的狀態(tài)。安裝了 CVT 的 話，在保持發(fā)動機的最佳動力領域的同時可實現(xiàn)無級變速，使駕駛者能夠真正 享受輕松駕駛的感受。 只有在提高發(fā)動機動力的情況下，才能夠實現(xiàn)全動 力的駕駛。例如在盤山路上，就會出現(xiàn)用 3 檔發(fā)動機轉數(shù)過高，用 4 檔動力不 足的現(xiàn)象。這就是使用自動變速器 (AT) 的車輛自動改變檔位而處於不穩(wěn)定的 狀態(tài)。CVT 可以在保持發(fā)動機輸出動力的整個范圍內實現(xiàn)動力的無級傳遞，從 而實現(xiàn)順暢駕駛。 通常的自動變速器是有檔變速，通過幾個齒輪來決定變速比。CVT 是通過 改變 2 個滑輪的槽的寬度而實現(xiàn)變速比的無級次改變，從而可以按駕駛的狀況 得到最佳驅動力。通常這 2 個滑輪受到的力量非常大，通過改變 2 個滑輪的槽 的寬度，使加在滑輪上的鋼帶的輸入軸/輸出軸的各直徑間實現(xiàn)無級連續(xù)變化， 按各種狀況選擇最佳的變速比行駛，就像帶有變速器的自行車的齒輪變成無級 變速齒輪一樣。由於是無級變速，在換檔時完全沒有變速的沖擊，行駛非常平 穩(wěn)。通常的 4 檔 AT 轎車是將 4 個檔的齒輪按行駛狀態(tài)進行變速。而 CVT 是無 級變速，所以不會出現(xiàn)上坡時檔位在 3 檔、4 檔之間來回變化的情況。這種無 齒的變速器，實現(xiàn)了扭矩的零損失傳遞，可實現(xiàn)平穩(wěn)有力的行駛，對於汽車工 業(yè)是一個巨大的貢獻。 全電子控制提高了駕駛性能并同時降低了油耗。一般 CVT 的變速控制、油 壓控制、固定控制全部由電子控制，從而實現(xiàn)了按駕駛情況選擇速比的最佳選 11 擇。 由於傳統(tǒng)的 CVT 采用的是沒有增大扭矩作用的電磁離合器，在起步 時缺乏強有力的扭矩，所以起步加速性較差。CVT 采用了液壓變矩器，其增加 扭矩的作用使起步加速性能有很大的提高。液壓變矩器的超低扭力使傳統(tǒng) CVT 所不擅長的斜坡起步、倒車入庫等性能也得到了提高。 它的內部并沒有傳統(tǒng)變速箱的齒輪傳動結構，而是以兩個可改變直徑的傳 動輪，中間套上傳動帶來傳動?；驹硎菍鲃訋啥死@在一個錐形帶輪上， 帶輪的外徑大小靠油壓大小進行無級的變化。起步時，主動帶輪直徑變?yōu)樽畲?直徑，而被動帶輪變?yōu)樽钚?，實現(xiàn)較高的傳動比。隨著車速的增加和各個傳感 器信號的變化，電腦控制系統(tǒng)來斷定控制兩個帶輪的控制油壓，最終改變帶輪 直徑的連續(xù)變化，從而在整個變速過程中達到無級變速。 而錐形帶輪之間的傳動帶，在過去的一段時間，由于材質的原因，所受的 拉力有限，所能承受的扭矩有限，只能用在摩托車式小排量車上。近些年來， 隨著材料技術、加工工藝的不斷提高，生產出特殊材料制造的剛制傳動帶和錐 型帶輪。徹底實現(xiàn)了大功率、大扭矩轎車的要求。 CVT 最大的特點是無級控制輸出的速比，在行駛中達到行云流水的感覺， 從而沒有了換檔的感覺。乘員感覺不到換檔沖擊，動力銜接連貫。這樣 CVT 在 行駛時增加了舒適性，加速也會比自動變速器快。 CVT 系統(tǒng)主要包括主動輪組、從動輪組、金屬帶和液壓泵等基本部件。金 屬帶由兩束金屬環(huán)和幾百個金屬片構成。主動輪組和從動輪組都由可動盤和固 定盤組成，與油缸靠近的一側帶輪可以在軸上滑動，另一側則固定?？蓜颖P與 固定盤都是錐面結構，它們的錐面形成 V 型槽來與 V 型金屬傳動帶嚙合。發(fā)動 機輸出軸輸出的動力首先傳遞到 CVT 的主動輪，然后通過 V 型傳動帶傳遞到 從動輪，最后經減速器、差速器傳遞給車輪來驅動汽車。工作時通過主動輪與 從動輪的可動盤作軸向移動來改變主動輪、從動輪錐面與 V 型傳動帶嚙合的工 作半徑，從而改變傳動比?？蓜颖P的軸向移動量是由駕駛者根據(jù)需要通過控制 系統(tǒng)調節(jié)主動輪、從動輪液壓泵油缸壓力來實現(xiàn)的。由于主動輪和從動輪的工 作半徑可以實現(xiàn)連續(xù)調節(jié)，從而實現(xiàn)了無級變速。 在金屬帶式無級變速器的液壓系統(tǒng)中，從動油缸的作用是控制金屬帶的張 緊力，以保證來自發(fā)動機的動力高效、可靠的傳遞。主動油缸控制主動錐輪的 位置沿軸向移動，在主動輪組金屬帶沿 V 型槽移動，由于金屬帶的長度不變， 在從動輪組上金屬帶沿 V 型槽向相反的方向變化。金屬帶在主動輪組和從動輪 組上的回轉半徑發(fā)生變化，實現(xiàn)速比的連續(xù)變化。 汽車開始起步時，主動輪的工作半徑較小，變速器可以獲得較大的傳動比， 從而保證驅動橋能夠有足夠的扭矩來保證汽車有較高的加速度。隨著車速的增 12 加，主動輪的工作半徑逐漸減小，從動輪的工作半徑相應增大，CVT 的傳動比 下降，使得汽車能夠以更高的速度行駛。 2.2 菱錐無級變速器的結構特點 菱錐變速器的輸入軸與輸出軸位于同一軸線上，采用了中間體并列分流的 傳動結構，因而結構緊湊、體積小、單位體積的承載能力大。 菱錐的形狀是對稱的，兩側椎體的接觸母線 A 和 B 平行，而且相對于輸入 和輸出軸傾斜安裝。因為來菱錐與主動輪和外環(huán)的連線在變速及運轉過程中始 終與母線 A、B 垂直，所以主動輪和外環(huán)作用在菱錐上的壓緊力 1Q、 2互相抵 消，菱錐及其心軸不受彎曲力矩作用。這樣，菱錐心軸和菱錐之間的滾針軸承 幾乎沒有磨擦損失。圖 3-51 是菱錐裝在支架上的情況。 菱錐母線與水平軸線之間的交角 ?很小，通常取 ?= 07，因輸入和輸出軸 的軸承上受到的軸向力很小，僅為法向總壓緊力的 1/8,因此，傳遞大功率時軸 承負載不嚴重。 采用了兩套鋼球 V 形槽自動加壓裝置，保證了傳動件不會受到不必要的、 過大的預壓緊力，為提高傳動效率與壽命有利。由于加壓裝置的槽升角較大 （輸入側 1?= o25、輸出側 o152??） ，而摩擦副處所需的軸向壓緊力又較小，因 此加壓裝置的動作特別靈敏，抗沖擊能力也較強。 由于結構對稱，變速器可以正反轉。 它靠散熱片散熱降溫，并提高殼體剛性。目前，國外生產的中小型菱錐無 級變速器（10kW）是與電動機直接聯(lián)接的，傳動部分靠飛濺潤滑；而較大功率 者（10kW 以上）則有風扇冷卻，并用油泵進行強迫潤滑。油泵的排油端裝有高 靈敏度流量開關，當排油量下降時，它立即使主電機停止。為了適應大起動轉 矩和沖壓負載的條件，在電機與變速器之間裝有磁粉離合器。菱錐變速器的安 裝形式有立式和臥式兩種，可根據(jù)需要選用。 13 2.3 菱錐無級變速器的變速原理 ω3 P3 T3 T 3 P3 0 2 r23 r21 δ δb L H (b) (a) α β d1 d3 d 2 1 3 r23 r21 r23 r21ω1 ω3 O2 O2 O2 ω2 T3 P3 ω2 圖 2-1 菱錐式無級變速器原理 圖 2-1 為一種型式的菱錐式無級變速器。輸入軸 1 的轉速為 ω 1，菱錐 2 被 壓緊在輸入與輸出軸端部的環(huán)狀空間之間，菱錐 2 的軸線與輸入軸 1 的軸線之 間的夾角為 α，菱錐 2 繞自身的軸線轉動，菱錐 2 的水平位置由位置調節(jié)機構 進行調節(jié)。設菱錐 2 與輸入軸環(huán)的接觸點到輸入軸線的距離為 0.5d1，菱錐 2 的 接觸半徑為 r21；菱錐 2 與輸出環(huán)的接觸點到輸出軸線的距離為 0.5d3，菱錐 2 的接觸半徑為 r23。由圖 12.13(b)的尺寸關系得 r21、r 23的函數(shù)式分別為 r21＝(L－b－H)tanδ，r 23＝btanδ，L、H 為結構常數(shù)，b 為自變量。設菱錐 2 作無相對滑動的相對滾動，菱錐 2 與輸入軸環(huán)之間的速度關系為 0.5d1 ω 1＝ω 2 r21，菱錐 2 與輸出環(huán)之間的速度關系為 0.5d3 ω 3＝ω 2 r23，則輸出 軸 3 的轉速 ω 3與傳動比 i13分別為 )6(])/[()/()( 31212 ????????? dbLdbd?? 17)/ 3313 HLi 當菱錐 2 在水平方向移動（在垂直方向也產生附加的移動）時，輸出軸的轉速 得到調節(jié)。該種無級變速器傳遞的功率可達 37 KW，機械效率為 0.8～0.93，傳 動比在 0.8～7 之間。設 P3、T 3分別表示輸出軸 3 的功率與轉矩，則菱錐式無級 變速器的機械特征如圖 12.14 所示。 圖 2-2 為菱錐在支架上的分布；圖 2-3 示為菱錐無級變速器的兩種結構， 14 變速器的主要元件是主動輪 3、菱錐 4 和外環(huán) 8。菱錐一般為 3～8 個圓周方向 均布支撐在支架 11 上。鋼球 V 形槽加壓裝置 2 的加壓盤用鍵聯(lián)接在輸入軸 1 上， 而主動輪 3 則滑套在軸 1 上，輪 3 在加壓裝置的作用下以適當?shù)膲毫εc菱錐接 觸，菱錐 4 又始終與外環(huán) 8 保持接觸。外環(huán) 8 與從動輪 6 之間也是用鋼球 V 形 槽式加壓裝置聯(lián)接的。因此，動力由軸 1 輸入經自動加壓裝置 2 傳給 3，再依 靠摩擦力的作用，經菱錐 4、外環(huán) 8、輸出側加壓裝置 7 和從動輪 6 而傳遞到輸 出軸 5 上。 由于菱錐變速器是升、降變速型的，所以采用了兩套自動加壓裝置，各傳 動副之間的壓緊力是與負載成正比變化的，因而不會打滑。啟動時的壓緊力是 由預壓彈簧提供的。 15 圖 2-2 無級變速機的兩種結構 調速時，滑動齒輪（螺桿）10，通過支架 11 上的齒條（螺母）使支架 11 作水平軸向移動，而菱錐 4 則在隨支架作水平移動的同時，還自動地沿菱錐心 軸作相對滑動，使菱錐兩側椎體的工作直徑發(fā)生變化，從而實現(xiàn)無級調速。圖 2-4 是輸出轉速最低和最高時，菱錐與主、從動輪的相對位置。調速是在運動 過程中進行的。 圖 2-3 高低速輸出軸 16 第三章 菱錐無級變速器部分零件的設計與計算 要求：輸入功率 P1=2.2 kW； 同步轉速 n=1500r/min; 調速范圍 Rn=6（升 1.55 降 3.87） 。 3.1 電動機的選擇 按工作要求和工作條件，選用一般用途的 Y100L1-4 系列籠型三相異步電動機。 表 3-1 裝置的運動和動力參數(shù) 電動機型號 額定功率 /KW 滿載轉速 r/min 堵轉 轉 矩 額定 轉 矩 最大 轉 矩 額定 轉 矩 質量/Kg Y100L1-4 2.2 1430 2.2 2.3 34 3.2 變速器基本型號的確定 輸入轉速 n 1 =1430 r/min 輸出轉速 n 2 = n1×1.55~ n1×1/3.87=370~2217 r/min 變速器型號根據(jù)［2］P67 表 25.2-27 選擇型號 K2.5。 17 3.3 菱錐與主動輪結構尺寸的計算 菱錐個數(shù) 由［1］表 25·2-30 z=6； 菱錐心軸傾斜角 由［1］表 25·2-30 α=45°； 菱錐母線與水平線夾角 由［1］表 25·2-30 β=7°； 錐頂半角 θ=α－β=45－7=38°； 菱錐的工作高度 由［1］表 25·2-30 h=45mm； 菱錐與錐輪接觸寬度 由［1］表 25·2-30 b=2mm； 主動輪工作直徑 由［1］表 25·2-30 D1=85mm； 主動輪接觸圓弧半徑 R1=0.5 D1=42.5mm； 從動環(huán)工作直徑 由［1］表 25·2-30 D2=174.3mm； 從動環(huán)接觸圓弧半徑 ；m8.427cos5s2R1?????D 菱錐最小工作直徑 ；175/3..1s/d2maxin?? ?Ih? 菱錐最大工作直徑 ；4.68/.7./co4/1cos12inax ???? ?DI 菱錐長度 L=2hsinθ=55.4mm； 菱錐最小直徑 d x=hsecθcos2θ=13.8mm； 菱錐最大直徑 d s =h/cosθ=57.1mm； 菱錐孔徑 按照滾正軸承選取 φ=14mm； 菱錐母線有效工作長度 ；m9.238sin174.6si2miax?????dS 菱錐沿本身軸向移動量 ；.5i9.3in???a 菱錐與支架凸緣 C1 =5mm； 菱錐支架凸緣間距離 Ha=L+Sa +2C1=69.5mm； 菱錐支架水平移動總量 ；mSc8.20sin??? 3.4 輸入側加壓裝置 鼓形滾子中心圓直徑 d p1=0.7D1=59.5mm； 鼓形滾子直徑 d q1=1/7