菱錐式無級變速器設(shè)計【摩擦式機械無級變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計】【P=2.2KW n=1500rpm R=6】

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Although conventional shot peening is one way of enhancing the fatigue strength, it is very difficult for shot to reach into deep and narrow regions. Recently, a peening method using the impact produced as cavitation bubbles collapse has been developed 19. This method is called cavitation shotless peening (CSP), as shot are not required 36, 8. CSP can peen the surface even through deep narrow cavities, as the bubbles can reach these parts and collapse where peening is required. In the present article, improvement of the fatigue strength of the elements of a CVT metallic belt by CSP was demonstrated experimentally. Elements were treated with different processing times and evaluated by a fatigue test to find the optimum processing time. In order to evaluate the peening effect by CSP, the residual stress was measured. Note that this is the first report published on the improvement made in the fatigue strength of a part with regions that cannot be hit directly by shot. Cavitation shotless peening was applied to the element using cavitating jet apparatus, the details of which can be found in references 36, 8. The jet was injected into the neck region through grooves in the elements, which were stacked and held together, and scanned perpendicularly over the elements, as shown in Fig. 1. The processing time per unit length, t p , is defined by the number of scans n and the scanning speed v; t p n v 1 The cavitation number,r, a key parameter for cavitating jets, is defined by the injection pressure, p 1 , the tank pressure, p 2 , and the saturated vapor pressure, p v ,as follows; r p 2 C0 p v p 1 C0 p 2 p 2 p 1 2 r can be simplified as indicated in Eq. 2 because p 1 C29 p 2 C29 p v . Absolute pressure values were used to determine the cavitation number. Considering the results from previous work 36, 8, the CSP conditions shown in Table 1 were selected. The shape of the element tested was identical to actual elements used in steel belts for CVT. The element was made of Japanese Industrial Standards JIS SK5 and was heat treated in the same way as actual elements. In order to examine the improvements made in the fatigue strength, the residual stress of the elements at position A in Fig. 2 was measured using X-ray diffraction with a two-dimensional position sensitive proportional counter (2D PSPC) using the 2D method 10. After CSP, part of the element was cut off and put into the X-ray H. Soyama (&) Tohoku University, 6-6-01 Aoba, Aramaki, Aoba-ku, Sendai 980-8579, Japan e-mail: soyamamm.mech.tohoku.ac.jp M. Shimizu C1 Y. Hattori Toyota Motor Corporation, 1200 Mishuku, Susono 410-1193, Japan Y. Nagasawa Toyota Central R&D Labs. Inc, 41-1 Yokomichi, Nagakute 480-1192, Japan 123 J Mater Sci (2008) 43:50285030 DOI 10.1007/s10853-008-2743-6 apparatus to detect diffractive X-rays, as shown in Fig. 2. A Cr tube operated at 35 kV and 40 mA was used. The diameter of the collimator was 0.1 mm. X-rays were counted for 20 min for each frame. The diffractive plane was the (211) plane of aFe, and the diffractive angle, 2h, was about 156 degree. The values used for Youngs modulus and the Poisson ratio were 210 GPa and 0.28, respectively. The residual stress in the longitudinal direc- tion of the element was obtained from 13 frames using the 2D method. In order to evaluate the fatigue strength of the element, a bending fatigue test was carried out on the element, as shown in Fig. 3. As shown in the figure, the element was fixed and a load F was applied perpendicularly. Figure 4 illustrates the relationship between the number of cycles to failure, N, and the normalized amplitude of the bending force, C22 F, used in the fatigue test, for various pro- cessing times per unit length, t p . The amplitude of the bending force was normalized by the fatigue strength of the non-peened specimen, which was obtained by Littles method 11. The fatigue tests were terminated at N = 10 6 , as it was confirmed that specimens which survived 10 6 cycles also survived 10 7 cycles. From the figure, it is clear that CSP can extend the lifetime of specimens compared to non-peened specimens. The normalized fatigue strength, C22 F FS , of specimens treated by CSP is 1.22 at t p = 2.5 s/mm, 1.38 at t p = 5 s/mm, 1.48 at t p = 10 s/mm, 1.32 at t p = 20 s/mm, and 1.28 at t p = 40 s/mm, respectively. At t p = 10 s/mm, the fatigue strength of the element has been improved by 48% compared with that of the non-peened element. Figure 5 shows the normalized fatigue strength C22 F FS as a function of CSP processing time per unit length, t p . C22 F FS increases with t p until t p = 10 s/mm and then decreases Table 1 CSP conditions Injection pressure p 1 MPa 30 Tank pressure p 2 Mpa 0.42 Cavitation number r 0.014 Nozzle diameter d mm 2 Standoff distance s mm 80 Fig. 2 Measurement position of the residual stress using X-ray diffraction Fig. 3 Schematic diagram of the bending fatigue test of the element Fig. 4 Improvement of the fatigue strength of the element by CSP Fig. 1 Setup of the elements treated by CSP J Mater Sci (2008) 43:50285030 5029 123 slightly. This shows that, as with shot peening, there is an optimum processing time, and that too long processing times cause the fatigue strength to decrease. For the con- ditions applied here, the optimum CSP processing time per unit length was 10 s/mm. Figure 6 shows the variation in the residual stress of the element at position A in Fig. 2 with processing time per unit length, t p . In order to evaluate the reproducibility, the residual stress of two elements was measured for each value of t p using the 2D X-ray diffraction method. Standard deviations for each measurement are shown in Fig. 6. Without CSP, the residual stress was -140 50 MPa and after CSP this was greater than -600 MPa. Thus, CSP can introduce compressive residual stress into the surface even where there are deep and narrow cavities. The impact induced by collapsing cavitation bubbles can introduce compressive residual stress into surfaces that cannot be hit directly by shot (see Fig. 1). The residual stress on the surface increased to between -800 MPa and -1,000 MPa for short processing times, t p = 2.5 s/mm, then decreased slightly saturating at about -800 MPa, as shown in Fig. 6. According to a previous report 5, the compressive residual stress of the sub-surface in materials increases after the residual stress on the surface has saturated. Thus the compressive residual stress of the sub-surface would increase for t p C 2.5 s/mm. This is one of the reasons why the optimum processing time for the present conditions was t p = 10 s/mm, even though the compressive residual stress had reached its maximum at t p = 2.5 s/mm. In order to increase the fatigue strength of the elements of a steel belt for CVT, the elements were treated by CSP. The fatigue strength of the element was evaluated and the residual stress was measured by X-ray diffraction using a 2D method with a 2D PSPC. It was revealed that the fatigue strength of the element could be improved by 48% by CSP. It was also shown that CSP can introduce com- pressive residual stress even into the surface of deep and narrow cavities. This work was partly supported by Japan Society for the Promotion of Science under Grant-in-Aid for Scientific Research (A) 20246030. References 1. Soyama H, Park JD, Saka M (2000) Trans ASME J Manuf Sci Eng 122:83. doi:10.1115/1.538911 2. Soyama H, Kusaka T, Saka M (2001) J Mater Sci Lett 20:1263. doi:10.1023/A:1010947528358 3. Soyama H, Saito K, Saka M (2002) Trans ASME J Eng Mater Technol 124:135. doi:10.1115/1.1447926 4. Odhiambo D, Soyama H (2003) Inter J Fatigue 25:1217. doi: 10.1016/S0142-1123(03)00121-X 5. Soyama H, Sasaki K, Odhiambo D, Saka M (2003) JSME Int J 46A:398. doi:10.1299/jsmea.46.398 6. Soyama H, Macodiyo DO, Mall S (2004) Tribol Lett 17:501. doi: 10.1023/B:TRIL.0000044497.45014.f2 7. Soyama H (2004) Trans ASME J Eng Mater Technol 126:123. doi:10.1115/1.1631434 8. Soyama H, Macodiyo DO (2005) Tribol Lett 18:181. doi: 10.1007/s11249-004-1774-7 9. Soyama H (2007) J Mater Sci 42:6638. doi:10.1007/s10853- 007-1535-8 10. He BB (2003) Powder Diffr 18:71. doi:10.1154/1.1577355 11. Little RE (1972) ASTM STP 511:29 Fig. 5 Optimum CSP processing time per unit length Fig. 6 Introduction of compressive residual stress into the element by CSP 5030 J Mater Sci (2008) 43:50285030 123 附 錄1：英文文獻翻譯及原文通過噴丸改善無級變速器鋼帶的疲勞強度無級變速器（CVT）采用的鋼帶在操作過程中要受到彎曲載荷。元件的最薄弱的部分是在作為金屬環(huán)的“頸部”的根部。為了減少應(yīng)力集中，頸部的根部做成圓形，并對鋼帶的形狀進行了優(yōu)化。不過，如果該元件可以提高疲勞強度，鋼帶可應(yīng)用于大引擎。雖然傳統(tǒng)的噴丸是一種提高疲勞強度的方法，但卻很難到達深而窄的區(qū)域。最近，一種用沖擊產(chǎn)生空化泡爆裂的沖擊法已經(jīng)開發(fā)出來。這種方法稱為“氣穴噴丸”，因為噴射不是必需的。由于泡沫可以通過深而窄的通道而到達凹面，并在需要的地方爆裂，所以CSP可以到達這些區(qū)域，并對表面進行加工。在本文中，CSP對無級變速器鋼帶疲勞強度的提高已被實驗證明。元件分別進行了不同時間的處理，并進行了疲勞測試評估，以找出最佳的處理時間。為了評估CSP噴丸的效果，對殘余應(yīng)力進行了測量。請注意，這是第一篇發(fā)表的關(guān)于不直接噴射某一部分而使其疲勞強度提高的報告。CSP使用空化射流裝置應(yīng)用于元件，詳情可見參考文獻。氣體通過堆疊的溝槽注入到元件的頸部，垂直地通過元件，如圖1。每單位長度的處理時間tp，由流動數(shù)n和流動速度v定義：空化射流的關(guān)鍵參數(shù)空化數(shù)r，由注射壓力p1定義，罐內(nèi)壓力p2和飽和蒸氣壓力pv，如下：可用式（2）簡化表示，因為p1p2pv。絕對壓力值被用來確定空化數(shù)?？紤]到以往的工作成果，表1中所示的CSP處理條件是進行了篩選的。測試的元件形狀與無級變速器實際使用的鋼帶元件是一樣的。該元件是根據(jù)日本工業(yè)標準JIS SK5制造的，與實際元件的加熱處理相同。為了檢測疲勞強度的提高，在圖2的A位置，通過一個二維位置X -射線衍射靈敏正比計數(shù)器，用二維的方法對元件的殘余應(yīng)力進行測量。CSP后，該元素的一部分被切斷，進入X -射線衍射儀檢測X射線，如圖2所示。鉻管在35千伏電壓和40 毫安電流的條件下使用。準直器直徑為0.1毫米。 X射線計數(shù)每幀為20分鐘。衍射平面是一個-Fe平面（211），衍射角2，約156度。楊氏模量和泊松比使用的值分別為210 GPa和0.28。元件的縱向殘余應(yīng)力用二維的方法從13個單位獲得。 為了評估元件的疲勞強度，對元件進行了一個彎曲疲勞測試，如圖3所示。正如圖所示，該元件是固定的，負載F為垂直方向。圖4說明了在疲勞測試中用于多種單位長度處理時間tp的循環(huán)失敗次數(shù)N和規(guī)范化的彎曲力振幅之間的關(guān)系。受彎力振幅是由非噴丸樣品的疲勞強度規(guī)范，這是用里特的方法得到的。疲勞試驗被終止在N = 106，因為它證實了能承受106次循環(huán)的樣品，也能承受107次。從圖中可明顯看出，相對于非噴丸樣品，CSP可延長樣品的壽命。經(jīng)CSP處理的樣品的歸一疲勞強度，當(dāng)tp = 2.5 s/mm時，為1.22，當(dāng)tp = 5 s/mm時，為1.38，當(dāng)tp = 10 s/mm時，為1.48，當(dāng)tp = 20 s/mm時，為1.32，當(dāng)tp = 40 s/mm時，為1.28。當(dāng)tp = 10 s/mm時，元件的疲勞強度相對于非噴丸元件提高了48%。圖5所示為每單位長度的CSP處理時間tp的函數(shù)歸疲勞強度。隨著tp增加而升高，直到tp = 10 s/mm則有所降低。這表明，噴丸存在一個最佳的處理時間，如果處理時間過長會造成疲勞強度降低。對于在這里適用的條件，最佳的CSP每單位長度的處理時間為10 s/mm。圖6顯示的是圖2中的A位置元件的殘余應(yīng)力在單位長度處理時間tp下的變化情況。為了評估的重復(fù)性，分別對兩種元件的殘余應(yīng)力在單位長度的處理時間下用二維X射線衍射法進行了測試。 每次測量的標準偏差如圖6所示。若不用CSP處理，殘余應(yīng)力為-140 50 MPa，而用CSP處理后，殘余應(yīng)力強于-600 MPa。因此，CSP可以對表面有殘余壓應(yīng)力，即使是深而窄的腔。由空化旗袍爆裂產(chǎn)生的影響可以給表面帶來殘余壓應(yīng)力，是直接噴射所不能做到的（見圖1）。當(dāng)tp = 2.5 s/mm時，短時間處理的表面的殘余應(yīng)力提高到-800 MPa and -1,000 MPa之間，然后略有下降到大約-800 MPa，如圖6所示。根據(jù)先前的一份報告，材料表面的殘余應(yīng)力飽和后，其次表面的殘余壓應(yīng)力會增加。因此次表面的殘余壓應(yīng)力在tp 2.5 s/mm時將增加。這就是目前條件下的最佳處理時間為tp = 10 s/mm的原因之一，即使當(dāng)tp = 2.5 s/mm時殘余壓應(yīng)力達到了最大值。為了使無級變速器鋼帶元件的疲勞強度增加，對元件進行了CSP處理。元件的疲勞強度進行了評估，且通過一個二維位置X -射線衍射靈敏正比計數(shù)器，用二維的方法對元件的殘余應(yīng)力進行了測量。它表明經(jīng)過CSP處理后元件的疲勞強度可提高48%。也證明了CSP可以對元件表面有殘余壓應(yīng)力，即使是深而窄的腔。附 錄2：英文文獻原文湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書論文（設(shè)計）題目： 摩擦式機械無級變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué)號： 2007964230 姓名： 陳鍇 專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 聶 松 輝 系主任： 周 友 行 一、主要內(nèi)容及基本要求 1、無級變速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計； 2、輸入功率P=2.2kw，輸入轉(zhuǎn)速n=1500rpm，調(diào)速范圍R=6； 3、一張裝配圖A0#1張，零件圖總量A0#1張； 4、設(shè)計說明書一份； 5、英文文獻一份。 二、重點研究的問題 1、無級變速器原理及其結(jié)構(gòu)； 2、變速原理的傳動結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。 三、進度安排序號各階段完成的內(nèi)容完成時間1熟悉課題及基礎(chǔ)資料第一周2調(diào)研及收集資料第二周3方案設(shè)計與討論第三四周4無級變速器布局設(shè)計第五周5無級變速器總裝配圖設(shè)計第六九周6無級變速器工程圖設(shè)計第十周7撰寫說明書第十一周8英文文獻翻譯，答辯第十二周四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻 1 阮忠唐. 機械無級變速器M. 機械工業(yè)出版社. 2 阮忠唐.機械無級變速器設(shè)計與選用指南M.化學(xué)工業(yè)出版社. 3 徐灝.機械設(shè)計手冊第3卷M.機械工業(yè)出版社. 4 毛謙德.袖珍機械設(shè)計師手冊第3版M.機械工業(yè)出版社. 5 機械設(shè)計手冊新版第2卷M.機械工業(yè)出版社. 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書題 目：摩擦式機械無級變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計專 業(yè)： 機械設(shè)計及其自動化 學(xué) 號： 2007964230 姓 名： 陳 鍇 指導(dǎo)教師： 聶松輝 （教授） 完成日期： 2011年5月 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表學(xué)號 2007964230 姓名 陳鍇 專業(yè) 機械設(shè)計及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 摩擦式機械無級變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計 評價項目評 價 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求，達到綜合訓(xùn)練的目的；2.難度、份量是否適當(dāng)；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。能力1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機應(yīng)用能力；5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。論文（設(shè)計）質(zhì)量1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴謹合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評 價1、 菱錐式無級變速器設(shè)計較合理2、 數(shù)據(jù)正確，計算，分析科學(xué)3、 說明書文字通暢，觀點提煉4、 圖紙完備、正確、整潔評閱人： 2011年5月 日目 錄 第一章 概論 .1 1.1 無級變速器的特征和應(yīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)尺寸的計算 .17 3.4 輸入側(cè)加壓裝置 .18 3.5 輸出側(cè)加壓裝置 .18 3.6 強度校核計算 .19 3.7 輸入、輸出軸的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié) .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(jié)構(gòu)設(shè)計 摘 要 : 機械無級變速器是一種能適應(yīng)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(jié) 構(gòu)、設(shè)計計算的方法、材質(zhì)及潤滑等方面的知識，并以此作為本次無級變速器設(shè)計的理論 基礎(chǔ)。 本設(shè)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(zhuǎn)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(guān)系；詳細推導(dǎo)了實用的菱錐錐輪式無級變速器設(shè)計的計算 公式；并針對設(shè)計所選擇的參數(shù)進行了具體的設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn) 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(zhuǎn)。4.運轉(zhuǎn)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(diào)速簡單，工 作可靠；8.容易維修。 關(guān)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(yīng)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(zhuǎn)速不變的 情況下，能實現(xiàn)輸出軸的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，以滿足及其或生產(chǎn)系統(tǒng) 在運轉(zhuǎn)過程中各種不同工況的要求；其結(jié)構(gòu)特征主要是：需由變速傳動機構(gòu)、 調(diào)速機構(gòu)以及加壓裝置或輸出機構(gòu)三部分組成。 機械無級變速器的適用范圍廣，有在驅(qū)動功率固定的情況下，因工作阻力 變化而需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以產(chǎn)生相應(yīng)驅(qū)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(yīng)的減慢攪拌速度） ；有根據(jù)工況要求 需要調(diào)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(yīng)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(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)移速度） ；有為獲得恒定的工作速度或張力而需要調(diào)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以保持有恒定 的張力等） ；有為適應(yīng)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(diào)運轉(zhuǎn)速度以及需要配合自動控制者（如各種各樣半自動的生產(chǎn)、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(diào) 速以獲得最佳效果） ；有為節(jié)約能源而需進行調(diào)速者（如風(fēng)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(diào)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(zhuǎn)矩，能更好地適應(yīng)各種機械的工況要求，使之效能最佳， 在提高產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量，適應(yīng)產(chǎn)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(yīng)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(nóng)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(chǎn)。 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(diào)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(zhuǎn)矩，滑動率較大， 運轉(zhuǎn)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(diào)速，這屬于一種較為落后的調(diào)速 方式。其特點結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，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(diào)速。其特點是調(diào)速范圍大，精度也較高， 但設(shè)備復(fù)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(diào)壓和變頻 進行調(diào)速。實際應(yīng)用最多者為變頻調(diào)速，即采用一變幅器獲得變幅電源，然后 驅(qū)動電動機變速。其特點是調(diào)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(zhuǎn)矩，低速時效率低且運轉(zhuǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(nèi)具有恒功率的機械特性（這是電力和液 壓無級調(diào)速裝置所難達到的） 。因此，可以實現(xiàn)能適應(yīng)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(chǎn) 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(gòu);保證產(chǎn)生摩擦力所需的加壓裝置 ;實現(xiàn)變速的調(diào)速機構(gòu)。它具 有各種不同的結(jié)構(gòu)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(gòu)。 目前，國內(nèi)應(yīng)用較廣或已形成系列進行生產(chǎn)的主要有:錐盤環(huán)盤式、多盤式、 轉(zhuǎn)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(zhì)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(yīng)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(gòu)成的傳動機構(gòu)、調(diào)速機構(gòu)和鏈條張緊加壓 機構(gòu)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(diào)速的。 按鏈條結(jié)構(gòu)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(yīng)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(gòu)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(cè)面與錐盤接觸 所產(chǎn)生的摩擦力進行傳動，并通過改變兩錐盤的軸向距離以調(diào)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(gòu)、輸出機構(gòu)(超越離合器)和調(diào)速機構(gòu)三 個基本部分組成的低副機構(gòu)，故具有以下特點：傳動可靠、壽命長、變速范圍 大、調(diào)速精度高、最低輸出轉(zhuǎn)速可為零、調(diào)速性能穩(wěn)定、靜止和運動時均可調(diào) 速、結(jié)構(gòu)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(diào) 速范圍在擴大之后，在結(jié)構(gòu)和使用上如何實現(xiàn)增速變速傳動和采用復(fù)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(lǐng)域，目前以德國、美國和日本 3 的技術(shù)水平較高，其成熟技術(shù)以德國的 GUSA 型及美國的 ZERO-MAX 型系 列產(chǎn)品為代表。就目前來說，鑒于結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)均勻性要求不嚴格的場合。例如在熱處理 設(shè)備、清洗設(shè)備以及化工、醫(yī)藥、塑料、食品和電器裝配運輸線等領(lǐng)域的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(guān)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(zhuǎn)速一定的情況下，其輸出功率 P2或 轉(zhuǎn)矩 T2隨輸出轉(zhuǎn)速 n2的變化關(guān)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(dāng)輸出轉(zhuǎn)速 n2變化時，輸出功率 P2保持恒定，輸出轉(zhuǎn)矩 T2 隨 n2 的降低而增大，或者相反。 2）恒轉(zhuǎn)矩特性 當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速 n2變化時，輸出轉(zhuǎn)矩 T2保持不變。 3）變功率、變轉(zhuǎn)矩特性 當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速 n2變化時，輸出功率 P2轉(zhuǎn)矩 T2按一定規(guī) 律（曲線）變化。 4）組合型特性 當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速 n2在低速區(qū)段變化時，具有恒轉(zhuǎn)矩特性，而當(dāng) 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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩特性中，輸出轉(zhuǎn)矩 T2 的最大值不一定對應(yīng)最低輸出轉(zhuǎn)速 n2min。 （2）輸入功率 P1與輸入轉(zhuǎn)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=0.187.5kW,h 只有少部分結(jié) 構(gòu)類型達到 P1=75100kW,個別類型可達 150kW 以上。 機械無級變速器通常由電動機驅(qū)動，一般輸入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速 n2 一般是指一個變速范圍或區(qū)段，即 n2=n2minn 2max。此中 還分為升、降速型和降速型以及可反轉(zhuǎn)或不可反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速 n2與輸入轉(zhuǎn)速 n1之比來計算的，即 4 12ni 在變速器中，輸出轉(zhuǎn)速可以降低到零，故能得出傳動比 i21=。 （5）變速比 Rb （又稱為調(diào)速比）Rb 是變速器輸出軸上最高轉(zhuǎn)速 n2max 與最低 轉(zhuǎn)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 與脈動度 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(dǎo)致實際輸出轉(zhuǎn)速 n2將低于名義轉(zhuǎn)速 為了判別這一特性，02n 現(xiàn)以名義輸出轉(zhuǎn)速 與實際輸出轉(zhuǎn)速 n2只差對名義輸出轉(zhuǎn)速 之比稱為滑動率02n （又稱為滑差率或轉(zhuǎn)差率） ，以 表示，即 %1020 滑動率 可通過測得的實際轉(zhuǎn)速 n2算出一般變化范圍為 =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(gòu)傳動的脈動式無級變速器，其輸出軸的轉(zhuǎn)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 。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 的大小隨所采用的連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)而定，一般脈動度應(yīng)為 0.10.3。 （7）機械效率 機械傳動效率 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(yīng) 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(gòu)早在 1908 年就已應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計和選材等方面的問 5 題，該傳動機構(gòu)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 Doornes 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(xí)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(chǎn)過程的復(fù)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(chǎn) 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 11.2 升）上,成功占領(lǐng)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 1.11.6L 的轎車上，投入市場，受到用戶好評。兩系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。 90 年代，VDT 公司在第一代產(chǎn)品生產(chǎn)和使用總結(jié)基礎(chǔ)上，開發(fā)第二代產(chǎn)品。 第二代產(chǎn)品主要技術(shù)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(jīng)濟性和操縱平順型。并在結(jié)構(gòu)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(yīng) 用 VDT 技術(shù)開發(fā)了適用于發(fā)動機排量為 1.52.5L 前置前驅(qū)動轎車的 CVT 系列 產(chǎn)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(jīng)濟型轎車 Civic 上。裝備的 CVT 傳動裝置稱為 Honda Multi Matic 其產(chǎn)品與 CVT 的產(chǎn)品有些不同的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)； 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(xí)慣上又稱為 VDT CVT，其關(guān)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(gòu)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(dāng)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(nèi)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(cè)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(yù)緊力，在動力傳遞過程中，約束 和引導(dǎo)金屬片的運動，有時承擔(dān)部分轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)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(shù)，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(gòu)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 0.4452.6 左右,不能完全滿足 整車傳動比變化范圍的要求,因而設(shè)有中間減速機構(gòu)?？刂葡到y(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(diào)節(jié)閥（速比和帶與輪間壓緊力的 調(diào)節(jié)） 、傳感器（油門和發(fā)動機轉(zhuǎn)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(gòu) 可以利用液壓系統(tǒng)反應(yīng)快的特點。CVT 初期產(chǎn)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(guān)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(dāng)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(nèi)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(dāng)?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(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的線壓力。當(dāng)變速器的輸出轉(zhuǎn)矩小于最大轉(zhuǎn) 矩的 60%時，線壓力降低，帶輪夾緊力相應(yīng)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(zhuǎn)矩達 210Nm，可應(yīng)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(jīng)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(nèi)容和要求 本設(shè)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(zhuǎn)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(guān)系；詳細推導(dǎo)了實用的 菱錐錐輪式無級變速器設(shè)計的計算公式；并針對設(shè)計所選擇的參數(shù)進行了具體 的設(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)簡單，價格低廉；轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，滑動 率??；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(yīng)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(diào)速相比，只適 用于小功率調(diào)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小；脈動式由于結(jié)構(gòu)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(yīng)各種機械的工況要求，隨 著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，又出現(xiàn)了電力調(diào)速技術(shù)和液壓調(diào)速技術(shù)。在電力調(diào)速 技術(shù)中，由于直流調(diào)速技術(shù)的設(shè)備復(fù)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(diào)速方式，即交流調(diào)速技術(shù)的研發(fā)已逐步取代了直流調(diào)速 技術(shù)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(diào)速困難。 隨著社會化大生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)制造技術(shù)的日益復(fù)雜，對生產(chǎn)工藝的要求 進一步提高，這就要求生產(chǎn)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(qū)動性 能，使執(zhí)行機構(gòu)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(diào)速難的問題，從而出現(xiàn)了更先進的變頻 8 調(diào)速、伺服控制調(diào)速等新技術(shù)。交流變頻調(diào)速的理論基礎(chǔ)是壓頻比一定的變頻 調(diào)速方法。目前變頻調(diào)速控制器主要采用以下控制結(jié)構(gòu):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(diào)節(jié)方式(PAM)和脈寬調(diào)制方式(PWN)， 后一種是目前變頻控制中應(yīng)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(xué)模型的基礎(chǔ)，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(yīng)用場合又出現(xiàn)了交流矢量控制技術(shù)。近十年 來，除交流變頻調(diào)速外，交流伺服控制異軍突起，其應(yīng)用已日益廣泛。由于伺 服系統(tǒng)在矢量控制的基礎(chǔ)上，通過電動機上的轉(zhuǎn)子位置檢測元件，對轉(zhuǎn)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(yīng)特性，其調(diào)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(diào)速方式是當(dāng)今最為先進的無級變 速技術(shù)，其公認的優(yōu)點使其必將成為日后調(diào)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(shù)等諸多功能的開發(fā)順應(yīng)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(diào)速技術(shù)的主流。在不斷追求更先進、更高 效的新型調(diào)速技術(shù)的同時，需要注意其性能價格比問題。因此，機械調(diào)速技術(shù) 在一些簡單的、要求不高的單機、手動調(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)簡單，制造容易。 課題研究的內(nèi)容：機械菱錐式無級變速器結(jié)構(gòu)的設(shè)計；無級變速器變速器 的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算；對關(guān)鍵部件進行強度和壽命校核 設(shè)計要求：輸入功率 P=2.2kw，輸入轉(zhuǎn)速 n=1500r/min，調(diào)速范圍 Rb=6； 結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)使制造成本盡可能低；安裝拆卸要方便；外觀要勻稱，美觀；調(diào) 速要靈活，調(diào)速過程中不能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，能實現(xiàn)動態(tài)無級調(diào)速；關(guān)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(jié)構(gòu)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(fù)雜的行星齒輪組，它主要靠主、從動輪和 金屬帶或滾輪轉(zhuǎn)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(jīng)大小輪盤與鏈條帶動車輪以不同的速度旋轉(zhuǎn)。 由于不同的力度對各組齒輪產(chǎn)生的推力大小不一，致使變速箱輸出的轉(zhuǎn)速也隨 之變化，從而實現(xiàn)不分檔次的徐緩轉(zhuǎn)動。 CVT 采用傳動帶和可變槽寬的棘輪進行動力傳遞，即當(dāng)棘輪變化槽寬肘， 相應(yīng)改變驅(qū)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(jīng)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(nèi)目前有多款車型裝備了 CVT，如東風(fēng)日產(chǎn)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(zhuǎn)速的同時連續(xù)無級改變速比的變速器。 10 CVT 技術(shù)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(dāng)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(chǎn)日產(chǎn)則稱為 Hyper CVT。 人們平時乘車時所關(guān)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(zhuǎn)數(shù)范圍。發(fā)動機的最佳運轉(zhuǎn)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(lǐng)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(dāng)車在高速路 上以時速 80km 行駛時并且發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持在 2500 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lǐng)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?qū)崿F(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(zhuǎn)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(nèi)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(qū)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(nèi)部并沒有傳統(tǒng)變速箱的齒輪傳動結(jié)構(gòu)，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。瑢崿F(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(zhì)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(shù)、加工工藝的不斷提高，生產(chǎn)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(gòu)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(cè)帶輪可以在軸上滑動，另一側(cè)則固定?？蓜颖P與 固定盤都是錐面結(jié)構(gòu)，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(jīng)減速器、差速器傳遞給車輪來驅(qū)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(diào)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(diào)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(zhuǎn)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(qū)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)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(cè)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(zhuǎn)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(yù)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(cè) 1= o25、輸出側(cè) 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(jié)構(gòu)對稱，變速器可以正反轉(zhuǎn)。 它靠散熱片散熱降溫，并提高殼體剛性。目前，國外生產(chǎn)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(fēng)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(guān)，當(dāng)排油量下降時，它立即使主電機停止。為了適應(yīng)大起動轉(zhuǎn) 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 3 P3 T3 T 3 P3 0 2 r23 r21 b L H (b) (a) d1 d3 d 2 1 3 r23 r21 r23 r211 3 O2 O2 O2 2 T3 P3 2 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(zhuǎn)速為 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 ，菱錐 2 繞自身的軸線轉(zhuǎn)動，菱錐 2 的水平位置由位置調(diào)節(jié)機構(gòu) 進行調(diào)節(jié)。設(shè)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(guān)系得 r21、r 23的函數(shù)式分別為 r21(LbH)tan，r 23btan，L、H 為結(jié)構(gòu)常數(shù)，b 為自變量。設(shè)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(guān)系為 0.5d1 1 2 r21，菱錐 2 與輸出環(huán)之間的速度關(guān)系為 0.5d3 3 2 r23，則輸出 軸 3 的轉(zhuǎn)速 3與傳動比 i13分別為 )6()/()/()( 31212 dbLdbd 17)/ 3313 HLi 當(dāng)菱錐 2 在水平方向移動（在垂直方向也產(chǎn)生附加的移動）時，輸出軸的轉(zhuǎn)速 得到調(diào)節(jié)。該種無級變速器傳遞的功率可達 37 KW，機械效率為 0.80.93，傳 動比在 0.87 之間。設(shè) P3、T 3分別表示輸出軸 3 的功率與轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)， 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 38 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(dāng)?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(jīng)自動加壓裝置 2 傳給 3，再依 靠摩擦力的作用，經(jīng)菱錐 4、外環(huán) 8、輸出側(cè)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(yù)壓彈簧提供的。 15 圖 2-2 無級變速機的兩種結(jié)構(gòu) 調(diào)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(cè)椎體的工作直徑發(fā)生變化，從而實現(xiàn)無級調(diào)速。圖 2-4 是輸出轉(zhuǎn)速最低和最高時，菱錐與主、從動輪的相對位置。調(diào)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(shè)計與計算 要求：輸入功率 P1=2.2 kW； 同步轉(zhuǎn)速 n=1500r/min; 調(diào)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(zhuǎn)速 r/min 堵轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 矩 額定 轉(zhuǎn) 矩 最大 轉(zhuǎn) 矩 額定 轉(zhuǎn) 矩 質(zhì)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(zhuǎn)速 n 1 =1430 r/min 輸出轉(zhuǎn)速 n 2 = n11.55 n11/3.87=3702217 r/min 變速器型號根據(jù)2P67 表 25.2-27 選擇型號 K2.5。 17 3.3 菱錐與主動輪結(jié)構(gòu)尺寸的計算 菱錐個數(shù) 由1表 252-30 z=6； 菱錐心軸傾斜角 由1表 252-30 =45； 菱錐母線與水平線夾角 由1表 252-30 =7； 錐頂半角 =457=38； 菱錐的工作高度 由1表 252-30 h=45mm； 菱錐與錐輪接觸寬度 由1表 252-30 b=2mm； 主動輪工作直徑 由1表 252-30 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 252-30 D2=174.3mm； 從動環(huán)接觸圓弧半徑 ；m8.427cos5s2R1D 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=2hsin=55.4mm； 菱錐最小直徑 d x=hseccos2=13.8mm； 菱錐最大直徑 d s =h/cos=57.1mm； 菱錐孔徑 按照滾正軸承選取 =14mm； 菱錐母線有效工作長度 ；m9.238sin174.6si2miaxdS 菱錐沿本身軸向移動量 ；.5i9.3ina 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(cè)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