回流式无级自动变速传动系统毕业设计论文

摘 要回流式无级自动变速传动系统拥有有非常大的速比变化范围和很高的传动效率 ,在整个传动比的变化范围内能够实现连续的无级调速 ,让发动机始终在最佳燃油经济区运行。所以回流式无级自动变速传动具有广阔的发展前景。文中我们以长安羚羊 SC7101 轿车的数据资料为基础，以传动系统效率和速比变化范围为设计指标，对回流式无极自动变速传动系统的结构参数进行设计，确保汽车在各种行驶工况下传动系统效率在 80%以上 ,在不同节气门开度下汽车发动机稳态工作点均能位于最佳燃油经济线上。具体工作内容如下：对回流式无级自动变速传动系统工作原理，关键部件的作用及其运行状态进行介绍。建立回流式无级自动变速传动系统总体参数的设计方法，其主要工作内容是对包括倒档速比、最小/最大速比范围、主减速比、定速比传动速比、行星排结构参数等的计算，根据计算结果完成传动系统结构总体草案的布置。对回流式无极自动变速传动系统的运动关系、受力分析，为轴承、离合器等关键部件的选型奠定基础。最后完成回流式无级自动变速传动系统关键部件结构尺寸的设计和强度计算。包括定速比齿轮传动机构设计、行星排结构参数选择和设计计算、轴的设计、离合器设计、轴承选型及寿命校核等。关键词：汽车；无极变速；设计；行星排ABSTRACTReturn flow automatic stepless variable speed drive has a large speed ratio range and higher transmission efficiency,In the whole transmission ratio can be achieved within the scope of the continuous stepless speed regulation,and the engine can always run optimum fuel economic zone. So the return flow automatic stepless variable speed drive has a broad development prospects. In this paper, we to changan SC7101 sedan based on the data of antelope,in transmission efficiency and transmission ratio range as the design index, the return flow infinite variable speed drive system design for the structure parameters, to ensure the transmission efficiency of vehicle under various driving conditions in more than 80%, under different throttle opening car engine static working point are located in the best fuel economy.Specific work content is as follows: The automatic return flow stepless variable speed drive system working principle, function and running state of the key parts are introduced. Establish a return flow automatic stepless variable speed drive system design method of general parameters, the main work content is to include the reverse gear ratio, the minimum/maximum speed ratio range, main reduction ratio, constant speed ratio transmission ratio, a key structure parameters calculation, etc. According to the calculation results complete drive system structure of overall draft layout. The return flow of the infinite variable speed drive system motion relations, force analysis, selection of key parts such as bearings, clutch lay the foundation. Finally complete the return flow automatic stepless variable speed drive system design and strength calculation of key components structure size. including constant speed ratio, planetary gear transmission mechanism design structure parameter selection and design calculation, the design of the shaft, clutch design, selection and bearing life and checking.Key words: car; CVT; design; Planet row目录目录.摘要.Abstract.1. 绪论.1.1 课题的意义.1.2 无极自动变速器的发展.1.3 回流式无极自动变速传动系统的结构组成.1.3.1 金属带式CVT概述.1.3.2 回流式无极自动变速传动系统的结构组成.1.3.3 回流式无极自动变速传动系统的特点.1.3.4 回流式无极自动变速传动的发展及国内外现状.1.4 论文的主要研究工作内容.2. 回流式无极变速传动的参数设计.2.1 回流式无极变速传动系统的工作原理.2.1.1 回流式无极变速器的工作原理.2.2 传动系统参数设计.2.2.1 传动系统最大速比的计算.2.2.2 传动系统最小速比的计算.2.2.3 传动系统倒档速比的计算.2.3 长安羚羊SC7101轿车原始数据.2.4 回流式无极自动变速传动系统的结构参数设计.2.4.1带值计算结果.2.4.2 定速比齿轮参数的确定.2.4.3 行星齿轮参数的确定.2.4.4 结构参数的圆整.3. 金属带无极变速装置的力学分析.3.1 金属带主、从动轮的受力分析.3.1.1 CVT传动的运动分析.3.1.2 金属带的轴向力计算.3.2 CVT主、从动轴上的轴向力分析.4. 回流式无极变速传动系统的关键零部件设计.4.1 离合器、制动器的设计.4.1.1 理论转矩的计算.4.1.2 湿式离合器的设计.4.1.3 制动器的设计.4.1.4 单向离合器的设计.4.2 齿轮的设计.4.2.1 定速比齿轮的设计.4.2.2 行星排的设计.4.3 轴的设计.4.3.1 轴I的设计.4.3.2 轴的设计.1绪论1.1 课题的意义金属带式无级自动变速传动是20世纪80年代末期出现的一种新型汽车传动方式, 它可以让发动机在最佳燃油经济线上运行,使汽车拥有一个没有“漏洞”的牵引特性,来达到节省燃料、减少废气排放的目的；同时, 加速的时候不需切断动力,使轿车不仅乘坐舒适且超车加速性能好,可以减轻驾驶员的驾驶疲劳，提高行车的安全性,因而一直倍受人们的关注 1。但是因为结构尺寸和传动方式的限制, 金属带无级变速传动存在着承载能力较低、速比变化范围较窄的问题, 使其优越性不能得到更加充分的发挥,应用范围受到了一定的限制。而金属带-行星齿轮无级变速传动以金属带为核心, 通过结构的改进, 可使其承载能力提高a 倍(a 为行星排结构参数, a114)、速比变化范围大幅度拓宽, 因而具有更为广阔的应用前景 101.2 无极自动变速器的发展大家都知道,自汽车被创造以来，无极自动变速传动是汽车的理想传动系统，但是到现在为止我们驾驶的汽车还没有使用上满意的无极自动变速装置。人们也从没有停下寻找实现理想变速汽车的脚步，这个问题在世界上还没有得到根本性的解决，也是汽车变速研究的终极目标。自1885年德国的卡特-本茨(CartBenz)制成第一辆现代汽车以来,百余年的汽车发展也始终贯穿着汽车变速器的发展史。汽车变速器已由最初的机械固定轴式发展到今天的液力机械式变速器、金属带式变速器等多种型式的无级变速器。无级变速器(CVT)通过传动比的连续变化,使车辆外界行驶条件与发动机负载实现最佳匹配,使此时的发动机在高效区运转,燃烧完全、排放污染减少、噪声降低。从而充分发挥了发动机的潜力,提高了整车的燃料经济性,使汽车具有一个理想的动力性能。无级变速器传动比的连续改变,无换档跳跃,减缓了汽车变速过程中的换档冲击。显然,无级变速适应了汽车经济性、动力性、舒适性的要求。同时,无级变速器也易与当今先进的计算机技术相接合,构成无级自动变速器。1.3 回流式无极自动变速传动系统的结构组成1.3.1 金属带式CVT概述金属带式无级变速传动(Continuously Variable Transmission)的设计思想是由Hab.Van Doorne博士于1968年首次提出,1987年由日本富士重工首次装车试制成功。因其使车辆燃料消耗减小,排气污染低,操纵简便,调速性能好而倍受国外汽车厂商和专家学者关注。金属带无极变速技术（CVT），采用传动带和工作直径可变的主动轮和从动轮之间的相互配合来传递动力。因为可以连续的改变传动比，所以可以让传动系统和发动机工况非常好的匹配。从而达到节省燃料、降低废气排放的目的；同时,加速无需切断动力, 使车辆不仅乘坐舒适而且超车加速性能好, 并可减轻驾驶员的驾驶疲劳, 提高行车的安全性, 因此一直倍受人们的关注 18。另外，CVT系统的结构简单，零部件数目少，如果汽车制造商大规模生产，将节约成本。1.3.2 回流式无极自动变速传动系统的结构组成金属带-行星齿轮无级变速传动系统有4个关键部份: 定速比齿链传动装置、金属带无级变速装置、行星齿轮传动装置和由3个湿式离合器及1个单向离合器，它的结构示意图如下：L1、L2、L3离合器，L4单向离合器图1-1 金属带-行星齿轮无级变速传动结构示意图在这个传动系统中，金属带无极变速传动装置的驱动轮通过输入轴，一端经减振飞轮与发动机相连，另一端经离合器L1与定速比齿轮的输入轴相连；而定速比齿轮的输出轮与并联的湿式离合器L2、单向离合器L4与行星排的行星架相连；输出轴与行星架的齿圈固定相连；同时输出轴经湿式离合器L3与行星排的太阳轮相连。1.3.3 回流式无极自动变速传动系统的特点最开始的回流式无极自动变速传动系统是由Macey.J.P和Vahabzadeh.H 在1987年第一次提出的，是为了解决金属带无极变速传动速比变化范围有限，传递扭矩低的问题。首先，对于回流式无极自动变速传动，发动机的功率是由齿轮定速比传动和金属带无极传动两条途径来传递的，让离合器的不同组合，来实现低速、高速、倒车、空挡等不同工况，系统的整个变速范围划分为纯无极变速和混合无级变速这两个部分，从而达到了拓宽整个无极变速传动系统的速比变化范围，在理论上来说其速比变化的范围是无穷大的，改善了汽车的起步加速性能 8，与装有液力变矩器的汽车拥有相近的起步性能。其次，在保证金属带和带轮结构尺寸不变的条件下，利用混合传动中系统内部循环功率的作用，可以明显提高传动系统在低速工况下的承载能力a倍。再次，利用混合传动中行星齿轮的功率分流作用和金属带无极调速的功能可实现在不切断发动机动力输出的情况下，保证动力输出轴转速为零的空挡速度，这可以使汽车停车后的重新起步快捷且平稳。传动系统由混合无极变速向纯无极变速转换时，在同步转换点处存在严重的冲击振动问题。经研究发现，导致回流式无极自动变速传动系统在同步点处发生冲击振动的原因主要有三个 9。一是因为在同步转换点附近，金属带传递的功率流向由混合无极变速时的反向传递，突然变成纯无极变速的正向传递所造成的。二是与汽车冲击密度相关的金属带速比变化率，由于混合无极变速时的负值，一下子变成纯无极变速时的正值所造成的。还有一个原因，是因为混合无极变速传动时的部分功率由定速比传动装置传递的，纯无极变速传动时功率仅由金属带传递，而金属带的传递效率明显低于定速比齿轮传递，当传动系统处于同步点处，随着传递路线的改变，一定会造成传动效率的阶梯性增加，从而导致输出动力的突然变化。但是这些问题可以通过无极变速传动方式和调速控制策略两方面综合加以解决。在回流式无极自动变速传动系统中，它的组要组成部分是金属带，金属带是摩擦传动，它的传动能力受金属带与带轮间润滑油粘度性能的影响非常大，然而润滑油粘度又受金属带与带轮间温度的影响，其温度的变化主要是由传动效率的变化所导致的.如果整个传动系统的效率过低，损失的能量将转化为热能引起润滑粘度的快速下降，从而导致金属带传递能力的下降，其结果将导致金属带打滑、金属带与带轮间磨损增加，金属带使用寿命下降。因此，必须确保整个传动具有一定的传动效率 4。另外，当汽车在倒车工况下时，太阳轮的转速非常大,所以,整个系统的效率很低 6，不适合汽车的实际应用，因此，需要增加一个制动器，利用已有的行星排来实现倒车 11。1.3.4 回流式无极自动变速传动的发展及国内外现状在国内，一些教授通过采用一种类似副变速箱的结构实现传动系统的多段化设计，以拓宽速比变化范围和提高系统的传动效率。国外则以开展i 2或i 32型无极自动变速传动形式居多，其中，最具代表性的是德国慕尼黑工业大学教授领导研究的，通过离合器的不同组合，两次使用金属带以达到拓宽速比变化范围的效果。并利用i 2型无极自动变速传动速比变化范围宽广的优点，将其应用于混合动力汽车的开发中，以提高小功率电机启动时扭矩不足的缺陷 8。除此之外，开展i 2型无极自动变速传动研究的还有美国维吉尼亚大学Victor.H.mucino 、德国 ZF公司的Adamis.P、意大利的Mangialardi.L等等，虽然他们研究的结构形式各不相同，但都有效的拓宽了传动系统的速比变化范围。但是上诉研究系统中都存在着一点缺陷，传动系统性相对于纯无极传动系统机构复杂，制造成本增加。孙冬野教授在回流式无级自动变速传动系统调速特性和传动效率分析的基础上，以提高效率为出发点，通过对原有系统低速档、 倒档工况下的效率分析，并对原有结构进行了优化。对传动系统的最大速比、 最小速比和倒档速比进行了计算分析，提出了回流式无级自动变速传动系统的结构参数设计方法。以长安羚羊 SC7101轿车为设计原型，在保持原车性能的基础上给出了对原型车的回流式无级自动变速的改造实例。提出了基于传动系统效率大于 80% ,速比变化范围大于7的回流式无级自动变速传动系统的设计方法.此方法可确保传动系统高效传递动力，并始终保证发动机处于最佳状态下工作，可用于对普通轿车和超轻度混合动力轿车进行无级变速的改造。这对回流式无极自动变速系统传动系统的发展，做出来非常大的贡献。1.4 论文的主要研究工作内容（1）以长安SC7101轿车为设计对象，建立回流式无级自动变速传动系统总体参数的设计方法，包括倒档速比、最小/最大速比范围、主减速比、定速比传动速比、行星排结构参数等，并完成传动系统结构草案的布置。（2）回流式无级自动变速传动系统运动关系、受力分析，为轴承、离合器等关键部件的选型奠定基础。（3）完成回流式无级自动变速传动系统关键部件结构尺寸的设计和强度计算。包括定速比齿轮传动机构设计、行星排结构参数选择和设计计算、轴的设计、离合器设计、轴承选型及寿命校核。2. 回流式无极变速传动的参数设计无级式变速器（Continuously Variable Transmission,CVT）可以保障发动机在不同油门开度下，一直沿着最佳燃油经济控制线运行，被称为最理想的汽车传动系统。金属带无级变速传动虽然有许多优点，但其速比变化范围不够宽，转矩传递能力比较低，使其应用范围受到了一定的限制。在车辆传动系统的设计方面，金属带行星齿轮无级变速传动不仅继承了纯金属带传动的优点，同时也进一步增强了纯金属带传动传递转矩的能力，拓宽了速比变化范围和提高了其动力性。2.1 回流式无极变速传动系统的工作原理回流式无极自动变速传动系统由四个关键的部分组成：定速比齿轮传动装置、金属带无极变速传动装置、四个离合器和行星排结构组成。2.1.1 回流式无极变速器的工作原理回流式无极自动变速传动系统通过离合器的结合和分离的不同组合，金属带无极变速装置速比的不同选定，来形成多种不同的回流式无极自动变速传动系统传递功率的形式 2。回流式无极自动变速传动系统共分为四个运行工况：起步工况、回流传动工况、纯无级传动工况、倒挡工况。(1)起步工况 传动系统的所有离合器都处于分离状态，这时候的传动系统为空挡状态。可以控制离合器L 1使车辆起步。(2)回流传动工况 使接合离合器L 1和离合器L 2 ，单向离合器L 4的方向布置使它在这种情况下能与离合器 L2一起传递正向扭矩，让车辆处在较低的车速下行驶。这时候的功率流相对