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小功率机械无级变速器结构设计摘要机械无级变速器是一种调速传动装置,该装置能适应自动化和机械化发展需求，并且能改善机械运转过程的性能指标。本文主要详细阐述摩擦式机械无级变速器的机械结构、工作原理、设计方案选取、计算方法、润滑密封及选材等多方面的知识，并由此给出本文中设计的无级变速器的理论的依据。该装置的传动钢球轴的偏转设计是用一种加压装置来实现推动的，通过改变钢球的半径大小来实现钢球外推式式无级变速器输出轴的转速变化。本文通过研究传动过程中变速装置的钢球，主从动轮和外环的设计原理以及它的受力情况;详细的计算并推导了该种减速传动装置设计的理论公式；并通过设计参数进行了具体的计算设计。完成了所计算的该种传动变速速装置的整体装配图和主要传动零部件的的工程图，通过这些图纸更加直观的将该传动机构的原理和结构等方面的要求表达得更为清晰准确。这种无级变速器具有非常实用的使用价值同时还有良好的机械结构和性能优势。该种无级变速装置可以进行大规模的批量生产。其主要特点是：1.调速范围空间大；2.功率稳定性强；3.可以完成正反转和升降转速等多种模式进行工作;4.传动平稳，抵抗冲击能力强；5.可以输出较大的功率；6.使用寿命长；7.工作可靠，维修方便。关键词：钢球外锥轮式，摩擦式，机械无级变速器SMALL POWER MACHINERY VARIATOR STRUCTURE DESIGNAbstract The mechanical stepless transmission is a kind of speed regulating transmission device which can meet the needs of automatic and mechanized development, and can improve the performance index of mechanical operation process.This article mainly elaborated the friction type mechanical stepless transmission of mechanical structure, working principle, design scheme selection, calculation method, lubrication, sealing and material aspects of knowledge, and thus given in this article, the design of stepless transmission theory basis.The device of the steel shaft deflection design is to use a pressure device to realize the drive, by changing the radius of the size of the steel ball steel ball extrapolation try stepless transmission output shaft speed changes. In this paper, the design principle of the driving wheel and outer ring and its stress are studied by studying the steel ball in the transmission process. The theoretical formula of the design of the deceleration drive device is derived in detail. And the design parameters are calculated.Completed the whole calculation of this kind of variable speed transmission device and the main transmission parts of engineering drawings, assembly drawings with these drawings more intuitive to the transmission mechanism to meet the requirements of the principle and structure of the expression is more clear and accurate.This kind of stepless transmission has very practical use value and has good mechanical structure and performance advantages. This kind of stepless variable speed device can be used for mass production.Its main features are:1. The scope of speed regulation is large; 2. Strong power stability; 3. Can complete the work of multiple modes such as positive and negative rotation and lifting speed. 4. Stable transmission and strong resistance to impact; 5. Can output large power; 6. Long service life; 7. Reliable work and convenient maintenance.Key words: Steel ball outside cone，mechanical stepless transmission，friction第一章 绪论1.1 毕业设计要求毕业设计内容：通过对比多种设计方案，并从中选择出合适的设计方案，并对机械无级变速器传动装置的机械结构进行分析计算。主要的过程和内容：完成机械无级变速器变速传动装置的总体设计方案，选取合适的电动机，计算该类型传动装置的运动和动力参数，对关键的核心零部件进行强度校核和寿命计算。同时在结构设计时也要考虑制造成本的问题，应使制造成本尽量的小。安装拆卸方便,外观要匀称、美观，调速灵活多变，并且不能出现卡死和堵转等现象发生，能实现无级动态的调速过程；关键部件满足强度和寿命要求。工作量要求：完成1 张整体的装配图，2 张传动的重要零部件工作图，编写1份毕业设计说明书。设计条件：1）输入功率：P=1.5kW2）输入转速：n=1500 r/min3）调速范围:800-2500r/min4）工作时间：两班/8h，寿命：5 年设计内容：1）机械无极变速器调研；2）变速装置整体的方案确定及结构设计；3）机械无极变速器的参数确定；4）主要零件的结构设计与计算；5）主要零件的校核。6）整体的机械结构设计，绘制成套的二维设计图纸及撰写设计说明书。1.2机械无级变速器的发展史早在19世纪70年代，机械无级变速器就已经开始被提出,但因为当时加工所需材料与制造工艺等因素的条件限制, 机械无级变速器发展极其的缓慢。直到1970年以后,一方面随着金属冶炼技术的日渐成熟和热处理技术的不断改进,高档数控机床和精密与超精密加工等装备的出现和发展,解决了机械无级变速器的研制和生产过程中的限制因素;另一方面,随着生产制造工艺实现自动机械化，以及在一些十分重要的地方要求提升机械的工作性能,需要大量的广泛使用无级变速装置。所以在这种背景下,机械无级变速装置得到了十分快速和广泛的发展。开始时主要研制和生产的国家主要掌握在少数的发达国家手里，例如：德国、日本、美国、意大利和俄国等。产品大约有30多种结构型式，但大体上可分为链式、摩擦式、脉动式及带式四种类型。日本人在1987年把使用CVT作为变速传动装置的汽车投放入市场得到了广泛的关注并且获得成功。之后欧洲也将VDT-CVT型号变速传动装置用于排量为1.1-1.6L的小轿车上。随着科学技术的不断进步与发展，节约能源和环境保护意识被全球性的能源危机引发而逐渐的被提高，在积累了第一代的CVT型号变速传动装置的经验后，逐步研究开发了转矩更大、性能更佳的变速传动装置（CVT）。当前，全世界各大知名的汽车公司为了提高公司汽车产品的核心竞争力，都在极力的进行CVT变速传动装置的研究开发工作。目前在TOYOTA、NISSAN、GM和FORD等世界最为著名的汽车品牌中，销售的轿车都使用了CVT变速传动装置，全世界使用CVT作为变速传动装置轿车的年产量已达到将近50多万辆。值得我们格外注意的一件事是，使用CVT作为变速传动装置的汽车市场中，由最初的日本、以德国为代表的欧洲等市场，已经逐步的渗透到以美国为代表的北美市场以及中国国内市场，因此说无级变速汽车是当今汽车行业发展的重要趋势之一。1.3机械无级变速器的研究现状当前无极变速器已经在各类机械行业中得到了十分广泛的应用与发展，无极变速器的变速传动原理研究也越来越广泛。为了实现无极变速，以前的机械无极变速器只依靠摩擦的方式进行传动，由于摩擦传动方式具有不可消除的缺陷，因此很难实现大功率的传动变速过程；所以具有摩擦力小且传动效率高的无极变速装置的传动研究已经逐步成为当前国内外的主要研究方向。随着科技近几年来的不断向前快速发展、新材料的不断发展和改进，以及加工制造技术的日益提高，以CVT作为变速传动装置机器正朝着以下几个方面提高：在结构上，目前CVT的变速传动装置在结构基础上通过应用新型材料使变速器变得更加轻巧紧凑，同时还使结构可靠性在优化后得到保障。在性能上，通过对传动装置与钢带的改进使CVT的变速传动装置可以广泛的应用于大排量的轿车，因为结构及啮合部位摩擦损失的能量减少，所以CVT的变速传动装置在传动效率方面也会有大幅度的提高。同时CVT的变速传动装置与其相对应的发动机结合也可以得到更多更好的操控性、节油性和舒适性，CVT和CVVT两种型号变速传动装置配合使用是当前使用的较好的组合形式。近年来通过相关技术的引进-消化-吸收-再创新,机械无级变速器的研制和生产制造在国内出现了新的发展方向。在控制系统上，通过对现有控制系统控制精度的改进，使之完成对传动速比、离合器与夹紧力等方面的控制。同时对轿车在不同路况下的动力需求也更加贴切，而动力的需求控制是一台优质CVT型号变速传动装置的前提条件。汽车产业是我国重要的民族工业之一，并且我国汽车销售市场有巨大的发展空间。使用自行研究开发生产以CVT作为变速传动装置，它的成本基本没有太大的变化，这一点充分的说明了以CVT作为变速传动装置的汽车市场前景十分乐观。在世界范围内，发展潜力最大的汽车市场在中国，CVT的变速传动装置技术在各种中小型汽车发展史上具有十分重要的变革意义。在所有的无级变速传动装置中，应用广泛的无级变速传动装置是金属带式无级变速器，所以攻克CVT的变速传动装置传动原理和控制方式等关键核心的技术，对我国国产轿车的性能改善，并对我国挑战国外发达国家在CVT方面的技术具有十分重要的意义。它不仅能能带来巨大的社会和经济效益，还对我国汽车工业的繁荣发展和相关工业的发展起到促进作用。1.4机械无级变速器的特点和应用CVT作为变速传动装置技术即无级变速技术，它的主、从动轮工作半径可以改变，采用主、从动轮和控制装置的配合使用来传递动力。是一种在一定的输人转速情况下来保证输出转速可以在一定范围内进行连续不间断变化的运动和动力传递机构。该装置包含：调速、变速传动及加压和输出机构。无极变速传动装置近年来已在汽车行业开始广泛的使用无级调速装置，目前在汽车上以CVT作为调速的传动装置大部分都是采用摩擦传动，其磨损严重，功率小效率低，主要通过摩擦力来实现动力传递。无级变速传动装置在汽车上的实际应用，大大的提高了汽车的使用性能，同时也带动无极变速器在汽车上的广泛发展， CVT的变速传动装置技术是推动汽车行业发展最有前景的一种有力式。由于CVT的变速传动装置可以实现速比的无极连续变化，能够实现发动机的工作点和变速传动装置的最佳匹配，大大的降低了汽车的排放量，提高了整体的性能。目前在汽车上用无极变速传动装置作为传动系统，有非常大的发展空间，促使CVT的整个系统往机械化、自动化方面发展。而其结构简单紧凑，便于拆卸、价格合理，已经使CVT广泛应用在纺织、冶金、石油化工、制药、和电子等领域的机器中。1.5 本文研究的内容本文主要是对机械无极变速器的发展背景、特点进行概述。通过传动比的计算，确定本次设计无极变速器的调速范围，以及给定的功率参数在机械设计手册第五版表10.3-1中选择，从28种原理方案中选择出符合参数条件的六种原理方案；并对符合条件的原理方案的优缺点进行分析对比，从中选择出钢球外推轮式作为本次设计的原理方案。并对轴和轴承的设计计算、校核进行详细的说明，此外还对调速机构的设计计算、受力情况分析及加压装置等方面的设计计算进行说明，并且绘制出整体的装配图、重要的非标零部件图。通个以上的说明，设计出本文选择的以钢球外推轮式为原理方案的无极变速器。第二章 机械无级变速器总体方案2.1电动机的选择与传动比的计算2.1.1电动机的选择所需设计的钢球外锥式无级变速器的主要技术参数为：输入转速,输入功率，调速区间在的范围内。在机械设计课程设计表19-1中查得：型电动机（）符合。2.1.2传动比的计算变速比： 传动比： 根据变速比、传动比以及给定的功率参数选择合适的原理方案，在机械设计手册第五版表中查得，其中有六种原理方案符合本次的设计参数。2.2机械无极变速器原理方案2.1.1钢球长锥式无级变速器 图1 RC型变速器结构简图 图2 RC型变速器的机械特性图1是一种钢球长推锥式无级变速传动装置的工作原理简图。不需要加压装置，而是通过钢环的弹性楔紧作用就可以实现自动加压。由于两对分离轮被两轴线平行的长锥替代，并且通过移动的钢环来实现连续变速的，其调速范围由于长锥的锥度较小而受到一定的限制，且结构简单。机械特性如图2所示。特性参数为：变速比,传动比 ,机械效率，输入功率。RC型变速器可实现升速和降速功能，一般用于机床和纺织机械等，有自紧作用不需加压装置。2.1.2滚轮平盘式无极变速器原理简图如上图所示，通过小齿轮左右滑动，改变工作半径来改变传动比。特性参数：。滚轮平盘式无级变速器属于相交轴，升、降速型，可逆转；用于机床、计算机构、测速机构。2.1.3钢环分离锥型无级变速器图1原理简图图2机械特性特性参数：。钢环分离锥式是平行轴分布同时可实现对称调速功能的一种变速装置，钢环自紧加压；用于机床，纺织机械等。2.1.4齿链式（滑片链）无极变速器图1原理简图图2机械特性特性参数：。齿链式无极变速器是平行轴分布同时可实现对称调速功能的一种变速装置；广泛用于纺织、重型机械和无滑差机床等各个领域。2.1.5普通V带、宽V带、块带式无极变速器图1原理简图特性参数：(宽V带、块带），（宽V带），(块带式);(普通V带)，。其属于平行轴，对称调速，尺寸大；用于机床、印刷机械、电工、橡胶、农机、纺织、轻功机械等。2.1.6钢球外锥轮式无级变速器图1原理简图图2机械特性图1中，通过钢球的挤压改变中间元件的半径来改变传动比。特性参数：。属于同轴线，升降速型，对称调速；用于纺织、电影机械、机床等。2.3方案的比较与选择通过对比上述六种设计方案并从中选出合理的设计方案。方案1：钢球长锥式无级变速传动装置在结构上简单，并且由于在调速过程中控制钢环移动的装置设计难度系数过大，需要高精密的装置才能实现，故对增大材料和设计的难度，增加其制造成本。因此设计显得不合理。方案2：滚轮平盘式无极变速器机构简单，在调速时控制齿轮移动装置复杂，且两个齿轮在移动中啮合困难，结构设计难度大，故可行性低。方案3：钢环分离锥式无极变速器用两平行的锥轮代替分离轮，通过钢环移动来变速。由于锥轮的锥度小，则变速范围受到限制，选择空间小。而且因为钢环内锥顶点与锥轮顶点的位置不一致，及其容易发生几何滑动，降低了传动效率，故实际符合情况低。方案4：齿链式无极变速器结构复杂，并且齿链工作时噪声大，对润滑需求和润滑油的质量要求大，及工作时有一定冲击，使其传动不平稳，可靠性降低，故选择性低。方案5：V带式无极变速器结构简单，并且负载过大时皮带容易打滑、弹性滑动、发热等现象，能量大损失大，造成传动效率降低，所以可选性低。方案6：外锥轮式无级变速器不仅结构较简单，且该种无级变速器还有以下特点：（1）输入轴与输出轴选用相同的轴，并且轴的结构对称，加工制造方便，输入、输出端互换性良好。（2）传动效率高和恒功率输出的优点。（3）变速范围大。（4）有自动加压装置。（5）能再运行过程中调速。（6）传动功率比较大。因此选择此变速器方案为设计方案，对该原理方案中实现调速原理与传动比的计算公式进行分析推理，同时对该变速器的装置进行部分优化设计。2.4钢球外锥轮式无级变速器调速原理分析图1图1为外锥式无级变速器调速的原理图。在图1中的中间轮为钢球，接触方式是点接触。通过改变中间轮的回转轴线倾斜角来改变两侧的工作半径从而实现变速的功能。通过对该图的原理进行分析推导，得出传动比与倾斜角、钢球工作半径、及锥面直径的关系，即传动比与倾斜角的关系，如下所示。如图1所示： R为钢球的半径，为锥轮锥顶半角，取。由图得而即则同理可推得在三角形OMN中，在三角形OEF中，从而得到两侧工作半径、之间的关系，即从图1中可得：在三角形POM中，在三角形COF中，则通过化简得到两个锥轮的直径相等，即在接触点F的线速度为：在接触点M的线速度为：同一个钢球上任意点的角速度都相等，从而两点间的线速度之比等于其半径大小之比，即传动比通过以上的分析推理，得出该原理方案的传动比与倾斜角的关系，即，因此，该方案的调速原理就是传动比与钢球回转轴线的倾斜角有关，即此传动比随着回转轴线的倾斜角改变而改变。第三章 钢球外锥轮式无级变速器重要零部件的计算3.1主、从动轴上锥轮与钢球的计算1.试确定传动件的主要尺寸 选材料：钢球、外环、锥轮及加压盘等关键零部件均使用的是材料，摩擦系数，表面硬度为，许用接触应力，传动件，加压元件。2.预选有关参数为：传动钢球个数为，锥轮锥顶半角为，加压钢球数为，锥轮与钢球之间的直径比, 载荷系数, 机械效率。3.有关运动参数的计算 由调速范围r/min 传动比 钢球支撑轴承的极限转角： （增速方向） （减速方向）4.确定传动钢球的直径 曲率系数： 由，根据值查表（机械设计手册4）得，则，代入公式 表3-1 单位mmP3.00.750.5369.8563.557.1547.6255118.475107.95101.688.976.269.8563.557.1547.625426112.125101.688.976.269.8563.557.1547.6254236.5137101.688.976.269.8563.557.1547.6254236.513888.976.269.85通过计算的传动钢球直径，以及输入功率从表3-1中选取标准的传动钢球直径，取mm。锥轮的直径mm圆整取则验算接触应力由于接触应力介于材料Gr15的许用接触应力区间内，所以该计算过程的参数可以满足需求。5. 相关尺寸计算钢球中心圆直径 钢球侧隙 外环内径Dr由公式 外环轴向截面圆弧半径R 取 锥轮工作圆之间的轴向距离为 取3.2加压盘的设计与计算1.钢球式自动加压装置该加压装置由加压盘、保持架、钢球、弹簧和摩擦轮等零件组成，加压盘均布的每个V行槽内都有一个钢球，加压盘和摩擦轮之间靠改变调整垫圈的厚度来调整弹簧的预压力及变形量来实现自动加压的。2.加压装置主要参数计算加压盘作用直径 式中D1锥轮的直径。加压盘V行槽的倾角 取 其中 锥轮锥顶半角； f锥轮与钢球的摩擦系数。 由加压钢球按经验公式得： =取滚子个数，横向中间截面的半径尺寸为 ，轴向截面内圆弧半径尺寸为。检验其强度：每个加压滚子上法向压紧力： 加压滚子曲率系数根据，系数，则，选取计算出加压盘的最大接触应力为：由校核强度 ，满足设计要求。3.3调速涡轮槽型曲线的计算通过对图的分析，计算调速涡轮槽型曲线的尺寸。图3-2调速涡轮的槽型曲线在调速过程中，蜗轮转角通常在的区间内变化。槽型曲线用圆弧曲线进行代替，同时变速槽的中心线也一定要通过A,B,C三点，它们的极坐标（点为极点）分别为：其中定出A,B,C三点位置并用作图法作出相应的圆弧半径及圆心，槽宽取。3.4输入、输出轴的计算1.输入轴上零件的装配方案的拟定轴结构设计的前提条件是预先完成轴上零件的装配方案，即完成轴上主要零件的装配方向、顺序和配合关系。所以该装配方案对轴的基本形式起到了决定性作用。本文选择的装配方案上零件有轴承端盖、轴承、加压装置、套筒、锥轮等零部件来装配，具体见装配图。2.输入轴上零件的定位轴上零件均要进行轴向和周向定位，其目的是保证其准确的工作位置工作效率，避免轴上零件受力时发生轴向或周向的相对运动。定位方式采用的是轴肩、套筒和轴承端盖等零件确保的。3.计算输入轴的最小轴径选取轴的材料为经过调质处理的45钢，根据机械设计教材中表15-3可知，则有： 4.由轴向定位要求确定输入轴的各段尺寸图3-3 输入轴与锥轮连接处为输入轴的最小直径，锥轮的工作直径为，为了保证轴与锥轮配合对称性良好，采用锥轮标准的推荐直径为。即轴安装锥轮为过渡配合，故取，轴安装加压盘及轴承，通过花键来实现对锥轮端面的固定，从而结合轴径的选择选取花键尺寸为，则轴的尺寸为，轴段上的轴肩对上的轴承起定位作用，取，轴段安装一轴承，取该段，轴安装轴承端盖，对轴承挡圈有定位作用，取，直接采用毡圈密封，轴安装V带，取，。到这已基本上完成了轴的各段直径和长度。其中，退刀槽的槽宽2mm,深2mm。由表6-1（机械设计教材）查得I轴上平键截面: ，键槽用键槽铣刀加工，长度，轴上平键截面: ，长度。为保证轴与锥轮的对中性良好，所以选择其配合为。参考表15-2取轴端倒角为。为减少工艺和和保证轴良好的互换性，并根据输出轴上的最小轴直径估算为，输入轴上的最小轴径符合要求，所以本文选择主、从动轴完全相同的方式进行设计。3.5轴承的选取由于滚动轴承不仅可以承受径向力作用，还可以承受轴向力作用，并且根据轴的受力情况和工作要求，初步选择滚动轴承。轴上的轴承主要用来平衡轴的轴向载荷，由在表（机械设计成设计）中选择型号为的角接触轴承（摘自）。轴段主要承受径向载荷作用，只需在轴V段上安装深沟球轴承配合承受径向载荷即可，根据，故从表13-2（机械设计课程设计）选取型号为深沟球轴承（摘自）。3.6端盖的设计计算轴承及变速器的结构决定了端盖的尺寸，左右两端的端盖相同，其结构和计算公式由机械设计课程设计表4-15选取，具体见装配图。图3-4 凸缘式轴承端盖3.7调速机构的设计计算1.调速机构的设计调速机构的作用：按工作要求，通过改变传动钢球回转轴线的倾斜角使其工作半径变化，来改变其传动比来输出速度，从而实现无级变速。变速器中传动机构和滚动体结构不同，其调速机构也不同，但基本原理都是调速时使滚动体沿另一物体表面作相对运动的方式，一般是直线移动和旋转(摆动)两种力式7。因此将调速机构分为以下两大类：（1）使滚动体移动来改变工作半径的一种调速机构。（2）通过使滚动体的回转轴线的偏转来改变工作半径的一种调速机构。本文选用第二种调速机构，通过涡杆与涡轮组合而成的普通圆柱蜗杆传动机构。通过涡杆与涡轮控制钢球围绕其轴心转动，改变钢球主、从动侧工作半径来调速。采用单头蜗杆来增加自锁性，设计时保证调速涡轮避免与其它零件发生干涉7。传动钢球回转轴偏角与手轮转角关系为：2. 圆柱蜗杆传动的计算根据设计要求，要求反行程具有自锁性，即蜗杆带动涡轮。则蜗杆的齿数，由于是动力传动，根据推荐值取（机械设计表11-1），则传动比。本次设计用蜗杆传动控制钢球转动，因转动速度不会太大，故采用浸油润滑。故取输入转速则涡轮上的转矩其中因工作载荷稳定，故取,由表11-5(机械设计)选取使用系数，由于转速不高、冲击小取动载系数。则载荷系数根据涡轮材料为铸锡磷青铜且蜗杆螺旋齿面硬度，从表11-7中查得涡轮的许用应力。则由式11-10（机械设计）得：因，从表11-2（机械设计）中取模数，蜗杆分度圆直径。由表11-3（机械设计）中的计算公式得出以下几个表中涡轮、蜗杆的基本参数。表3-2 蜗杆基本尺寸 模数轴向齿距分度圆直径头数直径系数齿顶圆直径齿根圆直径值表3-3 涡轮基本尺寸涡轮齿高（mm）涡轮齿顶高（mm）涡轮齿根高（mm）蜗轮分度圆直径（mm）涡轮喉圆直径（mm）蜗轮齿根圆直径（mm）涡轮咽喉母圆半径（mm）8.844.8248256238.431.5表3-4 涡轮、蜗杆匹配参数中心距传动比模数压力角蜗杆头数涡轮齿数分度圆导程角涡轮变位系数159.56241620生产制造过程中，曲线槽与支承轴的侧隙0.05mm左右，过大可能导致冲击现象，造成支承轴弯曲或折断，蜗轮上的槽要严格控制其圆周不等分性7，避免造成因钢球转速不一而导致的磨损和温升过高等现象发生。第4章 主要零件的校核4.1输入、输出轴的校核图4-1依据图4-1中轴的结构简图做出轴的计算简图。图4-2转矩圆周力径向力轴向力从输入、输出轴的弯矩和扭矩图中可以得出:轴的截面C是轴的最为危险的截面，截面C处的的计算数据如表4-1所示。表4-1载荷水平面H垂直面V支反力F,弯矩M总弯矩扭矩T按弯扭合成应力对轴的强度进行校核，只需校核轴上最危险截面C的强度即可保证轴的强度安全，由（机械设计）第十五章中式15-5和表4-1中最危险截面C的数据可知：扭转切应力为脉动循环变应力，取4。轴的计算表达式为：之前选定轴的材料为经调质处理的45钢，按照表1