（机械电子工程专业论文）部分变径式无级变速器的开发与结构强度有限元分析.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 无级变速传动是传动领域所追求的理想目标，实用化的无级变速传动也是传动领域的 研究热点，机械无级变速是无级变速传动领域最重要的分支，其从原理上具备得天独厚的 优势，与普通的机械传动一样，机械无级变速具有恒功率、高效率、可靠性高等优点，因 此也是投入研究最多的传动技术。而带式无级变速器由于其结构简单、制造容易、工作平 稳、能吸收振动、易损件少、带的更换方便等优点，已成为机械无级变速器中广泛应用的 一种，在工业上具有大规模的经济效益。 本文结合汽车无级变速器技术研究，通过调研分析及资料查新，进行了新型剖分变径 式无级变速技术研究课题。剖分变径式无级传动采用分体式带轮结构，利用带轮分体的径 向膨胀与收缩，来改变带轮整体工作直径，从而实现连续无级变速的目的。与传统带式无 级变速器相比，剖分变径式无级变速器大大减小了带轮对传动带的侧向挤压力，减少了传 动带的磨损，从而，延长了带的使用寿命。 本文主要对两级传动剖分变径式无级变速器进行了原理介绍、运动分析、结构设计与 力学强度分析等。研究过程中，介绍了介绍了两级传动剖分变径式无级变速器的原理及总 体构造方案，对剖分式带轮传动进行运动特性分析；结合两级传动剖分变径式无级变速器 结构与设计参数的要求，对c v t 的主要工作参数及结构参数进行了分析计算，完成了各个 主要零件的结构尺寸设计；运用p r o e 软件，建立了剖分变径式无级变速器各主要零件的 三维模型，并从底层逐步向上装配，生成了变速器的三维整体装配图，以检验各零件间的 连接和干涉问题；分析了剖分变径式无级变速器的主要动力传递过程，并运用a n s y s 有 限元分析软件，对主要传动零部件进行了结构强度分析。本文研究达到了预期的目标，为 剖分变径式无级变速器的进一步开发研究奠定了基础。 关键词：无级变速器；剖分式带轮；带传动；传动机构 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c v tt r a n s m i s s i o ni st h ea r e ao ft h ep u r s u i to ft h ei d e a l sa n dg o a l s ，t h ep r a c t i c a lu s eo ft h e c v tt r a n s m i s s i o ni sa l s oh o ta r e a so fr e s e a r c h , m e c h a n i c a lc v tc o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o ni st h em o s ti m p o r t a n ta r e a 8o ft h eb r a n c h ，f r o mt h ep r i n c i p l eo fw h i c hi s u n i q u e l y p o s i t i o n e d w i t ho r d i n a r ym e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，ac o n t i n u o u s l yv a r i a b l em e c h a n i c a lc o n s t a n t p o w e r , h i 曲e f f i c i e n c y , h i 曲r e l i a b i l i t ya d v a n t a g e s ，i ti s a l s ot h el a r g e s t s t u d yi n t ot h e t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y v - b e l tc v th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l e s t r u c t u r e ，e a s y m a n u f a c t u r i n g , w o r ks t a b l ea n ds oo n s oi th a sb e c o m eo n eo fm e c h a n i c a lc v tw i d e l yu s e d w i t ht h ee c o n o m i cb e n e f i t so fl a r g e s c a l ei ni n d u s t r y t h r o u g ht h e i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n d a n a l y s i sa b o u ta u t oc v tt e c h n o l o g y , t h i s d i s s e r t a t i o nc a r r i e do u tan e wr e s e a r c ha b o u tt h es p l i ta n dv a r i a b l e r a d i u sc o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y w i t ht h es p l i tp u l l e ys t r u c t u r e ，t h es p l i ta n dv a r i a b l e r a d i u sc v r c h a n g et h e o v e r a l lp u l l e y sw o r k i n gd i a m e t e rb yt h ep u l l e yp a r t s r a d i a le x p a n s i o na n d c o n t r a c t i o n ，i no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s ef o rc v t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lv - b e l tc v t ， t h es p l i ta n dv a r i a b l e r a d i u sc v te l i m i n a t e st h ep r e s s i n gf o r c ea c t i n go nt h es i d eo ft r a n s m i s s i o n b e l t ，r e d u c e st h ew e a ra n dh e r e b y , e x t e n d st h eb e l t sl i f e t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yc a r d e do u tp r i n c i p l ei n t r o d u c t i o n ，c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ，s t r u c t u r e d e s i g na n di n t e n s i t ya n a l y s i sf o rt h es p l i ta n dv a r i a b l e - r a d i u sc v tw i t ht w og r a d e st r a n s m i s s i o n i nt h er e s e a r c h ，t h ep r i n c i p l ea n do v e r a l lp r o g r a ms t r u c t u r ew a r ei n t r o d u c e d ，a n dt h em o v e m e n t c h a r a c t e ri nt r a n s m i s s i o nu s i n gs p l i tp u l l e y sw a sa n a l y z e d i nt h en e e do ft h es t r u c t u r ed e s i g no f c t h em a i nw o r k i n ga n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fc v tw a r ec a l c u l a t e d 。a n dt h ed i m e n s i o no f m a i nc o m p o n e n t sw a r ed e s i g n e d a n dt h e n ，b a s e do np r o e ，t h ed i s s e r t a t i o nb u i l tt h e3 dm o d e l s o fc v t ，a s s e m b l e dt h e m ，a n dg e n e r a t e dt h eo v e r a l la s s e m b l yo fc v ti no r d e rt oc h e c kt h e c o n n e c t i v i t ya n di n t e r f e r e n c ea m o n gt h ec o m p o n e n t s a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h em a i n p o w e rt r a n s m i s s i o np r o c e s s ，a n dt h e nc a r r i e do u tt h es t a t i ca n a l y s i sa n di n t e n s i t yc a l i b r a t i o no n t h em a i nd r i v ec o m p o n e n t su s i n ga n s y s t h ed i s s e r t a t i o n sr e s e a r c ha c h i e v e dt h ee x p e c t e d t a r g e t ，a n dl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h es p l i ta n dv a i l a b l e - r a d i u sc v t k e yw o r d ：c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ( c v t ) ；t h es p l i tp u l l e y ；b e l tt r a n s m i s s i o n ； t r a n s m i s s i o no r g a n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：翌虫地 日期：三聋：羔! 口 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照 武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：堡迄幽 指导教师签名：叠廖立塑i 塾 e t 穆d 眄钙i 一 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 引言 第一章绪论 无级变速传动是指在某种控制作用下，使机器的输出轴转速可以在两个极值范围内连 续变化的传动方式。无级变速器是一种独立的传动部件，它具有输入和输出两根轴，通过 能传递转矩的中间介质( 固体、流体、电磁流) 将输入、输出轴直接或间接地联系起来， 以传递动力。当对输入、输出轴的联系关系进行控制时，即可使两轴间的传动比在两个极 值范围内连续而任意的变化。无级变速传动和定传动比、有级变速传动相比，能够根据工 作需要在一定范围内连续变化速度，以适应输出转速和外界负荷变化的要求，而且恒功率 特性好，因而在现代机械传动领域内占有重要地位。 采用无级变速器，尤其是配合减速传动时进一步扩大其变速范围与输出转矩，能更好 地适应各种机械的工况要求，协调它们之间的运动，使之效能最佳，在提高产品的产量与 质量，适应产品变换需要，节约能源，优化整个系统使其机械化、自动化等各方面皆表现 出良好的效果。所以无级变速器目前己成为一种基本的通用传动形式，广泛应用于纺织、 轻工、食品、包装、化工、机床、电工、起重运输、矿山冶金、工程、农业、国防、及试 验等各类机械，已开发有各种类型并己系列化生产【l 一。 车辆运行过程的自动变速一直是人们追求的目标，也是目前汽车技术发展到高级阶段 的标志。汽车行业使用的机械无级变速器不仅要能在较大的范围内改变汽车驱动轮上的速 度大小，而且还要能保证在较大范围内改变驱动轮上转矩的大小。除此之外，还应该保证 汽车具有最佳的动力性和燃油经济性。因此，车辆无级变速器具有节油、操纵方便、行驶 舒适等特点。它能使整车具有更好的驾驶性能、良好的行驶性能，提高行车安全性，降低 了废气排放 3 5 1 。 1 2 无级变速器的类型及特点 无级变速器的形式繁多，按照传动介质的不同主要分为电力式、机械式、液压式等三 大类【6 1 。 1 2 1电力无级变速器 电力无级变速器可分为电磁滑差式、直流电动机式和交流电动机式变速器三类： ( 1 ) 电磁滑差式调速技术 电磁滑差式调速技术通过改变其励磁电流来调速，它属于一种较为落后的调速方式。 其特点结构简单、成本低、操作维护方便，但滑动量大，效率低，发热严重，不适合长期 负载运转，故一般只用于小功率传动。 ( 2 ) 直流调速技术 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 直流调速技术通过改变磁通或改变电枢电压实现调速。在过去很长一段时间内，直流 调速作为通过调节动力源速度实现调速的唯一手段，曾广泛应用于各工业传动领域，其特 点是调速范围大，精度也较高，但存在一些固有的难以克服的缺点，主要在于其电枢电流 是通过机械式换向器接入电枢绕组的，由于换向环大，其接触碳刷与换向整流子是很容易 损坏的，故需经常维修，且容量、电压、电流及转速均因此受到限制，导致直流调速无法 应用于一些大功率驱动场合，只适用于中低功率范围。由于同样的原因，其应用环境亦受 到影响，如难以应用于易燃、易爆及粉尘较大的场合，现已逐步被交流电动机替代。 ( 3 ) 交流调速技术 交流调速技术通过变极、调压和变频进行调速。作为驱动动力源的主力，交流电动机 具有结构简单，造价低廉，结实耐用，事故率低，容易维护等优点，且在容量、电压、电 流和转速方面，不像直流电动机那样受到诸多限制。但是交流电动机最大的缺点是调速困 难，虽然有调压调速、半级调速、变极对数调速等措施可以利用，但其性能指标不佳，故 不适于频繁调速。目前实际应用最多者为变频调速，即采用一变幅器获得变幅电源，然后 驱动电动机变速，其优点是调速性能好，效率较高，适用功率范围宽等。 1 2 2 液体传动式无级变速器 液体传动方式分为两类：一类是液压式的，主要是由泵和马达组成，或由阀与泵组成， 适应于中小功率传动；另一类是液力式的，采用液力偶合器或液力变矩器进行变速传动， 适用于大功率。这两类传动的共同特点是调速范围大，可吸收冲击和防止过载，传动效率 较高，使用寿命长，易于实现自动化。但制造精度要求高，价格较贵，输出特性为恒转矩， 滑动率较大，运转时容易发生漏油。 1 2 3 机械无级变速器 机械无级变速器与液力无级变速器和电力无级变速器相比，结构简单，维护方便，价 格低廉，传动效率较高，实用性强，传动平稳性好，工作可靠。特别是某些机械无级变速 器在很大范围内具有恒功率的机械特性( 这是电力和液压无级调速装置所难达到的) 。因此， 可以实现能适应变工况工作，简化传动方案，节约能源和减少污染等要求，但不能从零开 始变速。机械式无级变速器按传动原理一般可分为：摩擦式、带式、链式和脉动式四大类， 约3 0 种类型。 ( 1 ) 摩擦式 摩擦式无级变速器是指利用主、从动刚性元件( 或通过中问元件) 在接触处产生的摩擦 力和润滑油膜牵引力进行传动，并可通过改变其接触处的工作半径进行无级变速的一种变 速器。摩擦式无级变速器由三部分组成：传递运动和动力的摩擦变速传动机构：保证产生摩 擦力所需的加压装置：实现变速的调速机构。它具有各种不同的结构类型，一般可分为：直 接传动式，即主、从动摩擦元件直接接触传动：中间元件式，即主、从动元件通过中间元件 进行传动；行星传动式，即中间元件作行星运动的传动机构。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 目前，国内应用较广或已形成系列进行生产的主要有：锥盘环盘式、多盘式、转环直动 式、钢球锥轮式、菱锥式、行星锥盘和行星环锥无级变速器等。 ( 2 ) 链传动式 链式无级变速器是一种利用链轮和钢质挠性链条作为传动元件来传递运动和动力的 机械变速装置。它属于开发较早、应用较多的一种通用型变速器。链式无级变速器由链轮 和链条构成的传动机构、调速机构和链条张紧加压机构三部分组成。它是通过主、从动链 轮的两对锥盘的轴向移动实现调速的。按链条结构形式可分为以下几类：滑片链无级变速 器、滚柱链无级变速器、套环链无级变速器、摆销链无级变速器等几种。前两种变速器发 展比较成熟，应用广泛，后两种变速器体现了链式无级变速器的发展方向。 ( 3 ) 脉动式 脉动式无级变速器主要由传动机构、输出机构 f 越离合器) 和调速机构三个基本部分组 成的低副机构，故具有以下特点：传动可靠、寿命长、变速范围大、调速精度高、最低输出 转速可为零、调速性能稳定、静止和运动时均可调速、结构较简单、制造较容易。但它存 在着有待进一步解决的问题，例如：调速范围在扩大之后，在结构和使用上如何实现增速变 速传动和采用复合式超越离合器；高速输出时不平衡惯性力所引起的振动增大，如何避免共 振现象：低速输出时脉动不均匀性显著增加，如何提高单向超越离合器的承载能力和抗冲击 能力等。国际上，在机械式脉动无级变速器领域，目前以德国、美国和日本的技术水平较 高，其成熟技术以德国的g u s a 型及美国的z e r o m a x 型系列产品为代表。就目前来说， 鉴于结构性能上的局限性，现有脉动式无级变速器主要用于中小功率( 1 8 k w 以下) 、中低速 ( 输入n i = 1 4 4 0 r m i n ，输出0 2 = 0 1 0 0 0 r m i n ) 、降速型以及对输出轴旋转均匀性要求不严格的 场合。例如在热处理设备、清洗设备以及化工、医药、塑料、食品和电器装配运输线等领 域的应用。 ( 4 ) 带传动式 它与链式变速器相似，其变速传动机构是由作为主、从动带轮的两对锥盘及张紧在其 上的传动带组成。其工作原理是利用传动带左右两侧面与锥盘接触所产生的摩擦力进行传 动，并通过改变两锥盘的轴向距离以调整它们与传动带的接触位置和工作半径，从而实现 无级变速。它由于具有结构简单，工作平稳等优点，在机械无级变速器中可以说是应用最 广的一种。 带式无级变速器根据传动带的形状不同，可分为平带无级变速器和v 带无级变速器两 种类型。带式无级变速器结构简单、承载能力强、变速范围大、制造容易、工作平稳、易 损件少、能吸收振动、噪声低、节能环保、带的更方便，尤其是它克服了以往各类无级变 速器传递功率较小的缺点，可用于需要中大功率范围，因而是机械无级变速器中广泛应用 的一种【刀。 1 3 机械无级变速器的发展概况 机械无级变速器是适合现今生产工艺流程机械化、自动化发展，以及改善机械工作性 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 能的一种通用传动装置。它的研制在国外己经有百余年的历史了，初始阶段由于受到条件 的限制，进展缓慢。直到2 0 世纪5 0 年代以后，一方面随着科学技术的蓬勃发展，材质、 工艺和润滑方面的限制因素相继得到解决，另一方面随着经济的发展，需求的迅速增加， 相应地促进了机械无级变速器的研制和生产，使各种类型的系列产品快速增长并获得了广 泛的应用。 国内的机械无级变速器是在2 0 世纪6 0 年代前后起步的，基本上是作为专业机械，如 纺织、机床及化工机械等的配套零部件使用。由专业机械厂进行仿制和生产，品种规格不 多，产量也不大。直到8 0 年代中期以后，大量引进国外各种先进设备，随着工业生产现 代化以及自动流水线的迅速发展，对机械无级变速器品种、规格和数量方面的需求都有了 大幅度增加。在这种形式下，专业厂开始建立并进行规模化的生产，一些高等院校也相继 开展了这方面的研究工作，短短十几年间，系列产品已包括机械无级变速器现有的摩擦式、 链式、带式和脉动式四大类及其各种主要的结构型式，初步满足了生产发展的需要。与此 同时，学会、协会及情报网等组织的相继建立，并先后制定了一系列的国家标准和行业标 准，使机械无级变速器发展成为机械领域中的一个新兴的行业。在生产实践中如同齿轮、 联轴器那样，机械无级变速器已成为一种通用的零部件，广泛应用于各种机械【8 】。 进入2 0 世纪9 0 年代，汽车工业对无级变速器技术的研究开发日益重视，特别是在微 型汽车中，无级变速技术被认为是汽车业发展的关键技术。全球科技的迅猛发展，使得新 的电子技术与自动控制技术不断被采用到了无级变速技术中。由于无级变速技术可以实现 传动比的连续改变，从而得到传动系统与发动机工况的最佳匹配，提高了整车的燃油经济 性和动力性，改善驾驶员的操纵方便性和乘员的乘坐舒适性，所以它是理想的汽车传动装 置。目前汽车行业多采用国外专利技术的金属带式无级变速器。 德国p i v 公司从1 9 5 6 年起，开始研究链传动的c v t ，到了8 0 年代，出现了技术上的 突破，橡胶带被由许多薄钢片穿成钢环的带所代替。1 9 8 7 年，福特公司首次在市场上推出 了装用这种钢环的c 。 1 9 7 8 年开始研究和开发一种半环面牵引传动c v t ，从1 9 7 8 年到1 9 8 2 年已经制造了8 台样机，并完成了寿命试验。有的样机装于汽车完成了路试，其研究结果已于1 9 9 0 年报 道。速比控制机械的开发和双腔c 的开发己由n a k a n o 报道。l o h r 和d a w e 报道了用于 重型货车的新的设计，在美国已经真正开发了全环面c v t 。 带式无级变速器具有结构简单、传动平稳、价格低廉、不需润滑及可以缓冲吸振等特 点，是机械无级变速器中应用最广泛的一种变速器。近年来，特别是在汽车工业、家用电 器和办公机械以及各种新型机械装备中使用己相当普遍。科学技术的进步，使得带传动的 工作能力显著增强。v 型金属带式无级变速传动是新出现的一种无级变速传动，其所采用 的v 型金属带刚性化是刚性链柔性化的结果。v 型金属带式无级变速传动，最早是由荷兰 v a nd o o m e st a n s m i s s i e ( v d t ) 公司开发的，现在己经广泛使用于多种汽车变速器中，并结 合电、液自动控制与计算机技术，实现了自动控制机械无级变速传动，使得汽车的行驶和 操作特性大大改善，显示出了广阔的应用前景【n 。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 1 4 课题的研究内容 1 4 1 传统带式无级变速器的原理及存在的问题 无级变速器的变速原理很简单，但也很巧妙。如图1 1 所示，传统带式c v t 主要包括主 动轮组、从动轮组、传动带和液压泵( 调速控制装置) 等基本部件。变速器的主、被动工 作轮的固定和可动两部分形成v 形槽，与传动带啮合。当主、被动工作轮可动部分作轴向 移动时，改变了传动带的回转半径，从而改变传动比。可动轮的轴向移动是根据使用要求， 通过控制系统进行连续地调节，实现无级变速传动。变速部分由主动带轮、v 型传动带和 被动带轮所组成。每个带轮都由带有斜面的半个带轮而组成一体，其中一个半轮是固定的， 另一个半轮是可以通过液压伺服油缸来控制其移动。半轮间的轴向相对位移可以通过控制 机构来改变；两个带轮轴间的距离是固定的，传动带的周长是固定不变的，通过控制两活 动盘的轴向位移，使主动轮和被动轮半径的相应连续变化，从而实现了无级变速【7 】。 生动轮组 图1 1 传统带式c v t 的结构与原理图 传统带式无级变速器利用了带的张紧力使带与带轮相互作用，而改变带槽宽度来调节 带轮直径，从而实现无级变速。不难看出，这种调速方式直接导致了带与带轮之间的剧烈 摩擦，从而造成带较快磨损，使其寿命降低【1 2 q5 1 。另外，带轮变径使传动带径向位置变化 的同时，还使其有轴向变化，这进一步恶化了传动的稳定性，缩短了传动带寿命【i 9 1 。 由于带式无级变速器的传动性能很接近于汽车所需要的理想的恒功率特性，所以多年 来一直吸引着人们去寻找开发新型的汽车用带式无级变速器。为了改正目前带式传动无级 变速器存在的一些不足。我们结合汽车无级变速器技术研究，通过调研分析及资料查新， 进行了新型剖分变径式无级变速技术研究课题【2 0 1 。 1 4 2 本文所做的工作 本论文主要对两级传动剖分变径式无级变速器进行原理介绍、运动分析、结构设计、 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 与力学分析等。研究过程中，主要完成了一下内容： ( 1 ) 两级传动剖分变径式无级变速器原理设计与运动分析 介绍两级传动剖分变径式无级变速器工作原理，并对剖分式带轮传动进行运动特性分 析。 ( 2 ) 结构设计 结合两级传动剖分变径式无级变速器结构与设计参数的要求，完成对变速器主要零部 件的结构尺寸设计。 ( 3 ) 三维仿真模型的建立 运用p r o e n g i n e e r w i l d f i r e 2 0 软件，采用自底向上的方法，建立剖分变径式无级变 速器各主要零件的三维模型，并从底层逐步向上装配，生成变速器的三维整体装配图，对 零件装配的干涉性进行检验。 ( 4 ) 主要传动零部件力学分析 分析了剖分变径式无级变速器的主要动力传递过程，并运用a n s y s 有限元分析软件， 对主要传动零部件进行力学分析，对其进行强度校核。 1 5 课题来源 本课题来源于： 湖北省机械传动与制造工程重点试验室基金项目( 批号：2 0 0 7 a 0 7 ) 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 2 1 方案分析 第二章剖分变径式无级变速器工作原理 在带式无级变速器中，若要实现变速即输出转速变化，必须改变其传动比，而传动比 的改变需要通过改变带轮工作直径来实现。在目前的带式无级变速器中，均采用宽v 带传 动，并把带轮在轴向分成两半，通过改变两半带轮之间的距离实现带工作直径的变化。虽 然这样的无级变速器己成为技术成熟的应用产品j 下在生产，但它存在的问题是不容忽视 的，那就是在改变两半带轮之间的距离时，带与带轮之间存在严重的摩擦，寿命很低，所 以目前很多课题都在致力于提高带传动无级变速器的寿命上。然而，改变v 带的工作直径 方式，除改变两个半轮之间的轴向位置外，还可以利用分体式带轮的分体径向移动。剖分 变径式带传动无级变速器的开发恰恰解决了v 带无级变速器的磨损过大问题，而且还继承 了带式无级变速器的所有优点【2 1 1 。 2 2 两级传动剖分变径式c v t 结构简图及原理简介 剖分变径式无级变速器的基本原理是通过调整带传动的两带轮间的直径比来实现速 比的变化，带轮是剖分式带轮，即每个带轮由若干个相同的带轮分块组成，它们通过连接 件连接在径向导向盘和锥形块上，通过锥形块的轴向移动来实现带轮工作直径的变化。当 锥形块做接近导向盘的轴向移动时，推动带轮分体径向膨胀，带轮工作直径变大；反之， 锥形块远离导向盘，带轮分体径向收缩，带轮工作直径变小。 为获得较大传动比，本次设计采用两级传动的剖分变径式无级变速器，如图2 1 所示。 该两级传动变速器共有四组轮组，两组主动轮组，两组从动轮组。变速器的主、从动轮组 均由固定在传动轴上的径向导向盘4 、分体带轮5 和轴向可动锥形块6 组成。( 为简化描 述，把第一级传动的主动轮组标为轮组一，包括导向盘一、带轮一、锥形块一；同理第一 级传动从动轮组标为轮组二；第二级传动的主动轮组标为轮组三；第二级传动的从动轮组 标为轮组四。下面零件设计过程中直接这样描述零件。) 带轮分体底部通过t 型槽与锥形 块连接，并通过销与径向导向盘配合。当要增大传动比时，调速机构带动主动轮组的锥体 轴向移动，锥体通过t 型槽推动主动带轮分体沿导向盘径向收缩。同时，从动轮组的锥体 反向移动，推动从动带轮分体沿导向盘径向膨胀。从而改变主、从动带轮分体与传动带啮 合的工作直径比，如此实现在一定范围内连续无级调速的目的。 此两级传动变速器每级传动的传动比相同，总传动比为两级传动传动比的乘积。当增 大传动比时，带轮一和三工作直径同时减小a d ，带轮二和四工作直径同时增大a d ；反之 同样，四带轮直径变化量相同。推动带轮直径变化的锥形块都选择相同的锥角，则四个锥 形块在轴向的移动距离相同，这就为采用液压机构来实现对此两级传动机构的同时控制提 供了条件。图2 1 中虚线即为液压油路。活塞固结在传动轴上，液压缸体直接与锥形块成 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 一体，并随锥形块轴向移动。锥形块二和三转速相同，尾部缸体用螺栓直接连接，并用密 封垫圈密封形成完整液压缸体。而锥形块一和四的转速不同，将锥形块一尾部缸体7 用螺 栓与液压缸盖9 形成完整缸体，并将缸盖与锥形块四尾部用止推轴承连接，这样使锥形块 一和四在转速不同的情况下实现距离相等、方向相反的轴向移动。 q - 、 彬矿卢广m 3 1 、l i ll广1ir - i - - _ 、- - - - - 一一一一一一一一一一一一一一l 一 l 广一l l 吩蜊 2 朔。：，忖 1 1 7 i 一 i ljl - 一一一l 一一一一一一一 ui p n 臼 - j 1 输入轴；2 中间轴；3 输出轴；4 径向导向盘；5 带轮分体；6 锥形块； 7 液压缸体；8 活塞；9 液压缸盖；1 0 传动带：1 1 箱体；虚线为液压油路 图2 1 两级传动剖分变径式无级变速器结构简图 2 3 传动比分配和动力参数计算 2 3 1 传动比的分配 与其他无级变速器传动相同，带式无级变速器的传动比i 的表达式为： 扛旦：堕：堡 2缈2q 式中，惕、q 、d t 分别为主动带轮的转速、角速度和工作直径；疗：、哆、d 2 分别 为从动带轮的转速、角速度和工作直径 2 2 - 2 8 1 。 总传动比为：1 3 1 8 ，参考机械设计课程设计表2 3 中的v 型带传动的每级传动比推 荐值，选择两级传动的最大传动比相同【2 9 3 0 1 ，即： 一= 之一= 打面1 7 8 6 公式( 2 1 ) 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 3 2 动力参数计算 ( 1 ) 各轴的转速计算： ，l l = o 5 0 0 0 ，i i l i n = ， = 5 0 0 0 1 7 8 6 5 0 0 0 1 2 8 0 0 5 0 0 0r m i n 鸣2 之= 2 8 0 0 1 7 8 6 - 5 0 0 0 l 1 5 6 7 5 5 0 0 0 ，m i n 公式( 2 2 ) ( 2 ) 各轴的输入功率计算： 轴承及带传动的机械效率由机械设计课程设计表2 2 分别取编20 9 8 玩2 0 9 5 则： 日= 1 6k w 最= 只仇仍= 1 6 x 0 9 8 x o 9 5 = 1 4 8 9 6k w 只= 最仍仍2 1 4 8 9 6 x 0 9 8 x 0 9 5 = 1 3 8 6 8k w 公式( 2 3 ) 3 2 3 各轴的输入最大转矩计算： 五= 5 0n m 互= 五仇7 7 2 = 5 0 x 1 7 8 6 x 0 9 8 x 0 9 5 = 8 3 1 3 8n m 互= 正之玩仍2 8 3 1 3 8 x l 7 8 6 x 0 9 8 x 0 9 5 = 1 3 5 4 7 5n m 公式( 2 4 ) 将上述计算结果列于表2 1 中，以供查用。 表2 1 各轴动力参数 轴号转速nr m i n转矩tn m功率pk w 传动比 15 0 0 05 01 6 22 8 0 0 5 0 0 08 3 1 3 81 4 8 9 61 7 8 6 31 5 6 7 5 5 0 0 01 3 5 4 7 51 3 8 6 8 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章剖分式带轮传动的运动特性分析 剖分变径式无级变速器的剖分式带轮，是由数块扇形体组成，图3 1 a 是由等五个扇形 块组成的新带轮的简图。由图可以看出扇形块的半径b 和由它们组成的带轮的半径r 一般 是不相等的，所以带与带轮的接触点与轮的回转中心。之距，是呈周期变化的，带的速度 也随之有周期性的波动，下面将研究带上任意点p 的速度与加速度。 将建立的公式，是p 点位于扇形块的a d 段，当然也适用于d b 段。( 如图3 1 b ) 公式采用的是自然坐标。 3 1p 点的速度 巧可分为解为带前进方向的速度屹7 和与其垂直的法向速度巧4 ( 如图3 i b ) 。 3 1 i 带前进速度和与其相应的前进加速度 。j ，。9 舻 ， 、 ： ，( 、 序弋年 矿口 沙r 。+ 一一一一一1 广17 0 、jf ， ， ，口 、 ， 7 7 一、， 、 d a 带轮简图b 点p 速度分析 图3 1 剖分式带轮传动运动特性分析模型 ( 1 ) 圪7 ： 由理论力学知识可知【3 1 】： 圪7 = b e o - l o ) c o s f l 公式( 3 1 ) 式中：，= 0 d ， 且0 ，a b ：o p b s i n ( 万) 口= a r c t a n l 口+ b c o s ( 万) 武汉科技大学硕士学位论文第1 l 页 ：万一y 一( 口一咖且( 万一至) 万 厂= a r c s i l l 昙s i n ( 口一纠】 0 缈口 z 为组成带轮的扇形块块数 ( 2 ) 带前进的加速度口，7 ： = 鲁勘2 s i n 3 1 2 带的法向速度和法向加速度 ( 1 ) 曙： y ；= 一l c o s i np ( 2 ) 口；： 咖警刊矾邮 3 1 3 公式讨论 公式( 3 2 ) 公式( 3 3 ) 公式( 3 4 ) 由上述公式，显然可以总结如下结论 ( 1 ) 带的速度与加速度的变化规律为： 圪7 一q ( f ) ：在一个周期内，为正弦曲线之一部分； a ，7 - q ( t ) ：在一个周期内，为余弦曲线之一部分； 曙一q ( f ) ：在一个周期内，为余弦曲线之一部分； 口；一q ( f ) ：在一个周期内，为正弦曲线之一部分。 ( 2 ) 带的速度与加速度是周期性变化的。带轮每转一周，将有z 个周期。z 是扇形块数。 ( 3 ) 带在b 、c 两点时( 同时) ，速度相等，为速度曲线的拐点。此时，其切向速度为最 小；而其切向加速度由负值突然变为正值，加速度的变化幅值最大。 ( 4 ) 瑶为最大的切向速度，而此时的切向加速度为0 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 3 2 速度及加速度的极值 3 2 1 前进速度及前进加速度的极值 由式3 1 ，可得： ( 1 ) 巧一= e o ( 1 + b ) v ；m i n = c o h 万一纠 ( 3 ) 速度波动值= 啄一一啄岫= 砌 1 + c 。s 忉一詈) 由式3 2 ，司得： ( 1 ) 口；一= l e 0 2 s i n ( n 一至) ( 2 ) 口；。i n = r 0 2s i n 刀 = 0 ( 3 ) 加速度的波动值= 口；一一口；晌= l t 0 2 s i n ( n 一至) 。3 2 2 法向速度及法向加速度的极值 由式3 3 ，可得： ( 1 ) v ，i = 一切2s i n t r = 0 ( 2 ) 瑶。i 。= 一l e o s i n ( n 一兰) ( 3 ) 速度之波动值= 醪一一曙曲= l e o s i n ( n 一三) 由式3 4 ，可得： ( 1 ) 口= 一l e 0 2c o s ( 万一至) ( 2 ) 口：。；= 一切2 公式( 3 5 ) 公式( 3 6 ) 公式( 3 7 ) 公式( 3 8 ) 公式( 3 9 ) 公式( 3 1 0 ) 公式( 3 1 1 ) 公式( 3 1 2 ) 公式( 3 1 3 ) 公式( 3 1 4 ) 公式( 3 1 5 ) ( 3 ) 加速度的波动值：郎n 一一口p n 。妯：一切：lc o s ( j r - 至) 一1i 公式( 3 1 6 ) l z j 3 3 影响速度与加速度波动的几个参数的确定 由运动分析可知，影响速度与加速度波动的参数是：扇形块半径b ，扇形块中心d ，与 带轮回转中，i i , d 之间的距离，以及由扇形块中心角所决定的角，下面将讨论并确定这些 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 参数。 ( 1 ) 角的确定 由式3 1 ，可知：角的值域为协一至) s s 刀，的值域随扇形块的中心角三至而变 化，z 不同，则的值域不同。z 增大则的值域就减小，运动就更平稳。但收到结构的限 制，z 取值不可太大，一般取z = 5 8 ( 2 ) 扇形块半径b 的确定 当传动带处于最小工作直径时，各扇形块之间没有间隙，所有扇形块组成连续的整个 带轮。所以扇形块b 是由带轮的最小直径确定的。而带轮的最小直径，是根据带的许用弯 曲应力而定，不同型号的传动带，则有不同的带轮最小直径，可查机械设计手册。 6 ：每，其中即带轮的最小直径。 ( 3 ) ，的确定 根据无级变速器的变速范围r 的计算公式： 足：生d k 6 r m i n rm i 。 当对称调速时，有：墨一= r 一，墨幽= 兄曲， 赃州惫) 2 - ( 惫) 2 _ 缸 而墨= + 6 ，是= 乞+ 6 0 ，口，口= 乞瞰 月0 眈= 口+ 6 ，尺。i n = 6 赚k = 字， k _ 1 = 詈 公式( 3 1 7 ) 当b 为定值时，口决定着带轮直径的变化范围，决定着变速器的变化范围。反之，咒 或者。确定了，口也随之确定。但是，由于收到速度波动的限制，o 不可太大。最大速 度相对波动值与。的关系如下： 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 ：v p m a x - v ；一m i n 啡 一口缈 + c o s c 万一三， 一面石厂一 l + c o s 一至) 一2 1 + c o s ( n - - n ) - z l 由式( 1 8 ) 显然可知：z 定时，k 取决于。 公式( 3 1 8 ) 公式( 3 1 9 ) 本文所设计的剖分变径式带式无级变速器，带轮分体数z = 8 ，最大变速比k = 1 7 8 6 ， 代入式3 1 8 ，则有，此时最大速度相对波动值a = 3 3 ，符合带传动所允许的范围。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 第四章c v t 传动机构主要零件设计 4 1 轴直径的初步确定 变速器轴在工作时除了传递转矩外，还承受来自带轮作用的径向力，因此应具备足够 的强度和刚度。待变速器结构方案及布置的变速器草图设计后，轴的长度才可以初步确定。 为满足刚度要求，轴的长度必须和直径保持一定的协调关系。轴的结构形状保证各个部件 的安装、固定，并与工艺要求有密切关系。 4 1 1 输入轴 图4 1 输入轴的结构 按扭转强度设计计算： 轴有花键处d i , = 1 7 2 3 厉r p 其中乙由机械设计手册表6 一卜1 9 取为3 0 则： d i 。= 1 7 2 5 = 2 0 3 9 3n 1 1 1 1 ，圆整为d i 。= 2 3m m 。 d i ：为轴承安装处，由g b t 2 7 6 1 9 9 4 选择d = 2 5i t l n l 规格的轴承。 取d 1 2 = 2 5r i m 。 q 。为输入轴与输出轴的滚针轴承安装尺寸，由j b t 7 9 1 8 1 9 9 7 选择规格为 f w 瓦= 2 8 x 3 3h i = 1 7 的k 型滚针轴承，取花键高度为q = 2 。 q 3 = d 1 4 = 2 5 + 2 x2 = 2 9m m ，q 5 = 2 8 n l m 。 4 1 2 中间轴 图4 2 中间轴的结构 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 按扭转强度设计计算： d 2 l = 1 7 2，其中，0 由机械设计手册表6 - 1 1 9 取为3 0 。 妣9 2 。= 1 7 2 慨= 2 4 1 6 0m m ，圆整为婿2 5 m m 。 d 2 。，d 2 。为轴承安装处，由g b t 2 7 6 1 9 9 4 选择d = 2 5m m 规格的轴承 。取d 2 i = 砬4 = 2 5 i d 1 n 。 为使两液压缸的行程保持一致而简化机构取花键高度皿= 2 ，则， 皿2 = 岛3 = q 3 = 2 9m m 4 1 3 输出轴 图4 3 输出轴的结构 以。以，与轴由k 型滚针轴承连接，且选取的滚针轴承外径玩= 3 3r n i n ， 则，以i = 以3 = 3 3m l n 以：起安装定位的作用，则，d 3 2 = 3 3 - 2 x 1 7 = 2 9 6m m 按扭转强度设计