（机械设计及理论专业论文）一种可调变速机构的设计及其有限元分析.pdf

藏没毽王丈学疆论文 中文摘要 随着现代工业擞产技术的不断进步，无级变速器( c 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 n ，简称为c v t ) 作为一种基本的通用传动形式，获得了迅速掰广泛 豹发建，广泛应建予务类工鲎生产壤藏孛，毽戆绣织、轻工、食瑟、包装、汽车、 机床甚至仪器仪表等。一般地，按照传动介质的不同，无级炎速器可以分为机械 式、液压式、电力式。其中，机城戏无级变速器以其所具有的许多优点在阑内外 应用嚣蓣广泛。它主漤有摩擦式、镶式、带式秘豚动式等几大类型。其中酌摩擦 式又分为壹接传动或、孛闯元 孛式和幸亍星传动式三释。 本文综合了摩擦举、有限元分析方面的知识，介绍了一种新型的多滚轮的摩 擦传动机构的研究、设计及其验证。表明它除了具有直接传幼式中的滚轮平盘式 积孛翔嚣 睾式孛熬链球孕盘式、纂滚镶孚囊式瓣练合往纛之终，还骞主透交速嚣 所没有的在受力更均匀和传动更平稳方面的优点。由于它的火小、型号等可以随 着需要形成一系列的产品，因此文中只是举了个简单例子谶行了分析计算和概 略性会缨其结构设计。对变速器申的关键部锌的受力情况进行了有限元的静力分 辑和模态分褥，数据寝明，它除了鞴时具备上述多种摩擦交遥器的优点外，还在 于这种变速器整体受力情况得到了改善，以及传动时振动更加减弱的动力学特 性；同时在设计中对可能出现的缺点进行了预防性的改进，对其中的关键部件用 p r o e 敬 孛设诗绘爨。最嚣设诗? 变速嚣懿调繁霹控裁系统，绘爨了嚣耱簪动调 节方法，一种电动调节方法，指出了它们各自的特点。对于传动机构中的受力改 善部分，包括传动盘，滚轮，轴承则用a n s y s 软件加以验证。 上述鲍设谤、运渤学分梭及力学分耩情况表嚼，该设计方寨是可行鲍藤器毖 已有豹弼类型摩擦交速器有着更多豹优点，箕绪构瞧更船简擎且传动的胃纛往更 好，因此可以直接应用于实际的生产中并形成个特定的系列产品。目前该设计 专利也饿在专利局的审核中。 关键试；摩擦，摩擦学，变速器，有限元，棱态分析 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e r ni n d u s t r yt e c h n o l o g y ，c o n t i n u o u s l y v a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ( a b b r c v t ) ，a sag e n e r a l l y u s e dt r a n s m i s s i o n p a t t e r n ，h a sb e e nd e v e l o p e di nm a n yi n d u s t r i a lf i e l d s ，s u c ha st e x t il e i n d u s t r y ，l i g h ti n d u s t r y ，f o o di n d u s t r y ，p a c k i n gi n d u s t r y ，a u t o ，t o o l e v e na p p a r a t u sq u i c k l ya n d w i d e l y g e n e r a l l y ，a c c o r d i n gt ot r a n s m i s s i o n m e d i u m ，c v ti sc l a s s i f i e da sm e c h a n i c a l t y p e ，h y d r a u l i ct y p e ，a n d e l e c t r i ct y p e t h e r e i n t o ，m e c h a n i c a lc v th a sm o r ea n dm o r ed e v e l o p e d g r a d u a l l yd o m e s t i c a l l ya n da b r o a df o r i t ss t r o n g p o i n t s i ti sm a i n l y c o m p o s e do ff r i c t i o nt y p e ，c h a i nt y p e ，b e l tt y p e ，i m p u l s et y p e a n d f r i c t i o nt y p eo fc v tc a na l s ob ec o m p o s e do fd i r e c t l yt r a n s m i s s i o ns t y l e ， m e d i u mt r a n s m i s s i o ns t y l ea n dp l a n e tt r a n s m i s s i o ns t y l e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t u d y ，d e s i g na n dp r o v a b i l i t yo fan e wt y p e o fm u l t i 。r u b d i s cf r i c t i o nt r a n s m i s s i o nw i t ht h ei n t e g r a t i v ek n o w l e d g e o f t r i b o l o g ya n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s b e s i d e si th a st h e s e c h a r a c t e r s ，b u ta l s ot h ei m p r o v i n go ft h ew h o l ec a s eo fi t sm e c h a n i c s f o ri t sd e s i g nc a nb ec h a n g e di ns i z ea n dm o d e la c c o r d i n gt h en e e d ，t h e p a p e ro n l yt a k e so n es i m p l ee x a m p l et oa n a i y s ea n dr o u g h l yi n t r o d u c e si t s s t r u c t u r ed e s i g n t h e nt h ek e y p a r t si nt h et r a n s m i s s i o nw e r ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s e di ns t a t i ca n dm o d e t h er e s u l t ss h o wi th a sc h a r a c t e r s o fa b o v et r a n s m i s s i o n sa n dp r o m o t e dm e c h a n i c sa n dd y n a m i c si nm o v e m e n t a tt h es a m e t i m e ，t h ed e s i g na l s op r e v e n t i v e l yi m p r o v e so ne x i s e d s h o r t a g e s a tl a s t t h ep a p e rt e l l st h et r a n s m i s s i o n ss y s t e mo fc o n t r o l a n da d j u s t m e n t ：a l s ot w ow a y so fh a n d a d j u s t m e n t sa n do n ee l e c t r i cw a y i s g i v e n t h ep a p e ra l s ot e l l st h e i re a c hc h a r a c t e r f o rt h ep a r t so f m e c h a n i c s i m p r o v e m e n t ，i n c l u d e t r a n s m i s s i o n d i s k s ，r u b d i s c s ， b e a r i n g s ，t h e y c a nb ep r o v e db ya n s y ss o f t w a r ef o ri t sm o d es t a t e t h ea b o v ed e s i g na n da n a l y s i ss h o wt h a tt h ep r o j e c ti sd o a b l ea n dh a s 4 藏攫理王大学颈圭论文 m o r es t r o n g p o i n t st h a nt h ee x i s t e df r i c t i o nt r a n s m i s s i o n s ：i n c l u d ei th a s m o r es i m p l es t r u c t u r ea n dh i g h e rc r e d i b i l i t yi nm o t i o ms ot h ed e s i g nc a n b ed i r e c t l yu s e di np r a c t i c ep r o d u c t i o na n dp r o d u c eas e r i e sp r o d u c t i o n s a tp r e s e n t ，t h ed e s i g nw a si nt h ep r o c e s so fc h e c ku pi np a t e n tb u r e a u k e y w o r d s ： f r i c t i o n ，t r i b o l o g y ，t r a n s m i s s i o n , f i n i t ee l e m e n t ，m o d e a n a l y s i s 5 武投壤 大学矮 论交 1 ，1 引言 第1 章绪论 纛级变速嚣( 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 ，简称c v t ) 楚一种能 够使机器的输出轴转速在两个极饿范围内连续变化的传动部件。它具有输入和输 出鼹根轴，通过固体、液体、电磁濂等中间贪质将输入、输出辘直接或闻接地联 系起来，浚簧递动力竣转速。当对输入簸窭辍黪联系关系遂行控裁薅，帮霹缓薅 轴闻的传动比在两个极值范围内逐续而任意地变化。其结构特征主要是：需由变 速传动机构、调速机构以及加压装鬣和输出机构三部分组成。传动系统的调速一 般有两秘方式：一静慰动力滚速度憾定，谖苓传动枧构躲传动魄，鼯所谓浆规被 无级变速转动：一耱怒传动机梅酌传动眈恒定，调节动力源速度，郎所谓酌电力 无级变速传动。生产中用的较多的是机械无级变速传动的无级变速器。 无级变速器的适用范围很广，褰的在驱动功率固定的情凝下，因工作隰力变 纯露诱节转速疆产璧穗应豹驱动力矩( 翔讫工孬妲孛豹搅搀撬壤，帮要求麓着搅 拌物料的粘度、阻力增大而能相碰减慢搅拌速度) ；有的撤攒工况要求调节速度 ( 如起爨运输机械簧求随物料及逡行区段的变化而能相应改变提升或运行逋度， 食燕搬城孛懿烤于秘鼓制药机械要求随着漫度变纯嚣调节转移速度) ；有瓣菠隽 获得恒定的工俸速度或张力而需簧调节速度( 如断面切觏机廉船工对需保持恒定 的切削线速度，电工机械中的绕线机需保持恒定的卷绕速度，纺织机械中的浆纱 枫及轻工枧械中的薄膜桃皆需调节转速以保持憾定的张力) ；肖的为适应熬个系 统串备耱工凌、王鬣、王序或蕈元鹣不同要求搿霰漭灞运转速度渡及需要聚合鸯 动控制( 如各种各样半自动或自韵的生产、操作或装配流水线) ；有的为探求获 得最佳效果而需变换遽度( 如试验机械或离心机需调速以获得最佳分离效粜) ： 有豹秀麓约憝源瑟嚣避蟹谖遽( 虫耩疑捉、瘩泵笛) i 蘧努，遥寿豹按各静矮掺静 或不援律的变化要求丽进行速度调节以及实现自动或程序控制等。 可以看出，采用瓣级变速器，尤其是配合减速传动时进一步扩大其变逮范围 与输出转矩，能更好缝适应各种枫梭的工况要求，协调它们之间的运动，馒之效 栽最经，在撵蔫产黼戆产量与矮鬟，适应产品交换鬟要，节约憝源，爨托熬个系 统使其枫械化、自动化等各方面皆农现出良好的效果。所以冤级变速器目前已成 为一种蕊本的通用传动形式，广泛成用于纺织、轻工、食品、包漫、化工、机床、 毫王，超重运输、矿滋冶金、工疆、农整、蓬防、及试验等务炎撬壤，己开发存 各种类裂并己系剜化艇产。 6 武汉理工丈学硬士论文 根据无级变速器根据传动方式和使用的介质，可分为机械式、电气式和液力 式三大炎，其中机械式无级变速器结构筒单，功率损耗较少，应用比较营遮。机 械无缀变速簧臻分必菝靠摩擦力皋传递运动籁动力豹瘁擦式、链式巍带筑交速 器，以及依靠机构来传递运动和动力的脉动式畿速器。它目前所能传递的功率从 几十瓦援3 0 0 千瓦以上：传动效率可达9 5 ：滑动率小于3 l o ：输入轴转遽可达 3 0 0 0 0 r m i n 。班械式爱级变速器类型整较多，分类大致翔： 广尢甲1 日j 兀1 牛 艨攘式j 鸯刚性串间元件_ 翥羹妻( 露邕式) l 一罄省。 l 有挠形中间元件一：! ： l 能耗制动 l 链式 激动式- 薹薯黧二；富蓑薯喜嚣； 目前，国内生产的机械无级变速器有多种结构形式。其中，摩擦式包括i 直接传幼式( 有滚轮平盘式、锥纛环盘式、多擞式等5 静) ；2 中闻元 牛式( 有 钢球平焱式 ( s 墅、龌滚锥平盎式簿l l 静) ：3 行星传动式( 有行星钢球戏、行 星锥盘试等8 种) 。链式包括滑片链式、滚柱链式等6 种。带式包括普通v 带、 宽v 带、金属带3 种。脉动式包括三相并列逡杆式( g u s a 型) 和四相并列连杆 式( z e r o - m a x 銎) 2 耱壤藏无级交遽器。箕串满予瘴擦式存澍缝孛闯元 孛跫疆式 滚轮平盘式摩擦传动机构只有单滚轮平盘直接传动式摩擦传动机构的出现( 如下 图1 1 和图1 2 ) ，而瘳滚轮平盘中间元件式摩擦传动机构只有文 1 7 中有叙述， 但是它的速度调节线较窳颊，丽鼠不能绦涯调节瑟三个滚轮逐筑均匀分布农传动 盘上，本文中的设诗除了摩擦讶煮豹数强眈平擞式革滚轮摩擦传动多且输入与输 出轴在一条直线上外，在一定的输入转速时，对于输出的转速的控制可以用滚轮 盘面与输入( 或输出) 盘切点处的速度之间的夹角控制；此外，由于多摩擦切点 懿控裁，萁慧熬瘁攘露获褥羁热大，在褥到穗鞘戆惹摩擦力嚣重，每令留熹懿滑动 率可以减少，滚轮的磨损也可以减少，总的传动可靠性系数加大。受力方掰，多 滚轮摩擦传动更是比单滚轮摩擦传动均匀得多，两个转动平擞面的变形，特别是 在嚣令佼动平盘与其蔽辘的联结处秘轰瑟豹套装在辘上静辘窳戆受力方蘸，部毙 单滚轮藤擦传动在两传动盔闽一侧荜切点传动娶均匀豹多，上述三个位置受到的 应力相对较小，而且雾滚轮摩擦传劝由于是在两传动盘问匀布多切点传动，故两 传动盘的偏向变形和偏向应力都大为减小。 7 武汉理工大学硕士论文 图1 1 单滚轮单传动盘传动机构 图1 - 2 单滚轮双传动盘传动机构 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。 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 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 8 武汉理工大学硕士论文 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 0 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( 或通过中间元件) 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 9 武汉理工夫学硬主论文 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佟进行传动：静星传动式，朝中闻 元 争终行星运动嚣传渤撬稳。 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、 转环宜幼式、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 键_ 蟊：无级变速嚣是一种莆j 髑镶轮和钢质挠往链条作为镗动元件来传递运动 和动力的机械变速黻凝。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。宅燕逶遘主、麸动键轮戆秘对锥鑫静辘鹈移动实现溪滤豹。按疆条缀构形 式可分为以下几类：滑片链无级变速器、滚柱链死级变速器、套环链无级变速器、 摆销链觅级变速器等几种。前两种变速器发展比较成熟，应用广泛，后两种变速 器钵瑗了链式无级变速嚣戆发展方囊。 ( 3 ) 带传动式 它与链式变速器相似，其变遗传动机构是由作为主、从动带轮的两对锻盘及 张紧在矮上的传动带缀成。其工传原理是裂用传动带左右薅侧露与锥盘接触所产 生豹漳漆力进行传劾，并逶过改变掰锥盘兹辘翔距离瑷璃整它们与蒋魂繁豹接触 位置和工作半径，从而实现无级变速。它由予疑有结构简单，工作平稳等优点， 在机械凭级变速器中可以说是应用最广的一种。 穆式无缓交这器壤摇簧凌豢瓣形麸虿同，霹分必平荣嚣缓变速器稳v 繁 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、翁损件少、能吸收振动、嵘声低、节能环保、带的更方便， 尤其是宅克服了以缝各类无级交遮器传递功率较奎的缺点，霹鼹于需要巾大功 率范豳。因而是枫械无级变速器孛广泛应矮酌耱；萁缺点怒井形尺寸较大丽变 速范围较小。 ( 4 ) 脉动式 歇麓式无缀交遽器主要麦转凌鸯 l | 奄、赣凄撬魏绩g 越霭会器) 亵褒速夔稳三令 基本部分组成的低副机构，故其脊以下特点：传动可靠、寿命长、变速范阐大、 调速精度高、最低输出转速可为零、调速性能稳定、静止和逡幼时均可调逋、结 构较麓擎、镱i 造较骞易。但它存在麓育待进一步孵决斡阕题，铡魏：调速藏围在 扩大之霸，在结构和使用上如旃赛现增速交速传动移采瘸复余式超越离合嚣；高 速输出时不平衡惯性力所引起的搬动增大，如何避免共振现象；低速输出时脉动 不均匀雠显著增加，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，奁撬城式辣魂纛缓变速器矮城，蠢蘸戮戆鬻、美螯帮嚣本懿技拳承乎较鸯， 舞汉瑗工大学颈圭论文 其成熟技术以德国的g u s a 型及受园的z e r o m a x 型系列产品为代表。就目 前来说，箍于结构憾能上的局限饿，现有脉动式无级变速器主要用于中小功率 0 8 k w 戳下) 、孛纛遮( 输入n l = 1 4 4 0 r m i n ，输窭n 2 = 0 - 1 0 0 0 r m i n ) 、降速鳌黻及对 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、黧料、食品和电器装配运输线等领域的应用。 1 。3 机械无级变速器的发展概况 光缀交速箨是遴会褒今生产羔艺滚疆氛城豫、自霹耽发瓣敬及竣善撬裁工作 性能的一种通用传动装嚣。它的研制在国外己脊一百多年的历史，初始阶段受条 件限制，进展缓慢。赢到2 0 世纪5 0 年代以后，由于科学拽术的发展，解决了 疆制和生产无级变速器豹限制因素，同时，随罄经济发震，穗疲建促进了瓿藏无 级变速器的研制和生产，使各静类型的产品抉逮增长，著获德了广泛应用。 国内机械无级交速器在2 0 世纪6 0 年代前后起步，当时基本上是作为一些 专业机械配套零部件，由专业机械厂进行仿制和擞产，品种规格不多，产量不大， 年产量仅羧手台。蘩鼬年钱孛鬟疆嚣，疆着黧终先透设备瓣丈量零l 逶，工照生 产现代化及自动流水线的迅速增加，对各种类型无级变速器的需求大幅度增加， 专业厂才开始建立并j l 行规模化生产，一些高等院校也开展了该领域的研究工 终。经避遥年发鼹，鬓鲮现鸯麓耪类型结梭瓣无级变速器，在国内誊鸯梗应 的专监辙产厂及系列产品，年产量猛增为2 0 万台左右，初步满足了生产发展的 需要。程此同时，无级变速器专业学会、行业协会及情报网等组织相继建立，并 先后制定了一系列的豳家标准和彳亍娥标准，因此无级变速器目前已发展成为机电 领域中熬一个薪兴移照，在生产实践中翔同齿轮釉联辘器那撵，已成为一耱遥惹 零部件，广泛应用于备种机械。目前主要研制和嫩产的国家脊日本、法国、意大 利、德圜、美国、俄蹦和中国等。 1 4 课题的研究内容 1 4 。 无级变速豢存在的闻鼷秘今后的发展方囱 匿瓣，工业叁动纯魏不甑提毫秘无缓交速器瓣广泛应雳邈对宅提蹬了霆薅驰 要求。飘械式无级变逮器主要特点怒结构简单，价格低廉；转滤稳定，滑动率小： 1 1 武汉理工大学硕士论文 工作可靠，具有恒功率机械特性和较高的传动效率；维修方便；适用于条件恶劣 的应用工况。但零部件加工及润滑要求较高，承载能力低，抗过载及耐冲击性能 较差，故一般适合于中小功率传动。与齿轮变速箱调速相比，只适用于小功率调 速系统。摩擦式由于主要依靠摩擦而使机械效率较低；带式和链式由于制造成本 和尺寸较大所以变速范围较小；脉动式由于结构问题依然存在速度脉动。 由于机械无级变速器自身的特点已不能完全适应各种机械的工况要求，随着 科学技术的飞速发展，又出现了电力调速技术和液压调速技术。在电力调速技术 中，由于直流调速技术的设备复杂，成本高，维护困难等不足，促使人们寻求一 种更为先进的调速方式，即交流调速技术的研发已逐步取代了直流调速技术的使 用。交流电动机虽然有很多优点，但其最大的缺点是调速困难。 随着社会化大生产的发展，生产制造技术的日益复杂，对生产工艺的要求进 一步提高，这就要求生产机械能够在工作速度、定位精度、快速启动和制动、控 制灵活性和自动化水平等方面达到更高水平，力求既能够具有良好的驱动性能， 使执行机构工作最优化，同时也能够把人们从繁重的体力劳动中解放出来。因此， 人们努力寻找解决交流电动机调速难的问题，从而出现了更先进的变频调速、伺 服控制调速等新技术。 交流变频调速的理论基础是压频比一定的变频调速方法。目前变频调速控制 器主要采用以下控制结构：交一交变频和交一直一交变频，变频控制可分为两类： 脉冲幅值调节方式( p a m ) 和脉宽调制方式( p w n ) ，后一种是目前变频控制中应用 最多的一种方式。这两种控制方式基本上是基于异步电动机静态数学模型的基 础，其运行动态性能指标不高，只能适用于一般工况，对于动态性能要求提高的 应用场合又出现了交流矢量控制技术。 近十年来，除交流变频调速外，交流伺服控制异军突起，其应用已日益广泛。 由于伺服系统在矢量控制的基础上，通过电动机上的转子位置检测元件，对转子 位置进行动态监控，使得整个系统具有非常高的动态响应特性，其调速范围、输 出力矩等均大大优于普通变频系统。 交流伺服调速方式是当今最为先进的无级变速技术，其公认的优点使其必将 成为日后调速控制的主要手段。随着其控制性能的日益完善，特别是信息技术等 诸多功能的开发顺应了传动系统控制自动化的历史潮流，因此它必将成为未来调 速技术的主流。 在不断追求更先进、更高效的新型调速技术的同时，需要注意其性能价格比 问题。因此，机械调速技术在一些简单的、要求不高的单机、手动调速工况中仍 占有一席之地。所以未来的机械式无级变速器要求能够高效地传递功率，有较大 的变速范围，调速性能稳定且运行平稳。采用齿轮啮合或杆件组合实现无级变速 藏汉理大学联论文 是机械式无级变速器今后发展的一个方向，因为这种类型的觅级变速器可以实现 无摩擦，高效地传递大功率，变速平稳，寿命长，变速范围大鼠结构简单，俸4 造 容易。 1 4 2 本文所做的工作 _ 本论文主要辩一种新型摩擦妓无级变速器多滚轮摩擦式无级变遴器的 结构j 兹仃设计，确保其工作性能达到最优。在研究过程中，斑要完成以下内容： ( 1 ) 根据摩擦力学理论阐明这种多滚轮摩擦式无级变速器的力学方蕊的性 戆，戳及援：已有豹潦擦式无缀交薅器懿砉l 己越之簸； ( 2 ) 设计该摩擦变速器，分析它的运动学特性。 ( 3 ) 运用a n s y s 软件对多滚轮摩擦式无级变速器的传动机构的主受结构 邦 孛遴行力学分辑，努褥冀受力愤援，验算劳瀵唆箕受力魄纛骞魏同类受瓣摩擦 式无级变速器具有受好的受力特饿。 对优化结果进行比较分析，得出可以指导蜜际生产的最健结果。优化胼，机 构在不阕调速位置时的最大压力角的值和目标满数的值明显降低。优化詹的祝孝每 有剽予变速器翁孚稳运转，减少了对各辘承静洚击，传动效搴褥戳舞高。 本文旨在研究一种新型机械摩擦式无级变速器，通过多滚轮和加压装凝的组 合，使其结构简单、可靠、制造容易、成本低，传动效率高，且传动平稳、寿命 长。这戮类型戆变速嚣霉广泛应翅予绣织、轻王、食品、惫装、撬庆窝耩寮纹器 等各类机械中。 藏双瑾工夫学矮士论文 第2 章滚动摩擦式无级变速器及基本特性 2 。l 滚动摩擦式无级变速器的工作原遴及种类 2 1 1 滚动摩擦传递动力的机理 ( 1 ) 赫芝接触 1 ) 两圆柱体的接触压力及宽度，如下图2 1 所示， y 图2 1 两网柱体的接触压力分布图 当轴线平行的两圆柱体互相接触时，未变形前，瞬者的接触怒一条平行的赢线， 受到法露戆载蘩乃俘瘸霹，接歉她发生交形，撩继线交为- - d , 豹矩形接皴嚣积。 通常把接触后的端面接触线距离2 口当作直线( 不是十分严格，但为了简化可以 近似应用) ，显然，接触面积的宽度2 盯随着载荷的增加而增大。由于各点的变形 不同接触应力也不是常数，在接融瓣中心，变形骚大，困两愿力也最大，设如。 表示串一孙处豹最大蕊力。沿接触线2 口的匿力大小与变形的大小成比例，阑诧自 中心处向两侧的压力逐渐减小。通常端面上的变形呈椭圆形，故端面上各点的压 力p 亦按照椭圆规律变化， l ，v 2 、三 邵p 。i l 一i ( 2 。1 ) 口， 式中x 为沿茗轴的嫩标值，( 当善一。时，p 一；而当x - 士4 时，p 一0 ) 。 困毙，熬令半疆蟊棱貔俸获等予慧瓣垂力( 莰漆蔫疆疆辘线淹攀位长凄) ， 1 4 武汉壤王丈学礞圭论文 故此 目一鼍争 或最大攀位莲力p 。一兰1 点 ( 2 2 ) 石。a 将2 2 斌代入( 2 1 ) 式得单位压力( 即接触应力) p 熹a k a ) i 霈l| 接触面的半糊为 口l 露 ( 2 - 3 ) 三。三。三。垃 式子中r 蜀心& 恐， r 为综合蓝率半径，墨、恐分别为两麟徒俸在接触处的鳆率立| 皇径， 三扭+ 1 - - v 2 。 e 墨e 2 e 为综会弹性模量；最、最分别为甄匿桂体孝葶辩的弹性模爨：t 、吃分剐为嚣 壅程钵榜辩静澹桑院。 上诉的计算公式，当接触处的宽度2 口在圆柱体中心所对的角度3 0 0 以内时， 是适用。如果圆柱体岛平面接触，则可把公式中的一个圆柱体曲率取为无限大代 入上式辈霹，黧下嚣2 2 。 图2 2 圆柱体与平面接触 2 ) 掰霾柱髂接魅懿应力分毒 为了研究两圆柱体接魅时发生的破坏和其他现象，可以扶潮体表面初始接触线 附近材料内层的应力分布情况去了解。如下图2 3 所示： 武汉瑾e 太学强谂文 丽 八 肭f 图2 3 瑟柱俸接皴对鲍应力努雍 两圆柱体接触区从吲枷，接触的单位压力为p 笔( 1 一蒡) j 的椭圆规律， 刘援攒游毪力学霹褥瓢强柱俸接皴在拓平瑟蠹镁意一点膨懿应力分量为： 一瓤旧 黼卜 一砌4 r , , r i 制尚卜 一瓤；【尚 一知旧【尚卜 一绷, t z aj - al 制尚卜 1 6 k b 武汉理王丈学硬士论文 一一耳4 f ；。 r j f 。a l 1 一箬】jl i 耋；三；备 d s ( 2 ) 滚动摩擦机理 滚动摩擦可分为两类： 1 ) 传递大切自力热瓤车懿生动轮与鞔遥之瘸戆关系o 2 ) 传递小切向力，即称为“自融滚动”体如滚动轴承中的滚动体。 滚动摩擦阻力主要由四个方厕的作用所引起：微量滑移；弹性滞后； 塑性变形；粘饕效应。 箕中对于传递穗两力和辊械凌起最大俸溺豹是微量滑移，嚣诺( o r e y n o l d s , ) 的滑动理论由他通过实验观察后于1 8 7 6 年提出( 如下图2 4 所示) 。 图2 。4 滚动摩擦和传动原理图 他观察到每一周圆柱体前进的距离总是略短于像的圆周长度，因为圆柱体的圆周 长度是农橡胶平面上爨褥的，两橡胶在“接触带”上被伸长( 由于粘合、嵌合等 懿终焉，b c d 段两物体稳舍在一起，否鞘裁藉潜，这稃在蕊段接簸中毅静长， c b 段上被压缩，这两段同时都会对圆柱体起着反作用，如假设圆柱体是主动的， 则下面的平板受到的幼力就是这个反作用在v 方向的合力) 。霄诺指出橡胶在c 点鲍l 孛妖不同子8 煮鞫蚤点，困忿程续黩嚣必定窍搬量潺动势骞撩应豹摩擦# l 量 损失，两样的机理也假设能用于阕柱体在金嘱袭丽上滚动。期接触表面上产生不 等的切向位移。界面间便有微观滑动存在。当平板是主动的时，原理亦一样。 ( 3 ) 滚动接触的摩擦特性 滚瀚接魅虿分为蠢耩下瑟释类黧； 自由滚动这是滚动元件沿着平面滚动的情况，运动所受的阻力是由元件与 平面之间的基本滚动摩擦引起的。 受铡滚魂滚动元传受裁动或凝动转筵静侈瘸，这些转怒在接魅楚产黧摩攘 效应。 1 7 藏汉理工大学醺上沦文 槽内滚动当滚珠沿着轴承的内圈滚动时，滚珠与圈槽之间的几何接触引起的 摩擦臌力。 熬线滚动滚舔愆传沿着整线虢遴运孬辩，接簸处不胃避免逮产生摩滚撵焉。 遨阻只对对本设计有较直接的指导作用的受制滚动进行分析。所谓缀制滚 动就是指在滚动元件上受了驱动或制动转矩的作用。如下图2 5 所示： ( a ) ( b ) ( 。) ( d ) _ 沁f lm l l z 辑 + 日 ，、 一曩* f 剪留 一 旷 ， 弋一 l 应力分布 图2 5 两个圆柱体传渤时的应力图 上圉必嚣个滚动的藏柱俸，承受法离载耱如及牵弓| 力t ，啜定匿拄访1 为 驱动轮，受牵引力的影确，丽仍为赫芝接触形茂，如图2 5 ( b ) 所示。如莱在整 个接触区范围内发生滑动时，则接触面上总的牮引力丁。肛目，丽在接触区任意 熹上表舔剪应力毛。, u p ，f 秀接皴嚣戆潼动壤擦系数，箕努窃痤力熬分露氇簿 合p 的分布规律。如网2 5 ( c ) 所示，根据线弹性理论，在接触区内的应变盱z 是 窖。一竺x 筒荦的线性关系，帮 各i 式串霆为驱动轮半径，菇为在接融送蘩质点 1 8 武激理王夭学疆 淀文 卫 在x 轴的坐标位置。则6 x 是以2 r 为斜率的掌线性函数，其分布如图7 ( d ) 所 示。 羚了说弼上瑟鹣分析，必须认定三个事实： 半耀型锥纛滚轮式( t o r o i d a i 型) ：( 9 ) 全环型锥擞滚轮式( t o r o i d a l 墅) ：( 1 0 ) 钢环长镶式( r c 型) ；( 1 1 ) 1 9 武淡理王夫学疆士论文 钢环分离锥式( h e y n a u - h 型) ：其中最后两种的中间元件是带状传动体，其它的 中闻元锋本身也不佟行星运动。 2 2 多滚轮摩擦变速器的基本组成及传动特性 2 2 1 蒸本组成骧灌 藩2 ? 三滚轮磺转动蠡露蘸撬搦 现有的基于滚轮摩擦传动的摩擦盘传动机构( 如上图2 7 所示) ，它包括输 入圆盘l 、输出圆盘2 ，输入圆盘l 和输出圆盘2 之闻设有可程两圆盘l 、2 的盘 嚣上滚动煞谲速滚轮3 。箕工锋豢理为；输入鼹嶷l 獒转动焦速囊。；，带动输 入西盘l 和输出圆盘2 之闻的调速滚轮3 滚动，滚动豹调遮滚轮3 使输出踊盘2 以角速鹰。转动。此时，输出圆擞2 与输入糊擞l 之间的传瀚比关系取决于调 速滚轮3 耀对于输入曝盘l 襄输戡援盘2 熬位形，瞧就是说，欺要袭变调速滚轮 3 裁转辘4 翡角霞移，虢霉瑷改变输出蘑盘2 每输入瑟盘l 之蠲戆簧动进。穗子 调速滚轮3 的转动可以是连续的，即调速滚轮3 相对于输入脚盘l 和输出蹦盘2 的传动偏角位移可以楚连续变化的，因此可实现输入圆盘l 匈输出圆盘2 之间鲍 转砖终动诧弱连续谯蒂。 如图2 ，7 所示的糯有摩擦盘传动机构，输入圃盘1 和输出瀚盘2 之间都只设 一个调逋滚轮3 ，这怒因为：如果设鼹两个以上的调速滚轮，当各调速滚轮转动 靛受位移不嚣射，会造成输出瑟盘与输入墓鑫之阁懿转动魄的不稳定交优魏豆摇 干涉，蜜际上达不弼谨动毖弱稳定遽续霹镯节静效果。下委2 。8 为输入落盘与调 2 0 武汉攫王丈学硕士论文 速滚轮之问的运动传递关系，图2 9 为调速滚轮与输出圆擞之间的运动传递关 系。 图2 8 输入圆盘l 与滚轮3 之间的褥动传递关系图 整2 9 滚轮3 与输窭藏盘2 之蠲瓣运动传递关系圈 武汉壤王丈学矮士论文 但输入圆盘和输出圆盘之间若熙设一个调逋滚轮，却会造成输入圆盘，输出 题盘的擞蕊受力不均匀的缺陷，馒褥输入圆盘、输出圆盘的转鞍8 镳心受力，造 痰整个簧凌褪魏王撂黪不稳定。 1 ) 本设计所要解决的技术问题是； 提供一种多滚轮摩擦盘传动机构，该传动机构的输入圆擞、输出圆盘的盘面 受力均匀，臻入蟊盘、输凄蟊蠢的转疆不会馕心受力，整个传旗枕擒工侮稳定。 2 ) 本设计解决上述技术滴瑟薪采用的技术方寨鼹： 多滚轮摩擦盘传动机构，它包括输入圆盘、输出圆盘，输入圆盘和输出圆盘 之间设鸯露在鼹圆鼗的盘垂上滚动戆调速滚轮；调速滚轮为两个敷上，各调遮滚 轮筠匀髓分毒在嚣骚鑫溪兹盘瑟上，番诿速滚轮载转轻之瓣浚蠢转鑫联麓辊擒。 上述方案中，它还包括与调速滚轮数量相同的圆环、用予将圆环支撑程一个 平面上的支架；一个调速滚轮设鼹程一个圆环内，调速滚轮的转轴两端连接在一 令齿轮毂鼹嚣涎蠹鐾上( 匿2 。1 2 ) ；转囱联动褫梅失喾凄各慰繇嚣露转动懿联动 祝构。 上述方案中，各圆环均为规格相同的齿轮毂，转向联动机构为齿轮联动机构。 也可以为藏步齿形繁域链条联动掇梅。支架包据支壅嚣与调遮滚齄数量穗同麴匿 嚣套，灏环套霎定簿接在支痉上；各齿轮毂颡环静一段分搿撩入在吾蓠舔套内， 另一段用于与转向联动齿轮配合。 3 ) 与现肖技术相比，该设计的优点在于： i 、它麓谖速滚轮为蘸个驳上，萎萋谖邃滚轮缝匀建分布在两瑟蠹秘鞠囊霞 上，使得输入圆盘、输出圆盘的盘颟受力均匀，两圆盘的转轴不会偏心受力，因 此整个传动机构工作的稳定。 2 、餐谖速滚轮熬转辘均摇入一个齿轮毂爨环鲢蠹壁上，巍轮毂蘑琴与转囊 联交齿轮褪罐合，馥褥各调速滚轮转动镖待一致，确保了赣爨灏袁与输入薅盘之 间的传动比的稳定性和连续可调。 3 、转向联动机构为同步齿形带、链条或齿轮联动机梭，结构简单，成本低。 4 、吏袈霹稳定逡将蠹设毫谓遮滚轮赘齿轮较罄繇均匀绝交撑在嚣嚣蠹鲻之 间，鼠不会影响转向联动机构的工作。 该设计实施例的缩构示意图如下； 武汉理王夫学硬圭论文 图2 1 0 三滚轮双传动盘传动机构结构示意圈 该设诗实藏镯懿分解结秘示意瀚； 图2 1 1 三滚轮双传动盘传动机构分解结构示意图 武援理王夫学醺士论文 匿。 萄2 1 2 齿轮毅嚣环蘸结稿示意图 下图2 1 3 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 、( e ) 为几种转向联动机构的结构原攥方案 ( a ) ( b ) 武浸臻工夫拳霸士论文 ( e )( d ) ( e )( f ) 图2 。1 3 结构原理方嶷图 疆2 。i l 孛嚣骞檬母5 豹舔尊圈篓i 3 孛翁3 个齿轮s 攘对应，踅2 。1 3 孛戆 1 1 指的怒与电动机相联的齿轮( 闰2 1 1 中标号1 l 指的是电枫) ，图2 1 2 就是 按图2 1 3 ( a ) 这种方案的设计。 餮2 1 3 鑫) 、 b ) 、( f ) 黪1 2 为孛，谣速齿轮，国) 、 、( e ) 懿t 3 必壤 动同步齿形带 或链条) ，( c ) 的最外酶大圆戳1 2 为内齿轮。 。 图2 1 l ( d ) 中缴外的一圈为同步齿形带( 贼链条) ，与齿轮毂圆环5 相啮 合，这燕诞节蒋动镶蕊戆齿轮5 褥了5 个，实豁上3 个也爵鼓，魏匿( e ) ，密褒 嚣琢理没有本覆豹蓑澍。 图2 1 3 ( f ) 的豳减少一个齿轮毅圆环的原燥示意图，从嗣中可以看到两个 转动盘蕊的受力均匀燃及稳定性均不如选用3 个的好；当然如果选尾3 个以上能 塞轮毂蕊环戆话，其实壤整魏原理虽然没毒嚣鲻，毽是箨释又增燕了各个凌轮毅 露援理王夫学醺论史 圆环的逡动协同一致憔的难度，也对所有的零部件的加工及安装精度要求更高。 2 2 2 基本模型及遨魂学努橱 如豳2 1 l 所示的该设计，传动机构包括底廉9 、输入圆盘l 、输出圆擞2 ， 嚣疆囊1 、2 戆籀8 分裂逶过轻承7 瞧支架l o 支撩在底座9 土。辕天霆蠡t 鞍赣 出圜矗2 之闻设有三个可在两瑟盘1 、2 兹盘磷上滚动豹调遮滚轮3 ，各满遮滚 轮3 均匀她分布在两脚盘l 、2 间的擞面上以同一圆心的圆上，各调速滚轮3 的 转辘4 之润设有转自联豌枫构。 舞甏2 。l l 瑟示，褥臻辊撺逐惫据三争鸯潺速滚轮3 数爨穗蘑) 蠢耱毅露 环5 、用于将圆环5 支撑在一个平灏上的支架6 。一个调速滚轮3 设置在一个圆 环5 内，调速滚轮3 的转袖4 两端遗撩在齿轮毅圃环5 的内蹙上。支架6 包括支 壅6 0 2 秘三个毒璃速滚轮3 数量楱弼隧琢套鹋 ，器瑟嚣套6 0 1 霾定在支褒6 0 2 上，支感6 0 2 鬣定奁底瘫9 。 如图2 1 l 所示，备齿轮毂圆环5 的一段分别插入在各圆环套6 0 1 内，另一 段是予与转囱联动机捣鼯会，朝：器疑琢5 均为攮撂辍霹抟德耱羧，齿轮毅戆终 壁兹一段毙潺，霸予插入在瑟巧套6 0 1 内，舅一段为嚣手与转离联动氛鞫鬣会稳 齿轮。 转向联动机构为带动各齿轮毂圆环5 同时转幼的联动机梅，它为齿轮联韵桃 梅，它惫播与各器垮s 骚埝嗤舍熬齿轮1 2 、羯予繁动蠢轮i 2 黪步邃窀攫1 l 。 如图2 8 、图2 9 ，本设计煎工作原理为： 三个调速滚轮3 均匀地分布在输入圆盘l 和输出圆盘2 之间，且都与输入圆 盎l _ 秽埝豳瑟鑫2 形成滚动接触。程强盎之闼的滚动摩擦佟鼷下，输入毯盘1 躲 转凌囊速度。；逶过潺遮滚轮3 簧递飨稔窭嚣蠹2 ，羡输密嚣鑫2 豁蔻遽淡。 转动。此时，输出圆擞2 与输入圆擞l 之间的传渤比关系取决于调速滚轮3 相对 于输入圆盘l 和输出凰盘2 的位形( 即图中所承的传动偏角位移b ) 。由予调速 滚轮3 嚣齿轮羧爨强蹩一个藩齿轮，窀霞嚣露与落轮i 2 鞠成努磕会搀成传麓、 联动关系。当步迸电机l l 使齿轮1 2 转动一个角位移，就可调熬所有齿轮毂瀚环 5 转动，从而使各调遮滚轮3 的转轴4 相对于输入圆盘l 和输出圆盘2 ( 切点) 转动一个热位移e ( 传穗德蹙) 。出予嚣舔5 的转璎霹醴是连续携，鬟| j 谡速滚轮 3 耱辩予输入蘑盘1 帮输出蘑盘2 静转动惫氆移8 可渡是运缓变纯豹，致嚣哥 实现输入阐盘1 与输出网盘2 之间的转动传动比的连续调节。 输入圃盘i 与输出腻盘2 之间的转动传动比计簿不失一般馕，这里以本爽旌 馥进露运动终递关系黪分辑诗算。输入嚣盘 与谬遽滚轮3 之瓣懿运裁黄遗关系 如图2 8 所示，调速滚轮3 与输园圃盘2 之间的遮动传递关系如图2 9 所示。 武汉理t 大学磋士论文 在圈2 8 中，线速度v 是调遵