（机械设计及理论专业论文）章动牵引式无线变速器的参数化设计.pdf

、7j ： l l 1 j _ v ， i - at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nm e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y o nc a ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r d e s i g no f n u t a t i n gt r a c t i o nc v t b yz h uw e i j i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl is h u j u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 删5 舢7m 脚1舢y jl- _ y j11 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研 究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究 成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 驯7 、噜 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 两年母 导师签名： 签字日期： t r 粘 ，峰 年勿钐7 一纩 ， 一 钙以 伽豫沪 佑： 口 敝嗍 年 位字 i l 东北大学硕士学位论文摘要 章动牵引式无级变速器的参数化设计 摘要 无级变速装置作为机械传动中的一个重要部件，能够根据工作需要在一定范围内连续 变换速度，以适应输出转速和外界负荷变化的需要。但是，目前的机械无级变速器普遍单 级传动l l , i , ，要实现大传动比，须采用结构复杂，体积较大的行星无级变速器或者增加一 台减速器。因此，如何简化结构，扩大单级传动比、变速比，成为国内外机械领域科技工 作者追求的目标之一。我国在无级变速领域与发达国家相比，仍然存在很大差距，于是， 如何改善无级变速装置的传动性能，成为当前亟待解决的重要课题。 本文在总结前人和现有研究成果的基础上，对章动牵引式无级变速器的参数化设计问 题进行了系统研究。首先，引入能实现无几何滑动的母线，使得牵引接触区曲面母线的设 计合理优化，实现无几何滑动。然后，并编制参数化设计程序，把计算的表格和公式等相 关的数据封装到程序中，通过输入结构尺寸和载荷等参数，可以直接求解接触区域形状尺 寸等相关参数，以验证设计参数的合理性。进而编制接触母线和章动盘的接触状况仿真程 序，以观察这两个主要部件的传动状况和滑动状态。 同时，针对章动牵引式无级变速器的结构，编制主要零件的参数化程序；根据要求计 算主尺寸程序、动画仿真程序、碟弹簧设计程序、接触应力验证程序等，形成一套相对完 整的参数化设计流程。 最后，对传动系统的关键部件进行有限元分析。计算结果表明，用非线性有限元求解 的出应力误差与根据赫兹接触理论的结果误差为在l o 以内。验证了参数化设计流程的正 确性及可行性。 关键词：章动传动；无级变速；结构设计；几何滑动；参数化 i o nc a ds t r u c t u r a lp a r a m e t e rd e s i g no fn u t a t i n g t r a c t i o nc v t a bs t r a c t 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 ) a sa ni m p o r t a n tp a r to fm a c h i n ed r i v e ，c a n c o n t i n u o u s l yt r a n s f o r mv e l o c i t yt oac e r t a i nr a n g ea l o n gw i t ho u t p u t r o t a t es p e e da n dc h a n g i n g l o a d h o w e v e r c u r r e n tm e c h a n i c a lc v t sd r i v er a t i oi ss m a l l e rt h a no t h e r s ，p l a n e tc v t h a st o b eu s e d w h o s es t r u c t u r ei sc o m p l e xa n dv o l u m ei sl a r g e ，o ra r e d u c e ri sa d d e df o rb i gd r i v er a t i o s oh o wt os i m p l i f ys t r u c t u r e ，h o wt oe n l a r g et h ed r i v er a t i o ，t h es h i f tg e a r sr a t i o ，b e c o m e so n e o f a i m sw h i c ha r ep u r s u e db ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo p e r a t o ri nd o m e s t i ca n d o v e r s e a sm a c h i n e r y f i e l d c o m p a r i n gw i t hc v t o fd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，o u r si ss t i l lb e h i n d h a n d s oh o wt oi m p r o v e d r i v ep e r f o r m a n c eo fc v tb e c o m e sa ni m p o r t a n t t a s kb e i n gr e s o l v e du r g e n t l y t h i sp a p e rc o n c l u d e ds e n i o ra n do t h e rp r e d e c e s s o r so nt h eb a s i so f r e s e a r c hr e s u l t s f o r n u t a t i n gt r a c t i o nc v t f i r s t l y , t h ei n t r o d u c t i o no fn o n - g e o m e t r ys l i d i n gs u r f a c e t r a c t i o ns u r f a c e 剐am a l ( e sc o n t a c tw i t ht h es u r f a c er a t i o n a ld e s i g no p t i m i z a t i o n r e a l i z a t i o no fn o n - s l i d i n g g e o m e t r y s e c o n d l y , m a k ep a r a m e t e r so ft h ep r o c e s s ，t h ec a l c u l a t i o no f t h ef o r m u l a , a n do t h e r r e l a 沧df o r m sa n dd a t ap a c k a g e st ot h ep r o c e e d i n g s a c c o r d i n gt oe n t e rs i z ea n d l o a d ；t h ep r o c e s s s o l v i n gt h eb a s i so fc o n t a c tr e g i o n a ls i z e sa n ds h a p e s ，a n do t h e rr e l a t e dp r o p e r t i e s ，t ov e r i f y r e a s o n a b l e m 列l eo fc o n t a c t sa n dt h en o n - s l i d i n gg e o m e t r yo fc o n t a c ta n i m a t i o n t oo b s e r v et h e t w om a i nc o m p o n e n t sc a nn o n - s l i d i n gg e o m e t r y i sd r i v e a tm es 锄e 缸e ，f o rc v t ，st r a n s m i s s i o ns t r u c t u r e m a d eo fp a r a m e t e r so f t h ep r o c e s s ，i n a c c o r d a n c ew i t hp r o c e d u r e sc a l lf o rt h ec a l c u l a t i o no f t h em a i nd i m e n s i o n s ，a n i m a t e ds i m u l a t i o n p r o g r a m d i s hs p r i n gd e s i g np r o g r a m ，c o n t a c ts t r e s sp r o g r a m ，s u c ha st h e v e r i f i c a t i o np r o c e s s f o r m e dar e l a t i v e l yc o m p l e t es e to fp a r a m e t e r so f t h ed e s i g np r o c e s s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s u s i n gn o n - l i n e a rf m i t ee l e m e n tf o rt h ec o n t a c ts t r e s s a n dh e r t z 恤o r yb a s e do nt h er e s u l t so f e r r o ro fl e s st h a n10 v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h ed e s i g np r o c e s s a n df e a s i b i l i t y k e y w o r d s ：n u t a t i o nd r i v e ；c v t ；s t r u c t u r ed e s i g n ；g e o m e t r i c a ls l i p p a g e ；p a r a m e t e r i z a t i o n - i i i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 引言1 1 2 机械牵引式无级变速器的发展与研究概况2 1 3 机械牵引式无级变速器的特点及应用3 1 4 章动理论的发展及传动特点4 1 4 1 章动理论的发展与研究概况4 1 4 2 章动齿轮传动的特点7 1 6 章动牵引式无级变速器的研究现状8 1 7 本论文的主要工作与研究方法9 1 8 本章小结9 第2 章无几何滑动母线参数设计l l 2 1 几何滑动与母线1 l 2 1 1 几何滑动与母线形状的关系1 l 2 1 2 无几何滑动无级变速母线的寻找l l 2 2 曳物线引入为无几何滑动的章动母线1 3 2 2 1 无几何滑动母线的运动仿真1 4 2 2 2 无几何滑动母线及其优点15 2 3 本章小结15 第3 章母线接触应力计算程序1 7 3 1 牵引无级变速器点接触应力计算依据1 7 3 2 无几何滑动母线的接触应力公式推导1 9 3 3 无几何滑动母线的接触应力计算程序2 2 3 4 几何滑动母线的接触应力计算实例2 3 3 5 本章小结2 4 第4 章章动牵引式无级变速器参数化设计2 5 4 1 参数化设计程序的意义2 5 4 2 弹簧选用与性能计算程序模块2 5 东北大学硕士学位论文 目录 4 3 结构平面图2 6 4 4 参数化设计流程的建立。2 7 4 5 参数化设计流程的计算实例2 7 4 6 本章小结3 2 第5 章输出盘参数化非线性接触分析3 3 5 1 参数化有限元程序的意义3 3 5 2 有限单元法的基本分析过程3 3 5 3 非线性问题简介3 4 5 4 非线性接触的一般解法3 6 5 5 章动牵引式无级变速器接触概况。3 7 5 6 有限元模型的简化3 8 5 7 非线性接触实例计算及分析。3 9 5 7 1 有限元模型的建立。3 9 5 7 2 接触单元的建立4 0 5 7 3 有限元模型的约束4 1 5 7 4 有限元结果与赫兹理论结果对比4 1 5 7 5 接触的意义4 5 5 8 本章小结。4 6 第6 章章动输入轴的尺寸优化4 7 6 1 结构优化概述4 7 6 2 章动轴的尺寸优化4 7 6 2 1 章动轴的参数化分析4 8 6 2 2 章动轴的尺寸优化设计数学模型5 0 6 2 3 计算实例5 1 6 4 本章小结5 2 第7 章结论5 3 5 1 论文工作的总结5 3 5 2 论文的局限性及需要进一步研究的内容5 3 参考文献5 5 致谢5 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 无级变速传动是指在某种控制的作用下，使机器的输出转速可在两个极值范围 内连续变化的传动方式，它和定传动比传动及有级变速传动相比，能够根据工作需 要在一定范围内连续变换速度，以满足机器或生产系统在运转过程中各种不同工况 的要求【。 随着科学技术的不断发展，无级变速器的应用也正逐步渗透到社会生活的各个 方面，它不仅广泛应用于纺织、食品、造纸、橡胶等轻工业部门，而且也用于机床、 起重运输、石油化工、仪器仪表等各类机械设备中。比如，在试制新产品的过程中， 经常会遇到最佳工艺速度无法从理论上确定的情况，这时就在生产设备中设置一台 无级变速装置，便可以用实验的方法确定最佳工作速度。又如，在化工行业的搅拌 机、反应槽等的搅拌轴，应按反应速度来改变搅拌轴的转速，以获得最高的搅拌效 率。尤其是它在汽车变速上的成功应用更使人们耳目一新，因此，受到许多生产厂 家、科研院所、高等院校的广泛关注，并开展了大量的实验和研究工作，取得了一 定成效。 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 内连续变换速度，以适应输出转速和外解载荷变化的要求。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【2 】。由此可见，无级变速传动有着定传动比 和有级变速传动不可比拟的优势。 在二十一世纪的初期，能源、环境危机的呼声逐步高涨，社会竞争也日趋激烈， 科技工作者面临的严峻课题是如何在合理利用动力、节约能源和减少环境污染的前 提下，提高生产效率和产品质量。显然，采用无级变速传动可合理利用动力和有效 节约能源。就目前的无级变速器来说，难以实现单级大传动比传动，这也在一定程 度上影响了它的推广和应用。 在上世纪六十年代，国内外的科技工作者开始把章动应用于齿轮传动减速器， 章动齿轮传动以其部件少、结构简单紧凑、体积小等优点，尤其是能够实现大的传 动比受到人们的极大关注。那么，是否也可将章动理论应用到无级变速器中，使其 各自固有的显著特性得以充分发挥，更好地体现其使用价值，就作者查阅的文献中， 未见相关报道。面对这样的背景，在国内外对无级变速传动的研究方兴未艾之时， 深入开展这方面的实验与研究，不仅具有巨大的经济意义，而且具有深远的社会意 一1 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 义。 1 2 机械牵引式无级变速器的发展与研究概况 在国外，机械无级变速器最初是在1 9 世纪7 0 年代出现的，由于当时受钢材材 质，加工工艺，润滑油品质的限制，没有得到广泛的发展和应用。直到2 0 世纪5 0 年代，尤其是7 0 年代以后，由于真空冶炼和热处理技术的应用，超精密加工和数控 机床的出现，专用润滑油的出现和牵引传动理论的逐步完善等1 3 】，使摩擦副既有足 够的油膜牵引力又有必要的油膜厚度和油膜强度，而使摩擦传动转化为“牵引传动”， 这一系列曾经制约无级变速器发展的因素得到解决，使其获得迅速和广泛的发展。 研制和生产机械无级变速器的国家主要有日本、德国、意大利、荷兰、美国和 俄罗斯等【4 】。近年来，随着材料科学的进步、牵引油品质的改善和汽车电子技术的 发展，为牵引式c v t 在汽车动力传动系中的应用创造了条件。日本、英国、美国 和德国学者在牵引式c v t 研究方面做了相当的工作。n i s s a n 公司h a r u h i t o 5 1 研究 了双腔半环面牵引式c v t 的结构布置和传动比变化规律，t a k e s h i 5 】分析了半环面 牵引式c v t 的传动效率；n s k 公司讨论了牵引式c v t 几何特征并进行了疲劳寿 命实验；h a s u d a t 7 】建立了牵引式c v t 与行星轮系构成的轿车传动系( 被称为i v t ) 的动态模型并设计了速比控制液压系统；横滨大学h i r o h i s a s j 研究了装有牵引式 c v t 的四轮驱动车的速比控制规律；m a z d a 公司t o s h i h i k o 【9 j 对i v t 传动系统进行 了瞬态分析，获得了换档瞬时牵引力矩及控制油缸压力变化规律。英国t o r o t r a k 公 司研究了全环面型牵引式无级变速传动的原理、速比变化和仿真分析，并由此设计 了一种新型的i v t ，已用在排量为5 升的运动型轿车上( s u v ) 【m 】。 慕尼黑工业大学b o r k 对半环面型牵引式c v t 进行了建模【并提出了在考 虑热耦合作用下牵引力的简化计算方法【1 2 1 。虽然机械、液压或液力、电子三种传动 方式都能实现无级变速要求，但它们的工作原理各不相同，特性也不相同。而机械 无级变速器以其恒功率特性，传动效率高，结构简单等优点，在无级变速领域仍然 占据着半壁江山。 在国内，机械无级变速器的研制是从2 0 世纪6 0 年代开始的，当时主要是作为 专业机械配套零部件，由专业机械厂进行仿制和生产。直到改革开放以来，由于从 国外大量引进的先进设备，采用了无级变速传动机构，而且随着工业生产自动化程 度的提高和自动流水线的迅速发展，也需要装备大批量的各种类型无级变速器，这 样研制和生产才逐步走向正规化，一些专业的生产厂家相继建立。 自九五以来，汽车用金属带式无级变速器的开发和研制，被列入国家重大科技 攻关计划，先后有东北大学、吉林大学、重庆大学和一些国内知名的汽车公司承担 一2 一一一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 了该攻关项目，并取得了一些突破性成果和宝贵的开发经验、实验数据。同时在牵 引式c v t 的研究方面，则是处于起步阶段。 一些文献分析了行星滚子牵引传动的弹性流体动力学原理【1 3 】和它在冷却塔中 的应用【14 1 ，以及试验研究了球型牵传动的牵引系数【1 5 】；哈尔滨工业大学徐晓俊等1 6 】 讨论过锥形行星无级变速器的几何滑动率问题；浙江大学钱立新等【1 7 】研究了高速及 超高速场合下定传动比的牵引传动，等等。总的来说，国内研究主要集中在定传动 比牵引传动以及非汽车应用领域的变速传动。 机械牵引式无级变速器目前已成为一种基本的通用传动型式，被应用于轻工、 纺织、机床、起重运输、国防等各类机械设备中，它的产品结构已经系列化、多样 化【l 引，现在已基本形成机械领域中具有一定规模的新兴行业。 1 3 机械牵引式无级变速器的特点及应用 机械无级变速器是一种传动装置，c v t 依靠滚动体间弹性流体润滑油膜( e h l ) 的剪切力来传递动力【l9 1 ，其功能方面的主要特点是：在输入转速不变的情况下，能 实现输出轴的转速在一定范围内连续变化，以满足机器和生产系统在运转过程中各 种不同工况的要求。 无级变速器结构方面主要特点是：需要变速传动机构、调速机构以及加压装置 或输出机构三部分组成。 无级变速器主要性能特点：转速稳定，滑动率小，工作可靠，具有恒功率机械 特性，传动效率较高，而且结构简单、紧凑，维修方便，价格相对便宜；但零部件 加工及润滑要求较高，承载能力较低，传动比较小，抗过载及耐冲击性能较差，因 此，一般适合于中、小功率传动。 无级变速传动主要用于下列场合； 1 、为适应工艺参数多变或连续变化的要求，运转中需经常或连续地改变速度， 如切削不同直径的棒料以及化工行业的搅拌机械按反应速度不同而改变轴的转速。 2 、探求机器的最佳工作速度，如试验设备等。 3 、缓速启动和便于越过共振区等，适于具有大惯性或带负载启动的机器。 4 、有振动和冲击及负载条件恶劣的场合。 由此可见，采用无级变速传动可以有效地简化变速传动结构或方案，提高生产 效率和产品质量，降低生产成本，合理利用动力和有效节约能源，而且可以实现液 压自动控制和电子遥控控制，从而减轻操作人员的劳动强度，尤其是它在汽车和拖 拉机上的应用，更具有良好的经济效益和社会效益。 一3 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 4 章动理论的发展及传动特点 1 4 1 章动理论的发展与研究概况 在国外，随着科学技术的发展，章动现象逐渐被人们所认识。上世纪6 0 年代 初，美国、西德、日本等国以及国内的煤炭系统开始研制这种传动并将其应用于生 产中。 由于最初的章动传动主要应用在齿轮传动中，其核心部件是一对内啮合锥齿轮 副，因此，内锥齿轮传动的发展和研究现状基本就代表了章动传动的发展过程。欧 洲航天局的火星探测器上就有锥齿轮章动传动装置【2 0 1 。作为章动传动的关键零件， 双圆弧锥齿轮，从数学建模、三维仿真都得到了广泛的研究。基于切削蜗杆的应用， 李特文等人【2 1 】提出了斜齿锥齿轮的加工方法，并通过计算机进行了模拟加工，该方 法避免了根切的出现。赫斯顿和科伊【2 2 l 也提出了斜齿锥齿轮的数学模型。 李特文等人2 3 , 2 4 , 2 5 l 还提出了如何减小表面加工误差的方法，并分析了该传动的 啮合传动。基于传动理论和平面渐开线几何学，t s a i a n d c h i n 26 】提出了直齿和斜齿锥 齿轮的数学模型。后来a 1 2 d a c c a k t 2 7 】等人基于精确的球面渐开线形状，将该模型和 其他模型进行了对比，从而得到结论，该模型的法向形状是准确的。内锥齿轮是一 种新型的传动元件，由于发展较晚，目前虽然在国外已经有一些专利产品，但是在 有关机械传动的文献中能见到相关报道。 在国内，章动齿轮传动其实质是圆锥齿轮少齿差行星传动，是近年来出现的一 种新型、高效、经济的齿轮减速传动系统【2 引。在传动中，可用欧拉角来表示做绕 定点转动运动的行星齿轮在空间的位置和运动，即进动角、章动角和自转角，因而 也可将这种传动称为进动传动、章动传动或锥齿轮谐波传动【2 9 1 。它具有传动平稳、 结构紧凑、承载能力强、寿命长、效率高等优点，是一种很有发展前途的减速传动 装置，许多学者对其进行了大量的研究工作【30 1 。然而，这种传动还存在着一些需要 研究和探讨的问题，这些问题不解决，将制约着章动齿轮传动的发展和应用。 文献 31 】中给出了在任意传动比和轴间夹角的情况下，两锥齿轮节锥角4 、龟的 普遍计算公式，并指出当磊 9 0 。时就是内锥齿轮副。文献 3 2 】中是先取定轴间夹角， 再给定一系列主动轮节锥角五以得出一系列不同的传动比，并指出用改变轴间角和 传动比的方法，可以把内啮合转化为外啮合，以避免复杂的内锥齿轮加工困难。 文献 3 3 】对章动齿轮传动装置的工作原理、传动比的计算公式进行了介绍，但 是还缺乏一套完整的设计计算资料来指导设计工作，如推导同时啮合齿数的计算公 式，章动齿轮传动装置的结构设计等问题，都有待于迸一步的研究。 。 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 文献【3 4 】对章动齿轮传动装置的工作原理、传动比的计算公式进行了介绍，介 绍了章动齿轮传动机构的工作原理。章动齿轮传动机构具有传动比大，机构零件少， 结构紧凑，可靠性高等优点。并对可应用复合式章动齿轮机构等进行了公式推导和 分析。 文献【3 5 提出章动传动可用针轮与摆线轮啮合传动，并进行了相应地齿廓分析 与计算公式的推导，摆线针轮行星齿轮传动由于其主要传动零件采用轴承钢并经过 磨削j j n - f ，传动时又是多齿啮合，故其承载能力高、运转平稳、效率高、寿命长， 但其加工精度要求高，结构复杂。这也使得摆线针轮章动传动只能停留在理论阶段 而不具有更多的使用价值。 文献 3 6 】提出采用内弧齿锥齿轮进行章动传动，而且指出该齿轮能够在有刀倾 机构的弧齿锥齿轮机床上加工出来，但并没有付诸实际生产中。也曾有人试图采用 电解的方法加工内直齿锥齿轮，他们以内锥齿轮的齿坯作为第一个电极，第二个电 极制成与内锥齿轮的齿槽相适应的外锥齿轮。在专用电加工机床上通过电解腐蚀， 把第二个电极的形状完全影印到第一个电极上，得到内锥齿轮。但是电解加工的效 率很低，每加工一种齿轮都要专门设计制造一种电极，这样就会增加生产成本，因 此这种方法还是不能够被普遍采用。 文献 3 7 】通过对双圆弧螺旋齿章动传动减速器运动学仿真，证实了齿面方程模 型以及整个传动结构设计的正确性。接下来研究关键零件的动力学性能。按照预定 的参数，传递功率为3 k w ，仍然在s o l i d w o r k s d d m 平台中添加各零件之间的运动 副、约束、接触条件和初始条件，完成这些设置后对双圆弧螺旋齿章动传动减速器 进行动力学仿真。通过动力仿真，可以得到各运动零件的运动和受力矩情况，为双 圆弧螺旋齿章动传动的强度分析奠定基础。通过经动力学仿真得到的输入轴、章动 锥齿轮、固定锥齿轮和输出轴的转矩的时间变化曲线。 渐开线锥齿轮少齿差传动的原理与摆线针轮传动基本相同，区别在于内外齿轮 的齿廓曲线采用渐开线。文献【3 8 】对其轮齿结构简单、啮合接触应力小、承载能力 高、可采用软齿面、加工容易的特性，与推导公进行了讨论。但由于内啮合齿轮齿 数差很少，极易产生各种干涉。文献 3 9 x c 渐开线齿轮章动传动的渐开线干涉、节 点对面齿顶干涉、齿廓重迭干涉、径向干涉以及重合度等问题进行了分析研究，并 指出轴交角是影响各种干涉现象发生的主要因素，应尽可能选择较小的轴交角，但 在设计过程中选择齿轮几何参数十分复杂，在一定程度上影响了其推广应用的进程。 文献 4 0 1 过对章动齿轮传动的锥滚式输出机构的理论分析和研究，可为这种输 出机构的研究、设计和制造等提供必要的理论基础。章动传动是一种有发展前途的 传动，随着人们对这种传动研究的不断深入和完善必将扩大这种传动的应用领域。 一5 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 系统的理论分析和研究。 文献【4 l 】通过列举几种少齿差锥齿轮行星传动的类型，分析了它们的传动比计 算公式，明确了少齿差外锥齿轮行星传动不必变位的优点；分析了实现“错齿运动” 的几何要求，并提出了z u w 型的两种输出机构的可行方案。 文献 4 2 】中提出内锥齿轮作规则进动运动引起的振动是制约章动传动的主要因 素之一，因此如何限制或减小内锥齿轮的陀螺力矩成为关键。该文献分析探讨了锥 齿轮章动传动中陀螺力矩的计算方法，并借助m a t l a b 优化工具箱进行了优化分 析。同时文献 4 3 】根据多个实例优化设计结果，与传统的设计方法相比，得出设 计时间大为缩短的结论。同时确定，以陀螺力矩最小、传动效率最高、体积最小的 多目标优化设计方法为切实可行的设计方法。 文献 4 4 】过对关键零部件内锥齿轮的加工制造困难，使得章动齿轮减速装置在 实际生产中无法应用问题进行了仿真。借助日益发展的计算机辅助技术在计算机虚 拟环境下完成其实体建模和动态仿真，这样就可以避开内锥齿轮n q - n 造困难这一 工程实际难题，而在计算机虚拟环境下直接研究章动齿轮减速装置的工作原理和传 动特性。以软件为设计平台，进行了章动齿轮减速器的三维实体建模，并利用中的 运动仿真功能使其在计算机虚拟环境下运动起来，这样一方面可以验证章动理论在 减速传动中应用的正确性和可行性，另一方面为后续的机构设计、生产制造提供一 种新思路。 文献 4 5 】通过介绍一种纯机械没有齿轮的章动传动装置，其动力传动构件之间 为纯滚动接触，所承担的负荷均匀分布滚子和凸齿中，有助于降低噪音，减少维修 次数。指出另外，章动减速器是一种节能替代型产品，可取代同类减速比的其它传 动系统。随着章动理论研究的进一步发展和完善，章动减速器必将因其突出的优点， 而展现出更加广阔的应用前景。 文献 4 6 】通过对渐开线章动锥齿轮传动的油膜厚度和膜厚度比的计算，可以判 断出该传动的润滑状态，这就为渐开线章动齿轮传动的设计与制造提供了必要的理 论依据，但是，由于齿轮的齿面粗糙度受到加工方法的限制，所以就目前内锥齿轮 的加工方法来说，要使该传动达到完全弹流润滑状态，就应该改变内锥齿轮的加工 方法来降低轮齿的表面粗糙度。此外，对油膜厚度的准确计算位置还有待于进一步 研究。 在起重运输机械中的应用，目前国内已出现章动理论应用在电动葫芦上的专利 产品。其全称为章动环链电动葫芦( n u t a t i o ne l e c t r i cc h a i nh o i s t ) ，它是将环链产品 上传统的三级齿轮减速改用一级章动齿轮减速，极大的简化机构和减少零件数量， 减轻结构重量，降低了成本，同时实现多齿啮合，这种多齿啮合的平均效应与弹性 一6 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 过约束产生，可提高齿轮传动精度，降低传动噪音，提高产品质量。这是一种比钢 丝绳电动葫芦还轻小的起重设备，在发达国家中这种环链葫芦占电动葫芦市场的 7 0 ，钢丝绳电动葫芦只占3 0 ；而国内环链仅占电动葫芦市场的1 0 。可见，章 动传动理论的应用前景还是十分广阔的。 综上所述，前人从不同角度对章动传动进行了深入研究与探讨，为章动理论的 推广和应用作出了非常大的贡献，但不论是从内锥齿轮的设计方法、啮合原理还是 到加工原理，始终未能摆脱制造困难及其自身带来的诸多负面影响的束缚，而这恰 恰是限制章动锥齿轮传动进一步推广应用的关键因素。 章动理论不论应用到齿轮传动、步进电机还是起重运输机械中，始终只停留在 能实现固定降速这一功能上，而在生产实践和生活中更多要求能实现无级变速，如 果能将章动理论与无级变速器有机结合，那么其实际应用前景会更加广阔。 1 4 2 章动齿轮传动的特点 一般的行星轮系传动是实现较大传动比的常用装置【4 7 】，但是它本身又存在体积 大、结构复杂、笨重等难以克服的弱点。而章动齿轮传动不仅能实现行星轮系传动 降速、增扭的特点，同时还具有以下鲜明特点： 1 、传动比大。章动传动的单级传动比就可达江2 0 0 甚至更大。 2 、体积小、部件少、结构简单紧凑。由于单级就可实现大传动比，因而使得结 构大为简化，相应地零件数量减少，整体重量减轻。 3 、成本低、可靠性高、减少维修次数。由于结构简单，零部件少，所以装配和 维修都很方便，制造成本等费用也相对低。 4 、对齿轮材料的要求低。章动齿轮传动也叫少齿差行星齿轮传动，因此，相啮 合的一对齿轮齿数相差很小，甚至只差一个齿，这样齿轮的啮合系数就很大。 据估算，有2 0 以上的齿能同时进入啮合，平均每个齿的压力减小，这就 降低了对齿轮材料强度的要求，同时也降低了成本。 5 、啮合强度高。由于章动齿轮副属于内啮合，其诱导法曲率的绝对值小，从而 其接触强度高。由赫兹理论知，两齿面在接触点处的诱导法曲率绝对值越小， 在同样的法向力作用下产生的接触应力按开方关系减小1 4 引。 6 、锥齿轮传动中，由于齿廓、传动等各种干涉现象的存在，使得内锥齿轮加工 原理复杂，加工过程困难，最终导致啮合质量不易保证，这就限制了章动齿 轮传动的进一步发展和实际应用。 章动传动具有如此多优良的传动性能，而且在诸多领域都具有十分广阔的应用 前景，因而对它进行深入研究与探讨具有很重要的意义。 一7 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 6 章动牵引式无级变速器的研究现状 根据文献 4 9 1 对比分析了机械无级变速器和章动齿轮减速器的发展现状和优缺 点，在消化吸收章动基本理论和总结已有研究成果的基础上，经过系统地理论分析， 将章动齿轮传动改为摩擦传动，再将这种章动摩擦机构嫁接在无级变速器上，这样 不仅避开了章动锥齿轮传动中内锥齿轮加工困难的缺陷，而且实现了章动理论应用 到无级变速的跨越，同时克服了传统机械无级变速器单级传动l l d , ( 如果采用多级 传动，则导致机构庞大、臃肿) 的缺点，实现二者的有机结合。充分发挥无级变速 器连续变化的速比，实际负载与发动机的输出扭矩实现最佳匹配的特点，使机械无 级变速器的优点和章动传动的显著特性再现于这种新型无级变速器中，为了提高传 动效率，需要使用无级变速器专用油，因此称其为章动牵引式无级变速器。 主要有如下结论： 1 、针对如何改善无级变速器的传动性能和现有不足，探索了一种新颖的传动 原理，自行设计了新型传动结构：章动牵引式无级变速器，它是章动理论 与无级变速器的有机结合体。 2 、通过对新型传动装置进行运动学分析表明，其具有单级传动比较大的优势。 如果章动角伊控制在8 。1 8 。之间，则传动比便可达到2 0 - - 1 0 0 ( 按传统 的输入转速与输出转速之比计算，便于比较) ，而且该装置结构简单、紧凑 零部件少，体积小。 3 、分析计算了其传动元件间的受力状况和力矩载荷分布，并通过实例验证了 章动运动单元在无级变速时的灵活性和可靠性，为后续深入研究开发提供 了参考。 4 、形成了一整套的基于传统理论建立的设计理论和框架。 主要有如下需要解决的问题： l 、牵引接触区曲面母线的设计需要合理优化，才能有效降低几何滑动率。 2 、对碟形弹簧【5 0 】的选择，不仅要求变形量适当，同时对其产生的载荷力也要 求适当，如何使二者合理有效的组合，目前还缺乏一套完整的计算资料来 指导设计工作，只能借鉴其他同类产品的设计在某一范围内试算。 3 、提出了设计目标，根据自行设计的无级变速器加工出实际产品，通过实验 来测试它的传动效率、传动比、变速比等参数与理论值的偏差等一系列相 关问题都有待进行实验验证。 在以上设计的基础框架内，需要进行适当的创新和改进设计，也对相关的结构 尺寸进行参数化的验证，从而达到参数化设计的目标。 一8 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 7 本论文的主要工作与研究方法 章动牵引式无级变速器是章动原理与无级变速器相结合的新生产物，其独特而 新颖的结构和无级变速时灵活性的特点，使其在机械领域应用的前景也将更加广阔。 章动牵引式无级变速器的设计思想在无级变速器的研究领域目前仍属新鲜事物，它 的提出为章动理论的应用提供一个新理念，开辟了一个新思路。 本文的核心任务是参数化设计章动牵引式无级变速器，该无级变速器的设计目 标是体现无级变速器的特点，转速稳定，滑动率小，工作可靠，具有恒功率机械特 性，传动效率较高，而且结构简单、紧凑，维修方便，价格相对便宜；同时也体现 章动齿轮传动的特点，传动比大，体积小、部件少、结构简单紧凑，成本低、可靠 性高、减少维修次数。其次，实现无几何滑动传动的功能，与传统设计方法相比参 数化设计有更多对问题的解决方法，所以主要工作如下： 1 对基于传统理论设计的章动牵引式无级变速器进行参数化设计。包括根据 客户要求性能，进行参数化设计尺寸、根据这些尺寸进行参数化有限元分析，以及 某些尺寸优化。 2 母线设计。包括实现无几何滑动曲线的函数、接触应力的公式的推导、无 级变速过程的仿真和接触应力计算。 3 接触有限元分析。在参数设计程序中的h e r t z 理论是一个近似解，牵引传动 的载荷与接触表面垂直，不考虑表面切向力，用有限元分析考虑产生传动转矩的表 面切向力的影响、验证参数设计程序中的h e r t z 理论公式推导正确与否。 参数化设计理论和非线性接触有限元方法，给章动牵引式无级变速器的研制拓 展了新的思路，在无级变速器开发研制的过程中所体现的优点和带来的问题也常被 研究者们的热切关注，同时人们对章动理论的应用和认识也从未停止过。 本文设计的章动牵引式无级变速器是在充分研究和学习了相关理论的基础上， 发挥机构创新的精神，对章动理论的应用进行的一次大胆而有益的尝试，所开发的 参数化设计程序、有限元参数化设计程序、非线性接触程序、参数优化计算。是对 章动牵引式无级变速器研制和应用一次有意义的探索，也是对母线几何参数设计的 一次大胆尝试。 1 8 本章小结 本章首先说明了本课题的背景和意义，综述牵引无级变速器研究现状和特点、 章动齿轮传动研究现状和特点、章动牵引式无级变速器情况。在此基础上根据当前 章动牵引式无级变速器中存在的主要问题，最后指出了本文的主要工作和研究方法。 9 r 东北大学硕士学位论文 第2 章无几何滑动母线参数设计 第2 章无几何滑动母线参数设计 2 1 几何滑动与母线 在总结现有章动减速器和机械无级变速器的传动母线对几何滑动的基础上，将 曳物曲线应用于机械无级变速器中，产生了无几何滑动的无级变速传动效果。 2 1 1 几何滑动与母线形状的关系 章动无级变速传动属于摩擦牵引传动的一种，主要有弹性滑动和几何滑动两 种。由于一般材料总是有弹性的，因此产生弹性变形是不可避免的，其弹性滑动与 其它类型摩擦传动没有区别，而且几何滑动损失一般远大于弹性滑动损失。因此， 这里仅讨论几何滑动特性。 几何滑动：当摩擦副工作时，由于几何形状的原因使两滚动体接触区的速度分 布不同引起滚动体之间的滑动称为几何滑动。几何滑动特性是评价无级变速器性能 的重要指标之一。 两滚动体之间的速度分布情况，是随滚动体的几何形状和旋转轴线的相互位置 的不同而变化的，只有当接触线与两滚动体回转轴线平行，如两个圆柱体，或接触 线的延长线与两滚动体回转轴线汇交于一点，如在共顶的两锥轮的情况下，二者的 速度才能完全相同而不产生几何滑动。 对于以连续曲线为母线的旋转体所组成的一对摩擦轮，理论上可以