（机械设计及理论专业论文）控制式差动无级变速器的研究及优化设计.pdf

r e s e a r c ha n do p t i m a ld e s i g no f c o n t r o l l e dd i f f e r e n t i a l 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 l 0 n at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e b y q uy a o y a o d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h a n g c h u n m a y ， 2 0 1 0 2，日目 托蔡矾黔骤 髟幸雅圉弹驻暾器娶甄砺￥辁翼单胖群器驻甄砺至：右璐* 。百巢目运瞠百晕观酲阜曾般蔡砒黔朝蓦 辣谣延拉朝器娶藁砺耍昭凳草呜群牲勤工驹身幂蚓茸章。f 戮酉 醣磉圆斟目g 种孵并酱粝砚驸f j 芰勘骂髫融岜娶。托疆矾驸岜释 暮臻器娶耀砺垩睡翼摹鹏群轻勒璇矶黔e i v - l l v i a i 目胜茸辞县蔡 砒孵皇哟勒澎革蛎茸莘姚冀毋影硪斡杀嫌覃驻骠困辫目椠f 咨酩勒贸朝飕搭孕噼晕疆显谫辁凳翔骅粝明菩臻* 饕鲻辫详 。国勘工朝勒叁益千咄国谩臻朝器驻蕈砺兰辁龚草鸬群上印扬g 咨辞骚托蔡明暮蒜妙嚣西葛托承明骠霉睡封益重明菩臻牲上娶 碍孵畴瓤识甥朝腰勘蚓琶抱砚醯娶丁上丑锈阿萃托蔡裂觐 。草当￥ 朝磉霉益喜砚并强勒澎孕馥朝影僻睡封磁孕七b 器娶菲砺垩辁翼摹f i 事 群上印台蝉髟观蕊娶丁场。嚣暾卫动身桑箪堂￥朝圉弹驻瞰谣 羽睡封朝暮臻鞑生磁到，朝幸睡戤器娶距砺垩掣暮馨犁霉翠 。摹当￥明刨z 露磷睡封瞠骠霉睡 封阴暮蒜上帘台g 咨揖髟身幂奉磷辁封朝兽鞣牲承岔雅号黝目胖 。歌g 葛* 朝骤索辁朝衅掣暮臻瑶椠创业上f f j 粝舀乜i 叫华朝索雅 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t a t i o ns p e e df o rd i f f e r e n tt e c h n i c a lp u r p o s e s i ta l s oc a ni n c r e a s et h e c a r r y i n gc a p a c i t yo fc v t i np r e c i s i o nc o n t r o l l i n gs p e e d t h ek i n e m a t i c sr e l a t i o n s h i p so ft r a n s m i s s i o nr a t i oa n da d ju s t a b l e s p e e dr a n g eo fd i f f e r e n tc o m b i n a t i o n st y p e sd e v i c e sw e r eo b t a i n e db y s t u d y i n ga n da n a l y s i z i n gt h ek i n e m a t i co fc o n t r o l l e dd i f f e r e n t i a lc v t t h ep a p e rd e t a i l e da n a l y z e dt h o s ep r o b l e m sw h i c ha r et h ep o w e rf l o w d i r e c t i o n ，t h ee x i s t e n c eo fc l o s e dl o o pp o w e ra n dc l o s e dl o o pp o w e r d i r e c t i o n so fd e v i c e s t h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fc y c l ep o w e ro ft h e d i f f e r e n tt y p e sd e v i c e sw a sg i v e n a n a l y z i n gt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo f t h ed e v i c e sb yu s i n gm e s h i n gp o w e rm e t h o d ，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n t h et r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sa n dt h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yw e r e o b t a i n e d i n c o n s i d e r i n gt h e c a s eo fc v ts l i d i n gr a t e ，t h e r e l a t i o n s h i p s o f t r a n s m i s s i o nr a t i oa n d a d ju s t a b l es p e e dr a n g e w e r er e v i s e da n d r e g u l a t e d t h ep a p e rd e r i v e dt h a tg e a rn u m b e rd i s t r i b u t i o nc o n d i t i o n s a n do t h e ri m p o r t a n tp a r a m e t e r s r e l a t i o n s h i p so fg e a rt r a n s m i s s i o no f c o n t r o l l e dd i f f e r e n t i a lc v t b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s b yd e s i g ne x a m p l e ，t h ev a l i d i t yo ft h e o r e t i c a lr e s e a r c hc o n c l u s i o n s w a sv e r i f i e d t h et h e s i sd e s c r i b e ds e l e c t i o no rc a l c u l a t i o no ft h e i m p o r t a n tt r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sa n dt h ed e s i g np r o c e s so fw h o l e m d e v i c ei nd e t a i l f i n a l l y ，t h ec o n t r o l t y p ed i f f e r e n t i a lc v t sa s s e m b l y d i a g r a ma n dt h ew o r k i n gd r a w i n go fm a j o rp a r t sw e r ed r a w l e d a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no fd e v i c es t r u c t u r e ，r e g a r d i n gt h el e a s t v o l u m eo fp l a n e t a r yd i f f e r e n t i a lg e a rt r a i na n df i x e da x i sg e a rp a i ra s t h eg o a lo ft h e o p t i m u md e s i g na n db u i l d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l ， c o n s i d e r e da n du l t i m a t e l yd e t e r m i n e dt h e i rc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s t h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no fc o n t r o l l e dd i f f e r e n t i a lc v tw a si n t r o d u c e db y u s i n gt h em a t l a bo p t i m i z a t i o n s o f t w a r e t h e o p t i m u md e s i g n p r o g r a mw a sd e v e l o p e d a f t e rr u n n i n gt h ep r o g r a m ，t h er e s u l ts h o w e d t h a tt h eo p t i m i z e dd e v i c e ss i z ew a ss m a l l e rt h a no r i g i n a lo n e t h e c o n t e n t so ft h ep a p e rh a v es o m et h e o r ys i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a b l e v a l u ef o rs t u d yo fc o n t r o l l e dd i f f e r e n t i a lc v ta n do p t i m i z a t i o nd e s i g n o fd e v j c e s k e y w o r d s ：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 o n t r o l l e d d i f f e r e n t i a lc v t ，a d j u s t a b l es p e e dr a n g e ，p o w e rs p l i t ，o p t i m u md e s i g n i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1 绪论1 1 1 无级变速器传动概述1 1 1 1 无级变速传动的意义1 1 1 2 机械无级变速器的特点和分类1 1 2 控制式差动无级变速器的发展状况1 1 2 1 机械无级变速器的发展状况1 1 2 2 国内控制式差动无级变速器的研究现状2 1 2 3 国外研究概况4 1 3 课题的提出及内容4 1 3 1 课题研究的提出4 1 3 2 课题研究的主要内容4 1 4 本章小结5 2 机械无级变速器的传动原理及控制式差动无级变速器。7 2 1 机械无级变速器的组成。7 2 2 控制式差动无级变速装置结构简介与传动原理7 2 2 1 控制式差动无级变速装置结构的简介7 2 2 2 带式无级变速器的工作原理8 2 3 带式无级变速器调速方式1 0 2 4 带式无级变速器的运动特性1 0 2 5 带式无级变速器的机械特性分类1 2 2 6 带式无级变速器的传动效率1 2 2 7 本章小结13 3 控制式差动无级变速传动的动力学分析1 5 3 1 机构的运动学分析方法1 5 3 2p x 型传动装置的运动学1 5 3 2 1 装置调速范围的计算16 3 2 2 在不同情况下装置的类型判定1 7 3 3x p 型差动无级变速器1 8 3 4 功率流分析1 8 3 4 1 不考虑功率损失时的功率流判定18 3 4 2 考虑功率损失时功率流的判定2 0 3 5 传动装置的效率分析2 0 3 6 本章小结2 1 4 控制式差动无级变速器的设计2 3 4 1 滑动率对差动无级变速器的传动比i 的影响2 3 4 1 1 滑动率概述2 3 4 1 2 不同类型下对装置传动比的影响2 4 4 1 3 滑动率对装置的调速范围的影响2 5 4 1 4 小结2 7 4 2 控制式差动无级变速器的配齿计算方法2 7 4 2 1 调速范围及传动比条件2 8 4 2 2 邻接条件2 9 4 2 3 同心条件3 0 4 2 4 安装条件3 0 4 2 5 设计配齿方法计算举例3 2 4 3v 带无级变速器的设计3 3 4 3 1v 带无级变速器的设计方法3 3 4 3 2 设计计算过程3 4 4 4 控制式差动无级变速器的整体设计3 7 4 4 1 设计要求3 7 4 4 2 整体装置方案设计3 8 4 4 3 装置传动比及调速范围的设计计算3 8 4 4 4 装置的效率计算3 9 4 4 5 装置的功率流分析及计算一3 9 4 4 6 宽v 带无级变速器的相关计算4 0 4 4 7 差动无级变速器的齿数配比及齿轮强度校核4 2 4 4 8 行星差动轮系重要零件的p r o e 建模4 7 4 4 9 装置的结构设计4 9 4 5 本章小结5 0 5 控制式差动无级变速器的优化设计5 1 5 1 优化设计数学模型的建立一5 l 5 1 1 目标函数的建立51 5 1 2 约束条件的确立5 2 5 2 优化方法及优化结果5 5 5 3 本章小结6 0 6 结论6 1 致谢6 3 参考文献6 5 攻读学位期间发表的学术论文目录6 9 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明7 1 i i i 1 3 控制式差动无级变速器的研究及优化设计 1 绪论 1 1 无级变速器传动概述 1 1 1 无级变速传动的意义 无级变速传动是指在某种控制的作用下，给定一不变的输入转速的情况下，能不断 地、连续地在一定范围内变换输出转速的传动方式，可以适应各种装置或生产系统在运 转过程中机械的工况要求【1 t 2 1 。 无级变速器有主动轮和从动轮两传动轮，通过能传递转矩的中间介质( 固体，流体， 电磁流) 将主动轮、从动轮直接或间接地联系起来，以传递动力。中间介质为固体的变 速器称为机械无级变速器，而中间介质为流体的则称之为液压( 力) 无级变速器。 无级变速传动能够实现连续地变换传动装置输出速度的工况要求，因此无级变速传 动在现代机械传动领域有着重要的意义并占有重要的地位。 1 1 2 机械无级变速器的特点和分类 。 基本型机械无级变速传动能够连续地调节输出转速以实现无级调速的作用，其具有 结构简单、操纵与维修方便、恒功率特性好等优点；因此能适应更多不同机械工况工作、 产品变换、节能和简化传动系统等要求。机械无级变速传动装置作为一种重要的机械传 动部件，随着整个工业和生产机械化、自动化程度的提高，其传动装置在国内外的应用 也日益广泛。 基本型机械无级变速器一般分为摩擦式无级变速、链式无级变速、带式无级变速和 脉动式无级变速四大传动类型。其主要都是由主、从动元件及中间介质之间产生不同形 式的摩擦力进行传动，并通过不同的方式改变其工作半径或其它方式来实现传动装置的 无级变速传动。 机械无级变速器的结构类型比较多，各种性能的差异也较大，影响机械无级变速器 性能的因素也比较多，故在选用时应根据需要全面考虑。 本课题研究的控制式差动无级变速器中选用的基本型无级变速器就是带式无级变速 型。而带式无级变速器是通过改变传动带的工作半径来实现无级变速传动的。带式无级 变速器也是基本型无级变速器中应用最广的变速传动装置。 1 2 控制式差动无级变速器的发展状况 1 2 1 机械无级变速器的发展状况 无级变速器是在1 9 世纪9 0 年代出现的至2 0 世纪3 0 年代以后才开始发展，由于受 当时各方面因素如机械发展水平、材质和加工工艺条件的限制，进展十分缓慢。直到2 0 世纪5 0 年代，尤其是7 0 年代以后，随着科技的发展，原本无法解决或很难解决的技术 陕西科技大学硕士学位论文 难题逐一突破，加上实际生产中对无级变速器的需求越来越多，因此机械无级变速器得 到了迅速和广泛的发展。主要研制和生产的国家有日本、德国、意大利、美国和俄罗斯 虚盘 守。 国内机械无级变速器是在2 0 世纪6 0 年代前后起步，到现在已经有了很大的发展。 随着引入大量的国外先进设备的，工业现代化生产及自动化流水线的迅速发展，对各种 类型的机械无级变速器的需求都大幅度增加，国内机械无级变速器也随之快速发展。经 过几十年的发展，国外现有各种类型结构的无级变速器，在国内都有相应的专业生产厂 及系列生产，这也初步满足了生产发展的需要【l 剖。 现在，机械无级变速器作为作为一类重要的机械传动部件，已经有了比较完善的发 展，也已发展成为机械领域中的一个新兴行业 由于机械无级变速器多是依靠摩擦力来传递动力的，其传动功率和传动速度的范围 都受到很大限制。因此对于单一的基本型无级变速器来讲( 除了个别类型如多盘式等) ， 其传递的功率较小，传动比范围也是有限的( 一般在“之间) ，使得基本型无级变速 器应用场合受到一定的限制。 在各种传动中齿轮传动具有可靠性好、传动平稳、传动效率高等优点，就目前所具 有的各种形式的齿轮传动而言，传动比相对固定，无法实现无级变速。可这并不等于齿 轮与无级变速无缘。特别是封闭行星差动传动系统具有很多优点，无级变速也是其应用 发展的一个方向，这也是无级变速传动向大功率传动发展的一个途径。所以若将基本型 机械无级变速器和行星差动齿轮机构组合成一个差动无级变速机构，这样它就具有了行 星齿轮传动所具有的一些传动有特点，也能够实现大功率传动。本文研究的控制式差动 无级变速器，具体地说，就是用基本型v 带无级变速器取封闭行星差动轮系的两个输入 端( 输出端) ，并联组成的一种比较新型的无级变速传动装置。 因为控制式差动无级变速器是由基本型无级变速器和差动轮系而组成的，所以他们 具有机械无级变速传动和行星差动轮系传动的共同特点。通过它们的不同组合方式及传 动参数的适当选取，可以扩大传递功率或调速范围，甚至实现过零调速的目的。故控制 式差动无级变速器可以拓宽基本型无级变速器的应用场合。在工程机械、起重机械、建 筑机械和现代兵器以及航空工业中均获得了较好的应用，具有广泛的应用前景。本文对 控制式差动无级变速器的中2 k - h 差动轮系和基本型无级变速器并联组合而得到的封闭 差动无级变速器进行较为详尽地分析研究。 控制式差动无级变速传动有利于提高无级变速器调速范围，因此，控制式差动无级 变速器具有很好的开发空间和市场前景。 1 2 2 国内控制式差动无级变速器的研究现状 控制式差动无级变速传动装置内部的封闭行星差动轮系存在着功率分流，以无级变 2 控制式差动无级变速器的研究及优化设计 速器为分流部件，组成功率分流无级变速系统，其系统有输出功率大及实现多种运动效 果的功能，但其内部各方面参数的分析都较为复杂。 a 国内在理论方面的研究 1 ) 国内在差动无级变速器传动比及调速范围方面的研究 由于差动无级变速传动装置是复杂的并联组合机构，其传动比及调速范围的分析 都较为复杂，在这方面的研究已经得到初步解决。 2 ) 控制式差动无级变速器内部功率流及封闭循环功率方面的研究 从这个方面分析，差动无级变速器的组合机构可以分成：( 1 ) 精密调速型，此类型 内部不存在封闭功率流；( 2 ) 扩大调速型和过零调速型，这两情种况都存在封闭功率流。 国内对其装置内部的功率流回流及循环功率也都做了很多研究。在参数条件不同的情况 下可能对于p x 型只能调速到零而不能过零，对于x p 型则会发生自锁现象。 3 ) 在控制式差动无级变速器装置传动效率方面的研究： 传动效率的计算是计算该传动装置承载能力和使用寿命的前提，因此也是研究设计 控制式差动无级变速传动装置所要考虑的。传动效率计算的方法一般有啮合功率法和传 动比法( m a k p e f i h e c 克莱依涅斯法) 。在一般行星齿轮传动中常用啮合功率法，在本 课题中将应用啮合功率法对装置的效率进行计算。对于差动轮系中的中心轮a 、b 和行 星轮所连的系杆h ，当输入方式不同时用传动比法计算传动效率的过程就会不同。 4 ) 在控制式差动无级变速器组合装置的综合设计方面的研究；主要是对一些重要 参数的综合做了一些研究分析，但并还不是很成熟，还需要进行进一步的深入研究。 b 在试验方面的研究 1 ) 九十年代东华大学( 原中国纺织大学) 的陈文菁等人在差动无级变速器的传动比、 调速范围及传动效率方面做了一些试验性的研究。 2 ) 西安理工大学的郗向儒、薛隆泉、崔亚辉等人在虚拟样机技术的封闭式差动无 级变速器方面及传动效率的计算与试验方面做了一些研究。 c 应用方面的研究 1 ) 我校王乃信、张淳等人为韩城矿务局进行了用于锅炉链条炉排调速的应用研究 取得了重要的研究成果，并获得了国家专利，并获国家轻工业局科技进步二等奖。 2 ) 我校王乃信等人为扶风县某企业生产的平面模切传动系统的调速方面做了一些 应用性的研究。 在理论方面已经做了很多工作，但研究也存在着不少问题，如：装置体积和重量偏 大，装配结构复杂，技术要求高等方面的问题，所以还需要对装置进行研究以解决装置 体积重量偏大及装配结构与技术方面的问题。 3 陕西科技大学硕士学位论文 1 2 3 国外研究概况 德国在1 9 3 5 年，k l e i n e r 与r o s s l e r 用2 k - h 型行星差动机构与基本型弧锥环盘式无级 变速器组合，其传动扩大了基本型弧锥环盘式无级变速器的调速范围，在1 9 5 3 年，苏联 也提出了一种封闭式行星摩擦变速器，其传动由带式无级变速器和锥齿轮差动轮系组合 而成。随后又提出了其它各种用于提高传动装置传动功率，调速范围及调速精度的无级 变速传动装置。 美国的n p c h i r o n is 在19 6 5 年把这种无级变速器命名为“控制式差动传动装置。 而此控制式差动传动装置一种是通过功率分流来提高传动装置的传动功率，同时也可以 丝线精密调速。另一种则是通过适当改变差动轮系的传动参数来实现扩大输出转速范围。 日本在六十年代也对差动齿轮式无级变速器进行了大量研究，并取得了许多成果。 进几十年，国内外对控制式差动无级变速传动装置的研究都很重视，国外在结构组 合及传动参数的分析也都有了不少的研究。也都将一些产品应用于了实际生产。 1 3 课题的提出及内容 1 3 i 课题研究的提出 随着国民经济的持续发展，国家基本建设项目大量投入，机械工程市场对机械无级 变速器需求也大大地增加了。然而，由于我国工程机械制造底子薄，市场上除了国产机 械设备外，还有许多进口产品。控制式差动无级变速器其内部的结构参数分析十分复杂， 在对其设计的过程中不仅浪费时间，设计出的结构往往不能达到比较理想的状态。鉴于 机构的内部分析较为复杂，提出了对控制式差动无级变速器进行深一步的研究分析。以 提高真对不同要求设计变速器时能够省时省力。而控制式差动无级变速器也会有更广阔 的应用前景。 由于机械无级变速器主要依靠摩擦传递运动和动力，因此其传动功率和调速范围受 到一定的限制，长期以来，国内外许多学者对此进行了大量的研究工作，并取得了许多 有价值的理论成果，但由于控制式差动无级变速器的运动学、功率流分析十分复杂及装 置的体积较大，这也限制了它的使用范围，有关这方面的优化设计计算还很少，因此需 要一种简洁准确的设计方法。因此本文以一种控制式差动无级变速器为例，对起一种结 构进行整体的设计及计算，再对其进行优化设计，以期得到系统中各部件几何参数的最 佳组合。 1 3 2 课题研究的主要内容 本课题的研究对象是控制式差动无级变速装置，主要完成以下几个方面的任务。 1 ) 控制式差动无级变速器是由基本型无级变速器和差动轮系并联而组成的一种比 较新型的无级变速传动装置。这种装置各个参数之间的关系较为复杂，适当改变参数能 4 控制式差动无级变速器的研究及优化设计 够使装置达到不同的传动效果。因此对控制式差动无级变速器的运动学、动力学、调速 范围、传动效率及机构综合等方面有必要进行深一步的分析研究。 2 ) 对控制式差动无级变速器组合机构的重要参数进行公式推导，并对无级变速器装 置内的差动行星齿轮系中的配齿方法和公式进行分析研究，最终对重要参数进行优化设 计，以尽量减小装置的体积和重量。 3 ) 对控制式差动无级变速器进行工程设计及装配，并给出其装配图和重要零件图。 本文研究工作中面临的技术难点有： 1 ) 对一种p x 型( 或x p 型) 的控制式差动无级变速装置进行运动学、动力学、功率 流和传动效率进深入分析；再进一步分析差动无级变速器组合机构中各参数之间的关系。 2 ) 深入分析控制式差动无级变速组合装置，找出组合机构的重要参数并推导其计算 方法和公式；并将优化方法应用于组合机构中求出最优解。 3 ) 分析研究差动齿轮机构的配齿方法和计算公式以及配齿的约束条件，并使结果控 制在其传动比的误差范围内。 本文研究课题的的创新点有： 1 ) 以控制式差动无级变速器的运动学、动力学、调速范围、传动比及效率等各重要 参数的选择和计算为优化目标，分析出个参数之间的复杂关系并推导出重要参数的求解 方法和计算公式。 2 ) 提出控制式动无级变速器中差动机构的配齿方法及计算公式，并使其满足各装置 的各种条件。 3 ) 将优化方法应用于差动无级变速器的组合机构中，并最终求得最优解，使其满足 传动原理的要求同时使组合机构装置的体积和重量达到最优，从而能够降低生产成本并 提高生产效率 1 4 本章小结 本章介绍了机械无级变速器的传动意义、特点及分类，机械无级变速器的发展 状况及控制式差动无级变速器的研究状况，最后概括的介绍了本课题的研究内容及方 法。 5 陕西科技大学硕士学位论文 6 控制式差动无级变速器的研究及优化设计 2 机械无级变速器的传动原理及控制式差动无级变速器 2 1 机械无级变速器的组成 现代机械无级变速器都是利用主、从动构件与中间介质的摩擦产生摩擦力来实现传 动装置运动和转矩的传递，并通过改变主、从动件的相对位置以改变接触处的工作半径 来实现无级变速的 2 1 。 机械无级变速器其结构主要是由变速传动机构、调速机构及加压装置或输出机构三 部分组成。 机械无级变速器为了实现扩大变速传动装置的调速范围，或实现传动精密调速并提 高其传动功率，甚至能实现过零调速，经常和一些减速器结合使用。常用基本型无级变 速器与行星差动轮系的构件并联封闭，组成一个单自由度的封闭行星差动无级变速器， 也称之为组合( 控制) 式无级变速器。 本文研究的控制式差动无级变速器便是其中一种，装置内部形成的封闭行星差动轮 系内部存在功率回流的现象，因此可实现让传递功率的一小部分流经基本型无级变速器， 而大部分功率通过行星差动轮系流出，这样可以提高无级变速传动机构的传动功率。在 这里基本型机械无级变速器主要起了控制变速的作用。 2 2 控制式差动无级变速装置结构简介与传动原理 2 2 1 控制式差动无级变速装置结构的简介 课题研究的控制式差动无级变速器是由基本型无级变速器和差动轮系并联而组成的 种比较新型的无级变速传动装置。而本文研究的控制式差动无级变速器则是选择宽v 带无级变速器和行星差动齿轮机构及其它定轴齿轮副传动组成的一种差动无级变速器， 其组合方式有p x 型和，型控制式差动无级变速器两种。其中p 表示基本型无级变速 机构，而x 则表示行星差动轮系机构。不同的组合设计方式有不同的传动效果【7 12 1 。如 图2 1 ，就是_ 种p x 型的控制式差动无级变速器的结构简图。 控制式差动无级变速器的结构简图如图2 1 所示。图左部分是基本型带式无级变速 器，它可以用来调节带轮工作半径已达到调节速度的目的，但是一般这种无级变速器的 调速范围比较小，所能承载的功率也比较小。一般只为，很难有很大的提高。图右 部分是行星差动轮系，带式无级变速器的两轴分别由差动轮系的两输入端连接，最后由 行星差动轮系的系杆h 输出。整个装置的调速是通过图左边的无级变速器的调节装置来 实现的。 组合成的控制式差动无级变速器，通过适当改变装置内选取的各个不同的传动参数， 陕西科技大学硕士学位论文 a 一太阳轮b 一内齿圈c 一行星轮，b 外齿圈h 一系杆 图2 - 1 控制式差动无级变速器的结构简图 f i g2 - 1t h es n l l c n l r eo f c o n t r o l l e dd i f f e r e n t i a lc v t 便可以实现精密调速并扩大基本型无级变速器承载能力，或者扩大基本型无级变速器的 调速范围，甚至实现过零调速。而在实现扩大调速范围或过零调速时，整个变速器内所 形成的封闭空间必定会产生功率回流，此时电机输出的功率一部分经定轴齿轮副和内齿 圈输入差动轮系，其中另一部分由中心轮a 经v 带无级变速器回流，这样也减小了基本 型无级变速器的承载负荷。产生回流功率，即出现了循环功率，其值有时会达到输入功 率的几倍至几十倍，甚至达到无穷致使机构自锁。 图2 1 装置中转速由电机输入，经由定轴齿轮副和带式无级变速器的一端输入，经 另一端从差动轮系的中心轮输入差动轮系，最后由差动轮系的行星轮系杆输出转速和转 矩。这也只是一种p x 型的差动无级变速器。根据不同的场合及技术要求，可以选择不 同类型的差动无级变速器，并通过选择合适的参数以达到所需要的工况要求。 2 2 2 带式无级变速器的工作原理 控制式差动无级变速器是选用带式无级变速器和差动轮系并联而成。而带式无级变 速器是机械无级变速器中应用最广的一种变速器。带式无级变速器的基本结构和传动原 理与带传动基本相同i t , 1 3 1 ，如图2 2 。 8 控制式差动无级变速器的研究及优化设计 从动 主动 i 、d o o o 凸， 棚l 飞圈 ， 山 霸 il 巾 ， 色一 l i e 争、 l 。 置 、 、 u瞄t 叨吖 啊 纨 v 幽 匕i 刃i 八 - 明 i 量 - - 暑 - i e ，。 c 出 - 豳 - 明 中双k j p o o o 口、 r1 图2 2 带式无级变速器的工作原理图 f i g2 - 2 t h ew o r kp r i n c i p l ed i a g r a mo fb e l t - t y p ec t v 如图2 2 中所示的带式无级变速器的工作原理，可知它主要是由主动锥轮l 、从动 锥轮3 及紧套在两轮上的传动带2 组成的，配合上带式无级变速器的调速操纵机构便能 够实现无级变速。通过操纵机构改变带在锥形带轮上的工作位置，从而连续地改变主从 动轮的工作半径来实现在一定范围内连续地变换输出转速的目的。 带式无级变速器结构简单，容易进行无级变速，又具有工作平稳，能吸收振动和具 有过载保护作用，传动带虽易磨损，但其更换方便，价格低廉。主要缺点是外形尺寸较 大，调速范围较小。 若和差动轮系组合成差动无级变速器，外型尺寸增加的不大，但是可以改善带式无 级变速器调速范围较小的缺点，可实现扩大调速范围，甚至可以实现过零调速；或者实 现精密调速，同时增大整个装置的承载能力。 v 带无级变速器一般又分为普通v 带、宽v 带和块带几种。 普通v 带用于一般带传动，由标准v 带和窄型v 带两种。 宽v 带的横截面比普通的标准v 带要宽得多，宽v 带截面的节宽与其高度之比值达 3 4 ，其楔角比普通v 带的楔角小( 通常约为2 6 0 ) 。为了使其带有更大的挠曲性，宽v 带通常采用下部为齿形( 或上下部都有齿) 的结构。 宽v 带的调速范围较其它大些，传递功率也较大，挠曲性也较好，因此它是带式无 级变速器中主要应用的带型。 块带应用的较少，另外，还有v 型钢带，近几年来在汽车变速器中得到广泛应用， 在此不做介绍。 宽v 带无级变速器采用专门用于变速传动的宽型v 带，这种v 带带面较宽，调速范围 9 陕西科技大学硕士学位论文 大，单级传动的调速范围为r 。= 3 5 。v 带的速度可达( 2 5 - 3 0 ) m s ，因此主动轮的转 速可高至2 0 0 0 r r a i n 。这种带的传递功率较大，使用寿命较长。 宽v 带无级变速器中的工作能力主要取决于宽v 带，宽v 带是易损件，其失效形式主 要是疲劳破坏和打滑。通常设计计算按不发生打滑现象为前提，并具有一定的疲劳强度 和寿命1 1 , 1 4 , 1 5 】。 宽v 带无级变速器的设计通常是根据要求的条件和工作情况选择宽v 带型号，确定 基本参数，计算其几何尺寸，校验有关项目和计算弹簧的压紧力等。目前国内外现行生 产的普通宽v 带无级变速器的主要产品系列规格见表2 1 表2 - 1 普通宽v 带无级变速器产品系列规格 t a b l e2 。1c o m m o nw i d evb e l tc v tp r o d u c t ss p e c i f i c a t i o n s 堕塑堑笙塑望查塞垫皇蔓里笙婴塑望整里坠生主里 0 2 0 72 单边圆锥盘可动调节中心距变 中国、日本 变速带轮速 单边圆锥盘可动 的调速带轮与变双变速带轮变 速带轮组合速 3 3 3 4 2 、4 6 1 1 德国 中国、日本 中国 德国 2 3 带式无级变速器调速方式 基本型机械无级变速器的调速方式有多种，而对于带式无级变速器的调速方式主要 有下面几种【1 】： 1 ) 调节中心距变速方式 2 ) 双带轮变速方式 3 ) 中间变速带轮变速方式 4 ) 调节轮轴向位置实现变速的方式 在课题控制式差动无级变速器中选用的v 带无级变速器是用调节轮轴向位置来改变 带轮工作半径的方式，从而实现无级变速的。 2 4 带式无级变速器的运动特性 带式无级变速器的调速范围取决于带轮工作直径的相对变化量。以宽v 带带轮为例， 如图2 - 3 ，即可从直径位置达到直径d k 位置时v 带的移动量r 来确定调速范围， 即： 1 0 一 一 h 0 m 仉 0 控制式差动无级变速器的研究及优化设计 ，= 垒2 尘= 笠2c 。t 里2 - = 鱼2c 0 卜2， ( 2 1 ) z ， 式中：9 两圆锥盘问的夹角5 6 i - v 带底面的宽度，岛= 一2 t a i l ( 伊2 ) ； - v 带中层的宽度，即节宽； ， 吃中层至底面的距离，吃= 日一7 j l ( 啊为v 带中层至顶面的距离，h 为带全高) n | i 卜 l 、 、 杉形( 优( ， ， 、 ， | ， i 、 、w ， j | i 、， 髟夕粥缎 f d n a ) 两圆锥盘双向移动b ) 单边圆锥盘移动 图2 - 3 变速时圆锥盘移动与v 带的位置关系 f i g2 - 3t h er e l a t i o n s h i po ft h el o c a t i o no fb e t w e e nac o n ep l a t em o v e m e n ta n dvb e l t 当宽v 带采用一个变速带轮，且此轮为主动轮时，其调速范围为： 尺p = 鳖= 绝：1 + 旦 ( 2 _ 2 ) m i a v l m i a，i 血 式中：，i 曲v 带处于主动轮直径d l m i n 位置时的半径，而，i m i n = q 曲2 。 当宽v 带采用两个可调带轮时，则调速范围为： 驴力i 2 m a x = 蹬= ( + 鲁) ( 1 + 鲁 协3 ， 上式中下脚标为l 表示主动轮的参数，下脚标为2 表示从动轮的参数。 如果两个可调节带轮的工作直径变化范围相同，则可称为对称调速，则有： 哗- ( 斟= ( 1 + 告) 2 协4 ， 由上述关系式可以看出，若要扩大调速范围，就需要增加，和减小r m i n ，即减小带 陕西科技大学硕士学位论文 轮的槽角伊和减小带轮直径d m 抽，