（机械设计及理论专业论文）nu+vinci无级变速器的特性分析、试验及应用研究.pdf

浙江理工大学硕士论文 摘要 随着现代科技及工业化的发展，机械无级变速器因其具有结构简单、传动平稳、工作 可靠的优点，得到了越来越广泛的应用，同时各生产领域对无级变速器的要求也愈来愈高。 针对现有水稻田间育秧播种器播种量调节过程繁琐，调节量不易控制的问题，本文在研究 分析n u v i n c i 无级变速器( 原型为f r e e b a l l ) 机械特性的基础上，提出了一种基于机械无 级变速器的播量调节传动方案，并对其进行了虚拟样机仿真。 本文的主要研究内容及结论如下： 1 ) 对n u v i n c i 无级变速器的变速传动机构进行了运动学和动力学分析。通过建立数学 模型，对其传动比、变速比、承载功率、滑动率、机械效率等机械特性与结构参数之间的 关系进行理论研究，并利用m a t l a b 编程语言得出了各结构参数、材料属性对机械特性影 响的三维曲面图，为f r e e b a l l 型无级变速器的结构参数选取打下了基础； 2 ) 对n u v i n c i 无级变速器的调速机构进行了分析，针对其槽轮轮廓的设计提出了一种 基于无级变速器输出传动特性曲线的槽轮轮廓反求设计方法，并根据田间育秧播种器的设 计要求进行了实例设计； 3 ) 基于v b n e t 和u g 软件对n u v i n c i 无级变速器进行了参数化变形设计，为f r e e b a l l 型无级变速器变速传动机构的参数化、系列化设计打下了基础； 4 ) 利用a d a m s 仿真软件对n u v i n c i 无级变速器进行虚拟样机仿真实验，针对不同的 调速情况及负载与否进行运动学仿真分析； 5 ) 研制了无级变速传动试验台，在不同传动比情况下对其传动效率随负载及速度变 化的机械特性进行了试验研究，试验结果表明：该无级变速器的传动效率随传动比的变化 而发生改变且在等速传动时达到最大值；在结构参数选取r = 1 5 m m ，r c = 2 0 r a m 时，最大 承载转矩在1 5 n m ，进一步验证了理论分析的正确性； 6 ) 在上述研究分析的基础上，通过对现有水稻田间育秧播种器的播量调节原理进行 分析，提出了基于f r e e b a l l 型无级变速器变速传动的播量调节改进方案，并利用u g 软件 完成了虚拟样机的装配。对现有的播量调节装置与无级变速传动播量调节方案进行分析比 较，结果表明无级变速传动播量调节方案不仅大大简化了播种器播种量调节装置的结构和 操作程序，而且也有效地提高了播种密度的连续性和均匀性，能较好的适应不同播种密度 的农艺要求。 浙江理工大学硕士论文 关键词：c v t ，播种器，调速机构，槽轮机构，反求设计 h 浙江理工大学硕士论文 c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ，e x p e r i m e n ta n da p p l i c a t i o ns t u d yo fn u v i n c ic v t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r ya n dm o d e mt e c h n o l o g y ，m e c h a n i c a lc v th a sa n i n c r e a s i n ge x t e n s i v ea p p l i c a t i o nb e c a u s ei ti ss i m p l ei ns t r u c t u r ea n ds m o o t hi nt r a n s m i s s i o n , r e l i a b l ei nw o r k m e a n w h i l ee a c hp r o d u c t i o nf i e l dh a sah i g h e rr e q u i r e m e n t si nc v t b a s e do n t h ep r e m i s eo fm e e t i n gt h er e q u e s to fw o r k i n g ，i th a sb e e nar e s e a r c ht r e n di nb o t hd o m e s t i ca n d o v e r s e a st om a k et r a n s m i s s i o nr a t i or a n g eb i g g e ra n dm a k es p e e dr e g u l a t i n gm o r ec o n v e n i e n t a n dq u i c k a c c o r d i n gt ot h ec o m p l e x r e g u l a t i n gp r o c e s si nc u r r e n ts e e d i n ga n dp l a n t i n gm a c h i n e i nr i c ef i e l da n dd i f f i c u l t yc o n t r o li nr e g u l a t i n gq u a n t i t y ，a f t e rr e s e a r c h i n ga n da n a l y s i n gt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f n u v i n c ic v t ，t h i sp a p e r p u t sf o r w a r daq u a n t i t y - r e g u l a t i n gp l a nb a s e d o nm e c h a n i c a lc v tt r a n s m i s s i o n , a n dav i r t u a lp r o t o t y p es i m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n e l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h ek i n e m a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i so fv a r i a b l es p e e dm e c h a n i s mo fn u v i n c ic v ta r e c o n d u c t e d t h r o u g he s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n a l y z ea n dr e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ni t ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dm a t e r i a lp r o p e r t i e ss u c ha st r a n s m i s s i o nr a t i o ，g e a rr a t i o ， l o a dt o r q u e ，s l i pr a t e ，t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ye t c a n du s i n gt h em a t l a bs o f t w a r e ，a c h i e v e t h r e e - d i m e n s i o n a ls u r f a c ec h a r to ft h ei m p a c to fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dm a t e r i a lp r o p e r t i e so n t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a n dl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h es e l e c t i o no fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f n u v i n c ic v t 2 ) t h er e g u l a t i n gm e c h a n i s mo fn u v i n c ic v ti sa n a l y z e d f o rs h e a v e sp r o f i l ed e s i g n , p r o p o s ear e v e r s ed e s i g nm e t h o do fs h e a v e sp r o f i l eb a s e do nt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f c v t a n da c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fs e e d e r ，m a k ea ne x a m p l eo f d e s i g n 3 ) p a r a m e t r i ct r a n s f i g u r a t i o no ft h en u v i n c ic v t h a sb e e nd e s i g n e db a s e do nv b n e ta n d u g ，w h i c hl a yaf o u n d a t i o no ft h ep a r a m e t e r i z a t i o na n ds e r i a l i z a t i o no ft h en u v i n c ic v t 4 ) v i r t u a lp r o t o t y p es i m u l a t i o ne x p e r i m e n th a sb e e nc o n d u c t e df o rn u v i n c ic v tb y a d a m ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ；t oa n a l y s i sk i n e m a t i c ss i m u l a t i o na c c o r d i n gt od i f f e r e n ts p e e d c o n d i t i o n sa n d1 0 a do rn o t 5 ) d e v e l o pt h ec v te x p e r i m e n t a lp l a t f o r m , e x p e r i m e n t a ls t u d yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f ! i i 浙汀理工大学硕士论文 t h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yc h a n g i n gw i t ht h el o a da n ds p e e di nd i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nr a t i o ； e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w s ：t h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo fc v tc h a n g e sw i t ht r a n s m i s s i o nr a t i o ； a n dr e a c h e st h em a x i m u mi ne q u a ls p e e dt r a n s m i s s i o n ；w h e nc h o o s er 0 = 1 5 m m ，r c = 2 0 m ma s s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，t h em a x i m u ml o a dt o r q u ei s15 n m ，f u r t h e rv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h e o r e t i c a la n a l y s i s 6 ) b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c ha n da n a l y s i s ，a ni m p r o v e dp r o p o s a lb a s e do nf r e e b a l l c v ti sp u tf o r w a r d ；a n du s i n gu gs o r w a r e ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p ei s a s s e m b l e d t h r o u g ht h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ee x i s t i n gs e e d e ra n dc v ts c h e m e s ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec v t s c h e m ec a nn o to n l ys i m p l i f i e st h es t r u c t u r ea n dp r o c e d u r e so nr e g u l a t i n gq u a n t i t yi nal a r g e e x t e n t ，b u ta l s og r e a t l yi m p r o v e st h ec o n t i n u i t ya n du n i f o r m i t yo fs o w i n gd e n s i t y ，s ot h a t a g r i c u k u r a ld e m a n d so fd i f f e r e n ts o w i n gd e n s i t ya r eb e t t e rs m i s f i e d k e y w o r d ：c v t ，s e e d e r ，s p e e dr e g u l a t i n gm e c h a n i s m ，s h e a v em e c h a n i s m ，r e v e r s ed e s i g n i v 浙江理工大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 无级变速器是在输入转速一定的情况下，通过操纵控制机构，实现输出轴的转速在 一定范围内连续、任意地变化。相较于定比传动、有级传动，无级变速的优点在于：根 据工况的变化使输出转速在两个极值范围内连续的平稳地变化，能够有效的发挥电机机 械特性，充分协调输出转速和负载变化；应用无级变速传动，很多时候还可以达到简化机 构，提高工作效率的目的，能够有效地促进机械自动化、现代化的发展【1 3 1 。 无级变速器经过几十年的发展，其产品呈现出多样化，机械性能逐步完善，已逐渐 成为现代机械传动领域的一个重要分支，在国民生产的各个领域也得到了广泛的应用。 例如：为了探求最佳传动效果而改变转速的实验机械，根据阻力变化进行转速调节的化 工搅拌机械，根据工作区段的不同进行调速的起重运输机械，为了实现节能减排实行无 级调速的风机等【4 川。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 无级变速器的分类 无级变速器依据传动方式的不同主要分为液力式、电力式、机械式三大类【3 1 。 1 ) 液力式无级变速器是以流体为传动介质，采用泵或液力耦合器等实现无级传动， 其调速范围相对较大、传动效率高，并且具有吸收冲击、防止过载的优点，但其制造精 度要求较高、价格昂贵、滑动率大，并且在运转过程中容易出现漏油的状况； 2 ) 电力式是利用电磁流作为传动介质，通过调压、变频、磁通等方式实现输出轴转 速的无级变化。目前应用最多的变频调速，通过变幅器获得变幅电源驱动电机变速，在 降速段位具有恒转矩特性，但低速运转时效率低且运转呈现出不平稳性，且价格较高， 维修需专业人员； 3 ) 机械式无级变速器是以固体为传动介质，依靠接触处的摩擦力或油膜牵引力，通 过改变输入、输出端的工作半径实现无级变速。相比于液力式和电力式，机械式无级变 速主要有以下优点：结构简单，转速稳定，工作可靠，传动效率高，并且具有恒功率特 性。 当然，还有另外一些新型的机械式无级变速器逐渐被提出，如近年来提出的利用齿 轮传动来提高传动效率的无级变速器。 浙江理工大学硕士论文 1 2 2 国内外机械无级变速器的发展现状 无级变速器的发展最早可追溯到1 4 9 0 年，当时的l e o n a r d od a v n c i 大师设计了采用锥 轮传动的无级变速草图。然而由于加工工艺、材料等诸多因素的限制，直到1 9 世纪7 0 年 代无级变速器才开始缓慢地发展。随着机械工业的发展，一方面随着各种加工工艺和加 工技术的不断进步，新材料的发明，特别是牵引理论的提出，另一方面各种行业的机械 化、自动化发展对无级变速器提出了愈来愈强烈的需求，使得无级变速器进入其蓬勃发 展时期。在这种历史发展下，美国、德国、日本、俄国和意大利逐渐成为了无级变速器 的主要研制和生产国。 由于历史原因，我国对无级变速器的研究起步较晚，起初主要作为机床、化工、纺 织等行业中的配套零件使用，品种匮乏、产量极低，开始对多盘式无级变速器和滑片链 式无级变速器进行仿制，随后对相近的产品如钢球外锥轮式无级变速器和菱锥式无级变 速器进行研制。直到改革开放后随着国外先进技术及设备的引进、工业现代化的发展以 及各行各业对各类无级变速器的需求逐渐增大，一些专业生产厂家才开始无级变速器的 仿制和生产，与此同时，国内院校和研究机构也开始了对其的研究工作。近几十年来，随 着我国工业技术的发展和对无级变速器的研究理论逐渐成熟，国内无级变速器的发展已 经取得了长足进展，已逐渐形成了从研制、生产、组织管理到情报网的一系列完整体 系。 经过几十年的发展，国内外专家学者已经设计开发出数量众多的无级变速器，根据 其传动特点，可大致分为以下四类： 1 ) 刚性摩擦无级变速器 刚性摩擦无级变速器是以各种结构形状的刚性元件为传动介质，利用接触处的摩擦 力或油膜牵引力，通过调速机构改变主、从动端的工作半径实现无级变速传动的传动机 械。刚性摩擦无级变速器主要由三部分组成：用于传递运动和动力的变速传动机构、为接 触处提供足够摩擦力的加压装置和实现变速的调速机构。其结构简单，工作可靠，传动 平稳，成本低廉，但由于其摩擦传动特性，造成不可避免的摩擦损耗，因此对其研究内 容大多针对提高传动效率、降低滑动率及提高承载功率等方面。 刚性摩擦无级变速器经历从直接传动、中间元件和行星式传动的发展历程【8 9 】。直接 传动式无级变速器的主动件与从动件直接接触，多采用改变主动件之间的接触位置以实 现无级变速传动。此类无级变速器的代表是滚轮平盘式无级变速器，其结构极其简单， 输入输出轴为交叉传动，但由于受到结构限制，变速范围较小，承载功率不高。在此基 2 浙江理工大学硕士论文 础上，通过增大接触面积设计出锥盘环盘式无级变速器、多盘式无级变速器、转换直动 式无级变速器等等，有效地提高了承载功率。 在随后的设计中，国外又出现了滚锥平盘式和钢球平盘式无级变速器，在主、从动 轮之间添加中间元件，通过改变输入、输出轮的工作半径实现无级变速。之后又出现了 钢球外锥轮式、钢球内锥轮式，通过改变中间轮的工作半径实现无级变速。随后，设计 人员又通过改变中间元件的结构形状，设计出四滚锥平盘式、菱锥式、半环型锥盘滚动 式无级变速器等等以满足特定目标特性的改变需求。文献 1 0 】以k o p p b 型为研究对象， 基于可靠性设计理论，通过分析研究锥轮的结构尺寸、传递功率与材料疲劳强度及可靠 性之间的关系，为同类机构的可靠性设计提供了参考方法；文献 1 l 】在分析半环式无级变 速器的基础上，将其应用在摩托车上，通过对油耗、燃料燃烧性、控制系统、效率及寿 命等进行实验测试与传统的变速方式对比分析，验证了这种应用的可行性。可以说，中 间元件在无级变速器中的应用极大地开阔了无级变速器的设计发展空间。 在随后的发展过程中，由于行星齿轮传动的出现及发展，无级变速传动又出现了行 星无级变速器。与行星齿轮传动原理相同，此类无级变速器普遍采用锥盘、环盘作为太 阳轮，中间元件为行星轮。行星式传动在无级变速器的应用使得无级变速器的发展又更 进一步，其各项机械性能得到了进一步的提高，承载功率增加、变速比范围扩大、结构 更加紧凑等。主要产品有内锥行星式、行星钢球式、行星环锥式无级变速器等等。目 前，国内对行星式无级变速器的研究颇多，如【1 2 】【1 3 1 4 分别针对行星锥环无级变速器 的最大传动能力、几何滑动率计算方法、效率等进行了分析研究，并提出了针对各种机 械特性的理论计算方法，为同类产品的开发设计提供了较好的理论基础；太原理工大学 的任家骏老师多年来针对环锥行星式无级变速器进行了深入的研究分析，并在此基础上 提出了以直齿圆锥齿轮为代表的改进措施，以获得更高的变速比和传动效率【1 5 , 1 6 , 1 7 1 等等。 2 ) 带式无级变速器是出现最先且研究最多的无级变速器，其基本机构和传动原理与 带传动基本相同，主要由两组传动锥轮和带组成，通过改变带在传动锥轮上的位置使输入 输出端的传动半径发生改变实现无级变速。 带式无级变速器的研究与汽车行业的发展息息相关，由于其结构简单，容易实现无级 变速，尤其是2 0 世纪9 0 年代以来随着汽车行业的蓬勃发展，带式无级变速器迎来了其发 展的黄金阶段。国内外专家学者针对带式无级变速器存在的易磨损缺点提出了一系列的改 进措施，目前钢带式无级变速器是应用范围最广的一种，主要用于汽车行业以提高燃油经 济性【l 扪。更多的研究机构将现代电子技术和控制理论与带式无级变速器结合起来，极大的 3 浙江理工大学硕士论文 提高了驾驶操作性和乘坐舒适性。文献 1 9 】以剖分变径带式无级变速器为研究对象，针对 在调速过程中的带长变化问题，提出了通过优化变速杠杆比以控制传动波动比的方法，具 有较强的实际意义；文献【2 0 】提出了在带式无级变速器中使用双电机控制传动比变化的调 速方案，对传动过程中的受力与传递转矩关系进行仿真分析，并通过实验验证方案的可行 性；文献 2 l 】基于对橡胶带式无级变速器的理论分析基础上，开发一套测试其各项机械性 能的试验台，对同类产品的机械特性分析实验提供了很好的指导价值。 3 ) 链式无级变速器是采用链轮和钢质饶性链条进行运动和动力的传递，目前的产品 主要有滑片链式、滚柱链式和链式卷绕无级变速器等等。链式无级变速器的结构紧凑，滑 动率小且寿命较长，但由于其本身的多边形效应会使输出转速存在微小的波动，另外，由 于其重量较大造成运转过程中的离心力过大限制其运行转速。链式无级变速器的应用较广 但对其的理论研究分析相对较少，当然也有学者针对链式无级变速器提出了一些开创性的 设计思路。文献 2 2 】提出了以行星链轮代替链轮轮齿进行啮合传动的方法实现无级变速， 其结构简单，成本低廉，使用于小功率、低速的工作情况。 4 ) 脉动式无级变速器的基本机构是连杆或凸轮机构，结合使用单向超越离合器，将 摇杆的往复摆动运动转换为输出轴的单向脉动性旋转运动。通常是采用多组具有相位差 的连杆与超越离合器组合机构，通过改变连杆机构构件间的比例，使得摇杆的位置或摆 动角度发生变化，实现无级变速传动【2 3 2 4 1 。 脉动式无级变速器拥有结构简单、制造成本低廉、可实现零位调速、调速稳定、寿 命时间长等诸多优点，然而由于其结构特点及工作原理，仍需进一步改进，如由于连杆 在运动过程中无法得到平衡的惯性力造成在高速运转中引起的剧烈振动和由于超越离合 器的限制导致其承载能力和抗冲击能力无法得到较高的提升，因此脉动式无级变速器目 前主要应用在中小功率、中低转速及降速机构且对输出轴均匀度要求不高的场合，如清 洗设备、食品、塑料和电器装配流水线等领域。国外对脉动式无级变速器的研究程度， 以美国、德国和日本的技术较为领先，其中更以美国的z e r o m a x 型和德国的g u s a 型作 为脉动式无级变速器的主要代表产品【2 5 】。 近年来，国内许多专家学者针对脉动式无级变速器进行了相当多的研究，如文献 2 6 】 对w w b 型脉动无级变速器进行了理论研究分析，基于参数化机制，对其进行了结构优化 设计；文献【2 7 】在对z e r o - m a x 型无级变速器进行运动学和动力学分析的基础上，对其结构 参数进行优化，使其传动平稳性和传动效率得到有效提升等等。针对脉动式无级变速器 的研究分析还有很多，然而由于其结构及原理的独特性，对其进行的研究只能是进行改 4 浙江理工大学硕士论文 善，无法得到根本的解决。 1 2 3 机械无级变速器的发展趋势 目前随着工业机械化、自动化的发展，无级变速器的应用将愈来愈广泛，对无级变 速器的性能将提出更高的要求。综合目前国内外无级变速器的研究发展现状，近年来对 无级变速器的发展趋势主要是： 1 ) 结构简单化，操作简便，生产制造成本降低。如目前针对无级变速器的参数化设 计、建模、虚拟样机仿真实验等等，大多通过开发各种参数化设计系统以缩短研发周 期、提高产品开发效率； 2 ) 较高的承载能力。如对各种脉动式无级变速器的研究，对连杆进行有限元分析改 进，采用直杆代替弯杆，降低其易失稳的缺陷，提高承载功率等。 3 ) 通过对结构进行优化，一方面使无级变速传动工作更加可靠，传动渐趋平稳，如 文献 2 8 】通过优化机构尺寸，使得z e r o m a x 型无级变速器的脉动率和角加速度图变量降 低，从而减少对轴承的冲击，提高整机的传动平稳性；另一方面使无级变速器的整体尺 寸小型化以适应各种机械需求。 4 ) 不断提出新的创新性无级变速器，获得更高的传动效率和较小的滑差率。如近年 来逐渐被提出的采用行星齿轮传动或柔性齿轮传动代替传统的刚性摩擦无级变速，以获 得更高的机械效率和低滑动率为目标，同时传动功率也有所提升 2 9 , 3 0 】。 1 3 论文的研究目的及意义 水稻是我国的重要粮食产物，在粮食安全中占据着重要地位。随着水稻种植业的发展 和插秧机械的大面积普及，市场对水稻育秧播种机械的呼声口益高涨。目前的水稻播种机 械播量调节装置大多采用电控式或多级链传动机构进行播量的调节，其结构复杂，调速困 难，严重影响了作业效率，不利于水稻机械化的发展。针对此种状况，本文提出以基于机 械无级变速传动的播量调节方案，以提高水稻育秧播种的作业效率，推进水稻种植业的机 械化发展。 本文中采用的机械无级变速器是美国某公司在2 0 0 7 年发明的n u v i n c i 无级变速器，它 是在f r e e b a l l 型无级变速器的基础上，对其结构进行改进设计而开发出的一款新产品，其 结构简单，小巧紧凑，工作平稳，传动可靠，非常适用于中小功率的机械传动中。n u v i n c i 无级变速器采用同轴输入输出的变速机构，能进行增速、减速机械传动，传动比变化平稳， 具有较为广阔的应用前景。 本文以n u v i n c i 无级变速器为研究对象，通过对其进行理论研究分析、虚拟样机仿真 s 浙江理工大学硕士论文 实验及通过研制试验台进行传动试验，综合分析其各项机械特性。并结合对以2 b d 1 8 8 型 水稻田问育秧播种机为例的水稻播种机械，探讨机械无级变速器在水稻播种机械中的适用 性，分析采用无级变速器进行播量调节方案的可行性。 1 4 论文的主要研究内容 本文的主要研究内容如下： 1 ) 通过建立n u v i n c i 无级变速传动机构的数学模型，展开对该无级变速器的运动学和 动力学研究分析，探讨其结构参数、材料属性等与各项机械特性之间的关系； 2 ) 对n u v i n c i 无级变速器的调速机构进行研究分析，根据其结构及工作特性探讨其在 水稻田间育秧播种机调速机构上的适用性； 3 ) 利用v b 6 0 编写无级变速传动机构的分析应用软件，结合理论分析计算公式，通过 软件友好的操作界面，使用户能够方便、清晰地理解n u v i n c i 无级变速器的各项参数对机 械特性的影响关系，使设计人员能快速对该型号无级变速器进行研发； 4 ) 基于v b n e t 和u g 软件实现对无级变速传动机构的参数化变形设计，并利用a d a m s 软件并对其进行虚拟样机的运动学仿真分析； 5 ) 研制n u v i n c i 无级变速器的机械传动试验平台，针对不同传动比情况下对其进行传 动加载实验，对其传动效率、承载功率及速度变化的机械特性进行实验研究分析，验证理 论分析的正确与否； 6 ) 在前述各项分析结果及对水稻育秧播种机械研究的基础上，提出基于f r e e b a l l 型 无级变速器的水稻播量调节改进方案，研究分析该播量调节方案的可行性及优势。 1 5 本章小结 1 ) 介绍了无级变速器的研究意义； 2 ) 概述了国内外机械无级变速器的研究历史及发展现状，阐述了国内机械无级变速 器存在的问题和发展方向。 3 ) 详细介绍了本文的主要研究内容。 6 浙江理工大学硕士论文 第二章n u v i n c i 无级变速器机构的运动学、动力学分析 2 1 基本结构及工作原理 n u v i n c i 无级变速器是一种依靠摩擦力来实现运动和转矩传递的无级变速传动装置， 其结构简单，布局紧凑，主要由变速传动机构、调速机构及加压装置三部分组成，其工 作原理如图2 1 所示。该无级变速器的核心部件变速传动机构主要由输入轮盘、一组 传动钢球和输出轮盘组成。输入、输出轮盘2 ，5 与传动钢球3 之间始终保持点接触，通 过接触处的摩擦力来传递运动和动力。输入、输出轮盘2 ，5 处于同轴线上，绕同一根心 轴转动。调速机构主要由槽轮机构、行星齿轮机构组合而成，通过槽轮的往复摆动带动摆 杆4 在滑槽内做如图所示的运动，使得输入、输出轮盘2 ，5 与传动钢球3 的工作半径分 别发生改变，而传动比则随着其工作半径的变化平滑变动，从而实现无级变速传动。对 于调速机构的研究在本文第三章中将有详细介绍，在此不再赘述。加压装置通过输入端或 输出端的碟簧压紧装置l 为摩擦接触提供一定的轴向力，使两轮盘与传动钢球之间保持足 够的压力，从而保证摩擦力能有效可靠地传递运动和动力p 。 2345 1 、压力弹簧2 、输入轮盘3 、传动钢球4 、摆杆组件5 、输出轮盘6 、中心压力轮 图2 1 无级变速器传动原理图 2 2 运动学分析 2 2 1 名义传动比 当输入轮盘通过接触点a 处的摩擦牵引力带动传动钢球，传动钢球又通过接触点b 处 的摩擦牵引力带动输出轮盘时，如果空载而不考虑滑动的影响，则该无级变速器的名义 7 浙z i ：理上大学硕士论文 传动比为： 最：丝：三丝：鳖兰垒! 垒：世：r 1 s i n ( c z 2 + f 1 ) “ mk r i 口f 吒足吒r 2r s i n ( a l 一卢) r i = r o + r c + r o xs i n a l ，r 2 = r o + r c + r x s i n a 2 ，；= r s i n ( a l p ) ，r 2 = r o s i n ( a 2 + ) ( 2 - 1 ) 式中，嵋、叱、分别为空载时输入轮盘、输出轮盘、传动钢球的角速度；k 、 圪分别为钢球左右两侧与输入、输出轮盘接触点处的线速度；，i 、r 2 分别为输入输出轮盘 与传动钢球接触点a 、b 的旋转半径；r 1 、r 2 分别为输入输出轮盘绕心轴的工作半径； 、分别为传动钢球、中心压力轮的半径；口。、口：分别为输入、输出轮盘与水平线 的压力角；口为摆杆组件的摆动角度，设定减速传动时为负，增速传动时为正。 变速比( 又称调速比) r 6 是无级变速器的另一个重要指标之一，它是变速器输出轴 的最高输出转速伤一与最低输出转速f n i 。的比值，即： r b = 也蛾。i 。一1 1 2 嘣2 。i 。 ( 2 - 2 ) 2 2 2 传动比特性分析 图2 2 表示传动比随摆杆组件的摆动角度卢变化时的变化曲线。结合图2 1 ，可从图 2 2 中看出：无级变速器的传动比随着摆杆 的摆动角度连续平稳地发生变化。当摆杆 的摆动角度为负值时，传动比为 1 ，作增速传动，此时传动比随着摆动 一 丑 需 2 幅度的增大逐渐增大。当摆杆的极限摆动 一2 0 一1 摆0 杆摆动角。度b ( 。) 1 0 2 0 角度风腻增大时，图2 2 中的曲线将向两端 图2 2 传动比f 随p 的变化曲线图 延伸，最大传动比随着摆动角度的增大而增大，最小传动比随着摆动角度的减小而减 小。此外，从式( 2 1 ) 中可看出，当压力角口与摆动极限角度风双数值无限接近时，最大 传动比f 达到最大，最小传动比接近于零。 8 l l l 1 o o o o 浙江理工大学硕士论文 图2 - 3 表示最大传动比i m 。随输入端压力角和输出端压力角a ：变化时的变化曲线。 从图中可以看出，在增速传动阶段，在其它参数保持不变的情况下，最大传动比值随输 入端压力角改变的变化幅度相对较小，但与输出端压力角的变化关系则比较明显。当输 出端压力角保持定值的情况下，输入端压力角增大，最大传动比值呈现出微弱的上升趋 势；当输入端压力角保持4 i 变的情况下，最大传动比值则随着输出端压力角的增大呈现 出明显减小的趋势。 2 8 2 6 2 4 荟2 2 j 2 18 16 4 0 o 筠 0 螯 0 5 = e0 惦 0 a 葛 0 3 柏 图2 3 。随a 、a ：的变化趋势图 图2 4 f m 。随口。、a ：的变化趋势图 画 图2 4 表示最小传动比f m 。随输入端压力角q 和输出端压力角瑾：变化时的变化曲线。 如图所示，在减速传动阶段，在保持其它结构参数不变的情况下最小传动比值与输入、 输出端压力角的变化趋势刚好相反。在输出端压力角为定值的情况下，最小传动比值随 着输入端压力角的增大呈现出递增的平滑变化趋势；当输入端压力角保持4 i 变的情况 下，最小传动比值随着输出端压力角的增大呈现出递增的变化趋势。 2 - 3 动力学分析 2 3 1 转矩分析 设n u v i n c i 无级变速器的输入功率为恒定的p ( 咖) ，输入转速为n i ( r m i n ) ，则输入转 矩为： l = 9 5 5 x 1 0 6 p 伟 以其中任意一个传动钢球作为研究对象，对其进行受力分析，如图2 5 所示： 传动钢球左侧受到输入轮盘作用在接触点a 处的静摩擦牵引力为耳，力臂为a 点处 浙江理工大学硕士论文 的工作半径 ；右侧受到输出轮盘作用在接触点b 处的静摩擦阻力为五，力臂为b 点处的 工作半径吃。则传动钢球左右两侧所受到的力矩分别为： 正= 巧，i ，疋= e 眨 输入输出轮盘及无级变速器的整体输入、输出 转矩之间有以下关系： 瓦= 巧墨，= et 恐 曩与墨及e 与e 互为反作用力，其大小相 等，方向相反。由于变速器在稳定运行状态下传动 钢球左右两侧受到的力矩达到平衡即正= 互，则可 由以上公式推出： t o u t 乇鲁罢刮z 图2 5 传动钢球的受力分析 ( 2 4 ) 2 3 2 碟簧所需提供的压力分析 传动钢球与输入、输出轮盘在两侧接触区要产生足够的摩擦( 牵引) 力，必须由加压 装置提供足够的轴向压紧力互、e ，两者由碟簧提供。 设定传动钢球的个数为z ，则输入轮与每个行星球的有效圆周力e 为： e = 乏( ) 弹簧所需提供的预压力为： f 2 e z = q xc o s l x z ( n ) 为了保证n u v i n c i 无级变速器能够实现可靠地传动、防止出现打滑，必须使输入输出 轮盘与传动钢球之间的接触区产生的牵引( 摩擦) 力厂大于其所需传递的圆周力z ，则有 厂确q 1 2 “互c o s e 对上式进行转换则有 f f , c o s 口l ：互! 竺堡 1 碣m 浙江理工大学硕士论文 引入传动系数后，使上式成为等式，即取巧= “g | j ，。 代入上式，即可计算出碟簧所需提供压紧力为： ，：z f , ：t l k i fc o s a l ( 2 5 ) 冠“ 2 3 3 初始点接触情况下的接触应力 根据n u h n c i 无级变速器的结构特点，传动钢球与输入、输出轮盘之间属于点接触， 而当其沿法向受压后，接触点由于挤压变形成为椭圆面接触如下图2 6 所示。根据文献资 料【4 】可知，接触区椭圆内任一点( x ，y ) 处的接触应力o h 为： c x ，y ，= 仃h m 。 ，一( 言) 2 一( 詈) 2 “2 式中，a 、b 为椭圆变形区长、短轴半 径。 椭圆的长短轴半径分别为： 隙半+ 警 l ，3 叫署( 半+ 警) l 3 7n j 。一! i 2 。，- 。一。1 1 一才令号r 一) i 一 逆夕- - - _ _ b a , 1 。 7 图2 6 椭圆形接触面上的应力分布 其中“，a ：，巨，e 分别为接触体1 和2 所用材料的泊松比和弹性模量；口，为 与接触点各曲率有关的椭圆积分函数。 由图2 6 可知，椭圆中心即初始接触点的接触应力最大为 仃。= 3 q 2 ，r a bg 【盯】 则碟簧所提供的轴向压力有最大极限值为： 绋戤 3 ，r a b c r 将椭圆长短轴半径a 、b 代入上式整理后得 o h m a x = 每鲥 l 3 其中岛为当量曲率，磊为与滚动体材质有关的弹性系数。 为了计算方便，引入曲率系数c o s t ： 浙江理工大学硕士论文 c o s 仁筹= 队一墨：) 2 + ( k 2 l - 也：) 一2 ( 墨。一毛：) ( 哎，一乞：) c o s 2 v l ，2 根据赫兹接触理论可计算出以下各式： 幻= 云一詈妊一署 2 酉一百川2i i 百一百j ； b ：二l _ ：c o s r ：b - a ：墨! 竺! 竺。 2 蜀 b + a 2 r 2 一r lc o s a 整理上述理论计算公式可计算出输入、输出轮盘与传动钢球之间在接触点处的接触 应力。此时，可通过辅助编程软件代入无级变速器的结构参数及材料属性等值即可计算 出加压装置所能提供的最大压紧力，结合上节2 2 3 即可计算出该无级变速器所能承载的 最大转矩及承载功率。 图2 7 是n u v i n c i 无级变速器的承载转矩随钢球数目和压力角变化时的变化趋势图。 存压力角彳i 变的情况下，无级变速器承载功率随钢球数目的增加呈倍数增大；钢球数目 一定的情况下，无级变速器承载能力随着压力角的增大而呈现出缓慢减小的趋势。 2 4 滑动率与传动效率分析 图2 77 随z 、口的变化趋势图 圄 2 4 1 滑动率 滑动率s 是无级变速器的重要性能指标之一，主要包括由于材料弹性变形引起的弹性 滑动率和由几何形状及相对位置引起的几何滑动率。弹性滑动不可避免，但一般数值较 小，通常忽略不计。n u v i n c i 无级变速器由于结构的局限，在负载运行过程中，不可能满 足锥顶重合原理，因此必须对几何滑动进行分析计算。 本文中研究的无级变速器可看作是由两个无中间滚动体的摩擦传动串联而成的多级 传动，因而需分别计算输入轮盘与传动钢球之间的滑动率。和输出轮盘与传动钢球之间 8 6 2 o 8 6 4 6 一l，之一h 浙江理工大学硕士论文 的滑动率s ：，然后加以合成。 代入输入、输出轮盘的工作半径及传动钢球与输入、输出轮盘之间的工作半径，则 负载时传动钢球和输出轮盘的转速分别为： 唿= 墨( 1 一q ) w l n 2 = w g ( 1 一s 2 ) 吃r 2 = r i r 2 ( 1 一s 1 ) ( 1 一s 2 ) 川r 2 r z 由前述1 1 可知，输出轮盘的理论转速为以= w 墨乞心，i ， 则该无级变速器的滑动率为： s = ( 1 一! 等) 10 0 = l + 2 一l s 2 s l + s 2 a ) ， ) ， 。+ 岁 1 l l 最而其合力为有效圆周力e 所平衡，其合力矩则为从动钢球的负载轮距瓦，所平 衡，即 e = 互+ e = 等 ( 口+ m ) - ( 口训 = p 鲫口 正。= 曩 如一口+ o 5 ( 口+ m ) s i n a g 。一e 乞+ 聊+ o 5 ( a - m ) s i n 口g 。 ：笔垒( m ：+ 2 厶m 一口z ) c 。s ( 口+ p ) z 口 同理轮l 的阻转矩： 互，：1 ，、- t q ( 、a 2 + 2 1 , m - m a ) s i n a l z 口 于是有 = 2 a t , i ) 2 一( r = 或2 ) c 2 ，- ， 由此可见，m 是负载丁和压紧力q 的函数。 有效圆周力e 并不作用在节点c ，而是作用在距c 为k 的力极点处，有效负载转矩 互。可表达为 驴等”肛舳2 等( m - f ) c o s ( 叶卢) 由传动钢球的转矩平衡条件。= 疋。有 如= 乞+ m + 缸乞聊一( a 2 _ m 2 ) ( 2 - 1 2 ) 以上两式表明：力极距k 、节点偏移量脚与传动系数t 、接触区长度2 a 、锥距，、 浙江理工大学硕士论文 负载转矩五、摩擦系数及压紧力q 等有关。 分别计算出输入、输出端的节点偏移量值玛、m 2 值代入式( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) ，即可分 别计算出输入轮与传动钢球之间的滑动率q 及传动钢