小功率机械摩擦式无级变速器结构设计说明书.docx
JX03-124@小功率机械摩擦式无级变速器结构设计说明书
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毕业设计说明书 题目： 小功率机械摩擦式无级变速器结构设计 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 姓名： 指导教师： 完成日期： 2014 年 5 月 29日 nts 1 目录 摘要 . 7 Abstract: . 8 第一章绪论 . 9 1.2 机械无级变速器的特征和应用 . 10 1.3 机械无级变速器的选用和润滑密封 . 12 1.4 本文的主要内容及要求 . 14 第二章 摩擦无级变速器的机械特性加压装置和调速机构 . 15 2.1 机械特性 . 15 2.2 调速操纵机构 . 16 2.3 加压装置 . 12 第三章 摩擦式无级变速器设计说明和计算过程 . 18 3.1 摩擦机械无级变速器的工作原理 . 18 3.2 摩擦无级变速器的特点 . 19 3.3 锥轮的设计与计算 . 14 3.4 钢环的设计与计算 . 23 1、钢环尺寸和参数的确定 . 23 2、强度验算 . 25 3.5 轴系的设计 . 26 3.6 轴的结构设计 . 27 第四章主要零件的校核 . 29 4.1 输出，输入轴的校核 . 29 4.2 . 轴承的校核 . 30 总结 . 31 致谢 . 32 参考文献资料 . 33 nts 2 摩擦式机械无级变速器结构设计 摘要 在某种控制的作用下，使机器的输出轴转速可在两个极值范围内连续变化的无级变速器传动随着机械、材质及加工工艺的高速发展和其需求量日益增多而得到广泛应用和发展。无级变速器的主动和从动两根轴通过传递转矩的中间介质（机械构件、流体、电磁流等）把两根轴直接或间接地联系起来并传递动力。当对主、从动轴的联系关系进行控制时，则两轴间的传动比发生变化（在两极值范围内连续而任意地变化）。用机械构件作为中间介质的为机械无级变速器，其包括摩擦式和脉动式。无级变速器与定传动比传动及有级变速传动（它只有有限的几种传动比）相比，其优点是能 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载变化的要求，摩擦式机械无级变速器依靠传动元件之间的摩擦进行传动，钢材材质、加工工艺水平和润滑油料品质等因素是摩擦式机械式无级变速器不断发展的重要保证。本文通过查阅相关的诸多文献和书籍手册等进行钢环式无级变速器原理及其结构、变速原理的传动结构的实现的研究，并对摩擦式机械无级变速器进行结构设计，可直接作为设计文件或指导文件进行生产加工。 关键词： 无级变速器；摩擦式；传动；润滑； nts 3 The structure design of CVT machine of friction type Abstract: Under the action of some kind of control which can make the output of the machine spindle speed in two extreme CVT within the framework of the continuous variation of the transmission with the high-speed development of machinery, materials and processing technology and its demand is growing and is widely used and CVT transmission of the driving and driven by passing two shaft torque in the middle of the medium (mechanical components, fluid, electromagnetic flow, etc.), the two shaft linked directly or indirectly, and transfer power.When were related to the Lord, driven shaft to control, is the ratio between the two axis change (within the scope of the two extreme consecutive and arbitrarily change).With mechanical components as a medium for mechanical CVT, among which include friction and pulsation.CVT and constant transmission ratio transmission and continuously variable transmission (its only a limited number of transmission ratio), compared to its advantage is the ability to work according to the need to continuous transformation rate within a certain scope, to adapt the demand of output speed and external load, the friction type CVT depend on mechanical transmission device for transmission, the friction between the steel material, processing technology level and the quality of lubricating oil is factors such as friction type mechanical stepless transmission the important guarantee of continuous development.This article through the consult literature and books, manuals, etc for the steel ring type stepless transmission principle and structure, the realization of the principle of variable speed drive structure research, and the friction type mechanical CVT structure design, can be directly as a guide for design documents or files for production and processing. Keyword:CVT;Frictiontype;Transmission;Lubrication; nts 4 第一章绪论 1.1机械无级变速器的发展 背景及现状 无级变速器 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，以满足机器或生产系统在运转过程中各种不同工况的要求；其结构特征主要是由变速传动机构、调速机构以及加压装置或输出机构三部分组成 ， 无级变速器分为机械无级变速器，液压传动无级变速器，电力传动无级变速器三种。本设计任务要求把无级变速器安装在自行车上，采 用机械无级变速器， 本文主要 介绍机械无级变速器 的发展概况 。 机械无级变速器最 早 是 出现在十九世纪九十年代，到二十世纪三十年代逐渐开始发展起来， 由于材质与工艺 等 方面的 技术发展缓慢导致了无级变速也发展迟缓，随着现代科学技术的高速发展， 尤其是 七十 年代以后，随着先进的冶炼和热处理技术，精密加工和数控机床 技术 以及牵引传动理论与 高品质油 的出现和发展，解决了 许多 研制和生产无级变速器的限制因素， 同时， 生产工艺流程实现机械 化、自动化以及机械工作性能 的改进 ，都 促进了无级变速器的快速发展， 在不同的领域， 大量 机器设备需要 采用无级变速 ，尤其在汽车行业需求更为突出 ， 因此 ，机械无级变速器 得 到 广泛 迅速 的发展。 国内无级变速器 大约 在 二十 世纪 六十 年代前后起步，当时主要是作为专业机械配套零部件， 用 于专业机械厂进行仿制和生产，如用于纺织机械的齿链式，化工机械的多盘式以及切削机床的 Kopp 型无级变速器等，但品种规格不多，产量不大，年产量仅数千台。直 至八十 年代中期以后，随着国外先进设备的大量引进，工业生产现代化及自动流水线的迅速发展，对各种类型机械无级变速器的需求大幅度增加，专业厂才开始建立并进行规模化生产，一些高等院校也开展了该领域的研究工作 ，又 经过 二三十 年的发展 ， 由于真空冶炼技术的应用、超精密工艺的日臻完善以及润滑油料摩擦特性方面的改进，使得机械无级变速器已经系列化生产，并以通过部件的形式供应于市场，近十年来，由于能源危机的出现，人们对机械无级变速器在交通运输工具上应用又进行了大量的研究，并取得了一定的成效。 摩擦式无级变速器是机械无级传动系统中的常用部 件之一 ， 它依靠摩擦力传递转矩和运动，所以它基本上由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和实现变速的调速机构 三 部分组成。 近年来摩擦式无级变速器在国外获得了较快的发展，其传动功率从几十到几千瓦，并可在接近于010000 转 /分的输出速度下工作，效率约为 75%到 95%，与传统的齿轮传动、链传动及皮带传动相比，不仅可实现无级变速而且传动零件的形状比较简单无需很高的精度因此加工费用较低，现已获得人们普遍地重视。目前国内使用的摩擦nts 5 式无级变速装置大多属于直接传动式、中间元件式、行星传动式三种类型 ：主、从动摩擦元件直接接触传动的直接传动式，主、从动元件通过中间元件进行传动的中间元件式，以及中间元件作行星运动的行星传动式。调速结构则分为一元件相对于另一元件沿接触面移动和转动（或偏转）两种形式。因此，合理地设计传动机构的结构和形式是提高传动构件受力的均匀性和传动平稳性及效率的关键 ，其速比的变换则通过改变主动轮从动轮和中间构件三者的相对位置来获得，这些摩擦式无级变速器的缺点主要是传动效率低、运行中难以保持稳定的速比、变速操作困难在高速运行时变速易使传动零件过早的磨损以及对于低速大扭矩传动传动装置的体积与重 量较大。 目前对摩擦无级变速器的传动机理研究得并不充分，有待深入研究 。 选择和发展新的润滑剂，以进一步提高摩擦拖动率；研究具体结构设计的合理性 及其 优化问题， 突破瓶颈，实现无级变速器新的突破，真正做到 广泛应用和 产业化 。 1.2机械无级变速器的特征和应用 机械无级变速器是一种传动装置，其功能特征主要是：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，以满足机器或生产系统在运转过程中各种不同工况的要求；其结构特征主要是：需由变速传动机构、调速机构及加压装置或输出机构三部分组成。 机械无级变速器传动具有结构简单、操纵方便、传动效率高、恒功率特性好、噪声低等优点，因此，能适应变工况工作、简化传动方案，节约能源和减少环境污染等要求，在工业界受到越来越多的重视和采用。目前已经较多地应用于车辆、拖拉机和工程机械、船舶、机床、轻纺化工业机械、起重机械和试验设备中。 CVT，它的优点是重量轻，体积小，零件少，与 AT 比较具有较高的运行效率，油耗较低。但 CVT 的缺点也是明显的，就是传动带很容易损坏，不能承受较大的载荷，只能限用于在 一 升排量左右的低功率和低扭矩汽车，因此在自动变速器占有率约 4%以下。近 年来经过各大汽车公司的大力研究，情况有所改善。CVT 将是自动变速箱的发展方向。机械传动的特点主要是：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，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，抗过载及耐冲击性较差，故一般适合于中、小功率传动。 机械无级变速器的适用范围广，有在驱动功率不变的情况下，因工作阻力变化而需要调节转速以产生相应的驱动力矩者（如化工行业中的搅拌机械，即需要随着搅拌物料的粘度、阻力增大而能相应减慢搅拌速度）；有根据工况要求需要调节速度者（ 如起重运输机械要求随物料及运行区段的变化而能相应改变提升或运行速度，食品机械中的烤干机或制药机械要求随着温度变化而调节转移速度）；有为获得恒定的工作速度或张力而需要调nts 6 节速度者（如断面切削机床加工时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，纺织机械中的浆纱机及轻工机械中的薄膜机皆需调节转速以保证恒定的张力等）；有为适应整个系统中各种工况、工位、工序或单元的不同要求而需协调运转速度以及需要配合自动控制者（如各种各样半自动或自动的生产、操作或装配流水线）；有为探求最佳效果而需变换速度者（如试 验机械或李心机需调速以获得最佳分离效果）；有为节约能源而需进行调速者（如风机、水泵等）；此外，还有按各种规律的或不规律的变化而进行速度调节以及实现自动或程序控制等。 摩擦式无级变速器 ， 它靠旋转体间的接触摩擦力来传递动力 ,通过改变输入、输出的作用半径，连续地改变了传动比。摩擦式机械无级 变速器 主要由压紧的主动装置、摩擦传动机构、调速控制机构组成。带锥度的主动轮和压盘被一组碟形弹簧压紧，输入轴与主动轮用键联接，而组成压紧的主动装置。一组带锥度的行星摩擦轮内侧夹在压紧的主动轮和压盘之间，外侧夹在带锥度的固定环和调速凸轮之间，而组成摩擦副；当压紧的主动装置运转时，摩擦轮就做纯滚动，由于固定环和调速凸轮不动，因此，摩擦轮在自转的同时作公转运转，通过行星摩擦轮的中心轴及滑块轴承而带动行星架转动。转动手轮带动调速凸轮改变角向位置的同时，调速凸轮的端面曲线经平面弹子夹和固定凸轮的端面曲线作用，使调速凸轮产生轴 向移动，从而均匀改变调速凸轮和固定环之间的间隔，使锥度行星摩擦轮产生径向移动。最后均匀地改变了行星摩擦轮与主动轮、压盘及固定环、调速凸轮摩擦处的工作半径，实现稳定的无级变速。 摩擦式无级变速器传动的工作能力主要取决于传动元件和压紧装置的工作能力，其失效形式主要是传动元件和加压元件的疲劳点蚀、胶合、磨损及压溃。摩擦式无级变速器的传动元件及加压元件均采用高硬度合金钢制成，在润滑充分的条件下工作。传动元件之间为点接触或线接触，接触点的位置在不断地变化，因此，在这些接触，通常发生与齿轮传动相似的点上应力是属于交变的 接触应力（通常高达 10002500MPa） 疲劳点蚀破坏和磨损，带来的后果是传动出现振动、冲击和噪声，最终导致不能工作。加压元件上的接触应力属于静应力或脉动应力，但由于结构尺寸的限制，其接触应力值更高于传动元件，因而其失效形式是表面压溃（或塑性流动）和疲劳点蚀。 综上所述 ， 可以看出采用无级变速器，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，能更好的适应各种工况要求，使之效能最佳，在提高产品的产量和质量，适应产品变换需要，节约能源，实现整个系统的机械化、自动化等各方面皆具有显著的效果。无级变速器目前已 成为一种基本的通用传动形式，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、nts 7 农业、国防及试验等各类机械。 1.3机械无级变速器的选用和润滑密封 一、机械无级变速器的选用 机械无级变速器的种类繁多，在设计和选用时，必须综合考虑实际使用条件与变速器的结构和性能特点。使用条件包括：工作机械的变速范围；最高速时所需的转矩和功率；最常使用的转速和转矩；负载变动情况；使用时间（时 /日）；升速与降速情况；启、制动频繁程度；有无正反向使用要求及其频繁程度；换算到变速器输出轴上的工作机械的转动惯量等。对于变速器本身来说，主要是考虑其功率和运动特性 ， 在仔细考虑了上述因素后，正确地选用无级变速器的尺寸 、容量 及类型 。 .对于 机械特性 选择变速器的类型时，应首先明确机械本身在整个变速器范围内对功率 或转矩的要求。然后结合各种无级变速器的功率（或转矩）特性曲线进行选用。例如：机床的主传动系统在全变速范围内，传动功率基本恒定，这时只能选用 Kopp-K、Kopp-B、 FU 型和宽三角带式无级变速器。对于机床的进给系统，则要求在相当宽的变速范围内传递恒定转矩，而不要求恒功率特性；这时可考虑采用 OM、 NS和 RC 型等变速器。当然，满足恒功率使用要求的无级变速器亦可用于恒转矩的使用场合。因为恒功率型无级变速器的变速范围都比较小，远不及恒转矩型者，所以不适用机床进给系统。 .对于 转速特性 （ 1）转速范围：机械的工作转 速范围也是选择无级变速器类型的重要依据。因此，必须了解各种无级变速器的输出转速范围，以免在机械传动链中出现转速猛降或者相反的不合理现象。 （ 2）运动平稳性：脉动式和齿链式无级变速器的输出角速度有一定的不均匀性，因而不适用于运动平稳性要求的场合，如磨床主传动系统。 .对于 安装场地要求 （ 1）由于各种机械无级变速器的结构和工作原理不同，因此，在相同的传动功率情况下，其体积将有很大差异。分离传动的机械对变速器没有严格要求；而集中传动时将十分重视体积问题，这就有必要了解各种无级变速器的功率容积比率。 （ 2）各种无 级变速器的输出轴与输入轴线的相对位置有所不同。有的是同轴线的；有的两轴平行并有一定距离要求；还有一些无级变速器的输出轴于输入轴是相交或交错的；选用时应注意这些问题。 （ 3）某些机器要求变速器卧式安装，而另一些机器则要求立式装配，这时nts 8 必须考虑无级变速器立式安装的可能性。如齿链式、宽三角带式无级变速器就不适合在轴线与地面呈垂直状态下使用。 （ 4）某些使用场合，对清洁、尘埃问题要求十分严格。如果某种无级变速器从功率特性和转速范围考虑是适用的，但不能满足清洁要求，则仍不可用，如开式带式无级变速器由于带的磨损将会污染 环境。 .对于 操作要求 （ 1）调速 ： 少数无级变速器既可在停车时变速，也可在运转过程中调速，而大多数无级变速器则只能在运转过程中才能调速，在使用时，必须按操作要求进行工作。 （ 2）调速时间、手轮上使用的最大力矩。 （ 3）手轮转动圈数与转速变化之间的关系等。 .其它问题 如振动、噪声、温升、滑动率、空载功率以及远距离自动控制的可能性等。 对于上述这些问题予以综合考虑，根据我的功率、转速、调速比等数据，选定钢环式无级变速器。 二、 机械无级变速器的润滑与密封 .润滑方式与润滑油 a.润滑方式 一般的金属摩擦式无级变速器靠浸油飞溅润滑。这种润滑方式的优点是无需另加润滑装置，结构简单、工作可靠。但在启动前必须检查油位，停车时必须保证油位在标准线上。如果油量过多，则在运转过程中会引起空载功率增大、油温升高以至传动力矩不足等现象。 b.润滑油 机械无级变速器是按摩擦传动的 实现调速并传递动力的，因此它所采用的润滑油与普通的齿轮箱用油不同，必须按照原设计要求或说明书上的规定，采用专用无级变速器油。若用普通机油代替，则将不能使无级变速器充分发挥作用，甚至会降低使用寿命，因此，必须十分重视机械无级变速器使用的 油液。 1）传递动力在变速器结构参数已定的前提下，油的品质将成为机械能否正常运转和满足工作要求的关键。 2）减轻摩擦部件的磨损 3）吸收、散发集积在摩擦部位的热量 4）清洗摩擦件表面 机械无级变速器传动件的表面是经过精密加工的，工作过程如有灰尘或磨屑停留在工作表面上，将会很快损伤摩擦表面，必须依靠润滑油将这些不清洁物及时排除。 对无级变速器专用油的要求 :1）摩擦特性好 ； 2）适当的粘度和粘度指数 ； 3）剪切、氧化安定性好 ； 4）抗泡性好 ； 5）油膜强度高 。 机械无级变速器的密封 要使机械无级变速器在长时期工作后 ，仍能保持原有的工作精度，必须有良nts 9 好的密封装置。对于开式传动或只传递运动而受力极小的无级变速装置来说，密封装置的主要作用是保护轴承。闭式金属摩擦型无级变速器的密封装置，除用来防止外界尘埃等浸入轴承外，更重要的是，防止油液外漏。对于闭式无级变速器，如果密封不好，油液不断外漏将使油池中的油量不断减少，必然使各部件的正常润滑受到影响，温升大大增高，以至不能正常共组。此外，油液的外漏也影响工作场所的清洁卫生。 对于工作环境恶劣和输出轴转速很高的变速器，除采用毛毡或皮碗密封之外，还可考虑采用甩油挡板或迷宫密封结构。 此外，由于闭式变速器大多数具有较大的端盖，油面高度超过止口位置，因此除了注意轴承部件密封之外，对端盖处的密封问题也必须给予重视，应合理设计端盖与变速箱体的结合面，同时在接合缝隙处应涂抹密封封胶。 1.4 本文的主要 内容 及 要求 1、比较和选择合适的方案并进行摩擦式机械无级变速器的计算与结构 设计 ； 设计参数：输入功率 P=1.5kw，输入转速 n=1400rpm，调速范围 R=9。 设计要求：安装拆卸要方便；外观要匀称，美观；调速要灵活，调速过程中不能出现卡死现象，能实现动态无级调速；关键部件满足强度和寿命要求。 2、 对关键部件进行强度和寿命校核 ； 3、用 CAD 绘图软件绘制装配图及 零件图 。nts 10 第二章 摩擦无级变速器的机械特性加压装置和调速机构 2.1机械特性 （一）机械特性及其类型 无极变速器在输入转速一定的情况下，其输出轴上的转矩 M2 或功率 N2 与转速 n2的关系称为机械特性。它常以 n2为横坐标， M2 或 N2 为纵坐标的平面曲线M2=M（ n2）或 N2=N（ n2）来表示。 M2=M（ n2）曲线上任一点（如图 2-1 中的 A 点）切线斜率的负值，称为传动的机械特性在该工况时的刚度系数 k（或传动刚度） K= -22dMdn =tan 由上式可见，传动刚度 k 也就是输出转矩对输出转速的变化率，所以若特性曲线上各点的 k 值愈大，变化率对应也愈大，随着 n2的下降， M2值上升得就愈快。反之 n2上升时， M2 值下降也愈快。 外界负载转矩的变化对输出转速的影响较小。这种机械特性相对来说就较“硬”。相反地，如果特性曲线上各点的刚度系数很小。则外界负载转矩很小变动，就足以引起转速巨大的变动，这种机械特性就很“软”。 机械无级变速器的机械特性，大致上 可以归纳为下列三种： 1.恒功率特性如图 2-2 中的实线所示，其特性是传动中输出功率保持不变，即 N2=cM2 n2=常量 式中 c 有关常数。 图 2-1 机械特性及刚性系数 n 2M 2a AM 2 =M (n 2 )图 2 - 1 机 械 特 性 及刚 性 系 数nts 11 图 2-2 恒功率与恒转矩机械特性 表示恒转矩机械特性 表示恒功率机械特性 这时，输出转矩与输出转速呈双曲线关系，有“硬”的机械特性。特别是在低转速运转时，载荷的变化对转速的影响很小。工作中有很高的稳定性，能充分利用原动机的全部功率。 2. 恒转矩特性如图 2-2 中虚线所示，由于输出转矩 M2 为常量，因此，其输出功率与输出转速成正比变化，刚度系数 k=0，只要负载转矩大于其输出转矩时，输出转速立即下降，甚至引起打滑和运转中断，不能充分利用原动机的输入功率。 3. 变功率、变转矩特性变速其的输出转速随其负载转矩和功率的变化而变化，其变化规律复杂多样，通常以试验方法来确定。 （二）容许输出特性 无级变速器的传动能力受结构强度条件等因素的限制。我们把变速器在调速过程中有强度条件所限定的、变速器所能提供的转矩（或功率）与输出转速的关系称为容许输出特性。通常是对变速器的薄弱传动元件，取其工作应力等于许用应力，按不同位置逐点计算出其所能传递的最大转矩和功率，便可画出容许输出特性曲线 M2=M(n2)或 N2(n2)。至于实际上输出了多大的功率和转矩，则需视具体工作情况而定。 2.2调速操纵机构 （一）常用操纵机构的型式 调速操纵机构的作用是：根据工作要求以手动或自动控制方式， 改变滚动体间的尺寸比例关系，来实现无级调速。同时通过速度表盘上的指针直接指出任一调速位置时的输出速度（或传动比）。 n 2 maxM 2n 2 minn 2N 2 N 2 =N (n 2 )N 2 =N (n 2 )M 2 =M (n 2 )M 2 =M (n 2 )图 2 - 2 恒 功 率 与 恒 转 矩机 械 特 性- - - - - 表示恒转矩机械特性表 示 恒 功 率 机 械 特 性nts 12 1. 通过使滚动体移动来改变工作半径的。主要用于两滚动体的母线均为直线的情况，且两轮的回转轴线平行或相交，移动的方向是两轮的接触线方向。 2. 通过使滚动体的轴线偏转来改变工作半径。主要用于两滚动体之一的母线为圆弧的情况。 2.3加压装置 加压装置是影响无级变速器传动性能与承载能力的关键部件，应予正确地设计。 （一）、压紧力的确定 加压装置的任务是使滚动体彼此相互压紧，并在接触区产生恰当的摩擦力： F=fQ=kfP，以传递运动和动力。 （二）、加压装置的特性，分类及位置配置 1.加压装置的特性和分类 加压装置所提供的压紧力与变速器输出转速的关系，称为加压特性。 变速传动所需的加压特性取决于摩擦传动的形式及其机械特性。通常，它与输出轴的转矩，功率，转速和工作半径等有关。 （三）、恒压式加压装置 恒压式加压装置的特点是结构简单，便于布置，能防止过载，但由于其压紧力是恒定的，为使传动可靠，压紧力的大小必须按最大负载来调整，所以滚动体，轴及轴承等始终处于很大的压紧力作用。对效率和寿命等均不利。 （四）、自动加压装置 大多数无级变速器均采用自动加压装置，其压紧力与负载转矩成反比变化，可减少滑动，提高传动效率和寿命，便于实现恒功率传动以充分利用动力，但不能防止过载，因而应设置限制过载的安全联轴器等过载保护装置。即使在自动加压装置中，仍应 有一刚性适当的弹簧以保持一个经常的预紧力，使其能迅速安全的起动nts 13 第三章 摩擦式无级变速器设计说明和计算过程 3.1摩擦机械无级变速器的工作原理 这种变速器的典型结构如图 3-1.在平行的主，从动轴 1 和 4 上分别装着两对可分离锥轮 8.10 和 2， 3；一个没有支承的钢环 9 紧套在两对锥轮之间（当两轴线在同一水平面上时，环在重力作用下贴附于两对锥轮上，而当两轴线在同一铅垂平面内时，则应使环与两对锥轮间有一定的过盈，以保证一定的预紧力），锥轮 2， 8 与轴 4， 1 用花键相联，并可在轴上作轴向移动；锥轮 3， 10 则用平键固联于轴 4， 1 上；依靠钢环与锥轮之间的摩擦力将轴 1 的动力传给轴 4 而输出。 图 3-1 钢环分离锥轮式无级变速器 a) 结构图 b）拉杆局部示意图 1主动轴 2、 3 从动锥轮 4 从动轴 5 拉杆 6 调节套 7 小齿轮 8、 10 主动锥轮 9 钢环 11、 12 销 13 棘轮 14 止动销 1.调速时，转动手轮由小齿轮 7 带动调节套 6 上的齿条，使 6 向右（左）移动，通过拉杆 5（参见图 31b）使锥轮 2 的支承套带着 2 也向右（左）同步移nts 14 动，这样使主动侧锥轮的工作直径 D1 增大（缩小），而从动侧锥轮的工作直径D2 减小（增大），从而达到变速的目的。 2.钢环与主，从动锥轮之间的初始间隙（或过盈），可以通过拉杆 5 来调节，调节时，松开止动销 14，转动拉杆，其左端的螺纹使锥轮 2 和 8 的轴向相对位置发生变化，当获得所需的间隙后，将止动销插入拉杆右端棘轮 13 的齿间而定位，这种 调节工作在开始调整时进行。 3.2摩擦无级变速器的特点 钢环分离锥轮式无级变速器的特点： （ 1） 钢环具有自动加压作用，传动元件与加压元件合为一体，不需另设加压装置，因而结构简单，紧凑，制造也容易； （ 2） 对称调速，可作升速及降速变速传动，其变速范围为 10（最大可达16） ,其极限传动比为 0.33.2； （ 3） 由于锥轮的锥顶与钢环内锥顶点不重合，且锥顶距较大，因而几何滑动较大，传动效率低（ =0.70.85），为了减少几何滑动与提高传动效率，常采取点接触的结构形式； （ 4） 其机械特性近似于恒功率特性；其传动功率可达 10kw；为了 提高承载能力，锥轮以增大当量曲率半径； （ 5） 使用时常将其配置在传动系统的高速级，并让传动元件在油中运行； （ 6） 锥轮及钢环均用 GCr15 制成，工作表面硬度不低于 HRC5864，并经磨制，表面光洁度在 8 以下。 3.3锥轮的设计与计算 （ 1） 材料的选取 . 由于钢环和锥轮都需要一定的强度和硬度，且两者相对滑动较大，查机械设计手册得钢环和锥轮均用 GCr15，表面硬度 HRC5864，摩擦系数 f=0.04；查材料力学得，许用接触应力：点接触 j=22000kgf/cm2 线接触 =18000kgf/cm2 。主，从动轴 采用 45 钢，经调质处理。 nts 15 表 3-1 闭式传动中许用接触应力 j值 查机械无级变速器书，预选有关参数如下： Cr=1.90， c=0.9, =3.0，锥顶角 =120 度。 （ 2）按点接触情况计算锥轮最小工作直径 Dmin。 cos = 2 ( 1 ) c o s 12 ( 1 ) c o s 1c C r R bc C r R b= 2 * 0 . 9 * ( 1 . 9 * 9 1 ) c o s 6 0 12 * 0 . 9 * ( 1 . 9 * 9 1 ) c o s 6 0 1=0.6175 按 cos =0.617591 查机械无级变速器书表中（ 1-2）得 ( )-1 0.90 nts 16 表 3-2 cos /1、 的数值 代入式 Dmin 184408 (2( 1)cos +1 )23 得： cmD 753.091 4 0 004.0)9.19.0 1c o s 6 0）1-9（9.02(5.125.12 2 0 0 09.01 8 4 4 0 8min203 fk 传动可靠系数，取fk=1.25 (3)按线接触情况计算 Dmin . 3 2s i n 2 1m i n 4 1 5 0 (1 )fkPD f n j C r R bcm nts 17 Dmin cm2.2)99.111(18000140004.0120sin0.35.125.14150203 比较（ 2）和 (3)计算结果，圆整取 Dmin=2.5cm，则对于点接触情况强度 足有富 余 ，对于线接触情况则强度 仍能满足 ， 这也 这不 会 导致对传动带来损坏。 (4)锥轮最大工作直径 Dmax 的确定 . Dmax=minRbD= cm5.75.29 (5)锥轮锥顶角 2 =的确定 . 取 2 =120 度 (6)主，从动锥轮之间中心距 a 的确定 . a=（ 1.151.25） Dmax=1.2*7.5=9 (7)锥轮与钢环之间工作长度 b 的确定 . b=min2 sinD=060s325.2 in =0.4811cm 圆整为 0.5cm (8)锥轮小端直径 Di 的确定 . Di=Dmin-bsin =2.5-0. 5*sin60=2.067cm 圆整为 2.2cm (9)锥轮大端直径 De 的确定 . De=Dmax+bsin =7.5+0.5*sin60=7.933cm 圆整为 8.0cm (10)锥轮的零件图 . nts 18 图 3-2 固定锥轮零件图 3.4钢环的设计与计算 3.4.1、钢环尺寸和参数的确定 1）钢环工作直径的确定 875.135.785.185.1 max0 DD ， 圆整为 14 cm 2）钢环工作宽度的确定 cmDDB 885.260c ot)5.25.7(c ot( 0m i n )m a x0 ， 圆整为 3 cm 3）钢环宽度的确定 25.360c o s5.03c o sb 00 BB ， 取 B=3.5 cm 4）钢环厚度的确定 15.35.39.09.0 Bh ， 取 h=3.2cm 5）点接触时钢环接触区的圆弧半径的确定 9.111485.085.0 0 Dr ， 圆整为 12cm 6）钢环内经的确定 56.1360s in5.014s in 00oi bDD ， 取内径 cm6.13i0 D 7）钢环外径的确定 cmhDD i 202.326.13200 8）钢环剖面积的确定 cmBhA 2.112.35.3 ， 圆整为 12cm 9）钢环剖面重心的回转半径的确定 cmDDR oioC 5.84 6.13204 10）中性层所在半径的确定 cmDDhoioe2.86.1320ln2.3ln11）重心至中性层的距离的确定 cmRy c 3.02.85.80 12）内周至中性层的距离的确定 cmRh oi 4.18.62.81 13）外周至中性层的距离的确定 cmRh oe 8.12.8102 nts 19 14）锥轮及刚环的工作图 图 3-3 可移动锥轮零件图 15）刚环零件图 nts 20 图 3-4 钢环零件图 1.GC15 渗碳淬火 HRC63. 2.与锥轮接触的上、下两面的接触圈的不平行度允差为 0.02，不同心度允差为 0.01. 3.不准有微观裂痕 . 3.4.2、强度验算 这种变速器的输出功率输出随输出转速的增高而增大，但输出转速则有所下降，是变功率，变转矩的变速传动，应按（ Qdk） min 的位置进行计算。 1）钢环内周的正压力 100 . 1 8 22 ( 1 )ci oiRhQrA y R nts 21 Nfn DPkQr f 639515.2140004.0 60c o s5.125.1105.95c o s105.95 05m i n5 于是得 2/21974)8.63.0 4.15.8182.01(12659512 cmNi 2）钢环外周的正应力 202/765)103.08.15.8182.01(12639512)182.01(2cmNRyhRAQroece3）钢环接触外剖面内的最大应力 202m a x/17286103.0128.15.863951636.0636.0cmNRAyhQ rRoec4）钢环许用应力 =sS式中： s 材料屈服限，钢环材料同样选用 GCr15 钢 s=380420N/mm2 S 许用安全系数，取 S=2 于是算得： =200N/mm2 可见钢环剖面内各处的工作应力均小于许用应力，故强度足够。 3.5 轴系的设计 1、输入轴的转矩 mNnPT 102321400 5.11055.91055.9 66 2、初步确定输出轴的最小直径 根据式 mmnPAd 45.111 4 0 05.1112 33 20m i n 选取轴的材料为 45 钢，调质处理，查机械设计表 15-3，取 Ao=112。 得 dmin=npA 20=12mm，所以取轴的最小直径为 12m 设计时小端直径选 14mm，按 12mm 直径校核满足 。 nts 22 输出轴的最小直径是安装联轴器处轴的直径。为了使所选轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。 联轴器的计算转矩 Tca=KA T，查表 14-1，考虑到转矩变化很小，故取 KA =1.3 则： Tca=1.3*10232=13302 N 按照计算转矩 Tca 应小于连轴器公称转矩的条件，查标准 GB/T5014-2003或手册选用 HL4 型弹性柱销联轴器。 3.6 轴的结构设计 1、为了满足本联轴器的轴向定位要求 ， 从左至右一次编段为 轴段右端需制出一轴肩，故取 段的直径 d - =17mm；左端用轴端挡圈定位，接轴端直径取挡圈直径 D=19mm， 段长度 取 l =150mm。 2、初步选择滚动轴承。因轴承受有径向力的作用，所以选定深沟球轴承，根据d =17mm，由轴承产品目录中初步选取 0 基本游隙组，标准精度级的深沟球轴承 6005，其尺寸为 1939 mm，故 d - =19mm，而 l - =11mm。右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册查得 6005 型轴承的定位轴肩高度 h=3mm， d -=24mm。 3、轴的剩余各段长度和直径确定 然后根据各个锥轮的尺寸确定剩余尺寸 l =115mm， l =20mm， l =21mm， l =60mm。 IV-Vd =26mm nts 23 图 3-5 轴的零件图 nts 24 第四章主要零件的校核 4.1输出 、 输入轴的校核 1、弯矩扭合成应力校核轴端强度第一许用公式 2 22133( 2 7 0 9 3 8 ( 0 . 6 9 5 0 0 0 0 )0 . 1 7 0caMTW ）=17.8MPa 前已经选定轴的材料为 45 钢，调制处理，由表查得1 6 0 M Pa 。 所以ca 1，故安全。 2、精确校核轴的疲劳强度 截面 A， B 只受扭矩作用，虽然键槽，肩轴及过度配合所引起的应力集中均将削弱轴的疲劳强度，但是由于轴的最小直径是按扭矩强度较为宽裕确定的
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