组合式无级变速器的传动原理及分析.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 组合式无级变速器的传动原理及分析2.1组合式无级变速器的结构 在一般机械无级变速器(P)的输入轴侧或输出轴侧联接差动轮系(X)，就构成了“组合式无级变速器”。这种变速器利用了差动合成原理，可以传递较基本型无级变速器(P)的传动功率或扩大调速范围。图2-1 结构图（左为a右为b）组合式无级变速器从结构上可分为PX型和XP型两大类。如图(2-1a)和图(2-lb)，各符号的意义如下:P:机械无级变速器(基本型)，d、p代表基本型无级变速器的两个外伸端，e代表基本型无级变速器的固定端;X:差动轮系，其中a，b，c分别代表差动轮系的三个基本构件;I、C:组合式无级变速器的外伸端，对于PX型I为输入端，c为输出端，对于XP型C为输入端，I为输出端。、:分别为构件I、a、d、b、e、p和c的转速。其中=;=;=. 2.2 组合式无级变速器的传动比以图（2-1a）所示的PX型系统为例，有：= (2-1)可得= (2-2a) = (2-3a)式中： 差动轮系的相对传动比 PX型系统的传动比 基本型无级变速器的传动比，=.上式说明PX型系统的传动比与差动轮系X和基本型无级变速器P的传动比都有关。同理可以求得XP型系统的传动比= (2-2b)= (2-3b)式中： 为XP型系统中基本型无级变速器的传动比，=2.3 组合式无级变速器调速范围和调速类型式中（2-1）（2-3）中无论在0或0时都成立。但对于基本型无级变速器的传动比，由于0的结构。现在以PX型为例说明系统的调速范围的确定。显然式（2-2a）可变为如下形式：= =在此处我们只考虑上式的数值的大小，而不考虑其正负号。(因1-可能为正，也可能为负)这样并不影响后面的讨论。(1) 当1。=设=R+1,上式可以变为；=1+如考虑到,可得：1 此时PX型系统属于精密调速型。（2）当00显然上式中的分母总是大于零，只考虑分子部分=1-（+）A、当+时，1此时PX型系统属于扩大调速型。B、当1时，有1，此时PX型系统属于扩大调速型。以上分析可以看出组合式无级变速器的运动学特性主要由差动轮系的相对传动比与基本型无级变速器的传动比的关系决定。对于采用已有的基本型变速器，则需恰当的选择可使我们得到所需的调速类型。对于XP型系统我们只需把上式中的换为l/。上述关系如表（2-1）所示表2-1 组合式无级变速装置的调速类型判据2.4 组合式无级变速器的力学分析2.4.1 三轴传动中力矩分配定理三轴系传动是指具有三个基本构件的传动系统，一般的差动轮系、周转轮系以及谐波传动等都可以看成三轴系传动。各种三轴系传动中总可以得到由三个基本运动构件a，b，C组成的传动简图(2-2)。图2-2 三轴系传动简图由图(2-2)可看出两轴传动是三轴系传动的特例，即其中一个基本构件静止(相当于机架)。由于在匀速回转情况下，且不计摩擦，则各基本构件所受力矩应当平衡，输入与输出功率应相等。因此有下列普遍关系式成立。+=0 ,=0 (2-4) 用上述公式确定外力矩与功率时应代入正负号。即:外力矩与转速方向相同为正，功率为负，表示输入力矩和输入功率。如果转速是相对于某一构件而得(例如相对于构件c)，则有:整理可得+=0, =-=-可得普遍关系式为：=-=- (2-5)联立得到三个基本构件之间的力矩关系=1:(-):() (2-6)上式即为三轴传动中的力矩分配的普遍关系式。因此我们可以称为“力矩分配系数”。由此可见在三轴系传动中，任意两运动构件之间的力矩比值等于这两运动构件相对传动比。其三个基本运动构件的力矩关系与外部载荷和外部运动状态无关，只与其相对传动比有关。一旦其内部传动比确定，三个基本运动构件的力矩就保持确定的比例关系，而不受具体运动条件和负荷大小的影响;且当大小与符号确定后，其中两运动构件的力矩方向相同，另一运动构件力矩方向相反。因此说，在三轴系传动中三个基本运动构件中任一运动构件所承受力矩的大小和方向发生变化，将会引起各个运动构件力矩重新分配，直到满足(2-6)式所确定的关系为止。三个基本运动构件的力矩关系的大小与的数值关系极大，如考虑摩擦损失，必须考虑输出构件以及结构参数的选择，如选择不当将会使输出力矩较小，或是导致较大的内部摩擦。2.4.2 三轴传动中功率分配定理应用(2-6)式三轴传动力矩分配定理中三个基本构件的力矩关系，可以得到不计摩擦损耗时对应构件之间的功率关系。:=:=:():因为有=成立，可得：:=1：（-）:() (2-7)上式即为三轴传动中的功率分配的普遍关系式。比较(2-6)和(2-7)时，可以发现它们的形式基本相同，只是参数不同，(2-6)式只是传动比的函数，而只与系统内部具体结构有关，与外部运动条件无关，因此三个基本构件的力矩关系，随三轴系的形式确定而确定;(2-7)式不仅与有关，而且与有关，而则受外部条件影响，所以三轴传动中三个基本构件的功率关系必须由三轴传动的内部结构形式和外部运动条件共同决定。若令运动构件a的功率为正，且1，q=，同样我们称q为“功率分配系数”，则有以下关系成立:=1:q:(q-1)(1) 当此时，a为输入构件，b、C为输出构件。（3）当此时，构件a、C为输入构件，构件b为输出构件。由上可见q的不同将会使输入输出构件的关系与功率分配发生变化。2.5 组合式无级变速器的力矩和功率分配关系以及功率流动力传动的路线，简称为功率流。可以认为相啮合的一对齿轮，功率流的流向是从主动轮流向从动轮;在同一轴上的齿轮，功率流的流向是由从动轮流向主动轮。在封闭差动轮系中由于传动路线内部存在着回路，因此可能出现的功率流有两种情况:一种是分流传动，另一种是回流传动。要了解其内部功率流的情况，必须对其内部线路进行分析。如图(2一3)。图2-3 内部线路图对于X型系统，我们有a、b、c三个构件之间的力矩关系和功率关系: (2-8)式中 流过差动轮系(X)的功率; 组合式无级变速器的输出功率。对于P系统同样利用三构件的力矩关系和功率关系，考虑到构件e为机架：(2-9)即相当于一轴输入，一轴输出，另一轴固定，输入功率等于输出功率。联立得 (2-10)上式即为封闭传动中的内部功率分配的普遍关系式。从以上分析我们可以看出在组合式无级变速器中其内部功率流的流向和大小完全由系统内部基本型无级变速器和差动轮系的传动比决定。组合式无级变速器的功率分配关系与三轴系一样。同样我们令q=。，有以下结论。:=1：-q:(q-1)（1）当qq0时，a为输入构件，b、c输出功率，形成功率汇流传动。即此时为封闭功率, 且封闭功率的大小为:=（3）当q1时，b为输入构件，a、c为输出功率，形成功率汇流传动。即此时是封闭功率,且封闭功率的大小为:=2.6 封闭功率的概念我们可以作如下假设:对于PX型系统若，从前面的分析可知，在差动轮系X中，a为输入构件，而b、c为输出构件;可以发现有一部分从a输入的功率经过b、p、d后，重新回到a，功率流的方向是一个循环，这种循环的功率我们称为封闭功率，它不是实际的功率，只是与功率具有相同的因次。封闭功率是封闭系统所特有的一种视在功率，其只存在于封闭回路中，即不输入，也不输出，在不考虑摩擦时，对于输入输出功率没有影响。但是对于设计传递大功率的行星式组合式无级变速器，如果封闭功率存在，将会使传动能力下降。因此在设计中基本型变速器和差动轮系的传动比应正确选取，防止出现封闭功率，或是降低封闭功率的数值。我们可以看出:1、闭系统是否存在封闭功率及其大小完全取决于系统结构所确定的传动比。2、封闭系统内部的封闭功率可以大于输出功率，甚至到几十倍。在这种情况下，封闭系统由于效率太低可能产生自锁。小结:系统中封闭功率的大小和流向可由表(2-2)确定。表2-1 封闭功率的大小和流向对于PX型系统取功率分配系数q=;对于XP型系统区功率分配系数q=;第三章 组合式无级变速器的主动设计从前文可以看出，大量的研究工作都集中在通过确定组合式无级变速器的传动比来分析研究该系统的功率关系和输出特性，而对于通过主动控制系统的分流功率大小来确定传动比却涉及很少，为了对系统有更进一步的了解，有必要对此方面作一定的研究。3.1 组合式无级变速器的结构特性首先，我们研究组合式无级变速器的结构。我们知道基本型无级变速器有一个输入构件，一个输出构件;而差动轮系有三个基本构件:两中心轮A、B和系杆H。由图2-1可知，差动轮系3个基本构件除一个作为输入或输出外，另两个构件与基本型无级变速器的两个构件相连接。显然共有四种可能的连接方案(仅对PX型或XP型来说，如果两者都算上，应有八种连接方案)。而差动轮系3个基本构件每个都可以作为输入(或输出)，这样共有12种连接方案。设ZK-H型差动轮系的外齿中心轮为A，内齿中心轮为B，系杆为H。以A为封闭系统的输入(或输出)构件组成的四种连接方案称A型结构方案，同理有B型结构方案和H型结构方案。现在就这三类结构方案讨论其功率流向。(l)A型结构方案参见图2- 1(a)和图3-1(a)，以下只讨论4种结构中的一种。由于0对照表2-2，0，说明A型结构方案系统内部存在循环功率。(2)B型结构方案参见图2-l(a)和图3-l(b)以下只讨论4种结构中的一种c=B,a=A,b=H, =1-0对照表2-2，0,B型结构方案内部也存在着循环功率。(3)H型结构方案参见图2-l(a)和图3-l（c),以下只讨论4种结构中的一种c=H,a=A,b=B =0由于0)直接封闭型差动轮系组成的组合式无级变速器，只要以差动轮系的系杆H作为整个组合式无级变速器的输入构件或输出构件，封闭系统内部就不存在封闭功率。因此，只有H型结构的八种设计方案(PX型四种，XP型四种)能用于大功率组合式无级变速器。A型结构方案和B型结构方案由于其内部存在循环功率，一般不用于功率传递，但在扩大封闭系统调速范围方面却有着很大的实用价值。图3-1 结构形式3.2 组合式无级变速器的传动比选择的原则对于常用的基本型无级变速器，一般有0，由此可以看出当差动轮系传动比时，系统内部不存在循环功率，属于分流型传动，这样有利于提高系统的传动能力。对不存在循环功率的组合式无级变速器，通过差动轮系的功率与通过无级变速器的功率之比由公式(2-10)确定为:=- （3-1）因为基本型无级变速器在低速段输出时承载能力较差，我们希望在低速段时(此时较大)通过基本型无级变速器的分流功率尽可能小，而是通过差动轮系的功率尽可能大，以补偿基本型在低速段时较差的承载能力，从而提高整个系统的承载能力。从式(3-1)可以看出差动轮系相对传动比和的大小可以改变流过基本型无级变速器的分流功率的比例因此我们希望较大，可以改善系统的性能，而这要较大。因此设计时应选择较大的。由式(3-1)可以看出当(低速段)时，与的比值最大，也就是说当基本型无级变速器的承载能力处于较差状态时，整个系统的功率分流的特性使得差动轮系承担较大的分流功率，起到了补偿的作用。而且越大，补偿比例越大，但过大也将使变速器的低速区过宽，系统的输出特性也将降低。因此应根据实际使用工况合理的设计的值。组合式无级变速器的主动设计，就是根据系统的总输入功率，在满足系统内部不存在循环功率的情况下(即q+2(3) 同心条件对于ZK一H型行星传动，三个基本构件的旋转轴线必须和主轴线重合。即由中心轮和行星轮组成的所有啮合副的实际中心距必须相等，称之为同心条件。一般来说必须满足： =当采用标准齿轮传动或等变位齿轮传动时，有 (4) 均布条件在行星传动中，几个行星轮能均匀装入，并保证与中心轮正确啮合所具备的齿数关系即为均布条件。它与上述传动比条件、邻接条件和同心条件是相互依存的。传动型式不同，四个条件有不同的组合，且不一定每个条件同时独立出现。研究均布条件的实质就是寻求行星传动中各齿轮的齿数、特别是中心轮齿数与行星轮个数的关系。必须满足： =N 其中 N必须为整数。第四章 组合式无级变速器的设计计算4.1 组合式无级变速器差动轮系设计4.1.1 差动轮系结构参数的确定按照上章的传动方案以及主动设计，初选行星锥盘式无级变速器PX型的传动比范围=1.256.5，输入功率5.5kw，输入转速=1500r/min. =4则 =-30 由上章分析可得无封闭功率=-2.4-0.462 取 =-0.462 =631.85=1294.8则有R=2.05 又 =-30 属于精密调速型的组合式无级变速器所以，i的选择可以满足设计要求。4.1.2 差动轮系齿轮设计选用恒功率型4极电机，功率为5.5kw，额定转速为1500rpm。传动比参数为1.256.5设计变速器工作年限为10年，工作日300天/年，两班制，齿轮采用6级精度。根据行星轮系齿轮选择条件，定=48，=28，=104齿轮分度圆设计公式： (4-1) 查文献10-18，取1.3，。查文献，=0.6，=1100 应力循环次数 查文献得， 计算许用接触疲劳应力： 将数据代入(3-1)得， b/h=7.479由v=2.65m/s查表10-8得直齿轮 由b/h=8.799 查10-13得 载荷系数故m=2.86 圆整m=3.004.2 变速器行星锥盘的设计主要参数：中心轮工作半径，内环工作半径，锥盘工作半径，行星锥盘外径设计公式：恒功率工况 (4-2) =c (4-3) +=- (4-4) (4-5)锥盘的材料压制石棉,其线接触应力为15001800MPa，点接触应力为22002500MPa。取0.030.05，为传动系数，常取1.21.5，c为1.52，为行星锥盘锥角。代入数据得，考虑到结构，取=75mm, =1.6=88,工作半径 +=-，D=120mm.4.3轴承的选用选用深沟球轴承。因为组合式无级变速器无大的轴向力。4.4 轴的设计轴的设计公式 (4-6)考虑到结构及键槽的影响，取轴与轴承配合的部分轴径分别为30mm，40mm，75mm,材料为45钢。第五章 组合式无级变速器的参数校核5.1组合式