Morse无极变速装置的仿真与设计

摘要无级变速器（ContinuouslyVariableTransmission，简称CVT）是一种能够使机器的输出轴转速在两个极值范围内连续变化的传动部件。一般地，按照传动介质的不同，无级变速器可以分为机械式、流力式、电力式。其中，机械式无级变速器由于结构简单，维护方便，价格低廉，传动效率较高，实用性强，传动平稳性好，工作可靠，特别是某些机械无级变速器在很大范围内具有恒功率的机械特性（这是电器和液压无级调速装置所难达到的）等优点在国内外应用日益广泛。它主要有摩擦式、链式、带式和脉动式等几大类型。关键词：无级变速器；脉动式无级变速器；运动学仿真；结构设计AbstractContinuouslyvariabletransmission(Abbr.CVT),isatransmissiongearing,whichcanmaketherotationalspeedofoutputaxlechangecontinuouslybetweenmaxandmin.generallyspeaking,accordingtotransmissionmedium,CVTisclassifiedasmechanicaltype,hydraulictype,andelectrictype.Formanystrongpoints,MechanicalCVThasmoreandmoredevelopedgraduallydomesticallyandabroad.Theadvantagesincludesimplestructure,easyrepairing,lowprice,andefficienttransmission,andgeneralapplication,goodsteadyandsatisfactoryfunction.EspeciallysomeMechanicalCVThasunchangeablepowerinwiderange,whichdoesntreachbyelectricandhydraulicCVT.Itismainlycomposedoffrictiontype,chaintype,belttype,impulsetype.Keywords:Continuouslyvariabletransmission;impulsesteeplesspeedvariation;designPatterns;gobang目录1前言.61.1变速器的无极类型及特点.61.1.1无极变速器的简介.61.1.2无极变速器的分类及应用场合.61.2国内外的发展概况.81.3脉动无极变速器存在的问题.101.4毕业设计课题工作内容.102脉动式无极变速器工作原理.112.1工作原理.112.2结构特点.123传动机构数学模型的构造及分析.133.1数学模型的建立.133.2运动仿真.154基于Catia软件环境下的脉动无级变速器结构设计.164.1Catia简介.164.1.1CATIA先进的混合建模技术.164.1.2CATIA所有模块具有全相关性.164.1.3并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短.174.1.4CATIA覆盖了产品开发的整个过程.174.2传动机构设计.174.2.1输入轴的设计.174.2.2输入机构的设计.194.2.3其它零部件的设计.204.3调速机构设计.214.3.1蜗轮蜗杆的设计.214.3.2蜗轮蜗杆的设计.224.3.3其它零部件的设计.224.4输出机构设计.234.4.1输出轴的设计.234.4.2超越离合器的选择.244.4.3齿轮的设计.264.5内部结构.274.6箱体的设计.275脉动式无级变速器的装配及动态仿真.295.1虚拟装配过程.295.2动态仿真.325总结及展望.343结论.35参考文献.35谢辞.37附录.38外文翻译.391前言1.1变速器的无极类型及特点1.1.1无极变速器的简介无级变速器（ContinuouslyVariableTransmission，简称为CVT）是一种独立的传动部件，它具有输入轴和输出轴，通过固体、液体、电磁流等中间介质将输入、输出轴直接或间接地联系起来，以传递运动和动力。其主要功能是在输入转速不变的情况下，能够使输出转速在一定范围内连续变化，满足机器或生产系统在运转过程中各种不同工况的要求。无级变速传动和定传动比、有级传动相比，能够根据工作的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求，因此无级变速传动在现代传动技术领域占有重要的地位。11.1.2无极变速器的分类及应用场合1、无级变速器的分类无级变速器种类很多，按照传动介质分类，可分为：电力式、液力式、机械式。电力式无级变速器通过电气控制系统对交流电动机或直流电动机的参数进行控制实现无级变速，调速方式可分为：电磁滑差调速、直流调速、交流调速三种，目前交流变频调速性能好，应用最广；液力式无级变速器分为两类，一类是液压式，利用液压泵和液压马达或者液压泵和液压阀组成的无级变速传动装置，用于中小功率传递场合；另一类是液力式，利用液力耦合器或液力变矩器进行变速传动调节，适用于较大功率场合。两者的共同特点：调速范围大，能吸收冲击，防止过载，效率较高，寿命长，但制造精度要求高，价格较高，运转时容易发生漏油。机械式无级变速器绝大部分是通过摩擦力或油膜牵引力来传递动力的，主要通过改变传动构件的尺寸来实现变速，目前此类产品传递的功率最大在90-150kw之间，通常在22kw以下，目前在工作机械和自动生产线上应用最广。从传动机构的角度出发，目前能够实现无级变速的机构比较多，概括来讲可以分为：链式、摩擦式、带式和脉动式四大类。从传动-输出组合结构的相数分类，可分为3相、4相、5相。从传动-输出组合结构的排列方式分类，可分为（1）并列式：各项结构沿主动轴轴向排列（2）星式：各相结构围绕主动轴沿圆周方向排列，一般要与齿轮机构组合应用。（3）对称式：各相结构沿主动轴对称排列。目前的脉动无级变速器主要采用（1）（2）两种排列方式从调速方式的角度分类，可分为调节连架杆的长度和调节机架长度两类；本毕业设计中所采用的调速方式是通过调节机架长度实现的。2、无极变速器应用场合（1）为适应某些工艺参数或需要连续改变输出转速，运转中需要经常或连续改变速度。（2）几台机器或一台机器的几个部分协调运转。（3）汽车变速箱，能节约燃料9%，缩短加速时间。（4）探求最近工作速度的场合，如试验机器。（5）缓速启动合理利用动力，调速快速通过共振区。3、机械无极变速器的分类及简介从传动机构的角度出发，目前能够实现无级变速的机构比较多，概括来讲可以分为：链式、摩擦式、带式和脉动式四大类。从传动-输出组合结构的相数分类，可分为3相、4相、5相。从传动-输出组合结构的排列方式分类，可分为（4）并列式：各项结构沿主动轴轴向排列（5）星式：各相结构围绕主动轴沿圆周方向排列，一般要与齿轮机构组合应用。（6）对称式：各相结构沿主动轴对称排列。目前的脉动无级变速器主要采用（1）（2）两种排列方式从调速方式的角度分类，可分为调节连架杆的长度和调节机架长度两类；本毕业设计中所采用的调速方式是通过调节机架长度实现的。脉动式无级变速器是由连杆(或凸轮)、单向超越离合器等机构联合构成的一种组合机构。由于传动部分采用几何封闭的低副机构，因此具有工作可靠、承载能力高，可实现大范围变速的要求，且最低输出转速可以为零。调速方便等优点。但它存在着一些有待进一步解决的问题，即连杆运动时的惯性力难以平衡，加上机器的脉动度过大，当速度扩大之后，高速输出时不平衡惯性力引起振动增大而出现共振现象。机械无级变速器是适合现代生产工艺流程机械化、自动化发展以及改善机械工作性能的一种通用传动装置。其功能主要是：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不同工况的要求。与摩擦式无级变速器不同，脉动式无级变速器的传动机构采用几何封闭的低副机构，因此具有工作可靠、承载能力高、变速性能稳定的特点。其传动机构的设计灵活性较大，可实现大范围变速要求，且最低输出转速可以为零。此外，脉动无级变速器还具有结构简单、体积较小、制造方便和成本较低等优点。目前，脉动无级变速器，主要应用于中小功率、中低速以及对输出传动均匀性要求不高的场合，在纺织、化工、轻工、建材、塑料、造纸、食品、制药、等工业领域和各种加工生产线的传输装置中得到广泛应用，在一些起重运输机械和一些机床的进给箱中也有应用。传动比变速比输入功率/KW输入转速（r/min）输出转速（r/min）输出速度的脉动度额定输出转矩N*m效率（%）i=0-0.2Rb=P18n11800n2=0-10000.1-0.31.35-1270.685表1.1脉动无级变速器技术参数1.2国内外的发展概况机械无级变速器最初是在19世纪90年代出现的，至20世纪30年代以后才开始发展，但由于当时受材质与工艺方面的条件限制，进展缓慢。直到20世纪50年代，尤其是70年代以后，一方面随着先进的冶炼和热处理技术、精密加工和数控机床、牵引传动理论、油品的出现和发展，解决了研制和生产无级变速器的限制因素；另一方面随着生产工艺流程实现机械化、自动化、机械要改进工作性能，都需大量采用无级变速器。因此在这种形势下，机械无级变速器获得迅速和广泛的发展。主要研制和生产的国家有日本、德国、意大利、美国和前苏联等。产品主要有摩擦式、链式、带式、脉动式四大类约30多种结构形式。目前，在脉动式无级变速器研究与应用领域，德国、美国和日本等发达国家的发展最为迅速，其成熟技术以德国的GUSA型和美国的Zero-Max型系列产品为代表。德国以GUSA型为代表的脉动式无级变速器已标准系列化，它属于三相并列曲柄摇块脉动无级变速器。GUSA型分为GUSA型（三相偏置摇块）和GUSA型（三相对心摇块）两种结构型式。GUSA型最早由德国HeinrichGensheimer&Shne机器制造公司在50年代推出的产品，迅速在各领域得到应用。2随后该公司在80年代又对其加以改进推出了GUSA型，使传递功率和变速范围扩大、转速可以为零、输出转速的脉动度下降、效率提高、结构紧凑、传动可靠。其功率范围扩展到0.1220kW，共10多种尺寸规格，传动效率为0.680.85，可供实际使用的传动比为i0.0140.169，输出机械特性在低速时为恒转矩型，在高速时为恒功率型。并具有多种输出形式与调速方式，同时致力于向自动控制其调速及稳定输出方向发展。由于该类型脉动无级变速器结构为多相（三相）机构错位排列的缘故，当第一相处于送进状态时，第二相处于工作状态，第三相则处于退回状态，它们的运动是交替重叠的，从而使输出轴作单向连续的脉动旋转，同时克服了自由行程机构滑溜角所带来的误差，致使自由行程机构运动速度波动减小，输出运动更为均匀，但它也存在着惯性力较大，难以平衡等问题。美国以Zero-Max公司1962年研发的Zero-Max型四相并列连杆脉动式无级变速器即四相曲柄摇杆式脉动无级变速器为主，为便于微量调节与自锁功能的实现，应用蜗轮蜗杆调节调速摇杆的位置，以达到无级变速的目的。但由于受到结构上的局限，所以传递功率较小，加工成本也较高。另外，日本生产的Zero-Max型无级变速器不仅性能优良，而且有些规格的变速器带有变向手柄，可实现双向传动，有些变速器内部还装有防止过载的转矩制动器。国内无级变速器是在20世纪60年代前后起步的，当时主要是作为专业机械的配套零部件，由专业机械厂进行仿制和生产，例如纺织机械的齿链式、化工机械的多盘式、切削机床的Kopp型无级变速器等，而且品种规格不多，产量不大，年产量仅数千台。直到80年代中期以后，随着改革开放，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，专业厂家才开始进行规模化生产，一些高等院校和科研院所也开展了该领域的研究工作。经过十几年发展，国外现有各种主要类型结构的无级变速器，在国内皆有相应的专业生产厂及系列产品，年产量约10万台左右，初步满足了生产发展的需要。目前，机械无级变速器从研制、生产、组织管理到情报网信息各方面已组成一个较完整的体系，发展成为机械领域中一个新兴的行业。但是我国无级变速器产品一般都是根据国外引进的样机进行测绘仿制或稍加修改，规格品种较少，尤其是功率较小（例如脉动式系列产品的功率通常皆小于或等于7.5kW，只有齿链式无级变速器和多盘式无级变速器的功率能达到2230kW），而且机械无级变速器的性能质量指标至今缺乏统一的评定、检测标准，也缺乏相应的检测手段，而且至今没有一套完善、合理的设计计算理论与方法，因此制约了我国机械无级变速器这个新兴行业的发展。我国的脉动式无级变速器生产起始于70年代初，主要是在德国GUSA型和美国Zero-Max型基础上改进而来的。例如，在德国GUSA基础上加以仿制生产出三相并列曲柄摇块脉动无级变速器系列，这种变速器传递功率较低，工作性能也不太好，结构形式单一，国内厂家正在抓紧消化国外技术，积极研制性能更好的GUSA型变速器；美国的Zero-Max型脉动无级变速器有两种演化形式，即国产MT型和DBL型，MT型和DBL型变速器中的杆件均采用扁平冲压件，所以轴向尺寸较小，并采用外置螺杆来控制调速架调速，具有更好的调速性能，因而机构紧凑、简单，但传递功率通常不超过1.5kW。1.3脉动无极变速器存在的问题3目前，限制脉动无级变速器应用范围的因素主要有五个：（1）连杆运动时的惯性力难以得到平衡，不平衡惯性力和惯性力矩所引起的振动在高速时会显著增大，其产生的动载荷是造成机械效率较低的重要原因；（2）作为输出机构的超越离合器是动力链中的薄弱环节，其承载能力和抗冲击能力相对较弱，直接制约了脉动式无级变速器的传动能力和寿命。（3）机器的脉动度仍需进一步降低，尤其低速输出时脉动度会显著增加。（4）机构有移动副和采用多相结构时存在过约束现象导致机器对误差和工作环境的敏感性较高，机械效率降低，磨损加剧。（5）整机效率不是很高，输出功率小，不适用于大功率场合。其中最主要因素是（1）（2）今后，脉动无级变速器的研究目标主要包括以下几个方面：（1）开发具有较大功率、较高速度、运转较平稳和效率较高的新机型。研究方向将主要集中在对传动机构特别是六杆机构的深入研究，优化机构的型和尺寸，扩大调速范围，减少脉动度和动载荷，提高其运动和动力特性；（2）进一步改善超越离合器的工作性能，提高其承载能力和传动效率。应当注意到，由于机器工作时系统存在惯性的原因，脉动度的实际值比理论值明显减少，因此输出速度的脉动性已不是主要的应用障碍。关键在于超越离合器的承裁能力较低以及它在单向工作时所造成的每相结构中功率流的不连续；（3）多相结构引发系统中存在过多的重复约束，导动设计具有实用的意义。1.4毕业设计课题工作内容1脉动式无级变速装置传动机构数学模型的构造及分析；2脉动式无级变速装置的标准零、部件的选型；3脉动式无级变速装置的部分零、部件的强度计算和校核；4基于CATIA软件环境下，脉动式无级变速装置的运动仿真及的结构设计，通过对零部件的设计，再通过装配，最后形成脉动式无级变速器的完整结构，通过导出装配图和主要零部件工程图，最终完成结构的设计。2脉动式无极变速器工作原理2.1工作原理脉动无级变速器是由连杆和凸轮机构与单向超越离合器组合成的变速器。变速器主轴的匀速旋转运动，首先被连杆和凸轮机构转换成摇杆的往复摆动，然后再经过单向超越离合器将摇杆的摆动转换成为输出轴的单向脉动性旋转运动。通过数个具有一定相位差的连杆单向超越离合器组合机构，就可以使输出轴获得脉动幅度很小的单向旋转运动。图2-1a）机构图b）机构简图Morse无级变速器采用三相结构星式布置，传动比为0.008-0.22，输入转速240r/min，输出转速1.8-60r/min，额定输出转矩约为280N*m。2.2结构特点如果脉动式无级变速器仅有一组凸轮连杆机构，则其输出是单向间歇脉动性的旋转运动，输出角速度极不平稳。为了减小脉动不均匀性，在该机构的主动轴和输出轴之间装有3组相互间有120相位差的凸轮连杆机构，它们沿圆周布置在同一平面中。这些机构并非同时都有效地进行工作，而是几个单向超越离合器带动小齿轮交替重叠地起作用。其结构图如图2.2所示。图2.2脉动式无级变速器结构（1.传动机构，2.调速机构，3.输出机构）3传动机构数学模型的构造及分析3.1数学模型的建立图3-1为无级变速器矢量分析图，它由曲柄摇杆机构ABCD和双摇杆机构DCEF组成。该六杆机构的各杆都可用位移矢量来表示，大写表示矢量，小写表示杆的长度。首先建立机构的位置方程，规定各构件的转角,均12345以X轴为起始线，沿逆时针方向为正向。连杆OB长、摆杆BC长、曲柄1rrAO长、摇杆BE长、摇杆CD长，机架AD、AE均为定长。当调速点3r4r5rE在以A为圆心AE为半径的圆上移动时，C点坐标和调速角度是不断变化5的，一旦调速点固定于某一点C（即为一定值）时，AD，AE的长度也就为5固定值了。图3.1脉动式无级变速器矢量分析图对该机构进行运动学分析时，先设调速角度为90，此时对该六杆机构3建立闭环矢量方程如下：(3.1)413RAE(3.2)54D其中，、为辅助矢量。ADRF将式（3.1）分别在X、Y方向投影得：(3.3)413coscossrxrrE(3.4)ininiy将式（3.2）分别在分别X、Y方向投影得：(3.5)514coscossrxrrxED(3.6)ininiyy将式（3.3）、（3.4）、（3.5）、（3.6）分别对时间求一次、二次导数，可得该六杆机构的一阶、二阶运动微分方程，整理成矩阵形式，就可得出各构件的角速度矩阵方程（3.7）和角加速度矩阵方程（3.8）。式（3.8）就是机构的运动学数学模型。(3.7)0cosincoscoscs0iniin0cosii11543254332rrrrrr252423443131222543254323sinsisincoccosiscoscsos0iniin0csirrrrrrrrrr(3.8)式中，、连杆OB、摆杆BC、曲柄AO、摇杆12345BE、摇杆CD角速度；、连杆OB、摆杆BC、曲柄12345AO、摇杆BE、摇杆CD角加速度。3.2运动仿真根据前面求出的机构运动学数学模型，可以利用MATLAB仿真工具得到曲柄在旋转一周时间域内该六杆机构在各瞬时位置时的各个运动参数（角位移、角速度、角加速度），由此可以得到机构的运动规律。4基于Catia软件环境下的脉动无级变速器结构设计本章采用Catia软件对脉动式无级变速器的结构进行设计，通过对零部件的设计，再通过装配，最后形成脉动式无级变速器的完整结构，通过导出装配图和主要零部件工程图，最终完成结构的设计。4.1Catia简介CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。4.1.1CATIA先进的混合建模技术设计对象的混合建模：在CATIA的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了真正的互操作；变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA提供了变量驱动及后参数化能力。几何和智能工程混合建模：对于一个企业，可以将企业多年的经验积累到CATIA的知识库中，用于指导本企业新手，或指导新车型的开发，加速新型号推向市场的时间。CATIA具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性，无论是实体建模还是曲面造型，由于CATIA提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于CATIA来说，都是非常容易的事。4.1.2CATIA所有模块具有全相关性CATIA的各个模块基于统一的数据平台，因此CATIA的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维，以及有限元分析，模具和数控加工的程序中。4.1.3并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短CATIA提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式已不再是新鲜的概念，总体设计部门只要将基本的结构尺寸发放出去，各分系统的人员便可开始工作，既可协同工作，又不互相牵连；由于模型之间的互相联结性，使得上游设计结果可作为下游的参考，同时，上游对设计的修改能直接影响到下游工作的刷新。实现真正的并行工程设计环境。4.1.4CATIA覆盖了产品开发的整个过程CATIA提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块，使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的。4.2传动机构设计4.2.1输入轴的设计初始值：输入轴上的功率,转速r/minKWP12401n初定轴的最小直径：选轴的材料为45钢，调质处理，C=110-160之间，取C=120（以下轴均取此值），于是初步估算轴的最小直径mnpCd3.19240/1/33min考虑到轴上有键槽，最小轴径加大5%，。md265.0.1*39in圆整得min轴的结构设计1.拟定轴上零件的装配方案，如图4.1所示。图4.1输入轴方案2.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度(1)考虑到轴承右端需要安装联轴器，根据联轴器定直径，为md254满足轴承的轴向定位要求，轴段左端需制一轴肩，故取输出直径从左至右分别，左端用箱体轴承孔定位，md251d302md2543d254右端采用轴承端盖定位。(2)初选滚动轴承。因轴承受轴向力很小，故选用深沟球轴承。如图所示，轴承定位分别采用轴套和轴承端盖及轴肩和箱体轴承孔，选取6205型深沟球轴承，参数如下，基本额定动载荷，基本额定152BDdKNCr14静载荷，由于轴承轴向宽度15mm，配合轴段长度略长于轴承宽KNCr8.7度，故。m12(3)轴段2-3为一轴肩，；齿轮左端采用轴肩定位，md302l1032齿轮右端采用轴套定位，轴套长度l=10mm内径d=30mm外径D=35mm，并采用过渡配合，右端轴承采用轴套与轴承端盖进行定位。(4)轴承端盖的总宽度为17mm，其中外盖厚度为5mm，伸入轴承孔部分为12mm。(5)轴上共需要加工2个键槽，其中轴段2-3键槽为凸轮所配合键槽，而轴段4-5键槽为联轴器所配合键槽。1678Lhb2078Lhb(6)轴段3-4右端为调速机构蜗轮蜗杆中的蜗轮作支撑，其中蜗轮空套在轴上，蜗轮轴向采用两轴套定位，轴套长度l=10mm内径d=30mm外径D=35mm，(7)综上所述得各轴段长度，ml1732ml1032l6043。ml584图4.2输入轴4.2.2输入机构的设计1.凸轮的设计经过动画仿真验证的尺寸由，可确定曲柄的长度为24mm，再mlAO24由得，考虑整体结构，采用凸轮机构形式，凸轮盘的偏距为mlOB6024mm，外圆直径为60mm，宽度取20mm。偏心孔采用圆孔并用周向连接，尺寸由轴确定，d=25mm。考虑到凸轮盘与滚子是直接接触摩擦，所以在偏心轮的外圈加上铜套，以增强结构的性能和减小摩擦，铜套的尺寸为：内圆直径55mm，外圆直径60mm，宽度为20mm。铜套与凸轮盘之间采用过盈配合，凸轮结构的结构如图4.3所示。图4.3凸轮盘2.摇杆CD的设计摇杆CD是将凸轮的圆周运动转化为摇杆的往复运动，该结构采取铸造的方式生产，摇杆CD与超越离合器相连接，而超越离合器的单向运动由摇杆CD输入，CD取48mm，考虑到结构和强度的要求，宽度取20mm，两端加工两销孔d=10mm，摇杆CD与超越离合器采用销轴与弹簧卡环组合相连接，中间轴向间距用套筒隔开，避免产生轴向窜动，结构如图4.4所示。图4.4摇杆CD图4.5偏心轮与摇杆装配3.连杆BC的设计连杆BC是将摇杆BE的往复运动传递给摇杆CD的重要部件，连杆BC的长度为90mm，在两点间分别加工两个d=10mm的圆孔，以用来杆件间连接，杆件间连接采用销轴与弹簧卡环组合连接，考虑到结构与强度的要求，宽度取20mm，如图4.6所示。图4.7连杆BC4.摇杆BE的设计摇杆BE是四杆机构AOBE的输出杆件，同时也是四杆机构EBCD的输入杆件，连杆BE的长度为72mm，在两点间分别加工两个d=10mm的圆孔，并且在一端圆孔处以圆孔圆心为直径加工出一个高度为12mm，半径为20mm的圆槽，为下一步与滚子相连接做准备，另外一端圆孔与调速机构相连接，杆件间杆件与涡轮盘之间连接采用销轴与弹簧卡环组合连接，考虑到结构与强度的要求，宽度取20mm，做成直杆，连杆BE结构如图4.8所示。图4.8连杆BE方案图4.9连杆BE4.2.3其它零部件的设计滚子的设计考虑到凸轮盘与滚子是直接接触摩擦，所以在滚子的外圈加上铜套，以增强结构的性能和减小摩擦，铜套的尺寸为：内圆直径30mm，外圆直径36mm，宽度为12mm。滚子内孔为d=14mm，用销轴与弹簧卡环组合与摇杆BE连接，为使滚子运动顺畅，不致于产生阻尼点，影响机构运动考虑到其结构尺寸较小，采用滚针轴承BK1012RS，d=10mm，D=14mm，B=12mm，嵌套在销轴与滚子之间，滚针轴承外圈与滚子采用过渡配合。图4.11滚子最终，传动机构通过设计好的零件，按三组凸轮连杆相位差为120进行安装，如图4.12所示。图4.12传动机构4.3调速机构设计4.3.1蜗轮蜗杆的设计调速机构中，蜗杆轴将蜗轮固定于箱体上，蜗轮空套在输入轴轴上，以增强调速机构的强度，如图4.13所示，其中，1-2和5-6段安装轴承，因为该轴承受轴向力很小，故选用深沟球轴承。参照工作要求并根据，md176521选取6203型深沟球轴承，参数如下，基本额定动载荷4017BDd，基本额定静载荷。KNCr5.13KNCor58.6图4.13蜗轮轴方案结构如图4.14所示。图4.14蜗轮轴4.3.2蜗轮蜗杆的设计蜗轮蜗杆在结构中起到的是调速的作用，通过蜗杆的旋转使蜗轮绕着轴转动，从而改变六连杆中机架AE的长度，由AD=140mm，确定了蜗轮蜗杆的中心距必须大于140mm，考虑结构和传动比，选取的蜗轮蜗杆参数如表4.1所示。，蜗轮蜗杆的结构如图4.15所示。图4.15蜗轮蜗杆表4.1蜗轮蜗杆参数的匹配中心距a（mm）传动比i模数m（mm）蜗杆分度圆直径d1（mm）蜗杆头数Z1蜗轮齿数Z2蜗轮变位系数X2说明200964401960自锁4.3.3其它零部件的设计套筒的设计蜗轮空套在输入轴上，输入轴上有凸轮盘于蜗轮盘与蜗轮之间，蜗轮与轴承直接轴向定位采用轴套定位，d=25mm,D=30mm，L=10mm，套筒与轴之间采用过渡配合，保证其可靠的轴向定位。图4.16套筒4.4输出机构设计4.4.1输出轴的设计初始值：输入轴上的功率,转速r/minKWP1601n初定轴的最小直径：选轴的材料为45钢，调质处理，C=110-160之间，取C=120（以下轴均取此值），于是初步估算轴的最小直径mnpCd65.30/12/331min考虑到轴上有键槽，最小轴径加大5%，。md18.3205.*63in圆整得3min图4.3输出轴2.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度(1)考虑到轴承右端需要安装联轴器，根据联轴器定直径，为md354满足轴承的轴向定位要求，轴段左端需制一轴肩，故取输出直径从左至右分别，左端用箱体轴承孔定位，md4021d4532md403d354右端采用轴承端盖定位。(2)初选滚动轴承。因轴承受轴向力很小，故选用深沟球轴承。如图所示，轴承定位分别采用轴套和轴承端盖及轴肩和箱体轴承孔，选取6208型深沟球轴承，参数如下，基本额定动载荷，基本额1804BDdKNCr5.29定静载荷，由于轴承轴向宽度18mm，配合轴段长度略长于轴承宽KNCr18度，故。md201(3)轴段2-3为一轴肩，；齿轮左端采用轴肩定位，md4532l1032齿轮右端采用轴套定位，轴套长度l=10mmd=45mmD=50mm，并采用过渡配合，右端轴承采用轴套与轴承端盖进行定位。(4)轴承端盖的总宽度为17mm，其中外盖厚度为5mm，伸入轴承孔部分为12mm。(5)轴上共需要加工2个键槽，其中轴段2-3键槽为大齿轮所配合键槽，而轴段4-5键槽为联轴器所配合键槽0182Lhb。(6)综上所述得各轴段长度，ml201ml1032l7643。ml70544.4.2超越离合器的选择超越离合器是脉动式无级变速器中用来将摇杆的往复摆动转换成输出轴单向脉动旋转的输出机构，并传递一定的扭矩，离合器的尺寸由于受摇杆长度的限制不可能太大，只能选用摩擦式超越离合器，这种离合器具有体积小、传递转矩较大、接合平稳、工作噪声小、可在高转差下接合等优点，其工作范围较宽，传递转矩可达200000Nm，工作转速一般不超过3000r/min，但在特殊条件下可达45000r/min或更高。摩擦式超越离合器主要有滚子式和楔块式两种结构。溜滑角是楔紧元件从开始楔入到完全楔合的过程中，外环与内环之间的相对转角。溜滑角小则表示楔合动作迅速灵敏，超越离合器的运动精确度高。因此，溜滑角是影响离合器运动和动力响应特性的一个重要因素。要得到较小的溜滑角，应注意合理设彻口压弹簧，或采用阻尼板等结构上的措施。通常滚柱式超越离合器的溜滑角不超过2，而楔块式超越离合器的溜滑角约在27之间，所以对动作精确性的要求较高时，宜选用滚柱式超越离合器。图4.19滚柱式单向超越离合器综合摇杆EF的长度和输出轴的直径，选定滚柱式单向超越离合器的参数如表4.2所示。表4.2滚柱式超越离合器参数D滚柱数z许用转矩Tp/NmD1(k6)d1(h6)D(H7)BB1btb1LK4034.5555301522517.941018图4.20超越离合器三维模型4.4.3齿轮的设计1.小齿轮的设计考虑机架AD=140mm，可得齿轮中心距a=140mm，由于本设计中变速装置传递功率P=1KW，传递功率较小，又因为考虑超越离合器运动最小摆动角度，试取模数m=2齿数，摇杆CD是将往复运动传递给超越离合器内mZ481圈，再通过外圈传递给小齿轮，小齿轮与超越离合器的周向连接需要在小齿轮上加工键槽，结构如图4.21所示。5.Lhb图4.21小齿轮考虑到超越离合器轴向宽度小于小齿轮轴向宽度，装配后在运动中可能产生的轴向运动，所以采用套筒进行轴向定位，并且采用过渡配合。如图4.22所示。图4.22小齿轮与超越离合器配合2.大齿轮的设计摇杆CD是将往复运动传递给超越离合器内圈，再通过外圈传递给小齿轮，小齿轮与大齿轮啮合，三组相位差为120的凸轮连杆机构带动3个小齿轮继而带动大齿轮最终输出，大齿轮与输出轴采用键进行周向连接，需要在大齿轮上加工键槽，大齿轮的轴向定位采用轴肩与套筒定位，套4812Lhb筒与轴采用过渡配合，套筒內径由轴径决定，为d=25mm，D=30mm，L=10mm。结构如图4.23所示。图4.23大齿轮3.轴套（小齿轮与超越离合器轴向定位）的设计由上所述得，由于超越离合器轴向长度小于小齿轮轴向长度，需要用轴套进行轴向定位，使超越离合器与小齿轮间的运动不受轴向窜动影响，超越离合器轴向长度L=22mm，小齿轮宽度b=54mm，采用两端套筒进行轴向定位，伸进齿轮部分长度为16mm，外径D=55mm，外部长度为10mm，外径D=60mm，内孔直径d=12mm，如图4.24所示。图4.24轴套4.5内部结构将设计和装配好的输入机构、调速机构、输出机构在进行装配，组成完整的三组相位差为120的凸轮连杆-蜗轮蜗杆-超越离合器-齿轮机构。如图4.24所示。图4.24无级变速器内部结构4.6箱体的设计无级变速器箱体由上下两部分组成，采用铸造工艺制造，箱体材料HT200,箱体铸造完成后表面需要剔除毛刺飞边，表面光洁并喷灰色漆，箱体结构不对称，上箱体尺寸为4504x318x252mm，下箱体尺寸为504x318x227mm，上下箱体采用12个M10x30内六角圆柱头螺钉连接，2个销轴连接和定位。除186轴承座外，左右箱体的壁厚为10mm，加强筋宽10mm，高20mm。左、右箱体的三维图分别如图4.25、图4.26所示。图4.25上箱体三维模型图图4.26下箱体三维模型图5脉动式无级变速器的装配及动态仿真虚拟装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，它是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品的三维装配关系，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程及特点。实现三维设计过程与实