菱锥式无级变速器结构设计.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文菱锥式无级变速器结构设计第1章 绪论1.1 摩擦无级变速器的特征与应用摩擦式无级变速器是一种在实际生产中应用非常广泛的无级变速传动装置，它的功能特征可概括为以下几点：1、在假定输入轴的转速和扭矩一定的情况下，可以使输出轴的转速和扭矩在一定范围内实现连续的变化。从而满足无级变速的要求及其在实际的生产系统运转过程中，各种不同实际工况的要求；无级变速器的结构特征主要是：需要由输入机构、输出机构、调速机构和加压装置（无级变速器的核心机构）四部分组成。摩擦式无级变速器的速度调节范围十分广范。被广泛的应用于输入的功率一定的情况下，因运行过程中所受阻尼的变化而需要通过调节转速从而可以输出所需大小的扭矩。例如：如汽车行业中的变速箱，即要求在汽车功率不变的情况下，汽车的速度随着汽车运动过程中阻尼的大小而相应的改变车速的大小；有的是为了获得不变的工作速度或者是不变的张力因而需要进行调节速度的情况；有的是为了适应整个生产系统中各种工况，各个工位、工序或单元的加工工艺和技术要求不同不同而需调节运行速度或者是需要与自动化相配合使用的情况；有的则需要随着工况的变化而相应的进行速度调节的情况；有的则是以节约能源为目的而需要进行速度调节的情况；有的是为了使工作效果最优而进行速度调节的情况。除上述情况外，还可以按各种实际情况中各种规律的变化或着是不规律的变化要求进行速度调节，从而更好的实现半自动、自动控制或各种程序控制等。 综上所述，我们不难发现采用摩擦式无级变速器，可以更好地适应各种不同工况的要求，使之效能最佳（尤其是在既有扩大变速范围又有输出转矩随速度变化减速传动情况下）。在适应产品的速度变换需要，达到节能减排的目的，并且实现整个生产流程的机械化与自动化，提高产品的生产效率和成品率等各个方面都具有明显的功效。因此，摩擦式无级变速器现阶段已经成为一种标准系列化的传动装置，已经被广泛的被应用于矿山机械、工程机械、农业机械、纺织机械、轻工机械、化工机械、机床与电工、起重机械、运输机械、国防机械、食品机械、包装机械及试验机械等各类机械。目前，摩擦式无级变速器已开发出不同类型的变速器并且许多类型已经标准化系列化生产。1.2 摩擦式无级变速器的类型 摩擦式无级变速器按摩擦件的种类不同分为：行星环锥式无级变速器（RX型）、钢球锥式无级变速器（Kopp-B型、XB型）、转环直动式无级变速器、行星锥盘式无级变速器（DISCO型）、锥盘环盘式无级变速器、多盘式无级变速器（Beier 型）、菱锥式无级变速器（Kopp-K型）、其他类型的无级变速器（KS型、RC型、Heynau微型、Heynau H型、AR型、OM型、BUS型等）。1.2.1 行星环锥式无级变速器（RX型） 行星环锥式无级变速器（RX型）是在行星外锥式无级变速器（RX型）和行星内锥式无级变速器（BUS）基础之上改进的产品。该类型的无级变速器的特点是在于行星锥轮采用了三点接触式的支撑结构，这时的保持架处于自由浮动的状态。这样可以使各个接触点的受力进行自动的调整平衡。这不仅使得无级变速器的结构很大程度上得到了简化。而且消除了多余的约束，避免这些约束引起偏载和零件损伤。从而改善了无级变速器的性能。RX型无级变速器的特点是输出转速的范围扩大，恒功率特性得到改进，传递功率提高，过载能力增强。在低转速运行时输出的转矩可以达到高速时运行的3到5倍。 行星环锥式无级变速器（RX型）是一种减速型的通用变速器，在实际生产加工中，行星环锥式无级变速器（RX型）适用于化工、包装、食品、轻工以及建筑等机械行业的流水线上。 该类型的无级变速器在国内的主要产品系列有：URX系列行星环锥式无级变速器、XZW系列行星锥轮式无级变速器、HZ系列行星环锥差动式无级变速器。1.2.2 钢球锥式无级变速器（Kopp-B型、XB型） Kopp-B型无级变速器是四十年代后期瑞士开发的产品，在国内只作为机床、化工等专用设备的配件，生产量较小。而在国外应用比较广泛。XB型无级变速器是Kopp-B型无级变速器的改进产品，它的工作原理与Kopp-B相同。XB型无级变速器不仅提高了变速器的承载能力，而且大大改善了变速器的性能。 这种类型的无级变速器既可以进行升速也可以进行减速。其特点是结构紧凑、对称；采用了两套自动加压装置，可以在外部载荷变化的情况下可靠地传递动力；这种类型的无级变速器的恒功率特性较好，传动平稳性和承载能力高。输出转速最高时和输出转速最低时的输出扭矩比值大约是1:4。因此，此类型的无级变速器被广泛的应用于石油与化工、机床工具、轻工食品及矿山冶金等工业部门。在用于泵类、风机机械时可以产生明显的节能效果。1.2.3 转环直动式无级变速器 转环直动式无级变速器实在七十年代德国开发的一种将转动转化为直线运动的变速器，在德国称为RG型转环制动变速器。转环直动式无级变速器还有一种简化结构形式，被称为RS型直动螺母。转环直动式无级变速器又被称为光轴转环直线转移式无级变速器或光杆排线器。 RG型变速器的主要特点是：输入的转动转变成输出的直线移动，并且能够实现自动直线往复运动。直线运动的形成大小与速度快慢都可以调节。形成长度最大可以达到5m；移动速度可从0m/s到4.2m/s，并且正反向的速度可以不同。当有外部载荷时，周详的最大推力可以达到3600N且可以立式适用也可以卧式适用。 转环直动式无级变速器首先最适合应用于收排线机构。其次，在塑料、纺织、电线电缆行业等其他方面应用也较为广泛。 该产品在国内现有的产品为HPQ系列光杆排线器。在国外的主要产品是由Uhing（德国裕兴）公司生产的RS型直线螺母和RG型转环直动变速器。1.2.4 行星锥盘式无级变速器（DISCO型） 行星锥盘式无级变速器（DISCO型）是现阶段国内外应用于生产最多的一种通用变速器。该类无级变速器变速器共有两种类型，一种是通用的基本型。另一种是差动式行星锥盘无级变速器，即在基本型的输出端上加一组差动轮系。这种变速器的变速范围可以从零开始，但是由于结构复杂因此应用较少。 行星锥盘式无级变速器（DISCO型）属于减速性变速器，其机械特性介于恒扭矩与恒功率之间，高速时输出的转矩与低速时输出的转矩之比大学时1:22.5。由于行星锥盘式无级变速器（DISCO型）结构比较简单和具有良好的工艺性，并且工作性能稳定可靠，通用性强。因此行星锥盘式无级变速器（DISCO型）是国内外产量最大的一种无级变速器。被广泛的应用于烟草、陶瓷、食品、包装等轻工业和化工行业机械的的自动生产线。 目前在国内行星锥盘式无级变速器已经有了自己的行业标准：JB/T 6950-93和JB/T 50150-1999。在国内其主要系列产品有：MB、MBN系列行星锥盘式无级变速器、UD系列行星锥盘式无级变速器、JWB系列行星摩擦式机械无级变速器。1.2.5 锥盘环盘式无级变速器 锥盘环盘式无级变速器是一种比较常用也是一种比较典型的直接传动式无级变速器。该类变速器通常可以分为干式和湿式两大类：干式即为锥盘环盘式无级变速器，湿式即为锥盘环盘式无级变速器又称为钢对钢锥盘环盘无级变速器。两者的传动原理和结构基本相同。区别是干式工作是不依靠润滑油，采用干摩擦传动。湿式采用钢材制成，工作时采用润滑油。 锥盘环盘式无级变速器是一种一般的减速性无级变速器。与同类型的无级变速器相比它的有点可以概括为以下几点：可以在正、反向运转时工作，噪音较低，结构简单，传动平稳们可以在停止转动时进行调速。 锥盘环盘式无级变速器为通用型变速器，故常用语电子、轻工、食品、包装、化工等行业的生产流水线上。此外，由于干式变速器在传动中不需要润滑油，因此还可以用于一些防油污染的设备。例如制衣及熨烫机械、制药机械等。1.2.6 多盘式无级变速器（Beier 型） 多盘式无级变速器（Beier 型）又被称为白威尔（Beier）无级变速器，是从五十年代开始由日本研制生产的一种直接传动式无级变速器。 其中多盘式无级变速器（Beier 型）应用较广泛的类型主要有三种： 基本型：又称为单级型。可根据工作特性的不同分为恒功率型和恒扭矩型，恒功率型在全速度变化范围内输出的转矩与输出的速度近似成反比关系。而恒扭矩型在整个速度变化范围内输出的转矩变化较小。 大变速范围型：又称为双极型变速器。变速可达到10到12。但是传动效率较低。 单锥双盘型：变速比可达到6，但是传递功率较小。 除以上三种变速器以外，多盘式无级变速器（Beier 型）还有带齿轮或者摆线减速装置的低速型多盘式变减速器。 多盘式无级变速器（Beier 型）虽然比其他类型的变速器机构复杂。但是，由于它滑动率较低，受力平衡，传动效率高，转动部分惯性矩小和运转平稳。所以比较适合应用于对功率要求较高的变速运动中。例如：化工机械、橡胶机械、石油机械、造纸等轻工机械和矿山冶金机械。1.2.7 菱锥式无级变速器（Kopp-K型） 菱锥式无级变速器（Kopp-K型）是一种属于中间元件式无级变速器。它是在五十年代末继Kopp-B型之后，由瑞士柯普公司（Kopp）研制开发的。应用很广泛。目前在世界上除瑞士以外，美、日等国也有生产。 菱锥式无级变速器（Kopp-K型）是本次设计的题目，它与Kopp-B型类似，一是即可以做升速也可以做降速；二是能够实现正反转，并且能够通过交换输出、输出端以获得低的输出转速和高的输出转速；三是由于变速器采用多个菱锥分流的方式传动，因此变速器的恒功率特性比较好，摩擦损耗较小，传动效率高，承载能力大，变速范围宽；四是抗冲击能力强，运转平稳；五是调压迅速，工作可靠。菱锥式无级变速器（Kopp-K型）是一种性能良好的通用型无级变速器，唯一的缺点就是体积较大。因此被广泛的应用于食品机械、木工机械、机床、化工机械、包装机械和印刷机械等各类机械行业。 该类变速器在国内的产品主要是JW-LZ菱锥锥轮式无级变速器。1.3 摩擦式无级变速器的研究现状无级变速器变速传动装置早在二十世纪初期就在摩托车行业得到应用。在1955年，欧洲著名商用车辆生产商DAF公司最先将“V”型橡胶带无级变速器试装在汽车上。但是由于选材、装配和结构设计等方面的问题，该传动装置不仅传动比过小而不能满足要求，并且体积过大，根本无法满足汽车的使用要求。在二十世纪八十年代初，由荷兰的 Van-Doorne博士成立Van Doornes Transmission B.V公司（简称VDT公司）在该方面进行许多大规模试验，主要是进行金属带式无级变速器的。因此，人们也通常会将这类金属带式无级变速器称之为VDT-无级变速器。金属带式无级变速器的成功研制对实际生产具有重要意义。它不仅可以实现了大功率和高效率的运动传递。而且也改变了常规带传动传递运动的传统原理，他传奇性的将带传动的传动方式由拉式传动改为以推式为主的方式。 但是，由于金属带在大批量生产过程加工工艺比较复杂，为了降低成本提高效率，人们开始积极研究和改善变速器的工业结构和性能。无级变速器的商品化生产是直到二十世纪八十年代末才完全实现。首先开始大量生产无级变速器的汽车厂是日本的富士重工有限公司（FHI）。1987年富士重工有限公司（FHI）将电子控制的无级变速器（即为P821 型）成功装配于Justy汽车上（该车的发动机排量为发11.2 升）,由此成功的抢占了日本的汽车市场。在此之后,位于美国的福特公司（Ford）和位于意大利的菲亚特公司（Fiat）也开始把无级变速器装备于汽车上，该款轿车的发动机排量为1.1-1.6L，其一经进入市场就立刻广泛的受到用户的好评。在二十世纪九十年代前后，VDT公司在第一代产品使用与生产经验基础之上，继而研究了该系列的第2代产品。该系列变速器的第二代产品在许多主要的技术参数方面都超过现在最为先进地液力机械自动变速器，因此该系列的第二代产品具有更好的经济性和操纵平顺性。不仅如此，该系列的第二代产品还在产品结构上做了许多改进，例如：1.采用了全电子的控制系统，从而实现了自动控制。2.采用了当前新型的金属传动带传递运动。3.采用了双级滚子叶片泵。 目前 ,世界上的主要汽车制造公司均致力于研制和开发新型的金属带无级变速装置，所以金属带式无级变速目前仍然是国外汽车无级变速传动主要研究、发展以及推广的方向。二十世纪九十年代初，德国采埃孚（ZF）公司通过改进VDT公司的产品。二十世纪末，荷兰的VDT公司与日本的丰田（Honda）汽车有限公司合作研发了新型的无级变速器。这一款无级变速器传动装置被称为Honda Multi Matic。该产品虽然也属于无级变速器。但是与无级变速器的产品相比，该产品具有一些不同的结构特点，例如：1.在无级变速系统中新增加了预防电气系统出现故障后的备用安全液压回路。 2.起步所用到的离合器被放置到了无级变速器被动轮的输出端上。 3.采用了双压力液压回路，因此液压系统的主动缸和被动缸面积可以一样，所以缸体可以做成相互对称结构； 由于VDT公司在金属带式无级变速器研究方面取得了重大突破，所以通常人们习惯上又称金属带无级变速器为VDT无级变速器，金属带无级变速器的主要零部件包括：油泵动力源、控制系统、起步制动离合器、中间减速传动机构、传动带和工作带轮。油泵作为无级变速器传动系统液压油源，为整个系统提供动力，液压油还可以对系统零件进行冷却和润滑。通常用到的液压油泵主要分为两种形式，分别为叶片泵和齿轮泵。在最近开发的适用于无级变速器传动器的滚子式叶片泵，相比于之前的油泵大大提高液压油泵的工作效率。常用的汽车起步制动离合器通常有液力变矩器、湿式多片离合器和电磁离和器三种。当发动机转速较高时，闭锁离合器会将涡轮和泵轮锁死，使涡轮和泵轮成为整机进行传动，可以有效地提高系统的传动效率。但由于这种离合器的成本比较高，为了降低生产成本、提高效益，研究人员在研究离合器一直致力于引用电控技术，从而实现在多片湿式离合器或电磁离合器的液力变矩器的传递特性。由于实际应用中的无级变速机构可提供的有效传动比范围大约为0.45到2.6左右,此传动比范围并不能完全满足汽车所要求的实现的传动比变化范围,为解决这一问题而设立了中间减速机构。控制系统包括电-液控制系统、VDT-无级变速器控制系统、分机-液控制系统、，是用来实现无级变速器系统传动速比无级自动变化的。在日本的Honda公司研制了一种采用电-液控制系统的无级变速器，其优点是系统利用电子控制系统可以容易实现控制算法，从而实现了对系统进行更为精确的控制。此外使用液压执行机构可以有效地应用液压系统反应比较快这一特点。无级变速器的发展历程时：在目前，产品大多是采用电-液控制系统；而在初期，产品却多采用机-液控制系统，虽然电-液控制系统性能更加优化，但是电-液控制系统的成本却比较高。 无级变速器的电子控制系统通常是由传感元件、电磁阀、电磁控制离合器、电子控制单元组成。传感器元件会控制单元提供所需的信号，而控制单元则会通过所得信号做出相应的算法判断，判断完成都会将控制信号传送至电磁阀，通过电磁阀来控制电磁离合器的状态，从而控制液压系统的工作。电磁阀还可以用于调节液压回路的线压力，这样可以提高无级变速器的总体工作性能。当无级变速器的输出转矩小于或者等于最大要求转矩的60%时，液压系统的线路压力会下降，从而可以使带轮夹紧力减小，使变速器能够更加平稳的工作。但是，如果在高压的情况下，带轮夹紧钢带，加大了摩擦力从而避免钢带打滑，保证动力可到的传递。德国采埃孚公司通过加大金属带的宽度而开发的智能型无级变速器，增大金属带宽度使它所能传递的扭矩显著增大，其能够传递的最大扭矩可以达到210Nm，这种无级变速器可应用在发动机的排量在2.5L左右的中型轿车上。此外，它还具有更好的燃油经济性以及动力性较好等优点。但是，这种变速器的缺点是织造工艺要求较高，而要求较高给这种无级变速器的普及带来了很大的困难。不过这一系列问题将会随着汽车制造行业的不断发展，水平的不断提高而得到解决。1.4 摩擦式无级变速器的基本组成和传动特性1.4.1 工作原理1锥盘 2环盘 3凸轮套(与环盘固接)4凸轮 5弹簧 6锥盘座 7调速齿轮图1-1 锥盘环盘式无级变速器基本型的结构示意图图1-1所示的为锥盘环盘式无级变速器基本型的结构示意图，可以作为通用摩擦式无级变速器的示例如图所示，主动锥盘在电机的驱动下，通过接触处摩擦力的作用，带动从动环盘2传递动力和运动。通过凸轮轴套3，环盘2与输出轴上的凸轮4固锁在一起，凸轮套3与凸轮4可根据输出转矩的发生变化相对转动，迫使凸轮套做轴向移动。从而增加锥盘与环盘接触处的压紧力。假定在其他条件不变的情况下，则增加压紧力可以增加当量摩擦力。凸轮套3中的弹簧5具有预紧作用，保证环盘与锥盘接触处在没有外界载荷的情况下具有一定的预压力。转动调速齿轮7可以进行调速，7转动，则与7啮合的锥盘座6上的齿条会带动锥盘1做上下移动，这样可以改变锥盘1与环盘2的传动接触位置。同时也改变了工作半径，实现了所需的速度变化。根据上图不难看出，摩擦式无级变速器的结构基本是上由三部分组成：一是用于实现变速的调速机构；二是用于传递动力和运动的摩擦变速传动机构；三是用于保证产生传动时所需摩擦力的加压装置。1.4.2 基本组成 1.调速机构摩擦式无级变速器的速度调节是通过改变摩擦件的接触位置，导致工作半径的比值发生变化，从而实现转速调节。因为摩擦元件的的接触面形状一般为圆弧或者是直线为母线的简单旋转体或者是移动得到的平面或曲面。例如，平面、锥面、柱面、球面、椭球面等。所以能使调速机构接触面改变的运动方式一般有两种：一是一个元件相对于另外一个元件沿其接触面转动或者是偏转。二是一个元件相对于另外一个元件沿其接触面做平移运动。对于调速机构的主要要求有：轻便灵活、定位准确、结构简单和工作可靠。现在阶段应用最多的调速机构是蜗轮蜗杆机构和螺旋机构。两者不仅能实现所需的运动而且还具有自锁特性。此外，还有一些常用的调速机构，例如，连杆机构、凸轮机构、齿轮齿条、偏心机构等。如果是在一些运动比较复杂的情况和要求，还可以将两种或两种以上的机构组合。采用组合体的方式进行调速。一般情况下，为了避免损伤摩擦件，无级变速器的调速是在运转过程中进行的。但是也允许在停止运动的时候进行调速。 2.摩擦变速传动机构摩擦变速传动机构具有不同的种类。现有的摩擦变速传动装置一般可以分为三类：一是行星传动式，即为在传动机构中，中间元件是做行星运动的传动机构；二是直接传动式，即为主动摩擦元件与从动摩擦元件是通过直接接触来传递运动；三是中间元件式，即为主动元件与从动元件通过中间件连接进行传动。 3.加压装置加压装置是用来产生传动工作表面之间的压紧力的，在接触表面不变的情况下，通过增加压紧力而增加传动工作表面之间的摩擦力。因此，压紧力的大小和变化会直接影响到传动的能力和无级变速器的性能。因此，加压装置也是无级变速器的最基本的组成部分。加压装置的种类有很多，但是常见的加压装置或者方式可以概括为三种：1）弹簧加压。弹簧加压一般采用碟形弹簧或者是螺旋弹簧。通过弹簧的弹力使主动摩擦件和从动摩擦件表面彼此压紧，产生所需的压紧力。这一种加压方式，在弹簧的长度不变的情况下压紧力是不变的。因此也被称为恒压式。这一种压紧方式最大的优点就是结构比较简单，有过载保护并且便于布置。但是，由于弹簧压紧的压紧力必须按载荷最大时的情况下确定。不能顾及到载荷的大小变化，以至于降低了无级变速机构的传动效率和传动寿命。因此，一般情况下，弹簧加压装置都与其他的加压装置配合使用。2）端面凸轮加压。端面凸轮加压方式是采用凹凸相对应的凸轮槽和端面凸轮。两者分别安装在轴和轴套上。当变速器空载运转时，凸轮和凹槽完全嵌合在一起，形成一种刚性的联轴器。从而使得轴与轴套同步转动；但是，当在负载运转时，凸轮与凹槽之间会产生相对角度位移。在凸轮的压迫下，与凹槽相连的轴会向远离凸轮的方向运动，从而使主动摩擦件和从动摩擦件表面之间产生压紧力。3）钢球V型槽加压。钢球V型槽加压与端面凸轮加压的原理类似，两个V型槽之间夹着钢球或者是钢柱。两个V型槽分别安装在主动摩擦元件和传动轴盘上，空载运动时，才钢球的作用下，轴盘带动主动摩擦元件一起运动。此时产生较小的压紧力。当受外部载荷作用时，两个V型槽出现相对角度位移，在钢球不被压溃的情况下，钢球既要传递圆周速度，又要承受轴向的力。钢球会将轴向力传递到主动摩擦件上，从而产生压紧力。1.4.3 传动特性参数 1.传动比和 当从动件是有主动件通过接触处的摩擦力或者是牵引力带动时，如果不考虑产生滑动。则两者在接触处的相对速度为0m/s，即两者的速度相同。可得： （1-1）式中 -工作半径，主动元件、从动元件从接触点至旋转轴轴线的直线距离。-分别为主动轴的角速度和转速-分别为在忽略滑动的情况下，从动轮的角速度和转速，也可称为是名义角速度和名义转速。由此不难推出在忽略滑动式的传动比为： （1-2）上式可以证明，无级变速器的传动比恰好是与齿轮传动的传动比相反的，它一般采用的是输出转速与输入转速的比值。并且，由于变速器的输出转速是在一定范围内变化的。因此在计算分析时，传动比是有最小最大值的。在计算滑动时的实际传动比为 （1-3） 2.滑动、滑动率和传动效率滑动在摩擦传动中是不可避免的，其表现形式主要有几何滑动和弹性滑动两种。除此之外，在过载的情况下也可能产生打滑现象。1)弹性滑动。弹性滑动是指主动件与从动件在工作时，由于材料的弹性变形而引起的一种不可避免的滑动现象。2)几何滑动。几何滑动是指当主动件与从动件工作时，由于零件的几何形状原因所导致两滚动体的接触区域的速度分布不均匀，从而引起的主、从动件之间的相对滑动。滑动率是指在名义上空载的情况下，输出转速与在实际负载情况下输出的转速只差，然后再比上名义上空载的情况下，输出转速，即： (1-4)在接触区域内的个点上滑动速度是不同的，其中存在最大值与最小值。如下图所示，在B点时取最大值。图2-2圆锥几何滑动简图如图2-2所示的为两圆锥的几何滑动简图当时，此时与在接触区的同侧，因此上式是正确的。但是，如果时上式是错误的，此时此列公式计算： (1-5)如果与的接触区域不在同一侧则应按此公式计算： (1-6)滑动率是无级变速器传动性能的一个重要衡量指标。滑动率的值不仅可以通过计算得出也可以通过实际测量得到。一般情况下滑动率的变化范围是3%到10%。传动效率是输出功率与输入功率的比值，传动效率的值一般情况下小于1。在摩擦式无级变速器中通常包含润滑油搅动所引起的的功率损失、摩擦所引起的功率损失、轴承所以引起的功率损失等多方面的功率损失。由于摩擦功率损失是由滚动体之间的弹性滑动、滚动和几何滑动所引起的。因此，以摩擦传动功率来表示。 （a） （b） （c）图1-3菱锥位置示意图现按照图1-3中的三种情况进行分析，对于图中的几何关系，不难得出主动轮的转矩及角速度为： (1-7)因为纯滚动点处的的，因此可将摩擦传动效率写成： (1-8)当出现图b所示的情况，则同样可以得到摩擦差传动效率： (1-9)当出现图c所示的情况，则同样可以得到摩擦差传动效率： (1-10)在上述三个式子中的计算公式为： (1-11)而的计算公式为： (1-12)此外，可按通用的一般的公式计算轴承效率和搅油效率。也可以按照推荐数值选定。综上所述，无级变速器的总效率为。此外，如果无级变速器还需要与减速机构连接则应把上式承上减速机构的效率。在整个传递效率中最小，其次是而最大。3.变速比调速机构的的工作半径和输出转速会随着主、从动元件的相对接触位置的变化而变化。由式可以看出，如果大于即为增速运动，如果小于即为减速运动。如果等于即为等速运动。由此，可以进一步推导出从动轴上的最高输出转速和最低输出转速。其中最高输出转速和最低输出转速分别为： (1-13) (1-14)在摩擦式无级变速传动中，调速通常是通过改变一个摩擦元件的工作半径而另外一个摩擦元件的半径来实现的。变速比又称为调速比，即为从动轴上的最高输出转速和最低输出转速之比。因此可得： (1-15)变速比是一个表示无级变速器的性能的主要指标，它随着不同变速器的结构变化而变化。1.4.4 摩擦式无级变速器的结构类型一般情况下，每一种类型的变速传动机构都可以组成一种变速器。因此，变速器的种类繁多。而每一种类的变速器由于它的性能和结构不同又可以形成不同系列的产品。除此之外，有时还需要增大输出转矩和转速范围以满足工作需要。各种类型的变速器的基本型几乎都可以在箱体内或者箱体外与行星齿轮传动、摆线针轮传动、齿轮传动、蜗轮传动等装置组合。形成不同派生型式的系列产品。尽管无级变速器的种类多种多样，但是，在经过结构、性能和其他一些因素的一系列对比可以得出：大多数型号的摩擦式无级变速器在实际生产中应用的很少。现在，在国内应用的较为广泛的或者是已经能够独立地进行系列化生产的无级变速器主要有：菱锥式无级变速器、行星锥盘式无级变速器、行星环盘式无级变速器、锥盘环盘式无级变速器、多盘式无级变速器、转环直动式无级变速器和钢球锥轮式无级变速器。1.5 本章小结在本章，我详细了解了摩擦式无级变速器的发展、类型、传动特性和国内外发展进程及现状。第2章 菱锥式无级变速器2.1 工作原理1输入轴 2输入侧加压装置 3主动轮 4菱锥 5输出轴 6从动轮 7输出侧加压装置 8从动外环 9菱锥芯轴 10调速螺杆（蜗杆） 11支架图2-1菱锥式无级变速器结构图上图所示的是菱锥式无级变速器的结构图。菱锥式无级变速器的主要传动元件是3-主动轮、4-菱锥和8-外环。菱锥的数量可根据传递扭住的大小进行选择，一般情况下是38个。菱锥需要沿圆周方向，均匀的分布在11支撑架上。2-钢球V型槽加压装置的加压盘与1-输入轴通过键连接的方式在一起。而3-主动轮则是滑套在1-输入轴上。3-主动轮会在2-钢球V型槽加压装置的作用下，与菱锥接触并且接触面处有适当的压力。4-菱锥与8-从动外环会始终保持接触。6-从动轮也是通过钢球V型槽式加压装置与8-从动外环来进行连接的。因此，当动力从1-输入轴输入时会经过2-钢球V型槽加压装置传递给3-主动轮。然后3-主动轮依靠摩擦力的作用通过中间传递件4-菱锥、6-从动轮、7-输出侧加压装置和8-从动外环将动力传递到5-输出轴上。因为菱锥式无级变速器是一种升、降速变速型的无级变速器，因此，此变速器总共采用了两套自动加压装置，每一个传动副之间的压紧力会随着负载的增大而增大，当负载减小时，每个传动副之间的压紧力也会随之减小。因此，菱锥式无级变速器在传动过程中可以尽可能避免打滑现象的发生。其中，预压弹簧会在菱锥式无级变速器刚一开始启动时为其提供所需的初压紧力。在进行调速的时候，转动10-调速螺杆（齿轮），通过连在11-支架上的螺母（齿条）使得11-支架做轴向的水平运动，11-支架的运动会带动4-菱锥一起做轴向的水平运动，与此同时4-菱锥还会自动沿菱锥芯轴做相对的滑移运动。这会使得锥体的瞬时工作半径发生改变，从而实现无级变速功能。如下图2-2和2-3所示，菱锥与主动轮和从动轮的两种位置关系分别可以使输出轴输出最低转速和最高转速。图2-2菱锥位置关系图图2-2菱锥位置关系图一般情况下，为了避免加剧磨损，调速是在运动的过程中进行的，停车时尽量避免调速。2.2 结构特点1.由于菱锥式无级变速器的输入、输出轴是在同一条轴线上的，无级变速器的传动采用的是中间体（菱锥）并列分流的传动结构。所以，菱锥式无级变速器具有以下几个优点：单位体积承载能力强、结构紧凑、体积小。图2-4菱锥安装角度示意图2.如图2-4所示，菱锥体的形状是对称的。锥体的两侧，接触母线A与接触母线B是平行的，而菱锥相对与输入轴和输出轴则是倾斜安装的。这是因为在变速和运转的过程当中，菱锥与主动轮和从动轮之间有两个接触点a、b。两接触点的连线始终是与母线A和B相垂直的。这样主动轮作用在菱锥上的压紧力和从动轮作用在菱锥上的压紧力可以以相互抵消。因此，菱锥和穿过菱锥的芯轴不会受到弯曲力矩的影响。因此，菱锥的芯轴和位于菱锥之间的滚针轴承的摩擦功率损失是可以忽略的。如图2-4所示为菱锥与支架的实际安装情况。1-支架 2-菱锥 3-菱锥心轴 4-轴承图2-4菱锥支架实际安装图3.通常情况下，水平轴线和菱锥的母线的交角都很小。一般情况可以取。这是因为输入轴上的轴承和输出轴上的轴承一般选用所能承受轴向力不大的轴承，所能轴承能够承受的轴向力一般很小。轴向力与法相总压紧力的关系1/8()。所以，即使传递功率较大但是并不会加重轴承的负载。4.由于变速机构采用两套自动加压装置，可以避免传动件受到过大和不必要的预压紧力，从而可以提高变速机构的寿命与传动效率。此外，也大大提高了变速装置的抗冲击能力。这是因为摩擦副虽然需要压紧力。但是，所需的压紧力比较小。而加压装置的槽升角却比较大（一般情况下输入侧的槽升角为，输出测得槽升角为），这样可以提供足够大的压紧力并且会有较大的过盈量。从而提高了抗冲击能力。5.由于菱锥式无级变速器在结构上是对称分布的，因此，菱锥式无级变速器可以做正反转使用。目前，在国外生产的功率在以下的中小型菱锥式无级变速器一般是与电机直接连接的。采用飞溅的方式进行油润滑。而对于功率在以上的大型菱锥式无级变速器则采用风冷，同时，也会强迫油泵进行润滑。在油泵的排油端一般会安装灵敏度较高的流量开关，如果发现油泵的排油量降低时，它会控制电机立即停止工作。在需要大启动转矩或者是有冲击的情况下，为了较小冲击，一般会在电机和菱锥式无级变速器之间安装磁粉离合器。2.3 主要零件的材料精度菱锥式无级变速器的从动轮和支架可以使用球墨铸铁制成，但是，端盖和壳体则需要用高级铸铁制成。他们都需要在进行完粗加工后进行热处理，一般情况下是退火处理。这是为了防止零部件因为时间或者是温度变化的原因引起精度下降。对于无级变速器的的一些主要零件，例如菱锥、外环、加压盘、主动轮。需要这些零件的表面硬度为HRC6164之间。因此，这些零件通常是采用经过真空脱氧处理的高级轴承钢制成。通常为了保证各个工作面之间能有一定的硬度差，我们会把菱锥的应做的比主动轮和外环稍微高一点。对于组成菱锥式无级变速器各个零部件制造的精度。通常，传动元件的精度为12级，在同一台变速器内的一组菱锥（通常是38个）的相互直径误差和运动精度保持在3mm以内既满足要求。菱锥的表面光洁度至少应该小于0.35mm。2.4 机械特性因为菱锥式无级变速器的输出侧加压装置的有效工作直径较大，并且加压装置与菱锥和外环均为内接触，所以，菱锥式无级变速器既能应用于恒功率传动的场合，又能满足大扭矩低转速传动要求的场合。菱锥式无级变速器的典型输出特性曲线如图2-5所示。图2-5功率扭矩特性图 即使对于同一台菱锥式无级变速器而言，如果选取的输出转速范围不同，则与其对应的扭矩和传动功率也会不同。2.5 本章小结 在本章，我对菱锥式无级变速器的工作原理、结构特点、机械特性以及材料的选择和零部件的精度要求有了更加深刻的了解与认识。第3章 菱锥式无级变速器的设计计算 设计要求：输入功率；同步转速 n=1000； 调速范围。3.1 确定传动比 根据设计要，已知。由查表可得、在动力传动中。3.2 选择电动机 按照设计要求输入功率。查表可得：可以选用鼠笼型三相异步电动机。则可得输入转速为。已知、。所以可得无级变速器的调速范围： (3-1) 因此，输出转速为。3.3 确定无级变速器的型号通过查机械设计手册可得，当要求输入功率时，为了减小无级变速器的体积，降低加工成本可以选择K6型菱锥式无级变速器。当变速器的型号已经确定时，由手册可获取无级变速器的外形尺寸参考值。3.4 菱锥的相关计算查表可得，当无级变速器的型号为K6时菱锥的个数 ；菱锥的工作高度 ；主动轮工作直径 ；外环工作直径 ；接触线长度 ；调速首轮操作力矩 ；菱锥芯轴的倾斜角一般取定值，即；菱锥的母线与水平轴线的交角一般为，所以先假定为；菱锥锥顶半角 菱锥长度 菱锥最大直径 菱锥最小直径 菱锥孔的直径按照心轴直径或者按照滚针轴承标准选择。菱锥母线的有效工作长度S3.5 从动外圈与主动轮的相关计算 主动轮直径:取；（按K6型参考值取值）从动外环直径:取；（按K6型参考值取值）3.6 菱锥中心圆直径D3的相关计算图3-1菱锥安装尺寸图由于在调速过程中是变动的如图3-1所示。因此，当菱锥与主动轮的接触点从a到菱锥的最大直径时，菱锥的中心圆直径不断变化，假设从a到的轴向距离为，则可得到菱锥中心圆直径的一般表达式： (3-2)当输出转速最小时有: (3-3)则可得。而根据几何关系可得： (3-4)所以的。3.7 菱锥间隙的计算利用几何关系可以求得菱锥间隙的通用计算公式，菱锥间隙的通用计算公式为： (3-6)利用此公式可以求得：，。3.8 调速操纵机构的相关计算图3-2变速位置示意图由图3-2观察不难发现菱锥水平平移量,菱锥沿芯轴方向的平移量和菱锥在与水平方向成方向上的平移量之间存在以下关系： (3-7)则公式变形后可的：菱锥支架上两个凸起边缘间的距离为，由上图可以得出：3.9 加压装置的相关计算3.9.1 输入侧加压装置的计算鼓形滚子中心直径：取整数得；鼓形滚子直径：取整数得；鼓形滚子个数；摩擦轮组的摩擦系数一般在0.030.05这个范围内，这里可取；槽倾角：实际取。3.9.2 输出侧加压装置的计算钢球的中心圆直径为，则取整数可得；钢球直径。所以取。钢球滚子个数；摩擦轮组的摩擦系数一般在0.030.05这个范围内，这里可取；槽升角：实际取。3.10 运动参数校核 满足要求； 满足要求； 满足要求； 满足要求； 满足要求。菱锥的转速3.11 接触强度校核轴承钢的力学性能是：供货态硬度: ；抗拉强度；屈服强度；断后伸长率(%):；抗弯强度；在额定功率时，接触应力一般不超过。；为变速器传动效率，一般为80%；所以得主动侧接触应力和从动侧接触应力均满足接触疲劳强度的要求。3.12 输入轴与输出轴设计3.12.1 输入轴的计算输入功率;输入转速;选用轴的材料为45钢，则。由于由于菱锥式无级变速器在使用过程中几乎无冲击，所以因此，查表可得:规格为的键满足使用要求。因有键存在，轴的尺寸需加大3%5%。所以：取标准值：。3.12.2 输出轴的计算由于传动效率为80%，所以，输出轴功率为；输出轴最小转速 。选用轴的材料为45钢，则。由于由于菱锥式无级变速器在使用过程中几乎无冲击，所以因此，查表可得的键满足使用要求。因有键存在，轴的尺寸需加大3%5%。所以：取标准值：。3.13 本章小结在本章，我对菱锥式无级变速器的主要非标零件进行了设计，在设计过程中我又复习了一下机械设计和机械原理的知识。第4章 主要零件的强度校核4.1 输入、输出轴的强度校核输入侧菱锥所受的轴向力为：；输入侧菱锥所受的径向力为：；输出侧菱锥所受的轴向力为：；输出侧菱锥所受的径向力为：；由于菱锥对称分布，轴的重量忽略不计。所以，所产生的径向力相互抵消。因此，只需考虑轴向力与扭矩对轴产生的作用即可。图4-1 扭矩图表4-1输出轴受力支称力F弯矩M 扭矩T所以，输入轴满足强度要求。同理可得，输入轴也只受轴向力和扭矩的作用：表4-2输入轴受力支称力F弯矩M扭矩T所以，输入轴满足强度要求。4.2 轴承的选用与校核因为在加压装置两侧的轴承需要承受轴向载荷的作用，因此选用角接触球轴承。而在输出轴上与菱锥保持架相连的轴承，由于需要滑动，所以选用接触面积较大的无内圈圆柱滚子轴承。其他位置均选用深沟球轴承。输入、输出轴上的深沟球轴承则只受轴的重力所产生的载荷作用。因为，该载荷可以忽略不计。所以，在输入、输出轴上的深沟球轴承只要尺寸合适即满足使用寿命要求。选择输出轴端的深沟球轴承的型号为6005。为了达到结构最简。因此，在输出轴端不设置深沟球轴承。由于在输入轴和输出轴上的角接触球轴承主要受轴向力作用。因此所受的载荷。输入轴轴向载荷： 输出轴轴向载荷：选用的角接触球轴承分别为7207AC,51110。基本额定载荷分别为26.8KN，27.1KN。对于轴承51108的寿命校核有：满足要求。对于轴承51110的寿命校核有满足要求。4.3 联轴器的选用输入轴转矩为26.7Nm，转速为1430r/min。输入轴转矩为176.7Nm，转速为200r/min2600r/min。查表可得，输入轴选用的联轴器型号为LT3。选择轴的直径为20mm。输出轴选用的联轴器型号为LT6.选择轴的直径为32mm。4.4 本章小结在本章，我对输入、输出轴的强度和输入、输出轴上轴承的选用以及轴承的寿命进行了校核，由于菱锥式无级变速器受力对称，所以设计尺寸即满足要求。此外，联轴器选的标准值都大于计算转矩，因此直接选用。总结容量大、功率恒定、变速范围宽和输出转速低等是菱锥无级变速所具有一系列优点所比较突出的几点。正是由于菱锥式无级变速器具有诸多优点，因而在当今世界上，各个先进工业国均致力于菱锥式无级变速器的系列化生产。例如，美、英、德、日等工业强国均已实现了菱锥式无级变速器的系列化生产。并且广泛的应用与实际设计生产中，极大地提高了生产效率。在无级变速器的结构上，由于菱锥无级变速器的输入、输出轴的轴线是共线的，并且中间体是采用了并列分流的传动结构。因此，菱锥式无级变速器不仅体积小、结构紧凑，而且单位体积的承载能力也较高。此外，由于菱锥无级变速器在输入和输出两侧各采用了一套自动加压装置。因此，各传动副之间的压紧力的大小是随着负载的变化而变化的，从而保证了可以提供足够的压紧力，避免发生打滑现象，弹簧会提供无级变速器启动时所需的预压紧力。菱锥的形状是对称的，菱锥两侧与传动件相接触的的母线是相互平行的。此外，菱锥在安装时应该于输入和输出轴相对倾斜的安装。这是由于变速器在变速或者运转的过程中，菱锥与主动轮、从动外环接触点的连线始终是与母线垂直。这样主动轮作用在菱锥上的压紧力和从动轮作用在菱锥上的压紧力可以互相抵消。因此，菱锥与菱锥的心轴不会受到弯矩的作用。此外由于菱锥式对称分布的，使得作用在输入、输出轴上的径向力相互抵消，从而使得轴只受径向力作用。这样，既可以减小了菱锥心轴与菱锥之间的损失，又能大大提高了轴上轴承的使用寿命。致谢本论文是在赵金涛老师的精心指导下完成的。他在工作中严于律己、不容一点马虎的作风一直是我大学学习中的榜样，并且他也将会一直是我研究生学习中的榜样。他善于启发式的教导和他的创新思维给予了我许多启发。无论是从论文的选题，课题讲解，资料收集。还是到最后的论文出稿和图纸完成，赵金涛老师都给予了极大的帮助与支持，在此期间，赵金涛老师为我提出了许多宝贵的意见，使我论文更加完善。赵金涛那种对学生认真负责的态度给我留下了较为深刻的印象。因此，特在此对赵金涛老师所给予的帮助与老师所付出的辛勤劳动和营造的良好的学习氛围表示我最真心的感谢。同时，在本论文不断完善的过程中，其他老师和许多同学也给予了我身份热情地帮助。在此，本人对所有在我论文完成的过程中提供宝贵帮助的人表示真诚的感谢。参考文献1 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