精密调速无级变速器结构设计【P=2.5KW n=1400rpm R=9】
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P=2.5KW n=1400rpm R=9
精密调速无级变速器结构设计【P=2.5KW
n=1400rpm
R=9】
精密
调速
无级
变速器
结构设计
2.5
KW
1400
rpm
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附录I 外文原文附录II 外文翻译非圆齿轮与机械压力机运动学优化 1997年1月8日研制摘 要：使用金属成形方法来加工生产零件的质量很大取决于压力杆。在机械压力传动时，有一种依赖于驱动旋转角度速度比的非圆齿轮，提供了一种获得这么动作时间的新途径，我们致力于为不同的优化金属成型运作的制造。本文阐述了由汉诺威的大学研究所建成的金属成形和金属成形加工机床的使用原型原则，它就是目前运动学以及在原型产生的力和力矩。此外，本文展示了如何使用拉深和锻造的一个例子，几乎所有的金属成形操作可有利用于机械传动机构的非圆齿轮。关键词：压力，齿轮，运动学。1. 简介 提高质量的要求在生产工程制造，所有的金属成形以及在锻造，有必要去携手制定生产经济。日益增长的市场定位要求技术和经济条件都得到满足。提高质量、生产力、生产手段的创新解决方案,是一种用来维持和扩大的市场地位的关键所在。所生产的金属部件,我们需要分清期间所需的形成过程和处理零件所需的时间。随着我们必须添加一些必要的额外工作，例如冷却或润滑的模具一次成型过程。根据质量和产量两个方面，产生了两个最优化方法。为了满足这两个方面，我们的任务是设计运动学形成过程中考虑到该进程的要求，也考虑到的是改变部分以及与一个优先线辅助运作所需的时间短周期的时间。2. 压力机的要求 一个生产周期,这相当于一个冲程来回压的过程,大致经历了三个阶段:加载、成型和移除零件。相反,在加载和移除零件阶段，我们经常发现送料的薄板,尤其是在纯粹的切割时候。为此，压力泵必须要一个确定时间的最小高度。成型周期中杆应该有一个特别速度曲线,它将会降到最低。这个转变期之间应尽快来确保短周期时间。短周期的要求是事件的原因,以确保通过高产量低成本的部分。基于这个原因，关于对大型汽车车身冲压片机和自动1200/min、拉深24/min的冲程数是标准的做法。增加冲程数是为了减少设计的周期变化导致增加的压实机械应变率, 然而，这对成形过程有很明显影响,使它必须考虑参数确定过程和被它所影响。在拉深成形过程中,当敲打板块时的撞击速度应尽量避免产生了深远影响。一方面,速度成形时必须充分润滑。另一方面,我们必须要考虑提高产量的相应的压力来增加造成更大的应变速率力,这可能导致冲床半径一侧的一部分过渡疲劳而导致断裂。在锻造时，停留时间短的压力是可取的。随着停留时间的压力下降了模具的表面温度将降低，其结果是热磨损。这是提高抵消了由于机械磨损形成更大的力量，但由于增加的应变率是较低的，因为较低的部分冷却屈服应力补偿。目前，最佳短住压力可以用有限元分析 法莱分析。此外,避免由于成本降低磨损、短压住时间也是一个重要的技术要求的精密锻造，近净形部分有一个光明的未来。高质量的要求和高产量将只能通过一个机技术,考虑到金属成形过程的考察要求等同于减少工作的目标成本。以前按设计已经不能同时满足这些技术要求和经济的充分程度，或他们是非常昂贵的设计和制造，例如链接驱动压力机。这就需要寻找对泵创新设计的解决方案，它的设计应主要标准化，模块化，以降低成本。3非圆齿轮的压力传动3.1 原则使用非圆齿轮传动机械曲柄压力机，它提供了一种新方式的技术和经济需求的压力杆运动。一对非圆齿轮有不变的中心距, 因此采用了电动马达，或由飞轮、曲柄和驱动机制本身。制服驱动器的速度传送是通过一对非圆齿轮传递给非均匀的偏心轴。如果非圆齿轮的适当设计，从动齿轮的非均匀驱动器会导致泵所需的行程时间行为。调查中心的金属成形和金属成型机床(IFUM)汉诺威的大学已经表明,在这个简单的方式所有相关的压力杆的连续运动，可以达到各种成形过程。此外从运动学和缩短生产周期，驱动概念导致新的驱动器的优点被以下的良好性能所区分。因为它是一个机械压力机，它具有高可靠性、低维护性和可预期性。对连杆压力机的数量和轴承零件显然是减少。首先，一个基本泵类型可以通过安装不同的齿轮而进一步改变设计，它根据客户的要求而设计。不同环节的驱动器，轴承的安装位置不会随着单一载荷方向的不同运动而改变。因此，上述要求的模块化和标准化是考虑到时间和成本，它降低了设计和冲压生产成本。3.2 原型在金属成型和金属成型工具机（IFUM）1架的c型泵，它已经进行了修整和安装了非圆齿轮副。为达到这种目的，先前的背轮背一个行星齿轮组做取代。这项工作表明了存在的新型传动印刷机是可能的，在最后对标准压力泵的改造在Fig. 2中进行说明。图表1 压力机设计是为了所受1000KN的柱塞力和200KN的冲压模具缓冲力。这一对非圆齿轮传动比平均为1，每个齿轮轮齿有59，直齿，模数10mm（图2）齿面宽是150mm，这些齿轮有渐开线轮齿。我假设了非圆曲线设计是以侧面几何设计为基础。因此，一个非圆齿轮的齿形沿齿轮圆周而改变。尽管如此,它可以来自知名的梯形齿条. 然而4.5,提出了一种计算方法，它精确地把齿顶高和齿根高考虑在内，进行相应的调整。压力机是为了在单一冲程模式下对零件进行深拉而设计的。最高滑块行程为180mm，行程数32/min。在140毫米的冲压速度几乎保持71mm/s不变，它是静点中心线到静点中心线之前的速度。见图3。这种速度就相当于液压机工作的速度。这个速度影响到曲柄机构，使其与击打具有相同的数目相比较，速度都是220m/。为了跟一个曲柄压力机具有相同的平均速度击打的数目不得不将减少一半。短周期内的机械改造将导致最后的向上运动。由于压力机是运行在单一的操作模式,在设计时对其做相关的处理没有提出特别的要求。驱动机制的原型与非圆齿轮有另外一个有利的影响及其驱动力矩（图4）。对于一个曲柄压力机的公称力通常可以降低静点之前把曲柄轴按正常方式旋转。这对应于公称力作用下相对于击打力的75%。若要达到1000kN标准力，该驱动器已提供45 kNm 的曲柄轴扭矩。该原型只要求对非圆齿轮传动增加额外的30kNm力矩。他们被传送一个循环，非均匀的曲柄转矩，将导致一个标准力在静点范围内变化。这相当于27.5%的行程。如果非圆齿轮副是在压力机的工作范围，我们总能找到类似的条件。这几乎总是与板料成形及冲压件有关。这样可以设计一些较弱的机器零件弱，而且节约成本。4. 进一步的设计实例利用二冲程时间行为的设计实例说明了以下几点。假设一系列的零件时通过压力机来加工的。为了达到这一目的，压力杆所需的速度和击打成形速度要求假设成立必须量化。再者，处理零件所需的时间必须确定，而且必须假设在处理时压力杆的最小高度。由此，我们设计动作的顺序，我们用数学含义来描述它。在IFUM中，由该研究所开发使用软件程序。从这个数学描述的冲程运动,我们可以计算出所需要的非圆齿轮速度比，从这我们可以得到齿轮的圆周曲线1.2.7。在第一个例子，在深拉伸冲压速度应该是在静止点前，金属板材成形保持在至少超过100mm，它的速度应该是约400m/s。让行程数定为30/min。第450mm以上击打的地方，让处理零件时间和曲柄压力机在25min/n的击打时间相同。图5表明了冲程运动情况，这是由一对齿轮的描绘所获得。该齿轮是通过他们的圆周率所描绘。在25/min传统的余弦曲线作为比较。除了生产周期时间减少了20，应把杆速度的影响也大大减少。下静点前110mm，当使用曲柄机构时，冲击速度为700mm/s，而当使用非圆齿轮时仅仅只有410mm/s。第二个例子显示了驱动装置是用于锻造。在图6中，常规锻造曲轴的行程时间是相对于在图片中说明非圆齿轮压力运动学。曲柄压力机的周期时间是0.7s、行程数是85/min和标准力是20mn。它的保压时间为86ms与50mm的成形部份时间。非圆齿轮压力机描绘的保压描绘时间67%减少至28ms。因此，它达到了和锤子一样的幅度。通过增加1.5倍的冲程数，周期时间缩短至46mm。尽管如此,处理时间依旧与常规非圆齿轮曲柄压力机的运动学相同。在这种情况下为了实现这些运动,传统的圆弧齿轮可以作为驱动装置，安排偏心。这为齿轮制造降低了成本。这些例子表明，不同的运动可以通过使用非圆齿轮驱动装置实现。在同一时间内，这个驱动器的实用潜力用实现理想的运动学变得清晰，而且生产周期时间减少。例如，通过不同的例子，如果运动的顺序对一系列压力机生产零件有利，可能增加拉深成形后的速度。5总结高生产率，降低成本和保证产品质量的高要求，这时所有制造公司所期望的，特别适用于公司的金属加工领域。这种情况导致我们重新考虑压力传动机的使用。对曲柄与非圆齿轮传动压力机的描述，使我们能够优化简单的机械压力机运动学。这意味着周期时间缩短,以达到高生产率和运动学的成形工艺的要求。这个设计工作需要很低。相对于多连杆压力机驱动器，可以实现其他运动学在其他齿轮轴承位置不改变时的压力机构建使用。这使压力机模块化和标准化。6致谢作者想表达他们的谢意，感谢德国机床制造商协会(VDW),位于德国法兰克福，其经济援助以及一些成员，感谢他们的支持。44湘 潭 大 学 毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： 精密调速无级变速器结构设计 学号： 2008963137 姓名： 何捷 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 系主任： 一、主要内容及基本要求 1、设计一种机械摩擦式无级变速器，要求以钢球或钢环作为中间元件； 2、输入功率P=2.5kw，输入转速n=1400rpm，调速范围R=9； 3、完成装配图A0#1张，零件图总量不少于A0#1张； 4、设计说明书一份； 5、英文文献一份。 二、重点研究的问题 1、无级变速器原理及其结构； 2、变速原理的传动结构的实现。 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1熟悉课题及基础资料第1周2调研及收集资料第2周3方案设计与讨论第34周4无级变速器布局设计第5周5无级变速器总装配图设计第69周6无级变速器零件图设计第10周7撰写说明书第11周8英文文献翻译，答辩第12周四、应收集的资料及主要参考文献 1 阮忠唐. 机械无级变速器M. 机械工业出版社. 2 阮忠唐.机械无级变速器设计与选用指南M.化学工业出版社. 3 徐灏.机械设计手册第3卷M.机械工业出版社. 4 毛谦德.袖珍机械设计师手册第3版M.机械工业出版社. 5 机械设计手册新版第2卷M.机械工业出版社. 湘 潭 大 学毕业论文（设计）评阅表学号 2008963137 姓名 何 捷 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书）题目： 精密调速无级变速器结构设计 .评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评 价选题难度与份量适中，符合培养目标，体现了专业特点和教学计划的基本要求，能达到综合训练的目的。有查阅文献、综合归纳资料的能力，具备研究方案的设计能力、有一定的外文与计算机应用能力。图面质量较好，计算说明书文字通顺、立论基本正确、论述较充分、结构基本合理。同意其参加答辩。评阅人： 2012年5月27日湘 潭 大 学 毕业论文（设计）鉴定意见 学 号： 2008963137 学生姓名： 何捷 专 业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 36 页 图 表 12 张 论文（设计）题目： 精密调速无级变速器结构设计 内容提要： 主要介绍了当前机械无极变速器的发展状况，分析了传统机械无极变速器优点与不足，介绍了机械分离锥式无极变速器的工作原理和具体应用。先查找变速器相关资料，了解传动原理及设计要求和计算公式，选择材料。通过已知给定参数先求出变速器主要零件钢环和主从锥轮的相关尺寸，再根据已算出的数据和配合关系选定其主要配合原件轴承型号，然后确定锥轮各段长度和大小。再进行轴的设计，通过公式选取轴的最少直径，再结合与锥轮配合关系确定轴的各段长度及选取键和轴键等相关尺寸，根据设计手册选取有关尺寸的配合公差，选取设计调速操作机构，再由已知的零件尺寸和配合关系，根据设计手册确定箱体和端盖的基本尺寸，其后对轴和钢环进行强度校核，以确定尺寸是否满足要求。最后由算出的数据用CAD进行绘图。指导教师评语 该生在本次毕业设计中表现出工作认真，能如期完成设计任务，具有较好的独立工作能力，有一定的查阅文献、设计以及动手能力。能够较好的运用AUTOCAD软件。设计方案合理可行，图面质量较好。设计说明书撰写比较认真、规范，具有一定的专业英文文献阅读与翻译能力。同意其参加答辩。建议成绩评定为：指导教师： 2012年 5月26日 答辩简要情况及评语 根据答辩情况，答辩小组同意其成绩评定为：答辩小组组长： 2012年 5月 日答辩委员会意见经答辩委员会讨论，同意该毕业设计成绩评定为：答辩委员会主任： 2012年5月 日XX大学毕业论文题 目：精密调速无级变速器结构设计专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： nosss63137 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2012年5月 目录目录1摘 要1Abstract2第一章 绪论11.1 无级变速器的介绍11.2 机械变速器的现状和类别11.3 摩擦式无级变速器11.4 摩擦式无级变速器运动原理21.5 钢环分离锥轮无级变速器的优点3第二章 钢环分离锥轮无级变速器设计理论52.1 钢环分离锥轮无级变速器简图52.2 机械无极变速器变速方式与运动学关系52.3 传动零件的尺寸82.4 钢环无级变速器受力分析92.5 强度计算112.6.1 恒功率传动情况时122.6.2 恒扭矩传动情况时132.6.3 钢环强度校验计算14第三章 机械分离锥式无级变速器的计算163.1 计算锥轮的尺寸和参数163.2 钢环的设计183.3 轴系零件设计183.4 调速操纵机构设计203.4.1 确定齿轮的参数203.4.2 确定齿条的参数213.4.3计算螺杆223.5 变速箱箱体设计23第四章 变速器内主要零件的强度校核244.1 钢环强度验算244.2 校核轴的强度25第五章 设计总结28参考文献29附录：英文翻译30附录:原文33摘 要钢环分离锥锥轮无级变速器是机械摩擦式的一种变速器，它以钢环为中间原件，以改变主、从动锥轮的工作半径来实现无级变速。它能实现对称变速而且无需再设加压装，结构简单，时常将这种变速器应用在传动系统的高速级。首先查找变速器相关资料，了解其传动原理及设计要求和计算公式，选择材料。通过已知给定参数先求出变速器主要零件钢环和主从锥轮的相关尺寸，再根据已算出的数据和配合关系选定其主要配合原件轴承型号，然后确定锥轮各段长度和大小。再进行轴的设计，通过公式选取轴的最少直径，再结合与锥轮配合关系确定轴的各段长度及选取键和轴键等相关尺寸，根据设计手册选取有关尺寸的配合公差，选取设计调速操作机构，再由已知的零件尺寸和配合关系，根据设计手册确定箱体和端盖的基本尺寸，其后对轴和钢环进行强度校核，以确定尺寸是否满足要求。最后由算出的数据用CAD进行绘图。关键词：钢环，锥轮，无级变速，齿轮，轴Abstract The steel loop separation cone pulley variator is the mechanical friction type variators one form. It takes the middle part by the steel loop, the affiliation changes the host, the driven cone pulleys working radius to realize the stepless change, rotates the handwheel, through the gear, the rack and the tension bar causes the transportable awl crop rotation end motion, changes the host, the driven cone pulley and the steel loop working radius, thus realizes the speed change. Moreover, its structure is simple, the manufacture is convenient. It mainly uses in the metal-cutting machine tool, the textile machinery and so on high speed machine. First, find related information transmission, to understand the driving principle and design requirements and the formula, select materials. Parameters given by the first known transmission main parts obtained from the cone round steel ring and the main relevant dimensions have been calculated according to the cooperation with selected data and the main bearings with the original model, and then determine the cone length and size of each round . Further design of the shaft, at least by the formula select the diameter of the shaft, combined with the relationship established with the cone wheel shaft length and the selection of the key and the shaft key and other related dimensions, Selected according to the design manual with the tolerances on dimensions, select the design speed operating mechanism, and then from the known size and with the relationship between parts, According to the design manual to determine the basic size of box and cover, then the strength of the shaft and the steel ring checked to determine whether the size to meet the requirements. Finally, the calculated data with CAD for drawing.Key words: Steel loop, cone pulley, limitless speed change, gear, axi第一章 绪论1.1 无级变速器的介绍 目前在汽车上广泛使用的自动变速技术是将液力变矩器和行星齿轮系组合的自动变速器技术,在主要汽车制造商生产的轿车中的平均装车率已经达到70%。但是液力变矩器和行星齿轮系的组合有着明显的缺点:传动比不连续,只能实现分段范围内的无级变速;液力传动的效率较低,影响了整车的动力性与燃料经济性。增加变速器的档位数来扩大无级变速覆盖范围,就必须采用较多的执行元件来控制行星齿轮系的动力传递,导致自动变速器零部件数量过多,结构复杂,保养和维护不便。所以汽车行业早就开始研究其它新型变速技术,无级变速(CVT)技术就是其中最有前景的一种。1.2 机械变速器的现状和类别 变速传动装置分为无级变速和有级变速两种。无级变速传动是在某种可控作用下，使机械输出轴转速在两个极值范围内作连续而任意变化的变速传动装置，而有级变速传动则是使机械输出轴的转速在两个极值范围内某一规律作间断变化的变速传动装置。对于做成独立部件形式的无级变速传动装置，成为无级变器。无级变速器有电磁的、流体的和机械的等多种类型。电磁无级变速器可用交流电动机调速（变频、调压等）、直流电动机调速（挑刺通或电枢电压等）。流体无级变速器有液压（节流调速、容积调速或复合调速）、液力（液力偶合器和液力变矩器）、气压等传动。现今，机械摩擦式无级变速器业已广泛用于金属切削机床、轻工、纺织、化工、食品、农业、冶金、运输等机械和仪器仪表等行业。1.3 摩擦式无级变速器 机械摩擦式无级变速器是利用摩擦力来传递运动和动力的，它有三个基本组成部分：加压装置，摩擦变速机构，调速操纵机构。1. 使传动零件相互压紧，以在接触区内产生所需摩擦力的机构称为加压装置。2. 靠摩擦力传动、且主动和从动零件之间尺寸比例关系可与改变从而获得变速的机构称为摩擦变速机构。3. 改变主、从动零件相对位置以调节两者之间尺寸比例关系，从而实现改变传动比，即实现变速的机构称为调速操纵机构。摩擦机构总是由若干个相互接触的轮子所组成（扰性中间元件可看成扰性轮），接触部位的形状可以是直线或圆弧曲线，通过改变轮子的相对位置，使接触点沿其中一轮的母线移动或摆动，改变其中某些轮子的工作半径而实现变速。加压装置是影响无极变速传动性能和承载能力的重要部件。加压装置按加压特性分为两种：1. 恒压加压装置工作过程中压紧力始终不变，即压紧力为常量；2. 自动加压装置工作过程中压紧力随着负载的变化而作正比变化。1.4 摩擦式无级变速器运动原理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。无级变速器的加压特性取决于摩擦机构的型式及其机械特性。 在输入转速n1一定的情况下，无级变速器输出轴扭矩T2（或功率P2）与转速n2的关系称为机械特性、可用图1-1所示坐标系n2-T2（n2-P2）中的平面曲线T2（n2）或P2=P（n2）来表征。无级变速器的机械特性大致可以归纳为三种：1) 恒功率特性指输出功率保持不变，如图1-2中实线所示。这时输 出扭矩和输出转速呈双曲线关系。在低速运转时，载荷变化对转速影响小，工作中又很高的稳定性，能充分利用原动机的全部功率。这种机械特性经济性好，适用于起重机、金属切削机床等的需要。2) 恒扭矩特性指输出扭矩为常量，这时输出功率和输出转速呈正比变化，如图1-2中虚线所示。如果输出扭矩小于负载扭矩，输出转速就立即下降，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。这种机械特性适用于机床进给机构和某些干燥机等设备的学要。3) 变功率便扭矩特性输出转速负载扭矩和功率的变化而变化，其规律复杂多样，通常按试验方法确定。 图1-1 机械特性应当指出，在一般无级比变速器中，可以采用调节压紧力的方式（如用自动加压装置），使在一定的转速范围内获得接近恒功率或恒扭矩的机械特性，以满足工作需要。恒压加压装置结构简单，便于布置，能纺织过载，但影响效率和寿命。压紧力可以由弹簧、离心力、重力、气压或液压提供，其中最常用的是弹簧加压装置。自动加压装置可减小滑动，利于提高效率和寿命，便于实现恒功率传动以充分利用动力，但不能防止过载，使用时应设置安全联轴器等过载保护装置。自动加压可利用弹性环自动楔紧原理或利用摆动齿轮箱的反作用力矩原理等进行加载。调速操纵机构可根据工作要求采用手动或自动控制方式，其基本原理都是将其中某个轮子沿一个（或几个）轮子的母线作运动以进行调速。考虑到轮子的母线通常为直线或圆弧，所以调速操纵机构可以分为两类：1） 藉移动方式改变轮子的工作半径，适用于母线为直线的轮子。常用机构为：螺旋机构；齿轮-齿条机构；螺旋-杠杆复合机构；螺旋-连杆组合机构；偏心机构等。2） 藉摆动方式改变轮子的工作半径，适用于母线为圆弧的轮子。常用机构为：蜗轮-凸轮组合机构；齿轮齿条-正弦组合机构；偏心机构等。3）1.5 钢环分离锥轮无级变速器的优点钢环分离锥轮无极变速器的特点是：1）钢环具有自动加压作用，能随着扭矩的增加而增大。钢环既是传动零件，又是加压元件。因此，无需另设加压装置，结构简单，制造方便。2）容易产生几何滑动，原因是锥轮顶点与钢环的内锥顶点不相重合所致。为了减小几何滑动和提高传动效率，可不采用线接触而用点接触的结构形式。3）能实现对称型调速（既最大传动imax与最小传动比imin对称于i=1的调速），i=1/3.23.2，调速幅度Rb=10（16）。4) 机械特性与恒功率特性较接近（从动锥轮转速n2低时扭矩T2大，而n2高时则T2小）这种无级变速器中的主要零件钢环和锥轮均用轴承钢GCr15制造（若要求淬透性好，可用GCr15SiMn钢），热处理后工作表面的硬度不低于HRC5864，磨削后的表面粗糙度Ra（轮廓算术平均偏差）不大于0.63m或（轮廓微观不平度十点高度）不大于3.2m。1.6 无极变速传动主要用于场所1） 为适应工艺参数多变或输出转速连续变化的要求，运转中需要经常或连续地改变速度，但不应该在某一固定速度下长期运转，如机床，卷绕机，车辆等；2） 探求最佳工作速度，如试验机，自动线等；3） 几台机器或一套机器的几个部分协调运转；4） 缓速起动以合理利用动力，通过调速以加快越过共振区；5） 车辆变速箱，可节省燃料，缩短加速时间，简化操作。 第二章 钢环分离锥轮无级变速器设计理论 2.1 钢环分离锥轮无级变速器简图 2-1 无级变速器结构简图 2.2 机械无极变速器变速方式与运动学关系 按变速传动机构中得运动副的配置方式，钢环分离锥轮无级变速器为：有中间轮的，输入输出轮工作半径的与可变，中间轮工作半径、不变的变速传动。如图2-2所示： 其传动比可用式（2-1）进行计算。 （2-1） 式中滑动率，由于传动中存在滑动，所以加载后的从动轮的速度和转速要低于无滑动时从动轮的圆周速度和转速.这种因加载后滑动所引起的速度的相对降低率，称为滑动率，以表示： ， 由于无滑动时，并假定为定值。而，则 （2-2）因此，对于钢环变速器，变速器的实际输出转速和实际传动比分别用式（2-3）、（2-4）表示： （2-3） （2-4） 若不考虑滑动，则=0；、主、从动锥轮与钢环接触处的圆周速度；n1、n2主、从动锥轮的转速； 、主、从动锥轮的工作直径；传动比i=1（ =）时的工作直径； 图2-2 钢环与分离锥轮之间的几何关系（图中实线位置表示i=1时）、锥轮的最大、最小工作直径（ 下标1指主动锥轮，下标2指从动锥轮）；a锥轮的锥顶半角；x可移动锥轮相对于i=1（实线位置）的轴向移动量，上面运算符号用于增速，下面运算符号用于减速。 钢环分离锥轮式的调速比是无极变速器的重要性能指标，它是变速器输出轴的最高转速与最低输出转速的比值，即： 而变速范围则是最高与最低输出转速值得范围，因属对称型调速： ，故：，对称调速的变速器，其输入轴转速n1与输出轴的最高、最低转速必须严格满足公式（2-5） 钢环的转速 式中 钢环工作直径，见图2-2考虑到，故，将其中带入式（2-1），得锥轮位移量x与传动比之间的关系为 锥轮的移动通常用齿轮-齿条传动，这时，锥轮位移量也就是齿条的移动量，当位移量为x时，齿轮的相应回转角（也就是手轮的回转角度），式中 z齿轮的齿数； m齿轮的模数。2.3 传动零件的尺寸确定传动零件之间的尺寸1） 选取材料：锥轮，钢环，输入输出轴均用GGr15,表面硬度HR61，摩擦系数f=0.04，许用接触应力；2） 预选有关参数为：锥轮锥顶半角；3） 有关运动参数的计算 1、锥轮最大工作直径： mm 式中，为锥轮的最小工作直径， 由强度及结构要求确定。 2、主动锥轮和从动锥轮之间的中心距a=(1.151.3)max mm 3、锥轮锥顶角 4、线接触时钢环工作面的接触长度 5、钢环工作直径 D=(1.82 )Dmax mm 6、钢环工作宽度 mm 7、 钢环宽度 mm 8、 钢环厚度 h=(0.20.9)B mm 9、点接触时钢环工作面的圆弧半径 mm10、钢环内周直径 mm11、钢环外周直径 mm 12、锥轮小端直径 mm13、锥轮大端直径 mm2.4 钢环无级变速器受力分析钢环无级变速器中的钢环具有自动加压作用。空载时，钢环圆心O3位于主、从动锥轮轮心O1、O2的连心线上（图2-3中的实线位置）； 图2-3 受力分析简图承载后，主动锥轮1依靠摩擦力F带动钢环3沿着切线方向移至虚线位置，这时钢环与主、从动锥轮楔紧并产生法向压紧力Q（所传递的载荷越大，楔得越紧），与此同时，由钢环通过摩擦力驱动一对从动锥轮2。锥轮与钢环之间的法向压紧力Q可以分解为径向压紧力Qr和轴向压紧力Qa。由于轴向压紧力Qa相互抵消，故以钢环作为分离体时的力平衡条件是 或 由此得 N （2-5）式中 传动可靠性系数，对动力传动，可取=1.21.5； f摩擦系数，对于淬火钢-淬火钢，油式时f=0.030.05，干式时0.10.2， 连心线O1O3或O2O3与弦AB之间的夹角。每个锥轮所传递的有效圆周力（既摩擦力） N每个锥轮所传递的扭矩 N.mm N.mm式中P1为主动锥轮的传递功率；为传动效率。所以每个锥轮上的压紧力 N （2-6）每个锥轮上的径向压紧力 每个锥轮上的轴向压紧力 2.5 强度计算钢环无级变速器在传动中力限制承载能力和可靠性的是锥轮和钢环的工作表面的接触强度、足够的油膜牵引力和油膜厚度。锥轮和钢环的主要失效形式是表面疲劳点蚀，因此设计时应计算其接触疲劳强度。当钢环与锥轮初始线接触时，最大接触应力 N/ （2-7）点接触时 N/ （2-8） 图2-4 锥轮和钢环的曲率式中 Q压紧力，见式（2-5）。对于作恒功率传动的变速器，Q应该按从动锥轮最低转速n2min的情况，即按主动锥轮最小工作直径D1min的位置进行计算；对于作恒扭矩传动的变速器，Q应按照从动锥轮最高转速n2max的情况，即按从动轮最小工作直径D2min的位置进行计算；对于功率、扭矩均变化的变速器，Q应按的位置进行计算；E弹性模量，对于钢，E= N/；接触副在计算位置处的当量曲率，1/mm =k11+k12+k21+k22k11锥轮1在主平面1内的曲率k11 ，1/mmk12锥轮1在主平面1内的曲率k12=0k21钢环2在主平面2内的曲率k21，1/mmk22钢环2在主平面2内的曲率k22=1/r（线接触时k22=0；点接触时k22），1/mmb接触长度，mmc与接触点各曲率有关的椭圆积分函数，可按曲率系数cos查表许用接触应力，对于GCr15号钢，线接触时其=15001800 N/；点接触时其=22002500 N/。2.6.1 恒功率传动情况时F和Q按位置计算（相当于n2min）。由式（2-3）得 N.mm1） 线接触取E= N/，2a=127，则 k11mm k21 mm =k11+k21= mm代人式（2-5），得校验计算公式 N/ （2-9）设计计算公式 mm （2-10）2） 点接触k11、k12、k21均同线接触，而 k22= 1/mm故 =k11+k12+k21+k22 1/mm 代入式（2-6），得校检计算公式 N/ （2-11）设计计算公式 mm （2-12）2.6.2 恒扭矩传动情况时F和Q按位置计算（相应于），由于（2-3）得 N （2-13）E、 、b、r、2a等值或计算式同恒功率传动。1）线接触效验计算公式 N/ （2-14）设计计算公式 mm （2-15）2）点接触 校验计算公式 N/ （2-16） 设计计算公式 mm （2-17）以上各式均取、b、r的平均值（即，r=0.85），推倒而得。若用推荐值的上、下限，即、r=0.9或、 、 r=0.8，则所得结果与平均值时相差很小（在Rb=9时，对于线接触公式，差率1.3%；对于点接触公式，差率3.3%），应此式（2-7）（2-15）对于不同的、b、r取值均能适用。2.6.3 钢环强度校验计算图2-5列出了钢环的剖面尺寸及参数。钢环在传动中因弹性变形而引起应力，可近似地按曲杆计算。钢环内周的正应力 N/钢环外周的正应力 N/钢环剖面在接触处的最大应力 N/式中： 径向压力，N； 钢环内周半径，mm；钢环外周半径，mm钢环剖面重心的回转半径，mm；钢环剖面重心至中性层的距离，mm；中性层所在处的半径， ,mm图2-5 钢环剖面尺寸第三章 机械分离锥式无级变速器的计算3.1 计算锥轮的尺寸和参数1.锥轮最小工作直径Dmin的确定（1） 按线接触 mm式中 Kn传动可靠性系数，取Kn=1.2；许用接触应力。锥轮与钢环材料均用GCr15号钢，表面淬硬达HRC62-64=1800N/； f摩擦系数。取f=0.05（油式）于是得Dmin31mm（2） 按点接触 mm式中 c系数，根据曲率系数取定，而曲率系数=0.55，查得c=0.92；许用接触应力，取=2200N/于是得 Dmin27.5mm可见线接触是薄弱环节，故取定=26 mm。2.锥轮最大工作直径的确定 =326=78mm3.锥轮锥顶角2的确定取 2=4.主、从动锥轮之间中心距a的确定 a=1.25=1.2578=97.5mm 取a=985.锥轮与钢环之间工作长度b的确定 ，取b=6mm6.锥轮小端直径的确定 ，取=25mm7.锥轮大端直径的确定 ,取=84mm8.锥轮的长度确定可移动锥轮的结构如下图3-1所示。初步选择滚动轴承，在L5处选用角接触轴承，结合锥轮的大端直径根据配合要求，选用轴承d=45mm角接触球的轴承，型号为7009C，D=75mm，轴承的宽度B=16。考虑到退刀槽的存在和装配要求，L5处为23mm，L4处为退刀槽长度为3，深度为2。L3处为一轴肩，取轴肩的直径为d3=82mm。可移动锥轮在L9处要装配一个深沟球轴承，因为在L5处有的直径为55且又轴肩的存在，故选用轴承6008,直径d=40mm，D=68mm，可以知道轴承宽度B=15mm。在L7处有一个挡环，可以选用挡环 L7=2mm，深度为1.5mm，选用L8=8mm。这样可以得知L62+2+18+830mm，取L6=52mm，锥轮斜边水平水平方向长取14.7mm,所以锥轮总长为108mm。根据以后算出装锥轮处轴径的大小，考虑到花键的存在，知道可移动锥轮的内径为20mm。不可移动锥轮跟可移动锥轮，不同的有，不可移动锥轮没有挡环存在且内径为28mm，无需考虑L7、L8、L9的长度，且L9的长度少于可移动中的长度。图3-1 可移动锥轮结构简图3.2 钢环的设计1）钢环工作直径 ,取 2）钢环工作宽度 取3）钢环宽度 取B=40mm4）点接触是钢环接触区的圆弧半径, 钢环厚度r=0.85 D0=0.85156=132.6mm 5）钢环的内径 6）钢环外径 7）钢环剖面积 8）钢环剖面重心的回转半径 9）中性层所在半径 10）重心至中性层的距离 11）内周至中性层的距离 12）外周至中性层的距离 3.3 轴系零件设计 1）输出轴的功率、转速和转矩若取花键传动的效率=0.85，轴的传动效率=0.97则 又因为从动轮转速低时扭矩大 ，所以取i=3则 于是 2） 初步确定轴的最小直径图3-2 轴的简图先估算轴的最小直径。选取轴的材料为40Cr，调质处理。根据 取=100则 d min=12.73m,输出轴的最小直径显然是安装移动锥轮的直径又因为要考虑花键的大小，于是取d1=20mm,因为可移动锥轮的存在，锥轮长度为108mm，可移动锥轮要在轴上来回移动，移动的距离取15mm，花键的尾当为30角的斜线，可以知道与斜线对应的长度为1mm，则L1108+1+15124mm，考虑到还有一锥轮也有部分在L1上，取L1=154mm，d2=23mm,L2=108mm考虑到要在d3处装配一个轴承，所以d3=25mm，选取轴承为6025型号的深沟球轴承，所以L4=15mm，退刀槽为23mm。挡圈厚度为2mm，挡圈在轴上的装配深度为2mm。所以L515+4=19mm，取L5=24mm因为考虑到要在L6处安装油封，取无骨架橡胶油封。考虑到轴承的定位配合，取d4=30mm。油封宽度为6mm，考虑到与端盖的装配可知L6取40mm，取d5=24mm,取键的尺寸为宽8mm高7mm。3.4 调速操纵机构设计采用齿轮-齿条式调速操纵机构（如图3-3所示）：图3-3齿轮-齿条式调速操纵机构3.4.1 确定齿轮的参数因为，齿轮齿条只作为调速用，所以在调速时不会受太大的力，所以齿轮的设计采用最小单位计算。故选取齿轮的齿数为z=17，模数为m=2，=1，=0.25，=1，则 分度圆直径 d1=172=34mm ，齿宽 b=d1=134=34mm 齿高 h=（2）m=（21+0.25）2=4.5mm齿根圆直径 =z-2（）m=（17-2-0.5）2=29m齿顶圆直径 =（z+2）m=（17+2）2=39mm齿距 p=m=3.142=6.28手轮端的直径选取d=39mm，D=138mm齿轮轴的长度根据装配关系和齿宽的大小取长度为292mm3.4.2 确定齿条的参数可以根据移动的范围和配合及齿轮的直径，可取齿条长度L17+15,考虑装配关系，取齿条长度为65mm,齿高 h=4.5mm 图3-4 调节套d2处和d4处要安装轴承，根据轴承的大小，可以知道得知：d2=90mm， d4=80mm在d2处和d4处又两个退刀槽，取22,d5为84mm，d3处要和d4处的轴承配合，根据要求可以选择d3=64mm根据配合知d1的长度取 d1=100mmL1为齿条的长度，所以L2=68mm ，L168+29=97mm,取L1=107mm,L3=100mm 取L4=L2=68mm，d2处的内径长度根据轴承的装配可以知道为25mm，d4处的长度同样可以知道为18mm，取d3处内径孔的长度为23mm，d5处孔内径长38mm,d6=
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