带式无级变速器

1、带式无级变速器摘要 普通的变速箱，无论是手动的或是自动的，都必须将引擎转速以一定数目的比例来分段，慢速行驶时，变速箱以抵挡见引擎所发出的扭力增倍输出，但是问题在于车速的升降仍然和引擎本身的转速挂钩。只不过比例的常数不同而已。因此制造一个可以转变扭力和转速的装置，将引擎锁定在一个很窄的转速范围下工作，这样引擎的扭力，马力和输出效率都能够设计的极其出色，设计了CVT。CVT(Continuously Variable Transmission)技术即无级变速技术发展至今，其基本工作原理大致不变它采用传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合来传递动力，可以实现传动比的连续改变，从而得到传动系与发动机工

2、况的最佳配合。它配合减速器传动时可进一步扩大变速范围与输出转矩，对提高产品的产量，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地效果。故无级变速器目前已成为一种通用的传动元件，在个工业部门已获得广泛应用。关键词 变速器；CVT；自动化目 录摘要I第1章 绪论11.1 机械无极变速传动概述11.2 各类无级变速器的比较11.3 国内外金属带式无级变速器的发展史及发展概况21.3.1 发展史21.3.2 发展概况2第2章 金属带式CVT的基本结构和工作原理42.1 极速带式CVT的基本的结构42.2 金属带式CVT的工作原理4第3章 传动装置方案53.1 确定传动方案

3、53.2 传递装置计算53.3 小结6第4章 行星齿轮机构部分74.1 传动路线设计74.1.1 空挡实现原理74.1.2 前进挡的传动路线74.2 主要设计及计算校核74.2.1 太阳轮的设计计算74.2.2 行星轮的设计计算94.2.3 行星架计算设计104.2.4 行星架前半部分设计134.2.5 前进挡离合器钢片和摩擦片的设计134.2.6 倒档制动钢片和摩擦片144.2.7 齿圈的设计计算144.3 小结16第5章 无级变速机构部分175.1 金属带设计选择175.1.1 金属块设计175.2 金属带主要计算185.2.1 主动带轮设计计算轴颈195.2.2 可动锥盘设计计算195.

4、2.3 定锥盘的设计计算205.3 从动带轮设计计算235.4 无减速部分总装配24结论25参考文献26致谢2727第1章 绪论1.1 机械无极变速传动概述机械无级变速器是有变速传动机构、调速机构以及加压装置或输出机构三部分组成的一种传动装置，其功能特征主要是：在输入转速不变上的情况下，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情况的要求。它在配合减速器传动时可进一步扩大变速范围与输出转矩，对提高产品质量，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地效果。故无级变速器目前已成为一种通用的传动元件，在各工业部门已获得广泛应用。

5、无级变速器的特点：1、 变速范围大，速比可在1/1.4-1/7之间任意变速;2、 强度高，寿命长，瞎用全密封设计，环境适应性强；3、 调节方便，运转稳定，可连续运转工作，可正反转运转；4、 适应性好，可与其他电机减速机组直接组合并实现低速无级 变速；5、 体积调速精度高，可达0.5-1转：6、 小，结构紧凑，外形美观。1.2 各类无级变速器的比较目前，无级变速器主要分为三大类：一是以电控调速装置调速的电磁无级变速器；二是以液压调速装置调速的液压式无级变速器；三是以机械调速装置调速的机械无级变速器。液压调速装置虽然调速范围大，传动效率较高，但其制造精度要求高，价格较贵，滑动率较大，运转时容易发生

6、泄漏。电控调速的虽然具有结构简单，成本低，操作维护方便的特点，但其效率低，发热严重，不适合长期负荷运转。与上述两种相比，机械无极变速器具有以下几大优点：调速范围大；调速方式多；能实现恒扭矩工作；传动效率高；适应性强；且结构简单；价格低廉；传动比稳定；工作可靠且维修方便。金属带式无级变速器就是一种新颖的有挠性中间体的机械摩擦式变速器，他具有结构简单、承载能力强、变速范围大、体积小、效率高、噪声小、节能环保等特点，尤其是他克服了以往各类无级变速器传递功率较小的缺点，可用于需要中大功率范围内的机械传动中，特别是近几年来它在轿车变速器中的成功使用所显示出的各种优越性能普遍为人们看好，因而受到了国内外的

7、极大重视。1.3 国内外金属带式无级变速器的发展史及发展概况1.3.1 发展史金属带式无级变速器（CVT）装车使用时间只有十几年的时间，但是CVT技术的发展已有100多年的历史，1886年，Daimler Benz 在首辆采用汽油机的汽车上装上了橡胶带式CVT。1906年，美国卡特车装用了简单的金属盘摩擦传动无级变速器。1930年在Austin Sixteen车上，装用了牵引式CVT。电子控制技术特别是计算机控制技术的发展，使得无级变速传动得到应用与发展。20世纪60年代后期，荷兰工程师Van Doorne 研究出金属带CVT，这是CVT技术具有划时代意义的事件。目前市场上的CVT有三种产品：

8、P821型，采用电磁离合器作为起动装置，机液或是电液控制系统，一外齿轮泵作为液压源，实用于发动机排量在1.3以下的小轿车；p18型，适用于发动机排量在1.8以下的中型轿车；P844型，采用新型金属传动带，将液力变矩器与CVT综合，全电子控制系统，实用于发动机排量在3.3以下的豪华轿车。1.3.2 发展概况金属带式无级变速器的力学结构、力学分析、传动效率等，在国外已研究成熟，国外的研究热点主要集中在CVT电液控制系统的控制策略上，如CVT电液控制系统的智能PID控制、鲁棒控制等、神经网络控制等。金属带式无级变速器的结构、力学分析、传动效率等研究在国内已取得很大的进展，但CVT电液控制系统的控制策

9、略、实验仿真等研究。在国内刚起步不久。无级变速传动系统匹配及控制是实现车辆性能的关键技术之一，可通过控制无级变速传动系统的速比来保证发动机在理想的工况下运行，以便提高车辆的动力性与与经济性。在国内，我国最早是在一汽生产的CA770红旗轿车上装备了自动变速器，国内CVT的批量装车始于2003年，目前正以递增的态势发展。在CVT方面的研究我国尚处于起步阶段，自：“九五”期间开始，轿车金属带式无极自动变速器的开发和研制已经被例入国家重大科技攻关计划。在CVT传动机理、CVT控制策略、CVT数字建模与仿真等方面，取得可一些突破性成果并成功式制出国内首台CVT产品，目前我国CVT已进入使用阶段。在国外C

10、VT技术的发展，可以追溯到十九世纪末德国Daimler Benz 公司在1896年就将V型橡胶带式无级变速技术用于该公司生产的汽车上，但材料差、传递力矩小，没有什么使用价值。自从冯杜博士的VDT公司于20世纪80年代研制成功金属带式无级变速器并使之进入商品化阶段目前世界度宽钢带。第2章 金属带式CVT的基本结构和工作原理2.1 极速带式CVT的基本的结构1)无级变速器由电控系统、液压控制系统、传动系统、速比调节装置、行星轮机构、安全缓冲装置和金属带组成。2)无级变速器的速比调节装置。CVT的关键部件为无极变速机构，其作用是使变速器在多种传动比之间连续调整，最终自动选用最佳传动比，使发动机始终处

11、于理想传动比范围之内。3）变速机构主要由主、从动工作轮组成。主动工作轮有固定部分（固定锥盘）和可动部分（可动锥盘）组成，从动工作轮也是由固定部分和可动部分组成。主、从工作轮的可动部分可作轴向移动；工作轮的固定部分和可动部分之间形成V形槽，金属带在槽内与它啮合；工作面大多为直线圆锥体，也有球面椎体、复合母线锥体。在控制系统的作用下，可连续地改变传动带的工作半径，从而实现无级变速传动。4）金属带。它由多个金属片和两组金属环组成。金属带式无级变速器的核心元件是金属带组件。金属带组件由两组912成钢环和350400片摩擦片组成 ，其中钢环祖的材料尤其是制造工艺最难的，各层带环之间无间隙配合。因为题目要

12、求只需设计金属带式CVT的机械部分，故本文中只对机械部分进行设计。2.2 金属带式CVT的工作原理无级变速器在工作时发动机输出轴输出的动力首先传递到无级变速器的主动轮，然后通过V形传动钢带传递到从动轮，最后经过减速器和差速器传递给车辆用以驱动汽车。工作时通过主动轮与从动轮的可动盘作轴向移动来改变主、从动轮锥面与V形传动带之间的啮合半径，第3章 传动装置方案3.1 确定传动方案金属带无级变速器的传动方案设计：发动机将动力传递到输入轴后，通过双行星轮系机构的可换向装置，将动力输出到主动轮轴上，再通过金属带将动力传递到从动轮轴，从动轮轴与减速器连接，减速器将动力传递到差速器上，最后输出到出轮轴上。3

13、.2 传递装置计算已知要求轿车发动机排量为1.6L，最大转矩140m（2800r/min），最大功率为76Kw（6000r/min）。为了后面的设计计算方便，从发动机的输入到车轮的输出之间的四根轴分别定义为轴1，轴2，轴3，轴4，则转速、功率和转矩的计算如下：1、 各轴转速 =6000r/min2、各轴功率式中 3、轴转矩式中、分别为轴1、轴2、轴3、轴4输入转矩。3.3 小结本章主要介绍了传动方案的设计，以及传动装置的有关计算。第4章 行星齿轮机构部分4.1 传动路线设计CVT中采用双行星齿轮装置，其作用功能是倒档时改变变速器输出轴的旋转方向。4.1.1 空挡实现原理离合器分离，钢片和摩擦片

14、未被压紧因此不传动动力，太阳轮主动旋转式带动行星轮在行星架上绕各自轴旋转，行星架固定不动，既没有输出。4.1.2 前进挡的传动路线前进挡离合器钢片与太阳轮相连接，离合器摩擦片与行星架相连接。前进挡时，离合器钢片和离合器摩擦片相压紧，于是将行星架和太阳轮锁死，太阳轮主动旋转时，带动行星架旋转并与太阳轮旋转方向相同，速比1:1。4.2 主要设计及计算校核4.2.1 太阳轮的设计计算选着直齿轮，虽然直齿轮在强度和性能上不及斜齿轮，但考虑到太阳轮要和离合器钢片相啮合传动动力，如果选择斜齿轮则还要另外设计伸出项以便于离合器钢片啮合，为了减少材料的浪费以及缩小空间，权衡考虑还是选择直齿轮。如-图4-1 图

15、4-1太阳轮参数： Z=34 m=2.5 b=60mm1.按齿面弯曲强度校核 由公式式中其中带入数值得又实验齿轮的齿面接触疲劳极限，选择570MPa接触强度计算得强度系数，选择1.15接触强度计算得安全系数，一般取=1.0代入数据得=570x1.15/1=655.5MPa比较符合条件，满足要求。2、按齿根弯曲疲劳强度校核有公式式中K、b、m同前齿形系数。查取选择2.45应力修正系数。查取选择1.65重合度系数。查取选择0.7代入数据计算得=2106-395=1711N又实验齿轮齿根弯曲疲劳极限应力。查取得250MPa弯曲强度计算寿命系数。查取选择1.5齿根弯曲强度计算安全系数。一般取=1.25

16、代入数据得=250x1.5/1.25=300MPa比较有,故a-a剖面安全。4.2.4 行星架前半部分设计图4-5为行星架前半部分，作用是和前进离合器摩擦片相连接来传递动力。行星架前半部分伸出项中有内齿，用于安装离合器摩擦片，太阳轮穿过行星架前半部分，离合器钢片和太阳轮连接啮合，离合器摩擦片和行星架此伸出相连接啮合，实现前进挡的功能。行星架前半部分和后半部分通过行星轮轴焊接在一起组合成为一个整体，从而将主动太阳轮的动力传递到行星架的输出轴，实现动力的传递。图4-5 行星架前半部分4.2.5 前进挡离合器钢片和摩擦片的设计离合器摩擦片在性能上应满足以下要求：1、 摩擦因数较高且较稳定；2、 具有

17、足够的机械强度和耐磨性；3、 热稳定性好，长时间停放后，摩擦面不发生“粘着”现象。因此选择金属陶瓷摩擦材料，其具有传热性好、热稳定性和耐磨性好、摩擦因数较高且稳定、能承受的单位压力较高以及寿命较长等优点，但价格较贵。如图4-6所示。 图4-6离合器钢片 离合器摩擦片内径：85mm 内径：90mm外径：180mm 外径：190mm厚度：2.5mm 厚度：2.5mm个数：4个 个数：4个4.2.6 倒档制动钢片和摩擦片倒档离合器钢片和摩擦片的要求和作用和前进挡离合器钢片和摩擦片相似，具体如图4-7所示。 倒档制动器钢片 图4-7 倒档制动器摩擦片内径：240mm 内径：240mm外径：270mm

18、外径：270mm4.2.7 齿圈的设计计算齿圈和型星系中外面一组行星齿轮啮合，同时齿圈外圈也有凹槽，用于安装倒档离合器钢片，在启用倒挡时候，通过压紧倒档离合器钢片和倒挡制动器摩擦片将齿圈所止在离合器壳体上。齿圈伸出一个凸台便于安装在齿圈外圈的摩擦片压紧。如图4-8所示图4-8 齿圈齿圈内径：Z=82 m=2.5 b=30 齿圈外径：240mm齿圈厚度：30mm 凸台外径：270mm 凸台厚度：10mm1、按齿面接触疲劳强度校核齿圈 由公式 其符号含义参看太阳轮，查表计算有： =2.5 =13666N d=205 b=30mm K=1.42 u=4.8代入数据得比较有符合条件，满足要求。2、按齿

19、根弯曲疲劳强度校核齿圈由公式 其符号含义参看太阳轮，查表计算有： K=1.24 b=30mm m=2.5 =1.65 0.7 =1366mm代入数据得 比较有符合条件，满足要求。4.3 小结本章主要介绍了行星齿轮机构部分的组件构成、各部分的作用原理以及各个零部件的设计和计算校核。第5章 无级变速机构部分金属带无级变速传动装置由主动带轮、从动带轮和V形钢带组成。主、从动带轮都是由固定锥盘和移动锥盘两部分组成，V形钢带主要由楔形金属块和钢质环带组成，V形钢带在主、从动带轮之间传递动力。V形钢带无级变速传动装置在进行变速时，主、从动带轮轴之间的距离保持不变，主、从动带轮的移动锥盘相对于其固定锥盘进行

20、移动，锥盘的移动通常靠液压装置完成，当主动带轮移动锥盘靠近其固定锥盘时，从动带轮的移动锥盘则相应的向离开固定锥盘的方向移动。这种移动会使V形钢带做整体平移，改变主、从动带轮与V形钢带的接触摩擦节圆直径，主动带轮的传动半径增大，从动带轮的传动半径减小，因而传动比变小。由于主、从动带轮的传动半径尺寸可以在一定范围内连续变化，因此，该装置可实现传动比连续变化的无级变速传动。5.1 金属带设计选择根据设计要求查资料选择采用VDT-CVT公司的P821型金属，主要结构参数和技术参数如下表： 表5-1金属带参数主要参数金属块金属环宽、高、厚mm24/14.5/2.09.0材 料滚动轴承钢高强度马氏体时效钢

21、带 长mm660轴 距mm160传递最大扭矩Nm250最大输入转数7000传 动 比0.4054-2.46金属块个数280金属环层数105.1.1 金属块设计金属块按标准尺寸设计选取，其截面如图5-1所示。图5-1 金属块截面5.2 金属带主要计算 2、变速比 3、楔形角 4、带的截面积A 5、中心距 a6、带的节线长度 7、带在带轮上的最小包角 8、计算圆周力F（恒功率）9、带轮可移动最大位移量 图5-2 金属带5.2.1 主动带轮设计计算轴颈轴的材料取45号钢，查表的C=106118取C=110则考虑键槽的影响故取初劲35mm比较安全5.2.2 可动锥盘设计计算由于金属带自身有高度，所以金

22、属带的工作半径和节圆半径不相等，因为轴的最小尺寸选择为35mm，因为带轮的最小工作直径减小会使V带的弯曲疲劳强度降低，所以尽量使带轮的最小工作直径大些，此处选择金属带的最小工作直径为=55mm。变速比和主、从锥轮与金属带总成传动的节圆半径有关，如下式：式中 主动锥盘最大节圆半径（mm） 主动锥盘最小节圆半径（mm） 从动锥盘最大节圆半径（mm） 在对称布置的情况下，则有设计要求=5.5，故/=2.3即带轮的最大工作半径为64mm。主、从动带轮的外径 =10-18mm,以保证金属带传动的节圆最大，钢带环仍处于带轮V型槽以内。 取=15mm则查阅资料，一般选取带轮锥盘的倾斜角度为，如图5-3、5-

23、4所示。 图5-3 锥盘截面图 图5-4可动锥盘三维视图可动锥盘和液压油缸相连，有液压伺服机构控制驱动可动锥盘的轴向移动，从而使两锥盘之间距离变化，进而改变金属带的工作半径达到无极变速的目的。5.2.3 定锥盘的设计计算不动定锥盘的锥盘部分设计和可动锥盘类似，如图5-5所示。1、定锥盘轴的设计从左向右分别为轴端一、二、三以此类推轴段一：d1=30mm，L1=86mm 安装轴承和套筒；轴段二：d2=35mm.，L2=107mm安装斜齿轮和液压缸轴段三：d3=40， L3=40 安装主动动锥盘轴段四：d4=35， L4=25mm 安装套筒轴段五：d5=30， L5=25mm 安装轴承轴段二上有一键

24、槽：长23mm 宽8mm轴段一、二上开有油槽，用于液压油进入，控制可动锥盘的轴向移动。 图5-5 定锥盘2、定锥盘轴的受力分析（1）画出轴的受力简图。如图5-6，图中L1=40mm，L2=180mm（2）计算支承反力。在水平面上（负号表示方向与图中所示相反）在垂直平面上轴承总支反力 图5-6 定锥盘受力分析图（3）画弯矩图 在水平面上a-a剖面左侧 在垂直平面上a-a剖面左侧 合成弯矩a-a剖面左侧合成弯矩a-a剖面右侧3、校核轴的强度a-a剖面左侧，因弯矩大，故a-a左侧为危险剖面。抗弯剖面模量 扭矩剖面模量弯曲应力扭剪应力对于调质钢处理的15号钢，查的：，；查得材料的等效系数键槽引起的应力

25、集中数查得。绝对尺寸系数，查得表面质量系数，轴磨削加工，查得。安全系数 查得许用安全系数=1.3-1.5，显然，故a-a剖面安全。5.3 从动带轮设计计算从动带轮的设计和主动轮带轮相似，故不再赘述。经计算检验均符合条件。满足要求。5.4 无减速部分总装配 图5-7变速装配结论无极变速器是值得去研究和探索的领域，理想的无极变速方式可以大大改善现有多种传动装置的性能，节约能源，保护生态环境。本课题只在研究现有金属带式无级变速器的基本原理为日后发展创新做好基础。本文介绍了无级变速器的种类和发展现状，对现有无级变速器的传动方式及其发展过程作了较为深入的探讨，并重点介绍了机械式无级变速器的优缺点，以及金属带式无极变速器的显著优势，应设计出一款金属带式无级变速器。本文分析了金属带式无级变速器的传动原理及调速原理，并对其进行三维建模。概括起来，本文主要作了如下工作：1、 详细分析了金属带式CVT的基本结构和工作原理2、 将设计内容划分为传动装置设计部分、行星齿轮部分、无极变速机构部分以及差速器机构四大部分3、 运用实体软件对其进行几何建模。由于时间和自身能力的限制，论文中存在诸多的不足和需要进一步完善的地方。参