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畢 業(yè) 設 計 題 目： 機械菱錐式無級變速器的結構設計 誠 信 聲 明 本人聲明： 1、本人所呈交的畢業(yè)設計（論文）是在老師指導下進行 的研究工作及取得的研究成果； 2、據(jù)查證，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，畢 業(yè)設計（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果， 也不包含為獲得其他教育機構的學位而使用過的材料； 3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設計（論文）中的所有內(nèi)容 均真實、可信。 作者簽名： 日期：2017 年 月 日 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 任 務 書 題目： 機械菱錐式無級變速器結構設計 一、 基本任務及要求： 1、 查閱文獻 15 篇以上，并寫出文獻綜述，開題報告并編寫設計計算說明書一份 2、 已知原始數(shù)據(jù)：輸入功率 P=3kw，輸入轉速 n=1000rpm，調速范圍 R=12 3、 熟悉和掌握菱錐式無級變速器的工作原理和相關性能的知識 4、 以 UG 或 SolidEdge 三維 CAD 軟件為平臺，建立整機的數(shù)字化模型 5、 三維建模，一張 A0 裝配圖紙及其零件圖，共計 2 張 A0 圖量 二、進度安排及完成時間： 1．第 1 周 布置任務，下達設計任務書，熟悉課題與基礎資料 2．第 2－3 周 查閱資料、撰寫文獻綜述、撰寫開題報告 3．第 4－8 周 進行討論和制定設計方案，學習和使用三維建模軟件 4．第 9－11 周 對變速器總體方案設計與論證，總裝配圖設計和繪制、零部件圖繪制 5．第 12－14 周 撰寫畢業(yè)設計說明書（論文） 6．第 15 周 論文評閱，畢業(yè)設計資料整理、歸檔 7．第 16 周 畢業(yè)設計答辯 I 目 錄 摘要 I 第 1章 概 論 .1 1.1 無級變速器的特征和應用 .1 1.2 無級變速器類型 .1 1.3 機械無級變速器的性能參數(shù) .4 1.4 機械無級變速器的研究現(xiàn)狀 .5 1.5 課題的研究內(nèi)容和要求 .6 第 2章 菱錐式無級變速器工作原理 8 2.1 無級變速器的工作原理 .8 2.2 菱錐無級變速器的結構特點 11 2.3 菱錐無級變速器的變速原理 12 第 3章 菱錐無級變速器部分零件的設計與計算 .15 3.1 電動機的選擇 15 3.2 變速器基本型號的確定 15 3.3 菱錐與主動輪結構尺寸的計算 15 3.4 輸入側加壓裝置 16 3.5 輸出側加壓裝置 17 3.6 強度校核計算 17 3.7 輸入、輸出軸的結構設計 18 3.8 輸入、輸出軸上軸承的選用 19 第 4章 主要零件的校核 .20 4.1 輸出、輸入軸的校核 20 4.2 軸承的校核 21 第 5章 菱錐無級變速器的三維建模 22 5.1 箱體的三維建模步驟 .22 5.2 零件圖的三維建模 .22 5.3 裝配技術 25 總 結 .27 參考文獻 .28 致 謝 .29 I 機械菱錐式無極變速器的結構設計 摘要：機械無級變速器是一種能適應工藝要求多變、工藝流程機械化和自動化 發(fā)展以及改善機械工作性能的一種通用傳動裝置。本文簡要介紹了菱錐式機械 無級變速器的基本結構、設計計算的方法、材質及潤滑等方面的知識，并以此 作為本次無級變速器設計的理論基礎。 本設計采用的是以菱形錐輪作為中間傳動元件，通過改變錐輪的工作半徑 來實現(xiàn)輸出軸轉速連續(xù)變化的菱錐錐輪式無級變速器。本文分析了在傳動過程 中變速器的主動輪、菱錐、和外環(huán)的工作原理和受力關系；詳細推導了實用的 菱錐錐輪式無級變速器設計的計算公式；并針對設計所選擇的參數(shù)進行了具體 的設計計算；繪制了所計算的菱錐錐輪式無級變速器的裝配圖和主要傳動元件 的零件圖，將此變速器的結構和工藝等方面的要求表達得更為清楚。由于機械 無級變速器絕大多數(shù)是依靠摩擦傳遞動力，故承受過載和沖擊的能力差，且不 能滿足嚴格的傳動比要求。 這種無級變速器有良好的結構和性能優(yōu)勢，具有很強的實用價值，完全可以 作為批量生產(chǎn)的無級變速器。其主要特點是：1.變速范圍較寬；2.恒功率特性 好；3.可以升、降速，正、反轉。4.運轉平穩(wěn)，抗沖擊能力較強；5.輸出功率 較大；6.使用壽命長；7.調速簡單，工作可靠；8.容易維修。 關鍵詞：機械無級變速器；摩擦式；菱錐錐輪式 1 第 1章 概 論 1.1 無級變速器的特征和應用 機械無級變速器是一種傳動裝置，其功能特征主要是：在輸入轉速不變的 情況下，能實現(xiàn)輸出軸的轉速在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，以滿足及其或生產(chǎn)系統(tǒng) 在運轉過程中各種不同工況的要求；其結構特征主要是：需由變速傳動機構、 調速機構以及加壓裝置或輸出機構三部分組成。 機械無級變速器的適用范圍廣，有在驅動功率固定的情況下，因工作阻力 變化而需要調節(jié)轉速以產(chǎn)生相應驅動力矩者（如化工行業(yè)中的攪拌機械，即要 求隨著攪拌物料的粘度、阻力增大而能相應的減慢攪拌速度）；有根據(jù)工況要 求需要調節(jié)速度者（如起重運輸機械要求隨物料及運行去區(qū)段的變化而能相應 改變提升或運行速度，食品機械中的烤干機或制藥機械要求隨著溫度變化而調 節(jié)轉移速度）；有為獲得恒定的工作速度或張力而需要調節(jié)速度者（如端面切 削機床加工時需保持恒定的切削線速度，電工機械中的繞線機需保持恒定的卷 繞速度，紡織機械中的漿紗機及輕工機械中的薄膜機皆需要調節(jié)轉速以保持有 恒定的張力等）；有為適應整個系統(tǒng)中各種工況、工位、工序或單元的不同要 求而需協(xié)調運轉速度以及需要配合自動控制者（如各種各樣半自動的生產(chǎn)、操 作或裝配流水線）；有為探求獲得最佳效果而需變換速度者（如試驗機械或離 心機需調速以獲得最佳效果）；有為節(jié)約能源而需進行調速者（如風機、水泵 等）；此外，還有按各種規(guī)律的或不規(guī)律的變化要求而進行速度調節(jié)以及實現(xiàn) 自動或程序控制等。 1.2 無級變速器類型 為實現(xiàn)無級變速，按傳動方式可采用液體傳動、電力傳動和機械傳動三種 方式。 1.2.1液體傳動 液體傳動分為兩類：一類是液壓式，主要是由泵和馬達組成或者由閥和泵 組成的變速傳動裝置，適用于中小功率傳動。另一類為液力式，采用液力耦合 器或液力矩進行變速傳動，適用于大功率（幾百至幾千千瓦）。 液體傳動的主 要特點是：調速范圍大，可吸收沖擊和防止過載，傳動效率較高，壽命長，易 2 于實現(xiàn)自動化：制造精度要求高，價格較貴，輸出特性為恒轉矩，滑動率較大， 運轉時 3 容易發(fā)生漏油。 1.2.2電力傳動 電力傳動基本上分為三類：一類是電磁滑動式，它是在異步電動機中安裝 一電磁滑差離合器，通過改變其勵磁電流來調速，這屬于一種較為落后的調速 方式。其特點結構簡單，成本低，操作維護方便：滑動最大，效率低，發(fā)熱嚴 重，不適合長期負載運轉，故一般只用于小功率傳動。 二類是直流電動機式， 通過改變磁通或改變電樞電壓實現(xiàn)調速。其特點是調速范圍大，精度也較高， 但設備復雜，成本高，維護困難，一般用于中等功率范圍（幾十至幾百千瓦）， 現(xiàn)已逐步被交流電動機式替代。 三類是交流電動機式，通過變極、調壓和變頻 進行調速。實際應用最多者為變頻調速，即采用一變幅器獲得變幅電源，然后 驅動電動機變速。其特點是調速性能好、范圍大、效率較高，可自動控制，體 積小，適用功率范圍寬：機械特性在降速段位恒轉矩，低速時效率低且運轉不 夠平穩(wěn)，價格較高，維修需專業(yè)人員。近年來，變頻器作為一種先進、優(yōu)良的 變速裝置迅速發(fā)展，對機械無級變速器產(chǎn)生了一定的沖擊。 1.2.3機械傳動 機械無級變速器與液力無級變速器和電力無級變速器相比，結構簡單，維 護方便，價格低廉，傳動效率較高，實用性強，傳動平穩(wěn)性好，工作可靠。特 別是某些機械無級變速器在很大范圍內(nèi)具有恒功率的機械特性（這是電力和液 壓無級調速裝置所難達到的）。因此，可以實現(xiàn)能適應變工況工作，簡化傳動 方案，節(jié)約能源和減少污染等要求，但不能從零開始變速。機械式無級變速器 按傳動原理一般可分為：摩擦式、帶式、鏈式和脈動式四大類,約 30 種類型。 1．摩擦式 摩擦式無級變速器是指利用主、從動剛性元件(或通過中間元件)在接觸處產(chǎn) 生的摩擦力和潤滑油膜牽引力進行傳動，并可通過改變其接觸處的工作半徑進 行無級變速的一種變速器。摩擦式無級變速器由三部分組成:傳遞運動和動力的 摩擦變速傳動機構;保證產(chǎn)生摩擦力所需的加壓裝置 ;實現(xiàn)變速的調速機構。它具 有各種不同的結構類型，一般可分為： 4 直接傳動式，即主、從動摩擦元件直接接觸傳動； 中間元件式，即主、從動元件通過中間元件進行傳動； 行星傳動式，即中間元件作行星運動的傳動機構。 目前，國內(nèi)應用較廣或已形成系列進行生產(chǎn)的主要有:錐盤環(huán)盤式、多盤式、 轉環(huán)直動式、鋼球錐輪式、菱錐式、行星錐盤和行星環(huán)錐無級變速器等。 2．鏈傳動式 鏈式無級變速器是一種利用鏈輪和鋼質撓性鏈條作為傳動元件來傳遞運動 和動力的機械變速裝置。它屬于開發(fā)較早、應用較多的一種通用型變速器。 鏈式無級變速器由鏈輪和鏈條構成的傳動機構、調速機構和鏈條張緊加壓 機構三部分組成。它是通過主、從動鏈輪的兩對錐盤的軸向移動實現(xiàn)調速的。 按鏈條結構形式可分為以下幾類:滑片鏈無級變速器、滾柱鏈無級變速器、套環(huán) 鏈無級變速器、擺銷鏈無級變速器等幾種。前兩種變速器發(fā)展比較成熟，應用 廣泛，后兩種變速器體現(xiàn)了鏈式無級變速器的發(fā)展方向。 3．帶傳動式 它與鏈式變速器相似，其變速傳動機構是由作為主、從動帶輪的兩對錐盤 及張緊在其上的傳動帶組成。其工作原理是利用傳動帶左右兩側面與錐盤接觸 所產(chǎn)生的摩擦力進行傳動，并通過改變兩錐盤的軸向距離以調整它們與傳動帶 的接觸位置和工作半徑，從而實現(xiàn)無級變速。它由于具有結構簡單，工作平穩(wěn) 等優(yōu)點，在機械無級變速器中可以說是應用最廣的一種。 帶式無級變速器根據(jù)傳動帶的形狀不同，可分為平帶無級變速器和 V 帶 無級變速器兩種類型。帶式無級變速器結構簡單、承載能力強、變速范圍大、 制造容易、工作平穩(wěn)、易損件少、能吸收振動、噪聲低、節(jié)能環(huán)保、帶的更換 方便，尤其是它克服了以往各類無級變速器傳遞功率較小的缺點 ,可用于需要 中大功率范圍。因而是機械無級變速器中廣泛應用的一種；其缺點是外形尺寸 較大而變速范圍較小。 4．脈動式 脈動式無級變速器主要由傳動機構、輸出機構(超越離合器)和調速機構三 個基本部分組成的低副機構，故具有以下特點：傳動可靠、壽命長、變速范圍 大、調速精度高、最低輸出轉速可為零、調速性能穩(wěn)定、靜止和運動時均可調 速、結構較簡單、制造較容易。但它存在著有待進一步解決的問題，例如：調 速范圍在擴大之后，在結構和使用上如何實現(xiàn)增速變速傳動和采用復合式超越 5 離合器；高速輸出時不平衡慣性力所引起的振動增大，如何避免共振現(xiàn)象；低 速輸出時脈動不均勻性顯著增加，如何提高單向超越離合器的承載能力和抗沖 擊能力等。國際上，在機械式脈動無級變速器領域，目前以德國、美國和日本 的技術水平較高，其成熟技術以德國的 GUSA 型及美國的 ZERO-MAX 型系 列產(chǎn)品為代表。就目前來說，鑒于結構性能上的局限性，現(xiàn)有脈動式無級變速 器主要用于中小功率(18kW 以下)、中低速(輸入 n1=1440r/min，輸出 n2=0- 1000r/min)、降速型以及對輸出軸旋轉均勻性要求不嚴格的場合。例如在熱處理 設備、清洗設備以及化工、醫(yī)藥、塑料、食品和電器裝配運輸線等領域的應用。 1.3 機械無級變速器的性能參數(shù) 機械無級變速器的結構類型比較多，性能的差異也較大，為了能正確判別 變速器的性能特點，現(xiàn)將有關的指標參數(shù)分述如下。 （1）機械特性 是指無級變速器在輸入轉速一定的情況下，其輸出功率 P2或 轉矩 T2隨輸出轉速 n2的變化關系（一般以 P2-n或 T2-n曲線表示），也稱為輸出 特性，是衡量變速器的一個重要性能指標。 1）恒功率特性 當輸出轉速 n2變化時，輸出功率 P2保持恒定，輸出轉矩 T2 隨 n2 的降低而增大，或者相反。 2）恒轉矩特性 當輸出轉速 n2變化時，輸出轉矩 T2保持不變。 3）變功率、變轉矩特性 當輸出轉速 n2變化時，輸出功率 P2轉矩 T2按一定規(guī) 律（曲線）變化。 4）組合型特性 當輸出轉速 n2在低速區(qū)段變化時，具有恒轉矩特性，而當 n2 在高區(qū)段變化時，則有恒功率特性。 上述特性是指變速器輸出轉速 n2在規(guī)定的主要變速區(qū)段是具有的機械特性， 而不一定是全部變速區(qū)域，例如在高低速兩端就可能出現(xiàn)其他的變化規(guī)律。另 外，在變功率、變轉矩特性中，輸出轉矩 T2 的最大值不一定對應最低輸出轉速 n2min。 （2）輸入功率 P1與輸入轉速 n1由于受傳動元件的強度所限，目前大部分機械 無級變速器傳遞的功率比較小，一般輸入功率 P1=0.18~7.5kW,h 只有少部分結 構類型達到 P1=75～100kW,個別類型可達 150kW 以上。 6 機械無級變速器通常由電動機驅動，一般輸入轉速 n1=1500r/min 或 n1=750r/min 或小功率時增高至 n1=3000r/min。個別類型可達 n1=7000r/min。 （3）輸出轉速 n2 一般是指一個變速范圍或區(qū)段，即 n2=n2min～n 2max。此中 還分為升、降速型和降速型以及可反轉或不可反轉等。 （4）傳動比 i21 傳動比（有時也稱為減速比）與齒輪傳動相反，是采用輸出 轉速 n2與輸入轉速 n1之比來計算的，即 12ni? 在變速器中，輸出轉速可以降低到零，故能得出傳動比 i21=∞。 （5）變速比 Rb （又稱為調速比）Rb 是變速器輸出軸上最高轉速 n2max 與最低 轉速 n2min 之比值，即 min2axRb? 顯然，Rb 愈大，變速范圍就愈寬，所以，它也是變速器的一個重要性能指標。 （6）滑動率 ε 與脈動度 δ 在利用摩擦傳動的無級變速器中主、從動元件 之間存在滑動，因此導致實際輸出轉速 n2將低于名義轉速 為了判別這一特性，02n 現(xiàn)以名義輸出轉速 與實際輸出轉速 n2只差對名義輸出轉速 之比稱為滑動率02n （又稱為滑差率或轉差率），以 ε 表示，即 %1020???? 滑動率 ε 可通過測得的實際轉速 n2算出一般變化范圍為 ε=3%～10%。對于各 種不同的變速器皆有各自的要求和規(guī)定。 對于采用連桿機構傳動的脈動式無級變速器，其輸出軸的轉速是不均勻的。 為了衡量這種不均勻性或波動程度，引用了性能指標參數(shù)脈動度 δ。脈動度用 輸出角速度的變化幅度與平均輸出角速度之比值來表示，即 m2inax2????? 脈動度 δ 的大小隨所采用的連桿機構的結構而定，一般脈動度應為 δ0.1～0.3。 （7）機械效率 η 機械傳動效率 η 是輸出功率 P2輸入功率 P1之比，屬于通 用的性能指標。但是對于無級變速器給出的機械傳動效率，一般是指其最高的 效率。 綜上所述可以看出，影響機械誤解變速器性能的因素較多，故在選用時應 根據(jù)需要全面考慮。 7 1.4 機械無級變速器的研究現(xiàn)狀 國外無級變速器的發(fā)展歷史 1958 年.荷蘭達夫(OAF)公司開發(fā)出的橡膠帶 式 CVT,后經(jīng)多次改進,沃爾沃公司將該橡膠帶式 CVT 裝 于 1.4L 發(fā)動機排的 沃爾沃 343 汽車上,但存在普橡膠帶的可靠性和壽命等問題魚待解決。 直到 1987 年日本 富士重工公司、歐洲福特公司、菲亞特公司使用荷蘭 VDT(粕 nDoornesTransmissie)公司金屬帶式 CVT 才 突破了原來技術障礙而獲得飛速 發(fā)展。 第一代無級變速器(CVT)。 國內(nèi)無級變速器的發(fā)展歷史 我國一貫重視 無級變速器的開發(fā),2004 年中國汽車工業(yè)協(xié)會和中國齒輪協(xié)會就國內(nèi)自動變速 器的研發(fā) 方向達成了共識:優(yōu)先發(fā)展 AMT 和 CVT,適時發(fā)展 OCT,適當生產(chǎn) AT。 2007 年 9 月,國家發(fā)改委、財政部、商務部發(fā)布(鼓勵進口技術和產(chǎn)品目 錄》中,自動變速器被列為鼓勵 發(fā)展的重點行業(yè) ,享受進口貼息優(yōu)惠政策,解決 進口中企業(yè)融資難的問題。 2007 年 12 月.國家發(fā)改委在《產(chǎn)業(yè)結構調整指導 目錄(2007 年文本)》征求意見稿中將無級變速器等幾 種自動變速器類列為汽 車零部件關鍵技術開發(fā)制造。 我國湖南江麓容大車輛傳動有限公司年產(chǎn) 2 萬 臺國產(chǎn) CVT 總裝生產(chǎn)線已建成,正式投產(chǎn),這是國內(nèi)自主 開發(fā)的 CVT,已攻克 CVT 主要技術難關,具備了產(chǎn)業(yè)化的條件。 目前處于試生產(chǎn)階段,年底將有批量 產(chǎn)品下線, 主要用于力帆、眾泰等自主品牌經(jīng)濟型轎車。該公司定位于 8 萬元 人民幣以下經(jīng)濟型轎車市場,生產(chǎn)適合中 低端市場的高性價比產(chǎn)品。 洛陽聯(lián)合 變速器有限責任公司成立于 2007 年 5 月。該公司擁有自主知識產(chǎn)權.開發(fā)生 產(chǎn)乘用車用金屬 鋼帶式無級變速器。2002 年 1 月我國第一臺擁有自主知識產(chǎn) 權的 CVT 樣機試車成功。CVT 比例控制改善燃油經(jīng)濟性的考慮動力系統(tǒng)響應滯 后。在該算法中,修改所需的 CVT 速比的車輛速度,估計時間延遲后由于動力響 應滯后。此外,加速度映射構造來估計車輛加速油門踏板位置和 CVT 比率。使用 CVT 比例控制算法和加速度映射,車輛性能仿真執(zhí)行評估發(fā)動機性能和燃油經(jīng)濟 性。發(fā)現(xiàn)這類的燃油經(jīng)濟性可以提高約 3.6%的比例控制算法為目標。在選擇適 當?shù)臅r間延遲,燃油經(jīng)濟性之間的妥協(xié)和…加速度性能是必需的。 1.5 課題的研究內(nèi)容和要求 本設計采用的是以菱形錐輪作為中間傳動元件，通過改變錐輪的工作半徑 來實現(xiàn)輸出軸轉速連續(xù)變化的菱錐錐輪式無級變速器。本文分析了在傳動過程 8 中變速器的主動輪、菱錐、和外環(huán)的工作原理和受力關系；詳細推導了實用的 菱錐錐輪式無級變速器設計的計算公式；并針對設計所選擇的參數(shù)進行了具體 的設計計算；繪制了所計算的菱錐錐輪式無級變速器的裝配圖和主要傳動元件 的零件圖，將此變速器的結構和工藝等方面的要求表達得更為清楚。 目前，工業(yè)自動化的不斷提高和無級變速器的廣泛應用也對它提出了更高 的要求。機械式無級變速器主要特點是結構簡單，價格低廉；轉速穩(wěn)定，滑動 率?。还ぷ骺煽?，具有恒功率機械特性和較高的傳動效率；維修方便；適用于 條件惡劣的應用工況。但零部件加工及潤滑要求較高，承載能力低，抗過載及 耐沖擊性能較差，故一般適合于中小功率傳動。與齒輪變速箱調速相比，只適 用于小功率調速系統(tǒng)。摩擦式由于主要依靠摩擦而使機械效率較低；帶式和鏈 式由于制造成本和尺寸較大所以變速范圍較??；脈動式由于結構問題依然存在 速度脈動。 由于機械無級變速器自身的特點已不能完全適應各種機械的工況要求，隨 著科學技術的飛速發(fā)展，又出現(xiàn)了電力調速技術和液壓調速技術。在電力調速 技術中，由于直流調速技術的設備復雜，成本高，維護困難等不足，促使人們 尋求一種更為先進的調速方式，即交流調速技術的研發(fā)已逐步取代了直流調速 技術的使用。交流電動機雖然有很多優(yōu)點，但其最大的缺點是調速困難。 課題研究的內(nèi)容：機械菱錐式無級變速器結構的設計；無級變速器變速器 的結構設計與計算；對關鍵部件進行強度和壽命校核 設計要求：輸入功率 P=3kw，輸入轉速 n=1000r/min，調速范圍 Rb=12；結 構設計時應使制造成本盡可能低；安裝拆卸要方便；外觀要勻稱，美觀；調速 要靈活，調速過程中不能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，能實現(xiàn)動態(tài)無級調速；關鍵部件滿足 強度和壽命要求；畫零件圖和裝配圖。 9 第 2章 菱錐式無級變速器工作原理 2.1 無級變速器的工作原理 無級變速器(CVT：Continuous Variable Transmission)與有級式的主要區(qū)別 在于：它的速比不是間斷的，而是一系列連續(xù)的值，譬如可以從 3.455 一直變 化到 0.85。CVT 結構比傳統(tǒng)自動變速器簡單，體積更小，它既沒有手動變速器 的眾多齒輪副，也沒有自動變速器復雜的行星齒輪組，它主要靠主、從動輪和 金屬帶或滾輪轉盤來實現(xiàn)速比的無級變化。 其原理是與普通的變速箱一樣大小不一的幾組齒輪在操控下有分有合，形 成不同的速比，像自行車的踏板經(jīng)大小輪盤與鏈條帶動車輪以不同的速度旋轉。 由于不同的力度對各組齒輪產(chǎn)生的推力大小不一，致使變速箱輸出的轉速也隨 之變化，從而實現(xiàn)不分檔次的徐緩轉動。 CVT 采用傳動帶和可變槽寬的棘輪進行動力傳遞，即當棘輪變化槽寬肘， 相應改變驅動輪與從動輪上傳動帶的接觸半徑進行變速，傳動帶一般用橡膠帶、 金屬帶和金屬鏈等。CVT 是真正無級化了，它的優(yōu)點是重量輕，體積小，零件 少，與 AT 比較具有較高的運行效率，油耗較低。但 CVT 的缺點也是明顯的， 就是傳動帶很容易損壞，不能承受較大的載荷，只能限用于在 1 升排量左右的 低功率和低扭矩汽車，因此在自動變速器占有率約 4 以下。近年來經(jīng)過各大汽 車公司的大力研究，情況有所改善。CVT 將是自動變速箱的發(fā)展方向。 國內(nèi)目前有多款車型裝備了 CVT，如東風日產(chǎn)天籟、軒逸、奇駿等全系列 車型，一汽大眾奧迪，廣汽本田飛度，南汽菲亞特西耶那、帕力奧，奇瑞旗云 等。 CVT的工作原理 10 CVT (Continuously Variable Transmission) 即無級變速器，是能在保持發(fā)動 機的低油耗和低轉速的同時連續(xù)無級改變速比的變速器。 CVT 技術目前只能用在小排量汽車上的，而各個汽車廠商針對 CVT 都有 了不同的叫法，當然也會根據(jù)他們自己情況作出改動啦，比如本田就叫 eCVT，而日產(chǎn)日產(chǎn)則稱為 Hyper CVT。 人們平時乘車時所關心的是油耗、動力以及車的駕駛性能。但是對發(fā)動機 來說，油耗、動力、駕駛性能有其各自最佳轉數(shù)范圍。發(fā)動機的最佳運轉試范 圍是扭矩曲線的峰值部分，通常也是指發(fā)動機的高速領域。但另一方面，油耗 也是有其最佳 圍的。不知大家是否聽說過“合理油耗駕駛 “一詞。當車在高速路 上以時速 80km 行駛時并且發(fā)動機轉速保持在 2500 轉左右，半油門狀態(tài)時， 即維持了最小限度的馬力又不浪費汽油的高效率發(fā)揮，此時發(fā)動機處於最佳運 轉狀態(tài)。如果以此狀態(tài)在一般路面上行駛的油耗也能令人滿意，但是，對於裝 配了只有 4、5 檔變速器的汽車來說，這是相當困難的問題。解決此問題的最好 方式就是使用 CVT (無級變速器) 。CVT 可以在維持最佳油耗下的發(fā)動機轉速 的同時實現(xiàn)無變檔的連續(xù)變速。而且，CVT 在提高發(fā)動機的轉數(shù)達到發(fā)揮最佳 功率的 圍時，可以選擇全功率狀態(tài)下的行駛。普通車在傾斜路面上行駛，會發(fā) 生 3 檔時發(fā)動機轉數(shù)過高，4 檔時馬力不足的尷尬局面。而自動變速的車輛， 變速箱會在 3 檔 4 檔之間往返，車子的變速處於不穩(wěn)定的狀態(tài)。安裝了 CVT 的 話，在保持發(fā)動機的最佳動力領域的同時可實現(xiàn)無級變速，使駕駛者能夠真正 享受輕松駕駛的感受。 只有在提高發(fā)動機動力的情況下，才能夠實現(xiàn)全動 力的駕駛。例如在盤山路上，就會出現(xiàn)用 3 檔發(fā)動機轉數(shù)過高，用 4 檔動力不 足的現(xiàn)象。這就是使用自動變速器 (AT) 的車輛自動改變檔位而處於不穩(wěn)定的 狀態(tài)。CVT 可以在保持發(fā)動機輸出動力的整個范圍內(nèi)實現(xiàn)動力的無級傳遞，從 而實現(xiàn)順暢駕駛。 通常的自動變速器是有檔變速，通過幾個齒輪來決定變速比。CVT 是通過 改變 2 個滑輪的槽的寬度而實現(xiàn)變速比的無級次改變，從而可以按駕駛的狀況 得到最佳驅動力。通常這 2 個滑輪受到的力量非常大，通過改變 2 個滑輪的槽 的寬度，使加在滑輪上的鋼帶的輸入軸/輸出軸的各直徑間實現(xiàn)無級連續(xù)變化， 按各種狀況選擇最佳的變速比行駛，就像帶有變速器的自行車的齒輪變成無級 變速齒輪一樣。由於是無級變速，在換檔時完全沒有變速的沖擊，行駛非常平 穩(wěn)。通常的 4 檔 AT 轎車是將 4 個檔的齒輪按行駛狀態(tài)進行變速。而 CVT 是無 11 級變速，所以不會出現(xiàn)上坡時檔位在 3 檔、4 檔之間來回變化的情況。這種無 齒的變速器，實現(xiàn)了扭矩的零損失傳遞，可實現(xiàn)平穩(wěn)有力的行駛，對於汽車工 業(yè)是一個巨大的貢獻。 全電子控制提高了駕駛性能并同時降低了油耗。一般 CVT 的變速控制、油 壓控制、固定控制全部由電子控制，從而實現(xiàn)了按駕駛情況選擇速比的最佳選 擇。 由於傳統(tǒng)的 CVT 采用的是沒有增大扭矩作用的電磁離合器，在起步 時缺乏強有力的扭矩，所以起步加速性較差。CVT 采用了液壓變矩器，其增加 扭矩的作用使起步加速性能有很大的提高。液壓變矩器的超低扭力使傳統(tǒng) CVT 所不擅長的斜坡起步、倒車入庫等性能也得到了提高。 它的內(nèi)部并沒有傳統(tǒng)變速箱的齒輪傳動結構，而是以兩個可改變直徑的傳 動輪，中間套上傳動帶來傳動?；驹硎菍鲃訋啥死@在一個錐形帶輪上， 帶輪的外徑大小靠油壓大小進行無級的變化。起步時，主動帶輪直徑變?yōu)樽畲?直徑，而被動帶輪變?yōu)樽钚?，實現(xiàn)較高的傳動比。隨著車速的增加和各個傳感 器信號的變化，電腦控制系統(tǒng)來斷定控制兩個帶輪的控制油壓，最終改變帶輪 直徑的連續(xù)變化，從而在整個變速過程中達到無級變速。 而錐形帶輪之間的傳動帶，在過去的一段時間，由于材質的原因，所受的 拉力有限，所能承受的扭矩有限，只能用在摩托車式小排量車上。近些年來， 隨著材料技術、加工工藝的不斷提高，生產(chǎn)出特殊材料制造的剛制傳動帶和錐 型帶輪。徹底實現(xiàn)了大功率、大扭矩轎車的要求。 CVT 最大的特點是無級控制輸出的速比，在行駛中達到行云流水的感覺， 從而沒有了換檔的感覺。乘員感覺不到換檔沖擊，動力銜接連貫。這樣 CVT 在 行駛時增加了舒適性，加速也會比自動變速器快。 CVT 系統(tǒng)主要包括主動輪組、從動輪組、金屬帶和液壓泵等基本部件。金 屬帶由兩束金屬環(huán)和幾百個金屬片構成。主動輪組和從動輪組都由可動盤和固 定盤組成，與油缸靠近的一側帶輪可以在軸上滑動，另一側則固定?？蓜颖P與 固定盤都是錐面結構，它們的錐面形成 V 型槽來與 V 型金屬傳動帶嚙合。發(fā)動 機輸出軸輸出的動力首先傳遞到 CVT 的主動輪，然后通過 V 型傳動帶傳遞到 從動輪，最后經(jīng)減速器、差速器傳遞給車輪來驅動汽車。工作時通過主動輪與 從動輪的可動盤作軸向移動來改變主動輪、從動輪錐面與 V 型傳動帶嚙合的工 作半徑，從而改變傳動比?？蓜颖P的軸向移動量是由駕駛者根據(jù)需要通過控制 系統(tǒng)調節(jié)主動輪、從動輪液壓泵油缸壓力來實現(xiàn)的。由于主動輪和從動輪的工 12 作半徑可以實現(xiàn)連續(xù)調節(jié)，從而實現(xiàn)了無級變速。 在金屬帶式無級變速器的液壓系統(tǒng)中，從動油缸的作用是控制金屬帶的張 緊力，以保證來自發(fā)動機的動力高效、可靠的傳遞。主動油缸控制主動錐輪的 位置沿軸向移動，在主動輪組金屬帶沿 V 型槽移動，由于金屬帶的長度不變， 在從動輪組上金屬帶沿 V 型槽向相反的方向變化。金屬帶在主動輪組和從動輪 組上的回轉半徑發(fā)生變化，實現(xiàn)速比的連續(xù)變化。 汽車開始起步時，主動輪的工作半徑較小，變速器可以獲得較大的傳動比， 從而保證驅動橋能夠有足夠的扭矩來保證汽車有較高的加速度。隨著車速的增 加，主動輪的工作半徑逐漸減小，從動輪的工作半徑相應增大，CVT 的傳動比 下降，使得汽車能夠以更高的速度行駛。 2.2 菱錐無級變速器的結構特點 菱錐變速器的輸入軸與輸出軸位于同一軸線上，采用了中間體并列分流的 傳動結構，因而結構緊湊、體積小、單位體積的承載能力大。 菱錐的形狀是對稱的，兩側椎體的接觸母線 A 和 B 平行，而且相對于輸入 和輸出軸傾斜安裝。因為來菱錐與主動輪和外環(huán)的連線在變速及運轉過程中始 終與母線 A、B 垂直，所以主動輪和外環(huán)作用在菱錐上的壓緊力 1Q、 2互相抵 消，菱錐及其心軸不受彎曲力矩作用。這樣，菱錐心軸和菱錐之間的滾針軸承 幾乎沒有磨擦損失。圖 3-51 是菱錐裝在支架上的情況。 菱錐母線與水平軸線之間的交角 ?很小，通常取 ?= 07，因輸入和輸出軸 的軸承上受到的軸向力很小，僅為法向總壓緊力的 1/8,因此，傳遞大功率時軸 承負載不嚴重。 采用了兩套鋼球 V 形槽自動加壓裝置，保證了傳動件不會受到不必要的、 過大的預壓緊力，為提高傳動效率與壽命有利。由于加壓裝置的槽升角較大 （輸入側 1?= o25、輸出側 o152??），而摩擦副處所需的軸向壓緊力又較小， 因此加壓裝置的動作特別靈敏，抗沖擊能力也較強。 由于結構對稱，變速器可以正反轉。 它靠散熱片散熱降溫，并提高殼體剛性。目前，國外生產(chǎn)的中小型菱錐無 級變速器（10kW）是與電動機直接聯(lián)接的，傳動部分靠飛濺潤滑；而較大功率 者（10kW 以上）則有風扇冷卻，并用油泵進行強迫潤滑。油泵的排油端裝有高 靈敏度流量開關，當排油量下降時，它立即使主電機停止。為了適應大起動轉 13 矩和沖壓負載的條件，在電機與變速器之間裝有磁粉離合器。菱錐變速器的安 裝形式有立式和臥式兩種，可根據(jù)需要選用。 2.3 菱錐無級變速器的變速原理 ω3 P3 T3 T 3 P3 0 2 r23 r21 δ δb L H (b) (a) α β d1 d3 d 2 1 3 r23 r21 r23 r21ω1 ω3 O2 O2 O2 ω2 T3 P3 ω2 圖 2-1菱錐式無級變速器原理 圖 2-1 為一種型式的菱錐式無級變速器。輸入軸 1 的轉速為 ω 1，菱錐 2 被 壓緊在輸入與輸出軸端部的環(huán)狀空間之間，菱錐 2 的軸線與輸入軸 1 的軸線之 間的夾角為 α，菱錐 2 繞自身的軸線轉動，菱錐 2 的水平位置由位置調節(jié)機構 進行調節(jié)。設菱錐 2 與輸入軸環(huán)的接觸點到輸入軸線的距離為 0.5d1，菱錐 2 的 接觸半徑為 r21；菱錐 2 與輸出環(huán)的接觸點到輸出軸線的距離為 0.5d3，菱錐 2 的接觸半徑為 r23。由圖 12.13(b)的尺寸關系得 r21、r 23的函數(shù)式分別為 r21＝(L－b－H)tanδ，r 23＝btanδ，L、H 為結構常數(shù)，b 為自變量。設菱錐 2 作無相對滑動的相對滾動，菱錐 2 與輸入軸環(huán)之間的速度關系為 0.5d1 ω 1＝ω 2 r21，菱錐 2 與輸出環(huán)之間的速度關系為 0.5d3 ω 3＝ω 2 r23，則輸出 軸 3 的轉速 ω 3與傳動比 i13分別為 )16(])/[()/()( 3132112 ????????? dbHLdbd?? 72)/313 HLi 14 當菱錐 2 在水平方向移動（在垂直方向也產(chǎn)生附加的移動）時，輸出軸的轉速 得到調節(jié)。該種無級變速器傳遞的功率可達 37 KW，機械效率為 0.8～0.93，傳 動比在 0.8～7 之間。設 P3、T 3分別表示輸出軸 3 的功率與轉矩，則菱錐式無級 變速器的機械特征如圖 12.14 所示。 圖 2-2 為菱錐在支架上的分布；圖 2-3 示為菱錐無級變速器的兩種結構， 變速器的主要元件是主動輪 3、菱錐 4 和外環(huán) 8。菱錐一般為 3～8 個圓周方向 均布支撐在支架 11 上。鋼球 V 形槽加壓裝置 2 的加壓盤用鍵聯(lián)接在輸入軸 1 上， 而主動輪 3 則滑套在軸 1 上，輪 3 在加壓裝置的作用下以適當?shù)膲毫εc菱錐接 觸，菱錐 4 又始終與外環(huán) 8 保持接觸。外環(huán) 8 與從動輪 6 之間也是用鋼球 V 形 槽式加壓裝置聯(lián)接的。因此，動力由軸 1 輸入經(jīng)自動加壓裝置 2 傳給 3，再依 靠摩擦力的作用，經(jīng)菱錐 4、外環(huán) 8、輸出側加壓裝置 7 和從動輪 6 而傳遞到輸 出軸 5 上。 由于菱錐變速器是升、降變速型的，所以采用了兩套自動加壓裝置，各傳 動副之間的壓緊力是與負載成正比變化的，因而不會打滑。啟動時的壓緊力是 由預壓彈簧提供的。 15 圖 2-2無級變速機的兩種結構 圖 2-3無級變速機的兩種結構 調速時，滑動齒輪（螺桿）10，通過支架 11 上的齒條（螺母）使支架 11 作水平軸向移動，而菱錐 4 則在隨支架作水平移動的同時，還自動地沿菱錐心 軸作相對滑動，使菱錐兩側椎體的工作直徑發(fā)生變化，從而實現(xiàn)無級調速。圖 2-4 是輸出轉速最低和最高時，菱錐與主、從動輪的相對位置。調速是在運動 過程中進行的。 16 圖 2-4 高低速輸出軸 第 3章 菱錐無級變速器部分零件的設計與計算 要求：輸入功率 P1=3 kW； 同步轉速 n=1000r/min; 調速范圍 Rn=12（升 1.55 降 3.87）。 3.1 電動機的選擇 按工作要求和工作條件，選用一般用途的 Y100L1-4 系列籠型三相異步電動機。 表 3-1裝置的運動和動力參數(shù) 電動機型號 額定功率 /KW 滿載轉速 r/min 堵轉 轉 矩 額定 轉 矩 最大 轉 矩 額定 轉 矩 質量/Kg Y100L1-4 3 1430 2.2 2.3 34 17 3.2 變速器基本型號的確定 輸入轉速 n 1 =1430 r/min 輸出轉速 n 2 = n1×1.55~ n1×1/3.87=370~2217 r/min 變速器型號根據(jù)［2］P67 表 25.2-27 選擇型號 K2.5。 3.3 菱錐與主動輪結構尺寸的計算 菱錐個數(shù) 由［1］表 25·2-30 z=6； 菱錐心軸傾斜角 由［1］表 25·2-30 α=45°； 菱錐母線與水平線夾角 由［1］表 25·2-30 β=7°； 錐頂半角 θ=α－β=45－7=38°； 菱錐的工作高度 由［1］表 25·2-30 h=45mm； 菱錐與錐輪接觸寬度 由［1］表 25·2-30 b=2mm； 主動輪工作直徑 由［1］表 25·2-30 D1=85mm； 主動輪接觸圓弧半徑 R1=0.5 D1=42.5mm； 從動環(huán)工作直徑 由［1］表 25·2-30 D2=174.3mm； 從動環(huán)接觸圓弧半徑 ；m8.427cos5s2R1?????D 菱錐最小工作直徑 ；175/31s/d2maxin?? ?Ih? 菱錐最大工作直徑 ；4.68/.7./co4/1cos12inax ???? ?DI 菱錐長度 L=2hsinθ=55.4mm； 菱錐最小直徑 d x=hsecθcos2θ=13.8mm； 菱錐最大直徑 d s =h/cosθ=57.1mm； 菱錐孔徑 按照滾正軸承選取 φ=14mm； 菱錐母線有效工作長度 ；m9.238sin174.6si2miax?????dS 菱錐沿本身軸向移動量 ；.5i9.3in???a 菱錐與支架凸緣 C1 =5mm； 菱錐支架凸緣間距離 Ha=L+Sa +2C1=69.5mm； 18 菱錐支架水平移動總量 ；mScH8.20sin??? 圖 3-1 菱錐 3.4 輸入側加壓裝置 鼓形滾子中心圓直徑 d p1=0.7D1=59.5mm； 鼓形滾子直徑 d q1=1/7 D1=12.1 取 dq1=12； 鼓形滾子個數(shù) z 1=6； 槽升角 取 λ 1=25°；'4827sin5.904arctsinarct1 ???????pdf 圖 3-2 鼓型加壓滾子 3.5 輸出側加壓裝置 鋼球中心圓直徑 dp2=1.1D1=192mm； 鋼球直徑 dq2=1/12D1=17.4 取 dq2=16； 19 鋼球個數(shù) z2=6； 槽升角 取 λ 1=15°；'53187sin192.405.arctsinarct21 ????????pdfD 3.6 強度校核計算 接觸點曲率半徑 mde8.103cos27min1???? ；h6.545ax2?? 當量曲率半徑 De 2.87cos8.102cos1 ?????? ；m97.16.53.422 ?????? 正壓力 NdznPQp 487sin2ta.9106sinta1095 44g ????? ；zp 5.1si15ta243.05sita2min1 4d ??? ?? 接觸應力 菱錐與主動盤接觸處： ，MPabQg760.84911max ????? 菱錐與外環(huán)接觸處： ；d1532292 許用接觸應力由［1］表 25·2-22 查取[σ j]=1800,上述兩項計算結果均滿足 σ max≤ [σ j]。 3.7 輸入、輸出軸的結構設計 輸入軸： n=1500r/min,P=2.2Kw0185.731830min ??PAd ， 根據(jù)查表 15-3，選用 45 鋼，調度處理 取 0 20 輸出軸的最小直徑顯然是它裝聯(lián)軸器處軸的直徑，據(jù)此選聯(lián)軸器型號 計算轉矩 3TKAca?,查表 14-1，取 AK=1.3 T=95000010=28650N?mmcaT =37245 N?mm 由于 ca?， n ［n］,因有鍵存在，軸的尺寸需加大 3%～5%，查［6］ 表 11-4～11-14 彈性柱銷選 LX2，其孔徑取 25mm,則最小軸徑段取 25mm,公稱 轉矩和許用轉速分別為 560 N?m,6300r/min。 選長系列，L=62mm,則軸的長度取 58mm,為了壓在聯(lián)軸器上，查［5］表 9- 4，b=8, h=7,L=30,公差為 h8。 輸出軸的設計和輸入軸基本相似。 圖 3-3 輸入軸 圖 3-4 輸出軸 3.8 輸入、輸出軸上軸承的選用 輸入軸上根據(jù)尺寸結構和受力情況選用深溝球軸承 6008 及 6009； 輸出軸上根據(jù)尺寸結構和受力情況選用深溝球軸承6008，無內(nèi)圈單列滾針軸承 21 NK19/16。 第 4章 主要零件的校核 4.1 輸出、輸入軸的校核 選輸出軸做校核。 輸出軸的載荷分析圖如下圖 22 圖 4-1 軸的校核分析圖 根據(jù)軸的危險截面，計算出截面處的 MH,MV及 M 的值如下表 4.1 表 4.1截面力矩表 載荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F FNH1=2046N , FNH2=752N FNV1=1587N , FNV2=292N 彎矩 M MH1=7180.2N.mm MH2=18800N.mm MV1=3550N.mm MV2=9806.95N.mm 總彎矩 M1 = 8093578022?? N.mm M2= 7.196 N.mm 扭矩 T T3=28650N.mm 彎矩扭合成應力校核軸端強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面 D） 的強度。軸的計算應力按公式 ??223caTW???? 計算。 取 ?=0.6，????3222321 51.08689????WTMca? =12.6MPa 前已經(jīng)選定軸的材料為 45 鋼，調制處理，由表查得 1[]60MPa???。 所以 ca?1[]?? ，故安全。 23 4.2 軸承的校核 按手冊選擇 C=4900N 的軸承 應此軸承的基本額定靜載荷 0C=4000N。驗算如下： 求相對軸向載荷對應的 e 值與 Y 值。相對軸向載荷 07.4280?CFa ，在表中 介于 0.07～0.13 之間，相對應的 e 值為 0.27～0.31，Y 為 1.6～1.4。 用線性插值法求 Y 值。 Y=1.4+ ???07.134.6?? =1.6 X=0.56，Y=1.6 求當量動載荷 0P= ??82706.145.2??? 驗算軸承的壽命： hCnL6928274106136 ?????????????? 符合標準合格。 第 5章 菱錐無級變速器的三維建模 5.1 箱體的三維建模步驟 1.選擇（插入/設計特征/拉伸）命令，輸入?yún)?shù)，單擊確定按鈕生成如下： 24 圖 5-1 2.經(jīng)過一系列插入和拉伸，布爾運算，最后進行打孔，邊倒圓，鏡像后完成如 下： 圖 5-2 5.2 零件圖的三維建模 5.2.1 輸出軸的建模設計 1.進入 UG10.0 軟件，創(chuàng)建一個文件夾，文件名為“zhou”單位選擇“毫米” 25 圖 5-3 2.選擇（插入/設計特征/回轉）命令，輸入?yún)?shù)，單擊確定按鈕，生成實體如 下： 圖 5-3 5.2.2 其他典型零部件如下： 圖 5-4從動環(huán) 26 圖 5-5菱錐 圖 5-6輸入軸 圖 5-7角接觸軸承 27 圖 5-8端蓋 5.3 裝配技術 （1）UG 裝配模塊不僅能快速組合零部件成為產(chǎn)品，而且在裝配中，可參照 其它部件進行部件關聯(lián)設計，并可對裝配模型進行間隙分析、重量管理等操作。 裝配模型生成后，可建立爆炸視圖，可將其引入到裝配工程圖中；能對軸測圖 進行局部挖切。 圖 5-9裝配圖 28 5.3.1爆炸圖 圖 5-8爆炸圖 29 總 結 菱錐無級變速具有變速范圍寬、輸出轉速低、容量大和功率恒定等一系列 優(yōu)點，因而目前世界上各先進工業(yè)國均對其進行了系列化生產(chǎn)，并獲得了廣泛 的應用。菱錐無級變速器的輸入軸與輸出軸位于同一軸線上，采用了中間體并 列分流的傳動結構，因而結構緊湊、體積小、單位體積的承載能力大。菱錐無 級變速器采用了兩套自動加壓裝置，各傳動副之間的壓緊力是與負載成正比變 化的，因而不會打滑。啟動時的壓緊力是由預壓彈簧提供的。菱錐的形狀是對 稱的，兩側錐體的接觸母線平行，而且相對于輸入和輸出軸傾斜安裝。因為菱 錐與主動輪和外環(huán)接觸點的連線在變速及運轉過程中始終與母線垂直，所以主 動輪和外環(huán)作用在菱錐上的壓緊力互相抵消，菱錐及其心軸不受彎曲力矩作用， 這樣，菱錐心軸和菱錐之間的滾針軸承幾乎沒有摩擦損失。 畢業(yè)設計是我大學的最后一次作業(yè)，它既能讓我將大學所學的知識進行一 次全面的鞏固，又能讓我在進入社會工作之前增長一次設計，畢業(yè)設計是我對 所學知識理論的檢驗與總結，能夠培養(yǎng)和提高設計者獨立分析和解決問題的能 力。 30 參考文獻 [1] 周有強主編.機械無級變速器[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.1-65. 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