机械无级变速机构.docx
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机械无级变速机构
12机械无级变速机构
12.1概述
无级变速传动是一种输出转速在一定范围内可以调节的独立工作单元,无级变速传动分为电力无级变速传动、液力无级变速传动和机械无级变速传动。
电力无级变速的原理是改变电机的磁通、
电压、电流或频率;液力无级变速传动的原理是改变液体的体积或液流的路径;机械无级变速传动的原理是改变某一构件的位置或尺寸。
从传动原理上划分,机械无级变速传动分为牵引力(摩擦力)式与机构传动式。
从结构上划分,机械无级变速传动分为定轴无中间滚动体式,中间滚动体定轴式和行星运动中间滚动体式。
本书仅介绍机械无级变速传动的类型、工作原理、传动特性与应用。
在某些生产工艺中,采用机械无级变速传动有利于简化传动的结构,提高生产率与产品质量,节约能源,便于实现自动控制。
12.2定轴无中间滚动体式机械无级变速传动
12.2.1正交轴无级传动
图12.1为
定轴无中间滚动体式机械无级变速传动是结构相对简单的一种牵引力式无级变器。
2装于输入轴1上,输入轴1
2在水平方向由调速机构改变位
置(如螺旋机构)
。
设输入轴1的转速为ω1,输出轴3的转速为
ω3,滚轮2的位置为R3,滚轮2的
图12.1移动滚轮平盘式无级变速器
1主动时,圆盘3获得的转矩T3=N23fR3,
种正交轴结构的移动滚轮平盘式无级变速器,通过滑键或花键将滚轮向下压滚轮2,滚轮2与输出轴3上的圆盘之间产生摩擦力,滚轮直径为d2,滚轮2与圆盘3之间无相对滑动时,输出轴3的转速ω3与传动比i13分别为
30.5d21/R3 (121)
i131/3R3/(0.5d2) (122)
当R3在一定范围内变化时,输出轴的转速得到调节,ω3与R3成反比关系。
当轴1主动时,设滚轮2与圆盘3之间的正压力为N23,两者之间的摩擦系数为f,摩擦力F23=N23f,则圆盘3获得的功率P3=N23fR3ω3=N23fR3(0.5d2ω1)/R3=0.5N23fd2ω1,不论R3如何变化,即滚轮2在任何位置,其输出的功率P3不变,称为恒功率型无级传动。
当轴
T3与R3成正比。
当圆盘3主动时,轴1获得的功率P1=N23f(0.5d2ω1)=N23f(0.5d2)R3/(0.5d2)ω3=N23fR3ω3,P1与R3、ω3成正比。
当圆盘3主动时,轴1获得的转矩T1=0.5d2N23f,不论R3如何变化,即滚轮2在任何位置,轴1所得到的转矩T1不变,称为恒转矩型无级传动。
该种无级变速器传递的功率可达4KW,机械效率在0.8~0.85之间,传动比在0.2~2.0之间。
图12.2为一种相交轴锥盘环锥式无级变速器。
锥盘2的半锥角为θ,通过滑键或花键将锥盘2
装于输入轴1上,输入轴1向下压锥盘2,锥盘2与输出轴3上的内圆环端面之间产生摩擦力,促
使输出轴3转动。
锥盘2在其轴线方向由调速机构改变位置(如螺旋机构),设位置的改变量为S,同时,输入轴1在垂直于自身轴线的方向上也产生附加的径向位移a,aStan。
当输入轴1的转速为ω1,锥盘2的初始接触半径为R2,对应于位置改变量S后的接触半径R2tR2Stan,锥盘2与输出轴3上的内圆环端面之间无相对滑动时,输出轴
3(R2Stan)1/R3
3的转速ω3与传动比i13分别为 (123)
(124)
图12.2锥盘环锥式无级变速器
T3P3
R3
ω3
图12.3锥盘环锥式无级变速器的机械特征
i131/3R3/(R2Stan)
图12.4光轴斜盘式无级变速器
当S在一定范围内变化时,输出轴的转速得到调节。
该种无级变速器传递的功率可达11KW,机械效率在0.5~0.92之间,传动比在0.25~1.15之间。
设P3、T3分别表示输出轴3的功率与转矩,则锥盘环锥式无级变速器的机械特征如图12.3所示。
12.2.3光轴斜盘式无级传动
图12.4为一种光轴斜盘式无级变速器。
它将输入转动转化为输出的往复移动。
光轴1只单向转动不沿轴向移动,三个轴承的内圆环以倾角为β压紧在光轴上,三个轴承的外圆环通过构件2连接在一起,当光轴1转动时,三个轴承带动构件2以及框架3沿一个方向移动,当移动一段距离时,三个轴承的倾角被改变为反方向的(换向装置未示出),于是框架3沿相反方向移动,如此反复,输出构件便作往复移动。
当三个轴承的倾角为β时,输出构件的移动速度V2为
V2πd1n1tan/60000 (m/s) (125)式中d1为光轴1的直径,单位为mm,n1为光轴1的转速,单位为r/min。
当β被调节时,输出构件的移动速度得到调节。
该种无级变速器主要用于电缆机械中。
12.3定轴有中间滚动体式无级变速传动
12.3.1滚锥平盘式无级传动
图12.5为一种型式的滚锥平盘式无级变速器。
输入轴1的转速为ω1,滚锥2被压紧在输入与输出轴端部的平盘之间,滚锥2作定轴转动,滚锥2的位置由调节机构实现。
设滚轮2与输入端盘的
接触点到输入轴的距离为R1,滚轮2与输入端盘的接触半径ra;滚轮2与输出端盘的接触点到输出
轴的距离为R3,滚轮2与输出端盘的接触半径的转速ω3与传动比i13分别为
3(rbR1)1/(raR3)
i131/3raR3/(rbR1)
图12.5滚锥平盘式无级变速器
rb,滚轮2与两个端盘之间无相对滑动,则输出轴3
(126)
(127)
图12.6滚锥平盘式无级变速器的机械特征
当滚轮2在一定范围内变化时,输出轴的转速得到调节。
该种无级变速器传递的功率可达3KW,机械效率在0.77~0.92范围,传动比在0.17~1.46之间。
设P3、T3分别表示输出轴3的功率与转矩,则滚锥平盘式无级变速器的机械特征如图12.6所示。
12.3.2
图12.7为一种型式的钢球平盘式无级变速器。
出轴端部的平盘之间,钢球2相对于自身的机架置。
设钢球2与输入盘的接触点到输入轴的距离为
输入轴1的转速为ω1,钢球2被压紧在输入与输
4作定轴转动,钢球2由位置调节机构改变水平位
R1,钢球2与输出盘的接触点到输出轴的距离为
钢球平盘式无级传动
R3,输入与输出轴之间的中心距为a,a=R1+R3,a为定值,钢球2与圆盘之间无相对滑动,则输
出轴3的转速
ω3与传动比i13分别为
3R1
1/R3 R11/(aR1)
(128)
(129)
i13
1/3R3/R1(aR1)/R1
图12.7钢球平盘式无级变速器
图12.8钢球平盘式无级变速器的机械特征
当钢球2在一定范围内变化时,输出轴的转速得到调节。
该种无级变速器传递的功率可达3KW,机械效率小于0.8,传动比在0.05~1.5之间。
设P3、T3分别表示输出轴3的功率与转矩,则钢球平盘式无级变速器的机械特征如图12.8所示。
图12.9(a)、(b)为一种型式的钢环分离锥盘式无级变速器在不同传动比时的结构简图。
输入轴1的转速为ω1,钢环2被涨紧在输入与输出轴上的V型槽之间,V型槽的夹角为2α,钢环可以是整体式的,也可以是一节一节装配式的。
设钢环2与输入锥盘的初始接触点到输入轴的距离为R10,钢环2与输出锥盘的初始接触点到输出轴的距离为R30,如图12.9(a)所示。
当输入锥盘向外张开一段距
离?
b时,如图12.9(c)所示,R10减小到R10-?
b/tanα;与此过程相对应,输出锥盘向内缩小?
b的距离,R30增大到R30+?
b/tanα,如图12.9(d)所示。
设钢环2与两个锥盘之间无相对滑动,则输出轴3的转速ω3与传动比i13分别为
ω1
钢环
1
R10
R30
T3P3
3
2
b?
R30+?
b/tanα
(d)
T3P3
3
ω3
ω1
(a)
T3P3
钢环
1
2
(b)
R10-?
b/tan
R30+?
b/tanα
图12.9
钢环分离锥盘式无级变速器
12.10
i13
(R10b/tan)1/(R30
b/tan)
(12
10)
1/3(R30b/tan)/(R10b/tan
(12
11)
当?
b在一定范围内变化时,输出轴的转速得到调节。
图12.10所
该种无级变速器传递的功率可达10KW,机械效率在0.75~0.9之间,传动比在0.31~3.2之间。
设P3、T3分别表示输出轴3的功率与转矩,则钢环分离锥盘式无级变速器的机械特征如示。
该种型式的无级变速器在汽车变速箱中得到广泛应用[19]。
12.3.4弧锥环盘式无级传动
图12.11为一种型式的弧锥环盘式无级变速器。
输入轴1的转速为ω1,环盘2被压紧在输入与输出轴的弧锥上,环盘2的圆弧半径为R,两段圆弧的中点A、B关于圆心O的张角为2θ,环盘2关于转动中心O的偏转角为δ,两弧锥1、3与环盘2的接触点A、B所对应的节径分别为d1t、d2t,
设环盘2与两弧锥1、
3之间无相对滑动,由
图12.11得R、
θ、δ、d1t、d2t以及两环盘的中心距
a之
间的几何关系为
0.5d1tRsin
sinRcoscos
0.5a
(12
12)
0.5d3tRsin
sinRcoscos
0.5a
(12
13)
于是,输出转速
ω3与传动比i13分别为
3[0.5a
Rcos()]/[0.5a
Rcos(
)]1
(12
14)
i131/3d3t/d1t[0.5aRcos(
)]/[0.5aRcos()]
(1215)
a
δ0
B
ω3
1
ω1
2
3
β
O
Rθδ
A2
图12.11弧锥环盘式无级变速器
图12.12弧锥环盘式无级变速器的机械特征
当δ在[-δ0,δ0]之间变化时,输出轴的转速得到调节。
该种无级变速器传递的功率可达10KW,机械效率在0.90~0.95之间,传动比在0.22~2.2之间。
设P3、T3分别表示输出轴3的功率与转矩,则弧锥环盘式无级变速器的机械特征如图12.12所示。
12.3.5菱锥式无级传动
图12.13(a)为一种型式的菱锥式无级变速器。
输入轴1的转速为ω1,菱锥2被压紧在输入与输出轴端部的环状空间之间,菱锥2的轴线与输入轴1的轴线之间的夹角为α,菱锥2绕自身的轴线转动,菱锥2的水平位置由位置调节机构进行调节。
设菱锥2与输入轴环的接触点到输入轴线的距
离为0.5d1,菱锥2的接触半径为r21;菱锥2与输出环的接触点到输出轴线的距离为0.5d3,菱锥2
的接触半径为r23。
由图12.13(b)的尺寸关系得r21、r23的函数式分别为r21=(L-b-H)tanδ,r23=btanδ,L、H为结构常数,b为自变量。
设菱锥2作无相对滑动的相对滚动,菱锥2与输入轴环之间的速度关系为0.5d1ω1=ω2r21,菱锥2与输出环之间的速度关系为0.5d3ω3=ω2r23,则输出轴3的转速ω3与传动比i13分别为
O2
2
3
2
ω3
O2
ω1
d
ω2
T3P3
d1
(a)
(1216)
(r23d1)1/(r21d3)bd11/[(LHb)d3]
i131/3(LHb)d3/(bd1) (1217)
当菱锥2在水平方向移动(在垂直方向也产生附加的移动)时,输出轴的转速得到调节。
该种无级变速器传递的功率可达37KW,机械效率为0.8~0.93,传动比在0.8~7之间。
设P3、T3分别表示输出轴3的功率与转矩,则菱锥式无级变速器的机械特征如图12.14所示。
12.3.6钢球外锥轮式无级传动
图12.15为一种型式的钢球外锥轮式无级变速器。
输入轴1的转速为ω1,直径为d2的钢球2被
压紧在输入与输出轴的锥面上,接触点分别为A1、A3,两个锥面的顶角都为2β,钢球2的转动轴线
与输入、输出轴线成α角,α的大小由位置调节机构调节,α为调速的自变量。
设输入锥与钢球2的接触点A1到输入轴线的距离为0.5d1,钢球2的接触半径为r21,r21垂直于自身的转动轴线;输出
锥与钢球2的接触点A3到输出轴线的距离为0.5d3,d3=d1,钢球2的接触半径为r23,r23垂直于自身的转动轴线。
由图12.15得r21=0.5d2cos(β+α),r23=0.5d2cos(β-α),设钢球2作无相对滑动的纯滚动,输入锥与钢球2之间的速度关系为0.5d1ω1=ω2r21=0.5ω2d2cos(β+α),输出锥与钢球2之间
的速度关系为0.5d3ω3=ω2r23=0.5ω2d2cos(β-α),则输出轴3的转速ω3与传动比i13分别为
(d1r23)1/(d3r21)d11cos(
) /[d3cos() ]
(12
18)
)/[d1cos() ]
(1219)
i131/3r21d3/(r23d1)d3cos(
2
ω2
d2
O2
r23
21
1
β
A3
d3
a
ω
ω3
r23
21
2β
d1
β+α
d2O'2
3T3P3
β
A1
图12.15钢球外锥轮式无级变速器
图12.16钢球外锥轮式无级变速器的机械特征
当钢球2改变轴线的角度时,输出轴的转速得到调节。
该种无级变速器传递的功率可达11KW,机械效率为0.8~0.9,传动比在0.3~3之间。
设P3、T3分别表示输出轴3的功率与转矩,则钢球外锥轮式无级变速器的机械特征如图12.16所示。
12.4行星式无级变速传动
行星式牵引无级变速器利用光滑行星轮与内、外中心轮之间的牵引力来实现运动与动力的传递,通过改变行星轮或内、外中心轮的工作半径来实现无级变速传动。
12.4.1转臂输出式无级传动
转臂输出式无级变速器如图12.17(a)所示。
输入轴1的角速度为ω1,光滑行星锥轮2以倾斜β角安装在行星架(转臂)H上,行星锥轮2的外侧与内锥轮3相互压紧,内锥轮3的轴向位置可调但不转动,行星锥轮2的内侧与转动的外锥轮1相互压紧。
设行星锥轮2相对于转臂H的角速度为
ω2H,相对于内锥轮3的角速度ω2,相对于外锥轮1的角速度ω21;转臂H的角速度为ωH,外锥轮1相对于转臂H的角速度为ω1H。
由于角速度矢量ω1、ω2、ωH,ω21;ω2H与ω1H存在ω1=ωH+ω1H,ω2=ωH+ω2H,ω2H=ω2-ωH=ω21+ω1H的关系,所以,它们构成的速度图形如图12.17(b)所示。
当
外锥轮1为主动件、转臂H为从动件时,由图12.17(b)得以下速度关系。
对△OAB应用正弦定理得
2HH
sin[π
(2)]sin2对△OBC应用正弦定理得
1H2H sin1sin
(1)
(1220)
(a)
21)
(b)
图12.17转臂输出式无级变速器与运动分析简图
结合图12.17(b)化简式(12-20)得
2H
sin
(2)ODsin(2
)
R3
H
sin2ODsin
2
rw
2(1
R3)H )H rw
(12
22)
结合图12.17(b)化简式(12-21)得
1H
sin1OEsin
1
rn
2H
sin
(1)OEsin(
1)
R1
1H
R1(2H)
(12
23)
由式(12-22)、
式(12-23)得输入轴1、
输出转臂
1
i1H
H
rnR3rwR1
rwR1
H之间的传动比i1H为
(1224)
当改变内锥轮3的轴向位置时,转臂的转速得到调节。
该种无级变速器传递的功率可达15KW,
机械效率为0.6~0.8,传动比在4~16之间。
设PH、TH分别表示转臂H的功率与转矩,则转臂输出式无级变速器的机械特征如图12.18所示。
12.4.2转臂输出式封闭行星锥轮无级传动
转臂输出式封闭行星锥轮无级变速器如图12.19(a)所示。
输入轴1的角速度为ω1,光滑锥轮2
以倾斜β角安装在机架5上,内侧与主动中心轮1压紧,外侧与转动中心轮3压紧;光滑行星锥轮4以倾斜β角安装在行星架(转臂)H上,内侧与主动中心轮1'压紧,外侧与转动中心轮3压紧,中心轮3的轴向位置可以调节,以达到调速的目的。
设定轴转动的光滑锥轮2的角速度为ω2、中心轮3的角速度为ω3,由图12.19(a)得它们之间的运动关系分别为
2R11/r21 (1225)
R1r23
(1226)
3
1
S3
3
2
R1
β
2'
5
ω3
R3
ωH3
A
B
r43
ω41
R3
α2
α1
R1
ω1
H
O
β-α1
4D
r413
ω4H
δE
ω1-ω3
ω43
ω1H
C
(a)(b)
图12.19转臂输出式封闭行星锥轮无级变速器与运动分析简图
当外锥轮1′为主动件、转臂H为从动件时,设行星锥轮4相对于转臂H的角速度为ω4H,相对
于内锥轮3的角速度ω43,相对于外锥轮1′的角速度ω41;设转臂H的角速度为ωH,转臂H相对于内锥轮3的角速度为ωH3;输入轴1相对于内锥轮3的角速度为ω13,相对于转臂H的角速度为ω1H。
由于角速度矢量
ω1、ω3、ω4、ωH、ω13、ω1H、ω4H与ωH3存在ω4H=ω41+ω1H,
ω43=ω4H+ωH3,ω43
=ω41+ω13的关系,所以,它们构成的速度图形如图12.19(b)所示。
对△OAB应用正弦定理得
H34H4H sin2sin[π
(2)]sin
(2)
对△OBC应用正弦定理得
1H4H sin1sin
(1)
对△OAC应用正弦定理得
1343 sin(12)sin
(1)
(1227)
(1228)
(1229)
结合图12.19(a)与式(12-26)、式(12-27)~式(12-29)得传动比i1H为
H3sin2
4Hsin
(2)
1H
4H
sin1
sin
(1)
ODsin2r43
ODsin
(2)R3
OEsin1r41
OEsin
(1)R1
1
Hr41
R3
H
3R1
r43
r41
R3(H
H
r43
1
H
HR1
r41
R3
1
H
H
R1
r43
(1
r41)
R1
R3
1)
i1H
1(1
r41
R3r23
3)/(123
r41)
)
H
R1
r43r21
r43
1R1
r43
R3r41r21
r43
r23
41
341/(21
41)
H
R1
r43
r21
r43
)1
r43
(1
i1H
当改变内环3的轴向位置时,转臂的转速得到调节。
该种无级变速器传递的功率可达械效率约为0.6。
(1230)
4KW,机
12.4.3内锥轮输出式行星无级传动
内锥轮输出式无级变速器如图12.20(a)所示。
输入轴1(外锥轮1)的转速为ω1,行星锥轮2以倾角α安装在行星架(转臂)H上,行星锥轮2的上侧与轴向位置可调但不转动的内锥轮3相互压
紧、行星锥轮2的左侧与输出内锥轮4相互压紧,行星锥轮2的下侧与转动的外锥轮1相互压紧。
3
A
R3
ωH
r12
G
G′
ω1
E′
S3
(b)
(a)
R1
1
THPH
图12.20内锥轮输出式无级变速器与运动分析简图
R
4
δα
O
F
ω4
1
B
ωH
C
ω1H
D
ω2
α
ω2H
α-β
当外锥轮1为主动件、内锥轮4为从动件时,设行星锥轮2相对于不转动内锥轮3的角速度为ω2,行星锥轮2相对于转臂H的角速度为ω2H,相对于内锥轮4的角速度ω24,相对于外锥轮1的角速度ω21;设转臂H的角速度为ωH;外锥轮1相对于转臂H的角速度为ω1H;输出内锥轮4的角速度为ω4。
由于角速度矢量ω1、ω2、ω4、ωH、ω21、ω1H、ω24与ω2H存在ω2=ω24+ω4=ω2H+ωH=ω21+ω1与ω2H=ω21+ω1H的关系,所以,它们构成的速度图形如图12.20(b)所示。
对△OCD应用正弦定理
sin()sin
(1231)
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