菱锥式无级变速器设计.docx

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菱锥式无级变速器设计

摩擦式机械无级变速器结构设计

摘要:

机械无级变速器是一种能适应工艺要求多变、工艺流程机械化和自动化发展以及改善机械工作性能的一种通用传动装置。

本文简要介绍了菱锥式机械无级变速器的基本结构、设计计算的方法、材质及润滑等方面的知识，并以此作为本次无级变速器设计的理论基础。

本设计采用的是以菱形锥轮作为中间传动元件，通过改变锥轮的工作半径来实现输出轴转速连续变化的菱锥锥轮式无级变速器。

本文分析了在传动过程中变速器的主动轮、菱锥、和外环的工作原理和受力关系；详细推导了实用的菱锥锥轮式无级变速器设计的计算公式；并针对设计所选择的参数进行了具体的设计计算；绘制了所计算的菱锥锥轮式无级变速器的装配图和主要传动元件的零件图，将此变速器的结构和工艺等方面的要求表达得更为清楚。

由于机械无级变速器绝大多数是依靠摩擦传递动力，故承受过载和冲击的能力差，且不能满足严格的传动比要求。

这种无级变速器有良好的结构和性能优势，具有很强的实用价值，完全可以作为批量生产的无级变速器。

其主要特点是：

1.变速范围较宽；2.恒功率特性好；3.可以升、降速，正、反转。

4.运转平稳，抗冲击能力较强；5.输出功率较大；6.使用寿命长；7.调速简单，工作可靠；8.容易维修。

关键词：

机械无级变速器；摩擦式；菱锥锥轮式

Frictionmechanicalstructuredesign

Abstract:

Themechanicalvariablespeeddrivesisageneralpurposegearingwhichcanaccommodatethevariablerequirementsoftheprocessplanning,mechanizationofthescheduledrawing,thedevelopmentofautomationandtheimprovementofthemechanicalworkingcapabilities.Thearticlebrieflyintroducethebasicstructure,thewayofdesignandcalculation,materialandlubricateofthepyramidtypevariablespeeddrives,andtakingthemasthetheorybasisofthedesignofmechanicalvariablespeeddrives.

Thisdesignusesthepyramidwheelasthemiddletransmissioncomponent,bychangingits’workingradiustorealizethecontinuouschangeoftheoutputaxis.Thisarticleanalyzestheworkingtheoryandtheworkingforcesofthedrivewheel,pyramidwheelandouterringduringthetransmissionprocess.Italsodeducesthepracticalcalculationformulaofthepyramidwheeltypevariablespeeddrives,italsogoesonthematerialcalculationaimattheselectionparameter.Itprotractstheassemble-drawingofthepyramidwheeltypevariablespeeddrivesandtheaccessory-drawingofthemostlydrivecomponent.Soitcanexpressmoreclearlyofthestructureandprocessplanningofthevariablespeeddrives.SincethevastmajorityofmechanicaltransmissionrelyonmechanicalfrictionCVTtotransmitpower,soitisofpoorqualitytowithstandtheimpactofoverload,andcannotfullfilthefootstricttransmissionratio.

Thevariablespeeddriveshasgoodstructureandproperties,anditcanuseasbatchproduction.Themostspecialties:

1widerangeofvariablespeed;2theconstantoutputpower;3itcanrotatepositivelyandversedly;4stableaccuracyofspeed;5highoutputpower;6longlife;7simplyandprecisecontrolofspeed;8easymaintain.

KeyWords:

mechanicalvariablespeeddrives,frictiontype,pyramidtype

第一章概论

1.1无级变速器的特征和应用

机械无级变速器是一种传动装置，其功能特征主要是：

在输入转速不变的情况下，能实现输出轴的转速在一定范围内连续变化，以满足及其或生产系统在运转过程中各种不同工况的要求；其结构特征主要是：

需由变速传动机构、调速机构以及加压装置或输出机构三部分组成。

机械无级变速器的适用范围广，有在驱动功率固定的情况下，因工作阻力变化而需要调节转速以产生相应驱动力矩者（如化工行业中的搅拌机械，即要求随着搅拌物料的粘度、阻力增大而能相应的减慢搅拌速度）；有根据工况要求需要调节速度者（如起重运输机械要求随物料及运行去区段的变化而能相应改变提升或运行速度，食品机械中的烤干机或制药机械要求随着温度变化而调节转移速度）；有为获得恒定的工作速度或张力而需要调节速度者（如端面切削机床加工时需保持恒定的切削线速度，电工机械中的绕线机需保持恒定的卷绕速度，纺织机械中的浆纱机及轻工机械中的薄膜机皆需要调节转速以保持有恒定的张力等）；有为适应整个系统中各种工况、工位、工序或单元的不同要求而需协调运转速度以及需要配合自动控制者（如各种各样半自动的生产、操作或装配流水线）；有为探求获得最佳效果而需变换速度者（如试验机械或离心机需调速以获得最佳效果）；有为节约能源而需进行调速者（如风机、水泵等）；此外，还有按各种规律的或不规律的变化要求而进行速度调节以及实现自动或程序控制等。

综上所述，可以看出采用无级变速器，尤其是配合减速传动是进一步扩大其变速范围与输出转矩，能更好地适应各种机械的工况要求，使之效能最佳，在提高产品的产量与质量，适应产品变换需要节约能源实现整个系统的机械化、自动化等各个方面皆具有显著的效果。

故无级变速器目前已成为一种基本的通用传动型式，应用于纺织、轻工、食品、包装、化工、机床、电工、起重运输、矿山冶金、工程、农业、国防、及试验等各类机械，已开发有各种类型并已系列化生产。

1.2无级变速器类型

为实现无级变速，按传动方式可采用液体传动、电力传动和机械传动三种方式。

液体传动

　　液体传动分为两类：

一类是液压式，主要是由泵和马达组成或者由阀和泵组成的变速传动装置，适用于中小功率传动。

另一类为液力式，采用液力耦合器或液力矩进行变速传动，适用于大功率（几百至几千千瓦）。

液体传动的主要特点是：

调速范围大，可吸收冲击和防止过载，传动效率较高，寿命长，易于实现自动化：

制造精度要求高，价格较贵，输出特性为恒转矩，滑动率较大，运转时容易发生漏油。

电力传动

电力传动基本上分为三类：

一类是电磁滑动式，它是在异步电动机中安装一电磁滑差离合器，通过改变其励磁电流来调速，这属于一种较为落后的调速方式。

其特点结构简单，成本低，操作维护方便：

滑动最大，效率低，发热严重，不适合长期负载运转，故一般只用于小功率传动。

二类是直流电动机式，通过改变磁通或改变电枢电压实现调速。

其特点是调速范围大，精度也较高，但设备复杂，成本高，维护困难，一般用于中等功率范围（几十至几百千瓦），现已逐步被交流电动机式替代。

三类是交流电动机式，通过变极、调压和变频进行调速。

实际应用最多者为变频调速，即采用一变幅器获得变幅电源，然后驱动电动机变速。

其特点是调速性能好、范围大、效率较高，可自动控制，体积小，适用功率范围宽：

机械特性在降速段位恒转矩，低速时效率低且运转不够平稳，价格较高，维修需专业人员。

近年来，变频器作为一种先进、优良的变速装置迅速发展，对机械无级变速器产生了一定的冲击。

机械传动

机械无级变速器与液力无级变速器和电力无级变速器相比，结构简单，维护方便，价格低廉，传动效率较高，实用性强，传动平稳性好，工作可靠。

特别是某些机械无级变速器在很大范围内具有恒功率的机械特性（这是电力和液压无级调速装置所难达到的）。

因此，可以实现能适应变工况工作，简化传动方案，节约能源和减少污染等要求，但不能从零开始变速。

机械式无级变速器按传动原理一般可分为：

摩擦式、带式、链式和脉动式四大类,约30种类型。

1．摩擦式

摩擦式无级变速器是指利用主、从动刚性元件（或通过中间元件）在接触处产生的摩擦力和润滑油膜牵引力进行传动，并可通过改变其接触处的工作半径进行无级变速的一种变速器。

摩擦式无级变速器由三部分组成:

传递运动和动力的摩擦变速传动机构;保证产生摩擦力所需的加压装置;实现变速的调速机构。

它具有各种不同的结构类型，一般可分为：

直接传动式，即主、从动摩擦元件直接接触传动；

中间元件式，即主、从动元件通过中间元件进行传动；

行星传动式，即中间元件作行星运动的传动机构。

目前，国内应用较广或已形成系列进行生产的主要有:

锥盘环盘式、多盘式、转环直动式、钢球锥轮式、菱锥式、行星锥盘和行星环锥无级变速器等。

2．链传动式

链式无级变速器是一种利用链轮和钢质挠性链条作为传动元件来传递运动和动力的机械变速装置。

它属于开发较早、应用较多的一种通用型变速器。

链式无级变速器由链轮和链条构成的传动机构、调速机构和链条张紧加压机构三部分组成。

它是通过主、从动链轮的两对锥盘的轴向移动实现调速的。

按链条结构形式可分为以下几类:

滑片链无级变速器、滚柱链无级变速器、套环链无级变速器、摆销链无级变速器等几种。

前两种变速器发展比较成熟，应用广泛，后两种变速器体现了链式无级变速器的发展方向。

3．带传动式

它与链式变速器相似，其变速传动机构是由作为主、从动带轮的两对锥盘及张紧在其上的传动带组成。

其工作原理是利用传动带左右两侧面与锥盘接触所产生的摩擦力进行传动，并通过改变两锥盘的轴向距离以调整它们与传动带的接触位置和工作半径，从而实现无级变速。

它由于具有结构简单，工作平稳等优点，在机械无级变速器中可以说是应用最广的一种。

带式无级变速器根据传动带的形状不同，可分为平带无级变速器和V带无级变速器两种类型。

带式无级变速器结构简单、承载能力强、变速范围大、制造容易、工作平稳、易损件少、能吸收振动、噪声低、节能环保、带的更换方便，尤其是它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。

因而是机械无级变速器中广泛应用的一种；其缺点是外形尺寸较大而变速范围较小。

4．脉动式

脉动式无级变速器主要由传动机构、输出机构（超越离合器）和调速机构三个基本部分组成的低副机构，故具有以下特点：

传动可靠、寿命长、变速范围大、调速精度高、最低输出转速可为零、调速性能稳定、静止和运动时均可调速、结构较简单、制造较容易。

但它存在着有待进一步解决的问题，例如：

调速范围在扩大之后，在结构和使用上如何实现增速变速传动和采用复合式超越离合器；高速输出时不平衡惯性力所引起的振动增大，如何避免共振现象；低速输出时脉动不均匀性显著增加，如何提高单向超越离合器的承载能力和抗冲击能力等。

国际上，在机械式脉动无级变速器领域，目前以德国、美国和日本的技术水平较高，其成熟技术以德国的GUSA型及美国的ZERO-MAX型系列产品为代表。

就目前来说，鉴于结构性能上的局限性，现有脉动式无级变速器主要用于中小功率（18kW以下）、中低速（输入n1=1440r/min，输出n2=0-1000r/min）、降速型以及对输出轴旋转均匀性要求不严格的场合。

例如在热处理设备、清洗设备以及化工、医药、塑料、食品和电器装配运输线等领域的应用。

1.3机械无级变速器的性能参数

机械无级变速器的结构类型比较多，性能的差异也较大，为了能正确判别变速器的性能特点，现将有关的指标参数分述如下。

（1）机械特性是指无级变速器在输入转速一定的情况下，其输出功率P2或转矩T2随输出转速n2的变化关系（一般以P2-n或T2-n曲线表示），也称为输出特性，是衡量变速器的一个重要性能指标。

1）恒功率特性当输出转速n2变化时，输出功率P2保持恒定，输出转矩T2随n2的降低而增大，或者相反。

2）恒转矩特性当输出转速n2变化时，输出转矩T2保持不变。

3）变功率、变转矩特性当输出转速n2变化时，输出功率P2转矩T2按一定规律（曲线）变化。

4）组合型特性当输出转速n2在低速区段变化时，具有恒转矩特性，而当n2在高区段变化时，则有恒功率特性。

上述特性是指变速器输出转速n2在规定的主要变速区段是具有的机械特性，而不一定是全部变速区域，例如在高低速两端就可能出现其他的变化规律。

另外，在变功率、变转矩特性中，输出转矩T2的最大值不一定对应最低输出转速n2min。

（2）输入功率P1与输入转速n1由于受传动元件的强度所限，目前大部分机械无级变速器传递的功率比较小，一般输入功率P1=0.18~7.5kW,h只有少部分结构类型达到P1=75～100kW,个别类型可达150kW以上。

机械无级变速器通常由电动机驱动，一般输入转速n1=1500r/min或n1=750r/min或小功率时增高至n1=3000r/min。

个别类型可达n1=7000r/min。

（3）输出转速n2一般是指一个变速范围或区段，即n2=n2min～n2max。

此中还分为升、降速型和降速型以及可反转或不可反转等。

（4）传动比i21传动比（有时也称为减速比）与齿轮传动相反，是采用输出转速n2与输入转速n1之比来计算的，即

在变速器中，输出转速可以降低到零，故能得出传动比i21=∞。

（5）变速比Rb（又称为调速比）Rb是变速器输出轴上最高转速n2max与最低转速n2min之比值，即

显然，Rb愈大，变速范围就愈宽，所以，它也是变速器的一个重要性能指标。

（6）滑动率ε与脉动度δ在利用摩擦传动的无级变速器中主、从动元件之间存在滑动，因此导致实际输出转速n2将低于名义转速

为了判别这一特性，现以名义输出转速

与实际输出转速n2只差对名义输出转速

之比称为滑动率（又称为滑差率或转差率），以ε表示，即

滑动率ε可通过测得的实际转速n2算出一般变化范围为ε=3%～10%。

对于各种不同的变速器皆有各自的要求和规定。

对于采用连杆机构传动的脉动式无级变速器，其输出轴的转速是不均匀的。

为了衡量这种不均匀性或波动程度，引用了性能指标参数脉动度δ。

脉动度用输出角速度的变化幅度与平均输出角速度之比值来表示，即

脉动度δ的大小随所采用的连杆机构的结构而定，一般脉动度应为δ<0.1～0.3。

（7）机械效率η机械传动效率η是输出功率P2输入功率P1之比，属于通用的性能指标。

但是对于无级变速器给出的机械传动效率，一般是指其最高的效率。

综上所述可以看出，影响机械误解变速器性能的因素较多，故在选用时应根据需要全面考虑。

1.4机械无级变速器的研究现状

CVT变速传动机构早在1908年就已应用于摩托车。

1955年，荷兰DAF公司首先在汽车上试装采用“V”型橡胶带的CVT。

由于结构设计和选材等方面的问题，该传动机构体积过大，传动比过小，无法满足汽车行驶的要求。

1972年HVan-Doorne博士成立VanDoorne’sTransmissionB.V公司，简称VDT公司，进行大规模试验研究金属带式无级变速器。

因此，习惯上把这种金属带式无级变速器称为VDT-CVT。

金属带传动不仅可以实现传递功率容量大、效率高，同时也改变了带传动传递的传统原理，将拉式传动改为推式为主。

由于金属带大量生产过程的复杂性，直到1987年才实现CVT商品化。

日本Subaru汽车厂是首先开始大量生产CVT的汽车厂。

1987年Subaru将电子控制的CVT（P821型）装备于Justy汽车（发动机排量1～1.2升）上,成功占领了日本市场。

之后,欧洲的Ford和Fiat把CVT（机械式，P811型）装备于发动机排量为1.1～1.6L的轿车上，投入市场，受到用户好评。

两系统主要结构特点为：

1、P811以湿式多片离合器为起步装置，P821用电磁离合器作起步装置

2、P811采用机—液控制系统，P821采用电—液控制系统。

3、他们都以外啮合齿轮作为液压元件，并采用单液压回路，即主动缸的面积大于被动缸面积的非对称结构。

90年代，VDT公司在第一代产品生产和使用总结基础上，开发第二代产品。

第二代产品主要技术指标较多地超过目前最先进地液力机械自动变速器，具有更好的经济性和操纵平顺型。

并在结构上作了较多改进，如：

1、采用新型金属传动带

2、双级滚子叶片泵

3、全电子控制系统

目前,金属带式无级变速是国外汽车无级变速传动研究和推广的重点,世界主要汽车公司都在研究和开发金属带无级变速系统。

1991年，德国ZF公司应用VDT技术开发了适用于发动机排量为1.5～2.5L前置前驱动轿车的CVT系列产品。

1996年，日本Honda公司和荷兰的VDT公司共同研制的新型无级变速器已装备在发动机排量为1.6L经济型轿车Civic上。

装备的CVT传动装置称为HondaMultiMatic其产品与CVT的产品有些不同的结构特点，如：

1、起步离合器放到了被动轮的输出端

2、用了双压力回路，于是主动缸面积与被动缸面积可做成相等的对称结构；

3、增加电气系统出现故障后的备用液压回路。

金属带式无级变速器由VDT公司取得重大突破，所以习惯上又称为VDT—CVT，其关键部件包括：

金属传动带、工作轮、油泵、起步离合器、中间减速机构以及控制系统组成。

  传动器的主、被动轮由固定和可动的两部分组成，形成V型槽，与金属带啮合。

当输入工作带轮的可动部分沿轴向外移动，输出工作轮的可动部分沿轴向内移动，使得输入带轮工作半径变小，而输出带轮半径变大，输出与输入带轮的工作半径之比变大，即传动比变大，反之，传动比将变小，工作半径大小变化是连续的。

金属传动带有多个金属片与两组金属环组成。

每片金属片的厚度为1.4mm，在两侧工作轮挤压力作用下传递动力。

每组金属环由数条厚为0.18mm的环带叠合而成，金属环功用是提供预紧力，在动力传递过程中，约束和引导金属片的运动，有时承担部分转矩传递。

主从动轮由可动与不动的半锥轮组成。

其工作面大多为直线锥面体。

在液压控制系统作用下，依靠钢球—滑道结构作轴向移动，可连续的改变传动带轮工作半径，实现无级变速传动。

油泵是为CVT传动系统提供控制、冷却和润滑的液压油源。

常用的液压油泵有两种形式，既齿轮泵和叶片泵。

为提高液压油泵的工作效率，在最近开发的CVT传动器中采用滚子式叶片泵。

汽车起步离合器包括湿式多片离合器、电磁离和器和液力变矩器三种。

液力变矩器与CVT系统合理匹配，可使汽车以足够大的牵引力平顺的起步，提高驾驶舒适性。

当发动机转速高时，闭锁离合器将泵轮与涡轮锁住，成为整机传动，提高了传动效率。

但成本较高，为降低成本，研究人员一直在致力于引用电控技术，在电磁离合器或多片湿式离合器上实现液力变矩器的传递特性。

由于无级变速机构可提供的传动比（即速比，输出带轮的工作半径与输入带轮工作半径之比）范围为0.445～2.6左右,不能完全满足整车传动比变化范围的要求,因而设有中间减速机构。

控制系统是用来实现CVT系统传动速比无级自动变化的VDT-CVT控制系统，分机—液控制系统和电—液控制系统。

机液控制系统主要有油泵、液压调节阀（速比和带与轮间压紧力的调节）、传感器（油门和发动机转速）和主、从工作轮的液压缸及管道组成。

日本的本田公司开发的CVT中，采用是电—液控制系统，系统可以利用电子控制系统容易实现控制算法的优点，对系统进行精确的控制。

而采用液压执行机构可以利用液压系统反应快的特点。

CVT初期产品多采用机—液控制系统，近期一般采用电—液控制系统，但电—液控制系统成本高。

  ECVT电子控制系统由电磁控制离合器、电子控制单元、传感元件、电磁阀组成。

传感元件包括选档操纵手柄位置传感器、节气门位置传感器、车速传感器和制动踏板位置传感器等，它们为控制单元提供各种与汽车行驶状态有关的信号。

控制单元以此为根据做出判断，并将控制信号送至电磁阀，控制电磁离合器和液压系统的工作。

当选档手柄位于P、N之外任一位置时，电子控制单元使离合器内的金属粉末磁化，离合器接合，将发动机的动力平稳地传递给主动轮。

液压系统根据实际需要输出适当的压力控制带轮两部分间相对滑移程度，并使两带轮工作直径的变化趋势相反，进而改变变速器传动比。

为提高ECVT总体工作性能，电磁阀还可调节液压系统的线压力。

当变速器的输出转矩小于最大转矩的60%时，线压力降低，带轮夹紧力相应减小，变速器工作更加平稳。

反之，带轮在高压作用下夹紧钢带，避免钢速打滑，保证动力传递的可靠性。

德国ZF公司开发的智能型ECVT加大了金属带的宽度，它所能传递的最大转矩达210N•m，可应用在发动机排量2.5L的中型轿车上。

它还具有更好的动力性和燃油经济性。

制造工艺要求较高给CVT（ECVT）的普及带来了新的困难。

但随着汽车制造工业水平的不断提高，这一问题将会解决。

1.5课题的研究内容和要求

本设计采用的是以菱形锥轮作为中间传动元件，通过改变锥轮的工作半径来实现输出轴转速连续变化的菱锥锥轮式无级变速器。

本文分析了在传动过程中变速器的主动轮、菱锥、和外环的工作原理和受力关系；详细推导了实用的菱锥锥轮式无级变速器设计的计算公式；并针对设计所选择的参数进行了具体的设计计算；绘制了所计算的菱锥锥轮式无级变速器的装配图和主要传动元件的零件图，将此变速器的结构和工艺等方面的要求表达得更为清楚。

目前，工业自动化的不断提高和无级变速器的广泛应用也对它提出了更高的要求。

机械式无级变速器主要特点是结构简单，价格低廉；转速稳定，滑动率小；工作可靠，具有恒功率机械特性和较高的传动效率；维修方便；适用于条件恶劣的应用工况。

但零部件加工及润滑要求较高，承载能力低，抗过载及耐冲击性能较差，故一般适合于中小功率传动。

与齿轮变速箱调速相比，只适用于小功率调速系统。

摩擦式由于主要依靠摩擦而使机械效率较低；带式和链式由于制造成本和尺寸较大所以变速范围较小；脉动式由于结构问题依然存在速度脉动。

由于机械无级变速器自身的特点已不能完全适应各种机械的工况要求，随着科学技术的飞速发展，又出现了电力调速技术和液压调速技术。

在电力调速技术中，由