汽车无级变速器设计【毕业论文】【汽车专业】

哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -I- 摘 要 无级变速 器特点是 采用传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合传递动力。由于 无级变速器 可以实现传动比的连续改变，从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配，提高整车的燃油经济性和动力性，改善驾驶员的操纵方便性和乘员的乘坐舒适性，所以它是理想的汽车传动装置。 无级变速 系统主要包括主动轮组、从动轮组、金属带（关键所在）和液压泵等基本部件。 主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组成，与油缸 结合 的一侧带轮轴 向 滑动，另一侧则固定。可动盘与固定盘都是锥面结构，它们的锥面形成 V 型槽与 V 型金属 带啮合。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 型传动带传递到从动轮，最后经减速器、差速器传递给 驱动轮 。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动轮、从动轮锥面与 V 型传动带啮合的工作半径，从而改变传动比。可动盘的轴向移动量是由驾驶者根据需要通过控制系统调节主动轮、从动轮液压泵油缸压力来实现的。 本设计旨在 通过 对金属带式无极变速器 的研究，找到可循的改良方案。 关键词 无级变速器 ； 金属带式无极变速器 ； 无级变速器设计 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -II- Abstract Characteristics of continuously variable transmission belts and work with a diameter of variable from the wheel fit transfer of power. Due to the continuous change of continuously variable transmission can implement the ratio in order to get the best match of transmission and engine condition, improving vehicle fuel economy and power, improve the operating convenience of drivers and passengers riding comfort, it is an ideal vehicle transmission device. Continuously variable transmission system which includes round group, from the wheel group, the metal with the key and basic components of hydraulic pump. Active Wheel Group and passive Wheel Group is composed of movable and fixed disk, and combine cylinder side with Axial sliding and the other side is fixed. Movable and fixed cone structure, they cone Form V type slot with V - type metal belt mesh. Engine output shaft of output power first delivered to continuously variable transmission for driving wheels, and then by V - belt transmission wheel, the final reducer and differential pass driving wheels. Work by driving wheels with gear of movable to move to change the driving wheels, from the work of V - belt mesh and gear cone radius, thus changing the ratio. Movable plate under Axial movement, which was driven by needs through the control system of active round, from the wheel Hydraulic Pump cylinder pressure to achieve. This is designed by the study of metal V - belt type non - polar transmission, found through improvement scheme. Key words ： CVT ； Metal Belt Continuously Variable Transmission； 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -III- Continuously Variable Transmission 目录 摘 要 . I Abstract .II 第 1 章 绪论 . 5 1.1 汽车无级变速器的类型和特点 . 2 1.1.1 宽 V 形胶带式无级变速器 . 2 1.1.2 环盘滚轮式无级变速器 . 2 1.1.3 摆销链式无级变速器 . 2 1.1.4 金属带式无级变速器 . 3 1.1.5 CVT 汽车能节油的原理 . 5 1.1.6 无级变速器使用的注意事项 . 5 1.1.7 CVT 未来的发展趋势 . 6 1.2 本章小结 . 7 第 2 章 金属带式无极变速器基本工作原理 . 7 2.1 金属带式无极变速器基本组成 . 9 2.2 金属带式无极变速器的几何关系和基本参数 . 11 2.3 金属带式无极变速器传动参数设计 . 15 2.3.1 输入轴参数设计 . 15 2.3.2 金属带轮参数设计 . 16 2.4 本章小结 . 18 第 3 章 金属带式无极变速器传动和承载能力校核 . 19 3.1 摩擦传动原理和摩擦因数 . 19 3.1.1 摩擦传动原理 . 19 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -IV- 3.1.2 摩擦因数 . 20 3.2 金属带传动的力分析 . 20 3.2.1 金属带上的作用力即各力的关系 . 20 3.3 带环的强度计算 . 24 3.3.1 带环的静强度计算 . 24 3.2.2 带环的疲劳强度计算 . 25 3.4 本章小结 . 26 第 4 章 金属带式无级变速器的匹配设计 . 27 4.1 汽车传动系的结构组成与任务 . 27 4.2 无级变速器运动参数设计 . 27 4.2.1 变速比 . 27 4.2.2 发动机最小燃油消耗特性 . 28 4.2.3 汽车的、齿轮减速比及无级变速器传动比 . 28 4.3 本章小结 . 30 第 5 章 双行星轮行星换向机构设计 . 32 5.1 换向机构组成及工作原理 . 32 5.2 前进、倒档离合器 . 32 5.3 双行星轮换挡机构参数设计 . 33 5.3.1 齿轮参数的设计 . 34 5.4 本章小结 . 38 结论 . 39 致 谢 . 40 附录 1 译文 . 42 附录 2 英文参考资料 . 43 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -V- 第 1章 绪论 随着汽车的普及和各种路况的增多 ,普通的手动变速器和自动变速器已不能完全满足人们的使用要求 ， 特别是在市区的驾驶 当中 ， 手动变速器频繁的换挡不仅麻烦费力而且影响驾驶的安全性；而普通的自动变速器却在油耗方面广为诟病，因此无级变速器便渐渐的进入了人们的视野，而金属带式无级变速器，无论是在使用寿命、动力性、燃油经济性、操纵方便性以及乘坐舒适性方面都有明显的技术优势；此外 CVT 结构较 AT 简单，且零部件数目比后者更少，随着大规模地应用生产，其成本将比 AT 更低。因此对金属带式无级变速器的深入研究及设计改良无论是对提高汽车的驾驶性能还是对汽车尾气的排放的优化都有巨大的实用意义。 早在 1965 年，荷兰的 DAF 公司就将宽 V 形胶带式无级变 速器应用在微型轿车上，但由于胶带的使用寿命和传递效率低，进而很快就被金属带式无级变速器所取代。最早的金属带式无级变速器是由荷兰 VDT 公司的 Van Doorne 发明的，现在金属带式无级变速器的总产量已达到 400 万台年，发展很快。 然而受到金属带传动组件使用强度的限制，现在的金属带式无级变速器大多只能运用在排量在 2.0L 以下，最大扭矩为 250N m 的车辆上。此外它的变速比 Ra 目前只能达到 5.5 左右，有效变速范围为 20 110km h，还不能完全满足人们使用的需求。因此如何提高金属带式无级变速器金属带的使用寿命 、传递效率、所能传递的最大转矩以及它的变速比是今后无级变速器研究和发展的主要方向。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -2- 1.1 汽车无级变速器的类型和特点 1.1.1 宽 V 形胶带式无级变速器 宽 V 形胶带式无级变速器是荷兰 DAF 公司在 1965 年以前的产品 ， 主要用在微型轿车上 ， 一共生产了 80 万辆。由于胶带的寿命和传递效率低，进而研究和开发了金属带式无级变速器。 1.1.2 环盘滚轮式无级变速器 环盘滚轮式无级变速器是英国 Torotrak 公司发明的，图 1-1 是其原理图。运动 和动力由输入盘靠摩擦力传递给滚轮，滚轮将运动和动力传递给输出盘。当滚轮在垂直于纸 面的轴转动时，滚轮和 两个盘环的接触点连续变化，输入和输出盘工作点的回转半径连续变化， 实现无极变速传动。 图 1-1 环盘滚轮式无级变速器原理图 1.1.3 摆销链式无级变速器 摆销链式无级变速器是由德国 LUK 公司将摆销链用于 Audi 汽车传动的成功范例。图 1-2 是摆销链式无级变速器 Multitronic 的三维剖视图。与金属带式无级变速器不同的是，它将无级变速部分放到低速级，其原因是链传动的多边形效应在高速极时会产生更大的震动、噪声和动态应力。所 以在其最 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -3- 新的结构中加装了倒链板以减少震动和噪声。但由于 在低速级传动中，要求传递的转矩大，轴向加持力就大，液压系统的油压也就大（大约 8 9MPa），而摩擦盘式离合器所要求的油压又不高，这样液压系统就比较复杂。由此看来，如果能进一步降低多边形效应，将会进一步提高此类传动的性能，简化结构设计，降低成本。 图 1-2 Multitronic 的三维剖视图 1.1.4 金属带式无级变速器 金属带式无级变速器是荷兰 VDT 公司的工程师 Van Doorne 发明的，用金属带代替了胶带大大提高了传动的效率、可靠性、功率和寿命，经过 3040 年的研究，技术已经成熟，并在汽 车无级变速器领域占有重要地位。目 前金属带式无级变速器的全球总产量已达到了 400 万台年，发展迅速。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -4- 金属带式无极变速器的核心组件是金属带组件。如图 1-3 所示，金属带组是由 9 12 层的钢带环和 350 400 片左右的摩擦片组成 ,其中钢环组的材料、尤其是制造工艺是最难的，要实现强度高（ 2000MPa），各层带环之间无间隙配合。金属带式无级变速器的变速原理如图 1-4 所示，主、从动两对锥盘夹持金属带，靠摩擦力传动运动和转矩。主、从动锥盘的活动锥盘的轴向移动使金属带径向的工作半径发生无极变化，从而实现传动比 的无极变化，即无级变速。 图 1-3 金属带组件 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -5- 图 1-4 金属带式无级变速器的 核心部件 1.1.5 CVT 汽车能节油的原理 由于汽车的进排气系统的设计是基于空气动力学的，当发动机在最佳转速下工作时，其进气充分，排气彻底，燃烧完全，排放污染最低。但当离开该转速时就会出现进气不充分，排气不彻底，油耗及排气污染增加等问题。 汽车的速度是随机的，而一般的有级变速器（ MT 和 AT）在两档之间是依靠发动机的转速变化来适应车速变化的，因此发动机不能达到其最佳工作状态；无级变速器（ CVT） 可以使发动机 在最佳工作状态下工作，依靠变速器的无级调速来适应汽车的各种速度，因此可使发动机，燃烧最好排放最少，达到节油目的。据国外资料统计，采用 CVT 的汽车要比采用 AT 的汽车节油7 15。 1.1.6 无级变速器使用的注意事项 对于正确使用 CVT 应注意以下几点： 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -6- 1、行驶时不要将变速杆置于“ N”档。 2、从前进变后退，从后退变前进档时，要完全停住车，踩住制动踏板的同时操纵变速杆。 3、下坡时，应使用较低的档位，充分利用发动机制动。 4、由于 CVT 的结构和工作原理，所有的控制都是靠液压 油来完成的。所以应按照厂家指定的期限定期检查 CVT 的油质、油量，并更换厂家规定的油品。 5、为了最大限度的提高燃油经济性，行驶中最好使用 CVT 的自动模式，这样可以是发动机和变速器全程都保持最佳匹配，最大限度的利用发动机的扭矩和输出功率。 6、对于 CVT，在其相关部件或电路进行检修或断电之后，都要对其内部进行一种特殊的程序设定才能使 CVT 发挥正常工作状态。所以维修时应到专业的维修单位。 1.1.7 CVT 未来的发展趋势 CVT 技术未来的发展可从以下四个方面进行分析。 1) CVT 部件 推式传 动带和传动链将在转矩容量和专用性上进一步加强，由于产品数量的迅速增加，伴随自动化生产的普及，成本将会有所降低。带轮的优化设计不仅将减少系统的质量和降低成本，而且保证在主、从动轮和传动带之间的最大传递转矩。不同部件、微处理器和测试设备的电子控制差异导致非常高的研究和制造成本，这将通过电液控制模块化设计和大规模生产而减小，从而将柔性的功能和低廉的成本有机结合。因为越来越多的 CVT 进入市场，制造商已经开始研究和开发 CVT 专用变速器工作液，这将给 CVT 工作性能进一步优化。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -7- 2) CVT 变速器 大量不同的布置有可能 出现，不仅由于汽车驱动差异和要求（ FWD、RWD、 AWD），而且也由于增加传动比覆盖范围的持续要求。电子化将带来传动比、速度、压力和转矩的更快的更精确的控制，保证发动机和变速器更好的调节，提供了不同的行驶模式，例如运动、自动、舒适等模式，从而给用户带来全方位的驾驶乐趣。 3) 发动机与 CVT 的集成控制 更精确、更快地 CVT 控制，将与发动机控制一起集成到整个传动系管理系统中，使得油耗和排放进一步降低。带有集成发动机管理单元的第一个 CVT传动系圆形已经进行了行驶循环测试。 4) 混合动力 CVT 传动系 CVT 将承担带有飞轮储能装置的混合动力传动系设计中的重要角色。采用 CVT 传动系的混合动力汽车油耗有可能减少 30，排放有可能降低 50。 本章小结 比较几款典型的车用无级变速器的各自的特点，结合当前实际运用情况，摆销链式无级变速器和金属带式无极变速器是最为普及的两种无级变速器，其中前者是奥迪的专利，只有奥迪的车型在用它，其主要优势在于摆销链相对于金属带而言，能承受更大的冲击和转矩，但由于摆销链多边形效应的影响，在高速运行情况下摆销链的离心力较大，因此振动，噪音较大。而为了控制其多边形效应产生的影响就须在摆销链的结 构上下功夫，也可以通过增加一些辅助设备如导向挡板等来降低其多边形效应的影响，而这又增加了成本。而金属带式无级变速器，随着新材料的出现，它金属带承载能力较低的 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -8- 缺陷将得到改善。因此它将是未来无级变速器的大趋势，具有很广阔的市场。作为毕业设计，我希望通过对其基本结构的了解和对几种同类产品的分析比较，找到一些能够优化改进的地方加以研究学习。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -9- 第 2 章 金属带式无级变速器 基本 工作原理 2.1 金属带式无极变速器基本组成 金属带式无极变速器主要由主动带轮、从动带轮、金属带、加压和调速装置组成 ,其核心部件是金属带和 主、从动带轮组成的传动系统 (见图 2-1)。 图 2-1 金属带式无极变速器核心零部件 主、从动带轮分别由一轴向固定的锥盘和可轴向移动的锥盘组成。置于固定和和移动两锥盘构成的 V 形槽内的金属带，是一个组合元件，它由数百片厚约 2mm 的 V 形摩擦片和嵌在摩擦片鞍座面内的两组金属钢带环组成。每组钢带环组由若干层厚度为 0.18mm 的钢带环套合而成，带环宽度和层数可根据传递转矩的不同而增减。钢带环的作用一是引导摩擦片的运动方向，而是承担金属带的张力。摩擦片的作用是传递转矩。在金属带式无极变速器的工作过程中，主、从 动带轮的中心距是固定的，根据传动比要 求，主、从 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -10- 动轴上的移动锥盘做轴向移动，改变带轮的工作半径。而带轮的工作半径可以连续变化，所以可实现无级变速。 图 2-2 是汽车用金属带式无极变速器的基本组成，包括油泵、离合器、前进和倒档切换机构、输入轴即主动锥盘、金属 带、从动轴和从动锥盘、主减速器、差速器和驱动桥等。其工作程序为： 汽车正常行驶时，离合器结合传入动力，主动带轮通过金属带驱动从动带轮，再将动力经主减速器、差速器等分配给车轮；操纵前进和倒档切换机构，依照前述的传递路线，可实现前进和倒退行驶；当离合器切断时 发动机空转 ,实现空挡在主动移动带轮和从动移动带轮上分别有液压缸 ,根据道路行驶阻力和发动机最小燃油消耗率特性调节液压缸的压力 ,从而改变主、从动带轮的工作半径 ,达到要求速比。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -11- 图 2-2 汽车用金属带式无极变速器基本组成 1-发动机飞轮 2-到当离合器 3-前进离合器 4-主动液压控制缸 5主动移动锥盘 6-主动轴及主动固定锥盘 7-液压缸 8-从动移动锥盘 9-从动压控 制缸 10-金属带 11-差速器 12-主减速齿轮 13-中间件速齿轮 14-从动轴及从动固定锥盘 2.2 金属带 式无极变速器的几何关系和基本参数 由金属带的独特结构 (见图 2-3)所决定 ,摩擦片的摆棱在两个锥盘的包角 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -12- 上是连续接触的。因为摩擦片很薄，在带轮的包角部分摆棱的连线近似于圆弧（见图 2-4）。根据金属带的运动状态，可将整个金属带划分为四个区段，即主动轮包角 ab，主动轮出口至从动轮入口的直线部分 bc，从动轮包角 cd，从动轮出口至主动轮入口的直线部分 da。摩擦片摆棱的线速度 在主动轮包角 ab 和主动轮至从动轮的直线部分 bc 是连续的，忽略摩擦片在主动带轮上的滑动，摩擦片摆棱的线速度可表示为= = 图 2-3 带轮、金属带和摩擦片的位置关系 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -13- 图 2-4 金属带式无极变速器几何关系 则金属带传动的理论传动比 i= = (2-1) 式中 、 主、从动带轮角速度 (rad/s) 、 主、从动带轮的节圆半径 (mm) 。 当从动带轮工作在最大节圆半径 ,主动带轮工作在最小节圆半径时 (见图 2-5),传动比最大 ,为 = （ 2-2） 当主动带轮工作在最大节圆半径 ,从动轮工作在最小节圆半径时 (见图 2-5)，传动比最小为 = （ 2-3） 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -14- 图 2-5 无级变速器变速原理 变速器的最大传动比 和最小传动比 之比定义为变速器的变速比也成为变速器的变速范围，即 = = （ 2-4） 变速比 Rb 的大小取决于主、从动带轮的最大工作半径和最小工作半径。当变速器的增速与减速对称分布时，主、从动轮尺寸相同，变速比 Rb 为 = （ 2-5） 在带轮轴颈和中心距一定的情况下，增速与减速对称分布，可获得最大变速比。金属带传动的传动比为 i 时，主、从动轮节圆半径可由式（ 2-6）确定。 L=( +h) +( +h) +2Acos 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -15- sin= (2-6) i= 式中 、 主、从动带轮节圆半径（ mm）； h 摩擦片摆棱至鞍面的距离（ mm）； 、 主、从动带轮包角； L 金属带工作长度，取金属带钢环内环周长（ mm）； A 金属带传动中心距（ mm）。 2.3 金属带式无极变速器传动参数设计 2.3.1 输入轴参数设计 1) 车辆参数 ： 发动机 118kw 最高车速 216km h 整备质量 1610kg 最大功率转速 4500 6200r min 最大扭矩 250N m 最大扭矩转速 1500 4500 r min 轮胎规格 22555 R16 总质量 =1610+65 4+10 4=1910kg 2) CVT 参数 : 带轮传动比 :0.4073 2.4548 带轮传递效率 :92 中间齿轮副传动比 :1.35 传递效率 :97 主减传动比 :4.05 传递效率 :96 行星齿轮换挡机构前进时传动比 :1 传递效率 :95 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -16- 所以，驱动力矩 = =250 2.4548 1.35 4.05 0.920.97 0.96 0.95=2730.9Nm 驱动力 =2730.9 0.327=8351.3N 汽车行驶阻力 = sin16.7 + cos16.7 f=1910 10 sin16.7 +1910 cos16.7 0.015=5762N 式中滚动阻力系数 f=0.015， 所以 故参数可取。 3) 输入轴设计 (1)选材： 35SiMn 合金钢（根据机械设计 P192） (2)估算最小轴径 d d = =29.71mm （ 2-7） 2.3.2 金属带轮参数设计 (1) 金属带轮最小工作半径的确定 前面带轮轴已作设计，由于是阶梯轴，取 d=40mm 则 带轮最小工作半径为 =d 2+ =24mm =4 5mm，是为了避免运动干涉， 所以，最小节圆半径 = = + =d 2+8=28mm （ 2-8） =3 4mm (2)中心距的确定 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -17- 传动比： =2.4548 =0.4073 因为 = = 所以 最大节圆半径 = =68.74mm = =68.73mm 外径 = + =76.73mm 式中 =8 10mm 中心距 A=2 +（ 1 2） =155.46mm （ 2-9） （ 3）金属带环长的确定 L=2Acos +（ + h）（ -2） + + h）（ +2 ） sin = （ 2-10） 得到 L=463.03mm （ 4） 带轮锥面夹角的确定 金属带式无极变速器带轮锥面夹角目前业界公认的范围是 10 12，本设计选取 11。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -18- 2.4 本章小结 本章通过对金属带式无级变速器的基本结构和核心部件的介绍，使对无减速器有个初步的认识，无级变速器 作为一种自动变速器，其先进的设计理念是一般自动变速器无法比拟的。首先，它可以根据发动机工作情况适时改变传动比，使发动机时刻保持在最佳工作状态这对降低油耗和污染是非常重要的；其次，它变速过程中没有丝毫的顿挫感，这对乘坐舒适性大有提升。最后，对于成本，它的零部件数目要明显少于自动变速器，且随着大批量的生产将会降低更多。而且通过调查发现，无极变速器的故障率也是非常的低，完全可以满足使用要求。如何开发出体积小、结构精、成本低、效率高的产品是开发设计者们共同的责任。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -19- 第 3 章 金属带式无极变速器传动和承载能力校核 3.1 摩擦传动原理和摩擦因数 3.1.1 摩擦传动原理 摩擦传动的工作原理如图 3-1 所示。摩擦传动和承载能力即摩擦副所能传递的计算摩擦载荷。计算摩擦载荷是考虑了储备能力的摩擦力。即 F = （ 3-1） 图 3-1 摩擦传动的工作原理 式中 F 计算摩擦载荷（ N）； 名义摩擦力（ N） ； N 法向摩擦力（ N）； 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -20- f 接触面间的滑动摩擦因数或油膜牵引系数； K 可靠性系数，动力传动取 K=1.2 1.5。 摩擦传动的承载能力取决于摩擦因数或牵引系数和摩擦面副的接触强度。 3.1.2 摩擦因数 摩擦因数是设计无级变速器传动承载能力的计算依据，也是研究摩擦机理的特征值。无级变速器传动有干式和湿式两种传递类型，其摩擦机理是不同的。而湿式摩擦传动有油膜牵引和混合摩擦驱动两种摩擦状态。金属带式无极变速器是混合摩擦驱动。 混合摩擦包括液体的摩擦行为、固体的摩擦行为、液体和固体的相互作用形成的第三物体的摩擦行为。 3.2 金属带传动的力分析 3.2.1 金属带上 的作用力即各力的关系 为了简化模型方便分析，作如下假设 : 1）将金属带的叠层金属环看作一条钢带环，不考虑金属环组内部各环间的滑动和摩擦。 2）金属带在带轮运转形成的圆形轨道上运行，金属带在带轮上包角的圆心与带轮中心重合。 3） 不考虑带轮的弹性变形。 4）按金属带的线速度计算钢带环和摩擦片的离心力。 在金属带运行过程中，置于带轮 V 形槽内的金属带和摩擦片所受的各作用力如图 3-3（ i 1）和图 3-4（ i 1）所示。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -21- 1）鞍面法向力 、 （ A 表主动轮， B 表从动轮，以下 同）：当带轮在轴向推力作用下轴向压紧时，摩擦片有沿径向外移的趋势，是钢带环张紧，在摩擦片鞍面和钢带环接触面上产生正压力。 2)钢带环张力 、 ： 钢带环张紧时其横截面上产生的拉力。 3）鞍面摩擦力 、 （下标 r 表示钢带环，下标 b 表示摩擦片，以下同）：钢带环与摩擦片鞍面之间相对滑动产生摩擦力。在小工作半径的带轮上，刚换所受摩擦力的方向与带轮线速度的方向相同，在大工作半径的带轮上，带环所受摩擦力方向与带轮线速度方向向反。 4)摩擦片之间的推压力 、 ：在金属带传动中，摩擦片之间相互挤压，相邻摩擦片间产生的压力。 5）带轮法向力 、 摩擦片的两侧面与带轮的锥面接触，带轮受到轴向推力夹紧后，在摩擦片侧面和带轮锥面间产生 的正压力。 6）切向摩擦力 （下标 p 表示带轮，下标 b 表示摩擦片，以下同）：带轮的锥面与摩擦片的两侧面之间的切向摩擦力，正是 实现了转矩的传递。 7）径向摩擦力 带轮的锥面与摩擦片的两侧面之间的径向摩擦力。 8）带环的离心力 、 :钢带环绕上带轮后作圆周运动的产生的离心力。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -22- 9）摩擦片离心力 、 ：摩擦片绕上带轮后最圆周运动产生的离心力。 处 于主动轮出口至从动轮入口的直线段（ bc 段）上的摩擦片之间的推压力为常数 ；处于主动轮入口至从动轮出口的直线段（ ad 段）上的摩擦片之间无作用力。由于结构的对称性，可以针对半边金属带上的作用力，建立各作用力之间的关系。 主动轮上第 k 个半摩擦片和其鞍面上的钢带环的个作用力的关系为 1）钢带环的切向力平衡方程为 （ k） -（ （ k+1） - （ k） cos=0 （ 3-1） 2） 钢带环的径向平衡方程 为 （ k） + -（ （ k+1） + （ k） sin =0 （ 3-2） 3）半摩擦片的切向力平衡方程为 (k)- （ k） -0.5（ （ k） - （ k 1） cos=0 （ 3-3） 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -23- 图 3-3 带轮 V 形槽中金属带的作用力（ i 1） 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -24- 图 3-4 带轮 V 形槽中金属带的作 用力（ i 1） 4）半摩擦片的径向力平衡方程为 (k)-0.5 ） - (k)sin + （ k） cos -0.5 （ k） + （ k+1） sin=0 （ 3-4） 5）半摩擦片的轴向力平衡方程为 （ k） - (k)cos- （ k） sin=0 (3-5) 上式中， i 1 时， =1； i 1 时， =-1。在确定了带环张力 、 后，可求解出其他各作用力。 3.3 带环的强度计算 3.3.1 带环的静强度计算 图 334 表示了传递相同转矩时，带环弯曲应力 、拉应力 和最大应力 与传动比的关系，可见在传递转矩不变的情况下， 都在传动比 最大时取得最大值。所以应按最大传动比 i= 工作条件下作钢环的静强度计算。 钢带环的静强度的校核式为 1.05（ + ） （ 3-6） 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -25- = = 由钢带环材料的强度极限 =2171N/ ，估算材料的屈服极限=0.90 =1954 N/ ，取安全系数为 1.95，带环静强度的许用应力 = =1000N/ 。 3.2.2 带环的疲劳强度计算 设金属带式变速范围内的传动比使用率相同，则带环疲劳强度的计算应力为传动比 i= 和 i=1时的平均值，考虑到多层带环的载荷不均匀系数 1.05，所以钢带环的疲劳强度校核式为 0.51.05 （ + + + = = = 根据实验测得单层钢带环的疲劳极限 =971N/ ，取安全系数为1.40，带环疲劳强度的许用应力 = 。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -26- 本章小结 金属带式无极变速器的最重要同时也是最困难的设计部分就是对金属带组件和带轮的设计 。不要把金属带式无极变速器的带传动错误地当成是常规的皮带传动，它是一种“推式传动”，它的动力是经过摩擦片的相互挤压传递的，金属带环只起到导向和承受张力的作用，这就是它有别于其它带传动的不同之处。同时，它也是一种摩擦传动，即动力经由带轮与摩擦片的相互挤压产生的摩擦力进行传递。在这里又碰到一个新的问题，带轮与摩擦片间的摩擦力太小的话，就会出现打滑；而太大的话则有会造成换挡困难同时使元件磨损加剧。这是一对矛盾的问题，因此无级变速器要用到专门的无级变速器机油。此外通过行车电脑对锥形带轮夹紧力的智能优化也是非常重要的 。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -27- 第 4 章 金属带式无级变速器的匹配设计 4.1 汽车传动系的结构组成与任务 轿车的布置形式主要有发动机前置前驱、前置后驱、后置后驱三种。目前多数轿车采用前置前驱，是将变速器、主减速器和差速器安置在同一壳体内，并和横置发动机联接安装在发动机前舱，通过半轴、万向节轴驱动前轮，这种布置方式结构简单，传递效率高且有利于提高空间利用率。 传动系的任务是在发动机和驱动轮之间按汽车运行工况的要求传递运动和动力，并根据汽车行驶状况不断改变运动速度和转矩的大小，满足使用要求。同时还需具有可靠地倒档行驶能力，良 好的加速性能和最佳的燃油经济性。 4.2 无级变速器运动参数设计 无极变速器的功能是将发动机的运动和动力传递给驱动轮，其变速过程是无极的。无极变速器的主要参数指的是变速比 、中间齿轮减速比和主减速比。它们对整车的动力性和经济性都有重要影响。 4.2.1 变速比 无级变速器的变速比反映了变速器传动比变化范围，是指最大传动比与最小传动比的比值。在中心距不变的情况下，两带轮对称分布时，变速比最大。 CVT 的主要作用之一就是汽车在某一时速运行时能使发动机工作在最佳状态。变速比越大，就可在越大的速度范围内实现节油；但同时这又需要更大的中心距，加大了变速器的尺寸，目前国内外较普遍的变速比范围是=6 8。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -28- 4.2.2 发动机最小燃油消耗特性 发动机的最佳转速是指在不同节气门开度情况下，随载荷的变化，燃油消耗率最低时的转速，这是设计无级变速器的重要参考指标。这个数据要在实际使用情况下测得。表 4-1 中列出了某发动机的使用特性实验数据。 表 4-1 某型发动机的使用特性测试数据 节气门开度 （） 最低燃油消耗率转速 /（ r/min） 最低燃油消耗率 /g/（ kWh 转矩 /（ Nm） 功率 /k 10 1000 362 46.9 4.91 20 1500 304 78.9 12.4 30 2000 297 87.8 18.4 40 2250 291 94.6 22.3 50 2500 285 100 26.2 60 2750 289 101.9 29.34 70 2750 290 103.3 29.75 80 2750 289 103.9 29.29 90 3000 303 106.2 33.36 100 3250 303.2 107.8 36.69 4.2.3 汽车的、齿轮减速比及无级变速器传动比 目前手动变速器和自动变速器的变速都以减速为主，手动变速器的速比范围为 =0.7 4。 无极变速器的变速部分，为提高变速比，将其升速和降速部分设计成： 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -29- = = 式中 无级变速器传动比； 无级变速器最小传动比； 无级变速器最大传动比； 无级变速器变速比。 无级变速器的齿轮减速部分的减速比 ，包括中间齿轮减速比 和主减速比 为 = 无级变速器的总传动比 为 = 最小传动比为 = 最大传动比为 = 总传动比为 = 设计无级变速器的运动和动力参数，一方面满足发动机经济转速的范围，另一方面要满足最高车速要求。 由于无级变速传动属于摩擦传动，最大滑差率为 =14。考虑到这一点车速计算应采用下式 : = （ 1-） 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -30- 式中 车速（ km/h） ； 发动机曲轴转速（ r/min）； 车轮滚动直径（ mm）； 金属带与锥盘的滑差率； 无级变速器总传动比。 当满足汽车最高车速 时，则有 在无级变速器的设计中，无级变速器从动轴的极限转速是一个“瓶颈”，通常把它限制在 9000 9500r/min。这时齿轮 减速比为 = 结论： 1）变速比的大小决定无级变速器的变速范围，它将决定控制稳定车速的范围，也是经济车速的范围。 2）变速传动的从动轴的轴承的极限转速和要求的最高车速决定了齿轮传动的总减速比的大小；总减速比的大小也决定了经济车速范围。 3）发动机的最小燃油消耗特性必须采用使用外特性曲线和使用部分曲线，为 CVT 控制方便起见，最好采用节气门开度为变量。 4）由于滑差率是与载荷有关的变量，因而得出的结果是较保守的。 本章小结 对于变速器的设计，必须针对发动机的实 际使用状况而做的。最基本的， 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -31- 就是要考虑汽车使用工程中所要用到的最大转矩或是转速以满足要求。通过数学算法，可寻求理论上最佳的尺寸大小设计。需要说明的是，由于缺乏实验条件，本文有用到很多假设，且是按照理想的数学算法进行计算设计的。因此，该设计结果是偏向保守的。在实际运用中尚需商议。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -32- 第 5 章 双行星轮行星换向机构设计 5.1 换向机构组成及工作原理 换向机构的输入轴即为行星架输入轴，通过花键与飞轮相联接，行星架上装有三对行星轮，内行星轮同时与太阳轮与外行星轮相啮合，外行星轮再跟内齿圈啮合。如图 5-1 所示。内齿圈 的外侧与到当离合器的摩擦片通过花键联接在一起。行星架外侧与前进离合器的摩擦片也通过花键相联接。在前进、倒档离合器的摩擦片间装有摩擦片压盘，并分别由前进、倒档离合器液压缸控制结合与分离。 在汽车倒档时，倒档离合器液压控制缸工作，将内齿圈与壳体固联在一起，经过双行星轮行星机构的作用，使输出轴的方向得以改变；当汽车前进时，前进挡离合器的结合使行星架与太阳轮固联在一起，相当于动力直接传递到太阳轮传到输入轴。 5.2 前进、倒档离合器 汽车无级变速器的前进、倒档离合器是一种湿式多片离合器。离合器考液压缸活塞压力进行 转矩传递。当泄压时活塞靠回位弹簧复位。多片式离合器的有效传递转矩可通过增减摩擦片数量或摩擦片面积得以调整，多片式离合器传递转矩的大小可由以下公式计算： M= pz（ - ） /3（ - ） 式中 M 离合器所传递的转矩（ Nm）。 z 离合器摩擦片片数。 离合器摩擦片的内径。 离合器摩擦片的外径。 p 作用在离合器摩擦 片上的压力。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -33- 离合器内外径有如下关系： =(0.6 0.8) 离合器摩擦片的类型选的是纸基摩擦片，原因是其摩擦因数高（=0.15），且对压力、温度和圆周速度的稳定性好。 由上述公式可选取相关参数如下： =164mm =205mm z=4 p=13.5N 5.3 双行星轮换挡机构参数设计 图 5-1 双行星轮行星机构 首先引入一个概念，内齿圈与太阳轮的齿数比称为行星齿轮组的特性参 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -34- 数 a。 初选 a 由于模数 相同，故可由分度圆直径之比估算其值： a=118/48=2.458 双行星轮行星机构理论内力矩关系式 = = 式中 太阳轮转矩； 内齿圈转矩； 行星架转矩。 =250Nm =250/（ 2.458-1） =171470Nmm 5.3.1 齿轮参数的设计 1）选择太 阳轮材料、热处理方式及精度等级 考虑到传递功率较大，采用 40Cr，调质，表面淬火加工，选用 8 级精度。 2）初步计算齿轮传动主要尺寸 因采用硬齿面，抗点蚀能力较强，故按齿根弯曲强度设计。 （ 1）式中参数为：传递转矩 = =171470Nmm； （ 2） 初选 =33， =19； 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -35- （ 3）由机械设计表 8.6，取齿宽系数 =0.5； （ 4）初选螺旋角 =15； =1.88-3.2（ + ） cos =1.624； 由机械设计图 8-21 查得重合度系数 =0.74； （ 5）由 = =0.318 tan得 =1.406； 由机械设计图 8-26 查得螺旋角系数 =0.87； （ 6）初选 =1.3； （ 7） 齿形系数 和应力修正系数 当量齿数 = / =34.16 = / =19.67 由机械设计图 8-19 查得齿形系数 =2.48， =2.79； 由机械设计图 8-20 查得应力修正系数 =1.65， =1.54； （ 8）许用应力由 = 算得 由 机 械 设 计 图 8-28 （ h ） 得 到 弯 曲 疲 劳 极 限 应 力 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -36- = =360MPa； 由机械设计表 8.7 取安全系数 =1.25； 由机械设计图 8-30 查得 = =1.0； 故许用弯曲应力 = =1.0 360/1.25=288MPa； （ 9）初算法 面模数 =1.94 =2.48 1.65/288=0.0142 =2.79 1.54/288=0.0149 所以取 =0.0149 3）计算传动尺寸 （ 1）计算载荷系数 k 由机械设计表 8.3 查得使用系数 =1.75 V= =22.76m/s （其中 =（ a-1） =6561r/min） 由机械设计图 8-7 查得动载系数 =1.25，由图 8-11 查得齿向载荷分 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -37- 布系数 =1.32，由表 8.4 查得齿间载荷分配系数 =1.2 则 k= =1.98 = =2.23,圆整为 2.0。 （ 3） 计算传动尺寸 中心距 a= （ + ） /2cos =53.84mm，圆整为 50mm。 修整螺旋 角 =15.94 16 = =68.64mm 68mm 同理， 32 = =0.5 68=32mm，取 =30mm （ 4）校核齿面接触强度 = 主要参数 总结 =16 =2 =33 =19 =72 =68mm =32mm =145mm =32mm =30mm =32mm =72mm =36mm =141mm 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -38- =63mm =27mm =150mm 5.4 本章小 结 至于为什么要选择双行星轮行星齿轮换挡机构，需要说明的是，由于行星齿轮换挡机构结构紧凑，因此自动变速器绝大多数都用行星齿轮换挡机构。考虑到在较小的尺寸空间内要有一定的承受载荷能力的要求，需要增加行星轮数目；此外这种结构方案可以简化前进、倒档切换机构。需要注意的是，这样就增加了拆装的难度，在安装精度上有了更为严格的要求。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -39- 结论 通过本次毕业设计，使我对前面所学专业知识进行了较为全面的了解，让我深刻地认识到，大学所学的一些基础专业知识和解问题的决方法才是自己今后人生中最为宝贵的财富。由于能力有限 ，对整个无极变速器的设计的确超出了个人能力范围。本次毕业设计我主要针对的是其机械结构方面展开的。 在过程中，我充分查阅相关信息知识，并请教专业老师，同时自学了一些相关教材。我的设计主要参考了两款金属带式无极变速器，并综合二者各自特点进行改进设计。我期望达到的设计目的是，在满足车速、转矩要求情况下尽可能地使其尺寸紧凑，结构简单，并能通过工程图直观地将其结构表现出来。由于时间关系，在最终设计结果中，我没能把其内部换挡机构的液压回路表达清楚；同时有些地方结构方面的改动可能存在风险，这两点是我本次毕业设计比较遗憾的 地方。 希望通过这次毕业设计，对自己的能力做一次锻炼与提高。并通过在其中碰到的问题发现自身的问题。避免在今后的学习工作中再犯类似错误。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -40- 致 谢 在本次毕业设计 得以完成，首先我要感谢我的指导教师邹玉凤老师，感谢她这段时间以来对我的悉心指导，和热情帮助 ； 其次我还要感谢 李玉龙老师，他热心 讲解 并 无私地 提供了一些好的无级变速器资料；最后还要感谢系里的 其他几位 给予我 的宝贵意见的专业老师。 由于选题较难，在做毕业设计过程中遇到了 许多困难，每次请教邹老师，她都非常热心的为我答疑解惑，甚至还帮我请教其他相关的专业老师。 这都是对我莫大的支持与鼓舞 ； 我还要提到的是，答辩时给予我宝贵意见的 老师们，你们扎实的专业知识和严谨的治学态度令我折服。 最后 让 我再次感谢所有给予我帮助的人，没有你们，我的毕业设计就不会完满的完成 。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -41- 参考文献 1 程乃士，等 .汽车金属带式无极变速器 CVT 原理与设计 M.北京： 机械工业出版社 ， 2008. 2 软忠唐 .机械无级变速器设计与选用指南 M.北京：化学工业出版社 ，1999 3 谭拥军，石晓辉，程乃士，等 .金属带环疲劳实验研究 J.汽车工艺与材料， 2006（ 11）： 14-18 4 张伟华，谢里阳，程乃士 .金属带无级变速器摩擦因数和传动效率的实验研究 J.机械设计， 2006（ 12）： 41-43 5 葛安林 .车辆自动变速原理与设计 M.北京：机械工业出版社， 1993. 6 王望予 .汽车设计 M.北京：机械工业出版社， 2010. 7 王黎钦，陈铁鸣 .机械设计 M.4.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2008. 8 王连明，宋宝玉 .机械设计课程设计 M.4.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2010 9 王丽洁，吴佩年 .画法几何级机械制图 M.哈尔滨：哈尔滨工业 大学出版社， 1998 10 孙桓，陈作模，葛文杰 .机械原理 M.7.北京：高等教育出版社， 2006 11 Hendriks E,Heegd P,Prooijen T.Aspscts of a metal pushing V-belt for automotive car applicationC.SAE Paper Series,881734,1998. 12 Fujii T,Kurokawa S.A study on a metal Pushing V-belt type CVT-part3:what force act on metal blocks? J.SAE Tech.Paper series,950671,1995. 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -42- 附录 1 译文 无级变速器的行星齿轮机构采用双行星齿轮机构 ,行星架上固定有内、外行星齿轮和右支架 ,其中右支架是通过螺栓固定在行星架上 ,外行星齿轮和齿圈啮合 ,内行星齿轮和太阳轮啮合。它们可以实现前进和倒档。 无级变速机构由金属传动带和主、被动工作轮组成。金属传动带由两百多个金属片和两组金属环组成 ,每个金属片的厚度为 1.4mm,在两侧工作轮挤压力作用下传递动力 。每组金属环由 9 或 12 片厚度为 0.18mm 的带环叠合而成 ,金属环的功用是提供预紧力 ,在动力传递过程中 ,支撑和引导金属片的运动 ,有时承担部分转矩的传递。主、被动工作轮由可动和不动锥盘两部分组成。控制系统是用来实现无级变速器系统传动比无级自动变化的。在无级变速器系统中 ,采用机 -液控制系统或电 -液控制系统。它主要由油泵齿轮泵和滚子叶片泵、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 ,实现传动无级变速的调节。速比控制、夹紧力控制和起步离合器的控制是无级变速控制系统的关 键。由于无级变速机构可提供的速比变化范围为 2.60.445 左右 ,不能完全满足整车传动比变化范围的要求 ,故设有中间减速机构。 无级变速器的变速原理很简单 ,但也很巧妙。传动器的主、被动工作轮的固定和可动两部分形成 V 形槽 ,与金属传送带啮合。当主、被动工作轮可动部分作轴向移动时 ,改变了传送带的回转半径 ,从而改变传动比。可动轮的轴向移动是根据汽车的使用要求 ,通过液压控制系统进行连续地调节 ,实现无级变速传动。 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计（论文） -43- 附录 2 英文参考资料 Continuously variable transmission of planetary gear mechanism based on double planetary gear mechanism and planetary fra