毕业论文-带式无级变速器的结构设计

带式无级变速器的结构设计 摘 要 CVT(Continuously Variable Transmission)技术即无级变速技术，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况的最佳匹配。虽然，CVT技术真正应用在汽车上不过十几年的时间，但它比传统的手动和自动变速器的优势却是显而易见的。在机械磨擦无级变速器中广泛应用带传动实现无级变速，即称带式无级变速器。近年来，随着机电一体化技术的应用与发展，带式无级变速器在结构上可更加简化和有所突破，使机械性能得到了更大的提高。本项目拟对解决带式无级变速器应用中的几个关键问题进行初步研究；研制、设计出满足传动精度和能量传递要求的主要部件的几何结构；为带式无级变速器的设计制造提供了可靠的依据。运用原始数据完成带式无级变速器的设计的同时，对带式无级变速器的结构设计计算及强度校核。除此之外，查阅国内外文献，详细了解国内外行业无级变速机的结构类型，并对行业带式无级变速器的结构特点进行详细分析，了解带式无级变速器的发展方向及计算机辅助设计在带式无级变速器设计中的应用情况。 关键词 ： 无级变速，结构设计，机械性能，发展，应用 I带式无级变速器的结构设计 Abstract CVT (Continuously Variable Transmission) technology that is continuously variable technique that introduces a belt and variable diameter of the main, driven round match to pass the driving force transmission ratio can be achieved continuous change, resulting in power train and engine operating conditions of the most good match. Although, CVT technology used in a real car for more than ten years time, however, it is than the traditional manual and automatic transmission advantage is obvious. Friction in mechanical CVT widely used to achieve continuously variable belt drive, that is, V-belt Type CVT said. In recent years, with the application of mechatronics and the development of V-belt Type CVT in the structure can be more streamlined and make a breakthrough, so that the mechanical properties has been greatly enhanced. The project intends to address the application of V-belt Type CVT several key issues in the preliminary study; development, designed to meet the transmission requirements of precision and energy transfer of the main components of the geometric structure of matter; for the V-belt Type CVT to provide the design and manufacture a reliable basis. Completion of the raw data using V-belt Type CVT design, the V-belt Type CVT on the structural design and strength check calculation. In addition, access to domestic and foreign literature, both at home and abroad to learn more about the structure of the industry continuously variable machine type, and industry of the V-belt Type CVT detailed analysis of structural features, V-belt Type CVT understanding the direction of development and computer-assisted Design of V-belt Type CVT in the design of the application. Key words：IL-13, inclusion, cell disruption, aqueous two-phase, Partition II带式无级变速器的结构设计 目 录第一章 前 言 .1 1.1 无级变速器的结构特点与类型.1 1.2 带式无级变速器的结构特点与类型.2 1.3 带式无级变速器的发展现状和发展趋势.4 1.4带式无级变速器设计中的应用情况.6 1.5设计目的以及研究意义.8 第二章 带式无级变速器的原理 .11 2.1 带式无极变速器的机构分析.11 2.2 带式无级变速器的工作原理.11 2.3 CVT的控制.12 第三章 带式无级变速器的设计 .16 3.1 传动功率的确定.16 3.2 传动比的设置.16 3.3 初算中心距.16 3.4 初算外形尺寸.16 3.5 带式无级变速器轴的设计及其校核.17 3.6 轴承的选用.21 3.7 螺栓的选取.22 3.8 配合公差.22 第四章 带式无级变速器的三维造型设计 .24 4.1 三维零部件造型设计.24 4.2三维装配造型设计 .35 第五章 带式无级变速器的力学分析 .39 5.1带式无级变速器主要零部件的静力学分析.39 5.2带式无级变速器运动过程的模拟.40 第六章 结论与展望 .42 参 考 文 献 .43 致 谢 .45 附 录 .45 声 明 .45 III带式无级变速器的结构设计 第一章 前 言 1.1 无级变速器的结构特点与类型 CVT(Continuously Variable Transmission)技术即无级变速技术，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 动机工况的最佳匹配。 常见的无级变速器有液力机械 式无级变速器和金属带式无级变速器（ VDT-CVT）。 无级变速器实际上是自动变速器的一种 ，但它比常见的自动变速器要复杂得多，技术上也更为先进。无级变速 器与常见的液压自动变速器最大的不同是在结构上，后者是由液压控制的齿 轮变速系统构成，还是有档位的，它所能实现的是在两档之间的无级变速， 而无级变速器则是两组变速轮盘和一条传动带组成的，比传统自动变速器结 构简单，体积更小。另外，它可以自由改变传动比，从而实现全程无级变速 ，使车速变化更为平稳，没有传统变速器换档时那种“顿”的感觉3, 11。 的确，实际 CVT 技术真正应用在汽车上不过十几年的时间，但它比传统的手动和自动变速器的优势却 是显而易见的： （1）结构简单，体积小，零件 少，大批量生产后的成本肯定要低于当前普通自动变速器的成本； （2）它的工作速比范围宽，容易与 发动机形成理想的匹配，从而改善燃烧过程，进而降低油耗和排放； （3）具有较高的传送效率，功率损失少，经济性高。 当然，CVT技术也有它的弱点，比如传动带容易损坏，无法承受较大的载荷等等，这些技术上的难关使得它一直 以来多应用在小排量、低功率的汽车上。 目前， CVT 技术发展得相当迅速，各大 汽车厂家都在加强这一领域的研发。尤其是在混合动力汽车具有广泛前景的将来， CVT 的地位和作用更是无可替代，它将会是未来变速器发展的大 趋势 。国内市场上能见到的、采用了这种技术的有奥迪、派力奥(西耶那、周 末风)、飞度和旗云几款车型。 - 1 - 带式无级变速器的结构设计 奥迪 Multitronic 无级/手动一体变速器 奥迪的 Multitronic 变速器是在原有无级变速器 的基础上安装了一种称为多片式链带的传动组件，这种组件大大 拓展了无级变速器的使用范围，能够传递和控制峰值高达 280 Nm 的动力输出，其传动比超过了以前各种自动变速器的极限值。该变速器的明显优势是 耗能少，反应更快，从车辆的整体性能来看，装有 Multitronic 变速器的奥迪 A6 2.8 轿车的 0100 km/h 加速时间比同级普通自动变速器车型快了 1.3 s，百公里油耗降低了 0.9 L。 Multitronic 还采用了全新的电子控制系统，以 克服原有无级变速器的不足。比如在上下坡时，系统能自动探测 坡度，并通过调整速比增加动力输出或加大发动机的制动扭矩来协 助车辆行驶。 相对于传统的自动变速器， Multitronic 有更高的灵活性，在增加或删除变速模式的时候，只需要更改电脑程序即 可改变齿轮的比数和半径，因此可以和多台不同类型、不同输出特 性的发动机配合使用。 旗云 CVT 旗云 CVT采用了德国 ZF公司生产的 VT1F 无级变速器，和它出色的发动机一起，这一整套动力和传动系统都来自于宝马 MINI COOPER。该无级变速器有无级变速、自动巡航、运动模式和 6 档手动 4种驾驶模式，与电子油门配合以后更接近智能化控制，采用了 C VT变速器的旗云百公里油耗仅比原来增加了 0.3 L（厂家数字）。 派力奥(西耶那、周末风) Speedgear 派力奥Speedgear是一种手/自一体式电控无级变速器（ECVT），南京菲亚特率先把它应用在小型车上。它提供两种换档模式：电控无级自动变速模式和6档顺序手动变速模式，驾驶者可以根据喜好选择不同的换档方法。 Speedgear由液力扭矩转换器、两个可变直径钢带轮和一根传动金属带（一定数量的钢片和两根9层钢带）组成，具有更宽的传动比，同时具有无级变速器结构简单、体积紧凑的特点6。 1.2 带式无级变速器的结构特点与类型 在机械磨擦无级变速器中广泛应用带传动实现无级变速，即称带式无级变速器。近年来，随着机电一体化技术的应用与发展，带式无级变速器在结构上可更加简化和有所突破，使机械性能得到了更大的提高。带式无级变速器多用于坐式摩托- 2 - 带式无级变速器的结构设计 车，全地形越野车和雪橇车的动力传动,其成本低，结构简单而设计要求很高。我国是主要的坐式摩托车和全地形越野车生产国,所采用的带式无级变速器随摩托车车型变化且变型众多,但这些无级变速器变型在动力匹配和机构参数选择中出现了大量原理性问题,摩托车的动力匹配，效率和变速性能普遍不好,也缺乏有效的设计方法。 带式无级变速器分为很多类型，下面简单的介绍几种： （1）橡胶带式无级变速器 鉴于 CVT 的种种优点,德国奔驰公司早在1886年就将V型橡胶带式CVT安装在该公司生产的汽油机汽车上，1958年,荷兰的 DAF 公司 H.VanDoorne 博士研制成功了名为 Variomatic 的双 V 型橡胶带式 CVT,并装备于 DAF 公司制造 Daffodil轿车上,其销量超过了120万辆，但是由于橡胶带式 CVT 存在一系列的缺陷:功率有限(转矩局限于135N m 以下),离合器工作不稳定,液压泵传动带和夹紧机构的能量损失较大,橡胶带寿命短,因而没有被汽车行业普遍接受。 （2）金属带式无级变速器 提高传动带性能和 CVT 传递功率极限的研究一直在进行,荷兰的 DAF 公司H.VanDoorne博士研制成功了将液力变矩器集成到 CVT系统中,主从动轮的夹紧力实现电子单元(ECU)化控制,在 CVT 中采用节能泵,传动带用金属带代替传统的橡胶带新的技术进步克服了 CVT 系统原有的技术缺陷,导致了传递转矩容量更大，性能更优良的第二代 CVT 的面世装车后,其动力性略优于齿轮变速箱,加速平稳,燃油经济性大致相当。截止到2001年,与 VDT 金属 V 带式无级变速器匹配的金属V带,已累计生产四百万套,计划2004年年产三百万套,并近期在日本投资建立第三家生产金属 V 带的企业。可见,世界对无级变速器的需求量巨大,且需求呈逐年上升趋势。 （3）奥迪链带式无级变速器 金属带式无级变速器在汽车应用中取得了良好的效果,但是其结构复杂,工艺要求极高,不利于制造和制定控制策略。2001年6月,一汽大众推出Multitronic CVT ,采用一种新型全钢多片式链带,采用湿式多片式离合器代替液力变矩器,能传动更大的力矩(315Nm ),更高的速比范围(1:25.4),具有更好的灵活性。变速器中新装有扭矩传感器和双活塞液压提高了变速器的工作效率,改善了行驶性Multitronic CVT的奥迪车,具有极其出色的行驶性能和燃油经济性能,其0100 kM/h的加速时- 3 - 带式无级变速器的结构设计 间为8s ,甚至比装有5档手动变速器的车还快0.1s 。按照欧洲燃油标准,比5档手动变速器的同系列车每公里耗油少0.2L 。因此,奥迪公司宣布这是第一台无论加速性能还是燃油经济性都优于手动档变速器的无级变速器,取得了质的飞跃13。 1.3 带式无级变速器的发展现状和发展趋势 CVT技术的发展，已经有了一百多年的历史。德国奔驰公司是在汽车上采用CVT 技术的鼻祖，早在1886年就将 V 型橡胶带式 CVT 安装在该公司生产的汽油机汽车上。 1958 年， 荷兰的 DAF 公司 H.VanDoorne 博士研制成功了名为 Variomatic的双 V 型橡胶带式 CVT，并装备于 DAF 公司制造的 Daffodil 轿车上，其销量超过了100万辆。但是由于橡胶带式 CVT 存在一系列的缺陷：功率有限(转矩局限于135Nm以下)，离合器工作不稳定，液压泵、传动带和夹紧机构的能量损失较大，因而没有被汽车行业普遍接受。 然而提高传动带性能和 CVT 传递功率极限的研究一直在进行，将液力变矩器集成到 CVT 系统中，主、从动轮的夹紧力实现电子化控制，在 CVT 中采用节能泵，传动带用金属带代替传统的橡胶带。新的技术进步克服了 CVT 系统原有的技术缺陷，导致了传递转矩容量更大、性能更优良的第二代 CVT 的面世。 进入20世纪90年代，汽车界对 CVT 技术的研究开发日益重视，特别是在微型车中，CVT 被认为是关键技术。全球科技的迅猛发展，使得新的电子技术与自动控制技术不断被采用到 CVT 中。 1997年上半年，日本日产公司开发了使用在2.0L 汽车上的 CVT。 在此基础上，日产公司在1998年开发了一种为中型轿车设计的包含一个手动换档模式的 CVT。新型 CVT 采用一个最新研制的高强度宽钢带和一个高液压控制系统。通过采用这些先进的技术来获得较大的转矩能力，日产公司研究开发 CVT 的电子控制技术，传动比的改变实行全档电子控制，汽车在下坡时可以一直根据车速控制发动机制动，而且在湿滑路面上能够平顺地增加速比来防止打滑。日产公司计划将它的 CVT的应用范围从1.0 L 扩大到3.0L 的轿车。 日本三菱公司已选择了 CVT 平顺无能量损失地传递直喷式发动机的动力来驱动汽车。 V 型带/传动轮机构可以保证在所有速率下发动机动力平顺无间断地传递。CVT 根除了传统的自动变速器通过齿轮换档时的打齿现象，从而获得更满意的响应和控制。三菱公司准备采用直喷式发动机(1.5L 或更小)与 CVT 组合。 - 4 - 带式无级变速器的结构设计 日本富士重工同时拥有15年开发 CVT 的经验。1997年5月，富士重工将它的 Vistro 微型车装配了全计算机控制式E-CVT(含有六档手动换档模式的CVT)。驾驶员无须操作离合器就可以进行六档变速。富士重工在 Pleo 微型车上采用一种有锁止式变矩器的电控式 CVT、通过小范围锁止可以使液力变矩器的滑动保持在最小值，行星齿轮用来切换前进档/倒退档。传动比范围从1：10-5.5：1。 1999年上半年，美国的福特公司和德国 ZF 公司合作为福特公司的轿车和轻型载货车生产 CVT。在巴达维亚和俄亥俄州新建的合资企业将从2001年生产为福特公司设计的、带有电子管理功能的 CFT23 型 CVT。ZF 公司设计的 CVT 是一种变矩器式变速器，使用为安装横向发动机前轮驱动汽车生产的钢带。ZF 公司也能为安装纵向发动机的前轮驱动汽车和后轮驱动汽车生产 CVT 系列。 ZF 公司称：与四档自动变速器相比， CVT 系统能够将加速性能提高10%，燃油经济性提高10%-15%。与锁止式变矩器相比，CVT 系统在不漏油的前提下效率更高。福特公司正在设计一种与公司内所有轻型载货车匹配的牵引驱动 CVT，包括后轮驱动和全轮驱动载货车。牵引驱动使用沿特殊滑液的可移动滑件代替传动带和传动轮。滑动部分的相对位置决定传动比，由一层部件间非常薄的液油来传递动力。 德国 ZF 公司从1999年中期开始为 Rover 216型汽车提供钢带驱动的 VT1 型和 CVT。这种 CVT 包括螺旋齿轮或变速器、合适的液压系统、湿式离合器。在系统中集成的 ECU 可以允许机械、液力和电子系统进一步组合，这就更好地利用了各种系统的独特优点。 德国博世的电子式CVT 控制系统是基于用传感器和执行器单元控制基础上的电子/液力模块。博世公司已经将独立部件、执行器、传感器和变速器换档ECU 组成一个单独的模块，变速器制造商只需增加一个集成控制单元13, 14。 CVT 技术未来的发展可以从以下4个方面进行分析: (1) CVT 部件传动带将在转矩传递容量和专用性上进一步加强,由于产品数量的迅速增加,伴随产品过程的进一步自动化,成本会大幅降低。 (2) CVT 变速器电子化将带来传动比，速度，压力和转矩的更快，更精确的控制,保证发动机和变速器更好地调节提供了不同的行驶模式。 (3) 发动机与 CVT 集成控制更精确，更灵活，更快的 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，成本和排放进一步降低，带有集成发动机管理单元的第一个 CVT 传动系原型已经进行了行驶循环测试。 - 5 - 带式无级变速器的结构设计 (4) 混合动力 CVT 传动系， CVT 将在带有飞轮储能装置的混合动力传动系设计中承担重要角色，采用 CVT 传动系的混合动力汽车的油耗有可能减少30%,排放有可能降低50%。 1.4 带式无级变速器设计中的应用情况 CVT技术目前只能用在小排量 汽车 上的，而各个汽车厂商针对CVT 都有了不同的叫法，当然也会根据他们自己情况做出改动啦，比如本田就叫eCVT ，而日产则称为Hyper CVT 。 人们平时乘车时所关心的是油耗、动力以及车的驾驶性能。但是对发动机来说，油耗、动力、驾驶性能有其各自最佳转数范围。发动机的最佳运转试范围是扭矩曲线的峰值部分，通常也是指发动机的高速领域。但另一方面，油耗也是有其最佳范围的。不知大家是否听说过合理油耗驾驶一词。当车在高速路上以时速 80km 行驶时并且发动机转速保持在 2500 转左右，半油门状态时，即维持了最小限度的马力又不浪费汽油的高效率发挥，此时发动机处于最佳运转状态。如果以此状态在一般路面上行驶的油耗也能令人满意，但是，对于装配了只有4、5档变速器的汽车来说，这是相当困难的问题。解决此问题的最好方式就是使用CVT (无级变速器) 。CVT可以在维持最佳油耗下的发动机转速的同时实现无变档的连续变速。而且，CVT在提高发动机的转数达到发挥最佳功率的 围时，可以选择全功率状态下的行驶。普通车在倾斜路面上行驶，会发生3档时发动机转数过高，4档时马力不足的尴尬局面。而自动变速的车辆，变速箱会在3档4档之间往返，车子的变速处于不稳定的状态。安装了CVT 的话，在保持发动机的最佳动力领域的同时可实现无级变速，使驾驶者能够真正享受轻松驾驶的感受。 只有在提高发动机动力的情况下，才能够实现全动力的驾驶。例如在盘山路上，就会出现用3档发动机转数过高，用4档动力不足的现象。这就是使用自动变速器 (AT) 的车辆自动改变档位而处于不稳定的状态。 CVT 可以在保持发动机输出动力的整个范围内实现动力的无级传递，从而实现顺畅驾驶。 通常的自动变速器是有档变速，通过几个齿轮来决定变速比。CVT 是通过改变2个滑轮的槽的宽度而实现变速比的无级次改变，从而可以按驾驶的状况得到最佳驱动力。通常这2个滑轮受到的力量非常大，以前只能用在小排量的车辆上。而现在，日产最先推出了可以用在2升排量的汽车上，这就是 Hyper CVT。 - 6 - 带式无级变速器的结构设计 通过改变2个滑轮的槽的宽度，使加在滑轮上的钢带的输入轴/输出轴的各直径间实现无级连续变化，按各种状况选择最佳的变速比行驶，就像带有变速器的自行车的齿轮变成无级变速齿轮一样。由于是无级变速，在换档时完全没有变速的冲击，行驶非常平稳。通常的4档 AT 轿车是将4个档的齿轮按行驶状态进行变速。而 CVT 是无级变速，所以不会出现上坡时档位在3档、4档之间来回变化的情况。这种无齿的变速器，实现了扭矩的零损失传递，可实现平稳有力的行驶，对于汽车工业是一个巨大的贡献。 全 电子 控制提高了驾驶性能并同时降低了油耗。一般CVT 的变速控制、油压控制、固定控制全部由电子控制，从而实现了按驾驶情况选择速比的最佳选择。 由于传统的 CVT 采用的是没有增大扭矩作用的电磁离合器，在起步时缺乏强有力的扭矩，所以起步加速性较差。 Hyper CVT 采用了液压变矩器，其增加扭矩的作用使起步加速性能有很大的提高。液压变矩器的超低扭力使传统 CVT 所不擅长的斜坡起步、倒车入库等性能也得到了提高。 Hyper CVT 它可以使车辆在完全没有自动变速器换档冲击的同时获得强有力的加速性，且比自动变速器的车辆减少 20% 的油耗，减轻了对环境的污染。由于CVT 首次使用了能增大发动机扭矩的传动装置-液压变矩器，能使车辆强有力的起步，加速并平稳的行驶。即使在斜坡起步、超低速行驶，倒车入库和纵向停车时也能够获得和 AT 车辆同样的驾驶感受。 目前国内市场上能见到的、采用了这种技 术的只有奥迪、派力奥(西耶那、周末风)、飞度和旗云 4款车型。 奥迪 Multitronic 无级/手动一体变速器 奥迪的 Multitronic 变速器是在原有无级变速器的基 础上安装了一种称为多片式链带的传动组件，这种组件大大 拓展了无级变速器的使用范围，能够传递和控制峰值高达 280 Nm 的动力输出，其传动比超过了以前各种自动变速器的极限值。该变速器的明显优势是 耗能少，反应更快，从车辆的整体性能来看，装有 Multitronic 变速器的奥迪 A6 2.8 轿车的 0100 km/h 加速时间比同级普通自动变速器车型快了 1.3 s，百公里油耗降低了 0.9 L。 Multitronic 还采用了全新的电子控制系统 ，以克服原有无级变速器的不足。比如在上下坡时，系统能自动探测 坡度，并通过调整速比增加动力输出或加大发动机的制动扭矩来协 助车辆行驶。 - 7 - 带式无级变速器的结构设计 相对于传统的自动变速器， Multitronic 有更高的灵活性，在增加或删除变速模式的时候，只需要更改电脑程序即 可改变齿轮的比数和半径，因此可以和多台不同类型、不同输出特 性的发动机配合使用。 旗云 CVT 旗云 CVT 采用了德国 ZF 公司生产的 VT1F 无级变速器，和它出色的发动机一起，这一整套动力和传动系统都来自于宝马 MINI COOPER。该无级变速器有无级变速、自动巡航、运动模式和 6 档手动 4种驾驶模式，与电子油门配合以后更接近智能化控制，采用了 CVT 变速器的旗云百公里油耗仅比原来增加了 0.3 L（厂家数字）。 派力奥(西耶那、周末风) Speedgear 派力奥 Speedgear 是一种手/自一体式电控无级变速器（ ECVT），南京菲亚特率先把它应用在小型车上。它提供 两种换档模式：电控无级自动变速模式和 6档顺序手动变速模式， 驾驶者可以根据喜好选择不同的换档方法。Speedgear 由液力扭矩转换器、两个可变 直径钢带轮和一根传动金属带（一定数量的钢片和两根 9层钢带）组 成，具有更宽的传动比，同时具有无级变速器结构简单、体积紧凑的特点。 飞度 CVT 飞度的 CVT无级变速器是专门为小型车设计的，属于新一代钢带无级自动变速器，可允许两个带轮之间进行高 扭矩传递，运转平稳、传动效率高，是小型车里较好的。飞度的 CVT变速器还带有 S档(运动模式)，既追求流畅感、低油耗，又不乏驾驶乐趣6。 1.5 设计目的以及研究意义 设计目的： （1）带式无级变速器这种动力传动装置结构新颖，设计思想巧妙，对学生的综合知识训练、能力培养等有较好的启发作用。 （2）培养了科技资料查阅检索能力、培养学生社会调研能力、培养学生机械方案设计能力，进而提高学生针对实际需求进行创新思维、机械设计和工艺制作等实际工作能力。课题较新颖，新知识较多，难度较大，工作量饱满，课题结合生产实际情况，对学生的能力训练意义重大。 - 8 - 带式无级变速器的结构设计 （3）使学生 能系统的掌握机械设计原理、机构学原理、三维 CAD实用技术及市场分析和调查方式。 (4) 本项目是北京石油化工学 院机械工程学院科技创新平台建设的一个重要组成部分， 对北京石油化工学院硕士点学科建设和创新人才培养、科研梯队建设有着重要 的促进作用。 研究意义： 众所周知： CVT 的优点有很多，简单的说，有以下几点： 1)、经济性 CVT 可以在相当宽的范围内实现无 级变速，从而获得传动系与发动机工况的最佳匹配，提高整车的燃 油经济性。德国的大众公司在自己的 Golf VR6轿车上分别安装了 4- AT 和 CVT 进行 ECE 市区循环和 ECE 郊区循环测试，证明 CVT 能够有效节约燃油. 2)、动力性 汽车的后备功率决定了汽车的爬坡 能力和加速能力。汽车的后备功率愈大，汽车的动力性愈好。由于 CVT 的无级变速特性，能够获得后备功率最大的传动比，所以 CVT 的动力性能明显优于机械变速器( MT)和自动变速器(AT)。 3)、排放 CVT 的速比工作范围宽，能够使发 动机以最佳工况工作，从而改善了燃烧过程，降低了废气的排放量。 ZF 公司将自己生产的 CVT 装车进行测试，其废气排放量比安装 4- AT 的汽车减少了大约 10%。 4)、成本 CVT 系统结构简单，零部件数目比 AT(约 500 个)少(约 300 个)，一旦汽车制造商开始大规模生产， CVT 的成本将会比 AT 小。由于采用该系统可以节约燃油，随着大规模生产以及系统、 材料的革新，CVT零部件(如传动带或传动链、主动轮、从动轮和液压泵 )的生产成本，将降低 2 0%-30%。 勿庸置疑， CVT 变速器的技术含量和制造难度都要比 MT 变速器高，与AT 变速器相仿，由于金属带式 CVT 的结构简单，所含的零件数量比 AT 变速器少 40左右，整车的质量因而也有所减轻。 5)、驾驶平顺性 - 9 - 带式无级变速器的结构设计 由于 CVT 的速比变化是连续不断的，所 以汽车的加速或减速过程非常平缓，而且驾驶非常简单、安全。从而使用户获得全方位的“行驶乐趣”。 CVT 技术比传统的手动和自动变速器的 优势显而易见的，有很长远的研究前景与深厚的研究意义。尤其是在混合动力汽车具有广泛前景的将来， CVT的地位和作用更是无可替代，它将会是未来变速器发展的大趋势 。 但是， CVT技术也有它的弱点，比如传动带容易损 坏，无法承受较大的载荷等等，这些技术上的难关使得它一直以来多应用在 小排量、低功率的汽车上。这也是我们在日后的学习与研究中要去 探索和解决的。 - 10 - 带式无级变速器的结构设计 第二章 带式无级变速器的原理 2.1 带式无极变速器的机构分析 无级变速器按结构和传动方式可分为电力式、液力式和机械式三种。其中，电力式和液力式无级变速器因为成本高、效率低、结构复杂等原因没有得到广泛的应用；而金属带传动的机械式无级变速器与前两种相比，具有结构简单紧凑、成本低、操纵方便等优点而成为目前主流的选择。 带式 CVT，一般由起步离合器、无级变速机构、控制系统和中间减速机构组成。 （1） 起步离合器：起步离合器的主要作用是使汽车以足够大的牵引力平顺地起步，提高驾驶舒适性，必要时切断动力传输。目前用于汽车起步的装置主要有三种：湿式离合器、电磁离合器和液力变矩器。 （2） 无级变速机构：无级变速机构由金属传动带、主动轮组、从动轮组组成。其中，主动轮组和从动轮组都由可动锥盘和固定锥盘组成。 （3）控制系统：控制系统是用来实现 CVT 传动比无级自动变化的，多采用机液控制系统或电液控制系统。机液控制系统主要由油泵、液压调节阀（用以调节传动比和传动带与轮之间压紧力）、传感器（油门和发动机转速）、主从动轮的液压缸及管道组成；而电液控制系统则是在机液控制系统的基础上加装了一些电子控制单元、电磁阀和传感器组成的，提高了对 CVT 控制的效率和精确度。 （4）中间减速机构：由于 CVT 可以提供的传动比变化范围为2.6-0.445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。经过中间减速机构可以将 CVT 的传动比变化范围调整到0.8-5.0左右。 2.2 带式无级变速器的工作原理 橡胶带式无级变速器利用主从动轮上皮带直径的变化改变传动比，主动轮由固定盘和一个可轴向移动的滑动盘组成,离心滚子产生的离心力,推动移动盘闭合，把皮带沿径向往外推，从动轮也由固定盘和可轴向移动的滑动盘组成,固定盘与滑动盘之间由螺旋凸轮副连结。这个螺旋凸轮的加压斜面把滑动盘受到的皮带拉力转变为压在皮带上的轴向分力,轴向分力和弹簧的合力也推动移动盘闭合,将皮带沿径向往外推,车辆行驶时转速和载荷的变化分别引起主动轮和从动轮对皮带径向外推- 11 - 带式无级变速器的结构设计 力的变化,从而使皮带径向位置发生变化,带轮直径的变化则改变主从动轮的传动比。由于带长和中心距不变,变速器的最低和最高车速的传动比,主从动轮的最大和最小节圆直径必需满足由带长和中心距决定的几何条件。另外,带轮变径使皮带径向位置变化的同时,还使皮带有平移和角位移,即皮带纵向中心线的平移和角位移会引起更大的皮带振动,这进一步恶化传动的稳定性,缩短皮带寿命。 金属带式 CVT 主要是通过改变主、从动轮和金属带的接触半径（即工作半径）来实现传动比的连续变化的。主、从动轮组都由可动锥盘和固定锥盘组成，可动锥盘可以在主、从动轴上沿轴向移动。可动锥盘与固定锥盘之间形成的 V 型槽与 V型金属带相啮合。主动轮组的油缸控制主动轮组的可动锥盘沿轴向移动时，主动轮组一侧的金属带随之沿 V 型槽移动，由于金属带的长度固定，因此从动轮组一侧的金属带则沿 V 型槽向相反的方向移动，从动轮组的油缸此时则控制从动轮组的可动锥盘沿轴向移动，以保持金属带的张紧力，保证来自发动机的动力得到高效可靠的传递。金属带沿 V 型槽方向移动时，其在主动轮组和从动轮组上的回转半径发生变化，从而实现传动比的连续变化。 汽车开始起步时，主动轮的工作半径较小，变速器可以获得较大的传动比，从而保证有足够的扭矩来保证汽车有较高的加速度。随着车速的增加，主动轮的工作半径逐渐增大，从动轮的工作半径相应减小，CVT 的传动比下降，使得汽车能够以更高的速度行驶。 2.3 CVT 的控制 带式无级变速器的结构、力学分析、传动效率等，在国外己研究出一定成果，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、模糊控制、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略、实验仿真等研究在国内还在努力中。 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经济性。 CVT系统有3个主要控制因素，即速比控制、起步离合器控制、带轮夹紧力控制。 - 12 - 带式无级变速器的结构设计 （1）速比控制 CVT系统根据档位、模式和节气门开度变换速比和配气正时，以满足行驶性能的要求。 1）基本控制策略 对应一定车速和节气门开度的转速作为目标输入存贮在系统内，由目标转速和实际转速的差值进行P.I 反馈。当换档杆从空档位置换出，发动机与输入带轮分离时，目标转速同实际转速的一致性保证了足够的控制能力。 2）速比变化速度控制 在早期的CVT 系统中，随节气门开度变化目标转速的控制策略，常在速比变化过快时产生许多问题：换档冲击和降档时的空档感。当速比变化过快时，响应过于敏感，即使节气门极轻微的变化也会导致发动机变化速度过大，产生振动：当速比变化过慢时，传动系对于降档和手动换档操作下的加速和制动响应相应变慢。 为解决以上问题，后来的CVT 系统设计有两种速比变化速度模式： 慢变速和快变速。根据驾驶员的手动换档和节气门操作，比如操作速度，动力切断与否，变换模式。正常操作时选择慢变速控制，这样可以通过连续改变发动机速度减少不必要的发动机速度上升和换档冲击。当通过手动换档和自动换档降档时，选择快变速控制来加快响应。详细地说，在变速开始，目标转速阶跃式升高，同时开关电磁阀临时激发来增加主、从动轮间压力差。 （2）起步离合器控制 起步离合器控制的技术目标是保证：动力中断功能；如变矩器般平滑地动力传递；锁止功能；转矩限制功能。实现上述目标的简单方法是起步离合器传递容量的可调整控制，该传递容量取决于系统结构和作为变矩器时的转速。 1）基本控制策略 为保证足够的操作平滑性，基本控制策略模仿液力装置的动作。在平衡条件下，节气门开度的改变意味着平滑转到另一个平衡状态，而没有液力装置的直接配合。由于自然的滑动，液力装置使得换档平顺，只是效率较低。 2）蠕变控制 蠕变操作模式仅对制动操作起作用，如果蠕变转矩过高，会产生一些不良后果：振动，燃油经济性变差。虽然增大变矩器传动容量可以增加燃油经济性，但同时产生了过大的蠕变转矩，不可能大幅度降低发动机转速来降低蠕变转矩。 - 13 - 带式无级变速器的结构设计 3）限矩控制 限矩控制是防止起步离合器传递容量超过带轮夹紧力的限制。传递容量限制取决于传递容量系数、转速系数和带轮速比的乘积。该值能够计算得到。而带轮夹紧力则需要多步计算，其中包括发动机输出转矩预测。 （3）带轮夹紧力控制 这个控制的目标是在整个运行过程中防止金属带滑动，同时，提供足够的夹紧力保证系统的效率和寿命。带轮压力(夹紧力)由带传递转矩、速比和离心力计算得到。速比和离心力可以通过测量各自转速很容易算出。然而金属带传递转矩却随汽车运行条件不同而改变，不容易算出。为解决这个问题，在这个系统中采取以各种方式校正的发动机输出预测米计算。 1）发动机输出转矩预测 进气歧管负压Pb 、发动机转速Ne 和转矩特性以数表形式存在CPU存贮器里。根据运行中测得的Pb 和Ne 修正存贮数表中的信息，便可得到发动机输出转矩。在实际运行中，由于要驱动辅助装置，即空调、交流发电机等，转矩要有损失。所以，处理中要扣除由于辅助运行产生的转矩损失，校正由于空燃比，点火正时，吸入空气温度导致的变化。 2）金属带输入转矩 为得到金属带输入转矩，必须校正惯性矩和由于CVT 油泵运行产生的转矩损失。像预测发动机输出转矩一样，每个参数特性都存在存贮器里，可以快速修正金属带输入转矩即是发动机输出转矩的修正。 CVT控制策略的实现 装有无级变速传动装置(CVT )的汽车，由于可实现速比的连续控制，使发动机能按照最佳燃油经济性曲线或动力性曲线工作，从而使整车获得最佳的动力性或燃油经济性。要保证良好的整车性能，实现带无级变速器的控制策略， CVT的速比控制是关键。要确定CVT 速比的变化规律，必需先确定与之匹配的发动机的工作特性。在建立了发动机输出转矩及油耗模型，得到发动机的万有特性图的基础上，对发动机特性进行分析，可得到发动机经济性和动力性换档规律曲线。根据换档规律曲线，在某一节气门开度下，为获得最小燃油消耗或最大功率有唯一对应的转速，变速器的传动比也就确定了。 CVT调节特性是通过控制系统使传动比按一定规律变化，汽车获得最佳的经济性或动力性。我们把按发动机经济性换档规律控制的控制模式称- 14 - 带式无级变速器的结构设计 经济模式，同样把按发动机动力性换档规律控制的控制模式称动力模式，把按发动机一般换档规律控制的控制模式称普通模式19, 20。 - 15 - 带式无级变速器的结构设计 第三章 带式无级变速器的设计 3.1 传动功率的确定 根据题目要求，参考本文所设计的带式无级变速器的给定的原始数据，以及所设计带式无级变速器的工作能力。确定该带式无级变速器的传动功率为10千瓦。 3.2 传动比的设置 传动比为系统的瞬时输入速度与输出速度之比。 本文所设计的带式无级变速器，主动轮旋转，运动通过带轮传动到从动轮，从动轮实现旋转，此时，通过旋转变速阀，增大与减小主动轮的可动部分与固定部分的距离，即夹紧带轮与放松带轮实现减速与加速，其中当主动轮旋转一周，主动轮旋转的周速比从动轮最多能旋转的周速，为此装置的最大传动比。 本文设计的带式无级变速器，当主动轮旋转一周时，从动轮最多旋转5周，最大传动比为1：51, 2。 3.3 初算中心距 带式无级变速器中心距是一个基本参数，对带式无级变速器的外形尺寸、体积和质量大小、工作轮的强度有影响。中心距越小，主动轮与从动轮会有相对的接触摩擦，带式无级变速器的寿命会受影响。因此，最小允许中心距应会当由带式无级变速器的工作性能，与使用寿命来确定。轿车变速器的中心距在 6580 mm 范围内变化，而货车的变速器中心距在80170mm 范围内变化。根据所设计的带式无级变速器的主动轮与从动轮的半径设定中心距为123 mm。 3.4 初算外形尺寸 轿车四档变速器壳体的轴向尺寸为（3.03.4） A。货车变速器壳体的轴向尺寸与档数有关，可参考下列数据选用： 四档（2.22.7）A ；五档（2.73.0）A ；六档（3.23.5）A15, 16。 以上所设计的变速器选用的常啮合齿轮对数和同步器多时，应是取给出的范围的上限。轴向尺寸为（3.03.4）A =369418.2 mm。 - 16 - 带式无级变速器的结构设计 但是，本文所设计的带式无级变速器主要是通过改变主、从动轮和带的接触半径（即工作半径）来实现传动比的连续变化的。主、从动轮组都由可动锥盘和固定锥盘组成，可动锥盘可以在主、从动轴上沿轴向移动，以保持带的张紧力，同时保证来自发动机的动力得到高效可靠的传递。带移动时，其在主动轮组和从动轮组上的回转半径发生变化，从而实现传动比的连续变化。因此不需要通过换档来实现调速，使变速器的结构和体积更小巧，简单。因此根据设计的结构以及各部分的尺寸确定外形的轴向尺寸为300 mm。 3.5 带式无级变速器轴的设计及其校核 3.5.1 带式无级变速器轴的设计原则 轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和