菱锥式无级变速器

1、i目 录第一章 概论.11.1 无级变速器的特征和应用.11.2 无级变速器类型.11.3 机械无级变速器的性能参数.41.4 机械无级变速器的研究现状.51.5 课题的研究内容和要求.8第二章 菱锥式无级变速器工作原理.102.1 无级变速器的工作原理.102.2 菱锥无级变速器的结构特点.122.3 菱锥无级变速器的变速原理.13第三章 菱锥无级变速器部分零件的设计与计算.173.1 电动机的选择.173.2 变速器基本型号的确定.173.3 菱锥与主动轮结构尺寸的计算.173.4 输入侧加压装置.183.5 输出侧加压装置.183.6 强度校核计算.193.7 输入、输出轴的结构设计.1

2、93.8 输入、输出轴上轴承的选用.20第四章 主要零件的校核.214.1 输出、输入轴的校核.214.2 轴承的校核.22总 结.23致 谢.24参考文献.25附 录 1：英文文献翻译及原文 .26附 录 2：英文文献原文 .29ii摩擦式机械无级变速器结构设计摩擦式机械无级变速器结构设计摘摘 要要: : 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

3、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，

4、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：关键词：机械无级变速器；摩擦式；菱锥锥轮式iiifriction mechanical structure designabstract: the mechanical variable speed drives is a general purpose gearing which can accommodate the variable requirements of the process planning, mechanization of the schedule d

5、rawing ,the development of automation and the improvement of the mechanical working capabilities. the article briefly introduce the basic structure, the way of design and calculation, material and lubricate of the pyramid type variable speed drives, and taking them as the theory basis of the design

6、of mechanical variable speed drives.this design uses the pyramid wheel as the middle transmission component, by changing its working radius to realize the continuous change of the output axis. this article analyzes the working theory and the working forces of the drive wheel, pyramid wheel and outer

7、 ring during the transmission process. it also deduces the practical calculation formula of the pyramid wheel type variable speed drives, it also goes on the material calculation aim at the selection parameter. it protracts the assemble-drawing of the pyramid wheel type variable speed drives and the

8、 accessory-drawing of the mostly drive component. so it can express more clearly of the structure and process planning of the variable speed drives. since the vast majority of mechanical transmission rely on mechanical friction cvt to transmit power, so it is of poor quality to withstand the impact

9、of overload, and can not fullfil the foot strict transmission ratio.the variable speed drives has good structure and properties, and it can use as batch production. the most specialties: 1 wide range of variable speed;2 the constant output power; 3 it can rotate positively and versedly; 4 stable acc

10、uracy of speed; 5 high output power; 6 long life; 7 simply and precise control of speed; 8 easy maintain.key words: mechanical variable speed drives, friction type, pyramid type1第一章第一章 概论概论1.11.1 无级变速器的特征和应用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；

11、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

12、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

13、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。1.21.2 无级变速器类型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2方式。 液体传动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，

14、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

15、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，

16、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：3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

17、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

18、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

19、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

20、械式脉动无级变速器领域，目前以德国、美国和日本4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。1.31.3 机械无级变速器的性能参数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

21、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

22、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=0.187.5kw,h 只有少部分结构类型达到 p1=75100kw,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 n

23、1=7000r/min。（3）输出转速 n2 一般是指一个变速范围或区段，即 n2=n2minn2max。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51221nni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min2max2nnrb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 与脉动度 在利用摩擦传动的

24、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，02n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02n02n（又称为滑差率或转差率） ，以 表示，即%10002202nnn滑动率 可通过测得的实际转速 n2算出一般变化范围为 =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 。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mm2min2max222脉动度 的大小随所采用的连杆机构

25、的结构而定，一般脉动度应为0.10.3。（7）机械效率 机械传动效率 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。1.41.4 机械无级变速器的研究现状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6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 h van-doorne 博士成

26、立 van doornes transmission b.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 11.2 升）上,成功占领了日本市场。之后,欧洲的 ford 和 fia

27、t 把 cvt（机械式，p811 型）装备于发动机排量为 1.11.6l 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

28、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 1.52.5l 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honda multi matic 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

29、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 vdtcvt，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7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

30、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

31、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 0.4452.6 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

32、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

33、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8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210nm，可应用在发动机排量 2.5l

34、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。1.51.5 课题的研究内容和要求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

35、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

36、液压调速技术。在电力调速技术中，由于直流调速技术的设备复杂，成本高，维护困难等不足，促使人们寻求一种更为先进的调速方式，即交流调速技术的研发已逐步取代了直流调速技术的使用。交流电动机虽然有很多优点，但其最大的缺点是调速困难。随着社会化大生产的发展，生产制造技术的日益复杂，对生产工艺的要求进一步提高，这就要求生产机械能够在工作速度、定位精度、快速启动和制动、控制灵活性和自动化水平等方面达到更高水平，力求既能够具有良好的驱动性能，使执行机构工作最优化，同时也能够把人们从繁重的体力劳动中解放出来。因此，人们努力寻找解决交流电动机调速难的问题，从而出现了更先进的变频9调速、伺服控制调速等新技术。交流变

37、频调速的理论基础是压频比一定的变频调速方法。目前变频调速控制器主要采用以下控制结构:交一交变频和交一直一交变频，变频控制可分为两类:脉冲幅值调节方式(pam)和脉宽调制方式(pwn)，后一种是目前变频控制中应用最多的一种方式。这两种控制方式基本上是基于异步电动机静态数学模型的基础，其运行动态性能指标不高，只能适用于一般工况，对于动态性能要求提高的应用场合又出现了交流矢量控制技术。近十年来，除交流变频调速外，交流伺服控制异军突起，其应用已日益广泛。由于伺服系统在矢量控制的基础上，通过电动机上的转子位置检测元件，对转子位置进行动态监控，使得整个系统具有非常高的动态响应特性，其调速范围、输出力矩等均

38、大大优于普通变频系统。交流伺服调速方式是当今最为先进的无级变速技术，其公认的优点使其必将成为日后调速控制的主要手段。随着其控制性能的日益完善，特别是信息技术等诸多功能的开发顺应了传动系统控制自动化的历史潮流，因此它必将成为未来调速技术的主流。在不断追求更先进、更高效的新型调速技术的同时，需要注意其性能价格比问题。因此，机械调速技术在一些简单的、要求不高的单机、手动调速工况中仍占有一席之地。所以未来的机械式无级变速器要求能够高效地传递功率，有较大的变速范围，调速性能稳定且运行平稳。采用齿轮啮合或杆件组合实现无级变速是机械式无级变速器今后发展的一个方向，因为这种类型的无级变速器可以实现无摩擦，高效

39、地传递大功率，变速平稳，寿命长，变速范围大且结构简单，制造容易。课题研究的内容：机械菱锥式无级变速器结构的设计；无级变速器变速器的结构设计与计算；对关键部件进行强度和寿命校核设计要求：输入功率 p=2.2kw，输入转速 n=1500r/min，调速范围 rb=6；结构设计时应使制造成本尽可能低；安装拆卸要方便；外观要匀称，美观；调速要灵活，调速过程中不能出现卡死现象，能实现动态无级调速；关键部件满足强度和寿命要求；画零件图和装配图。10第二章第二章 菱锥式无级变速器工作原理菱锥式无级变速器工作原理2.12.1 无级变速器的工作原理无级变速器的工作原理无级变速器(cvt：continuous v

40、ariable transmission)与有级式的主要区别在于：它的速比不是间断的，而是一系列连续的值，譬如可以从 3.455 一直变化到 0.85。cvt 结构比传统自动变速器简单，体积更小，它既没有手动变速器的众多齿轮副，也没有自动变速器复杂的行星齿轮组，它主要靠主、从动轮和金属带或滚轮转盘来实现速比的无级变化。其原理是与普通的变速箱一样大小不一的几组齿轮在操控下有分有合，形成不同的速比，像自行车的踏板经大小轮盘与链条带动车轮以不同的速度旋转。由于不同的力度对各组齿轮产生的推力大小不一，致使变速箱输出的转速也随之变化，从而实现不分档次的徐缓转动。cvt 采用传动带和可变槽宽的棘轮进行动力

41、传递，即当棘轮变化槽宽肘，相应改变驱动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速，传动带一般用橡胶带、金属带和金属链等。cvt 是真正无级化了，它的优点是重量轻，体积小，零件少，与 at 比较具有较高的运行效率，油耗较低。但 cvt 的缺点也是明显的，就是传动带很容易损坏，不能承受较大的载荷，只能限用于在 1 升排量左右的低功率和低扭矩汽车，因此在自动变速器占有率约 4 以下。近年来经过各大汽车公司的大力研究，情况有所改善。cvt 将是自动变速箱的发展方向。国内目前有多款车型装备了 cvt，如东风日产天籁、轩逸、奇骏等全系列车型，一汽大众奥迪，广汽本田飞度，南汽菲亚特西耶那、帕力奥，奇瑞旗云等。cv

42、t 的工作原理的工作原理 cvt (continuously variable transmission) 即无级变速器，是能在保持发动机的低油耗和低转速的同时连续无级改变速比的变速器。 11cvt 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作出改动啦，比如本田就叫ecvt，而日产日产则称为 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 围的。不知

43、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，此时发动机处於最佳运转状态。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，对於装配了只有 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

44、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，车子的变速处於不稳定的状态。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於不稳定的状态。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

45、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，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。由於是无级变速，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，对於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

46、 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12择。 由於传统的 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。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。它的内部并没有传统变速箱的齿轮传动结构，而是以两个可改变直径的传动轮，中间套上传动带来传动。基本原理是将传动带两端绕在一个锥形带轮上，带轮的外径大小靠油压大小进行无级的变化。起步时，主动带轮直径变为最大直径，而被动带轮变为最小，实现较高的传动

47、比。随着车速的增加和各个传感器信号的变化，电脑控制系统来断定控制两个带轮的控制油压，最终改变带轮直径的连续变化，从而在整个变速过程中达到无级变速。 而锥形带轮之间的传动带，在过去的一段时间，由于材质的原因，所受的拉力有限，所能承受的扭矩有限，只能用在摩托车式小排量车上。近些年来，随着材料技术、加工工艺的不断提高，生产出特殊材料制造的刚制传动带和锥型带轮。彻底实现了大功率、大扭矩轿车的要求。 cvt 最大的特点是无级控制输出的速比，在行驶中达到行云流水的感觉，从而没有了换档的感觉。乘员感觉不到换档冲击，动力衔接连贯。这样 cvt 在行驶时增加了舒适性，加速也会比自动变速器快。cvt 系统主要包括

48、主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。金属带由两束金属环和几百个金属片构成。主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组成，与油缸靠近的一侧带轮可以在轴上滑动，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 型槽来与 v 型金属传动带啮合。发动机输出轴输出的动力首先传递到 cvt 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、差速器传递给车轮来驱动汽车。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。由于主动轮

49、和从动轮的工作半径可以实现连续调节，从而实现了无级变速。 在金属带式无级变速器的液压系统中，从动油缸的作用是控制金属带的张紧力，以保证来自发动机的动力高效、可靠的传递。主动油缸控制主动锥轮的位置沿轴向移动，在主动轮组金属带沿 v 型槽移动，由于金属带的长度不变，在从动轮组上金属带沿 v 型槽向相反的方向变化。金属带在主动轮组和从动轮组上的回转半径发生变化，实现速比的连续变化。 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，从而保证驱动桥能够有足够的扭矩来保证汽车有较高的加速度。随着车速的增13加，主动轮的工作半径逐渐减小，从动轮的工作半径相应增大，cvt 的传动比下降，使得

50、汽车能够以更高的速度行驶。2.22.2 菱锥无级变速器的结构特点菱锥无级变速器的结构特点菱锥变速器的输入轴与输出轴位于同一轴线上，采用了中间体并列分流的传动结构，因而结构紧凑、体积小、单位体积的承载能力大。 菱锥的形状是对称的，两侧椎体的接触母线 a 和 b 平行，而且相对于输入和输出轴倾斜安装。因为来菱锥与主动轮和外环的连线在变速及运转过程中始终与母线 a、b 垂直，所以主动轮和外环作用在菱锥上的压紧力1q、2q互相抵消，菱锥及其心轴不受弯曲力矩作用。这样，菱锥心轴和菱锥之间的滚针轴承几乎没有磨擦损失。图 3-51 是菱锥装在支架上的情况。菱锥母线与水平轴线之间的交角很小，通常取=07，因输

51、入和输出轴的轴承上受到的轴向力很小，仅为法向总压紧力的 1/8,因此，传递大功率时轴承负载不严重。采用了两套钢球 v 形槽自动加压装置，保证了传动件不会受到不必要的、过大的预压紧力，为提高传动效率与寿命有利。由于加压装置的槽升角较大（输入侧1=o25、输出侧o152） ，而摩擦副处所需的轴向压紧力又较小，因此加压装置的动作特别灵敏，抗冲击能力也较强。由于结构对称，变速器可以正反转。它靠散热片散热降温，并提高壳体刚性。目前，国外生产的中小型菱锥无级变速器（10kw）是与电动机直接联接的，传动部分靠飞溅润滑；而较大功率者（10kw 以上）则有风扇冷却，并用油泵进行强迫润滑。油泵的排油端装有高灵敏度

52、流量开关，当排油量下降时，它立即使主电机停止。为了适应大起动转矩和冲压负载的条件，在电机与变速器之间装有磁粉离合器。菱锥变速器的安装形式有立式和卧式两种，可根据需要选用。142.32.3 菱锥无级变速器的变速原理菱锥无级变速器的变速原理3p3t3t3p302r23r21blh(b)(a)d1d3d213r23r21r23r2113o2o2o22t3 p32 图 2-1 菱锥式无级变速器原理图 2-1 为一种型式的菱锥式无级变速器。输入轴 1 的转速为 1，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 ，菱锥 2 绕自身的轴线转动，菱锥 2

53、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(lbh)tan，r23btan，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 0.5d1 12 r21，菱锥 2 与输出环之间的速度关系为 0.5d3 32 r23，则输出轴 3 的转速 3与传动比 i13分别为)1612()/()/()(311321

54、11233dbhldbdrdr)1712()/()(/133113dbdbhli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 37 kw，机械效率为 0.80.93，传动比在 0.87 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。图 2-2 为菱锥在支架上的分布；图 2-3 示为菱锥无级变速器的两种结构，15变速器的主要元件是主动轮 3、菱锥 4 和外环 8。菱锥一般为 38 个圆周方向均布支撑在支架 11 上。钢球 v 形槽加压装置 2 的加压盘用键联接在输入轴 1

55、 上，而主动轮 3 则滑套在轴 1 上，轮 3 在加压装置的作用下以适当的压力与菱锥接触，菱锥 4 又始终与外环 8 保持接触。外环 8 与从动轮 6 之间也是用钢球 v 形槽式加压装置联接的。因此，动力由轴 1 输入经自动加压装置 2 传给 3，再依靠摩擦力的作用，经菱锥 4、外环 8、输出侧加压装置 7 和从动轮 6 而传递到输出轴 5 上。由于菱锥变速器是升、降变速型的，所以采用了两套自动加压装置，各传动副之间的压紧力是与负载成正比变化的，因而不会打滑。启动时的压紧力是由预压弹簧提供的。16图 2-2 无级变速机的两种结构 调速时，滑动齿轮（螺杆）10，通过支架 11 上的齿条（螺母）使

56、支架 11作水平轴向移动，而菱锥 4 则在随支架作水平移动的同时，还自动地沿菱锥心轴作相对滑动，使菱锥两侧椎体的工作直径发生变化，从而实现无级调速。图2-4 是输出转速最低和最高时，菱锥与主、从动轮的相对位置。调速是在运动过程中进行的。图 2-3 高低速输出轴17第三章第三章 菱锥无级变速器部分零件的设计与计算菱锥无级变速器部分零件的设计与计算要求：输入功率p1=2.2 kw；同步转速 n=1500r/min;调速范围 rn=6（升 1.55 降 3.87） 。3.13.1 电动机的选择电动机的选择按工作要求和工作条件，选用一般用途的 y100l1-4 系列笼型三相异步电动机。表 3-1 装置

57、的运动和动力参数电动机型号额定功率/kw满载转速r/min堵转转 矩额定转 矩最大转 矩额定转 矩质量/kgy100l1-42.214302.22.334 3.23.2 变速器基本型号的确定变速器基本型号的确定输入转速 n1 =1430 r/min输出转速 n2 = n11.55 n11/3.87=3702217 r/min变速器型号根据2p67 表 25.2-27 选择型号 k2.5。183.33.3 菱锥与主动轮结构尺寸的计算菱锥与主动轮结构尺寸的计算菱锥个数 由1表 252-30 z=6；菱锥心轴倾斜角 由1表 252-30 =45；菱锥母线与水平线夹角 由1表 252-30 =7；锥顶

58、半角 =457=38；菱锥的工作高度 由1表 252-30 h=45mm；菱锥与锥轮接触宽度 由1表 252-30 b=2mm；主动轮工作直径 由1表 252-30 d1=85mm；主动轮接触圆弧半径 r1=0.5 d1=42.5mm；从动环工作直径 由1表 252-30 d2=174.3mm；从动环接触圆弧半径 ；mm8 .427cos285cos2r12d菱锥最小工作直径 ；mm1785/3 .17455. 1138cos452/1cos2d12maxminddih菱锥最大工作直径 ；mm4 .4685/3 .17487. 3/1138cos452/1cos2d12minmaxddih菱锥

59、长度 l=2hsin=55.4mm；菱锥最小直径 d x=hseccos2=13.8mm；菱锥最大直径 d s =h/cos=57.1mm；菱锥孔径 按照滚正轴承选取 =14mm；菱锥母线有效工作长度 ；mm9 .2338sin2174 .46sin2minmaxdds菱锥沿本身轴向移动量 ；mm1 . 445sin38sin9 .23sinsinssa菱锥与支架凸缘 c1 =5mm；菱锥支架凸缘间距离 ha=l+sa +2c1=69.5mm；菱锥支架水平移动总量 ；mmsch8 .20sinsins3.43.4 输入侧加压装置输入侧加压装置鼓形滚子中心圆直径 dp1=0.7d1=59.5mm

60、；鼓形滚子直径 dq1=1/7 d1=12.1 取 dq1=12；19鼓形滚子个数 z1=6；槽升角 取1=25； 4148277sin5 .5985045. 0arctansinarctan111pdfd3.53.5 输出侧加压装置输出侧加压装置钢球中心圆直径 dp2=1.1d1=192mm；钢球直径 dq2=1/12d1=17.4 取 dq2=16；钢球个数 z2=6；槽升角 取1=15； 5331187sin1923 .174045. 0arctansinarctan221pdfd3.63.6 强度校核计算强度校核计算接触点曲率半径 mmde8 .1038cos217cos2min1 ；