机械菱锥式无级变速器结构设计

1、目录第一章绪论51.1机械无级变速器的发展概况51.2机械无级变速器的特点1.3机械无级变速器的研究现状1.4 课题的研究内容和要求11理142.1 2.1无级变速器的工作原理142.2 菱锥无级变速器的结构特点162.3 菱锥无级变速器的变速原理17第三章菱锥无级变速器部分零件的设计与计算213.1 菱锥与主动轮结构尺寸的计算213.2 3.2传动件有关尺寸计算213.3 3.3传动件有关尺寸的校核223.4 加压装置有关尺寸的计算：233.5 输入、输出轴的结构设计：253.6 输入、输出轴上轴承的选用262727第四章主要零件的校核4.1 输出、输入轴的校核4.2轴承的校核29总结29致

2、谢31附录英文文献翻译339机械菱锥式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

3、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，具行很强的实用价值，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LingconeCVTmechanicalstructuredesignNAMETuYuTEACHE

4、RNieSonghuiAbstract:Themechanicalvanablespeeddnvesisageneralpuiposegeanngwhichcanaccommodatethevariablerequirementsoftheprocessplanning,mechanizationofthescheduledrawing,thedevelopmentofautomationandtheimprovementofthemechanicalworkingcapabilitiesThearticlebrieflyintroducetliebasicstructure,thev/ayo

5、fdesignandcalculation,materialandlubncateoftliepyramidtypevariablespeeddnves,andtakingthemasthetheorybasisofthedesignofmechanicalvanablespeeddrivesThisdesignusesthepyramidv/heelasthemiddletransmissioncomponent,bychangingitsworkingradiustorealizethecontinuouschangeoftheoutputaxisThisarticleanalyzesth

6、eworkingtheoryandtheworkingforcesoftliedrivewheel,pyramidwheelandouternngduringthetransmissionprocessItalsodeducesthepracticalcalculationfonnulaoftliepyramidwheeltypevariablespeeddiives,italsogoesonthematerialcalculationaimattheselectionparameterItprotractstheassemble-drawingofthepyramidwheeltypevan

7、ablespeeddrivesandtheaccessory-drawingofthemostlydnvecomponentSoitcanexpressmoreclearlyofthestructureandprocessplanningofthevariablespeeddiives.SincethevastmajontyofmechanicaltransmissionrelyonmechanicalfiictionCVTtotransmitpov/er,soitisofpoorqualitytowitlistandtheimpactofoverload,andcannotfiillfilt

8、hefootstncttransmissionratioThevariablespeeddnveshasgoodstructureandproperties,anditcanuseasbatchproductionThemostspecialties1widerangeofvanablespeed：theconstantoutputpower,3itcanrotatepositivelyandversedly,4stableaccuracyofspeed,5highoutputpower,6longlife,7sunplyandprecisecontrolofspeed,8easymainta

9、in.KeyWords:mechanicalvariablespeeddnves,fnctiortype,pyramidtype第一章绪论 1.1 1.1机械无级变速器的发展概况无级变速器（ContinuouslyVariableDansmission,简称CVT）是一种能够使机器的输出轴转速在两个极值范围内连续变化的传动部件。它具有输入和输出两根轴，通过固体、液体、电磁流等中间介质将输入、输出轴直接或间接地联系起来，以传递动力。当对输入输出轴的联系关系进行控制时，即可使两轴间的传动比在两个极值范围内连续而任意地变化。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和输出机构三部分组成

10、。传动系统的调速一般有两种方式:一种是动力源速度恒定，调节传动机构的传动比,即所谓的机械无级变速传动;一种是传动机构的传动比恒定，调节动力源速度，即所谓的电力无级变速传动。无级变速器的适用范围广，可以在驱动固定的情况下，因工作阻力变化而需要调节转速以产生相应的驱动力矩（如化工行业中的搅拌机械，即要求随着搅拌物料的粘度、阻力增大而能相应减慢搅拌速度）：可以根据工况要求调节速度（如起重运输机械要求随物料及运行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）；可以为获得恒定的工作速度或张力而需要调节速度（如断面切削机床加工时需保持恒定的切削线速度，电

11、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调节转速以保持恒定的张力）：可以为适应整个系统中各种工况、L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（如各种各样半自动或H动的生产、操作或装配流水线）；可以为探求获得最佳效果而需变换速度（如试验机械或离心机需调速以获得最佳分离效果）：可以为节约源而需进行调速（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综上所述，可以看出采用无级变速器，尤其是配合减速传动时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

12、品变换需要，节约能源,实现整个系统的机械化、自动化等各方面皆具有显著的效果。所以无级变速器目前已成为一种基本的通用传动形式，广泛应用于纺织、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 机械无级变速器的特点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向动变速器的成本；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

13、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1：况的最佳匹配，提高整车的燃油经济性。德国的大众公司在H己的GolfVR6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（如表1）安装4-AT和CVT的大众

14、公司的GolfVR6汽车的燃油消耗对比试验油耗4-ATCVTECE市区循环,L/100km14.413.2ECE郊区/远程循环，L/100km10.89.890km/li匀速，L/100kin837.0120km/h,L/100km10.39.22、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（MD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

15、，其废气排放量比安装4AT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20%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

16、非常简单、安全。从而使用户获得全方位的“行驶乐趣，无级变速器优缺点优点：制造成本低，动力输出平滑顺畅，燃油经济性堪比手动挡。缺点：由于钢制皮带本身的承受力有限，因此大排量大扭矩的轿车不太适合，也不适宜做激烈的运动。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

17、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，效盘低，发热严重，小适合长期负载运转，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），现己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

18、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，结构筒单，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。

19、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。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、

20、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、撰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

21、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、变速范闱大、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，可用尸需要中大功率范围。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

22、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。国际匕在机械式脉动无级变速器领域，H前以德国、美国和日本的技术水平较高，其成熟技术以德国

23、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nl=1440r/min,输出n2=01000i7min）、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。4 1.3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rr型橡胶带的cvr。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，无法满足汽乍行驶的要求。1972年HVa

24、nDoon】e博士成立VanDooniesTransmissionB.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-CVTo金属帚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兔杂性，直到1987年才实现CVT商品化。口本Siibam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1L2升）上，成功占领了口本市场。之后,欧洲的Ford和Fiat把CVT（机械式，P811型）装备于

25、发动机排量为L1L6L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采用机一液控制系统，P821采用电一液控制系统。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

26、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，口本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L6L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。金屈带式无级变速器由VDT公司取得重大突破，所以习惯上乂称为V

27、DTCVT,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。每组金屈环由数条厚为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

28、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、冷却和润滑的液东油源。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

29、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VDTCVT控制系统，分机一液控制系统和电一液控制系统。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。口本的本田公司开发的CVT中，采用是电一液控制系统,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

30、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初期产品多采用机一液控制系统，近期一般采用电一液控制系统，但电一液控制系统成本高。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

31、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210Nm,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。1.4课题的研究内容和要求本设计采

32、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

33、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

34、。随着社会化大生产的发展，生产制造技术的口益复杂，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调速、伺服控制调速等新技术。交流变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

35、。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，其应用己日益广泛。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，其调速范用、输出力矩等均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

36、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=3kw,输入转速n=1000

37、rpm,调速范围Rb=12：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。18第二章菱锥式无级变速器工作原理2.1 2.1无级变速器的工作原理无级变速器(CVT：ContinuousVariableTYansniission)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H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

38、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

39、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。CVT的工作原理CVT(ContinuouslyVariableTYansinission)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。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作出改动啦，比如本田就叫eCVT,而口产口产则称为H

40、yperCVT。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乂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）。C

41、VT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（AQ的车辆自动改变档位而处於不稳定的状态。CVT可以在保

42、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，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军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

43、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r按驾驶情况选择速比的最佳选择。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

44、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、加工匚艺的不断提高，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

45、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

46、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。在金屈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。随着车速的增加

47、，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，使得汽车能够以更高的速度行驶。2.2 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，而且相时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Q1、Q?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

48、的交角,很小，通常取/二7。，因输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4:25。、输出侧4=15),而摩擦副处所需的轴向压紧力乂较小，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。

49、油泵的挂油端装有高灵敏度流量开关，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。2.3 菱锥无级变速器的变速原理图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31,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a,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0.5dl,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

50、,菱锥2的接触半径为23。由图12.13(b)的尺寸关系得21、r23的函数式分别为r21=(LbH)tanb,r23=btan6,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05dle)1=砧门1,菱锥2与输出环之间的速度关系为O.5d303=cd2r23,则输出轴3的转速O3与传动比113分别为电=一(23“)/(r2id3)=-b-dla/CL-H-b)d3(12-10i13=忸/匈=|一(L-H-b)d3/(b4)|(12-17)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3

51、7KW,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，变速器的主要元件是主动轮3、菱锥4和外环8o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

52、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，因而不会打猾。启动时的压紧力是由预压弹赞提供的。R筝,，八 ,8、八图2-2支架分布图2-3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。3图2-4高低速输出轴21第三章菱锥无级变速器部分零件的设

53、计与计算3.1菱锥与主动轮结构尺寸的计算结构见图3-1图3-1菱锥结构尺寸查1表3-10因为此=12,则Lx、iz的推荐值为1.75、6.85则n2nx=i750r/min,n2nun=146r/min因n】=1000r/ndn,当ni#15OOr/miri时，查13-5Kw=0.77则计算功率Ni=P/Kn=3/0.77=3.896查1表3-12,变速器型号取K10表3-13,得菱锥工作高度h=63mm,主动轮工作直径D】=124,外环工作直径D”252mm,口接触线长度b=3mm,主动轮接触圆弧半区=0.5%XDi=124mm,所以R2coM二60mm 3 2传动件有关尺寸计算菱锥心轴倾斜

54、角a=45。，锥顶半角夕=38。菱锥母线与水平轴线的交角夕二0-夕二7菱锥长度L=2hsin80mm,最大直径dM=hsec。七80mlli,最小直径4=hsec0cos20=19.8mm21】cos/?27hcos/?由于表3-13所推荐A-lx及D?wA-ia2hcos。故菱锥的工作直径4un=D124min2hcos6d7d1+十%二/引8mm菱锥母线有效工作段长度dpux-dnunS=2sine改451nmSsin/?菱锥沿心轴方向移动量二sinammSsin夕Sj=支架水平移动量0na弋38mm支架凸缘间距Ha=L+Sa+2C,其中C035mm极限位置时，菱锥端面与凸缘间的间隙，通常

55、取035mm，此时取C=5mm,则HL+S，+2Cyo8nun.菱锥孔径取=14mm.3.3 传动件有关尺寸的校核DR21nm140x23.024%2二D?dia%=265x77.813xlOOO=156,319,Did2140x77.813II=ninax二D2dl1nm265x23.024xlOOO=1785.4744_%x1785.474ninun=156.319=11421785.474一二1000二l；85156.3L9imm=1000=0,156菱锥的转速,n=皿=6080.611r/minDi%n6HUH=1799.185r/min3.4 加压装置有关尺寸的计算：钢球式自动加压装

56、置它由加压盘4,加压钢球3,保持架2,调整垫圈7,蝶形弹黄6和摩擦轮与加压盘相对端面上各有的几条均布的V行槽。每个槽内有一个钢球，中间以保持架2保持钢球的相对位置。摩擦轮与加压盘之间还有预压碟行弹簧并衬以调整垫圈。改变调整垫圈的厚度，即可调整弹簧的变形量及预压力。如下图下图3T所示图3-1钢球V行槽式加压装置鼓形滚子中心圆直径dp】=(0.60.7叫，取d”84mm式中D1一一锥轮直径。加压盘V行槽的槽倾角/DJupjma式中a一锥轮锥顶半角；f一一锥轮与钢球的摩擦系数。d=(一)Dia_鼓形滚子直径610，取dqi-12mm鼓形滚子个数4二6,f=0.040.045,皿4=arctg槽倾角由

57、】夕=31。30取4:32。输出侧加压装置钢球中心圆直径dp?=(1L2JD2取dp2=270mm钢球直径为dq2,个数为Zl,则dq2=Mmm,zl=6,D=arctgr-槽倾角dp3siii/?=16o30取4二16。最大接触应力的验算由于按表推荐之D1与D?值小于按公式计算所得到的数值，而且4与方均未取理论计算值，故应进行允许传动功率N或最大接触应力?的验算。在设计时只需进行一项即可。接触点曲率半径4023.02477.813ei =h- 2 cosd =63- 2 x 0 788 =13. 626314.6091x140Pi = 25 cos/ + D 2xl4.6091x cos7 +140= 12.1022nun.D?_13.6263x265p1 = D3 -2e2 cos/? 265- 2 xl3.6362x cos7= 15.1753mm正压力955X104?!_2% ?tan% s