毕业设计（论文）-机械摩擦式无级变速器结构设计

PAGE1PAGE目录TOC\o"1-3"\h\u5151摘要 29355Abstract 315855第一章绪论 4161191.1引言 432521.2国内外发展现状 4183491.3无级变速器的分类及工作原理 597671.4无级变速器特征及使用场合 610425第二章基本参数和形式选择 788182.1设计的基本参数及要求 7242332.2无级变速器的工作原理 7258082.3机械特性 815652第三章变速器设计计算 11251503.1摩擦无级变速器的特点 11239043.2锥轮的设计与计算 1137393.3钢环的设计与计算 15115743.3.1钢环尺寸和参数的确定 15112453.3.2强度验算 1730433.4轴系的设计 18216663.5轴的结构设计 192482第四章主要零件的校核 2084554.1输出、输入轴的校核 20189864.2轴承的校核 212380总结 2217523致谢 2328874参考文献 24摘要无级变速是相对于有级变速来说，更能够快捷、迅速的实现范围更大的变速。在工作的时候，通过一些控制系统的操作，能够确保变速器的输出端能够在预定的两个变速范围内实现连续变化的任意速度，从而达到无级变速的目的。随着机械设计的不断进步、理念不断的创新，材质性能不断提高以及加工工艺的不断优化改进，无级变速以其广泛的应用条件以及应用范围而不断扩大应用范围。无级变速一般都存在一根主动轴和一根从动轴，两根轴实现扭矩的输入和输出，其中通过一些介质能够把两根轴实现直接或者间接的联系在一起，从而实现扭矩的输送，介质一般有机械、流体、电磁等等集中。在实际运动的时候，当对两根轴的中间介质进行操作的时候，能够使得相互之间的传动比在预定的范围内出现连续的变化，从而实现了可控的无级变速。本次毕业设计所研究的机械摩擦式无极变速器首先分析了其工作原理，对其基本结构和变速传动等结构、工作状态、以及传动系统进行了分析研究，然后对其整体结构以及关键零部件进行了设计计算，并最终形成了设计说明书和图纸。关键词：无级变速器；摩擦式；传动；润滑；AbstractSteplessspeedchangeisfasterandfastertoachievewiderrangechangecomparedwithstepspeed.Atwork,throughtheoperationofsomecontrolsystems,theoutputendofthetransmissioncanbeensuredatanyspeedofcontinuouschangeinthetwopredeterminedrange,thusachievingthegoalofsteplessspeedchange.Withthecontinuousimprovementofmechanicaldesign,continuousinnovationofconcept,continuousimprovementofmaterialperformanceandcontinuousoptimizationandimprovementofprocessingtechnology,CVTexpandsapplicationrangewithitswideapplicationconditionsandapplicationrange.CVTusuallyhasanactiveaxisandadrivenaxis.Thetwoaxescancarryouttheinputandoutputoftorque.Throughsomemedia,thetwoaxescanbeconnecteddirectlyorindirectlytogethertorealizethetransmissionoftorque,andthemediumgenerallyhasmechanical,fluid,electromagneticandsoon.Intheactualmovement,whentheintermediatemediumofthetwoaxesisoperated,thetransmissionratiobetweeneachothercanbechangedcontinuouslyinthepredeterminedrange,thusthecontrollablesteplessspeedchangecanbeachieved.Themechanicalfrictiontypenonpoletransmissionstudiedinthisgraduationdesignfirstanalyzeditsworkingprinciple,analyzeditsbasicstructure,variablespeedtransmissionandotherstructures,workingstate,andtransmissionsystem.Then,thewholestructureandkeypartsweredesignedandcalculated,andthedesigninstructionswerefinallyformed.Anddrawings.Keywords:continuouslyvariabletransmission,friction,transmission,lubrication.绪论引言无极变速是一种能够在输入不变的情况下，通过内部一些列的机械摩擦，在输出端能够实现一定范围内持续变化的转速，从而满足了在不同的生产生活中面对不同情况的速度要求。在机构中，其主要有传动机构、调速装置一级输出机构等三部分组成。无极变速能够实现速度的无级变化，这是在生产生活中很多情况下都需要应用到的地方，由于无级变速能够实现体积小、变速范围广等优点，所以也是在现实生活中广泛应用到的。相比于传动的定传动比传动或者有级变速传动，其具有更广阔的变速范围而应用广泛。在本次毕业设计中就是研究无级变速，设计一个可靠、稳定、操作性强的机械摩擦无级变速结构，使之能够稳定工作。本次毕业设计以此为目的，希望能够对大学期间所学习的专业知识进行运用，通过对知识的总结运用达到学以致用和理论联系实际的目的，从而实现对大学所学习知识的总结和提升。同时通过毕业设计的过程，提高自己发现问题、解决问题、分析问题的能力，不但在专业知识有一定的升华，同时在个人综合能力方面有一定的提高。国内外发展现状无级变速器最早出现的时间是十九世纪八九十年代的时候，到了上个世纪三四十年代的时候开始快速的发展，但是由于当时可选择的加工材质以及加工工艺等无法满足更加先进的要求，所以在一定程度上也限制了这种变速器的发展。之后随着工业革命的发展以及各种技术的突破发展，特别是计算机技术的发展，大大加快了对材质以及加工工艺的革命。所以到了八十年代之后，伴随着冶金技术以及精密加工机床的出现，特别是一些更加先进的传动理论和液压控制系统的出现以及突破性发展，无级变速的很多难点问题都迎刃而解。一些限制性因素也逐渐的不存在了，一些生产工业流程以及自动化、机械化的生产和加工，都极大的促进了无级变速器的发展。于是在一些机械设备、加工应用等领域无级变速的应用越来越广发，这更加促进了无级变速系统的创新和发展改革。国内的无级变速机构以及应用起步较晚，发展也较慢，在上个世纪五六十年代才开始起步。在最开始主要是作为专业的零部件进行设计和生产，应用范围较窄，主要是对专业的机械设备进行仿造和防止，比如常见的纺织机械无极传动、切削机床所要求的无级传动等。由于应用范围不是很广、所以产量都比较小，规格型号也有限。到了上个世纪八九十年代后，随着我国产业技术的升级以及对自主设备的研发需要，大量的国外设备被引进、吸收和整合。特别是对于一些自动化流水生产线来说，需要大量的无级变速进行调节速度、距离等，在这种背景下，我国的科研机构以及大学院校开始了大规模对无级变速的研究，同时一些先进的企业也开始对无级变速进行研究，并开始引进、吸收、整个国外的先进无级变速器的设计和相关的机械结构。经过了较长一段时间的发展滞后，由于冶炼技术的提高以及精密加工工艺的普及，特别是一些润滑材料对摩擦性能带来的改善，使得机械无极变速器发展快速，并形成了系列化生产，并在市场上进行应用。近些年来，随着人们对石油等能源的担忧，一些无级变速器在车辆工程中应用也逐渐多了起来，特别是随着电动汽车的出现，人们对机械摩擦无级变速器在交通工具中的应用逐渐重视了起来，并且采取了多项的技术研究并取得了一定的成效。无级变速最早出现在十九世纪就是年代，受限于当时的技术、材料以及工艺等特点，发展较慢，后来进入到二十世纪中期之后，特别是随着工业革命的开展，一些先进的加工冶炼技术得到了推广应用，无级变速器的发展得到了迅速的突破。同时随着工业生产对这些自动化、机械化的无级变速装置需求较为旺盛。在这种背景下，欧美以及日本等国家开始研制出了各种样式的无级变速器，并且生产了一些经典的无极变速器，比如摩擦式的、脉动式等。目前对于机械摩擦无级变速器来说，其应用理论并没有完全被发掘或者应用，很多知识并不完全充分。同时在一些附件方面，比如润滑剂等的选择和应用也是有一定的空间，需要通过研发新的润滑剂来提高传动的效率，同时在整体结构方面仍然需要优化整合，突破功率小、传输扭矩小等不足之处，真正实现工业化生产和大规模的应用。1.3无级变速器的分类及工作原理无级变速根据其变速的原理分为机械式、液压式以及电动式三种。每种变速方式都有自己独特的特点以及应用场合。本次毕业设计所研究的是自行车用无级变速器，所以只把机械无级变速作为研究的对象。机械无级变速器是一种动能传导的设备装置，它在工作的时候，能够在输入速度保持恒定的情况下，实现输出在一定变速范围内的变化。从而满足自行车或者其他生产需要。这种变速器的结构主要是由变速传动机构、调速机构以及输出装置等三部分组成。机械式无级变速的主要目的是利用结构内增减速的功能实现速度进一步的变化以及扭矩等参数的变化，从而能够满足不同的工作需求。进一步实现能源的充分利用，降低成本。同时能够更加实现机械的自动化、程序化操作。所以机械式无极变速已经发展成为一个常用的结构模式，能够广泛应用到工矿生产、包装食品等行业。1.4无级变速器特征及使用场合机械摩擦无级变速的工作性能取决于传动机构和压紧装置的工作性能，他们的性能直接决定了变速器的性能。在工作中主要的失效形式就是传动部分和预紧元件之间的摩擦失效，一般形式有压溃、胶合以及点腐蚀等。所以未来增加摩擦强度，提高硬度，其传动部分和压紧部分一般都是采用高强度合金钢加工而成，在保证具有重组润滑的情况下，各个传动部件都是保持着线接触，同时由于在旋转运动，所以接触点并不是固定不变的。所以在这种工作状态，传动部件所出现的作用力都是交变变化的接触力，工作时压力能够达到两千兆帕左右，在工作中所带来的点腐蚀和磨损之后所产生的严重后果就是工作中出现严重的震动、噪声等现象，特别严重的时候就会威胁到震动从而影响正常的工作。加压元件在工作的时候作用力属于静压力，但是由于整体构造的限制，其接触应力一般都是采用更高的传动零部件，所以对于表面来说出现点蚀是比较常见的现象。根据上面的分析可以看到，机械摩擦无级变速能够实现较大分为内的持续变速，能够使用不同的工况以及生产特性，在输出速度、扭矩方面具有独特的有点，适应能力强，同时又以其工作成本低、体积小等应用较为广泛。由于能够实现在线实时变速，所以整个系统更加能够实现自动糊啊控制，易于实现机械化运行。所以机械摩擦无级变速是一种应用范围较广的传动，在防止、机电、矿山等领域都有应用。基本参数和形式选择2.1设计的基本参数及要求本次毕业设计的基本参数是依靠任务书给定的参数进行设计计算的，基本参数如下：输入功率P：1.5kw；输入转速n：1400rpm；调速范围R：9。设计要求根据基本参数选择比较合适的传动、结构方案，并对其中结构的设计进行计算。要求所设计的机械摩擦无级变速器安装方便、结构匀称、调试方便，能够实现无级变速的要求，对关键零部件要求校核，以确保满足使用要求。2.2无级变速器的工作原理本次毕业设计所研究的机械摩擦无级变速器的结构如下图3-1所示。通过图示可以看到，主要传动的是两个平衡的轴，分别是图示轴1和轴4，两个轴上分别安装着两对能够分离的锥形轮，两个锥轮之间有一个钢环共同链接着，钢环是没有支撑的，当两根轴都是一个水平面的时候，由于重力的作用，钢环会附在两个锥轮上，当两根轴在一个平面内的时候，钢环和锥轮之间会有一定的作用力，也就是呈现一个过盈配合状态，从而能够提供一定的压紧力。追轮和两个轴之间是采用花键进行连接装配的，这样锥轮在轴数能够进行轴向的移动。在工作的时候，所需要传递的扭矩和速度就是通过钢环和锥轮之间的摩擦进行传递的。图3-1钢环分离锥轮式无级变速器1-主动轴2、3—从动锥轮4—从动轴5—拉杆6—调节套7—小齿轮8、10—主动锥轮9—钢环在工作需要调速的时候，通过操作手柄进行操作，它通过齿轮齿条传动带动调节套进行前、后移动，然后通过拉杆的作用使得锥轮带着支撑套也会进行前、后移动，这样就能够改动主动锥轮的工作直径，通过主动锥轮直径的增大以及从动锥轮的工作直径减小实现无级变速的目的。对于钢环和锥轮之间的间隙，初始时是具有一定的压力的，其压力的大小可以通过拉杆进行调节，当松开止动销之后，通过螺纹能够使得锥轮的相对位置出现变化，这样当具有一定的空置位置之后，就可以通过止位销对其进行定位调整，一般这种状态的调整是在即将开始工作的时候进行的，工作时时不能调整的。2.3机械特性无级变速的机械特性指的是输出轴上所输出的转矩或者功率和转速之间的关心，同时确保速度是一定的。其中转矩用M2表示，功率用N2表示，转速用n2表示。在机械特性曲线中，以转速作为横坐标，然后功率或者转矩作为纵坐标，可以得到机械特性曲线如下图2-1所示。图2-1机械特性及刚性系数通过图2-1可以看到，在曲线是，任意一点的斜率都是负值，，这种曲线传动的方式称之为机械特性在这种特定的工作状态下的刚度系数，表示为k，作为k表达公式如下：K=-=tan从k表达的公式可以看到，其就是输出的转矩和转速之间的变化曲线。从图中如果特性曲线上的各个点K值变大的话，其变化率也会对应的变大，并且随着n2的减小，M2的值也会升高并且是很快速的，反之亦会有相同的变化趋势出现。在无级摩擦变速中，外部转矩的变化对输出的速度几乎没有影响，因为通过无级变速，速度的输出是不便的，所以这种机械特性就相对比较硬。对于特性曲线上各点的刚度比较小的时候，外部转矩、负载等很小的变化都会引起转矩较大的变动，这种机械特性的特点就比较软。对于机械无极变速来说，其特性大致可分为以下几种。第一种是恒功率的特性，其功率特性如下图2-2所示。这种情况下输出的特点是功率保持不变，输出功率如下公式表示：N2=cM2n2=常量公式中的c表示一个常数系数。图2-2恒功率与恒转矩机械特性通过图示可以看到变速器的输出转矩和转速之间呈现的曲线关系，通过图示可以看到，对一些机械特性比较硬的变速来说，在低速运转的时候，载荷对转速的影响变化很小，低速运转对速度的影响也很小，工作中能够保持较高的稳定性，能够充分发挥驱动功率的特性。对于恒转矩的特性，如上图中的虚线所表示，由于输出的转矩M2是常数，所以在功率和速度成为正比的时候，刚度的系数取值就是零，这时候如果负载大于额定输出负载，则输出的速度就会立马下降为零，从而出现打滑的现象，导致传送终端，导致扭矩或者速度无法传送过来。对于功率和转矩都改变的地方，一般其输出的转速都会随着驱动端的功率和扭矩而出现变化，规律复杂多样，具体的曲线需要通过试验进行确定。第三章变速器设计计算3.1摩擦无级变速器的特点根据前面章节对机械摩擦无级变速器的工作原理进行分析介绍，其具有以下特点：钢环具有自加压功能，这样能够确保主、从动锥轮能够始终在一体，不需要另外设计增加相应的装置，所以构造简单、成本低。变速范围大，能够进行对称调速，能够进行升速和降速的传动变化，传动比能够达到0.3到3.2之间，变速范围达到了10。由于锥轮的结构以及钢环的结构，决定着二者的锥距较大，所以会产生一定的滑动，这样传动效率就会降低，达到了0.8左右，所以在设计的时候为了减少传动效率，一般通过改成点接触的形式。传动功率大。机械特性好，近乎达到了恒功率特性。同时可以通过增加锥轮的相关尺寸来提高其承载能力。无级变速器在应用的场所一般应用到高速级传动系统中，同时内部通过浸油润滑使元件始终处于润滑中。在摩擦元件的材质方面，不论是钢环还是锥轮使用的都是GCr15加工而成，经过处理器表面硬度不低于HRC58~64，并且经过研磨工艺，表面光洁度在8以内。3.2锥轮的设计与计算材料的选取根据前面的章节可以看到，由于主要摩擦传动元件钢环和锥轮都需要确保一定的强度和硬度，根据机械设计手册，材料都是选择了GCr15，表面硬度HRC58~64，摩擦系数f=0.04，根据资料查询可得其许用接触应力点接触[σj]=22000kgf/cm2线接触[σ]=18000kgf/cm2。轴的材质选择45钢，并经调质处理。图3-2所选材料及硬度的[σj]值根据相关的参考资料，对其中的一些数据做初步的选择，然后在进行验证或者验算。选择Cr=1.90，c=0.9,Ψ=3.0，锥顶角=120度。（2）按点接触情况计算锥轮最小工作直径Dmin。cosθ==0.6175按cosθ=0.617591查《机械无级变速器》书表中（1-2）得(αβ)-1≈0.90表3-2cos的数值代入下式计算

Dmin≥184408αβ得：——传动可靠系数，取=1.25(3)按线接触情况计算Dmin.cmDmin根据前面两种计算的结构，对所计算的数值取整，去Dmin=25mm，则能够同时满足点接触强度和线接触强度，同时能够保证钢带工作不会出现损坏。(4)然后计算锥轮的最大工作直径，公式如下：Dmax==(5)锥轮锥顶角2α=的确定.取2α=120度(6)主，从动锥轮之间中心距a的确定.a=（1.15~1.25）Dmax=1.2*7.5=9(7)计算锥轮和钢环的工作宽度，计算公式如下：b===0.4811cm圆整为0.5cm。(8)锥轮小端直径Di的确定.Di=Dmin-bsin=2.5-0.5*sin60=2.067cm圆整为2.2cm。(9)锥轮大端直径De的确定.De=Dmax+bsin=7.5+0.5*sin60=7.933cm圆整为8.0cm。锥轮的基本结构简图如下图3-3所示。图3-3固定锥轮零件图3.3钢环的设计与计算3.3.1钢环尺寸和参数的确定1）钢环工作直径的确定圆整为14cm。2）钢环工作宽度的确定圆整为3cm。3）钢环宽度的确定取B=3.5cm。4）钢环厚度的确定取h=3.2cm。5）点接触时钢环接触区的圆弧半径的确定圆整为12cm。6）钢环内经的确定取内径。7）钢环外径的确定8）钢环剖面积的确定圆整为12cm9）钢环剖面重心的回转半径的确定10）中性层所在半径的确定11）重心至中性层的距离的确定12）内周至中性层的距离的确定13）外周至中性层的距离的确定可移动锥轮和钢环的工作结构简图如下图3-4所示。图3-4钢环零件图钢环选择的材质是GCr15，经过渗碳以及淬火处理后硬度达到HRC63，在锥轮和钢带接触的表面是上，其不平行度允差是0.02mm，不同心度允差是0.01mm。并且表面不允许出现损伤或者裂纹。3.3.2强度验算本次所研究设计的机械摩擦式无级变速器的输出功率随着输出转速的的增加而增加，但是相应的输出的速度则会有一定的降低，所以是变功率、变转矩的传动在计算的时候首先计算钢环内部所承受的压力，计算公式如下：于是得然后计算钢环外部的正应力：计算钢环接触外剖面内的最大应力计算钢环的许用应力[σ]=式中：σs——材料屈服限，根据钢环所选择的材料GCCr15，可以查询得到s=380~420N/mm2。[S]——许用安全系数，取[S]=2于是算得：[σ]=200N/mm2根据前面的计算可以看到，钢环的各处作用力均小于许用应力，所以强度满足使用要求。3.4轴系的设计首先计算输入轴的转矩，计算公式如下：然后确定输出轴的最小直径，计算公式如下：一般轴的材质选择额是45钢，所以可以查询得到常数系数A0取值为112，然后对计算的值可取最小直径为12mm。输出轴的最小尺寸一般是和联轴器相连接的，所以对轴的直径的选择需要综合考虑联轴器的孔径等尺寸。对于联轴器的选择，首先计算计算转矩：Tca=KAT在本次设计的传动系统中，一般所传递的转矩不大，所以去Ka值为1.3，则带入计算得：Tca=1.3*10232=13302N根据计算的计算转矩以及联轴器的尺寸，依据相关的国家标准，选择HL4型弹性柱销联轴器。3.5轴的结构设计对于轴的结构设计，需要满足轴上各个零部件的定位设计，根据相配合的零部件，对每一段的尺寸以及长度进行设计。自左向右，第一段在右侧需要设计一个轴肩进行定位，设定这一段的直径是14mm，同时根据联轴器，长度选择150mm，则第二段的直径为17mm，对于左侧的定位则需要利用挡圈进行定位，挡圈的直径为19mm。轴需要做旋转运动，所以设计有滚动轴承。在本次轴承运动的过程中，主要承受的是径向力，所以选择深沟球轴承，根据轴径，选择轴承的型号为6005，他的基本尺寸是19×39mm，所以直径选择19mm，宽度则是11mm。轴承的一层采用轴肩进行定位，根据轴承的特性，选择轴肩的高度为3mm。然后根据各个锥轮的尺寸确定剩余尺寸lⅡⅢ=115mm，lⅢⅣ=20mm，lⅣⅤ=21mm，lⅤⅥ=60mm。=26mm图3-5轴的零件图第四章主要零件的校核4.1输出、输入轴的校核根据强度第一许用公式对弯扭组合校核轴的强度，计算如下：=17.8MPa根据所选择的轴的材质为45钢，可以查询得到，通过计算可看到所设计的轴能过满足要求。对于轴的截面，虽然键槽、轴肩等配合处是受力比较集中的部位，在本次设计计算的轴最小直径是12mm，实际取值是14mm。所以校核的时候仍然按照12mm计算，如果能够满足要求则就具有较宽的强度空间，计算如下：抗弯界面系数：W=0.1×d=0.1×12=172.8mm抗扭界面系数：W=0.2×d=0.2×12=345.6mm查表得：材料灵敏性系数为：有效应力集中系数为：尺寸系数，扭转尺寸系数。按磨削加工，表面质量系数为：得综合系数为：又由表得碳钢的特性系数取=0.1取=0.05于是，计算安全系数按公式得故可知安全。4.2轴承的校核根据所选择的轴承可以查询得到其额定静载荷C0为38KN，额定动载荷为61.8KN，则首先计算轴向载荷的e值和Y值，带入计算得：在表中介于0.07～0.13之间，相对应的e值为0.27～0.31，Y为1.6～1.4。2）用线性插值法求Y值。X=0.56，Y=1.5973）求当量动载荷4）验算轴承的寿命：所以安全。总结毕业设计是最后一次作业，他既是对学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好开端，毕业设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力；是我在校期间向学校所交的最后一份综和性作业，从老师的角度来说，指导做毕业设计是老师对学生所做的最后一次执手训练。其次，毕业设计的指导是老师检验其教学效果，改进教学方法，提高教学质量的绝好机会。万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在此要感谢我们的指导老师对我悉心的指导，感谢老师们给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我懂得只有平静下来，认认真真的学习才能逐渐进步。致谢在论文即将完成之际，我想向曾经给我帮助和支持的人表示衷心的感谢。作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起协作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的导师。他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查