1424-菱錐式無級變速器的結構設計

1424-菱錐式無級變速器的結構設計,菱錐式,無級,變速器,結構設計 湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書題 目：菱錐式無級變速器結構設計專 業(yè)： 機械設計及其自動化 學 號： 2007964212 姓 名： 姚昊雄 指導教師： 聶松輝 （教授） 完成日期： 2011 年 5月 I目錄第一章 緒論………………………………………………………………11.1機械無級變速器的發(fā)展概況………………………………………………………1 1.2機械無級變速器的特點……………………………………………………………1　 1.2.1無級變速器的技術特性………………………………………………………………………11.2.2無級變速器優(yōu)缺點……………………………………………………………………………21.2.3無級變速器類型………………………………………………………………………………31.3機械無級變速器的研究現(xiàn)狀………………………………………………………51.3.1國內研究形式…………………………………………………………………………………51.3.2國際研究形式…………………………………………………………………………………51.3.3變速器技術未來發(fā)展趨勢……………………………………………………………………61.3.4未來注重節(jié)能環(huán)保技術………………………………………………………………………61.4課題的研究內容和要求……………………………………………………………7第二章 菱錐式無級變速器工作原理……………………………………82.1 CVT的工作原理……………………………………………………………………82.2 菱錐無級變速器的變速原理 ……………………………………………………9第三章菱錐無級變速器部分零件的設計與計算 ………………………123.1、電動機的選擇……………………………………………………………………123.2、變速器基本型號的確定…………………………………………………………123.3、菱錐與主動輪結構尺寸的計算…………………………………………………123.4、輸入側加壓裝置…………………………………………………………………133.5、輸出側加壓裝置…………………………………………………………………133.6、強度校核計算……………………………………………………………………143.7、輸入、輸出軸的結構設計………………………………………………………143.8、輸入、輸出軸上軸承的選用……………………………………………………15第四章 主要零件的校核…………………………………………………………164.1 輸出、輸入軸的校核……………………………………………………………164.2 軸承的校核………………………………………………………………………17總結………………………………………………………………………………………18致謝………………………………………………………………………………………19參考文獻………………………………………………………………………………20中英文翻譯……………………………………………………………………………21II機械菱錐式無級變速器結構設計摘要:機械無級變速器是一種傳動裝置，其功能特征主要是：在輸入轉速不變的情況下，能實現(xiàn)輸出軸的轉速在一定范圍內連續(xù)變化，以滿足及其或生產系統(tǒng)在運轉過程中各種不同工況的要求。本文簡要介紹了菱錐式機械無級變速器的基本結構、設計計算的方法、材質及潤滑等方面的知識，并以此作為本次無級變速器設計的理論基礎。菱錐式無級變速器其主要特點是： 一是為升、降速型；二是采用多個菱錐分流傳動，承載力大，變速范圍寬，恒功率特性好，摩擦損耗小，傳動效率高；三是可以正反轉，并能使輸入、輸出端互換以獲得低或高的輸出轉速；四是采用兩套自動加壓裝置，工作可靠，調壓迅速；五是運轉平穩(wěn)，抗沖擊能力較強。這次設計采用的是以菱形錐輪作為中間傳動元件，通過改變錐輪的工作半徑來實現(xiàn)輸出軸轉速連續(xù)變化的菱錐錐輪式無級變速器。論文中分析了在傳動過程中變速器的主動輪、菱錐、和外環(huán)的工作原理和受力關系；詳細推導了實用的菱錐錐輪式無級變速器設計的計算公式；并針對設計所選擇的參數進行了具體的設計計算；繪制了所計算的菱錐錐輪式無級變速器的裝配圖和主要傳動元件的零件圖，將此變速器的結構和工藝等方面的要求表達得更為清楚。關鍵詞：機械無級變速器 摩擦式 菱錐錐輪式IIILing cone CVT mechanical structure designAbstract ：The mechanical variable speed drives is a general purpose gearing which can realize a constant viaration of output shaft rotating speed in certain degree with the same input rotate speed so as to meet the production system’s demands during all kinds of operating situations. The article briefly introduces 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 of mechanical variable speed drives.The most specialties of Ling cone CVT mechanical: 1 capable of improve and lower the speed; 2 large bearing capacity, wide range of variable speed, constant output power, small friction loss and high transmission efficiency; 3 it can rotate positively and versedly so as to exchange the input and output with corresponding low or high output rotational speed; 4 precise control of speed and easy presure regulating; 5 stable accuracy of speed and strong impact resistance.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 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 accessory-drawing of the mostly drive component. So it can express more clearly of the structure and process planning of the variable speed drives. Key Words: mechanical variable speed drives, friction type, pyramid type1第一章 緒 論1.1 機械無級變速器的發(fā)展概況無級變速器（Continuously Variable Transmission，簡稱 CVT）是一種能夠使機器的輸出軸轉速在兩個極值范圍內連續(xù)變化的傳動部件。它具有輸入和輸出兩根軸，通過固體、液體、電磁流等中間介質將輸入、輸出軸直接或間接地聯(lián)系起來，以傳遞動力。當對輸入輸出軸的聯(lián)系關系進行控制時，即可使兩軸間的傳動比在兩個極值范圍內連續(xù)而任意地變化。其結構特征主要是：需由變速傳動機構、調速機構以及加壓裝置和輸出機構三部分組成。傳動系統(tǒng)的調速一般有兩種方式:一種是動力源速度恒定，調節(jié)傳動機構的傳動比，即所謂的機械無級變速傳動;一種是傳動機構的傳動比恒定，調節(jié)動力源速度，即所謂的電力無級變速傳動。無級變速器的適用范圍廣，可以在驅動固定的情況下，因工作阻力變化而需要調節(jié)轉速以產生相應的驅動力矩（如化工行業(yè)中的攪拌機械，即要求隨著攪拌物料的粘度、阻力增大而能相應減慢攪拌速度） ；可以根據工況要求調節(jié)速度（如起重運輸機械要求隨物料及運行區(qū)段的變化而能相應改變提升或運行速度，食品機械中的烤干機或制藥機械要求隨著溫度變化而調節(jié)轉移速度） ；可以為獲得恒定的工作速度或張力而需要調節(jié)速度（如斷面切削機床加工時需保持恒定的切削線速度，電工機械中的繞線機需保持恒定的卷繞速度，紡織機械中的漿紗機及輕工機械中的薄膜機皆需調節(jié)轉速以保持恒定的張力） ；可以為適應整個系統(tǒng)中各種工況、工位、工序或單元的不同要求而需協(xié)調運轉速度以及需要配合自動控制者（如各種各樣半自動或自動的生產、操作或裝配流水線） ；可以為探求獲得最佳效果而需變換速度（如試驗機械或離心機需調速以獲得最佳分離效果） ；可以為節(jié)約源而需進行調速（如風機、水泵等）；此外，還有按各種規(guī)律的或不規(guī)律的變化要求而進行速度調節(jié)以及綜上所述，可以看出采用無級變速器，尤其是配合減速傳動時進一步擴大其變速范圍與輸出轉矩，能更好地適應各種機械的工況要求，使之效能最佳，在提高產品的產量與質量，適應產品變換需要，節(jié)約能源，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的機械化、自動化等各方面皆具有顯著的效果。所以無級變速器目前已成為一種基本的通用傳動形式，廣泛應用于紡織、輕工、食品、包裝、化工、機床、電工、起重運輸、礦山冶金、工程、農業(yè)、國防、及試驗等各類機械，已開發(fā)有各種類型并已系列化生產。1.2機械無級變速器的特點　　 1.2.1無級變速器的技術特性目前 CVT 技術發(fā)展得相當迅速，各大汽車廠家都在加強這一領域的研發(fā)。尤其是在混合動力汽車具有廣泛前景的將來，CVT 的地位和作用更是無可替代，它將會是未來變速器發(fā)展的大趨勢。下面從以下幾點出發(fā)分析無級變速器的技術特性。1、經濟性CVT 可以在相當寬的范圍內實現(xiàn)無級變速，從而獲得傳動系與發(fā)動機工況的最佳2匹配，提高整車的燃油經濟性。德國的大眾公司在自己的 Golf VR6 轎車上分別安裝了4-AT 和 CVT 進行 ECE 市區(qū)循環(huán)和 ECE 郊區(qū)循環(huán)測試，證明 CVT 能夠有效節(jié)約燃油(如表 1) 安裝 4-AT 和 CVT 的大眾公司的 Golf VR6 汽車的燃油消耗對比 　試驗油耗 4-AT CVTECE 市區(qū)循環(huán),L/100km 14.4 13.2ECE 郊區(qū)/遠程循環(huán), L/100km 10.8 9.890km/h 勻速，L/100km 8.3 7.0120km/h，L/100km 10.3 9.22、動力性汽車的后備功率決定了汽車的爬坡能力和加速能力。汽車的后備功率愈大，汽車的動力性愈好。由于 CVT 的無級變速特性，能夠獲得后備功率最大的傳動比，所以CVT 的動力性能明顯優(yōu)于機械變速器(MT)和自動變速器(AT)。 3、排放CVT 的速比工作范圍寬，能夠使發(fā)動機以最佳工況工作，從而改善了燃燒過程，降低了廢氣的排放量。ZF 公司將自己生產的 CVT 裝車進行測試，其廢氣排放量比安裝 4-AT 的汽車減少了大約 10%。 4、成本CVT 系統(tǒng)結構簡單，零部件數目比 AT(約 500 個)少(約 300 個)，一旦汽車制造商開始大規(guī)模生產，CVT 的成本將會比 AT 小。由于采用該系統(tǒng)可以節(jié)約燃油，隨著大規(guī)模生產以及系統(tǒng)、材料的革新，CVT 零部件(如傳動帶或傳動鏈、主動輪、從動輪和液壓泵)的生產成本，將降低 20%-30%。 勿庸置疑，CVT 變速器的技術含量和制造難度都要比 MT 變速器高，與 AT 變速器相仿，由于金屬帶式 CVT 的結構簡單，所含的零件數量比 AT 變速器少 40％左右，整車的質量因而也有所減輕。 5、駕駛平順性由于 CVT 的速比變化是連續(xù)不斷的，所以汽車的加速或減速過程非常平緩，而且駕駛非常簡單、安全。從而使用戶獲得全方位的“ 行駛樂趣” 。1.2.2 無級變速器優(yōu)缺點優(yōu)點：CVT 技術真正應用在汽車上不過十幾年的時間，但它比傳統(tǒng)的手動和自動變速器的優(yōu)勢卻是顯而易見的： 1. 結構簡單，體積小，零件少，大批量生產后的成本肯定要低于當前普通自動變速器的成本； 2. 它的工作速比范圍寬，容易與發(fā)動機形成理想的匹配，從而改善燃燒過程，進而降低油耗和排放； 3. 具有較高的傳送效率，功率損失少，經濟性高。 缺點：由于鋼制皮帶本身的承受力有限，因此大排量大扭矩的轎車不太適合，也3不適宜做激烈的運動。傳動帶容易損壞，無法承受較大的載荷等等，這些技術上的難關使得它一直以來多應用在小排量、低功率的汽車上。1.2.3 無級變速器類型為實現(xiàn)無級變速，按傳動方式可采用液體傳動、電力傳動和機械傳動三種方式。 液體傳動液體傳動分為兩類：一類是液壓式，主要是由泵和馬達組成或者由閥和泵組成的變速傳動裝置，適用于中小功率傳動。另一類為液力式，采用液力耦合器或液力矩進行變速傳動，適用于大功率（幾百至幾千千瓦） 。 液體傳動的主要特點是：調速范圍大，可吸收沖擊和防止過載，傳動效率較高，壽命長，易于實現(xiàn)自動化：制造精度要求高，價格較貴，輸出特性為恒轉矩，滑動率較大，運轉時容易發(fā)生漏油。 1.2.3.1 電力傳動電力傳動基本上分為三類：一類是電磁滑動式，它是在異步電動機中安裝一電磁滑差離合器，通過改變其勵磁電流來調速，這屬于一種較為落后的調速方式。其特點結構簡單，成本低，操作維護方便：滑動最大，效率低，發(fā)熱嚴重，不適合長期負載運轉，故一般只用于小功率傳動。 二類是直流電動機式，通過改變磁通或改變電樞電壓實現(xiàn)調速。其特點是調速范圍大，精度也較高，但設備復雜，成本高，維護困難，一般用于中等功率范圍（幾十至幾百千瓦） ，現(xiàn)已逐步被交流電動機式替代。 三類是交流電動機式，通過變極、調壓和變頻進行調速。實際應用最多者為變頻調速，即采用一變幅器獲得變幅電源，然后驅動電動機變速。其特點是調速性能好、范圍大、效率較高，可自動控制，體積小，適用功率范圍寬：機械特性在降速段位恒轉矩，低速時效率低且運轉不夠平穩(wěn)，價格較高，維修需專業(yè)人員。近年來，變頻器作為一種先進、優(yōu)良的變速裝置迅速發(fā)展，對機械無級變速器產生了一定的沖擊。 1.2.3.2 機械傳動機械無級變速器與液力無級變速器和電力無級變速器相比，結構簡單，維護方便，價格低廉，傳動效率較高，實用性強，傳動平穩(wěn)性好，工作可靠。特別是某些機械無級變速器在很大范圍內具有恒功率的機械特性（這是電力和液壓無級調速裝置所難達到的） 。因此，可以實現(xiàn)能適應變工況工作，簡化傳動方案，節(jié)約能源和減少污染等要求，但不能從零開始變速。機械式無級變速器按傳動原理一般可分為：摩擦式、帶式、鏈式和脈動式四大類,約 30 種類型。1、摩擦式 摩擦式無級變速器是指利用主、從動剛性元件(或通過中間元件)在接觸處產生的摩擦力和潤滑油膜牽引力進行傳動，并可通過改變其接觸處的工作半徑進行無級變速的一種變速器。摩擦式無級變速器由三部分組成:傳遞運動和動力的摩擦變速傳動機構 ;保證產生摩擦力所需的加壓裝置;實現(xiàn)變速的調速機構。它具有各種不同的結構類型，一般可分為:直接傳動式，即主、從動摩擦元件直接接觸傳動;4中間元件式，即主、從動元件通過中間元件進行傳動;行星傳動式，即中間元件作行星運動的傳動機構。目前，國內應用較廣或已形成系列進行生產的主要有:錐盤環(huán)盤式、多盤式、轉環(huán)直動式、鋼球錐輪式、菱錐式、行星錐盤和行星環(huán)錐無級變速器等。2、鏈傳動式 鏈式無級變速器是一種利用鏈輪和鋼質撓性鏈條作為傳動元件來傳遞運動和動力的機械變速裝置。它屬于開發(fā)較早、應用較多的一種通用型變速器。鏈式無級變速器由鏈輪和鏈條構成的傳動機構、調速機構和鏈條張緊加壓機構三部分組成。它是通過主、從動鏈輪的兩對錐盤的軸向移動實現(xiàn)調速的。按鏈條結構形式可分為以下幾類:滑片鏈無級變速器、滾柱鏈無級變速器、套環(huán)鏈無級變速器、擺銷鏈無級變速器等幾種。前兩種變速器發(fā)展比較成熟，應用廣泛，后兩種變速器體現(xiàn)了鏈式無級變速器的發(fā)展方向。3、帶傳動式 它與鏈式變速器相似，其變速傳動機構是由作為主、從動帶輪的兩對錐盤及張緊在其上的傳動帶組成。其工作原理是利用傳動帶左右兩側面與錐盤接觸所產生的摩擦力進行傳動，并通過改變兩錐盤的軸向距離以調整它們與傳動帶的接觸位置和工作半徑，從而實現(xiàn)無級變速。它由于具有結構簡單，工作平穩(wěn)等優(yōu)點，在機械無級變速器中可以說是應用最廣的一種。帶式無級變速器根據傳動帶的形狀不同，可分為平帶無級變速器和 V 帶無級變速器兩種類型。帶式無級變速器結構簡單、承載能力強、變速范圍大、制造容易、工作平穩(wěn)、易損件少、能吸收振動、噪聲低、節(jié)能環(huán)保、帶的更換方便，尤其是它克服了以往各類無級變速器傳遞功率較小的缺點 ,可用于需要中大功率范圍。因而是機械無級變速器中廣泛應用的一種；其缺點是外形尺寸較大而變速范圍較小。4、脈動式 脈動式無級變速器主要由傳動機構、輸出機構(超越離合器)和調速機構三個基本部分組成的低副機構，故具有以下特點：傳動可靠、壽命長、變速范圍大、調速精度高、最低輸出轉速可為零、調速性能穩(wěn)定、靜止和運動時均可調速、結構較簡單、制造較容易。但它存在著有待進一步解決的問題，例如：調速范圍在擴大之后，在結構和使用上如何實現(xiàn)增速變速傳動和采用復合式超越離合器；高速輸出時不平衡慣性力所引起的振動增大，如何避免共振現(xiàn)象；低速輸出時脈動不均勻性顯著增加，如何提高單向超越離合器的承載能力和抗沖擊能力等。國際上，在機械式脈動無級變速器領域，目前以德國、美國和日本的技術水平較高，其成熟技術以德國的 GUSA 型及美國的 ZERO-MAX 型系列產品為代表。就目前來說，鑒于結構性能上的局限性，現(xiàn)有脈動式無級變速器主要用于中小功率(18kW 以下)、中低速 (輸入 n1=1440r/min，輸出 n2=0-1000r/min)、降速型以及對輸出軸旋轉均勻性要求不嚴格的場合。例如在熱處理設備、清洗設備以及化工、醫(yī)藥、塑料、食品和電器裝配運輸線等領域的應用。51.3 機械無級變速器的研究現(xiàn)狀1.3.1 國內研究形式隨著中共十七屆五中全會召開，中國政府起草并通過了國家“十二五”規(guī)劃，規(guī)劃中明確提出，中國迫切需要完成從汽車大國到汽車強國的轉變。 中國要成為汽車強國，首先要克服自主技術這塊短板。而汽車的核心部分——動力總成，仍是國內一直沒有完全掌握的關鍵汽車零部件技術之一。在發(fā)動機發(fā)展了數十年之后，變速器，尤其是自動變速器成為了制約國內動力總成技術發(fā)展的重要因素。 自動變速器，幾乎所有的自主整車企業(yè)都在進行研發(fā)，也有企業(yè)推出了產品，但結構都比較簡單，技術很落后，換檔平順性和經濟性都讓人難以滿意。拿 AT為例，國內車企研究時間最長的是 4AT，尚做不出成熟產品，除了如布置方案上的技術困難，AT對生產設備和工藝控制的要求也是難以具備的。這些因素同樣體現(xiàn)在構造特殊的 CVT上面。而對于 AMT、DCT，最大的技術難點是在于軟體發(fā)展和控制。在制造方面，部分可以延續(xù)手動變速器的齒軸生產設備，但加工精度仍需要大幅提高。 目前國內，自動變速箱基本依靠國際廠商提供產品或者技術，市場競爭還處在手動變速器和自動變速器之間，中國的變速箱發(fā)展同國際水平差距很大，尚處在初級階段。國內手動變速器的技術在國際上也較為落后，雖然目前大部分廠商都擁有生產手動變速器的設備和能力，但普遍以 5檔手動變速箱為主，對于 5 檔以上的產品，還得借助一些國外技術進行研究，并且生產出來的產品或多或少還存在齒輪敲擊嘯叫噪音、換檔性能低下等問題?？梢哉f，目前國內的手動變速器在制造或研發(fā)方面處于尚未成熟的階段。 1.3.2 國際研究形式從國際變速器市場看，不同區(qū)域的變速器裝配情況也不一樣。這里主要以日本、歐洲、北美舉例。 日本市場一直以來都比較特殊，狹小的國土面積、擁擠的城市交通和對于 CVT長期深入的研究使得 CVT和 AT共存；歐洲出于環(huán)保和節(jié)能，主要采用手動變速器。但近年來，市場不斷被自動變速器吞噬；而在北美地區(qū)，AT 市場占有率最高。消費者習慣于對 AT的偏愛，而且美國車輛一向以車身大、排量大、油耗高著稱，加上相對較低的油價，美國汽車三巨頭堅持不懈地對 AT的研究和提高。 幾年前出現(xiàn)的雙離合變速器（DCT） ，結合了手動變速器的燃油經濟性、運動性和自動變速器的方便舒適性。世界范圍內在對其進行大規(guī)模研究和制造，北美已經開始在注重舒適性的同時，尋求可以降低油耗的方案，DCT 便是很好解決方案之一，而其4AT已經成為落后技術，其將被 6AT或者是更多檔位的 AT或者是 DCT代替；而在歐洲市場，DCT 顯示出了更為流行和普遍的趨勢，依靠現(xiàn)成的手動變速器生產設施和條件，DCT在歐洲已經被大量生產（大眾的 DSG） 。由于 DCT比 4AT節(jié)約大約 10%油耗，今后其會逐漸占據一部分原有的手動變速器和 AT的市場。 6可見 DCT的出現(xiàn)在一定程度上改變了目前的市場格局。未來短期，全球的變速箱市場競爭主要會在各種自動變速器（AT、CVT、和 DCT）間展開。 1.3.3 變速器技術未來發(fā)展趨勢從目前國內技術和生產設備的狀況考慮，手動變速器將占據今后的大部分市場。國內的研究重點主要在 5、6 檔的手動變速器以及性能提升。 AMT 由于其仍然存在換檔中斷的特性，只能局限于低端汽車，此外 AMT 正越來越多的應用在商用車，尤其是重卡上，基于在手動變速器的基礎上增加的控制模塊和執(zhí)行機構，是 AMT 開發(fā)的最大難點。 CVT 的關鍵部件處于少數公司壟斷狀態(tài)而且對于加工精度要求很高，再加上中國路面狀況對于關鍵部件的嚴峻考驗，CVT 不太可能成為國內企業(yè)主攻研發(fā)方向。AT 雖然在國內有多年研究經驗，但一直沒有實現(xiàn)量產，無論從布局設計、軟件開發(fā)還是部件生產，都有著相當大的難度和障礙，而在國際上 4AT 已經成為落后技術，6AT 技術都已成熟，開始進入 8AT 的研究階段。因此國內主要研發(fā)重點也不會在 AT 上，而是直接從國外購買現(xiàn)成產品或者技術。DCT 作為有著各方面均衡性能的新興熱門技術，既能滿足經濟性、舒適性，又擁有較強的運動性，能夠滿足消費者各種駕駛需求，加上它在手動變速器生產設備上的延續(xù)性，今后必將成為國內各車企的研究重心，不過極大的開發(fā)難度和高成本也使得其產業(yè)化之路漫漫長遠。但隨著技術的成熟和批量生產之后的成本降低，DCT 將會迎來井噴式的市場增長。 1.3.4 未來注重節(jié)能環(huán)保技術隨著人口不斷增多，能源被不斷開采消耗，節(jié)能和環(huán)保成為人們越來越關心的主題。去年底召開的哥本哈根全球氣候峰會更讓低碳節(jié)能迫在眉睫。汽車作為工業(yè)的重要組成部分，節(jié)能環(huán)保將作為其長期重要技術發(fā)展戰(zhàn)略之一。 汽車的節(jié)能環(huán)保技術主要有：一、發(fā)展先進小排量發(fā)動機汽車；二、燃油經濟的動力總成技術；三、輕量化的新型汽車材料應用；四、新能源技術（主要是混合動力和純電動車） 。而直接與變速器相關的就是第二項和第四項技術。 從燃油經濟性來看，在所有自動變速器中，AT 和 CVT表現(xiàn)相對較差，AMT 和 DCT表現(xiàn)良好；從混合動力技術匹配來看，手動變速器是無法進行匹配的，而在自動變速器里，DCT、AT 和 CVT的匹配性相當好。 因此，應用于汽車節(jié)能環(huán)保技術趨勢，無論是從燃油經濟性還是混合動力的匹配性來看，自動變速器都是必然，尤其是在各方面表現(xiàn)相對完美的 DCT，無疑會受到更多關注。 而新能源汽車的另一大技術便是純電動車。雖然目前被炒的沸沸揚揚，但撇開浮躁仔細分析，電池、電驅動控制和電機是電動車產業(yè)化的最大技術障礙，而這其中每個問題都需要長期的研究才能得到解決，尤其是電池，牽涉到太多的瓶頸性難題，并且廣泛的基礎設施的建設需要巨大投資和長遠規(guī)劃。71.4課題的研究內容和要求課題研究的內容：機械菱錐式無級變速器結構的設計；無級變速器變速器的結構設計與計算；對關鍵部件進行強度和壽命校核主要內容及基本要求1、鋼錐無級變速器的結構設計； 2、輸入功率 P=1.5kw，輸入轉速 n=1500rpm，調速范圍 R=8（升 1.6降 3.87） ；3、一張裝配圖 A0#1 張，零件圖總量 A0#1 張； 4、設計說明書一份； 5、英文文獻一份。 8第二章 菱錐式無級變速器工作原理2.1 CVT的工作原理CVT 的主要結構和工作原理如圖 1所示，該系統(tǒng)主要包括主動輪組、從動輪組、金屬帶和液壓泵等基本部件。金屬帶由兩束金屬環(huán)和幾百個金屬片構成。主動輪組和從動輪組都由可動盤和固定盤組成，與油缸靠近的一側帶輪可以在軸上滑動，另一側則固定。可動盤與固定盤都是錐面結構，它們的錐面形成 V型槽來與 V型金屬傳動帶嚙合。發(fā)動機輸出軸輸出的動力首先傳遞到 CVT的主動輪，然后通過 V型傳動帶傳遞到從動輪，最后經減速器、差速器傳遞給車輪來驅動汽車。工作時通過主動輪與從動輪的可動盤作軸向移動來改變主動輪、從動輪錐面與 V型傳動帶嚙合的工作半徑，從而改變傳動比?？蓜颖P的軸向移動量是由駕駛者根據需要通過控制系統(tǒng)調節(jié)主動輪、從動輪液壓泵油缸壓力來實現(xiàn)的。由于主動輪和從動輪的工作半徑可以實現(xiàn)連續(xù)調節(jié)，從而實現(xiàn)了無級變速。在金屬帶式無級變速器的液壓系統(tǒng)中，從動油缸的作用是控制金屬帶的張緊力，以保證來自發(fā)動機的動力高效、可靠的傳遞。主動油缸控制主動錐輪的位置沿軸向移動，在主動輪組金屬帶沿 V型槽移動，由于金屬帶的長度不變，在從動輪組上金屬帶沿 V型槽向相反的方向變化。金屬帶在主動輪組和從動輪組上的回轉半徑發(fā)生變化，實現(xiàn)速比的連續(xù)變化。 汽車開始起步時，主動輪的工作半徑較小，變速器可以獲得較大的傳動比，從而保證驅動橋能夠有足夠的扭矩來保證汽車有較高的加速度。隨著車速的增加，主動輪9的工作半徑逐漸減小，從動輪的工作半徑相應增大，CVT 的傳動比下降，使得汽車能夠以更高的速度行駛。2.2 菱錐無級變速器的變速原理菱錐式無級變速器屬于有中間元件式的無級變速器，它是由瑞士柯普（koop）公司繼 Koop-B型之后，于 50年代末研制開發(fā)出的一種類型，稱為 Koop-K型無級變速器。應用比較廣泛，除瑞士外，日、英、美等國也有生產。菱錐式（Koop-K）無級變速器的基本結構如圖 2.1所示。主要傳動元件為 3-8個沿周向外均布的菱錐 4，各菱錐兩頂端有心軸 9插入支架 11的相應孔中并可繞支架轉動，菱錐內、外兩側則分別與主動輪 3和從動外環(huán) 8壓緊進行傳動。主動輪 3和從動外環(huán) 8分別通過鋼球 V形槽自動加壓裝置 2和 7與輸入軸 1、輸出軸 5聯(lián)接。工作時，輸出軸 1經自動加壓裝置 2帶動套在軸 1上的主動輪 3，通過壓緊裝置產生的摩擦力傳動菱錐 4和從動外環(huán) 8，再經自動加壓裝置 7傳動到輸出軸 5.在主、從動兩側采用兩套自動加壓裝置是為了適應輸入、輸出進行反方向傳動，保證傳動件免受過大的壓緊力，提高傳動效率和壽命，而且加壓動作靈敏。圖 2.1 菱錐式（Koop-K）無級變速器的結構1-輸出軸 2、7-加壓裝置 3-主動輪 4-菱錐 5-輸出軸 6-從動輪 8-從動外環(huán) 9-心軸 10-調速螺桿 11-支架10調速機構是螺桿 10及固接于支架 11的螺母。調調速時，轉動螺桿，通過螺母支架 11帶動著菱錐 4作水平移動，從而改變了菱錐內、外側與主動輪 3和從動環(huán) 8的接觸位置以及工作半徑，實現(xiàn)無級調速。圖 2.2表示了輸出轉速為最小（左）和最大（右）時菱錐 4和主動輪 3、從動外環(huán) 8的接觸位置。同時由圖 2.2尚可以看出，不僅可采用螺桿、螺母，也可以采用齒輪和齒條作為調速機構。圖 2.2 Koop-K型變速器調速原理左：最小輸出轉速 右：最大輸出轉速菱錐按照對稱設計，兩圓錐面母線 A、B 平行，而且相對于輸入、輸出軸傾斜安裝（見圖 2.3）設計時要求接觸點 a、b 的連線，不管變速比如何變化，應總是與母線A、B 垂直，所以主動盤作用于菱錐上的接觸壓力 Q1 和外環(huán)作用于菱錐上的接觸壓力Q2 總是完全相抵消，使得菱錐母線與水平軸線的交角很小。 （通常取 7 度） ，所以只有很小的軸向載荷（為總接觸壓力的 1/8）作用于支持輸入、輸出軸的軸承上。因此在傳遞大功率時，軸承的負載并不大。圖 2.3菱錐式無級變速器1-輸出軸 2、7-加壓裝置 3-主動輪 4-菱錐 5-輸出軸 6-從動輪 8-從動外環(huán) 9-心軸 10-調速螺桿 11-支架11設計加壓裝置時，應注意，為了保證迅速可靠的傳遞動力，輸入側與輸出側的結構不應對稱，輸出側加壓裝置的槽側角通常取 30°左右，輸出側加壓裝置的槽傾角通常取 18°左右。Koop-K 型無級變速器的技術參數見表 2.4機械特性曲線輸出功率 p/kw 0.55-3 0.37-75輸出轉速 n/kw 1500 1500變速比 R 12（降速 7、升速 1.7）輸出轉速 n（min-max）r/min 230-1800,185-2600傳動效率% 80-93滑動率 4-9 1-2.2派生形式 外接齒輪或渦輪減速器生產國 中國 瑞士、日本這類變速器的其主要特點是： 一是為升、降速型；二是采用多個菱錐分流傳動，承載力大，變速范圍寬，恒功率特性好，摩擦損耗小，傳動效率高；三是可以正反轉，并能使輸入、輸出端互換以獲得低或高的輸出轉速；四是采用兩套自動加壓裝置，工作可靠，調壓迅速；五是運轉平穩(wěn)，抗沖擊能力較強。因此是性能比較優(yōu)良的通用型無級變速器，缺點是體積大。廣泛的用于機床、化工、包裝、木工、食品、印刷等各種機械行業(yè)。12第三章 菱錐無級變速器部分零件的設計與計算3.1、電動機的選擇按工作要求和工作條件，選用一般用途的 Y90L-4系列籠型三相異步電動機。電動機型號 額定功率/KW滿載轉速r/min堵轉轉 矩額定轉 矩最大轉 矩額定轉 矩質量/KgY90L-4 1.5 1400 2.3 2.3 273.2、變速器基本型號的確定輸入轉速 n 1 =1400 r/min輸出轉速 n 2 = n1×1.6~n1×1/5=280~2240 r/min變速器型號根據【2】P67 表 25.2-27選擇型號 K2.53.3、 菱錐與主動輪結構尺寸的計算結構見圖 3-1圖 3-1菱錐結構尺寸菱錐個數 由【1】表 25·2-30 z=6；菱錐心軸傾斜角 由【1】表 25·2-30 α=45°；菱錐母線與水平線夾角 由【1】表 25·2-30 β=7°；錐頂半角 θ=α－β=45－7=38°；菱錐的工作高度 由【1】表 25·2-30 h=45mm；菱錐與錐輪接觸寬度 由【1】表 25·2-30 b=2mm；主動輪工作直徑 由【1】表 25·2-30 D1=85mm；主動輪接觸圓弧半徑 R1=0.5 D1=42.5mm；13從動環(huán)工作直徑 由【1】表 25·2-30 D2=174.3mm；從動環(huán)接觸圓弧半徑 ；m8.47cos5s2R1?????菱錐最小工作直徑 ；6.15/3.6.1s2/d2maxin???Ih?菱錐最大工作直徑 ；.08/.74.0co/1cos12inax ?????DI菱錐長度 L=2hsinθ=55.4mm；菱錐最小直徑 d x=hsecθcos2θ=13.8mm；菱錐最大直徑 d s =h/cosθ=57.1mm；菱錐孔徑 按照滾正軸承選取 φ=14mm；菱錐母線有效工作長度 ；m4.2738sin6.150si2minax?????dS菱錐沿本身軸向移動量 ；.4i.7i???a菱錐與支架凸緣 C1 =5mm；菱錐支架凸緣間距離 Ha=L+Sa +2C1=70.1mm；菱錐支架水平移動總量 ；mSc9.23sin???3.4、 輸入側加壓裝置鼓形滾子中心圓直徑 dp1=0.7D1=59.5mm；鼓形滾子直徑 dq1=1/7 D1=12.1 取 dq1=12；鼓形滾子個數 z1=6；槽升角 取 λ 1=25°；'4827sin5.904arctsinarct1 ???????pdf3.5、輸出側加壓裝置鋼球中心圓直徑 dp2=1.1D1=192mm；鋼球直徑 dq2=1/12D1=17.4 取 dq2=16；鋼球個數 z2=6；14槽升角 取 λ 1=15°；'53187sin192.405.arctsinarct21 ????????pdfD3.6、強度校核計算接觸點曲率半徑 mde5.1038cos26.min1????；h.34ax2??當量曲率半徑 De 4.857cos.102cos1 ??????；m0.1.3.422 ??????正壓力 NdznPQp 97sin25ta.9106sinta109544g ?????；zp 16sita248.01sita2min14d ??? ??接觸應力菱錐與主動盤接觸處： ，MPabQg14853.20919max ?????菱錐與外環(huán)接觸處： ；d6.5712ax?許用接觸應力由【1】表 25·2-22 查取[ σ j]=1800,上述兩項計算結果均滿足 σ max≤[σ j]。3.7、 輸入、輸出軸的結構設計輸入軸： n=1000r/min,P=3Kw0185.731830min ??PAd，根據查表 15-3，選用 45鋼，調度處理取 015輸出軸的最小直徑顯然是它裝聯(lián)軸器處軸的直徑，據此選聯(lián)軸器型號計算轉矩 3TKAca?,查表 14-1，取 AK=1.3T=95000010=28650N?mmcaT=37245 N?mm由于 ?， n ?［n］,因有鍵存在，軸的尺寸需加大 3%～5%，查［6］表 11-4～11-14 彈性柱銷選 LX2，其孔徑取 28mm,則最小軸徑段取 28mm,公稱轉矩和許用轉速分別為 560 N?m,6300r/min。選長系列，L=62mm,則軸的長度取 58mm,為了壓在聯(lián)軸器上，查［5］表 9-4，b=8, h=7,L=30,公差為 h8。輸出軸的設計和輸入軸基本相似。 3.8 輸入、輸出軸上軸承的選用深溝球軸承 6，根據尺寸，選 d=35,則軸承型號為 61807D=47, B=7, aD=45因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，角接觸球軸承 10選取角接觸球軸承 7008C，軸徑取 40，D=68,B=15,a=14.7圓柱滾子 26軸承取 NU1006。滾針軸承 25取 NA4905。16第四章 主要零件的校核4.1 輸出、輸入軸的校核選輸出軸做校核。輸出軸的載荷分析圖如下圖圖 4-1 軸的校核分析圖根據軸的危險截面，計算出截面處的 ,HVM及 M的值如下表 4.1載荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F FNH1=2046N , FNH2=752N FNV1=1587N , FNV2=292N 彎矩 M MH1=7180.2N.mm MH2=18800N.mm MV1=3550N.mm MV2=9806.95N.mm 17總彎矩 M1 = 80935718022?? N.mm M2= 7.136 N.mm扭矩 T T3=28650N.mm彎矩扭合成應力校核軸端強度進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面 D）的強度。軸的計算應力按公式??223caMTW????計算。取 ?=0.6，????3222321 51.08689????WTMca?=12.6MPa前已經選定軸的材料為 45鋼，調制處理，由表查得 1[]60MPa???。所以 ca?1[]?? ，故安全。4.2 軸承的校核 按手冊選擇 C=4900N的軸承應此軸承的基本額定靜載荷 0C=4000N。驗算如下：求相對軸向載荷對應的 e值與 Y值。相對軸向載荷07.4280?CFa，在表中介于0.07～0.13 之間，相對應的 e值為 0.27～0.31，Y 為 1.6～1.4。用線性插值法求 Y值。Y=1.4+???07.134.6??=X=0.56，Y=1.63） 求當量動載荷 0P= ??82706.145.21????4） 驗算軸承的壽命：hCnL 982710636 ??????????????18所以安全。總 結菱錐無級變速具有變速范圍寬、輸出轉速低、容量大和功率恒定等一系列優(yōu)點，因而目前世界上各先進工業(yè)國均對其進行了系列化生產，并獲得了廣泛的應用。菱錐無級變速器的輸入軸與輸出軸位于同一軸線上，采用了中間體并列分流的傳動結構，因而結構緊湊、體積小、單位體積的承載能力大。菱錐無級變速器采用了兩套自動加壓裝置，各傳動副之間的壓緊力是與負載成正比變化的，因而不會打滑。啟動時的壓緊力是由預壓彈簧提供的。菱錐的形狀是對稱的，兩側錐體的接觸母線平行，而且相對于輸入和輸出軸傾斜安裝。因為菱錐與主動輪和外環(huán)接觸點的連線在變速及運轉過程中始終與母線垂直，所以主動輪和外環(huán)作用在菱錐上的壓緊力互相抵消，菱錐及其心軸不受彎曲力矩作用，這樣，菱錐心軸和菱錐之間的滾針軸承幾乎沒有摩擦損失。畢業(yè)設計是我作為一名學生即將完成學業(yè)的最后一次作業(yè)，通過一個學期的畢業(yè)設計我對學校所學知識進行全面總結并充分的給予了綜合應用，同時也給今后走向社會的實際操作應用奠定可一個基礎。在畢業(yè)設計的過程中我遇到了很多困難，但是在老師和同學的幫助下我最終克服了這些困難完成了關于菱錐式無級變速器的設計。通過這次的畢業(yè)設計我收獲頗豐，受益匪淺。19致謝本論文是在指導老師聶松輝的精心指導下完成的。他嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；他們循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。從論文的選題、課題講解、資料收集到最后的論文出稿、圖紙完成，導師都給予了極大的幫助和支持，提出了很多寶貴意見，使論文得以完善。導師嚴謹認真的作風給我留下了深刻印象。在此對導師付出的辛勤勞動和提供的良好學習環(huán)境表示衷心地感謝。在本論文進行中，同組的同學也給予了熱情的幫助，在此表示誠摯的謝意。20參考文獻[1] 周有強主編.機械無級變速器[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.1-65. [2] 徐灝主編.機械設計手冊（第 3卷） [M].北京：機械工業(yè)出版社，1991.134-159.[3] 阮忠唐主編.機械無級變速器[M].北京：機械工業(yè)出版社，1983.54-78.[4] 阮忠唐主編.機械無級變速器設計與選用指南[M].北京：化學工業(yè)出版社，1999. 1-91.[5] 濮良貴，記名剛主編.機械設計（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2009.186-336.[6] 機械零部件手冊編委會.機械零部件手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.21-75.[7] 周良德，朱偲芳等編著.現(xiàn)代工程圖學[M].長沙：湖南科學技術出版社，2002.3-280.[8] 王三民主編.機械設計計算手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2009.65-78.[9] 成大先主編.機械設計手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2009.318-335.[10] 吳宗澤，羅圣國主編.機械設計課程設計手冊（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2009.24-294.21附錄 ：英文文獻翻譯機械設計理論機械設計是一門通過設計新產品或者改進老產品來滿足人類需求的應用技術科學。它涉及工程技術的各個領域，主要研究產品的尺寸、形狀和詳細結構的基本構思，還要研究產品在制造、銷售和使用等方面的問題。進行各種機械設計工作的人員通常被稱為設計人員或者機械設計工程師。機械設計是一項創(chuàng)造性的工作。設計工程師不僅在工作上要有創(chuàng)造性，還必須在機械制圖、運動學、工程材料、材料力學和機械制造工藝學等方面具有深厚的基礎知識。如前所訴，機械設計的目的是生產能夠滿足人類需求的產品。發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和科技知識本身并不一定能給人類帶來好處，只有當它們被應用在產品上才能產生效益。因而，應該認識到在一個特定的產品進行設計之前，必須先確定人們是否需要這種產品。應當把機械設計看成是機械設計人員運用創(chuàng)造性的才能進行產品設計、系統(tǒng)分析和制定產品的制造工藝學的一個良機。掌握工程基礎知識要比熟記一些數據和公式更為重要。僅僅使用數據和公式是不足以在一個好的設計中做出所需的全部決定的。另一方面，應該認真精確的進行所有運算。例如，即使將一個小數點的位置放錯，也會使正確的設計變成錯誤的。一個好的設計人員應該勇于提出新的想法，而且愿意承擔一定的風險，當新的方法不適用時，就使用原來的方法。因此，設計人員必須要有耐心，因為 所花費的時間和努力并不能保證帶來成功。一個全新的設計，要求屏棄許多陳舊的，為人們所熟知的方法。由于許多人墨守成規(guī)，這樣做并不是一件容易的事。一位機械設計師應該不斷地探索改進現(xiàn)有的產品的方法，在此過程中應該認真選擇原有的、經過驗證的設計原理，將其與未經過驗證的新觀念結合起來。新設計本身會有許多缺陷和未能預料的問題發(fā)生，只有當這些缺陷和問題被解決之后，才能體現(xiàn)出新產品的優(yōu)越性。因此，一個性能優(yōu)越的產品誕生的同時，也伴隨著較高的風險。應該強調的是，如果設計本身不要求采用全新的方法，就沒有必要僅僅為了變革的目的而采用新方法。在設計的初始階段，應該允許設計人員充分發(fā)揮創(chuàng)造性，不受各種約束。即使產生了許多不切實際的想法，也會在設計的早期，即繪制圖紙之前被改正掉。只有這樣，才不致于堵塞創(chuàng)新的思路。通常，要提出幾套設計方案，然后加以比較。很有可能在最后選定的方案中，采用了某些未被接受的方案中的一些想法。 心理學家經常談論如何使人們適應他們所操作的機器。設計人員的基本職責是努力使機器來適應人們。這并不是一項容易的工作，因為實際上并不存在著一個對所有人來說都是最優(yōu)的操作范圍和操作過程。另一個重要問題，設計工程師必須能夠同其他有關人員進行交流和磋商。在開始階段，設計人員必須就初步設計同管理人員進行交流和磋商，并得到批準。這一般是通過口頭討論，草圖和文字材料進行的。為了進行有效的交流 ，需要解決下列問題：（1） 所設計的這個產品是否真正為人們所需要？（2） 此產品與其他公司的現(xiàn)有同類產品相比有無競爭能力？22（3） 生產這種產品是否經濟？（4） 產品的維修是否方便？（5） 產品有無銷路？是否可以盈利？只有時間能對上述問題給出正確答案。但是， 產品的設計、制造和銷售只能在對上述問題的初步肯定答案的基礎上進行。設計工程師還應該通過零件圖和裝配圖，與制造部門一起對最終設計方案進行磋商。通常 ，在制造過程中會出現(xiàn)某個問題?？赡軙髮δ硞€零件尺寸或公差作一些更改，使零件的生產變得容易。但是，工程上的更改必須要經過設計人員批準，以保證不會損傷產品的功能。有時，在產品的裝配時或者裝箱外運前的試驗中才發(fā)現(xiàn)設計中的某種缺陷。這些事例恰好說明了設計是一個動態(tài)過程。總是存在著更好的方法來完成設計工作，設計人員應該不斷努力，尋找這些更好的方法。近些年來，工程材料的選擇已經顯得重要。此外，選擇過程應該是一個對材料的連續(xù)不斷的重新評價過程。新材料不斷出現(xiàn)，而一些原有的材料的能夠獲得的數量可能會減少。環(huán)境污染、材料的回收利用、工人的健康及安全等方面經常會對材料選擇附加新的限制條件。為了減輕重量或者節(jié)約能源，可能會要求使用不同的材料。來自國內和國際競爭、對產品維修保養(yǎng)方便性要求的提高和顧客的反饋等方面的壓力，都會促使人們對材料進行重新評價。由于材料選用不當造成的產品責任訴訟，已經產生了深刻的影響。此外，材料與材料加工之間的相互依賴關系已經被人們認識得更清楚。因此，為了能在合理的成本和確保質量的前提下獲得滿意的結果，設計工程師的制造工程師都必須認真 仔細地選擇、確定和使用材料。制造任何產品的第一步工作都是設計。設計通?？梢苑譃閹讉€明確的階段：（a）初步設計；（b）功能設計；（c）生產設計。在初步設計階段，設計者著重考慮產品應該具有的功能。通常要設想和考慮幾個方案，然后決定這種思想是否可行；如果可行，則應該對其中一個或幾個方案作進一步的改進。在此階段，關于材料選擇唯一要考慮的問題是：是否有性能符合要求的材料可供選擇；如果沒有的話，是否有較大的把握在成本和時間都允許的限度內研制出一種新材料。在功能設計和工程設計階段，要做出一個切實可行的設計。在這個階段要繪制出相當完整的圖紙，選擇并確定各種零件的材料。通常要制造出樣機或者實物模型，并對其進行試驗，評價產品的功能、可靠性、外觀和維修保養(yǎng)性等。雖然這種試驗可能會表明，在產品進入到生產階段之前，應該更換某些材料，但是，絕對不能將這一點作為不認真選擇材料的借口。應該結合產品的功能，認真仔細地考慮產品的外觀、成本和可靠性。一個很有成就的公司在制造所有的樣機時，所選用的材料應該和其生產中使用的材料相同，并盡可能使用同樣的制造技術。這樣對公司是很有好處的。功能完備的樣機如果不能根據預期的銷售量經濟地制造出來，或者是樣機與正式生產的裝置在質量和可靠性方面有很大不同，則這種樣機就沒有多大的價值。設計工程師最好能在這一階段完全完成材料的分析、選擇和確定工作，而不是將其留到生產設計階段去做。因為，在生產設計階段材料的更換是由其他人進行的，這些人對產品的所有功能的了解不如設計工程師。 在生產設計階段中，與材料有關的主要問題是應該把材料完全確定下來，使它們與現(xiàn)有的設備相適應，能夠利用現(xiàn)有設備經濟地進行加工，而且材料的數量能夠比較容易保證供應。23在制造過程中，不可避免地會出現(xiàn)對使用中的材料做一些更改的情況。經驗表明，可采用某些便宜材料作為替代品。然而，在大多數情況下，在進行生產以后改換材料要比在開始生產