帶式無級變速器的設(shè)計說明書

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目 錄 摘 要 II Abstract III 1 緒論 4 2 汽車無級變速的種類和特點 5 2.1寬V帶式無級變速器 5 2.2動力滾子環(huán)盤無級變速器 5 2.3擺銷鏈式帶式無級變速器 5 2.4 金屬帶式無級變速器 6 2.5 CVT汽車能節(jié)油的原理 7 2.6 無級變速器使用的注意事項 7 2.7 CVT變速箱將來的發(fā)展方向 8 3 CVT變速箱的工作方式 9 3.1 金屬帶式無級變速器的組件 9 3.2 CVT的幾何聯(lián)系和基本參數(shù) 10 3.3 金屬帶式無級變速器傳動參數(shù)設(shè)計 13 3.3.1 輸入軸參數(shù)設(shè)計 13 3.3.2 金屬帶輪參數(shù)設(shè)計 14 4 金屬帶式無極變速器傳動和載重量檢查 16 4.1 摩擦傳動原理和摩擦因數(shù) 16 4.1.1 摩擦傳動原理 16 4.1.2 摩擦因數(shù) 17 4.2 金屬帶傳動的力分析 17 4.2.1 金屬帶上的作用力即各力的關(guān)系 17 4.3 帶環(huán)的強度計算 19 4.3.1 帶環(huán)的靜強度計算 19 4.3.2 帶環(huán)的疲勞強度計算 20 5 金屬帶式無級變速器的內(nèi)部參數(shù)設(shè)計 21 5.1 汽車傳動系的結(jié)構(gòu)組成與任務(wù) 21 5.2 無級變速器運動參數(shù)設(shè)計 21 5.2.1 變速比Rb 21 5.2.2 發(fā)動機最小燃油消耗特性 21 5.2.3 汽車齒輪減速比和CVT傳動比 22 6 雙行星輪行星變檔設(shè)計 24 6.1 換向機構(gòu)組成及工作原理 24 6.2 前進、倒檔離合器 24 6.3雙行星齒輪參數(shù)設(shè)計 25 結(jié) 論 29 參考文獻 30 致 謝 32 II 帶式無級變速器設(shè)計 摘 要 無級變速器是使用動力傳動的帶以及改變工作直徑來傳傳輸動力的主動輪和從動輪組合起來的。 當汽車的發(fā)動機處于完美工作速度時，會使空氣完全進入或放出發(fā)動機氣缸，燃油消耗降低并且排放污染也會降低。但是，速度不是這個時，排氣不徹底、燃油消耗和尾氣污染會增加等問題會接踵而來。無級變速器在這方面的潛力還是很明顯的，再看看其他自動變速器差距還是很大的，無級變速器具有變矩器和無級機械無級變速器的共同的優(yōu)點：操作簡單、坐車的人舒服、傳動效率較高等。更重要的是，它可以調(diào)整發(fā)動機負荷并協(xié)調(diào)車輛行駛時的最優(yōu)行駛狀態(tài)，使汽車在牽引特性的方面得到最佳平衡，無需阻斷動力源即可實現(xiàn)速度的調(diào)控，發(fā)動機的潛在性能得到體現(xiàn)，很好的降低了汽車的燃油費用。 本文首先對金屬帶式無級變速器的類型、特點、研究狀況和發(fā)展趨勢進行了介紹；并介紹了帶與帶輪的幾何關(guān)系，并對其傳動參數(shù)進行設(shè)計，然后通過簡要介紹摩擦傳動原理的一些相關(guān)知識，闡述了金屬帶式無級變速器的工作狀況；由于相對簡單的工作原理和控制原理，CVT變速箱能比（AT）變速箱更緊湊，更輕，成本更低。 最后確定傳動方案，零件結(jié)構(gòu)，以及對金屬帶傳動的力分析，帶環(huán)帶輪的應(yīng)力分析計算，從而設(shè)計出傳輸效率高，運動轉(zhuǎn)矩好的金屬帶式無級變速器。 關(guān)鍵詞：無級變速器；金屬帶；CVT；摩擦傳動 II Metal V-belt CVT(Continuously Variable-Transmission) Abstract Continuously variable transmission is a combination of driving wheels and driven wheels which use power transmission belts and change working diameters to transmit power. When the automobile engine is in perfect working speed, air will enter or exit the engine cylinder completely, fuel consumption will be reduced and emission pollution will also be reduced. However, when the speed is not this, problems such as incomplete exhaust, increased fuel consumption and exhaust pollution will follow. The potential of continuously variable transmission in this respect is still obvious, and look at the gap between other automatic transmissions. continuously variable transmission has the common advantages of torque converter and continuously variable mechanical transmission: simple operation, comfortable ride and high transmission efficiency. More importantly, it can adjust the engine load and coordinate the optimal running state when the vehicle is running, so as to make the vehicle get the best balance in terms of traction characteristics, and speed can be adjusted and controlled without blocking the power source; the potential performance of the engine is reflected, and the fuel cost of the vehicle is well reduced. This paper firstly introduces the types, characteristics, research status and development trend of metal belt CVT. The geometric relationship between belt and pulley is introduced, and its transmission parameters are designed. then, by briefly introducing some related knowledge of friction transmission principle, the working condition of metal belt CVT is expounded. Because of the relatively simple working principle and control principle, CVT transmission can be more compact, lighter and cheaper than AT transmission. Finally, the transmission scheme, part structure, force analysis of metal belt transmission and stress analysis and calculation of belt pulley are determined, thus designing a metal belt CVT with high transmission efficiency and good movement torque. Key words: Continuously variable transmission; Metal belt; CVT; Friction III 1 緒論 現(xiàn)在家家戶戶基本都有了汽車，而且交通也變得發(fā)達，大多數(shù)人已經(jīng)不喜歡以前的手動擋和自動擋車輛，在市區(qū)開車，手動擋汽車的不停換擋，非常麻煩，弄不好會發(fā)生碰撞[1]；常見的燃料消耗問題在自動變速器中廣受批評，因此無級變速器已經(jīng)慢慢的進入了人們的生活，比比皆是的就是金屬帶式無級變速器了，若是跟有級自動擋汽車與手動擋汽車比的話，手動擋在動力方面、燃油量方面、操控方面和乘坐體驗方面都有明顯的優(yōu)勢[2]；此外，無級變速器相比于其他變速器，結(jié)構(gòu)簡單、傳動鏈少、零件數(shù)少、從而使變速器所占空間較小、動力損耗較少、車體重量更輕；由于生產(chǎn)量大，成本也不是非常高。而且設(shè)計金屬帶式無級變速器在提高汽車的行駛性能和優(yōu)化汽車尾氣排放具有重要的現(xiàn)實意義，有待進一步的研究和改進[4]。 汽車中最重要的就是變速器了，變速器的質(zhì)量如何，會最主觀得體現(xiàn)出它的使用性能，并且會影響動力傳輸和燃油消耗。就如變速箱的齒輪吧，變速器的扭矩由它直接傳遞和輸入，工作環(huán)境非常的艱難，還很有可能會讓齒輪輪齒斷裂，降低其壽命，會讓變速箱在運作是有較大的噪音等有害因素。 變速器的作用就是讓汽車的速度還有轉(zhuǎn)矩得到改變，讓其可以倒車或者空檔依靠慣性行走等。要使汽車的燒油減少、動力充足，變速器的每個不同參數(shù)都是不可缺少的。如果一個性能好的發(fā)動機，但是和他相配合的是一個性能很差的變速器，那么就算再好的發(fā)動機也無濟于事，也發(fā)揮不出很好的效果。所以，選擇變速器的結(jié)構(gòu)和各項參數(shù)等就會是個非常值得慎重考慮的地方[8]。 早在1965年初，有家荷蘭公司就為小型車使用了寬V帶，但膠帶的耐熱性差、抗拉性弱所以投入使用的壽命短、傳輸率非常低，CVT很快取而代之。金屬帶式無級變速器最早是由范多尼斯發(fā)明的，他是荷蘭VDT公司的，現(xiàn)在的發(fā)展速度是越來越快，年產(chǎn)量到了400w臺。 然而由金屬帶強度極限受限，現(xiàn)在金屬帶式無級變速器主要只用于排量低于2.0升，最大扭矩是25O（牛米）的車輛。此外，它Ra比只有5.5左右,變速度只在20至110公里/小時里，大多數(shù)人對此還不是太滿意。所以在對其的探討和科研方面還要加油，改善金屬帶的傳動效率、增加變速器的傳動比、增大金屬帶的最大承受轉(zhuǎn)矩和使用壽命是未來研究和研發(fā)的主要努力方向[7]。 8 2 汽車無級變速的種類和特點 2.1寬V帶式無級變速器 荷蘭DAF公司在1965前生產(chǎn)的就是這個帶式無級變速器，大量運用在微小型汽車上，共生產(chǎn)了80w輛汽車。由于它的使用年限和傳輸性能不好，從而要對金屬帶式無級變速器進行探求與開拓。 2.2動力滾子環(huán)盤無級變速器 英國特羅特拉克發(fā)明環(huán)盤滾式無級變速器，如圖2.1所示。通過摩擦力把輸入盤的運動和動力傳遞到動力滾針，動力滾子傳遞運動和動力到輸出托盤。當滾輪沿軸旋轉(zhuǎn)，使動力滾子在兩盤環(huán)上的貼合點不停改動，讓輸入錐盤與輸出錐盤的工作轉(zhuǎn)動半徑改變，來進行無級變速。 圖2.1滾子無級變速器工作原理圖 2.3擺銷鏈式帶式無級變速器 圖2.2是由luk公司成功用在奧迪汽車上的。差異于金屬帶式無級變速器的是它的連續(xù)可變傳動只能是低檔位，由于鏈傳動里，多邊形效應(yīng)將造成較大的振動、噪聲和一些應(yīng)力。因此在新的結(jié)構(gòu)中，鏈板的安裝可以減少振動和噪音。但由于較低的傳輸速率，大的軸向力和傳遞扭矩會使液壓系統(tǒng)油液壓力加大（約8至9MPa），而摩擦盤離合器對油的壓力要求不高，該液壓系統(tǒng)就不會太簡單。因此，若是將多邊形效應(yīng)在原有的基礎(chǔ)上減少，會很好地提高傳輸性能，并且結(jié)構(gòu)設(shè)計會簡單化，成本也會降低。 圖 2.2 Multitronic的3D解析圖 2.4 金屬帶式無級變速器 金屬帶式無級變速器是荷蘭VDT范多尼斯的研究成果，金屬帶式傳動能很好地增加了傳輸效率、穩(wěn)定性和金屬帶的使用年限，在30至40年的研發(fā)后，這已經(jīng)成為一個成熟的技術(shù)，在無級變速汽車發(fā)展中都是舉足輕重的，現(xiàn)在的發(fā)展速度是越來越快，年產(chǎn)量到了400w臺。 其主要部件是由一些組件組成的一個金屬帶。如圖2.3所示，它的的組件是9至12個堆疊的鋼帶環(huán)和350至400的金屬鋼片。這個鋼環(huán)材料，是最麻煩的制造工藝，為了達到高強度（σ> 2000MPa），帶環(huán)各層之間沒有間距。圖2.4所示其工作方式，主、從動兩對錐形盤夾緊金屬帶輸入動力與摩擦扭矩。為了得到不斷變化傳動比，主、從動錐齒輪動錐盤的軸向運動讓帶的徑向工作半徑不斷改變，這就是無級變速。 1-剛帶環(huán) 2-鋼片 圖2.3 金屬帶組件 圖2.4 CVT的重點零件 2.5 CVT汽車能節(jié)油的原理 當汽車的發(fā)動機處于完美工作速度時，會使空氣完全進入或放出發(fā)動機缸，燃油消耗降低并且排放污染也會降低。但是，速度不是這個時，排氣不徹底、燃油消耗和尾氣污染會增加等問題會接踵而來。 速度對于車輛來說是沒有固定值的，MT與AT的檔位基本都是憑借于引擎轉(zhuǎn)速來適應(yīng)在車輛行駛各種速度，所以很難得到最佳工作條件；外洋數(shù)據(jù)表明，使用無極變速器的車的燃油消耗會減少百分之7至百分之15[3]。 2.6 無級變速器使用的注意事項 駕駛CVT無級變速器的車要留意： 1、開車時不要讓主動齒輪換檔桿置于“N”。 2、把車由向前變向后時，絕對不要讓車移動，緊緊地剎車后再換擋。 3、走陡的地方時檔位一定要低，讓發(fā)動機發(fā)揮制動。 5、CVT大多數(shù)控制都是由液壓油控制的，那么必然要在規(guī)定的時間檢查無級變速器油質(zhì)，油量并及時對油的進行更換。 4、為了使燃油降低，自動模式下的CVT最好，這可能是發(fā)動機和變速箱都保持最佳的關(guān)鍵。 6、金屬帶式無級變速器，相關(guān)的元件或電路維修均為特殊的程序，能使CVT運動設(shè)置在正常工作狀態(tài)，要到專門的地方維修。 2.7 CVT變速箱將來的發(fā)展方向 以后CVT技術(shù)的進步可以從下面幾個地方剖析： 1.CVT部件 由于傳遞扭矩容量和獨特性又更上一層的推式傳動帶和傳動鏈，因為生產(chǎn)得越來越多，而且大部分都是機械化生產(chǎn)，生產(chǎn)耗費會下降。皮帶輪系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計不僅可以使質(zhì)量與成本變小，又能保證最大傳遞轉(zhuǎn)矩的主、從動輪和傳動帶。微處理器和測試設(shè)備電子操縱方式是不同的，因此研究耗費資金很高，但是可通過電液控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計和產(chǎn)品的大量需求來降低。因此，把功能靈活和成本不高結(jié)合了起來。 2.CVT變速器 非常多不同的布局也許會呈現(xiàn)，不僅因為開車的差異和要求（前輪、后輪驅(qū)動，四輪驅(qū)動），但也因為傳動比恒定覆蓋需求的增加。帶來的速率、壓力和扭矩需要更大的速度和更無誤的控制，確保發(fā)動機和變速箱很好地匹配，提供各種駕車體驗，如運動、自動和適意模式，為人們提供好的行車快感。 3.發(fā)動機與CVT的集成控制 更確切地說，CVT控制將以更快的速度，和發(fā)動機控制融入整個傳輸管理系統(tǒng)，讓燃油和對空氣污染更深一步地降低。首個集成發(fā)動機管理單元的CVT傳動系還實行駕車不斷調(diào)試。 4.混合動力CVT傳動系 CVT對飛輪儲能裝置的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計具有重要的影響。具有混合動力無級變速傳動系統(tǒng)的電動車輛燃料消耗會下降30%，對空氣污染會降低50%的潛力[9]。 3 CVT變速箱的工作方式 3.1 金屬帶式無級變速器的組件 如圖3.1所示基本是一驅(qū)動輪、從動輪、金屬帶、增壓調(diào)速裝置，其重點部分是金屬帶與主、從動錐輪，靠帶與錐輪斜面的摩擦來傳遞運動[17]。 圖3.1 CVT傳動部分的組成 主動和從動錐輪是由1個軸向固定的錐盤與可軸向移動的錐盤組合。2個錐盤產(chǎn)生了V字形狀，這是放金屬帶的，金屬帶又有很多組件，它組件是一百個約2毫米厚的V形鋼片和嵌在鋼片馬鞍座面內(nèi)的兩組金屬鋼帶環(huán)。每一組鋼環(huán)組是由多個特制的鋼環(huán)組成一起，帶的寬度和層數(shù)可根據(jù)不同的傳遞轉(zhuǎn)矩的增加或減少。鋼帶在整個變速器工作過程中不僅可以通過摩擦改變錐盤的運動，而且可以調(diào)節(jié)金屬帶承受的的拉力。主錐和從動錐的主要作用是傳遞扭矩。通常金屬帶式無級變速器運行過程當中，主、從動錐盤的相對位置是不變的，即中心距不變，根據(jù)變速器運行時對于傳動比的需求，通過軸向移動主、從動動錐盤，實現(xiàn)了兩錐型盤的工作半徑連續(xù)變化，最后，完成傳動比的不斷變動，就可以達到無級變速的目的[11]。 如圖3.2所示金屬帶式無級變速變速箱總傳動過程，包括泵、離合器、轉(zhuǎn)換機構(gòu)（正向和反向）、主動軸、輸出軸、錐盤和主減速器等等，工作程序是：一般車量開動時，離合器輸入動力，驅(qū)動輪帶動從動輪通過一金屬帶，然后由主減速器，差動器傳遞給車輪；操縱的正向和反向的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，按照傳輸線，能完成向前或向后運動；當離合器切斷發(fā)動機在無負荷的情況下運轉(zhuǎn)時，也就是空擋；主動移動滑輪與從動移動滑輪上都會裝液壓缸，基于路面阻力與小的發(fā)動機燃料耗損來改變液壓缸的壓力，這改變了主、從動錐輪的工作半徑達到所需速度比。 圖3.2金屬帶式無級變速箱的構(gòu)造 3.2 CVT的幾何聯(lián)系和基本參數(shù) 根據(jù)金屬帶獨特的組件見圖3.3確定，鋼片的擺動邊緣與兩個錐盤的包角連續(xù)接觸[16]。因為鋼片根紙片差不多，在帶輪的拐角部分連線接近于圓弧見圖3.4。 根據(jù)帶的運動狀態(tài),我用這四個部分來說明，就是主動錐輪包角ab，主動錐輪出口至從動錐輪入口的直線部分bc，從動錐輪包角cd，從動錐輪出口至主動錐輪入口的直線部分da。鋼片的擺動邊緣的線速度Vb在驅(qū)動錐輪包角ab和驅(qū)動錐輪的直線部分bc與從動錐輪連續(xù)[21]。不看鋼片在驅(qū)動輪上的滑動，鋼片滑動邊緣的Vb如下 （3.1） 圖3.3 錐輪、鋼帶和鋼片的定位 圖3.4 CVT無級變速器的幾何聯(lián)系 理論傳動比： (3.2) 公式， 、——角速度（主、從動錐輪）(弧度/秒) 、——節(jié)圓半徑，（主、從動錐輪） (mm) 。 如圖2.5所示當從動錐輪以最大節(jié)圓半徑運行時，主動錐輪以最小節(jié)圓半徑運行，最大傳動比為 （3.3） 如圖2.5所示當主動錐輪的半徑最大時，從動錐輪以最小節(jié)圓半徑運行，傳動比最小。 （3.4） 圖2.5 無級變速器變速原理 最大傳動比imax和最小傳動比imin定義齒輪傳動比的比值Rb同時是傳輸距離傳動，即 （3.5） 變量的最大工作半徑比Rb的大小取決于主動和從動錐輪還有最小半徑。當生成的傳動和減速對稱分布，主、從盤的大小是一樣的，傳動比Rb為 （3.6） 在錐輪軸頸中心距離有一定增長放緩的情況下，對稱分布，最大傳輸速率。 金屬帶的傳動比為i時，（3.7）（3.8）（3.9）公式確定節(jié)圓半徑[14]。 （3.7） （3.8） （3.9） 公式，R1、R2——主、從動錐輪節(jié)距圓半徑（mm）； 、——主、從動帶輪包角； ——擺動邊緣距馬鞍表面高度 （mm）； L—金屬帶工作長度，剛帶環(huán)周長 （mm）； A—金屬帶傳動中心距（mm）。 3.3 金屬帶式無級變速器傳動參數(shù)設(shè)計 3.3.1 輸入軸參數(shù)設(shè)計 1) 車輛參數(shù)： 發(fā)動機 118kw 最高車速 216km∕h 整備質(zhì)量 1610kg 最大功率轉(zhuǎn)速4500～6200r∕min 最大扭矩 250N∕m 最大扭矩轉(zhuǎn)速 1500～4500 r∕min 輪胎規(guī)格 225∕55∕R16 總質(zhì)量ma=1610+654+104=1910kg 2) CVT參數(shù): 中間齒輪副傳動比:1.35 傳遞效率:97％ 主減速器的傳動比:4.05 傳遞效率:96％ CVT傳動比:0.4073～2.4548 帶輪傳遞效率:92％ 行星齒變向傳動比：1 傳輸效率：95% 汽車輪胎轉(zhuǎn)速 汽車高速行駛時，最大功率轉(zhuǎn)速4500～6200r∕min，所以發(fā)動機為6200r∕min 因 （3.10） n2max=6200r/min=103r/s i1min=n2/n1=5.7 n2min=820r/min=13.7r/s i1max=n2/n1=34.2 所以，驅(qū)動力矩 =2502.45481.354.050.920.970.960.95 =2730.9N?m 驅(qū)動力=2730.9∕0.327 =8351.3N 汽車行駛阻力 =191010sin16.7+1910cos16.70.015 =5762N 式中滾動阻力系數(shù)=0.015， 所以故參數(shù)可取。 3) 輸入軸設(shè)計 (1)選材：35SiMn合金鋼（根據(jù)《機械設(shè)計手冊》P192） (2)估算最小軸徑d （3.11） 3.3.2 金屬帶輪參數(shù)設(shè)計 (1)確定金屬滑輪的最小工作半徑 前軸進行設(shè)計時，因為它是個階梯軸 所以取d=40mm 則帶輪工作半徑最小為 e1=4～5mm，為了避免運動干涉， 因此，節(jié)圓半徑 （3.12） =3～4mm (2)中心距的確定 CVT傳動比： 因為 因此，最大節(jié)圓半徑 外徑 式中e=8～10mm 所以中心距 （3.13） （3）金屬帶環(huán)長的確定 　 得到L=463.03mm 整理得最大工作半徑68.5mm 最小工作半徑28mm 中心距155.5mm 帶長463mm （4） 帶輪錐面夾角的確定 金屬式無級變速器的錐輪，錐角范圍目前公認為10度至12度，設(shè)計選擇11度。如圖3.6所示 圖3.6錐角剖面圖 （5）主動定錐盤參數(shù)設(shè)計 D1=30mm L1=28mm D2=35mm L2=138mm D3=40mm L3=51mm D4=40mm L4=5mm D5=35mm L5=27mm （6）從動定錐盤參數(shù)設(shè)計 D1=21mm L1=21mm D2=40mm L2=133mm D3=64mm L3=21mm D4=40mm L4=48mm D5=35mm L5=101mm 16 4 金屬帶式無極變速器傳動和載重量檢查 4.1 摩擦傳動原理和摩擦因數(shù) 4.1.1 摩擦傳動原理 摩擦傳動的工作原理如圖4.1所示。摩擦副可以傳遞的摩擦載荷就是摩擦傳動的承載能力。 定義：根據(jù)組件的摩擦力來傳遞運動 原理：經(jīng)摩擦副擠壓，因為其面不可能光滑，會有細小的切合，就能傳輸動力和轉(zhuǎn)矩。 特點：無級變速中摩擦傳傳動是最常見的，軸距大也無所謂，偶爾可能滑動，但是能有效地保護機構(gòu)，所以傳動比不準確，大的輸入輸出不適用于它。 即 （4.1） 圖4.1 摩擦傳動的工作原理 式中 F—計算摩擦載荷（N）； F0—名義摩擦力（N）； N—法向摩擦力（N）； f—接觸表面的滑動摩擦因數(shù)或潤滑油的牽引系數(shù)； K—可靠性系數(shù)，動力傳動取K=1.2～1.5。 摩擦或牽引系數(shù)和摩擦面副的接觸強度是決定摩擦傳動的承載能力的主要參數(shù)[13]。 4.1.2 摩擦因數(shù) 摩擦系數(shù)是CVT變速器承載能力設(shè)計的計算依據(jù)，也是摩擦機構(gòu)的特征值。無級變速器有兩種類型的干濕傳動，其摩擦機制不同。濕摩擦驅(qū)動有兩種摩擦狀態(tài)：油膜牽引和混合摩擦。CVT無級變速器是混合摩擦傳動。 液體摩擦、固體摩擦和液體固體一起的摩擦都是混合摩擦力[10]。 4.2 金屬帶傳動的力分析 4.2.1 金屬帶上的作用力即各力的關(guān)系 為了簡化模型方便分析，作如下假設(shè): 1）無論金屬環(huán)組內(nèi)環(huán)的滑動和摩擦如何，金屬帶的層壓金屬環(huán)都被視為鋼帶環(huán)。 2）金屬帶在由錐輪運行變成的圓形軌道上運動，并且錐輪上的金屬帶中心與錐輪的中心重合。 3）不考慮帶輪的彈性變形。 4）得出鋼帶環(huán)和鋼片的離心力要根據(jù)Vb。 在金屬帶工作期間，分別承載錐輪V形槽內(nèi)的金屬帶和壓力鋼片作用力如圖4.3（i＞1）和圖4.4（i＜1）所示。 1）馬鞍面法向力PA主、PB從：若錐輪在軸向推力下軸向受壓，壓力鋼片可能會徑向向外移動，它是鋼帶環(huán)的張力，在壓力鋼片鞍面和鋼帶環(huán)之間接觸形成正壓。 2)鋼帶環(huán)張力TA主、TB從：張緊時環(huán)的橫截面上產(chǎn)生的張力。 3）馬鞍面會產(chǎn)生的摩擦力Frba、Frbb（鋼帶環(huán)r，鋼片b）：它倆會相對的滑移，產(chǎn)生摩擦。當錐輪處于最大工作半徑，在錐輪Vb處會產(chǎn)生相反的摩擦力。當錐輪處于最小工作半徑，在錐輪Vb處會產(chǎn)生同向的摩擦力。 4)鋼帶會有推壓力EA、EB：鋼片的推壓而形成的力。 5）錐輪法向力NA、NB：2個錐輪產(chǎn)生的斜面與鋼片結(jié)合，錐輪沿軸運動時，錐輪斜面會與鋼片側(cè)面接合而形成的壓力。 6）切向摩擦力FpbA、FpbB（帶輪p，鋼片b）：錐輪的斜面與鋼片的形成的力，F(xiàn)pb就是傳輸扭矩的力。 7）徑向摩擦力FRA、FRB錐輪斜面與鋼片的倆側(cè)形成的徑向阻力。 8）帶環(huán)的離心力FcrA、FcrB:鋼帶纏繞在錐輪上后，由鋼帶的圓周運動形成的離心力。 9）鋼片離心力FcbA、FcbB：鋼片纏繞在錐輪上后，形成圓周運動產(chǎn)生的離心力。 從驅(qū)動輪出口到從動輪入口的直線部分（bc段）上的壓力鋼片之間的壓力是常數(shù)E2；從主動輪入口到從動輪出口的直線部分（ad段）上的壓力鋼片沒有力因為它是對稱的，所以只要看半個金屬帶的力，就能看出每個力的關(guān)聯(lián)[5]。 驅(qū)動輪上第k個半壓力鋼片根它馬鞍座面上的鋼帶環(huán)形成力的關(guān)系為 1）鋼帶環(huán)的切向力平衡方程為 （4.1） 2）鋼帶環(huán)的徑向平衡方程為 （4.2） 3）半個壓力鋼片片的切線方向力平衡方程為 （4.3） 圖4.3 錐輪斜面金屬帶的作用力（i≥1） 圖4.4 錐輪斜面金屬帶的作用力（i＜1） 4）半個壓力鋼片的徑向力平衡方程為 （4.4） 5）半個壓力鋼片的軸向力平衡方程為 (4.5) 上式中，i≥1時，δ=1；i＜1時，δ=-1。若能確定鋼環(huán)張力TA、TB，則可解決其他的力。 4.3 帶環(huán)的強度計算 4.3.1 帶環(huán)的靜強度計算 圖4.3、4.4當扭矩傳輸一樣，鋼環(huán)彎曲應(yīng)力、拉伸應(yīng)力和最大應(yīng)力與傳動比間的關(guān)系，可以看出，當傳動比恒定時獲得最大值，并且當傳動比最大時，、、三者都是最大值，因此，鋼環(huán)的靜態(tài)強度應(yīng)根據(jù)最大傳動比計算。 鋼帶環(huán)的靜強度的校核式（4.6）（4.7）(4.8)為 (4.6) （4.7） (4.8) 由鋼帶環(huán)材料的強度極限， 估算材料的屈服極限 采用安全系數(shù)為1.95，鋼環(huán)所允許靜強度的應(yīng)力為 4.3.2 帶環(huán)的疲勞強度計算 假定金屬帶式傳動裝置的范圍內(nèi)的傳動比使用率相同，那么要求出鋼環(huán)疲勞強度的應(yīng)力，考慮到多層鋼環(huán)1.05的負荷非均勻系數(shù)，有必要平均以下傳動比：i=imax與i=1[12]。鋼帶環(huán)的疲勞強度校核式（3.9）(3.10)(3.11)為 (4.9) (4.10) （4.11） 根據(jù)實驗，測量了單層鋼帶環(huán)的疲勞極限，安全系數(shù)為1.40。 帶環(huán)允許的疲勞強度應(yīng)力 下圖4.5為σ-N曲線 4.5 σ-N曲線 20 5 金屬帶式無級變速器的內(nèi)部參數(shù)設(shè)計 5.1 汽車傳動系的結(jié)構(gòu)組成與任務(wù) FF、FR、MR是現(xiàn)在車輛的比較流行驅(qū)動方式。但主流還是FF驅(qū)動器，由半軸、萬向節(jié)軸驅(qū)動前輪，此安裝簡單，不僅重大空間而且傳輸性能也會提升。 傳動系的工作是根據(jù)車輛運行條件的要求傳輸發(fā)動機和主輸入輪之間的運動和運動，按照車輛工作狀態(tài)運動速度和轉(zhuǎn)矩會一直變化，達到人們需要的各種速度。倒車性能好也是人們需要的，百公里加速快與低油耗也很重要。 5.2 無級變速器運動參數(shù)設(shè)計 工作的發(fā)動機會給主輸入輪提供動力，這是無級變速裝置的基本功用，為什么叫無級變速呢？因為它在變速當中是一種無級的變速。各個位置的齒輪的減速比是相當重要數(shù)據(jù)。也是其中比較重要的數(shù)據(jù)之一，這些數(shù)據(jù)對車輛產(chǎn)生的油耗與動力都是舉足輕重的，下面具體得出這些參數(shù)。 5.2.1 變速比Rb Rb能表現(xiàn)無級變速器傳動比的上下浮動限度，就是上限傳動比除以下限傳動得到的結(jié)果。Rb最大時，2個錐體相互對稱，并且中心距恒定。CVT的主要作用之一就是車輛在一定速度行駛時，車能處于最好的狀態(tài)。Rb高的話，那變速范圍大同時油耗也低；不過中心距要適當加大，這也會讓發(fā)動機在車里的空間變大，現(xiàn)在常見的Rb在6～8之間取，排量在2.0L以下的車用得最多。 5.2.2 發(fā)動機最小燃油消耗特性 最好的發(fā)動機工作狀態(tài)是跟據(jù)負載的變化，耗油量不高，并是在不同節(jié)氣門開度條件下的速度，這是設(shè)計無級變速器的重要參考指標。這個數(shù)據(jù)要在實際使用情況下測得。5.1表反應(yīng)了這些數(shù)據(jù) 表5.1 發(fā)動機的實驗數(shù)據(jù) 節(jié)氣門開度 （％） 最低燃油消耗率轉(zhuǎn)速 /（r/min） 最低燃油消耗率 /[g/（kW?h] 轉(zhuǎn)矩 /（N?m） 功率 /k 10 1000 363 47.00 4.90 20 1500 305 80.00 12.39 30 2000 298 89.99 18.39 40 2250 292 93.62 22.29 50 2500 286 100.00 26.29 60 2750 290 102.00 29.31 70 2750 291 102.30 29.69 80 2750 290 103.50 29.30 90 3000 302 106.30 33.40 100 3250 303 108.00 36.39 5.2.3 汽車齒輪減速比和CVT傳動比 目前,減速是手動變速器和自動變速器主要變速方式，ig為0.7～4的是手動變速器的速比[22]。 對于無級變速器的變速箱部分，設(shè)計了以下加速和減速部分來進一步增加速比： (5.1) （5.2） 式中 ib——無級變速器傳動比； ibmin——無級變速器最小傳動比； Ibmax——無級變速器最大傳動比； Rb——無級變速器變速比。 無級變速器的齒輪減速箱的減速比，里面有中間齒輪減速比與主減速比為 無級變速器的總傳動比為 最小傳動比為 最大傳動比為 總傳動比為 設(shè)計CVT運動和動力參數(shù)，來達到良好的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)人們所需的最高轉(zhuǎn)速。 由于無級變速摩擦驅(qū)動連續(xù)變化，車輪與地方接觸速度和車輪中心速度的比值最大為ε=14％。計算速度所采用的類型為: （5.3） 式中 ua——車速（km/h）； npe——發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速（r/min）； dr——車輪滾動直徑（mm）； ——鋼帶與錐輪斜面的滑動率； it——無級變速器總傳動比。 當滿足汽車最高車速uamax時，則有 在無級變速器的設(shè)計，通?？刂圃趎2max9000～9500r/min。這時齒輪減速比為 （5.4） 結(jié)論： 1）變速區(qū)間是根據(jù)Rb的比例控制的。 2）輸出軸軸承的最高速度轉(zhuǎn)動和車速上限是變速傳動如何得到總減速比的重要參數(shù)；要想得到省油的車速，減速比是很重要的。 3）要使發(fā)動機的燃油消耗特性最小一定要根據(jù)功率（轉(zhuǎn)矩）在轉(zhuǎn)速變化下而變化曲線，如果想更好得駕馭CVT，以發(fā)電機負荷的大小為變量是理想的。 4）因為負載的變化與打滑有一定關(guān)系，所以理論和實際還是有差距的。 23 6 雙行星輪行星變檔設(shè)計 6.1 換向機構(gòu)組成及工作原理 換向機構(gòu)的輸入軸就是行星架輸入軸，通過花鍵和慣性盤連在一起，共有3組行星輪在行星架上，第一個行星齒輪與齒圈內(nèi)齒和第二個的行星齒輪嚙合，第二個行星齒輪還會與太陽輪嚙合。如圖5.1所示。齒圈的外部和后退離合器的摩擦片用花鍵連接。行星架和前進離合器的摩擦片也一起花鍵連接。摩擦片壓板安裝在前進離合器和后退離合器摩擦片之間，分別由前進離合器液壓缸和后退離合器液壓缸操縱嚙合與分開[6]。 齒圈反轉(zhuǎn)時，后退離合器液壓操縱油缸，就是將殼體和齒圈貼合。雙行星輪齒輪運作后，隨著汽車向前移動，輸出軸的方向發(fā)生變化；隨著汽車向前移動，離合器的組合將行星架與太陽輪連接在一起，這意味著動力直接傳到太陽輪并傳到輸入軸。 6.2 前進、倒檔離合器 CVT的前進和后退離合器使用濕式多片離合器。 離合器通過缸的活塞壓力傳動扭矩。壓力釋放后，活塞由復(fù)位彈簧復(fù)位?？梢酝ㄟ^增加或減少摩擦片數(shù)或摩擦板面積多片離合器轉(zhuǎn)矩有效傳輸可以是可以調(diào)整的，多片離合器傳遞的扭矩可以由以下公式計算： (6.1) 式中 M——離合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩（N?m）。 z——離合器摩擦片片數(shù)。 D1——離合器摩擦片直徑。 D2——離合器摩擦片的外徑。 p——在離合器摩擦片的作用在壓力。 離合器內(nèi)外徑有如下關(guān)系： 由于其摩擦系數(shù)（μ= 0.15）、壓力穩(wěn)定性、溫度和良好的圓周速度，離合器摩擦片類型的選擇是紙基摩擦片。 由上述公式可選取相關(guān)參數(shù)如下： z=4 p=13.5N 6.3雙行星齒輪參數(shù)設(shè)計 如圖6.1所示 圖6.1 雙行星輪行星機構(gòu) 我們現(xiàn)在要確定該行星齒輪的特性參數(shù)a，即齒圈和太陽輪的總齒的比值[15]。 初選a 可以知道模數(shù)是一樣的，因此其值可以通過節(jié)圓直徑的比例來估算： a=118/48=2.458 理論上，雙行星輪行星的內(nèi)部力矩關(guān)系 （6.2） 式中 Mt——太陽輪轉(zhuǎn)矩； Mq——內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)矩； Mj——行星架轉(zhuǎn)矩。 Mj=250N?m 所以Mt=250/（2.458-1）=171470N?mm 齒輪參數(shù)設(shè)計 1） 要確定行星輪，第一個就是選材然后選熱處理方式和精度等級 材料選40Cr（有高的傳輸效率），熱處理用淬火加高溫回火加表面淬火。 精度8級[18]。 2）初步計算齒輪傳動主要尺寸 由于所需齒面堅硬并且要有好的抗點蝕能力，我們設(shè)計時要按齒根據(jù)彎曲強度。 （6.3） （1）式中參數(shù)為：傳遞轉(zhuǎn)矩T1=Mt=171470N?mm； （2）初選Z1=33，Z2=19； （3）根據(jù)《機械設(shè)計[M]》表8.6，找到了齒寬系數(shù)=0.5； （4）初選螺旋角β=15； 根據(jù)《機械設(shè)計[M]》圖8.21，找到了重合度系數(shù)Y3=0.74； （5）由 （6.4） =1.406； 根據(jù)《機械設(shè)計[M]》圖8.26找到了螺旋角系數(shù)YB=0.87； （6）初選 Kt=1.3 （7）齒形系數(shù)YE和應(yīng)力修正系數(shù)YB 當量齒數(shù) 根據(jù)《機械設(shè)計[M]》圖8.19查找了得齒形系數(shù) =2.48，=2.79； 根據(jù)《機械設(shè)計[M]》圖8.20找到了應(yīng)力修正系數(shù) Y=1.65，Ys2=1.54； （8） 許用應(yīng)力由 算得 （6.5） 根據(jù) 《機械設(shè)計[M]》圖8.18（h）找到了彎曲疲勞極限應(yīng)力==360MPa； 根據(jù)《機械設(shè)計[M]》表8.9找到了安全系數(shù)SF=1.25 根據(jù)《機械設(shè)計[M]》圖8.27找到了YN1=YN2=1.0； 故許用彎曲應(yīng)力==1.0360/1.25=288MPa； （9）初算法面模數(shù) （6.6） 所以取 3）計算傳動尺寸 （1）計算載荷系數(shù)k 由《機械設(shè)計[M]》表8.3查得使用系數(shù)KA=1.75 （其中 n1=（a-1）nj=6561r/min） 由《機械設(shè)計[M]》圖8.7中找到了載系數(shù)kv=1.25，由圖8.11查得齒向載荷分布系數(shù)kB=1.32，由表8.4查得齒間載荷分配系數(shù)ka=1.2 則k=kv+kB+ka=1.98 （2） 圓整為2.0。 （3）計算傳動尺寸 中心距 圓整為50mm。 修整螺旋角β=15.94≈16 所以 同理，d2≈32 取 （4）校核齒面接觸強度 滿足 （6.7） 主要參數(shù)總結(jié) =16 =2 Z1=33 Z2=19 Z3=2Z1+Z2=72 d1=68mm d2=32mm d3=145mm b1=32mm b2=30mm b3=32mm da1=72mm da2=36mm da3=141mm df1=63mm df2=27mm df3=150mm 29 結(jié) 論 這次的畢業(yè)設(shè)計，讓我對這么多年來學(xué)的機械知識進行了一個全方位的復(fù)習(xí)，提高了我解決問題和自我探索的能力。此次設(shè)計的帶式無級變速器對我來所還是一個極大的挑戰(zhàn)，雖然我很努力得做了。這種設(shè)計主要側(cè)重于機械結(jié)構(gòu)。 在此次設(shè)計中，我去圖書館找了大量的資料，看了我們4年來相關(guān)的教科書，同時也向老師請教了一些問題。此次設(shè)計我希望它的結(jié)構(gòu)緊湊，同時滿足速度和扭矩要求。結(jié)構(gòu)簡單，我畫的CAD可以清楚得看出它的結(jié)構(gòu)。因為只有1個多月，圖中沒有清晰地展現(xiàn)液壓回路。 希望通過這次畢業(yè)設(shè)計，能夠讓我的學(xué)習(xí)和解決問題的能力得到進步，在以后工作中有一定的基礎(chǔ)。 參考文獻 [1]王文璽,吳鳳林,張東浩.金屬帶式無級變速汽車原理與傳動效率的研究[J]. 機械傳動.2013(08) [2]蔡源春.湖南大學(xué).金屬帶式無級變速器燃油經(jīng)濟性及系統(tǒng)可靠性關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 2011 [3]劉蘭劍,宋發(fā)苗.國內(nèi)外新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新政策梳理與評價[J]. 科學(xué)管理研究.2013(01) [4]潘國揚,石曉輝,郝建軍,郭棟.新型無級變速器(CVT)技術(shù)解析[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)).2015(02) [5] 王云霞,漆小敏.汽車無級變速器多層金屬帶力學(xué)分析與研究[J].機械傳動.2016(09) [6] 李啟海,宋永吉,葛德.CVT行星齒輪系統(tǒng)動力學(xué)特性研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2015(06) [7] 梁焰賢.關(guān)于汽車無級變速器(CVT)的技術(shù)與運用[J].廣東職業(yè)技術(shù)教育與研究.2015(04) 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[J].SAE Tech.Paper series,950671,1995. 31 致 謝 四年的大學(xué)學(xué)習(xí)，讓我對機械設(shè)計的相關(guān)知識有了充分得認知。畢業(yè)設(shè)計是我們學(xué)習(xí)的一個重要的實踐部分，是一項非常全面設(shè)計任務(wù)，以后我們工作就有了很好的開始，也不不至于到公司力毫無頭緒。為了能更好地完成畢業(yè)設(shè)計，我花了很長設(shè)計閱讀資料做了很充足的準備。 首先，我對此次畢業(yè)設(shè)計的研究方向進行認真思考，然后經(jīng)過老師的細心指導(dǎo)，按照任務(wù)書，到圖書館查閱資料整理筆記。 再然后就是對設(shè)計的整體框架進行構(gòu)思了，一步一步地進行設(shè)計。 雖然畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)結(jié)束了，但是我想起了我所學(xué)到的知識，遇到的困難，仍然記憶猶新。它讓我明白，新產(chǎn)品的設(shè)計，還是舊產(chǎn)品的改造，是一個復(fù)雜的技術(shù)過程，一點也不含糊。設(shè)計師應(yīng)首先了解設(shè)計的目的，并理解產(chǎn)品的價值和實用性。第二，設(shè)計產(chǎn)品的設(shè)計來決定整個程序，獲取信息，最后是設(shè)計規(guī)范的準備。 我的老師是一個認真負責(zé)的好老師。真的非常感謝老師對我的細心指導(dǎo)，我對所有的老師都很有信心，共創(chuàng)美好南京軟件科技大學(xué)。 32