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河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
摘 要
目前機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)用的帶式無(wú)級(jí)變速器主要是帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器。廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石油汽車等行業(yè)。機(jī)械、石油行業(yè)多采用橡膠寬V帶式，自動(dòng)檔汽車采用金屬帶式無(wú)級(jí)變速器。無(wú)級(jí)調(diào)速原理目前主要采用國(guó)外技術(shù)專利引進(jìn)的擠壓帶傳動(dòng)式帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速技術(shù)，調(diào)速擠壓力產(chǎn)生的主要問(wèn)題：①橡膠V帶磨損、熱變形嚴(yán)重，壽命短，承載能力降低；②金屬帶成本高；③調(diào)速時(shí)主、從動(dòng)輪傳動(dòng)帶不在同一工作平面內(nèi)；④傳動(dòng)帶承載能力計(jì)算超出柔性體傳動(dòng)的歐拉公式范圍；⑤帶輪槽為曲線形狀，加工成本高，尤其無(wú)法在家用電動(dòng)轎車普遍應(yīng)用等。
通過(guò)調(diào)研分析，采用分體帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)新型帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器，使其能滿足家用微型轎車使用要求，調(diào)速時(shí)帶輪分體在調(diào)速機(jī)構(gòu)的作用下可以沿徑向連續(xù)膨脹或收縮，達(dá)到改變帶輪的工作直徑，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速目的，消除了作用在V帶側(cè)面的擠壓力帶輪的問(wèn)題。
畢業(yè)課題論文研究主要完成了以下工作:
1、 對(duì)分體帶輪帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的工作原理以及各部分的主要功能分析，說(shuō)明了新型V帶無(wú)級(jí)變速器可以滿足傳動(dòng)要求；
2、 結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)的要求，完成了分體帶輪帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器主要零件(錐體軸和帶輪分體等)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)；
研究工作取得以下成果:
1、 創(chuàng)新提出分體帶輪結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)速控制機(jī)構(gòu)可以改變主從動(dòng)帶輪的工作直徑，實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)級(jí)變速；
2、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，適用性強(qiáng)〔可適應(yīng)普通V帶、平帶、圓帶、楔型帶無(wú)級(jí)變速)；
3、 調(diào)速時(shí)消除了作用在傳動(dòng)帶側(cè)面的擠壓力，減小由此產(chǎn)生的傳動(dòng)帶的過(guò)大磨損等問(wèn)題；
4、 總結(jié)出分體式V帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的有效圓周力計(jì)算方法。
關(guān)鍵詞：帶式傳動(dòng)；無(wú)級(jí)變速器；分體帶輪
ABSTRACT
The belt-type continuously variable transmission (CVT) has been widely used in the mechanics and the fields of petroleum and automobiles nowadays. To be exact, the rubber V-belt CVT is adopted for the mechanics and petroleum, while the metal CVT is used for automatic automobile. The working principle of CVT is mainly based on the technology of the pressed belt type CVT, which is of abroad technology patent. The main problem involves (1) the likely wear of rubber V belt the serious deformation from heat, the short service life and the reduced capacity of carrying.(2 )the high cost of metal belt.(3 )The main belts and auxiliary belts are not in the same working horizon when regulating speed. (4) The calculation on carrying capacity is beyond the format. (5) The pulley sleeve is in the form of curve, and the cost of production is too high.
By careful analysis，The use of the structural design of split pulley，development of new CVT Belt Drive，To enable them to meet the requirements of domestic use of electric cars。It proves to reduce the wear of belt and avoid misalignment of pulleys to a large extent by adopting the parted pulleys and unique mood to vary speed.
The study work has been completed as follows：
1. It proves that this new type of CVT can meet the driving requirement by analyzing the working principle of CVT with parted pulleys and main functions of each component.
2. The dimension of main components of CVT with parted pulleys has been designed in fully compliance with the requirement of design parameters.
3. The design plan has been optimized and the best parameters of construction of CVT with parte pulleys has been determined by the stress analysis, with the result that the parted block can change the working diameter by means of moving radially.
The following achievement has been made：
1. The parted pulley construction has been designed in the new way.
2. The construction is simple, the cost is low and the application is wide.
3. The pressing force acting on the side of transmission belt is eliminated when regulating speed, hereby, the wear is greatly reduced.
4. Summarized split CVT V-belt drive of the effective Circumference force method of calculating.
Key words: belt-type transmission; continuously variable transmission (CVT); parted pul
53
目 錄
前言 1
1 機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的概況 4
1.1 分類及應(yīng)用 4
1.2 國(guó)內(nèi)外研究情況 5
1.3 帶式無(wú)級(jí)變速器的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題 7
1.4 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及意義 10
1.4.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 10
1.4.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 10
2 小功率微型電動(dòng)轎車無(wú)級(jí)變速器工作原理 11
2.1 方案分析 11
2.2 結(jié)構(gòu)組成 11
2.3 工作原理 13
2.4 主要性能參數(shù) 13
2.4.1 傳動(dòng)比 13
2.4.2 變速比帶 14
2.4.3 滑動(dòng)率 14
3 分體帶輪及錐體的設(shè)計(jì) 15
3.1 帶傳動(dòng)參數(shù)計(jì)算 15
3.2 錐體及分體設(shè)計(jì) 16
3.3 帶傳動(dòng)計(jì)算 18
3.4 帶輪結(jié)構(gòu) 24
4 軸及軸承的設(shè)計(jì) 26
4.1 軸的初設(shè)計(jì) 26
4.2 主要軸承選用與校核 27
4.3 軸向尺寸確定 29
4.4 軸的校核 29
4.4.1 按彎扭合成強(qiáng)度條件校核軸的強(qiáng)度 29
4.4.2 按疲勞強(qiáng)度計(jì)算危險(xiǎn)截面的安全系數(shù) 32
4.4.3 靜強(qiáng)度安全系數(shù)校核 33
4.4.4 軸的剛度校核 34
4.5 鍵強(qiáng)度校核 37
4.5.1 花鍵強(qiáng)度校核 37
4.5.2 輸入輸出平鍵強(qiáng)度校核 38
4.6 分體式V帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的有效拉力計(jì)算 39
4.7 汽車驅(qū)動(dòng)力與行駛速度校核 42
5 調(diào)速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 44
5.1 調(diào)速機(jī)構(gòu)綜述 44
5.2 液壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 45
5.2.1 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 46
5.2.2 速度輸出曲線 49
結(jié) 論 50
致 謝 51
參考文獻(xiàn) 52
前言
有人說(shuō)，年老守舊的人無(wú)法接受新事物。但無(wú)級(jí)變速器(CVT)的概念卻是萊昂納多?達(dá)?芬奇(Leonardo da Vinci)早在500多年前就已經(jīng)提出了，現(xiàn)在，無(wú)級(jí)變速器在一些汽車中將取代行星齒輪自動(dòng)變速器，從這個(gè)意義上講，年老守舊的人卻已經(jīng)走在了前面。事實(shí)上，自1886年申請(qǐng)第一臺(tái)環(huán)形CVT專利后，這項(xiàng)技術(shù)就已經(jīng)得到了細(xì)化及改進(jìn)。當(dāng)今，多家汽車制造商（包括通用汽車、奧迪、本田和日產(chǎn)）正在圍繞CVT設(shè)計(jì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。
讀過(guò)有關(guān)自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)和功能的內(nèi)容，就會(huì)知道變速器的作用是改變汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪之間的速比。換句話說(shuō)，沒(méi)有變速器的汽車只有一個(gè)檔位，這個(gè)檔位使汽車以期望的最高速度行駛。想象一下，您駕駛著一輛只有一檔或三檔的汽車，只有一檔的汽車從完全停止?fàn)顟B(tài)正常加速，并且可以攀爬陡峭的坡地，但它的最高速度將限制在每小時(shí)幾公里。 另一種情況下，只有三檔的汽車將以130公里/小時(shí)的速度在公路上飛馳，但在起動(dòng)后，幾乎沒(méi)有加速度，而且不能爬坡。
因此，隨著駕駛條件的更改，變速器的使用可以在從低到高的檔位范圍內(nèi)更有效地利用發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，并可以手動(dòng)或自動(dòng)控制這些檔位。
無(wú)級(jí)變速器與傳統(tǒng)的自動(dòng)變速器不同，它不帶一組齒輪組成的齒輪箱，這意味著它沒(méi)有聯(lián)鎖齒輪。最常見(jiàn)類型的CVT可以在設(shè)計(jì)精巧的皮帶輪系統(tǒng)上操作，該皮帶輪系統(tǒng)可以在最高檔位和最低檔位間提供無(wú)限的可變性，而沒(méi)有不連續(xù)的步驟或換檔。
車輛運(yùn)行過(guò)程的自動(dòng)變速一直是人們追求的目標(biāo)，也是目前汽車技術(shù)發(fā)展到高級(jí)階段的標(biāo)志。機(jī)械無(wú)級(jí)變速器是一種傳動(dòng)裝置，其功能特征是:在輸入轉(zhuǎn)速不變的情況下，能實(shí)現(xiàn)輸出軸的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，以滿足機(jī)器或生產(chǎn)系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中各種不同工況的要求。采用無(wú)級(jí)變速器，尤其是在配合減速傳動(dòng)時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)大其變速范圍與輸出轉(zhuǎn)矩，能更好地適應(yīng)各種機(jī)械的工況要求，使之效能最佳化。在提高產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量，適應(yīng)產(chǎn)品變換的需要，節(jié)省能源，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械化、自動(dòng)化等各方面都有顯著的效果。
隨著全球能源危機(jī)的不斷加深，石油資源的日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的危害加劇，各國(guó)政府及汽車企業(yè)普遍認(rèn)識(shí)到節(jié)能和減排是未來(lái)汽車技術(shù)發(fā)展的主攻方向，發(fā)展小排量汽車（如圖1.1所示）將是解決這技術(shù)難點(diǎn)的最佳途徑。尤其在國(guó)家最新頒布的微型汽車下鄉(xiāng)政策下，將使微型轎車的更快普及，其市場(chǎng)占有量會(huì)不斷提高。如果能夠在微型汽車的基礎(chǔ)上應(yīng)用無(wú)級(jí)變速技術(shù)，會(huì)大大提高汽車的使用性能。但是面對(duì)著帶傳動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器過(guò)高的成本等問(wèn)題，我們需要開(kāi)發(fā)出新型的無(wú)級(jí)變速器，能夠在解決V帶側(cè)面的擠壓力問(wèn)題的同時(shí)，可以擺脫過(guò)度依賴進(jìn)口無(wú)級(jí)變速器，實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。微型轎車已經(jīng)朝著高性能，高普及，低價(jià)格化發(fā)展，因此需要開(kāi)發(fā)出一種新型的無(wú)級(jí)變速器，響應(yīng)國(guó)家政策。
無(wú)級(jí)變速器目前已經(jīng)成為一種基本的通用傳動(dòng)型式，應(yīng)用于紡織、輕工、食品、包裝、化工、機(jī)床、電工、起重運(yùn)輸、礦山冶金、工程、農(nóng)業(yè)、國(guó)防及試驗(yàn)等各類機(jī)械，已被開(kāi)發(fā)成各種類型，并已系列化生產(chǎn)。汽車行業(yè)使用的機(jī)械無(wú)級(jí)變速器不僅要能在較大的范圍內(nèi)改變汽車驅(qū)動(dòng)輪上的速度大小，而且還要能保證在較大范圍內(nèi)改變驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩大小。除此之外，還應(yīng)該保證汽車具有最佳的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，車輛無(wú)級(jí)變速器具有節(jié)油、操縱方便、行駛舒適等特點(diǎn)。它能使整車具有更好的駕駛性能、良好的行駛性能，提高行車安全性，降低了廢氣排放。
當(dāng)踩下帶有無(wú)級(jí)變速器汽車的加速踏板時(shí)，您就會(huì)立即感覺(jué)到差異。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)能直接上升到它產(chǎn)生最大功率的轉(zhuǎn)速，并保持該速度。但汽車不會(huì)立即響應(yīng)。過(guò)一會(huì)兒，變速器開(kāi)始工作，對(duì)汽車進(jìn)行緩慢、穩(wěn)定的加速，而無(wú)需任何換檔。 理論上，帶有CVT的汽車達(dá)到100公里/小時(shí)比具有相同發(fā)動(dòng)機(jī)和手動(dòng)變速器的相同汽車快25%。這是因?yàn)镃VT將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)曲線上的每一點(diǎn)都轉(zhuǎn)化成了它本身運(yùn)轉(zhuǎn)曲線上的相應(yīng)點(diǎn)。
CVT在爬山時(shí)同樣高效。由于CVT無(wú)級(jí)地循環(huán)下降至適合于駕駛條件的傳動(dòng)比，因此不存在“齒輪抖動(dòng)”。而傳統(tǒng)的自動(dòng)變速器要來(lái)回?fù)Q檔，以嘗試找出合適的檔位，這樣就非常低效了。
圖1.1 海馬A0級(jí)轎車ME
1 機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的概況
1.1 分類及應(yīng)用
機(jī)械無(wú)級(jí)變速器可分為摩擦式、鏈?zhǔn)?、帶式和脈動(dòng)式四大類。
1) 摩擦式無(wú)級(jí)變速器
變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用主、從動(dòng)元件(或通過(guò)中間元件)在接觸處產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行傳動(dòng)，并通過(guò)改變接觸處的工作半徑實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速的。
2) 鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器
變速動(dòng)機(jī)構(gòu)是由主、從動(dòng)鏈輪及套于其上的剛質(zhì)撓性鏈組成，用鏈條左右兩側(cè)面與作為鏈輪的兩錐盤接觸所產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行傳動(dòng)，并通過(guò)改變兩錐盤的軸向距離以調(diào)整它們與鏈的接觸位置和工作半徑，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。
3) 脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器
變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有3到5相連桿機(jī)構(gòu)組成，或者是連桿與凸輪、齒輪等機(jī)構(gòu)的組合，其工作原理與連桿機(jī)構(gòu)相同，但為使輸出軸能夠獲得連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這里需要配置輸出機(jī)構(gòu)。
4) 帶式無(wú)級(jí)變速器
與鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器相似，它的變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是由作為主動(dòng)帶輪的兩對(duì)錐盤及張緊在其上的傳動(dòng)帶組成。其工作原理也是利用傳動(dòng)左右兩側(cè)與錐盤接觸所產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行傳動(dòng)，并通過(guò)改變兩錐盤的軸向距離以調(diào)整他們與傳動(dòng)帶的接觸位置和工作半徑，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速.其中需要格外敘述的是在汽車行業(yè)中應(yīng)用廣泛的金屬帶無(wú)級(jí)變速器。
金屬帶(又稱鋼帶)無(wú)級(jí)變速器采用V形金屬撓性零件作為傳動(dòng)介質(zhì)，借助于摩擦來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)，并通過(guò)與V形膠帶無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)相同的變速原理來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。這種V型金屬帶無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)比V形膠帶無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)效率要高，有傳遞功率大、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，近一些年來(lái)已成為汽車變速器研究的重點(diǎn)。它的工作原理與V形膠帶傳動(dòng)類似，都是借助摩擦作用來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)。V型膠帶傳動(dòng)是由帶的張緊力來(lái)產(chǎn)生摩擦力，并通過(guò)帶的拉力來(lái)傳遞動(dòng)力。V形鋼帶傳動(dòng)是由金屬環(huán)帶的張緊力產(chǎn)生摩擦力，不靠帶的拉力來(lái)傳遞動(dòng)力，而是通過(guò)楔形金屬帶塊的推力來(lái)傳遞動(dòng)力。
機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的適用范圍比較廣泛，有的在驅(qū)動(dòng)功率固定的情況下，因工作阻力變化而需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以生產(chǎn)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力矩者(如化工行業(yè)中的攪拌機(jī)械，即要求隨著攪拌物料的粘度、阻力增大而能相應(yīng)減慢攪拌速度);有的是根據(jù)工況要求需要調(diào)節(jié)速度者(如起重運(yùn)輸機(jī)械要求隨物料及運(yùn)行區(qū)段的變化而能相應(yīng)改變提升或運(yùn)行速度，食品機(jī)械中的烤干機(jī)或制藥機(jī)械要求隨著溫度變化而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移速度);有的是為獲得恒定的工作速度或張力，需要調(diào)節(jié)速度者(如端面切削機(jī)床加工時(shí)需保持恒定的切削線速度，電工機(jī)械中的繞線機(jī)需保持恒定的卷繞速度，紡織機(jī)械中的漿紗機(jī)及輕工機(jī)械中的薄膜機(jī)需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以保持有恒定的張力等);有的是為適應(yīng)整個(gè)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(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及需要配合自動(dòng)控制者(如各種各樣半自動(dòng)或自動(dòng)的生產(chǎn)、操作或裝配流水線);有的是為節(jié)約能源而需進(jìn)行調(diào)速者(如風(fēng)機(jī)、水泵等)；此外，還有的是按照各種規(guī)律的或不規(guī)律的變化要求，而進(jìn)行速度調(diào)節(jié)以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或程序控制的等。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究情況
機(jī)械無(wú)級(jí)變速器是適合現(xiàn)今生產(chǎn)工藝流程機(jī)械化、自動(dòng)化發(fā)展，以及改善機(jī)械工作性能的一種通用傳動(dòng)裝置。它的研制在國(guó)外己經(jīng)有百余年的歷史了，初始階段由于受到條件的限制，進(jìn)展緩慢。直到20世紀(jì)50年代以后，一方面隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，材質(zhì)、工藝和潤(rùn)滑方面的限制因素相繼得到解決，另一方面隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需求的迅速增加，相應(yīng)地促進(jìn)了機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的研制和生產(chǎn)，使各種類型的系列產(chǎn)品快速增長(zhǎng)并獲得了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)的機(jī)械無(wú)級(jí)變速器是在20世紀(jì)60年代前后起步的，基本上是作為專業(yè)機(jī)械，如紡織、機(jī)床及化工機(jī)械等的配套零部件使用。由專業(yè)機(jī)械廠進(jìn)行仿制和生產(chǎn)，品種規(guī)格不多，產(chǎn)量也不大。直到80年代中期以后，大量引進(jìn)國(guó)外各種先進(jìn)設(shè)備，隨著工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化以及自動(dòng)流水線的迅速發(fā)展，對(duì)機(jī)械無(wú)級(jí)變速器品種、規(guī)格和數(shù)量方面的需求都有了大幅度增加。在這種形式下，專業(yè)廠開(kāi)始建立并進(jìn)行規(guī)模化的生產(chǎn)，一些高等院校也相繼開(kāi)展了這方面的研究工作，短短十幾年間，系列產(chǎn)品已包括機(jī)械無(wú)級(jí)變速器現(xiàn)有的摩擦式、鏈?zhǔn)?、帶式和脈動(dòng)式四大類及其各種主要的結(jié)構(gòu)型式，初步滿足了生產(chǎn)發(fā)展的需要。與此同時(shí)，學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)及情報(bào)網(wǎng)組織的相繼建立，并先后制定了一系列的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使機(jī)械無(wú)級(jí)變速器發(fā)展成為機(jī)械領(lǐng)域中的一個(gè)新興的行業(yè)。在生產(chǎn)實(shí)踐中如同齒輪、聯(lián)軸器那樣，機(jī)械無(wú)級(jí)變速器已成為一種通用的零部件，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，汽車工業(yè)對(duì)無(wú)級(jí)變速器技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)日益重視，特別是在微型汽車中，無(wú)級(jí)變速技術(shù)被認(rèn)為是汽車業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。全球科技的迅猛發(fā)展，使得新的電子技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)不斷被采用到了無(wú)級(jí)變速技術(shù)中。由于無(wú)級(jí)變速技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)改變，從而得到傳動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)工況的最佳匹配，提高了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，改善駕駛員的操縱方便性和乘員的乘坐舒適性，所以它是理想的汽車傳動(dòng)裝置。目前汽車行業(yè)多采用國(guó)外專利技術(shù)的金屬帶式無(wú)級(jí)變速器。
帶式無(wú)級(jí)變速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、不需潤(rùn)滑及可以緩沖吸振等特點(diǎn)，是機(jī)械無(wú)級(jí)變速器中應(yīng)用最廣泛的一種變速器。近年來(lái)，特別是在汽車工業(yè)、家用電器和辦公機(jī)械以及各種新型機(jī)械裝備中使用己相當(dāng)普遍。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使得帶傳動(dòng)的工作能力顯著增強(qiáng)。V型金屬帶式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)是新出現(xiàn)的一種無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)，其所采用的V型金屬帶剛性化是剛性鏈柔性化的結(jié)果。
V 型金屬帶式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)，最早是由荷蘭VanDoorne's Tansmissie (VDT)公司開(kāi)發(fā)的，現(xiàn)在己經(jīng)廣泛使用于多種汽車變速器中，并結(jié)合電、液自動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制機(jī)械無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)，使得汽車的行駛和操作特性大大改善，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。
1.3 帶式無(wú)級(jí)變速器的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題
帶式無(wú)級(jí)變速器的基本結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)原理與帶傳動(dòng)基本相同，如圖1.2所示。當(dāng)主動(dòng)工作輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，利用張緊的金屬帶與錐輪之間的摩擦力，將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力從主動(dòng)輪傳遞到從動(dòng)輪上，并可通過(guò)操縱機(jī)構(gòu)改變帶在錐形帶輪上的工作位置，使主、從動(dòng)錐輪的工作直徑能連續(xù)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。
圖1.2 帶式無(wú)級(jí)變速器原理圖
帶式傳動(dòng)根據(jù)傳動(dòng)帶的形狀不同可以分為平帶無(wú)級(jí)變速器和V帶無(wú)級(jí)變速器兩種類型.在平帶的無(wú)級(jí)變速器中，帶輪為圓錐狀，利用平帶沿帶輪的軸向移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速，這種變速方式調(diào)速范圍較小，傳遞功率不大，變速器外形尺寸較大。V帶無(wú)級(jí)變速器的帶輪由圓錐盤組成，利用圓錐盤的軸向相對(duì)移動(dòng)來(lái)改變V帶槽的寬度，從而可使V帶工作于不同的工作直徑處，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。主要有以下幾種變速方式：
1) 調(diào)節(jié)中心距變速方式
這種方式的一個(gè)帶輪是由夾緊帶傳動(dòng)的兩對(duì)圓錐盤組成，其錐盤可作軸向移動(dòng)，其上設(shè)有彈簧壓緊裝置，此帶輪稱為可變速帶輪(或稱為變速帶輪)，另一個(gè)為普通的固定工作直徑的帶輪。當(dāng)改變兩帶輪的中心距時(shí)，借助傳動(dòng)帶的張緊力與彈簧的壓緊力相互作用，使變速帶輪的可動(dòng)錐盤做軸向移動(dòng)，從而改變傳動(dòng)帶在帶輪上的接觸位置及相應(yīng)的工作直徑，達(dá)到變速的目的。
2) 雙帶輪變速方式
這種變速方式采用了兩個(gè)帶輪槽寬度均可變化的帶輪，其中一個(gè)是裝有壓緊裝置的變速帶輪，另一個(gè)帶輪裝有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可調(diào)節(jié)帶輪兩錐盤的距離，故稱圖中的下帶輪為調(diào)速帶輪。它是通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)速帶輪的V帶槽寬度，并利用傳動(dòng)帶的張緊力和彈簧的壓緊力使變速帶輪的帶槽寬度作相應(yīng)的改變。由于中心距固定不變，從而使主，從動(dòng)輪的工作直徑成反比例關(guān)系變化，由此可以獲得較大的變速范圍。這種變速方式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高，但其變速范圍較大，所以應(yīng)用較為廣泛。
3) 中間帶輪變速方式
在原動(dòng)機(jī)和從動(dòng)機(jī)上分別安裝的主、從動(dòng)帶輪均為普通帶傳動(dòng)中的固定帶輪，在主從動(dòng)帶輪之間設(shè)一中間變速帶輪裝置。此變速帶輪具有兩個(gè)V形槽，帶輪外端的兩錐盤固定不動(dòng)，中間是一個(gè)可軸向移動(dòng)的雙錐盤。變速帶輪一個(gè)V形槽的傳動(dòng)帶連接原動(dòng)機(jī)的主動(dòng)帶輪，另一個(gè)V形槽中的傳動(dòng)帶連接工作機(jī)上的從動(dòng)帶輪。調(diào)節(jié)中間變速帶輪距主、從動(dòng)帶輪的距離，借助于帶的張力，改變變速帶輪上的兩個(gè)V形槽的寬度，就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，而且獲得較大的變速范圍。
4) 調(diào)節(jié)帶輪軸向位置實(shí)現(xiàn)變速的方式
調(diào)節(jié)主、從動(dòng)帶輪圓錐盤的軸向位置與槽寬，即可改變輪與帶的接觸位置和工作半徑，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。調(diào)節(jié)帶輪軸向位置一般采用彈簧或螺桿與調(diào)速手輪，也可采用各種形式的杠桿機(jī)構(gòu)，還可以采用液壓裝置等其他方式。
以上敘述了帶傳動(dòng)為了實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速的各種調(diào)速方式，從中我們可以看出存在著一些不足之出，例如，無(wú)論是調(diào)節(jié)中心距變速方式，還是雙帶輪變速方式，都利用了帶的張緊力與彈簧的張緊力使帶與帶輪相互作用，而改變了帶槽寬度來(lái)調(diào)節(jié)了帶輪的直徑，從而實(shí)現(xiàn)變速。不難看出，這種調(diào)速方式直接導(dǎo)致了帶與帶輪之間的劇烈摩擦，從而減少了帶的使用壽命，而且這樣調(diào)速不能保證兩個(gè)帶輪的中心始終在一條中心線上，可能發(fā)生一些偏心，會(huì)對(duì)傳動(dòng)效率產(chǎn)生影響。
由于帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)性能很接近于汽車所需要的理想的恒功率特性，所以多年來(lái)一直吸引著人們?nèi)ふ议_(kāi)發(fā)新型的汽車用帶式無(wú)級(jí)變速器。為了改正目前帶式傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器存在的一些不足。我們結(jié)合汽車無(wú)級(jí)變速器技術(shù)研究，通過(guò)調(diào)研分析及資料查新，提出了新型帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速技術(shù)研究課題。
1.4 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及意義
1.4.1 設(shè)計(jì)任務(wù)
微型轎車的無(wú)級(jí)變速范圍：1.25～0.5 變速比：=/ =2.5
傳動(dòng)功率：10KW
傳動(dòng)中心距：約為400mm
輸入轉(zhuǎn)速為：2500r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速為1000 r/min～2500 r/min，考慮到微型轎車重量輕，行駛速度要求不高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)車最高轉(zhuǎn)速為100km/h。常用減速器減速比為=5，所以總的傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比為=6.25～2.5。
1.4.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容
1) 新型帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
確定小功率帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的結(jié)構(gòu)，結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)的要求，完成小功率微型轎車帶傳動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器主要零件(錐體和帶輪分體等)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)；
2) 針對(duì)本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，推算出分體式帶輪無(wú)級(jí)變速器的有效拉力計(jì)算模型；
2 小功率微型電動(dòng)轎車無(wú)級(jí)變速器工作原理
2.1 方案分析
在帶式無(wú)級(jí)變速器中，若要實(shí)現(xiàn)變速即輸出轉(zhuǎn)速變化，必須改變其傳動(dòng)比，而傳動(dòng)比的改變需要通過(guò)改變帶輪工作直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。在目前的帶式無(wú)級(jí)變速器中，均采用寬V帶傳動(dòng)，并把帶輪在軸向分成兩半，通過(guò)改變兩半帶輪之間的距離實(shí)現(xiàn)帶工作直徑的變化。雖然這樣的無(wú)級(jí)變速器己成為技術(shù)成熟的應(yīng)用產(chǎn)品正在生產(chǎn)，但它存在的問(wèn)題是不容忽視的，那就是在改變兩半帶輪之間的距離時(shí)，帶與帶輪之間存在嚴(yán)重的摩擦，壽命很低，所以目前很多課題都在致力于提高帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的壽命上。然而，改變V帶的工作直徑方式，除改變兩個(gè)半輪之間的軸向位置外，還可以利用分體式帶輪的分體徑向移動(dòng)。正是出于這種考慮而進(jìn)行新型帶傳動(dòng)小功率無(wú)級(jí)變速器的研究，使其能夠在微型轎車上得到使用。
2.2 結(jié)構(gòu)組成
分體帶輪無(wú)級(jí)變速器由分體帶輪、調(diào)速裝置、操縱機(jī)構(gòu)、V帶以及箱體等部分構(gòu)成，見(jiàn)圖2.1。
圖2.1 分體帶輪無(wú)級(jí)變速器原理圖
1. 分體帶輪
分體帶輪，顧名思義就是將帶輪分解，由分開(kāi)的單獨(dú)的帶輪分體與錐體組成帶輪。
1) 帶輪分體
帶輪分體下端是燕尾狀結(jié)構(gòu)，能沿錐體上的燕尾槽自由滑動(dòng)，并且被錐體帶動(dòng)(或者帶動(dòng)錐體轉(zhuǎn)動(dòng))，分體帶輪由五個(gè)帶輪分體與一個(gè)錐體構(gòu)成。
2) 錐體
錐體上開(kāi)有五個(gè)燕尾槽，帶輪分體的下端能正好安裝在燕尾槽中，并且能沿錐體的燕尾槽自由滑動(dòng)改變帶輪的直徑大小。錐體兩個(gè)端面有延伸部分，起主要作用是：在其上安裝推力軸承，通過(guò)與操縱機(jī)構(gòu)相互配合，實(shí)現(xiàn)錐體部分的軸向運(yùn)動(dòng)，該零件的主要部分是錐體，后面的錐體結(jié)構(gòu)主要是指其錐體部分。其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示
圖2.2 錐體結(jié)構(gòu)
3) 花鍵軸
通過(guò)花鍵軸，錐體可以在其軸向方向上左右移動(dòng)，從而可以改變分體帶輪的工作半徑大小。同時(shí)錐體通過(guò)花鍵軸作用實(shí)現(xiàn)輸入或輸出扭矩，進(jìn)行動(dòng)力傳輸。
2. 操縱機(jī)構(gòu)：
在操縱機(jī)構(gòu)的作用下，調(diào)節(jié)分體帶輪中錐體軸的走向，從而改變帶輪分體在錐體上的位置，達(dá)到無(wú)級(jí)變速器的目的。
3. V 帶 :
嵌在帶輪分體的V槽內(nèi)，當(dāng)主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，利用張緊的帶與帶輪分體之間的摩擦力，
將動(dòng)力從主動(dòng)帶輪傳遞到從動(dòng)帶輪上，起到傳遞動(dòng)力的作用。
4. 箱 體 :
起到固定帶輪分體的作用，保證運(yùn)動(dòng)的完整性。
2.3 工作原理
如圖2.1所示，通過(guò)花鍵軸3帶動(dòng)主動(dòng)錐體1轉(zhuǎn)動(dòng)，利用錐體1和分體帶輪2的燕尾槽配合，通過(guò)支架向右推動(dòng)錐體1，由于分體扇形塊軸向位置不變，錐體1相對(duì)帶輪處的運(yùn)動(dòng)半徑逐漸增大，則分體帶輪沿錐體1上的徑向滑道向外膨脹，以此增大帶輪的工作直徑.同時(shí)，從動(dòng)分體帶輪內(nèi)的錐體在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)也軸向移動(dòng)，從而推動(dòng)軸向位置不變從動(dòng)分體帶輪，分體沿錐體上的徑向滑道向內(nèi)收縮。此時(shí)由于傳動(dòng)帶的長(zhǎng)度是固定不變的，傳動(dòng)帶具有一定的彈性，因此減小了從動(dòng)輪的工作直徑，從而改變主、從動(dòng)帶輪的工作直徑的比值，如此實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的目的。
2.4 主要性能參數(shù)
2.4.1 傳動(dòng)比
與其他無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)相同，帶式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比的表達(dá)式為:
（2.1）
式中 n1、D1一分別為主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速和工作直徑;
n2、D2一分別為從動(dòng)帶輪的轉(zhuǎn)速和工作直徑
2.4.2 變速比帶
帶式傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的變速范圍取決于帶輪工作直徑的相對(duì)變化量，帶輪直徑從d位置達(dá)到D位置時(shí)的V帶移動(dòng)量來(lái)確定。如圖2.3所示，當(dāng)帶輪分體在錐體的最右端時(shí)，變速比為0.5。當(dāng)帶輪分體運(yùn)動(dòng)到錐體的最左端時(shí)，變速比為1.25。由圖2.3可以看出來(lái)，帶輪的變速范圍和錐體的軸向移動(dòng)量有關(guān)，如果要擴(kuò)大變速范圍，可以增加或減小帶輪在最大端或最小端的直徑。
圖2.3 帶式傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器
2.4.3 滑動(dòng)率
帶傳動(dòng)是靠摩擦傳動(dòng)，帶與帶輪之間存在有滑動(dòng)。帶輪、傳動(dòng)帶及負(fù)載率不同，變速器滑動(dòng)率不同。為了保證帶式無(wú)級(jí)變速器正常工作并延長(zhǎng)壽命，應(yīng)盡量減少滑動(dòng)和避免打滑。
3 分體帶輪及錐體的設(shè)計(jì)
3.1 帶傳動(dòng)參數(shù)計(jì)算
進(jìn)行帶輪及錐體設(shè)計(jì)，首先應(yīng)按帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行基本帶傳動(dòng)的計(jì)算，因?yàn)榭梢园褵o(wú)級(jí)變速看成傳動(dòng)比連續(xù)變化的帶傳動(dòng)，而在某個(gè)固定的傳動(dòng)比處仍符合基本帶傳動(dòng)的計(jì)算。
1) 設(shè)計(jì)功率
（3.1）
式中 —工況系數(shù)，查表取1.2
得=1.1x10=12kW
2) 選定帶型
傳動(dòng)比:
（3.2）
的取值范圍是:0.5-1.25, 輸入轉(zhuǎn)速為恒定值2500r/min，傳動(dòng)比為0.5時(shí)的輸出轉(zhuǎn)速：= /=2500/0.5=5000r/min，傳動(dòng)比為1.25時(shí)的輸出轉(zhuǎn)速: =/=2500/1.25=2000 r/min，所以, 的取值范圍是2000-5000r/min。
又=12KW,選取有效寬度制窄V帶帶型為SPA型，由于窄V帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了其具有較高的承載能力，較長(zhǎng)的使用壽命，適應(yīng)載荷變化大，變化頻率高等特點(diǎn)。
3) 確定帶輪基準(zhǔn)直徑
為提高v帶的壽命，在結(jié)構(gòu)允許的情況下選取較大的基準(zhǔn)直徑。
窄v帶：
（3.3）
為充分發(fā)揮v帶的傳動(dòng)能力，應(yīng)使=40以內(nèi)，可得帶輪的最大極限尺寸。
（3.4）
傳動(dòng)比為0.5處的輸出轉(zhuǎn)速為5000r/min
==159.2mm
==305.7mm
==764.33mm
==305.7mm
各輪尺寸最小有效直徑參考表15-767mm，帶輪具體尺寸將由后面計(jì)算給出,此處計(jì)算主要是為后面計(jì)算選擇帶輪直徑大小范圍。
3.2 錐體及分體設(shè)計(jì)
在新型帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器中，由于錐體和分體共同構(gòu)成帶輪的直徑，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)選取合適的錐體直徑和分體高度。在錐體小端各個(gè)分體的距離比較近，為防止錐體損壞，
圖3.1 錐體
應(yīng)該保證各槽之間的距離L選取一個(gè)合適的值。實(shí)現(xiàn)分體在錐輪上運(yùn)動(dòng)需要開(kāi)槽，槽的形狀可以選取T形槽或燕尾槽。T形槽一般用于定位，機(jī)床上的燕尾槽用于滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以選擇燕尾槽。圖中的槽尺寸按燕尾槽選取，槽口尺寸為8mm，槽底尺寸為15mm，角度為方便計(jì)算取 (標(biāo)準(zhǔn)值為)，槽高度為7mm，分體個(gè)數(shù)為5個(gè)，同樣槽的個(gè)數(shù)也為5個(gè)，這樣得到錐體小端的最小直徑為50mm。
圖3.4 錐體結(jié)構(gòu)尺寸
3.3 帶傳動(dòng)計(jì)算
1) 初定軸間距
軸間距應(yīng)滿足:
(3.7)
將傳動(dòng)比為0.5和傳動(dòng)比為1.25的兩個(gè)極限狀態(tài)帶輪直徑分別進(jìn)行計(jì)算。
=0.5 時(shí) :
=1.25時(shí)：
中心距應(yīng)在上述兩個(gè)取值范圍的交集內(nèi)，根據(jù)初始中心距條件，所以選取600mm。
2) 計(jì)算帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
由于在傳動(dòng)比變化過(guò)程中，處于不同傳動(dòng)比時(shí)帶的工作長(zhǎng)度不同，如圖3.5所示，所以需要計(jì)算幾個(gè)特殊位置的帶長(zhǎng)。
(3.8)
傳動(dòng)比為0.5時(shí)的帶輪直徑分別為260mm, 130mm；
=1422.8mm
傳動(dòng)比為1時(shí)的帶輪直徑分別為183.53mm, 183.53mm；
=1376.28mm
傳動(dòng)比為1.25時(shí)的帶輪直徑分別為160mm,200mm
=1366.2mm
按最大計(jì)算帶長(zhǎng)度選取標(biāo)準(zhǔn)帶長(zhǎng)度，取Ld=1400mm，最終選取帶的型號(hào)為
SPA-1400 (GB 12730-91)
圖3.5 不同長(zhǎng)度時(shí)帶長(zhǎng)度選取計(jì)算
傳動(dòng)比為1時(shí)的帶輪直徑的計(jì)算過(guò)程如下:
設(shè)變量x, y, K, L，如圖3.6中所示:
由三角形相似可列方程:
(3.9)
又傳動(dòng)比為1處兩帶輪長(zhǎng)度相等:
(3.10)
將式(3.11)代入式(3.12)中得:
所以傳動(dòng)比為1處帶輪直徑為:
mm
圖3.6 傳動(dòng)比為1時(shí)的帶輪直徑計(jì)算
3) 實(shí)際軸間距:
4) 小帶輪包角：
這里的小帶輪包角用直徑相差較大的兩個(gè)帶輪進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)閹л喼睆较嗖畲蟮膸鲃?dòng)中小帶輪包角較小。
但是，此時(shí)大帶輪處于分開(kāi)狀態(tài)，由于各分體之間存在距離，所以大帶輪的實(shí)際包角要小于理論包角，此處計(jì)算大帶輪的實(shí)際包角是否大于120度。
圖3.7 大帶輪包角計(jì)算
如圖 3.7 所示在大帶輪包角范圍內(nèi)，假設(shè)分體帶輪完全與帶接觸，則大帶輪運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)有兩個(gè)a或有三個(gè)a角度的范圍無(wú)分體支撐，所以應(yīng)該在理論包角中減掉這些部分。大帶輪為整圓時(shí)理論包角:
當(dāng)大帶輪有三個(gè)a角度的范圍無(wú)分體支撐時(shí)，其包角最小，而圖3.7中，所以大帶輪包角為，滿足要求。
5) 單根V帶的基本額定功率
用傳動(dòng)比為0.5的小帶輪進(jìn)行選取:d=130mm，，根據(jù)選取帶查表15-9i[2]得,傳動(dòng)比不為1，。
6) V帶根數(shù)
（3.11）
式中 ——小帶輪包角修正系數(shù)，根據(jù)小帶輪包角，查表15-8[2]取0.95；
——帶長(zhǎng)修正系數(shù)，根據(jù)基準(zhǔn)帶長(zhǎng)=1400，查表15-10[2]取0.91；
據(jù)式（3.11）計(jì)算得,所以取2根。
7) 單根V帶的預(yù)緊力(N)(在傳動(dòng)比為0.5處帶最緊，所以在此處計(jì)算)
（3.12）
式中：——V帶每米長(zhǎng)的質(zhì)量()，查表15-11[2]取0.12
根據(jù)（3.12）得： =282.76N
8) 壓軸力(在傳動(dòng)比為0.5處帶最緊，所以在此處產(chǎn)生最大壓軸力)
（3.13）
=1.5 （3.14）
據(jù)式(3.13)與（3.14）計(jì)算得：=1115.25N
=1.5=1672.88 N
3.4 帶輪結(jié)構(gòu)
根據(jù)前面計(jì)算的尺寸確定帶輪分體、錐體的結(jié)構(gòu)，分體輪輻采用矩形截面如下圖:
圖3.8 分體輪輻結(jié)構(gòu)
由六輪幅帶輪輪輻尺寸公式得:
（調(diào)整為20mm）
，而在本結(jié)構(gòu)中，輪輻需要與推力軸承相互定位，所以調(diào)整與輪緣尺寸相等，為32mm。
首先確定錐體的結(jié)構(gòu):
輸入軸錐體尺寸:大端直徑150mm，小端直徑50mm，長(zhǎng)度與輸出軸錐體相同，錐度角大小為;輸出軸錐體尺寸:大端直徑120mm，小端直徑50mm，長(zhǎng)度與輸入軸錐體相同，錐度角為。錐體上槽的尺寸在前面己定，錐體具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)花鍵錐體零件圖。
其次確定帶輪分體的結(jié)構(gòu):
傳動(dòng)比為0.5處輸出軸小端帶輪為整圓，D=130mm;傳動(dòng)比為1.25處輸入軸小端帶輪為整圓,D=160mm。帶輪分體具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)帶輪零件圖。
4 軸及軸承的設(shè)計(jì)
軸是組成機(jī)械的重要零件，它的主要功用是支撐回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件，以傳遞運(yùn)動(dòng)和力，本設(shè)計(jì)中采用花鍵軸，通過(guò)其花鍵與錐體傳遞扭矩。
4.1 軸的初設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中軸傳遞小功率，選用45鋼調(diào)質(zhì)處理，其主要力學(xué)性能由表15-1[5]：抗拉強(qiáng)度極限=640，屈服強(qiáng)度極限=355，彎曲疲勞極限=275，剪切疲勞極限=155，許用彎曲應(yīng)力=60。
確定徑向尺寸:
按彎扭合成強(qiáng)度初步估算最小軸徑
（4.1）
式中 A-由軸的材料及承載情況確定的系數(shù)，查表15-3[5]取105；
輸出軸轉(zhuǎn)速(5000-2000r/min)按2000r/min計(jì)算:
由于變速器輸入與輸出通過(guò)鍵槽連接其它機(jī)構(gòu)，所以考慮開(kāi)鍵槽，軸徑再增加3%-5%。為方便設(shè)計(jì)，輸入與輸出軸都取相同直徑，取上面計(jì)算兩者大的一個(gè)計(jì)算得=18.8(1+5%)=19.7mm，選取20mm作為軸的最小尺寸。
4.2 主要軸承選用與校核
由于變速器在工作過(guò)程中必須由錐體的軸向移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，軸向的推力通過(guò)推力軸承作用在軸上。推力軸承的作用位置為錐體兩側(cè)的軸肩處。它具有摩擦阻力小，功勞消耗小，起動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)。在推力軸承的選型表里選取標(biāo)準(zhǔn)值。
本變速器預(yù)計(jì)壽命為2—3萬(wàn)小時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下條件:
（4.2）
式中 一為軸承的基本額定載荷，查表可得；
一為計(jì)算載荷,有下式得出：
（4.3）
式中 一為當(dāng)量動(dòng)載荷，N；
—為溫度系數(shù)，查表13-4[5]取1；
—軸承轉(zhuǎn)速,r/min；
一為軸承的預(yù)期使用壽命；
—為球軸承，=3。
由于推力軸承只承受軸向載荷，當(dāng)量動(dòng)載荷即為軸承受的軸向力，選用最大壓軸力進(jìn)行計(jì)算，這樣更趨向安全，后面所以的均指代最大壓軸力。
先分析上面部分:
豎直方向受力平衡：
（4.4）
且摩擦力:
(4.5)
為摩擦系數(shù)，錐體材料、分體材料為鋼，查表1-10[6]取=0.15。
圖4.1 帶輪機(jī)構(gòu)受力分析
聯(lián)立上面兩式(4.4),(4.5)得：
（4.6）
（4.7）
列水平方向平衡方程:
（4.8）
將式(4.5)和(4.6)代入，得
（4.9）
由于兩個(gè)錐體錐角分別和,結(jié)果應(yīng)取偏大的，選用進(jìn)行計(jì)算，
1672.88=811.78N
帶入式(4.3)得:
16885.7N
為保證，初步選定推力軸承段軸徑為40mm，查表6-8[6]選取51208推力軸承，=47滿足設(shè)計(jì)要求。
4.3 軸向尺寸確定
花鍵軸的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)花鍵軸零件圖，為了節(jié)省材料和增加加工的便利性，在工作時(shí)花鍵軸中鍵的長(zhǎng)度為錐體鍵槽長(zhǎng)度的80%，所以總的花鍵軸鍵工作長(zhǎng)度為256mm，而錐體花鍵孔長(zhǎng)度為160mm。
4.4 軸的校核
本設(shè)計(jì)中兩根軸的尺寸和結(jié)構(gòu)是相同的，而且傳遞的功率和受力情況都相同，只須校核其中一根就可以了。但其中每根軸都有軸向的移動(dòng)，其受力狀態(tài)是變化的，所以對(duì)軸需要進(jìn)行兩種狀態(tài)的校核。此處對(duì)輸入軸進(jìn)行校核。
4.4.1 按彎扭合成強(qiáng)度條件校核軸的強(qiáng)度
1、畫(huà)出軸的力學(xué)模型
圖4.2 軸的力學(xué)模型
2、求軸扭矩、支反力
扭矩 :
T=9550 （4.10）
式中 P—傳遞功率，10KW;
—軸轉(zhuǎn)速，按2500r/min計(jì)算。
支反力:
列豎直方向平衡方程:
（4.11）
所有力對(duì)的作用點(diǎn)取矩:
解得：=836.44N =836.44N
3、畫(huà)出剪力、彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖：
圖4.3 剪力、彎矩、轉(zhuǎn)矩圖
因?yàn)檩S的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以當(dāng)分體處于小端時(shí)的剪力、彎矩圖與圖4.5一致。
4、 校核軸的強(qiáng)度
由圖4.5可知，壓軸力處對(duì)應(yīng)的花鍵軸截面M最大，為危險(xiǎn)截面，校核此處的軸強(qiáng)度。
（4.12）
式中 一由于轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律未知，按脈動(dòng)循環(huán)變化處理，取= 0.6；
W-為材料抗彎截面系數(shù)，對(duì)于花鍵處，，z為花鍵齒數(shù)；代人D=32mm，d=28mm，最后求得=15417.32 ，而=，
最后求得：=13< 滿足設(shè)計(jì)要求。
4.4.2 按疲勞強(qiáng)度計(jì)算危險(xiǎn)截面的安全系數(shù)
軸徑的初步計(jì)算是一種粗略的估算方法，按彎扭合成強(qiáng)度條件校核軸徑，也不能反映出應(yīng)力集中的真實(shí)情況，因它沒(méi)有考慮尺寸因素、軸表面狀態(tài)等對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度的影響.因此，對(duì)重要的軸除用上述方法進(jìn)行計(jì)算外，還必須對(duì)軸的危險(xiǎn)截面進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算.
計(jì)算彎矩與受力較大處。
本設(shè)計(jì)的軸為單向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸，其安全系數(shù)計(jì)算公式為：
(4.13)
式中 —材料抗彎截面模數(shù)，=15417.32 ；
—材料抗扭截面模數(shù)，，z為花鍵齒數(shù)，可得=2=30834.64；
—軸彎曲有效應(yīng)力集中系數(shù)，查表10-15[2]取1.5；
—軸剪切有效應(yīng)力集中系數(shù)，查表10-15[2]取1.4；
—軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的平均應(yīng)力折合為應(yīng)力幅的等效系數(shù)，查表10-22[2]取1.4；
—材料彎曲疲勞極限，=275
—材料疲勞強(qiáng)度許用安全系數(shù)，查表10-14[2]取1.3—1.5。
計(jì)算得
==16.27
，滿足設(shè)計(jì)要求。
4.4.3 靜強(qiáng)度安全系數(shù)校核
該校核的目的在于檢驗(yàn)軸對(duì)塑性變形的抵抗能力，軸的靜強(qiáng)度是根據(jù)軸所承受的最大瞬時(shí)載荷(包括動(dòng)載荷和沖擊載荷)來(lái)計(jì)算的。危險(xiǎn)截面安全系數(shù)校核公式:
（4.14）
—靜強(qiáng)度的許用安全系數(shù)，查表10-14[2]取1.4—1.8；
—材料屈服極限，=355；
—軸危險(xiǎn)截面上的最大彎矩，；
—軸危險(xiǎn)截面上的最大扭矩，；
—作用在軸上的最大軸向載荷，由推力軸承設(shè)計(jì)處可得，N；
—細(xì)危險(xiǎn)截面面積，；
—材料抗彎截面模數(shù)，=15417.32 ；
—材料抗扭截面模數(shù)，=2=30834.64。
本設(shè)計(jì)中，校核受彎矩和扭矩最大處的靜強(qiáng)度完全系數(shù)，其中：=199177.275、=706.5、=38200、=1672.88N，代人式（4.14）計(jì)算得：
=15.438
，滿足設(shè)計(jì)要求。
4.4.4 軸的剛度校核
軸承受載荷后會(huì)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，若變形過(guò)大，會(huì)影響軸上零件的正常工作，且本設(shè)計(jì)中軸的長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，所以需要進(jìn)行剛度校核。
1. 扭轉(zhuǎn)剛度校核
軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核用每米軸長(zhǎng)的扭轉(zhuǎn)角來(lái)度量。
（4.15）
式中 T—軸所傳遞的扭矩，；
—軸的材料的剪切彈性模量，，對(duì)于鋼材，=8.1；
—軸截面的極慣性矩，，對(duì)于圓軸， ；
—階梯軸手扭矩作用的長(zhǎng)度，mm；
、、—分別代表階梯軸第段上所受的扭矩、長(zhǎng)度、極慣性矩，單位同前；
—階梯軸受扭矩作用的軸段數(shù)。
軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件為：
式中 為軸每米長(zhǎng)的允許扭轉(zhuǎn)角。對(duì)于一般傳動(dòng)軸選取=0.5—1﹝°）/m。
圖4.5右側(cè)的扭矩作用距離長(zhǎng)，變形大，所以應(yīng)計(jì)算該軸段的扭轉(zhuǎn)角。參照(附錄)各軸段長(zhǎng)度及直徑如下：d=22，L=36；d=25，L=55；d=27.5，L=10；d=28，L=91；d=30（為平均直徑），L=128。
滿足設(shè)計(jì)要求。
2. 彎曲剛度校核
軸彎曲剛度用撓度及偏轉(zhuǎn)角度量，軸的許用撓度和許用偏轉(zhuǎn)角查表15-5[5]可得。本設(shè)計(jì)要求<,圓錐滾子軸承處<.其中
=（0.0003—0.0005）,=0.0016,而且在計(jì)算過(guò)程中，把軸等效為當(dāng)量直徑d的光軸近似計(jì)算：
（4.16）
式中 ——階梯軸第段的長(zhǎng)度，mm；
——階梯軸第段的直徑，mm；
——階梯軸的計(jì)算長(zhǎng)度，mm；
——階梯軸計(jì)算長(zhǎng)度內(nèi)的軸段數(shù)。
將圖4.3各軸段的長(zhǎng)度與直徑代人（4.16）式后求得=27.95mm
圖4.4 彎曲剛度校核
（4.17）
式中 E——為材料彈性模量，對(duì)鋼E ；
——為截面慣性矩，，；
——為作用力，可以用最大壓軸力計(jì)算，。
（4.18）
最大撓度查表6-1[12]位于處。
參照?qǐng)D4.5，、、分別代入上面兩式（4.17）、（4.18）
=0.00156rad
=0.00072mm
=238.125mm
滿足<、<。
4.5 鍵強(qiáng)度校核
4.5.1 花鍵強(qiáng)度校核
由于本設(shè)計(jì)通過(guò)利用花鍵連接，使錐體能夠在液壓系統(tǒng)的作用下軸向兩向移動(dòng)，花鍵主要失效形式是工作面被壓潰（靜連接）或工作面過(guò)度磨損（動(dòng)連接），此處的主要工作形式為動(dòng)連接，需要對(duì)花鍵進(jìn)行動(dòng)連接的強(qiáng)度校核。參照GB/T1144-2001選擇矩形花鍵基本尺寸輕系列。
動(dòng)連接： (4.19)
式中 ——載荷分配不均勻系數(shù)，一般取=0.7～0.8；
——花鍵的齒數(shù)；
——齒的工作長(zhǎng)度，此處為128mm；
——花鍵齒側(cè)面的工作高度，矩形花鍵=,此處為外花鍵大徑，為內(nèi)花鍵小徑，為倒角尺寸，取0.2mm；
——花鍵的平均直徑，矩形花鍵，，mm。
——花鍵的許用應(yīng)力，根據(jù)工況選取5～15
將各參數(shù)代人式（4.219），最后求得：
=2.59 滿足設(shè)計(jì)要求。
4.5.2 輸入輸出平鍵強(qiáng)度校核
由于輸出軸的扭矩最大，所以此處注意校核輸出軸的平鍵強(qiáng)度校核。
根據(jù)軸的直徑大小，查表6-1[5]選擇平鍵基本尺寸為假設(shè)載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為
（4.20）
式中 ——傳遞的扭矩，；
——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，=0.5;
——鍵工作長(zhǎng)度，mm圓頭平鍵，，L為鍵的公稱長(zhǎng)度，為鍵的寬度，mm；
——軸的直徑，mm；
——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，，查表6-2[5]取100～120。
將各參數(shù)代人式（4.20），最后求得：
=49.87 滿足設(shè)計(jì)要求。
4.6 分體式V帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的有效拉力計(jì)算
由于在進(jìn)行帶輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，計(jì)算帶的有效拉力的公式是在帶輪為整圓的條件下使用，而本設(shè)計(jì)為分體式帶輪，所以有必要建立有效拉力的計(jì)算模型，一方面可以驗(yàn)證有效拉力是否滿足設(shè)計(jì)要求；另方面可以正確的進(jìn)行分體式帶輪無(wú)級(jí)變速器的有效傳動(dòng)功率大小的計(jì)算。
圖4.7為分體式V帶無(wú)級(jí)變速器的拉力計(jì)算模型，該計(jì)算模型主要參照?qǐng)D5-5帶拉力分析圖，結(jié)合本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，建立的力學(xué)模型。在分體式V帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)中計(jì)算的有效拉力應(yīng)對(duì)帶有支持部分和支持部分進(jìn)行計(jì)算。取帶傳動(dòng)工作的特殊情況進(jìn)行推導(dǎo)，即假設(shè)理論包角C范圍內(nèi)恰好有3個(gè)分體，然后推廣到一般情況。
取一段微元長(zhǎng)的帶進(jìn)行分析，該微段的包角為，微段在該位置的水平方向和豎直方向的平衡方程為：
（4.21）
（4.22）
因?yàn)榈闹岛苄。?，，略去二階微分，將（4.21）代人式（4.22），
則 （4.23）
圖4.5 分體式V帶的拉力分析圖
按圖4.7中所示，F(xiàn)的取值區(qū)間依次為、、,對(duì)應(yīng)的取值區(qū)間全部為（為每個(gè)分體對(duì)應(yīng)的圓心角），依次對(duì)式4.23兩邊積分，得：
(4.24)
化簡(jiǎn)整理后得：