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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
題 目：菱錐式無級變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計
專 業(yè)： 機械設(shè)計及其自動化
學(xué) 號： 2007964212
姓 名： 姚昊雄
指導(dǎo)教師： 聶松輝 （教授）
完成日期： 2011年5月
19
目錄
第一章 緒論………………………………………………………………1
1.1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(shù)特性………………………………………………………………………1
1.2.2無級變速器優(yōu)缺點……………………………………………………………………………2
1.2.3無級變速器類型………………………………………………………………………………3
1.3機械無級變速器的研究現(xiàn)狀………………………………………………………5
1.3.1國內(nèi)研究形式…………………………………………………………………………………5
1.3.2國際研究形式…………………………………………………………………………………5
1.3.3變速器技術(shù)未來發(fā)展趨勢……………………………………………………………………6
1.3.4未來注重節(jié)能環(huán)保技術(shù)………………………………………………………………………6
1.4課題的研究內(nèi)容和要求……………………………………………………………7
第二章 菱錐式無級變速器工作原理……………………………………8
2.1 CVT的工作原理……………………………………………………………………8
2.2 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(shè)計與計算 ………………………12
3.1、電動機的選擇……………………………………………………………………12
3.2、變速器基本型號的確定…………………………………………………………12
3.3、菱錐與主動輪結(jié)構(gòu)尺寸的計算…………………………………………………12
3.4、輸入側(cè)加壓裝置…………………………………………………………………13
3.5、輸出側(cè)加壓裝置…………………………………………………………………13
3.6、強度校核計算……………………………………………………………………14
3.7、輸入、輸出軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………14
3.8、輸入、輸出軸上軸承的選用……………………………………………………15
第四章 主要零件的校核…………………………………………………………16
4.1 輸出、輸入軸的校核……………………………………………………………16
4.2 軸承的校核………………………………………………………………………17
總結(jié)………………………………………………………………………………………18
致謝………………………………………………………………………………………19
參考文獻………………………………………………………………………………20
中英文翻譯……………………………………………………………………………21
機械菱錐式無級變速器結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)速不變的情況下，能實現(xiàn)輸出軸的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，以滿足及其或生產(chǎn)系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)、設(shè)計計算的方法、材質(zhì)及潤滑等方面的知識，并以此作為本次無級變速器設(shè)計的理論基礎(chǔ)。
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(zhuǎn)，并能使輸入、輸出端互換以獲得低或高的輸出轉(zhuǎn)速；四是采用兩套自動加壓裝置，工作可靠，調(diào)壓迅速；五是運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，抗沖擊能力較強。這次設(shè)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(zhuǎn)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(guān)系；詳細推導(dǎo)了實用的菱錐錐輪式無級變速器設(shè)計的計算公式；并針對設(shè)計所選擇的參數(shù)進行了具體的設(shè)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(jié)構(gòu)和工藝等方面的要求表達得更為清楚。
關(guān)鍵詞：機械無級變速器 摩擦式 菱錐錐輪式
Ling cone CVT mechanical structure design
Abstract ：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 type
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(zhuǎn)速在兩個極值范圍內(nèi)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(zhì)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(guān)系進行控制時，即可使兩軸間的傳動比在兩個極值范圍內(nèi)連續(xù)而任意地變化。其結(jié)構(gòu)特征主要是：需由變速傳動機構(gòu)、調(diào)速機構(gòu)以及加壓裝置和輸出機構(gòu)三部分組成。
傳動系統(tǒng)的調(diào)速一般有兩種方式:一種是動力源速度恒定，調(diào)節(jié)傳動機構(gòu)的傳動比，即所謂的機械無級變速傳動;一種是傳動機構(gòu)的傳動比恒定，調(diào)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(qū)動固定的情況下，因工作阻力變化而需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)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(yīng)減慢攪拌速度）；可以根據(jù)工況要求調(diào)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(yīng)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移速度）；可以為獲得恒定的工作速度或張力而需要調(diào)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以保持恒定的張力）；可以為適應(yīng)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(diào)運轉(zhuǎn)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(chǎn)、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(diào)速以獲得最佳分離效果）；可以為節(jié)約源而需進行調(diào)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(diào)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(zhuǎn)矩，能更好地適應(yīng)各種機械的工況要求，使之效能最佳，在提高產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量，適應(yīng)產(chǎn)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(yīng)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(nóng)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(chǎn)。
1.2機械無級變速器的特點
1.2.1無級變速器的技術(shù)特性
目前CVT技術(shù)發(fā)展得相當迅速，各大汽車廠家都在加強這一領(lǐng)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(shù)特性。
1、經(jīng)濟性
CVT可以在相當寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速，從而獲得傳動系與發(fā)動機工況的最佳匹配，提高整車的燃油經(jīng)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
CVT
ECE市區(qū)循環(huán),L/100km
14.4
13.2
ECE郊區(qū)/遠程循環(huán), L/100km
10.8
9.8
90km/h勻速，L/100km
8.3
7.0
120km/h，L/100km
10.3
9.2
2、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(chǎn)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(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)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(chǎn)，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(chǎn)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(chǎn)成本，將降低20%-30%。
勿庸置疑，CVT變速器的技術(shù)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(jié)構(gòu)簡單，所含的零件數(shù)量比AT變速器少40％左右，整車的質(zhì)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(shù)真正應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單，體積小，零件少，大批量生產(chǎn)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(jīng)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(shù)上的難關(guān)使得它一直以來多應(yīng)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(diào)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(zhuǎn)矩，滑動率較大，運轉(zhuǎn)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(diào)速，這屬于一種較為落后的調(diào)速方式。其特點結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，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(diào)速。其特點是調(diào)速范圍大，精度也較高，但設(shè)備復(fù)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(diào)壓和變頻進行調(diào)速。實際應(yīng)用最多者為變頻調(diào)速，即采用一變幅器獲得變幅電源，然后驅(qū)動電動機變速。其特點是調(diào)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(zhuǎn)矩，低速時效率低且運轉(zhuǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(nèi)具有恒功率的機械特性（這是電力和液壓無級調(diào)速裝置所難達到的）。因此，可以實現(xiàn)能適應(yīng)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(chǎn)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(gòu);保證產(chǎn)生摩擦力所需的加壓裝置;實現(xiàn)變速的調(diào)速機構(gòu)。它具有各種不同的結(jié)構(gòu)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;
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(gòu)。
目前，國內(nèi)應(yīng)用較廣或已形成系列進行生產(chǎn)的主要有:錐盤環(huán)盤式、多盤式、轉(zhuǎn)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(zhì)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(yīng)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(gòu)成的傳動機構(gòu)、調(diào)速機構(gòu)和鏈條張緊加壓機構(gòu)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(diào)速的。按鏈條結(jié)構(gòu)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(yīng)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(gòu)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(cè)面與錐盤接觸所產(chǎn)生的摩擦力進行傳動，并通過改變兩錐盤的軸向距離以調(diào)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(jié)構(gòu)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(yīng)用最廣的一種。
帶式無級變速器根據(jù)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(gòu)、輸出機構(gòu)(超越離合器)和調(diào)速機構(gòu)三個基本部分組成的低副機構(gòu)，故具有以下特點：傳動可靠、壽命長、變速范圍大、調(diào)速精度高、最低輸出轉(zhuǎn)速可為零、調(diào)速性能穩(wěn)定、靜止和運動時均可調(diào)速、結(jié)構(gòu)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(diào)速范圍在擴大之后，在結(jié)構(gòu)和使用上如何實現(xiàn)增速變速傳動和采用復(fù)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(lǐng)域，目前以德國、美國和日本的技術(shù)水平較高，其成熟技術(shù)以德國的 GUSA型及美國的 ZERO-MAX 型系列產(chǎn)品為代表。就目前來說，鑒于結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)均勻性要求不嚴格的場合。例如在熱處理設(shè)備、清洗設(shè)備以及化工、醫(yī)藥、塑料、食品和電器裝配運輸線等領(lǐng)域的應(yīng)用。
1.3機械無級變速器的研究現(xiàn)狀
1.3.1國內(nèi)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(zhuǎn)變。
中國要成為汽車強國，首先要克服自主技術(shù)這塊短板。而汽車的核心部分——動力總成，仍是國內(nèi)一直沒有完全掌握的關(guān)鍵汽車零部件技術(shù)之一。在發(fā)動機發(fā)展了數(shù)十年之后，變速器，尤其是自動變速器成為了制約國內(nèi)動力總成技術(shù)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(chǎn)品，但結(jié)構(gòu)都比較簡單，技術(shù)很落后，換檔平順性和經(jīng)濟性都讓人難以滿意。拿AT為例，國內(nèi)車企研究時間最長的是4AT，尚做不出成熟產(chǎn)品，除了如布置方案上的技術(shù)困難，AT對生產(chǎn)設(shè)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(gòu)造特殊的CVT上面。而對于AMT、DCT，最大的技術(shù)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(chǎn)設(shè)備，但加工精度仍需要大幅提高。
目前國內(nèi)，自動變速箱基本依靠國際廠商提供產(chǎn)品或者技術(shù)，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(nèi)手動變速器的技術(shù)在國際上也較為落后，雖然目前大部分廠商都擁有生產(chǎn)手動變速器的設(shè)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(chǎn)品，還得借助一些國外技術(shù)進行研究，并且生產(chǎn)出來的產(chǎn)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(nèi)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(jié)合了手動變速器的燃油經(jīng)濟性、運動性和自動變速器的方便舒適性。世界范圍內(nèi)在對其進行大規(guī)模研究和制造，北美已經(jīng)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(jīng)成為落后技術(shù)，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(chǎn)設(shè)施和條件，DCT在歐洲已經(jīng)被大量生產(chǎn)（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(jù)一部分原有的手動變速器和AT的市場。
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(shù)未來發(fā)展趨勢
從目前國內(nèi)技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備的狀況考慮，手動變速器將占據(jù)今后的大部分市場。國內(nèi)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(yīng)用在商用車，尤其是重卡上，基于在手動變速器的基礎(chǔ)上增加的控制模塊和執(zhí)行機構(gòu)，是AMT開發(fā)的最大難點。
CVT的關(guān)鍵部件處于少數(shù)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(guān)鍵部件的嚴峻考驗，CVT不太可能成為國內(nèi)企業(yè)主攻研發(fā)方向。AT雖然在國內(nèi)有多年研究經(jīng)驗，但一直沒有實現(xiàn)量產(chǎn)，無論從布局設(shè)計、軟件開發(fā)還是部件生產(chǎn)，都有著相當大的難度和障礙，而在國際上4AT已經(jīng)成為落后技術(shù)，6AT技術(shù)都已成熟，開始進入8AT的研究階段。因此國內(nèi)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(chǎn)品或者技術(shù)。DCT作為有著各方面均衡性能的新興熱門技術(shù)，既能滿足經(jīng)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(chǎn)設(shè)備上的延續(xù)性，今后必將成為國內(nèi)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(chǎn)業(yè)化之路漫漫長遠。但隨著技術(shù)的成熟和批量生產(chǎn)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(shù)
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(guān)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(shù)發(fā)展戰(zhàn)略之一。
汽車的節(jié)能環(huán)保技術(shù)主要有：一、發(fā)展先進小排量發(fā)動機汽車；二、燃油經(jīng)濟的動力總成技術(shù)；三、輕量化的新型汽車材料應(yīng)用；四、新能源技術(shù)（主要是混合動力和純電動車）。而直接與變速器相關(guān)的就是第二項和第四項技術(shù)。
從燃油經(jīng)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(shù)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(yīng)用于汽車節(jié)能環(huán)保技術(shù)趨勢，無論是從燃油經(jīng)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(guān)注。
而新能源汽車的另一大技術(shù)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(qū)動控制和電機是電動車產(chǎn)業(yè)化的最大技術(shù)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(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需要巨大投資和長遠規(guī)劃。
1.4課題的研究內(nèi)容和要求
課題研究的內(nèi)容：機械菱錐式無級變速器結(jié)構(gòu)的設(shè)計；無級變速器變速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算；對關(guān)鍵部件進行強度和壽命校核
主要內(nèi)容及基本要求
1、鋼錐無級變速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
2、輸入功率P=1.5kw，輸入轉(zhuǎn)速n=1500rpm，調(diào)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(shè)計說明書一份；
5、英文文獻一份。
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(jié)構(gòu)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(gòu)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(cè)帶輪可以在軸上滑動，另一側(cè)則固定?？蓜颖P與固定盤都是錐面結(jié)構(gòu)，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(jīng)減速器、差速器傳遞給車輪來驅(qū)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(jù)需要通過控制系統(tǒng)調(diào)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(diào)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(zhuǎn)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(qū)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，主動輪的工作半徑逐漸減小，從動輪的工作半徑相應(yīng)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(yīng)用比較廣泛，除瑞士外，日、英、美等國也有生產(chǎn)。
菱錐式（Koop-K）無級變速器的基本結(jié)構(gòu)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(yīng)孔中并可繞支架轉(zhuǎn)動，菱錐內(nèi)、外兩側(cè)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(jīng)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(chǎn)生的摩擦力傳動菱錐4和從動外環(huán)8，再經(jīng)自動加壓裝置7傳動到輸出軸5.
在主、從動兩側(cè)采用兩套自動加壓裝置是為了適應(yīng)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(jié)構(gòu)
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(diào)速螺桿 11-支架
調(diào)速機構(gòu)是螺桿10及固接于支架11的螺母。調(diào)調(diào)速時，轉(zhuǎn)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(nèi)、外側(cè)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(diào)速。圖2.2表示了輸出轉(zhuǎn)速為最?。ㄗ螅┖妥畲螅ㄓ遥r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(diào)速機構(gòu)。
圖2.2 Koop-K型變速器調(diào)速原理
左：最小輸出轉(zhuǎn)速 右：最大輸出轉(zhuǎn)速
菱錐按照對稱設(shè)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(shè)計時要求接觸點a、b的連線，不管變速比如何變化，應(yīng)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(diào)速螺桿 11-支架
設(shè)計加壓裝置時，應(yīng)注意，為了保證迅速可靠的傳遞動力，輸入側(cè)與輸出側(cè)的結(jié)構(gòu)不應(yīng)對稱，輸出側(cè)加壓裝置的槽側(cè)角通常取30°左右，輸出側(cè)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(shù)參數(shù)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(zhuǎn)速n/kw
1500
1500
變速比R
12（降速7、升速1.7）
輸出轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)，并能使輸入、輸出端互換以獲得低或高的輸出轉(zhuǎn)速；四是采用兩套自動加壓裝置，工作可靠，調(diào)壓迅速；五是運轉(zhuǎn)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)。
第三章 菱錐無級變速器部分零件的設(shè)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(zhuǎn)速r/min
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 矩
額定轉(zhuǎn) 矩
最大轉(zhuǎn) 矩
額定轉(zhuǎn) 矩
質(zhì)量/Kg
Y90L-4
1.5
1400
2.3
2.3
27
3.2、變速器基本型號的確定
輸入轉(zhuǎn)速 n1 =1400 r/min
輸出轉(zhuǎn)速 n2 = n1×1.6~n1×1/5=280~2240 r/min
變速器型號根據(jù)【2】P67 表25.2-27選擇型號K2.5
3.3、 菱錐與主動輪結(jié)構(gòu)尺寸的計算
結(jié)構(gòu)見圖3-1
圖3-1菱錐結(jié)構(gòu)尺寸
菱錐個數(shù) 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；
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 ；
菱錐最小工作直徑 ；
菱錐最大工作直徑 ；
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 ；
菱錐沿本身軸向移動量 ；
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 ；
3.4、 輸入側(cè)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(shù) z1=6；
槽升角 取λ1=25°；
3.5、輸出側(cè)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(shù) z2=6；
槽升角 取λ1=15°；
3.6、強度校核計算
接觸點曲率半徑
；
當量曲率半徑
；
正壓力
；
接觸應(yīng)力
菱錐與主動盤接觸處：，
菱錐與外環(huán)接觸處：；
許用接觸應(yīng)力由【1】表25·2-22查取[σj]=1800,上述兩項計算結(jié)果均滿足σmax≤[σj]。
3.7、 輸入、輸出軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
輸入軸： n=1000r/min,P=3Kw
，
根據(jù)查表15-3，選用45鋼，調(diào)度處理
取
輸出軸的最小直徑顯然是它裝聯(lián)軸器處軸的直徑，據(jù)此選聯(lián)軸器型號
計算轉(zhuǎn)矩 ,查表14-1，取=1.3
T=950000=28650Nmm
=37245 Nmm
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(zhuǎn)矩和許用轉(zhuǎn)速分別為560 Nm,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(shè)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(jù)尺寸，選d=35,則軸承型號為61807
D=47, B=7, =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。
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(jù)軸的危險截面，計算出截面處的及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
總彎矩
M1 = N.mm
M2= N.mm
扭矩T
T=28650N.mm
彎矩扭合成應(yīng)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(yīng)力按公式計算。
取 =0.6，
=12.6MPa
前已經(jīng)選定軸的材料為45鋼，調(diào)制處理，由表查得。
所以 ，故安全。
4.2 軸承的校核
按手冊選擇C=4900N的軸承
應(yīng)此軸承的基本額定靜載荷=4000N。驗算如下：
求相對軸向載荷對應(yīng)的e值與Y值。相對軸向載荷，在表中介于0.07～0.13之間，相對應(yīng)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+=
X=0.56，Y=1.6
3） 求當量動載荷=
4） 驗算軸承的壽命：
所以安全。
總 結(jié)
菱錐無級變速具有變速范圍寬、輸出轉(zhuǎn)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(chǎn)，并獲得了廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)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(yù)壓彈簧提供的。菱錐的形狀是對稱的，兩側(cè)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(zhuǎn)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(shè)計是我作為一名學(xué)生即將完成學(xué)業(yè)的最后一次作業(yè)，通過一個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計我對學(xué)校所學(xué)知識進行全面總結(jié)并充分的給予了綜合應(yīng)用，同時也給今后走向社會的實際操作應(yīng)用奠定可一個基礎(chǔ)。在畢業(yè)設(shè)計的過程中我遇到了很多困難，但是在老師和同學(xué)的幫助下我最終克服了這些困難完成了關(guān)于菱錐式無級變速器的設(shè)計。通過這次的畢業(yè)設(shè)計我收獲頗豐，受益匪淺。
致謝
本論文是在指導(dǎo)老師聶松輝的精心指導(dǎo)下完成的。他嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學(xué)習中的榜樣；他們循循善誘的教導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)師嚴謹認真的作風給我留下了深刻印象。在此對導(dǎo)師付出的辛勤勞動和提供的良好學(xué)習環(huán)境表示衷心地感謝。在本論文進行中，同組的同學(xué)也給予了熱情的幫助，在此表示誠摯的謝意。
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