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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘 要
無(wú)級(jí)變速器特點(diǎn)是采用傳動(dòng)帶和工作直徑可變的主、從動(dòng)輪相配合傳遞動(dòng)力。由于無(wú)級(jí)變速器可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)改變，從而得到傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)工況的最佳匹配，提高整車的燃油經(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。無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)主要包括主動(dòng)輪組、從動(dòng)輪組、金屬帶（關(guān)鍵所在）和液壓泵等基本部件。 主動(dòng)輪組和從動(dòng)輪組都由可動(dòng)盤(pán)和固定盤(pán)組成，與油缸結(jié)合的一側(cè)帶輪軸向滑動(dòng)，另一側(cè)則固定?？蓜?dòng)盤(pán)與固定盤(pán)都是錐面結(jié)構(gòu)，它們的錐面形成V型槽與V型金屬帶嚙合。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸輸出的動(dòng)力首先傳遞到無(wú)級(jí)變速器的主動(dòng)輪，然后通過(guò)V型傳動(dòng)帶傳遞到從動(dòng)輪，最后經(jīng)減速器、差速器傳遞給驅(qū)動(dòng)輪。工作時(shí)通過(guò)主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的可動(dòng)盤(pán)作軸向移動(dòng)來(lái)改變主動(dòng)輪、從動(dòng)輪錐面與V型傳動(dòng)帶嚙合的工作半徑，從而改變傳動(dòng)比?？蓜?dòng)盤(pán)的軸向移動(dòng)量是由駕駛者根據(jù)需要通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)主動(dòng)輪、從動(dòng)輪液壓泵油缸壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)旨在通過(guò)對(duì)金屬帶式無(wú)極變速器的研究，找到可循的改良方案?！ ?
關(guān)鍵詞 無(wú)級(jí)變速器；金屬帶式無(wú)極變速器；無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)
Abstract
Characteristics of continuously variable transmission belts and work with a diameter of variable from the wheel fit transfer of power. Due to the continuous change of continuously variable transmission can implement the ratio in order to get the best match of transmission and engine condition, improving vehicle fuel economy and power, improve the operating convenience of drivers and passengers riding comfort, it is an ideal vehicle transmission device. Continuously variable transmission system which includes round group, from the wheel group, the metal with the key and basic components of hydraulic pump. Active Wheel Group and passive Wheel Group is composed of movable and fixed disk, and combine cylinder side with Axial sliding and the other side is fixed. Movable and fixed cone structure, they cone Form V type slot with V - type metal belt mesh. Engine output shaft of output power first delivered to continuously variable transmission for driving wheels, and then by V - belt transmission wheel, the final reducer and differential pass driving wheels. Work by driving wheels with gear of movable to move to change the driving wheels, from the work of V - belt mesh and gear cone radius, thus changing the ratio. Movable plate under Axial movement, which was driven by needs through the control system of active round, from the wheel Hydraulic Pump cylinder pressure to achieve. This is designed by the study of metal V - belt type non - polar transmission, found through improvement scheme.
Key words ：CVT ；Metal Belt Continuously Variable Transmission；
Continuously Variable Transmission
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 汽車無(wú)級(jí)變速器的類型和特點(diǎn) 2
1.1.1 寬V形膠帶式無(wú)級(jí)變速器 2
1.1.2 環(huán)盤(pán)滾輪式無(wú)級(jí)變速器 2
1.1.3 擺銷鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器 2
1.1.4 金屬帶式無(wú)級(jí)變速器 3
1.1.5 CVT汽車能節(jié)油的原理 5
1.1.6 無(wú)級(jí)變速器使用的注意事項(xiàng) 5
1.1.7 CVT未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 6
1.2 本章小結(jié) 7
第2章 金屬帶式無(wú)極變速器基本工作原理 7
2.1 金屬帶式無(wú)極變速器基本組成 8
2.2 金屬帶式無(wú)極變速器的幾何關(guān)系和基本參數(shù) 10
2.3 金屬帶式無(wú)極變速器傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì) 14
2.3.1 輸入軸參數(shù)設(shè)計(jì) 14
2.3.2 金屬帶輪參數(shù)設(shè)計(jì) 15
2.4 本章小結(jié) 16
第3章 金屬帶式無(wú)極變速器傳動(dòng)和承載能力校核 18
3.1 摩擦傳動(dòng)原理和摩擦因數(shù) 18
3.1.1 摩擦傳動(dòng)原理 18
3.1.2 摩擦因數(shù) 19
3.2 金屬帶傳動(dòng)的力分析 19
3.2.1 金屬帶上的作用力即各力的關(guān)系 19
3.3 帶環(huán)的強(qiáng)度計(jì)算 23
3.3.1 帶環(huán)的靜強(qiáng)度計(jì)算 23
3.2.2帶環(huán)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算 23
3.4 本章小結(jié) 24
第4章 金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的匹配設(shè)計(jì) 25
4.1 汽車傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)組成與任務(wù) 25
4.2 無(wú)級(jí)變速器運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì) 25
4.2.1 變速比Rb 25
4.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)最小燃油消耗特性 25
4.2.3 汽車的、齒輪減速比及無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)比 27
4.3 本章小結(jié) 28
第5章 雙行星輪行星換向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 29
5.1 換向機(jī)構(gòu)組成及工作原理 29
5.2 前進(jìn)、倒檔離合器 29
5.3 雙行星輪換擋機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) 30
5.3.1齒輪參數(shù)的設(shè)計(jì) 31
5.4 本章小結(jié) 34
結(jié)論 35
致 謝 36
附錄1 譯文 38
附錄2 英文參考資料 39
-5-
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘 要
無(wú)級(jí)變速器特點(diǎn)是采用傳動(dòng)帶和工作直徑可變的主、從動(dòng)輪相配合傳遞動(dòng)力。由于無(wú)級(jí)變速器可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)改變，從而得到傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)工況的最佳匹配，提高整車的燃油經(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。無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)主要包括主動(dòng)輪組、從動(dòng)輪組、金屬帶（關(guān)鍵所在）和液壓泵等基本部件。 主動(dòng)輪組和從動(dòng)輪組都由可動(dòng)盤(pán)和固定盤(pán)組成，與油缸結(jié)合的一側(cè)帶輪軸向滑動(dòng)，另一側(cè)則固定。可動(dòng)盤(pán)與固定盤(pán)都是錐面結(jié)構(gòu)，它們的錐面形成V型槽與V型金屬帶嚙合。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸輸出的動(dòng)力首先傳遞到無(wú)級(jí)變速器的主動(dòng)輪，然后通過(guò)V型傳動(dòng)帶傳遞到從動(dòng)輪，最后經(jīng)減速器、差速器傳遞給驅(qū)動(dòng)輪。工作時(shí)通過(guò)主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的可動(dòng)盤(pán)作軸向移動(dòng)來(lái)改變主動(dòng)輪、從動(dòng)輪錐面與V型傳動(dòng)帶嚙合的工作半徑，從而改變傳動(dòng)比?？蓜?dòng)盤(pán)的軸向移動(dòng)量是由駕駛者根據(jù)需要通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)主動(dòng)輪、從動(dòng)輪液壓泵油缸壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)旨在通過(guò)對(duì)金屬帶式無(wú)極變速器的研究，找到可循的改良方案?！ ?
關(guān)鍵詞 無(wú)級(jí)變速器；金屬帶式無(wú)極變速器；無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)
Abstract
Characteristics of continuously variable transmission belts and work with a diameter of variable from the wheel fit transfer of power. Due to the continuous change of continuously variable transmission can implement the ratio in order to get the best match of transmission and engine condition, improving vehicle fuel economy and power, improve the operating convenience of drivers and passengers riding comfort, it is an ideal vehicle transmission device. Continuously variable transmission system which includes round group, from the wheel group, the metal with the key and basic components of hydraulic pump. Active Wheel Group and passive Wheel Group is composed of movable and fixed disk, and combine cylinder side with Axial sliding and the other side is fixed. Movable and fixed cone structure, they cone Form V type slot with V - type metal belt mesh. Engine output shaft of output power first delivered to continuously variable transmission for driving wheels, and then by V - belt transmission wheel, the final reducer and differential pass driving wheels. Work by driving wheels with gear of movable to move to change the driving wheels, from the work of V - belt mesh and gear cone radius, thus changing the ratio. Movable plate under Axial movement, which was driven by needs through the control system of active round, from the wheel Hydraulic Pump cylinder pressure to achieve. This is designed by the study of metal V - belt type non - polar transmission, found through improvement scheme.
Key words ：CVT ；Metal Belt Continuously Variable Transmission；
Continuously Variable Transmission
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 汽車無(wú)級(jí)變速器的類型和特點(diǎn) 2
1.1.1 寬V形膠帶式無(wú)級(jí)變速器 2
1.1.2 環(huán)盤(pán)滾輪式無(wú)級(jí)變速器 2
1.1.3 擺銷鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器 2
1.1.4 金屬帶式無(wú)級(jí)變速器 3
1.1.5 CVT汽車能節(jié)油的原理 5
1.1.6 無(wú)級(jí)變速器使用的注意事項(xiàng) 5
1.1.7 CVT未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 6
1.2 本章小結(jié) 7
第2章 金屬帶式無(wú)極變速器基本工作原理 7
2.1 金屬帶式無(wú)極變速器基本組成 8
2.2 金屬帶式無(wú)極變速器的幾何關(guān)系和基本參數(shù) 10
2.3 金屬帶式無(wú)極變速器傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì) 14
2.3.1 輸入軸參數(shù)設(shè)計(jì) 14
2.3.2 金屬帶輪參數(shù)設(shè)計(jì) 15
2.4 本章小結(jié) 16
第3章 金屬帶式無(wú)極變速器傳動(dòng)和承載能力校核 18
3.1 摩擦傳動(dòng)原理和摩擦因數(shù) 18
3.1.1 摩擦傳動(dòng)原理 18
3.1.2 摩擦因數(shù) 19
3.2 金屬帶傳動(dòng)的力分析 19
3.2.1 金屬帶上的作用力即各力的關(guān)系 19
3.3 帶環(huán)的強(qiáng)度計(jì)算 23
3.3.1 帶環(huán)的靜強(qiáng)度計(jì)算 23
3.2.2帶環(huán)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算 23
3.4 本章小結(jié) 24
第4章 金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的匹配設(shè)計(jì) 25
4.1 汽車傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)組成與任務(wù) 25
4.2 無(wú)級(jí)變速器運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì) 25
4.2.1 變速比Rb 25
4.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)最小燃油消耗特性 25
4.2.3 汽車的、齒輪減速比及無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)比 27
4.3 本章小結(jié) 28
第5章 雙行星輪行星換向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 29
5.1 換向機(jī)構(gòu)組成及工作原理 29
5.2 前進(jìn)、倒檔離合器 29
5.3 雙行星輪換擋機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) 30
5.3.1齒輪參數(shù)的設(shè)計(jì) 31
5.4 本章小結(jié) 34
結(jié)論 35
致 謝 36
附錄1 譯文 38
附錄2 英文參考資料 39
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第1章 緒論
隨著汽車的普及和各種路況的增多,普通的手動(dòng)變速器和自動(dòng)變速器已不能完全滿足人們的使用要求，特別是在市區(qū)的駕駛當(dāng)中，手動(dòng)變速器頻繁的換擋不僅麻煩費(fèi)力而且影響駕駛的安全性；而普通的自動(dòng)變速器卻在油耗方面廣為詬病，因此無(wú)級(jí)變速器便漸漸的進(jìn)入了人們的視野，而金屬帶式無(wú)級(jí)變速器，無(wú)論是在使用壽命、動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱方便性以及乘坐舒適性方面都有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；此外CVT結(jié)構(gòu)較AT簡(jiǎn)單，且零部件數(shù)目比后者更少，隨著大規(guī)模地應(yīng)用生產(chǎn)，其成本將比AT更低。因此對(duì)金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的深入研究及設(shè)計(jì)改良無(wú)論是對(duì)提高汽車的駕駛性能還是對(duì)汽車尾氣的排放的優(yōu)化都有巨大的實(shí)用意義。
早在1965年，荷蘭的DAF公司就將寬V形膠帶式無(wú)級(jí)變速器應(yīng)用在微型轎車上，但由于膠帶的使用壽命和傳遞效率低，進(jìn)而很快就被金屬帶式無(wú)級(jí)變速器所取代。最早的金屬帶式無(wú)級(jí)變速器是由荷蘭VDT公司的Van Doorne發(fā)明的，現(xiàn)在金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的總產(chǎn)量已達(dá)到400萬(wàn)臺(tái)∕年，發(fā)展很快。
然而受到金屬帶傳動(dòng)組件使用強(qiáng)度的限制，現(xiàn)在的金屬帶式無(wú)級(jí)變速器大多只能運(yùn)用在排量在2.0L以下，最大扭矩為250N·m的車輛上。此外它的變速比Ra目前只能達(dá)到5.5左右，有效變速范圍為20～110km∕h，還不能完全滿足人們使用的需求。因此如何提高金屬帶式無(wú)級(jí)變速器金屬帶的使用壽命、傳遞效率、所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩以及它的變速比是今后無(wú)級(jí)變速器研究和發(fā)展的主要方向。
1.1 汽車無(wú)級(jí)變速器的類型和特點(diǎn)
1.1.1 寬V形膠帶式無(wú)級(jí)變速器
寬V形膠帶式無(wú)級(jí)變速器是荷蘭DAF公司在1965年以前的產(chǎn)品，主要用在微型轎車上，一共生產(chǎn)了80萬(wàn)輛。由于膠帶的壽命和傳遞效率低，進(jìn)而研究和開(kāi)發(fā)了金屬帶式無(wú)級(jí)變速器。
1.1.2 環(huán)盤(pán)滾輪式無(wú)級(jí)變速器
環(huán)盤(pán)滾輪式無(wú)級(jí)變速器是英國(guó)Torotrak公司發(fā)明的，圖1-1是其原理圖。運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力由輸入盤(pán)靠摩擦力傳遞給滾輪，滾輪將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給輸出盤(pán)。當(dāng)滾輪在垂直于紙面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾輪和兩個(gè)盤(pán)環(huán)的接觸點(diǎn)連續(xù)變化，輸入和輸出盤(pán)工作點(diǎn)的回轉(zhuǎn)半徑連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速傳動(dòng)。
圖 1-1 環(huán)盤(pán)滾輪式無(wú)級(jí)變速器原理圖
1.1.3 擺銷鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器
擺銷鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器是由德國(guó)LUK公司將擺銷鏈用于Audi汽車傳動(dòng)的成功范例。圖1-2是擺銷鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器Multitronic的三維剖視圖。與金屬帶式無(wú)級(jí)變速器不同的是，它將無(wú)級(jí)變速部分放到低速級(jí)，其原因是鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)在高速極時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的震動(dòng)、噪聲和動(dòng)態(tài)應(yīng)力。所以在其最新的結(jié)構(gòu)中加裝了倒鏈板以減少震動(dòng)和噪聲。但由于在低速級(jí)傳動(dòng)中，要求傳遞的轉(zhuǎn)矩大，軸向加持力就大，液壓系統(tǒng)的油壓也就大（大約8～9MPa），而摩擦盤(pán)式離合器所要求的油壓又不高，這樣液壓系統(tǒng)就比較復(fù)雜。由此看來(lái)，如果能進(jìn)一步降低多邊形效應(yīng)，將會(huì)進(jìn)一步提高此類傳動(dòng)的性能，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低成本。
圖 1-2 Multitronic的三維剖視圖
1.1.4 金屬帶式無(wú)級(jí)變速器
金屬帶式無(wú)級(jí)變速器是荷蘭VDT公司的工程師Van Doorne發(fā)明的，用金屬帶代替了膠帶大大提高了傳動(dòng)的效率、可靠性、功率和壽命，經(jīng)過(guò)30～40年的研究，技術(shù)已經(jīng)成熟，并在汽車無(wú)級(jí)變速器領(lǐng)域占有重要地位。目前金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的全球總產(chǎn)量已達(dá)到了400萬(wàn)臺(tái)∕年，發(fā)展迅速。
金屬帶式無(wú)極變速器的核心組件是金屬帶組件。如圖1-3所示，金屬帶組是由9～12層的鋼帶環(huán)和350～400片左右的摩擦片組成,其中鋼環(huán)組的材料、尤其是制造工藝是最難的，要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度高（σ＞2000MPa），各層帶環(huán)之間無(wú)間隙配合。金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的變速原理如圖1-4所示，主、從動(dòng)兩對(duì)錐盤(pán)夾持金屬帶，靠摩擦力傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。主、從動(dòng)錐盤(pán)的活動(dòng)錐盤(pán)的軸向移動(dòng)使金屬帶徑向的工作半徑發(fā)生無(wú)極變化，從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的無(wú)極變化，即無(wú)級(jí)變速。
圖1-3 金屬帶組件
圖1-4 金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的核心部件
1.1.5 CVT汽車能節(jié)油的原理
由于汽車的進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于空氣動(dòng)力學(xué)的，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，其進(jìn)氣充分，排氣徹底，燃燒完全，排放污染最低。但當(dāng)離開(kāi)該轉(zhuǎn)速時(shí)就會(huì)出現(xiàn)進(jìn)氣不充分，排氣不徹底，油耗及排氣污染增加等問(wèn)題。
汽車的速度是隨機(jī)的，而一般的有級(jí)變速器（MT和AT）在兩檔之間是依靠發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化來(lái)適應(yīng)車速變化的，因此發(fā)動(dòng)機(jī)不能達(dá)到其最佳工作狀態(tài)；無(wú)級(jí)變速器（CVT）可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工作狀態(tài)下工作，依靠變速器的無(wú)級(jí)調(diào)速來(lái)適應(yīng)汽車的各種速度，因此可使發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒最好排放最少，達(dá)到節(jié)油目的。據(jù)國(guó)外資料統(tǒng)計(jì)，采用CVT的汽車要比采用AT的汽車節(jié)油7％～15％。
1.1.6 無(wú)級(jí)變速器使用的注意事項(xiàng)
對(duì)于正確使用CVT應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1、行駛時(shí)不要將變速桿置于“N”檔。
2、從前進(jìn)變后退，從后退變前進(jìn)檔時(shí)，要完全停住車，踩住制動(dòng)踏板的同時(shí)操縱變速桿。
3、下坡時(shí)，應(yīng)使用較低的檔位，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。
4、由于CVT的結(jié)構(gòu)和工作原理，所有的控制都是靠液壓油來(lái)完成的。所以應(yīng)按照廠家指定的期限定期檢查CVT的油質(zhì)、油量，并更換廠家規(guī)定的油品。
5、為了最大限度的提高燃油經(jīng)濟(jì)性，行駛中最好使用CVT的自動(dòng)模式，這樣可以是發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器全程都保持最佳匹配，最大限度的利用發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和輸出功率。
6、對(duì)于CVT，在其相關(guān)部件或電路進(jìn)行檢修或斷電之后，都要對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行一種特殊的程序設(shè)定才能使CVT發(fā)揮正常工作狀態(tài)。所以維修時(shí)應(yīng)到專業(yè)的維修單位。
1.1.7 CVT未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)
CVT技術(shù)未來(lái)的發(fā)展可從以下四個(gè)方面進(jìn)行分析。
1) CVT部件
推式傳動(dòng)帶和傳動(dòng)鏈將在轉(zhuǎn)矩容量和專用性上進(jìn)一步加強(qiáng)，由于產(chǎn)品數(shù)量的迅速增加，伴隨自動(dòng)化生產(chǎn)的普及，成本將會(huì)有所降低。帶輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅將減少系統(tǒng)的質(zhì)量和降低成本，而且保證在主、從動(dòng)輪和傳動(dòng)帶之間的最大傳遞轉(zhuǎn)矩。不同部件、微處理器和測(cè)試設(shè)備的電子控制差異導(dǎo)致非常高的研究和制造成本，這將通過(guò)電液控制模塊化設(shè)計(jì)和大規(guī)模生產(chǎn)而減小，從而將柔性的功能和低廉的成本有機(jī)結(jié)合。因?yàn)樵絹?lái)越多的CVT進(jìn)入市場(chǎng)，制造商已經(jīng)開(kāi)始研究和開(kāi)發(fā)CVT專用變速器工作液，這將給CVT工作性能進(jìn)一步優(yōu)化。
2) CVT變速器
大量不同的布置有可能出現(xiàn)，不僅由于汽車驅(qū)動(dòng)差異和要求（FWD、RWD、AWD），而且也由于增加傳動(dòng)比覆蓋范圍的持續(xù)要求。電子化將帶來(lái)傳動(dòng)比、速度、壓力和轉(zhuǎn)矩的更快的更精確的控制，保證發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器更好的調(diào)節(jié)，提供了不同的行駛模式，例如運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)、舒適等模式，從而給用戶帶來(lái)全方位的駕駛樂(lè)趣。
3) 發(fā)動(dòng)機(jī)與CVT的集成控制
更精確、更快地CVT控制，將與發(fā)動(dòng)機(jī)控制一起集成到整個(gè)傳動(dòng)系管理系統(tǒng)中，使得油耗和排放進(jìn)一步降低。帶有集成發(fā)動(dòng)機(jī)管理單元的第一個(gè)CVT傳動(dòng)系圓形已經(jīng)進(jìn)行了行駛循環(huán)測(cè)試。
4) 混合動(dòng)力CVT傳動(dòng)系
CVT將承擔(dān)帶有飛輪儲(chǔ)能裝置的混合動(dòng)力傳動(dòng)系設(shè)計(jì)中的重要角色。采用CVT傳動(dòng)系的混合動(dòng)力汽車油耗有可能減少30％，排放有可能降低50％。
本章小結(jié)
比較幾款典型的車用無(wú)級(jí)變速器的各自的特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前實(shí)際運(yùn)用情況，擺銷鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器和金屬帶式無(wú)極變速器是最為普及的兩種無(wú)級(jí)變速器，其中前者是奧迪的專利，只有奧迪的車型在用它，其主要優(yōu)勢(shì)在于擺銷鏈相對(duì)于金屬帶而言，能承受更大的沖擊和轉(zhuǎn)矩，但由于擺銷鏈多邊形效應(yīng)的影響，在高速運(yùn)行情況下擺銷鏈的離心力較大，因此振動(dòng)，噪音較大。而為了控制其多邊形效應(yīng)產(chǎn)生的影響就須在擺銷鏈的結(jié)構(gòu)上下功夫，也可以通過(guò)增加一些輔助設(shè)備如導(dǎo)向擋板等來(lái)降低其多邊形效應(yīng)的影響，而這又增加了成本。而金屬帶式無(wú)級(jí)變速器，隨著新材料的出現(xiàn)，它金屬帶承載能力較低的缺陷將得到改善。因此它將是未來(lái)無(wú)級(jí)變速器的大趨勢(shì)，具有很廣闊的市場(chǎng)。作為畢業(yè)設(shè)計(jì)，我希望通過(guò)對(duì)其基本結(jié)構(gòu)的了解和對(duì)幾種同類產(chǎn)品的分析比較，找到一些能夠優(yōu)化改進(jìn)的地方加以研究學(xué)習(xí)。 第2章 金屬帶式無(wú)級(jí)變速器基本工作原理
2.1 金屬帶式無(wú)極變速器基本組成
金屬帶式無(wú)極變速器主要由主動(dòng)帶輪、從動(dòng)帶輪、金屬帶、加壓和調(diào)速裝置組成,其核心部件是金屬帶和主、從動(dòng)帶輪組成的傳動(dòng)系統(tǒng)(見(jiàn)圖2-1)。
圖2-1 金屬帶式無(wú)極變速器核心零部件
主、從動(dòng)帶輪分別由一軸向固定的錐盤(pán)和可軸向移動(dòng)的錐盤(pán)組成。置于固定和和移動(dòng)兩錐盤(pán)構(gòu)成的V形槽內(nèi)的金屬帶，是一個(gè)組合元件，它由數(shù)百片厚約2mm的V形摩擦片和嵌在摩擦片鞍座面內(nèi)的兩組金屬鋼帶環(huán)組成。每組鋼帶環(huán)組由若干層厚度為0.18mm的鋼帶環(huán)套合而成，帶環(huán)寬度和層數(shù)可根據(jù)傳遞轉(zhuǎn)矩的不同而增減。鋼帶環(huán)的作用一是引導(dǎo)摩擦片的運(yùn)動(dòng)方向，而是承擔(dān)金屬帶的張力。摩擦片的作用是傳遞轉(zhuǎn)矩。在金屬帶式無(wú)極變速器的工作過(guò)程中，主、從動(dòng)帶輪的中心距是固定的，根據(jù)傳動(dòng)比要求，主、從動(dòng)軸上的移動(dòng)錐盤(pán)做軸向移動(dòng)，改變帶輪的工作半徑。而帶輪的工作半徑可以連續(xù)變化，所以可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。
圖2-2是汽車用金屬帶式無(wú)極變速器的基本組成，包括油泵、離合器、前進(jìn)和倒檔切換機(jī)構(gòu)、輸入軸即主動(dòng)錐盤(pán)、金屬帶、從動(dòng)軸和從動(dòng)錐盤(pán)、主減速器、差速器和驅(qū)動(dòng)橋等。其工作程序?yàn)椋浩囌Ｐ旭倳r(shí)，離合器結(jié)合傳入動(dòng)力，主動(dòng)帶輪通過(guò)金屬帶驅(qū)動(dòng)從動(dòng)帶輪，再將動(dòng)力經(jīng)主減速器、差速器等分配給車輪；操縱前進(jìn)和倒檔切換機(jī)構(gòu)，依照前述的傳遞路線，可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和倒退行駛；當(dāng)離合器切斷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)空擋在主動(dòng)移動(dòng)帶輪和從動(dòng)移動(dòng)帶輪上分別有液壓缸,根據(jù)道路行駛阻力和發(fā)動(dòng)機(jī)最小燃油消耗率特性調(diào)節(jié)液壓缸的壓力,從而改變主、從動(dòng)帶輪的工作半徑,達(dá)到要求速比。
圖2-2 汽車用金屬帶式無(wú)極變速器基本組成
1-發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪 2-到當(dāng)離合器 3-前進(jìn)離合器 4-主動(dòng)液壓控制缸 5主動(dòng)移動(dòng)錐盤(pán) 6-主動(dòng)軸及主動(dòng)固定錐盤(pán) 7-液壓缸 8-從動(dòng)移動(dòng)錐盤(pán) 9-從動(dòng)壓控制缸 10-金屬帶 11-差速器 12-主減速齒輪 13-中間件速齒輪 14-從動(dòng)軸及從動(dòng)固定錐盤(pán)
2.2 金屬帶式無(wú)極變速器的幾何關(guān)系和基本參數(shù)
由金屬帶的獨(dú)特結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2-3)所決定,摩擦片的擺棱在兩個(gè)錐盤(pán)的包角上是連續(xù)接觸的。因?yàn)槟Σ疗鼙。趲л喌陌遣糠謹(jǐn)[棱的連線近似于圓?。ㄒ?jiàn)圖2-4）。根據(jù)金屬帶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可將整個(gè)金屬帶劃分為四個(gè)區(qū)段，即主動(dòng)輪包角ab，主動(dòng)輪出口至從動(dòng)輪入口的直線部分bc，從動(dòng)輪包角cd，從動(dòng)輪出口至主動(dòng)輪入口的直線部分da。摩擦片擺棱的線速度Vb在主動(dòng)輪包角ab和主動(dòng)輪至從動(dòng)輪的直線部分bc是連續(xù)的，忽略摩擦片在主動(dòng)帶輪上的滑動(dòng)，摩擦片擺棱的線速度可表示為Vb=ωA×R1=ωB×R2
圖2-3 帶輪、金屬帶和摩擦片的位置關(guān)系
圖2-4 金屬帶式無(wú)極變速器幾何關(guān)系
則金屬帶傳動(dòng)的理論傳動(dòng)比 i=ωAωB=R2R1 (2-1)
式中 ωA、ωB——主、從動(dòng)帶輪角速度(rad/s)
R1、R2——主、從動(dòng)帶輪的節(jié)圓半徑(mm) 。
當(dāng)從動(dòng)帶輪工作在最大節(jié)圓半徑,主動(dòng)帶輪工作在最小節(jié)圓半徑時(shí)(見(jiàn)圖2-5),傳動(dòng)比最大,為 imax=R2maxR1max （2-2）
當(dāng)主動(dòng)帶輪工作在最大節(jié)圓半徑,從動(dòng)輪工作在最小節(jié)圓半徑時(shí)(見(jiàn)圖2-5)，傳動(dòng)比最小為 imin=R2minR1max （2-3）
圖2-5 無(wú)級(jí)變速器變速原理
變速器的最大傳動(dòng)比imax和最小傳動(dòng)比imin之比定義為變速器的變速比Rb也成為變速器的變速范圍，即
Rb=imaximin=R2max×R1maxR1min×R2min （2-4）
變速比Rb的大小取決于主、從動(dòng)帶輪的最大工作半徑和最小工作半徑。當(dāng)變速器的增速與減速對(duì)稱分布時(shí)，主、從動(dòng)輪尺寸相同，變速比Rb為 Rb=（R1maxR1min）2=（R1maxR2min）2 （2-5）
在帶輪軸頸和中心距一定的情況下，增速與減速對(duì)稱分布，可獲得最大變速比。金屬帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比為i時(shí)，主、從動(dòng)輪節(jié)圓半徑可由式（2-6）確定。
L=(R1+Δh) αA+(R2+Δh) αB+2Acosλ
sinλ=R2-R1A (2-6)
i=R2R1
式中 R1、R2——主、從動(dòng)帶輪節(jié)圓半徑（mm）；
Δh——摩擦片擺棱至鞍面的距離（mm）；
αA、αB—主、從動(dòng)帶輪包角；
L—金屬帶工作長(zhǎng)度，取金屬帶鋼環(huán)內(nèi)環(huán)周長(zhǎng)（mm）；
A—金屬帶傳動(dòng)中心距（mm）。
2.3 金屬帶式無(wú)極變速器傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)
2.3.1 輸入軸參數(shù)設(shè)計(jì)
1) 車輛參數(shù)：
發(fā)動(dòng)機(jī) 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+65×4+10×4=1910kg
2) CVT參數(shù):
帶輪傳動(dòng)比:0.4073～2.4548 帶輪傳遞效率:92％
中間齒輪副傳動(dòng)比:1.35 傳遞效率:97％
主減傳動(dòng)比:4.05 傳遞效率:96％
行星齒輪換擋機(jī)構(gòu)前進(jìn)時(shí)傳動(dòng)比:1 傳遞效率:95％
所以，驅(qū)動(dòng)力矩Tt=ig?i0?Ttq ?ηT=250×2.4548×1.35×4.05×0.92×0.97×0.96×0.95=2730.9N?m
驅(qū)動(dòng)力Ft=2730.9∕0.327=8351.3N
汽車行駛阻力
Ff=ma?g?sin16.7°+ma?g?cos16.7°?f=1910×10×sin16.7°+1910×cos16.7°0.015=5762N
式中滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.015，
所以Ft﹥Ff 故參數(shù)可取。
3) 輸入軸設(shè)計(jì)
(1)選材：35SiMn合金鋼（根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》P192）
(2)估算最小軸徑d
d≥ C3Pn=10031184500=29.71mm （2-7）
2.3.2 金屬帶輪參數(shù)設(shè)計(jì)
(1) 金屬帶輪最小工作半徑的確定
前面帶輪軸已作設(shè)計(jì)，由于是階梯軸，取d=40mm
則帶輪最小工作半徑為Rmin=d∕2+e1=24mm
e1=4～5mm，是為了避免運(yùn)動(dòng)干涉，
所以，最小節(jié)圓半徑R1min=R2min=Rmin+Δ1=d／2+8=28mm （2-8）
Δ1=3～4mm
(2)中心距的確定
傳動(dòng)比： imax=2.4548 imin=0.4073
因?yàn)閕max=R2maxR1min imin=R2minR1max
所以最大節(jié)圓半徑 R1max=R2minimin=68.74mm
R2max=R1min?imax=68.73mm
外徑 Re=R1max+e2=76.73mm
式中e2=8～10mm
∴中心距 A=2Re+（1～2）=155.46mm （2-9）
（3）金屬帶環(huán)長(zhǎng)的確定
L=2Acosλ+（R1min+Δh）×（π-2λ）+（R2max+Δh）×（π+2λ）
sinλ=R2max-R1minA （2-10）
得到L=463.03mm
（4） 帶輪錐面夾角的確定
金屬帶式無(wú)極變速器帶輪錐面夾角目前業(yè)界公認(rèn)的范圍是10°～12°，本設(shè)計(jì)選取11°。
2.4 本章小結(jié)
本章通過(guò)對(duì)金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的基本結(jié)構(gòu)和核心部件的介紹，使對(duì)無(wú)減速器有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，無(wú)級(jí)變速器作為一種自動(dòng)變速器，其先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念是一般自動(dòng)變速器無(wú)法比擬的。首先，它可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況適時(shí)改變傳動(dòng)比，使發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)刻保持在最佳工作狀態(tài)這對(duì)降低油耗和污染是非常重要的；其次，它變速過(guò)程中沒(méi)有絲毫的頓挫感，這對(duì)乘坐舒適性大有提升。最后，對(duì)于成本，它的零部件數(shù)目要明顯少于自動(dòng)變速器，且隨著大批量的生產(chǎn)將會(huì)降低更多。而且通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，無(wú)極變速器的故障率也是非常的低，完全可以滿足使用要求。如何開(kāi)發(fā)出體積小、結(jié)構(gòu)精、成本低、效率高的產(chǎn)品是開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)者們共同的責(zé)任。
第3章 金屬帶式無(wú)極變速器傳動(dòng)和承載能力校核
3.1 摩擦傳動(dòng)原理和摩擦因數(shù)
3.1.1 摩擦傳動(dòng)原理
摩擦傳動(dòng)的工作原理如圖3-1所示。摩擦傳動(dòng)和承載能力即摩擦副所能傳遞的計(jì)算摩擦載荷。計(jì)算摩擦載荷是考慮了儲(chǔ)備能力的摩擦力。即
F=F0K=fNK （3-1）
圖3-1 摩擦傳動(dòng)的工作原理
式中 F—計(jì)算摩擦載荷（N）；
F0—名義摩擦力（N）；
N—法向摩擦力（N）；
f—接觸面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)或油膜牽引系數(shù)；
K—可靠性系數(shù)，動(dòng)力傳動(dòng)取K=1.2～1.5。
摩擦傳動(dòng)的承載能力取決于摩擦因數(shù)或牽引系數(shù)和摩擦面副的接觸強(qiáng)度。
3.1.2 摩擦因數(shù)
摩擦因數(shù)是設(shè)計(jì)無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)承載能力的計(jì)算依據(jù)，也是研究摩擦機(jī)理的特征值。無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)有干式和濕式兩種傳遞類型，其摩擦機(jī)理是不同的。而濕式摩擦傳動(dòng)有油膜牽引和混合摩擦驅(qū)動(dòng)兩種摩擦狀態(tài)。金屬帶式無(wú)極變速器是混合摩擦驅(qū)動(dòng)。
混合摩擦包括液體的摩擦行為、固體的摩擦行為、液體和固體的相互作用形成的第三物體的摩擦行為。
3.2 金屬帶傳動(dòng)的力分析
3.2.1 金屬帶上的作用力即各力的關(guān)系
為了簡(jiǎn)化模型方便分析，作如下假設(shè):
1）將金屬帶的疊層金屬環(huán)看作一條鋼帶環(huán)，不考慮金屬環(huán)組內(nèi)部各環(huán)間的滑動(dòng)和摩擦。
2）金屬帶在帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)形成的圓形軌道上運(yùn)行，金屬帶在帶輪上包角的圓心與帶輪中心重合。
3）不考慮帶輪的彈性變形。
4）按金屬帶的線速度計(jì)算鋼帶環(huán)和摩擦片的離心力。
在金屬帶運(yùn)行過(guò)程中，置于帶輪V形槽內(nèi)的金屬帶和摩擦片所受的各作用力如圖3-3（i＞1）和圖3-4（i＜1）所示。
1）鞍面法向力PA、PB（A表主動(dòng)輪，B表從動(dòng)輪，以下同）：當(dāng)帶輪在軸向推力作用下軸向壓緊時(shí)，摩擦片有沿徑向外移的趨勢(shì)，是鋼帶環(huán)張緊，在摩擦片鞍面和鋼帶環(huán)接觸面上產(chǎn)生正壓力。
2)鋼帶環(huán)張力TA、TB：鋼帶環(huán)張緊時(shí)其橫截面上產(chǎn)生的拉力。
3）鞍面摩擦力FrbA、FrbB（下標(biāo)r表示鋼帶環(huán)，下標(biāo)b表示摩擦片，以下同）：鋼帶環(huán)與摩擦片鞍面之間相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦力。在小工作半徑的帶輪上，剛換所受摩擦力的方向與帶輪線速度的方向相同，在大工作半徑的帶輪上，帶環(huán)所受摩擦力方向與帶輪線速度方向向反。
4)摩擦片之間的推壓力EA、EB：在金屬帶傳動(dòng)中，摩擦片之間相互擠壓，相鄰摩擦片間產(chǎn)生的壓力。
5）帶輪法向力NA、NB摩擦片的兩側(cè)面與帶輪的錐面接觸，帶輪受到軸向推力夾緊后，在摩擦片側(cè)面和帶輪錐面間產(chǎn)生的正壓力。
6）切向摩擦力FpbA、FpbB（下標(biāo)p表示帶輪，下標(biāo)b表示摩擦片，以下同）：帶輪的錐面與摩擦片的兩側(cè)面之間的切向摩擦力，正是Fpb實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的傳遞。
7）徑向摩擦力FRA、FRB 帶輪的錐面與摩擦片的兩側(cè)面之間的徑向摩擦力。
8）帶環(huán)的離心力FCrA、FCrB:鋼帶環(huán)繞上帶輪后作圓周運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生的離心力。
9）摩擦片離心力FCbA、FCbB：摩擦片繞上帶輪后最圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力。
處于主動(dòng)輪出口至從動(dòng)輪入口的直線段（bc段）上的摩擦片之間的推壓力為常數(shù)E2；處于主動(dòng)輪入口至從動(dòng)輪出口的直線段（ad段）上的摩擦片之間無(wú)作用力。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，可以針對(duì)半邊金屬帶上的作用力，建立各作用力之間的關(guān)系。
主動(dòng)輪上第k個(gè)半摩擦片和其鞍面上的鋼帶環(huán)的個(gè)作用力的關(guān)系為
1）鋼帶環(huán)的切向力平衡方程為
FrbA（k）-δ×（TA（k+1）-TA（k））×cosβ=0 （3-1）
2）鋼帶環(huán)的徑向平衡方程為
PA（k）+FCrA-（TA（k+1）+TA（k））×sinβ=0 （3-2）
3）半摩擦片的切向力平衡方程為
FpbA(k)- δ×FrbA（k）-0.5×（EA（k）-EA（k＋1））cosβ=0 （3-3）
圖3-3 帶輪V形槽中金屬帶的作用力（i≥1）
圖3-4 帶輪V形槽中金屬帶的作用力（i＜1）
4）半摩擦片的徑向力平衡方程為
（PA(k)-0.5FCbA）-NA(k)sinα+FRA（k）cosα-0.5（EA（k）+EA（k+1））sinβ=0 （3-4）
5）半摩擦片的軸向力平衡方程為
AA（k）-NA(k)cosα-FRA（k）sinα=0 (3-5)
上式中，i≥1時(shí)，δ=1；i＜1時(shí)，δ=-1。在確定了帶環(huán)張力TA、TB后，可求解出其他各作用力。
3.3 帶環(huán)的強(qiáng)度計(jì)算
3.3.1 帶環(huán)的靜強(qiáng)度計(jì)算
圖334表示了傳遞相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，帶環(huán)彎曲應(yīng)力σw、拉應(yīng)力σ1和最大應(yīng)力σmax與傳動(dòng)比的關(guān)系，可見(jiàn)在傳遞轉(zhuǎn)矩不變的情況下，σw、σ1、σmax都在傳動(dòng)比最大時(shí)取得最大值。所以應(yīng)按最大傳動(dòng)比i=imax工作條件下作鋼環(huán)的靜強(qiáng)度計(jì)算。
鋼帶環(huán)的靜強(qiáng)度的校核式為
1.05×（σ1(i=imax?)+σw(i=imax?)）≤[σ+1]
σw(i=imax?)=hr×Er2×R1min＋Δh+hr （3-6）
σ1（i=imax?）=T1Sr=2T0×efrb×（π-2λ）-ρrvr2×（efrb×π-2λ-1）1+efrb×（π-2λ）+E22Sr
由鋼帶環(huán)材料的強(qiáng)度極限σb=2171N/mm2，估算材料的屈服極限σs=0.90×σb=1954 N/mm2，取安全系數(shù)為1.95，帶環(huán)靜強(qiáng)度的許用應(yīng)力[σ+1]=σs2=1000N/mm2。
3.2.2帶環(huán)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算
設(shè)金屬帶式變速范圍內(nèi)的傳動(dòng)比使用率相同，則帶環(huán)疲勞強(qiáng)度的計(jì)算應(yīng)力為傳動(dòng)比i=imax和i=1時(shí)的平均值，考慮到多層帶環(huán)的載荷不均勻系數(shù)1.05，所以鋼帶環(huán)的疲勞強(qiáng)度校核式為
0.5×1.05×（σ1（i=imax?）+σw（i=imax）+σ1（i=1）+σwi=1≤[σ]
σw（i=1）=hr+Er2×RM+Δh+hr
σ1（i=1）=T1Sr=2T0×efrb×π-ρrvr2×（efrb×π-1）1+efrb×π+E22Sr
根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得單層鋼帶環(huán)的疲勞極限σlim=971N/mm2，取安全系數(shù)為1.40，帶環(huán)疲勞強(qiáng)度的許用應(yīng)力[σ1]=σlim1.40=693N/mm2。
本章小結(jié)
金屬帶式無(wú)極變速器的最重要同時(shí)也是最困難的設(shè)計(jì)部分就是對(duì)金屬帶組件和帶輪的設(shè)計(jì)。不要把金屬帶式無(wú)極變速器的帶傳動(dòng)錯(cuò)誤地當(dāng)成是常規(guī)的皮帶傳動(dòng)，它是一種“推式傳動(dòng)”，它的動(dòng)力是經(jīng)過(guò)摩擦片的相互擠壓傳遞的，金屬帶環(huán)只起到導(dǎo)向和承受張力的作用，這就是它有別于其它帶傳動(dòng)的不同之處。同時(shí)，它也是一種摩擦傳動(dòng)，即動(dòng)力經(jīng)由帶輪與摩擦片的相互擠壓產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行傳遞。在這里又碰到一個(gè)新的問(wèn)題，帶輪與摩擦片間的摩擦力太小的話，就會(huì)出現(xiàn)打滑；而太大的話則有會(huì)造成換擋困難同時(shí)使元件磨損加劇。這是一對(duì)矛盾的問(wèn)題，因此無(wú)級(jí)變速器要用到專門(mén)的無(wú)級(jí)變速器機(jī)油。此外通過(guò)行車電腦對(duì)錐形帶輪夾緊力的智能優(yōu)化也是非常重要的。
第4章 金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的匹配設(shè)計(jì)
4.1 汽車傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)組成與任務(wù)
轎車的布置形式主要有發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)、前置后驅(qū)、后置后驅(qū)三種。目前多數(shù)轎車采用前置前驅(qū)，是將變速器、主減速器和差速器安置在同一殼體內(nèi)，并和橫置發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)前艙，通過(guò)半軸、萬(wàn)向節(jié)軸驅(qū)動(dòng)前輪，這種布置方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳遞效率高且有利于提高空間利用率。
傳動(dòng)系的任務(wù)是在發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪之間按汽車運(yùn)行工況的要求傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，并根據(jù)汽車行駛狀況不斷改變運(yùn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)矩的大小，滿足使用要求。同時(shí)還需具有可靠地倒檔行駛能力，良好的加速性能和最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。
4.2 無(wú)級(jí)變速器運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)
無(wú)極變速器的功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，其變速過(guò)程是無(wú)極的。無(wú)極變速器的主要參數(shù)指的是變速比Rb、中間齒輪減速比和主減速比。它們對(duì)整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都有重要影響。
4.2.1 變速比Rb
無(wú)級(jí)變速器的變速比反映了變速器傳動(dòng)比變化范圍，是指最大傳動(dòng)比與最小傳動(dòng)比的比值。在中心距不變的情況下，兩帶輪對(duì)稱分布時(shí)，變速比最大。CVT的主要作用之一就是汽車在某一時(shí)速運(yùn)行時(shí)能使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳狀態(tài)。變速比越大，就可在越大的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)節(jié)油；但同時(shí)這又需要更大的中心距，加大了變速器的尺寸，目前國(guó)內(nèi)外較普遍的變速比范圍是Rb=6～8。
4.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)最小燃油消耗特性
發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速是指在不同節(jié)氣門(mén)開(kāi)度情況下，隨載荷的變化，燃油消耗率最低時(shí)的轉(zhuǎn)速，這是設(shè)計(jì)無(wú)級(jí)變速器的重要參考指標(biāo)。這個(gè)數(shù)據(jù)要在實(shí)際使用情況下測(cè)得。表4-1中列出了某發(fā)動(dòng)機(jī)的使用特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
表4-1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)的使用特性測(cè)試數(shù)據(jù)
節(jié)氣門(mén)開(kāi)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
362
46.9
4.91
20
1500
304
78.9
12.4
30
2000
297
87.8
18.4
40
2250
291
94.6
22.3
50
2500
285
100
26.2
60
2750
289
101.9
29.34
70
2750
290
103.3
29.75
80
2750
289
103.9
29.29
90
3000
303
106.2
33.36
100
3250
303.2
107.8
36.69
4.2.3 汽車的、齒輪減速比及無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)比
目前手動(dòng)變速器和自動(dòng)變速器的變速都以減速為主，手動(dòng)變速器的速比范圍為ig=0.7～4。
無(wú)極變速器的變速部分，為提高變速比，將其升速和降速部分設(shè)計(jì)成：
ibmin=1Rb
ibmax=Rb
式中 ib——無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)比；
ibmin——無(wú)級(jí)變速器最小傳動(dòng)比；
ibmax——無(wú)級(jí)變速器最大傳動(dòng)比；
Rb——無(wú)級(jí)變速器變速比。
無(wú)級(jí)變速器的齒輪減速部分的減速比ia，包括中間齒輪減速比ic和主減速比i0為 ia=ici0
無(wú)級(jí)變速器的總傳動(dòng)比it為 it=iaib
最小傳動(dòng)比為 itmin=ibminia
最大傳動(dòng)比為 itmax=ibmaxia
總傳動(dòng)比為 it=ibminia～ibmaxia
設(shè)計(jì)無(wú)級(jí)變速器的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)，一方面滿足發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速的范圍，另一方面要滿足最高車速要求。
由于無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)屬于摩擦傳動(dòng)，最大滑差率為ε=14％?？紤]到這一點(diǎn)車速計(jì)算應(yīng)采用下式:
ua=60πnpedrit×1000（1-ε）
式中 ua——車速（km/h）；
npe——發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速（r/min）；
dr——車輪滾動(dòng)直徑（mm）；
ε——金屬帶與錐盤(pán)的滑差率；
it——無(wú)級(jí)變速器總傳動(dòng)比。
當(dāng)滿足汽車最高車速uamax時(shí)，則有
在無(wú)級(jí)變速器的設(shè)計(jì)中，無(wú)級(jí)變速器從動(dòng)軸的極限轉(zhuǎn)速是一個(gè)“瓶頸”，通常把它限制在n2max9000～9500r/min。這時(shí)齒輪減速比為
ia=n2maxnend max
結(jié)論：
1）變速比的大小決定無(wú)級(jí)變速器的變速范圍，它將決定控制穩(wěn)定車速的范圍，也是經(jīng)濟(jì)車速的范圍。
2）變速傳動(dòng)的從動(dòng)軸的軸承的極限轉(zhuǎn)速和要求的最高車速?zèng)Q定了齒輪傳動(dòng)的總減速比的大小；總減速比的大小也決定了經(jīng)濟(jì)車速范圍。
3）發(fā)動(dòng)機(jī)的最小燃油消耗特性必須采用使用外特性曲線和使用部分曲線，為CVT控制方便起見(jiàn)，最好采用節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為變量。
4）由于滑差率是與載荷有關(guān)的變量，因而得出的結(jié)果是較保守的。
本章小結(jié)
對(duì)于變速器的設(shè)計(jì)，必須針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用狀況而做的。最基本的，就是要考慮汽車使用工程中所要用到的最大轉(zhuǎn)矩或是轉(zhuǎn)速以滿足要求。通過(guò)數(shù)學(xué)算法，可尋求理論上最佳的尺寸大小設(shè)計(jì)。需要說(shuō)明的是，由于缺乏實(shí)驗(yàn)條件，本文有用到很多假設(shè)，且是按照理想的數(shù)學(xué)算法進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)的。因此，該設(shè)計(jì)結(jié)果是偏向保守的。在實(shí)際運(yùn)用中尚需商議。
第5章 雙行星輪行星換向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1換向機(jī)構(gòu)組成及工作原理
換向機(jī)構(gòu)的輸入軸即為行星架輸入軸，通過(guò)花鍵與飛輪相聯(lián)接，行星架上裝有三對(duì)行星輪，內(nèi)行星輪同時(shí)與太陽(yáng)輪與外行星輪相嚙合，外行星輪再跟內(nèi)齒圈嚙合。如圖5-1所示。內(nèi)齒圈的外側(cè)與到當(dāng)離合器的摩擦片通過(guò)花鍵聯(lián)接在一起。行星架外側(cè)與前進(jìn)離合器的摩擦片也通過(guò)花鍵相聯(lián)接。在前進(jìn)、倒檔離合器的摩擦片間裝有摩擦片壓盤(pán)，并分別由前進(jìn)、倒檔離合器液壓缸控制結(jié)合與分離。
在汽車倒檔時(shí)，倒檔離合器液壓控制缸工作，將內(nèi)齒圈與殼體固聯(lián)在一起，經(jīng)過(guò)雙行星輪行星機(jī)構(gòu)的作用，使輸出軸的方向得以改變；當(dāng)汽車前進(jìn)時(shí)，前進(jìn)擋離合器的結(jié)合使行星架與太陽(yáng)輪固聯(lián)在一起，相當(dāng)于動(dòng)力直接傳遞到太陽(yáng)輪傳到輸入軸。
5.2 前進(jìn)、倒檔離合器
汽車無(wú)級(jí)變速器的前進(jìn)、倒檔離合器是一種濕式多片離合器。離合器考液壓缸活塞壓力進(jìn)行轉(zhuǎn)矩傳遞。當(dāng)泄壓時(shí)活塞靠回位彈簧復(fù)位。多片式離合器的有效傳遞轉(zhuǎn)矩可通過(guò)增減摩擦片數(shù)量或摩擦片面積得以調(diào)整，多片式離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的大小可由以下公式計(jì)算：
M=μpz（D23-D13）/3（D22-D12）
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——離合器摩擦片的內(nèi)徑。
D2——離合器摩擦片的外徑。
p——作用在離合器摩擦片上的壓力。
離合器內(nèi)外徑有如下關(guān)系：
D1=(0.6～0.8)D2
離合器摩擦片的類型選的是紙基摩擦片，原因是其摩擦因數(shù)高（μ=0.15），且對(duì)壓力、溫度和圓周速度的穩(wěn)定性好。
由上述公式可選取相關(guān)參數(shù)如下：
D1=164mm
D2=205mm
z=4
p=13.5N
5.3 雙行星輪換擋機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)
圖5-1 雙行星輪行星機(jī)構(gòu)
首先引入一個(gè)概念，內(nèi)齒圈與太陽(yáng)輪的齒數(shù)比稱為行星齒輪組的特性參數(shù)a。
初選a
由于模數(shù)相同，故可由分度圓直徑之比估算其值：
a=118/48=2.458
雙行星輪行星機(jī)構(gòu)理論內(nèi)力矩關(guān)系式
Mt1=Mq-a=Mja-1
式中 Mt——太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)矩；
Mq——內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)矩；
Mj——行星架轉(zhuǎn)矩。
Mj=250N?m
∴Mt=250/（2.458-1）=171470N?mm
5.3.1齒輪參數(shù)的設(shè)計(jì)
1）選擇太陽(yáng)輪材料、熱處理方式及精度等級(jí)
考慮到傳遞功率較大，采用40Cr，調(diào)質(zhì)，表面淬火加工，選用8級(jí)精度。
2）初步計(jì)算齒輪傳動(dòng)主要尺寸
因采用硬齒面，抗點(diǎn)蝕能力較強(qiáng)，故按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
Mn≥32kT1YεYβcos2βYFYsφdZ12[σ]F
（1）式中參數(shù)為：傳遞轉(zhuǎn)矩T1=Mt=171470N?mm；
（2）初選Z1=33，Z2=19；
（3）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8.6，取齒寬系數(shù)φd=0.5；
（4）初選螺旋角β=15°；
εα=[1.88-3.2（1Z1+1Z2）]cosβ=1.624；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖8-21查得重合度系數(shù)Yε=0.74；
（5）由εβ=bsinβπmn=0.318φdZ1tanβ得
εβ=1.406；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖8-26查得螺旋角系數(shù)Yβ=0.87；
（6）初選kt=1.3；
（7）齒形系數(shù)YF和應(yīng)力修正系數(shù)Ys
當(dāng)量齒數(shù) Zv1=Z1/cos3β=34.16
Zv2=Z2/cos3β=19.67
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖8-19查得齒形系數(shù)YF1=2.48，YF2=2.79；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖8-20查得應(yīng)力修正系數(shù)Ys1=1.65，Ys2=1.54；
（8）許用應(yīng)力由[σ]F=YNσFlimSF算得
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖8-28（h）得到彎曲疲勞極限應(yīng)力σFlim1=σFlim2=360MPa；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8.7取安全系數(shù)SF=1.25；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖8-30查得YN1=YN2=1.0；
故許用彎曲應(yīng)力[σ]F1=[σ]F2=1.0×360/1.25=288MPa；
（9）初算法面模數(shù)
mnt≥32ktT1Yβcos2βφdz12YFYs[σ]F=1.94
YF1YS1[σ]F1=2.48×1.65/288=0.0142
YF2YS2[σ]F2=2.79×1.54/288=0.0149
所以取YFYS[σ]F=0.0149
3）計(jì)算傳動(dòng)尺寸
（1）計(jì)算載荷系數(shù)k
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8.3查得使用系數(shù)kA=1.75
V=πd1tn160×1000=22.76m/s
（其中 n1=（a-1）nj=6561r/min）
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖8-7查得動(dòng)載系數(shù)kv=1.25，由圖8-11查得齒向載荷分布系數(shù)kβ=1.32，由表8.4查得齒間載荷分配系數(shù)kα=1.2
則k=kvkβkα=1.98
（2）mn=mnt3kkt=2.23,圓整為2.0。
（3）計(jì)算傳動(dòng)尺寸
中心距a=mn（Z1+Z2）/2cosβ=53.84mm，圓整為50mm。
修整螺旋角β=15.94°≈16°
∴d1=mnZ1cosβ=68.64mm≈68mm
同理，d2≈32
b1=Φdd1=0.5×68=32mm，取b2=30mm
（4）校核齒面接觸強(qiáng)度
σH=ZEZHZεZβ2kT1bd12u+1u≤[σ]H
主要參數(shù)總結(jié)
β=16°mn=2
Z1=33 Z2=19 Z3=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
5.4 本章小結(jié)
至于為什么要選擇雙行星輪行星齒輪換擋機(jī)構(gòu)，需要說(shuō)明的是，由于行星齒輪換擋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，因此自動(dòng)變速器絕大多數(shù)都用行星齒輪換擋機(jī)構(gòu)?？紤]到在較小的尺寸空間內(nèi)要有一定的承受載荷能力的要求，需要增加行星輪數(shù)目；此外這種結(jié)構(gòu)方案可以簡(jiǎn)化前進(jìn)、倒檔切換機(jī)構(gòu)。需要注意的是，這樣就增加了拆裝的難度，在安裝精度上有了更為嚴(yán)格的要求。
結(jié)論
通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)前面所學(xué)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行了較為全面的了解，讓我深刻地認(rèn)識(shí)到，大學(xué)所學(xué)的一些基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)和解問(wèn)題的決方法才是自己今后人生中最為寶貴的財(cái)富。由于能力有限，對(duì)整個(gè)無(wú)極變速器的設(shè)計(jì)的確超出了個(gè)人能力范圍。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我主要針對(duì)的是其機(jī)械結(jié)構(gòu)方面展開(kāi)的。
在過(guò)程中，我充分查閱相關(guān)信息知識(shí)，并請(qǐng)教專業(yè)老師，同時(shí)自學(xué)了一些相關(guān)教材。我的設(shè)計(jì)主要參考了兩款金屬帶式無(wú)極變速器，并綜合二者各自特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。我期望達(dá)到的設(shè)計(jì)目的是，在滿足車速、轉(zhuǎn)矩要求情況下盡可能地使其尺寸緊湊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并能通過(guò)工程圖直觀地將其結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來(lái)。由于時(shí)間關(guān)系，在最終設(shè)計(jì)結(jié)果中，我沒(méi)能把其內(nèi)部換擋機(jī)構(gòu)的液壓回路表達(dá)清楚；同時(shí)有些地方結(jié)構(gòu)方面的改動(dòng)可能存在風(fēng)險(xiǎn)，這兩點(diǎn)是我本次畢業(yè)設(shè)計(jì)比較遺憾的地方。
希望通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)自己的能力做一次鍛煉與提高。并通過(guò)在其中碰到的問(wèn)題發(fā)現(xiàn)自身的問(wèn)題。避免在今后的學(xué)習(xí)工作中再犯類似錯(cuò)誤。
致 謝
在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)得以完成，首先我要感謝我的指導(dǎo)教師鄒玉鳳老師，感謝她這段時(shí)間以來(lái)對(duì)我的悉心指導(dǎo)，和熱情幫助；其次我還要感謝李玉龍老師，他熱心講解并無(wú)私地提供了一些好的無(wú)級(jí)變速器資料；最后還要感謝系里的其他幾位給予我的寶貴意見(jiàn)的專業(yè)老師。
由于選題較難，在做畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了許多困難，每次請(qǐng)教鄒老師，她都非常熱心的為我答疑解惑，甚至還幫我請(qǐng)教其他相關(guān)的專業(yè)老師。這都是對(duì)我莫大的支持與鼓舞；我還要提到的是，答辯時(shí)給予我寶貴意見(jiàn)的老師們，你們?cè)鷮?shí)的專業(yè)知識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度令我折服。最后讓我再次感謝所有給予我?guī)椭娜耍瑳](méi)有你們，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)就不會(huì)完滿的完成。
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[12] Fujii T,Kurokawa S.A study on a metal Pushing V-belt type CVT-part3:what force act on metal blocks? [J].SAE Tech.Paper series,950671,1995.
附錄1 譯文
無(wú)級(jí)變速器的行星齒輪機(jī)構(gòu)采用雙行星齒輪機(jī)構(gòu),行星架上固定有內(nèi)、外行星齒輪和右支架,其中右支架是通過(guò)螺栓固定在行星架上,外行星齒輪和齒圈嚙合,內(nèi)行星齒輪和太陽(yáng)輪嚙合。它們可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和倒檔。
無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)由金屬傳動(dòng)帶和主、被動(dòng)工作輪組成。金屬傳動(dòng)帶由兩百多個(gè)金屬片和兩組金屬環(huán)組成,每個(gè)金屬片的厚度為1.4mm,在兩側(cè)工作輪擠壓力作用下傳遞動(dòng)力。每組金屬環(huán)由9或12片厚度為0.18mm的帶環(huán)疊合而成,金屬環(huán)的功用是提供預(yù)緊力,在動(dòng)力傳遞過(guò)程中,支撐和引導(dǎo)金屬片的運(yùn)動(dòng),有時(shí)承擔(dān)部分轉(zhuǎn)矩的傳遞。主、被動(dòng)工作輪由可動(dòng)和不動(dòng)錐盤(pán)兩部分組成?？刂葡到y(tǒng)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速器系統(tǒng)傳動(dòng)比無(wú)級(jí)自動(dòng)變化的。在無(wú)級(jí)變速器系統(tǒng)中,采用機(jī)-液控制系統(tǒng)或電-液控制系統(tǒng)。它主要由油泵齒輪泵和滾子葉片泵、液壓調(diào)節(jié)閥速比和帶與輪間壓緊力的調(diào)節(jié)、傳感器油門(mén)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和主、從工作輪的液壓缸及管道組成,實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速的調(diào)節(jié)。速比控制、夾緊力控制和起步離合器的控制是無(wú)級(jí)變速控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)可提供的速比變化范圍為2.6~0.445左右,不能完全滿足整車傳動(dòng)比變化范圍的要求,故設(shè)有中間減速機(jī)構(gòu)。
無(wú)級(jí)變速器的變速原理很簡(jiǎn)單,但也很巧妙。傳動(dòng)器的主、被動(dòng)工作輪的固定和可動(dòng)兩部分形成V形槽,與金屬傳送帶嚙合。當(dāng)主、被動(dòng)工作輪可動(dòng)部分作軸向移動(dòng)時(shí),改變了傳送帶的回轉(zhuǎn)半徑,從而改變傳動(dòng)比?？蓜?dòng)輪的軸向移動(dòng)是根據(jù)汽車的使用要求,通過(guò)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)地調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。
附錄2 英文參考資料
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