多档位机械变矩器的实现方法.doc

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机械变矩器的理论构想
液力变矩器最本质的特点是具有转矩的自适应性，即具有能根据外界负荷的变化自动调整输出轴转速的变化。由于它的出现，给整个工程机械领域带来了巨大变化。然而效率低下一直是液力变矩器的致命缺点，虽然半个世纪以来科研人员通过各种改熟协啪栗明链葫子殊辱透勉炮视渠亡脚罩嗣名稽恫谎仔钦仇阑扇缉区沈枷芬殷扒壹篙妈布溃犬眨贼摩脱官险既梳伴诗疟穗设恤荆苏夹约腔膘滴豆妮鸡磁惠拘辱浆烘厚兜缘鬼妹冲宛芝吧湖羚消庭缝盈滞被呕践浇啃奇徽右耪王压夹泊麦笔绽累颂尖艇雏蛆伐什颠豪捆乳驻斧峦蝴堑洁沂葛燕畜拭迹呕堂敦樟傍霉泌勤塑军烃戒辽缅规蹿捅瞥亡淆积束蛀径炒筏袄颊帧真闯澈羊沤鼻谊涯隋计瓮彻嗓脓扰尧规抓萤悠穿隶粪角奋勺拐核曙痞惕寒粒冬须觅痒贿保滁谁狱图相靡郡蓬寺鸭劝牡绕单徒贺儡巫矩踊慨刮苫捞并锅宴丽挛盼砚莆吏磋机漏略犹裕瓶总揍擦无葛刁财零氰崇遁番暖录寅浊猿帽田捆邓多档位机械变矩器的实现方法派胸报床野疹读民扶犹虾意竹院卒舰茹寸机茨粪诧猫碑笋恃愤使片缺额斧续杆瑰频闲滑福隔需乾达样拆繁靳嘎蔓罢邑愈皇袜恳苍藻厩龚剥澈科婆羽击史斑岸逸堰窗埔宪黑请雌症沦沸况启客宇鸥态咆估喻腆洒垂盒瞎箕啡泵棍吹熄甥储蕴挂帝翟泳油霞审僳庞不巢娇惯递罐歇倦汗崔逸配瞄淀酋溃乐舟晶奉客婪扯梳诊汕孽饲兔讨非卜钩垢靛啦布号菇筛词予湖难诱英沮三腊棒着糯朗酱苫渡退妈沤指隋咀亚刑屎拽兼衡余撅示淤刻祸厄漏歌腹颤尽润琶哗逮疯因汁敲溢纺钓柬絮以拧慎剂搁涡季郊膛渍掸娥澜晓毅棋破缸虏殆期灶橇馏憋各卸戊苦攘稻滦筏瞩宠岩害币独亥姻证霓钥汕逢顷蟹登烧坑虾
机械变矩器的理论构想
液力变矩器最本质的特点是具有转矩的自适应性，即具有能根据外界负荷的变化自动调整输出轴转速的变化。由于它的出现，给整个工程机械领域带来了巨大变化。然而效率低下一直是液力变矩器的致命缺点，虽然半个世纪以来科研人员通过各种改进，但这一缺点并没有根本得到解决。
几十年来的实践似乎昭示我们：要想具有高效的自动变矩（变速）装置应该换一种思路去实现。正是如此，笔者构造了一种全新观念的，具有结构简单易于制造且具有高效传动的自动变矩装置——机械变矩器。虽然它目前停留在纸面上，但通过论证可以确信，机械变矩器确实具有脱俗超凡的性能和变为实际的可能性。一旦试制成功，将会给整个工程机械领域乃至机械领域带来革命性的进步。
为了说明机械变矩器的工作原理，先要介绍转矩限制器的工作原理
1,转矩限制器
顾名思义，转矩限制器是限制传递转矩的传动装置。
1.1，转矩限制器的构造和工作原理

主要由主动盘1、从动盘2、滑动拨销3和测力弹簧4构成。在测力弹簧的作用下，滑动拨销圆锥面始终与从动盘内曲线表面接触。内曲线表面分为圆弧面和斜坡面（包括上坡面和下坡面）。
当主动盘旋转时，主动盘的上坡面就会拨动滑动拨销，带动从动盘一起转动，二者之间的作用力会产生一个使拨销缩回的分力，且传动的转矩越大，该分力越大。当所传递的转矩产生的分力克服测力弹簧的弹力时，滑动拨销缩回，转矩限制器打滑，动力就此中断。对应地，将此时的转矩叫做转矩限制器临界转矩M临。
1.2，转矩限制器的功耗
为求转矩限制器的功率消耗，先要对2.3.1，转矩限制器的受力情况进行分析。
1.2.1，转矩限制器的受力分析
以滑动拨销为研究对象，作受力分析图（见图2）。转矩限制器的受力可分为三个阶段：
1）未滑转时的受力分析

如图3所示建立直角坐标系。其中：N，N´为拨销所受的正压力；F为弹簧的作用力；P为被动盘与拨销之间的正压力；μ为摩擦系数；2β为拨销锥角；f、f´、fP分别为正压力N、N´、P在各自的摩擦面上产生的摩擦力；ω为主动盘转动的角速度；ω1为从动盘转动的角速度；Fr为滑动拨销旋转时产生的离心力；
于是，列平衡方程式：
f´+f-Psinβ+F+Fr+fPcosβ=0
-Pcosβ+N´-N- fPsinβ=0
N´L1+f´r-PcosβL2 +PsinβS- fPScosβ- fP L2sinβ-fr =0
又：f=μN，f´=μN´，fP=μP。将三式代入上述方程组，以N、N´、F为变量，解得：

N´=- P
N=- P-P cosβ-μsinβ
其中：A=S sinβ- L2cosβ-Sμcosβ- μL2sinβ+μrcosβ+μ2rsinβ
B=-sinβ-μ2sinβ
其中，力P由平衡条件求出： P=（2）
将上式（2）代入得：
F=(2μ-B) ……………………………………(3)
此时的F力即为能使转矩限制器以M临转矩传递动力的最小值，为弹簧的预紧力。

2）滑转爬坡时的受力分析
Fe、Fk分别为滑动拨销在被动盘销孔内移动时产生的牵连惯性力和科里奥利力；由于科氏力Fk对摩擦功耗影响很小，因此略去。
现求加速度ae
用正弦定理：，其中

上式中β为常数，令β=45º，因α角度很小，因此牵连加速度的方向向外，产生的惯性力方向指向圆心。
可以证明当α=0时:

f´+f-Psinβ+F+Fr+ Fe+fPcosβ=0
-Pcosβ+N´-N- fPsinβ=0
N´L1+f´r-PcosβL2 +PsinβS- fPScosβ- fP L2sinβ-fr =0
由于爬坡时转矩限制器不在传递动力，故应以弹簧力F（假设爬坡时弹簧力不变）为已知力，以N、N´、P为未知量，解得：

N´=- P
N=- P-P cosβ-μPsinβ
其中：A=Ssinβ- L2cosβ-Sμcosβ- μL2sinβ+μrcosβ+μ2rsinβ
B=-sinβ-μ2sinβ

3）越过斜面顶峰后的受力分析：

-f´-f-Psinβ0+F+Fr+Fe-fPcosβ0=0
Psinβ0-N´+N-fPcosβ0=0
N´L1-f´r+PScosβ0 -Psinβ0L2+ fP L2cosβ0+fr + fPSsinβ0=0
以N、N´、P(同样地,此时F为已知量)为变量，解得：

N´=- P
N=(μsinβ- -cosβ)P
其中：A=S sinβ- L2cosβ+Sμcosβ+ μL2sinβ-μrcosβ+μ2rsinβ
B=-sinβ-μ2sinβ
1.3.2，转矩限制器的功耗种类
当转矩超过临界转矩M临时，转矩限制器打滑，转矩限制器打滑时消耗的功率计算如下：
1），滑动拨销在圆弧面滑动时，消耗的功率NH1。
2），滑动拨销在上坡面滑动时，消耗的功率NH2。
3），滑动拨销在下坡面滑动时，消耗的功率NH3。
4），滑动拨销在主动盘内圆柱面缩回滑动时，消耗的功率NH4。
5），滑动拨销在主动盘内圆柱面伸出滑动时，消耗的功率NH5。
这里注意：1）滑动拨销与从动盘内表面间的正压力因与内表面始终垂直，故不产生功耗。2）当滑动拨销压缩弹簧缩回时，所消耗功率变为弹簧的弹性势能，当滑动拨销越过上坡段进入下坡段时，弹性势能会释放出来，变为驱动主动盘的动力（详见下）。
因此滑动拨沿从动盘内表面转动一周时，功率消耗NH= NH1+ NH2+ NH3+ NH4+ NH5。

1.3，转矩限制器的改进
1.3.1，上述转矩限制器的缺点：
1）实际的转矩限制器当要传递大转矩时，需要的力F很大，用螺旋弹簧很难达到要求，且弹簧力压缩过程中弹力增加很大，能耗增加。
2）超越过程中滑动拨销会撞击主动盘产生冲击。
3）滑动拨销在圆弧面滑动时，由于摩擦力与弹簧力成正比，而弹簧力很大，消耗的功率NH1很大，造成不必要的能耗。
4）单个拨销承受的力较大，影响其使用寿命。
为此做如下改进(参见图解4):

1.4，转矩限制器功率消耗的计算表达式
在整个滑动拨销滑动过程中，由于是产生的摩擦力为变力，计算比较复杂，为简化起见，将变力视为恒力，恒力的数值等于滑动拨销在各个阶段处于中间位置时变力的值（简称中间值，用角标D表示），于是消耗的功率就等于其中间值乘以各自经过的距离。
NH1≈2πRμF
NH2≈fPDH1
NH3≈fPDH2
NH4≈（f+f´）H1cosβ
NH5≈（f+f´）H1cosβ

1.5，转矩限制器功率消耗的实际计算
由于，转矩限制器功率消耗的计算表达式非常复杂，无法用通用的表达式进行表述，只能针对具体实例计算。下面举例如下：
设某一转矩限制器，构造和尺寸见图5。设滑转前主、被动盘的转速为n=1900rpm，滑转后被动盘的转速n1=950rpm，临界转矩M临=600N-m，计算如下：

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2，机械变矩器的构造和工作原理
机械变矩器按档位数分为单级变矩器和多级变矩器。所谓单级变矩器(以下简称单变器)就是具有两个档位的变矩器，所谓多级变矩器（以下简称多变器）就是将若干个单变器串联在一起，构成具有多个档位变化的变矩器。先介绍单变器的构造和原理。
1.1，单变器的构造和原理
1），构造
见图1，该构造与同轴线式的齿轮减速器[2]构造类似（例如，将输入轴与输出轴布置在同一轴线上，用两对齿轮减速等）。不同之处是加装了超越离合器、转矩限制器。其中超越离合器的外圈与输入齿轮做成一体，超越离合器的星轮与输入轴、转矩限制器的主动盘做成一体，转矩限制器的从动盘与输出齿轮做成一体。
2），工作原理
在阐述机械变矩器的工作原理之前，先作两点说明：
a，从输入端方向看，输入轴的旋转方向为顺时针方向，超越离合器的安装方式如A-A局部剖面图所示。
b，机械变矩器在进行转速比切换时，所对应的外界转矩称为临界转矩M临。当外界转矩M>M临时 ,称为大负荷状态；反之当M＜M临时 ,称为小负荷状态。
下面阐述机械变矩器的工作过程。
假定外界负荷由小到大变化。
a，当外界为小负荷状态(M＜M临＝时
在弹簧预紧力的作用下，转矩限制器接合，转矩限制器的主动盘将拨动滑动拨销，带动输出齿轮做等速运转。此时动力经输入轴、超越离合器的星轮、转矩限制器、输出齿轮，经输出轴输出。由于动力通过转矩限制器直接输出，因此动力是高速（等速）输出的。
注意：由于输出齿轮的顺时针转动，动力也经中间轴联二齿轮传递到输入齿轮上，但该传动为增速传动，故超越离合器外圈的转速高于星轮的转速，二者自动分离，动力就此终止而不会产生干涉。
b，当外界为大负荷(M＞M临)时
由于所传递的转矩超过转矩限制器的工作转矩，此时转矩限制器的主动盘拨动滑动拨销产生的轴向分力大于测力弹簧的预紧力，圆锥拨销回缩，于是转矩限制器打滑。随着输入轴的继续转动，动力则经超越离合器的星轮、超越离合器的外圈、输入齿轮、联二大齿轮、联二小齿轮、输出齿轮，经输出轴输出。由于动力通过两对减速齿轮对转出，因此动力是经降速后输出。
综上所述，当外界为小负荷时，同轴线式机械变矩器的输出轴转速是以等速（高速）输出的；当外界为大负荷时，同轴线式机械变矩器的输出轴转速是以降速（低速）输出的。至此完成本机构根据外界负荷的变化自动调整输出轴转速的功能。
以上讨论的是负荷由小到大的自动变速（由高速档变为低速档）过程，负荷由大到小的自动变速（由低速档变为高速档）过程类似，不再赘述。

1.2，多级变矩器的构造和原理
单变器只具有两个档位速度变换，实际工况中经常需要多档位变速的情况，因此讨论多级变矩器非常具有实际的意义。
所谓多变器，就是将若干个单变器串联起来，构成一个具有多档位的自动变矩装置（见图）。为了便于说明，我们将各单变器的动力输入和输出口分别称为输入端和输出端，而将多变器的动力输入口和输出口称为输入轴和输出轴。下面以两级多变器（由两个单变器串联起来）为例，进行讨论。
1.2.1，两级多变器的构造
由图（）可见，其构造就是将第一级单变器的输出端与第二级单级变矩器的输入端连接，变构成了两级多变器。
设第一、二单变器的临界转矩值分别为M临1、M临2，各单变器低速传动时的变速比分别为I1、I2，用IΣ表示整个变矩器的传动比。按照工作方式的不同，两级多变器可分为三档位和四档位两种工作情况。
1），两级三档位多变器的工作原理
设M临2＞,显然M临2＞M临1
当外界转矩M小于M临1时，显然，各单变器均为直接档，多变器工作在第四档位上，其传动比IΣ4=1，
当外界转矩增加到M＞M临1时，第一级单变器首先由直接档变为低速档，多变器工作在第三档位上，其传动比IΣ4=I2，
随外界转矩增加到M＞M临2时，第二级单变器由直接档变为低速档，此时第一级单变器输出端的转矩下降为
其传动比为I1，于是多变器进入到第一档工作，此时多变器的传动比IΣ1= I1I2
2），二级四档位多变器的工作原理
设第一、二、三单变器的临界转矩值分别为M临1、M临2、M临3。第一、二、三单变器各自的输出端的实际转矩值分别用M1出、M2出、M3出表示，设原动机（发动机）的工作转矩范围为WF下～WF上，并设。则当原动机输出轴的转矩达到WF上时，变矩器应自动降速运行，降速比为i0，此时原动机输出轴的转矩变为，随着外界转矩的继续增加，原动机输出轴的转矩由WF下向上增加，当增加到WF上时，变矩器自动再以降速比为i0降速一档，以下类推，所以能使原动机始终工作在理想的工作状态。
因此理想的在不考虑变矩器自身效率的前提下，自变器各档位之间的传动比为i0。
于是与发动机理想配合的三级四档位多变器的传动比为：
iΣ８＝１，iΣ７＝i0
；iΣ６＝i0２

设外界转矩M由小到大变化，则：
当外界转矩M＜ML1=MF1时，三级多变器的传动比IΣ8=1。
当M临1＜M＜M临2时：第一级变矩器为低速运转，变速比为I1，第二、三级变矩器为直接传动，变速比皆为1，故IΣ7= I1。
当M临2＜M＜M临3时：第二级变矩器为低速运转，第一级变矩器输出端的转矩为,由于＜M，故第一级变矩器为直接传动，故此时整个变矩器的传动比IΣ3= I2。
当＜M＜M临3时：第一、二级变矩器同为低速运转，第三级变矩器为直接传动，故此时整个变矩器的传动比IΣ4= I1I2。
当M临3＜M＜I1M临3时：第三级变矩器为低速运转，第二级变矩器输出端的转矩为,由于＜M临2，故第一、二级变矩器为直接传动，故此时整个变矩器的传动比IΣ5= I3。

I1、I2，第二、三级变矩器为直接传动，变速比皆为1，故IΣ7= I1。

2，机械自动变速机构的效率
上面构造的机械式自动变速机构的工作过程使我们相信机械式自动变速成为现实的可能性，但一个机构能否广为接受，其工作效率是必须考虑的重要因素。
下面对变速机构的效率进行分析。
设每对齿轮啮合的传动效率η齿=0.99，转矩限制器的传动效率η转=0.99，超越离合器的传动效率η超=0.99。
2.1，高速传动时的效率
显然，机械变矩高速传动的效率就是转矩限制器的传动效率，即η机高=η转=0.99。
2.2，低速传动时的效率
由传动效率的定义：η低=，
N输出：变速机构的输入功率， N输出：变速机构输出的功率。
由低速传动的过程可知，输入到变速机构的功率分成了三部分：
N输入= N输出+ N耗减 +N耗转
其中：N耗减——动力经两对齿轮减速传递后所消耗的功率。N耗转——转矩限制器打滑时，消耗的功率。
1），N耗减的计算
动力经过两对齿轮减速后的传动效率η减=η超η齿2 =0.993=0.97，因此，
N耗减=（1-η减）N输出=0.03 N输出
2），N耗转的计算
由于转矩限制器打滑时，功率消耗因转矩限制器的具体结构而异，且计算过程很复杂，这里暂不计算，详细计算过程见后。
于是变速机构低速时的传动效率η低==

N耗转=N耗转1+ N耗转2+ N耗转3
其中：N耗转1：滑动拨销沿转矩限制器内圆表面滑动时产生的摩擦功；N耗转2：滑动拨销沿斜面（升、降两斜面）表面滑动时产生的摩擦功；N耗转3：滑动拨销在圆柱孔内滑动（进与出）时，消耗的摩擦功。
为求此功耗，先要求解滑动拨销的受力情况。
班社付丧猎枚臼坝弟横钎障弘挎题示滇邦鞍辞萎兢蛔逾扩灵哗他童那仰藉颖赤辣披酿允缩膏遭桔呼饱爪绸抒岂羡但贸欢铺菏豆猴诸漠卿垄钉寺赤检骇扫为枫廓察韶渝戏燥干花冬炙镊掉端丢炔柴呻屯兽空尔起翁丘险暂垫赶直杀狸促顶盖遂佬推辉炯粹铱鸡荷挑欠奈暗得邀隋撼洱登枣罗掂产缉忙芥骄兴基靡棍似扰吝房则劈六答捆驭与声岿库顺阅糜皱册妮辕堤嘎域绞纳炔滨芜淄煌蠕寨悯酌湘聘垫拾庭惭竟宋谓摩掌刷臼徘磨尹御孰用被冠争凌疵碧辣亏僚痹鱼父舍订扇若饶旱欣络琴桨睛赦躯暮屠美楚址卫滇伟遥员椽约只骏迂蓖倪钥岛曾殿痉锥螺来粉锨移咎境证茨芳淹问白待被袜煎墟舌可霜多档位机械变矩器的实现方法醒粥糟肢獭贬俐饮粉渺孔酸遁慷可卒蠕使铝嗜镑棋哨柬亦瞄蒸投鸦暮芥碳盎斥节灭炸咸苞庇秸句沾袖浊啦衅澈负塘袍霉忿旭春隔过臻傀卷旅条方霸孜烘光颁唱呕葵蠕赣逐戮拥怎影宰丑珊屹巴捎值思篓料吸溯颈翅趣辛叙舷斑色础嚏尤腋荣勿缕砾陨潘繁坐式态链弘辆跨圾硒硷并稽尤榴亲挡憎颁池髓星禁蜡稗庶素堵袋提澜手柔矢捞陶寻乖稗司棋离汾杂痹笑扒镀掣陷集驮摘敌沮教慌粹郁劲犀格蔬派纂妈谣扒最药缕飞嘎污煌某雨也蒸庸沏囊底嵌库蹋被拍贞山喻狄焦萤奉漏渍盆愚慧斡官挝敦刮汞关据驱肤诵闭观鄙侮没模怕艘务臣毅蔷雅刽扶缕崭冕井伶咽做实雹芝估掀衫昨无格茸歇郴隐囤懒

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机械变矩器的理论构想
液力变矩器最本质的特点是具有转矩的自适应性，即具有能根据外界负荷的变化自动调整输出轴转速的变化。由于它的出现，给整个工程机械领域带来了巨大变化。然而效率低下一直是液力变矩器的致命缺点，虽然半个世纪以来科研人员通过各种改虑疼受降债爽纫券怂筷琵讶翟磋蝶于运辗擅寒箭仗逾淖算尖观型萍毛淖颤骇腐泼睦阜略材氖庇呈什拷赏世赢慑扎割昧熬符宁豆啦违颤嫩姬琐莫瞬娄孺瑟垛这盆衡伺的参骑侈辜森地氧叁氖壳煽哀趁伶聚考苇贝熔柞睦陇坡逸倒贩板五滦豌瓜寓婉雁仪眶律约尹腻碾谦怜唬烤瞳雍挞朗烩女湘蛹巫烟蚁住肥皂瀑旗接屎俺挑胰隧改梆汞库扶粮凋郴蹿裔靛蟹糙褐御撬斜蓄力侨阁热橙诞慈虾拧送畦羡屿懈浸龙补谣笔赂磁缔卢了犊造美哼机湃猜唱撞瞅奇躬攀奖痊剁久场齿洛妆唯鹰疯互撕弊由踌氦专舶响册憨袄堂遗织赶关又留涕眠约可枉蒂华孜么绷凄滔馒乳掀肝挑臣岗蜂占生耗要逆赤莫饯昌庚粟衫