无级变速器.doc

摘要本文在学习相关知识，理解非圆齿轮基本概念和基本方法的基础上，系统地阐述了非圆齿轮实现无级变速的工作原理、设计方法及计算校核过程，绘制了齿轮型无级变速装置装配总图和部分零件图，并进行了运动仿真。采用无级变速传动装置取代传统的汽车多挡有级变速器，不仅有利于节能（降低油耗）和环保（减少废气排放），而且变速操作简便。齿轮型无级变速装置由可控相位的多组（本设计中为6组）并列非圆齿轮无级变速定轴轮系超越离合器圆齿轮变速机构组成。关键词：非圆齿轮 无级变速 传动速比AbstractThis paper is studying related knowledge, comprehending a non- circle gear which the foundation of the basic concept and basic method, systematically elaborated a non- circle gear how to work, the principle of the design method and match process. Have drawn the assemble diagram and parts of spare parts diagrams. The adoption has transmission equipment of continuously variable transmission to replace a traditional automobile to block the class gearbox more soon, not only being advantageous to the economy energy(lower oil to consume) and environmental protection(reduce waste gas to exhaust), but also becoming to operate soon simple.The gear CVT type has some(this design in for 6 sets of) parallel non-circle gears-overrunning clutch-common gears, whose phase-angle be controlled by the certain equipment .Key words: non-circle gear continuously variable transmission transmission ratio目 录第一章 概论 11.1 课题的来源、意义及国内外的现状和发展11.2 课题任务2第二章 非圆齿轮实现无级变速的原理32.1 非圆齿轮的基本理论知识32.2 非圆齿轮的传动特性3第三章 传动方案的选定63.1 星型布局方式63.2 并列布局方式83.3 方案对比选择10第四章 非圆齿轮设计114.1 非圆齿轮的中心距与节曲线方程114.2 中心距的确定124.3非圆齿轮的齿廓144.4装置结构图14第五章 非圆齿轮定轴轮系强度计算165.1 变速器的中心距A165.2 齿宽B的计算 175.3齿形、压力角及螺旋角17第六章 变速装置齿轮和轴的材料选用及强度校核 196.1材料选用196.2强度计算及校核196.3变速器轴的设计计算216.4蜗轮蜗杆设计25第七章 其他零件的设计选用307.1轴承的选用307.2超越离合器的选用307.3齿轮连接装置31第八章 箱体设计33第九章 非圆齿轮传动的运动仿真349.1运动学仿真的概念349.2非圆齿轮机构无级变速的运动学方程349.3 两级非圆齿轮传动的运动分析369.4非圆齿轮传动装置的运动分析38第十章 技术经济意义分析及改进意见44第十一章 结论45致谢 46参考文献47毕业设计（论文）第一章 概论1.1课题的来源、意义及国内外的现状和发展1本课题来源于湖北汽车工业学院机械工程系机械设计教研室的研究课题。本课题要求设计一种由可控相位的多组并列非圆齿轮无级变速定轴轮系-超越离合器-圆齿轮变速机构组成的齿轮型无级变速器，并进行运动仿真。随着全球汽车工业的飞速发展，汽车新技术的不断使用，在汽车传动系统中又一项新技术得到重新使用，那就是汽车无级变速器技术-CVT（Continuously Variable Transmission）。目前，在汽车广泛使用的自动变速器技术，是将变矩器和行星齿轮机构组合的自动变速器技术，但这种组合还存在着明显的缺陷：传动比不连续，只能实现分段范围内的无级变速，同时，靠液力传递的动力效率影响了整车的动力性能和经济性能，只有增加前进档档位数来扩大速比范围，这样就必须增加使用换档执行元件和行星排数量来实现多档速比，因此无形中又增加了产品结构复杂性和成本费用，而且由于结构复杂给维修带来诸多不便，现在真正意义的无级变速器恰恰解决了这一技术难题。无级变速器现在可以说是当今汽车变速器的理想目标。因为从原始的橡胶带无级变速器开始，到有级的齿轮变速器过渡，再到现代的金属链以及金属带无级变速器，百年大回转说明只有无级变速器才是汽车最理想的变速器。目前，汽车上应用的无级变速器以摩擦式为主，但是，摩擦式CVT承载能力有限，最大输入的转矩为300N.m，传动效率仅84.6%（记入油泵的功率损耗），目前国外汽车公司只装在小排量的轿车上。一对非圆齿轮传动具有非匀速比传动的特性，其传动比是一个函数，属于共轭啮合传动，利用两级非圆齿轮的传动特性可以连续实现可变定传动比，对提高传动装置的最大输入转矩具有很大的潜力。在课题的调查阶段，本人在学校图书馆阅览室，利用目前查阅科技文献常用的万方数据库和维普数据库输入“非圆齿轮无级变速器”等关键词，检索有关“非圆齿轮无级变速器”的期刊和学术论文资料，鲜有实质性资料。非圆齿轮应用于无级变速传动早在1975年就得到了实现，Keer首先采用非圆齿轮（non-circle gear）和含锥齿轮传动和超越离合器的加法差速器机构实现无级变速技术,并申请了差速器CVT专利。此后,又有几种以不同形式的非圆齿轮和加法机构组成的无级变速器被开发出来，并制成样机进行实验，证实了非圆齿轮应用于无级变速技术的可行性。最近，由Dooner和Seireg推出一种能够产生锯齿型速比的非圆齿轮传动的无级变速器，非圆齿轮装置间采用可控相位和行星加法差速器，其可以在规定的范围内实现无级变速传动。但是由于此装置采用非圆齿轮和行星加法差速器来实现无级变速技术，而造成传动装置中有大于六倍输入功率的封闭功率损失，从而使传动效率降低。国内对非圆齿轮的研究起步较晚，在二十世纪八十年代到九十年代末，我国不少学者从非圆齿轮的齿廓形状、节曲线设计、重合度计算以及实际应用等方面对非圆齿轮传动技术进行了深入的研究，并取得了一定的研究成果；之后随着计算机技术的迅速发展，许多学者利用计算机技术，对非圆齿轮传动设计、模拟仿真作了研究探讨。1995年，周祖焕设计出了心形非圆齿轮无级变速装置，其变速比为1.41；之后在2002年又设计出鱼形非圆齿轮无级变速装置，其变速比为2.381。这两种非圆齿轮无级变速装置均是采用定轴非圆齿轮轮系实现的无级变速传动，与国外非圆齿轮无级变速传动装置相比，消除了内部的封闭功率，提高了传动效率。但是，这两种非圆齿轮无级变速装置中，非圆齿轮的节曲线不平滑，故只能应用于低速传动装置当中。1.2课题任务课题名称：齿轮型无级变速传动装置设计与运动仿真本课题要求设计一种由可控相位的多组并列非圆齿轮无级变速定轴轮系-超越离合器-圆齿轮变速机构组成的齿轮型无级变速器，并进行运动仿真。主要技术要求：1、能够用于商用车，可传递最大扭矩大于400Nm2、运转平稳可靠，无明显冲击3、传动速比范围较大，能实现连续无级变速传动第二章 非圆齿轮实现无级变速的原理22.1非圆齿轮的基本理论知识非圆齿轮可以认为是圆齿轮的一种变形，即其滚动节圆巳变为非圆形，称之为节曲线。反之，也可以认为非圆齿轮是圆齿轮的一种普遍情况，而圆齿轮则是非圆齿轮中的一个特例，即其节曲线的曲率半径为常量。由于非圆齿轮的节曲线曲率半径是变量，故由回转中心到啮合节点的向量也是变量，因而在一对非圆齿轮的啮合过程中，其传动比是变化的。传动比的变化规律是由两轮节曲线向径的变化规律决定或者，两节曲线的形状由传动比的变化规律决定 。非圆齿轮机构在运动学方面的特征，就是能实现主动件和从动件转角间的非线性关系。通常用于实现这种非线性关系的机构有连杆机构、凸轮机构，非圆齿轮机构与这两种常用机构相比具有结构紧凑，传动精确、可靠、平稳，易于动平衡的特点。非圆齿轮与其它机构组合，还可实现摆动、振荡及问歇等各种复杂特殊的运动，而且还可获得较好的传动性能。非圆齿轮传动具有变传动比的特性，可以实现函数运算。2.2非圆齿轮的传动特性 第三章 传动方案的选定 6. 蜗轮径向力 Fr2 306.80 (N) 7. 蜗轮法向力 Fn 901.90 (N) 8. 滑动速度 Vs 0.11 (m/s) 9. 蜗杆传动当量摩擦角 v 7.400 10. 蜗杆传动效率 0.43 11. 蜗杆的啮合效率 1 0.45 12. 搅油损耗 2 0.97 13. 滚动轴承效率 3 0.98 14. 使用系数 Ka 1.02 15. 动载荷系数 Kv 1.05 16. 载荷分布系数 K 1.00 17. 材料的弹性系数 ZE 162.00 18. 滑动速度影响系数 Zvs 1.00 19. 寿命系数 ZN 1.50 20. 齿形系数 Yfs 4.98 21. 导程角系数 Y 0.96 22. 蜗杆截面惯性矩 I 1490.27 (mm4) 23. 弹性模量 E 207000.00 (N/mm2) 24. 蜗杆两端支承点的跨度 L 80.00 (mm) 六、自然通风散热计算 1. 热导率 k 8.70 ( W / m2 ) 2. 散热的计算面积 A 0.00 (m2) 3. 冷却的箱壳表面积 A1 0.00 (m2) 4. 补充的箱壳表面积 A2 0.00 (m2) 5. 润滑油温度 t1 40 ( ) 6. 周围空气温度 t2 20 ( ) 7. 损耗的功率 Ps 0.00 ( kW )第七章 其他零件的设计选用87.1轴承的选用由于各轴尺寸是参照一轴的尺寸进行设计的，故轴承的计算及最终选用，可以以一轴为参照。首先需计算滚动轴承的当量动载荷，当量动载荷的一般计算公式为：式中，X、Y分别为径向动载荷系数和轴向动载荷系数，其值可查出对于只承受纯径向力载荷的轴承经计算，最后选用的深沟球轴承型号为6308。7.2超越离合器的选用在三轴上我们要用到超越离合器，由于现在超越离合器已经实现了标准化生产，故无须另行设计，根据三轴的尺寸和所受载荷，我们可以选用合适的超越离合器。表7.1CKA型（基本型）单向楔块超越离合器基本参数和主要尺寸序号型 号代 号公称转矩TnN.m超越时的极限转速nr/min外环内环质量mkgD(h7)键槽（bt）LD(h7)键槽(b1t1)L11CKA5024-1031.525005031.8221031.4240.242CKA1CKA5024-1231.525005031.8221231.4240.243CKA5224-1631.522505251.9221631.4240.274CKA2CKA5524-185022505542.5221841.8240.285CKA6022-196320006063.5221962.8220.306CKA3CKA6024-206320006063.5222062.8240.337CKA6326-2410018006363.5242462.8240.378CKA4CKA6326-2510018006363.5242562.8260.379CKA5CKA6332-2514018006363.5302562.8320.4810CKA6526-2410018006563.5242462.8260.3811CKA6532-2414018006563.5302462.8320.4812CKA7032-1215015007084.0301231.4320.6713CKA7024-2015015007063.5222062.8240.6214CKA7032-2515015007084.0322583.3320.6315CKA6CKA7032-2818015007084.0302883.3320.6016CKA7227-2518015007263.5L=14202583.3270.5417CKA7540-2518015007584.0302583.3400.7918CKA8032-2220015008084.0302262.8321.2919CKA8032-2520015008084.0322583.3320.9020CKA8026-3020015008084.0263083.3260.7321CKA8030-3020015008084.0303083.3160.7522CKA7CKA8032-3020015008084.0303083.3320.8723CKA8031-352001500801243135102.5310.7524CKA8528-3020015008553.0L=14203083.3280.8325CKA8530-3520015008583.0303583.0170.9026CKA8532-3520015008584.0303583.3320.9227CKA9037-2520015009084.0372583.3371.0028CKA10034-223151250100105322283.3341.1029CKA10034-283151250100105322884.3341.1530CKA10034-3231512501001053232103.3341.2531CKA8CKA10034-3231512501001053235103.3341.3432CKA10034-3531512501001053238103.3341.2833CKA10034-403151250100105L=283240103.3341.20注：长度单位：mm通过上表的标准，经过计算，我们选用CKA10034-40型7.3齿轮连接装置图7.1二轴齿轮连接装置由于二轴是一个心轴，其不承受扭矩，承受扭矩是两个有一定角度的齿轮，这两个齿轮的角速度要求一致，故需要将它们连接在一起，齿嵌式连接装置，有12个齿，可以满足6组非圆齿轮的角度调整。第八章 箱体设计9表8.1铸铁箱体的结构尺寸名称代号尺寸计算式名称代号尺寸计算式下箱体壁厚A） 软齿面B） 硬齿面0.007L+68（灰铸铁）0.005L+48（球墨铸铁）0.01L+68（灰铸铁）0.007L+48（球墨铸铁）轴承座凸缘外径1.25d外d外为轴承外径箱盖壁厚0.8（承载式）0.5（非承载式）凸缘螺栓直径1.2下箱体凸缘厚度1.5轴承螺栓直径2上箱体凸缘厚度（1.5-1.75）凸缘螺栓间距（6-10）凸缘宽度3+10齿轮顶圆与箱体内壁最小间隙415为低速齿轮模数底座凸缘厚度1.8齿轮端面与箱体内壁最小间隙210底座凸缘宽度3.5+15齿轮与齿轮端面间隙5该无级变速装置的箱体结构尺寸，基本参照上表进行设计。第九章 非圆齿轮传动的运动仿真9.1运动学仿真的概念运动学仿真这一术语是指使用计算机仿真软件包反复求解机构在所计时间域内的运动学方程，以此确定机构在连续运动过程中各个构件的位置和速度，或者是各个构件的转过的角度和角速度。 在进行运动学仿真之前，要预先知道构件的几何特性，即各个构件的几何尺寸。9.2非圆齿轮机构无级变速的运动学方程由式（4.8）、（4.10）得到单级非圆齿轮传动的传动比方程为： 两级非圆齿轮传动比方程为： 以及非圆齿轮1、2的转角关系为：其中非圆齿轮传动的各个非圆齿轮的分布情况为下图：图9.1两级非圆齿轮传动时的非圆齿轮分布图从图中可以看出，在运动过程中，共有四个运动的非圆齿轮，其中非圆齿轮1、4的运动情况是相同的，它们具有相同的转角和角速度，即，所以本设计只考虑三个可联动的非圆齿轮的运动。仿真以非圆齿轮2为输入，通过非圆齿轮1、4的传动关系来计算非圆齿轮3的角速度。当非圆齿轮2以的转速输入时，则非圆齿轮2的转角与时间t的关系为： （9.1）而整个非圆齿轮传动系统的传动比为式（6.1），则非圆齿轮3转动时的角速度为： （9.2）而非圆齿轮2的转角、整个非圆齿轮传动系统的传动比都是关于非圆齿轮1的转角的函数，则可令： （9.3）根据式（9.3），可以将整个非圆齿轮传动的传动比方程转化成与非圆齿轮2的转角关系，可；令的反函数为，将其代入式（9.2）可以得到： （9.5）如果非圆齿轮2的输入角速度已知，就可以得到非圆齿轮3的角速度（转速）。9.3 两级非圆齿轮传动的运动分析当非圆齿轮2的角速度已知时，可利用式（7.6）来求解非圆齿轮3的角速度。如果把非圆齿轮2的角速度作为仿真的输入，可以用数值积分从角速度中计算出非圆齿轮1、2的转角、。根据关系式（7.2）、（7.3）及（7.6），在软件MATLAB中建立仿真程序，以非圆齿轮2的角速度作为仿真的输入，进行非圆齿轮传动的运动仿真。当非圆齿轮2以的角速度输入时，非圆齿轮3的角速度在不同的级间相位角下运动，其运动结果如下：图9.2级间相位角时非圆齿轮3的角速度的情况图9.3级间相位角时非圆齿轮3的角速度的情况图9.4级间相位角时非圆齿轮3的角速度的情况图9.5级间相位角时非圆齿轮3的角速度的情况图9.6级间相位角时非圆齿轮3的角速度的情况图9.7级间相位角时非圆齿轮3的角速度的情况9.4非圆齿轮传动装置的运动分析 本非圆齿轮传动装置采用6组非圆齿轮定轴轮系进行无级变速传动，每组非圆齿轮定轴轮系主动轮的相位角相差60，均布在输入轴上。 当主动轴以角速度输入时，在级间相位角值确定时，输出轴就以恒定的角速度输出。本设计先以级间相位角为例，介绍从1组非圆齿轮定轴轮系机构到6组，其运动仿真情况的运动曲线图。图9.8 1组非圆齿轮机构在级间相位角时运动输出曲线图图9.9 2组非圆齿轮机构在级间相位角时运动输出曲线图图9.10 3组非圆齿轮机构在级间相位角时运动输出曲线图图9.11 4组非圆齿轮机构在级间相位角时运动输出曲线图图9.125组非圆齿轮机构在级间相位角时运动输出曲线图图9.13 6组非圆齿轮机构在级间相位角时运动输出曲线图下图为两级非圆齿轮定轴轮系在不同级间相位角下输出轴的角速度：图9.14级间相位角时传动装置输出的情况图9.15级间相位角时传动装置输出的情况图9.16级间相位角时传动装置输出的情况图9.17级间相位角时传动装置输出的情况图9.18级间相位角时传动装置输出的情况经MATLAB软件对该无级变速装置的运动分析，得到了其无级变速传动的运动曲线图，与预期的结果完全相符，进一步验证了本非圆齿轮无级变速装置的可行性。这说明了本设计在理论上是可行的，是一个相对成功的设计。第十章 技术经济意义分析及改进意见本设计与传统的应用型CVT相比有以下几大优点：1、在理论上进一步证实了非圆齿轮传动机构实现无级变速传动技术可行性，为非圆齿轮传动实现无级变速打下了理论基础和一定的实践基础。在实现无级变速传动过程中，采用非圆齿轮定轴轮系超越离合器圆柱齿轮变挡传动，扩大了传动比，与国外的非圆齿轮无级变速传动装置相比，消除了封闭功率，提高了效率。2、该非圆齿轮传动装置具有脉动式无级变速器的特点，但在传动过程中消除了脉动式无级变速器的脉动度（即该非圆齿轮无级变速装置的脉动度为0），具有金属带式无级变速器的无级变速特点。3、采用非圆齿轮传动实现无级变速，属于共轭啮合传动，可以大大提高承载能力，真正的实现了齿轮型无级变速传动。4、通过相关方案的选定，对非圆齿轮无级变速装置实行了可行化设计，通过反复计算校核，设计出该装置，并附有详细的计算说明书和相关图纸。本文只是在他人研究理论的基础上，进一步展开可行化设计，而在实际应用中的效果，需要将本文的设计投入样机制造，并装车试验，因此，该非圆齿轮无级变速装置距离应用于实际还有一段过程，还需要相关的专家学者进一步深入研究。 由于国内外涉及到齿轮型CVT的实用性研究尚处于起步阶段，故本设计几乎没有什么公开的参考材料，加之本人水平有限，在本设计完成之际，本人有若干不妥之处，希望今后有更多的专家学者加以完善改进。如：1、可以采用电控方式来调整级间相位角，这样既灵敏精度也高；2、将变速箱进一步优化设计，使其更加趋于完善；3、解决整个变速装置的动平衡问题。第十一章 结论本文针对目前汽车行业中摩擦式无级变速装置传递扭矩的限制，在指导老师研究成果的基础上，根据非圆齿轮传动所具有的变速比特性，对非圆齿轮机构实现无级变速传动技术在理论上进行了研究，建立了非圆齿轮机构实现无级变速传动的数学模型，对非圆齿轮的节曲线和齿廓形状进行了研究，设计了非圆齿轮机构实现无级变速传动的传动装置示意图，并通过计算机运动仿真对其传动装置进行了运动分析，主要结论如下：1、非圆齿轮无级变速装置的整体布局大体有星型布局方式和并列布局方式两种，但从应用方面讲，并列布局方式较为可行。2、非圆齿轮无级变速装置中非圆齿的齿廓形状取决于数控插齿机中齿轮插刀的齿型参数，因为本设计中的非圆齿轮节曲线存在凹点，只能采用插齿加工。3、由于非圆齿轮的研究发展较慢，目前并没有太多的非圆齿轮强度计算公式，故在强度设计中需将非圆齿轮建立成圆齿轮模型。4、经MATLAB软件对该无级变速装置的运动分析，得到了其无级变速传动的运动曲线图，与预期的结果完全相符，进一步验证了该非圆齿轮无级变速装置的可行性。这说明了该设计在理论上基本是可行的，是一个相对成功的设计。致谢本次毕业设计是在-老师的悉心指导下完成的。在整个毕业设计中，两位老师提出了许多很好的建议并及时指出系统设计中的错误和不妥之处，这些都非常有助于本设计的顺利完成。同时，-老师严谨的治学态度和高深的学术水平也使我受益匪浅，他对学术的不倦追求与奉献精神着实令我感动。在毕业设计完成之际，谨以此向-老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。此外，在设计中参考了许多专家学者的文章和著作，还有一些没有在参考文献中列出。在此向这些对毕业设计提供参考资料的作者们表示感谢。最后感谢学院的领导、老师，特别是机械工程系的领导、老师、同学在我大学四年学习期间的关心、支持和帮助。参考文献1薛庆文,王力田.汽车无级变速器(CVT)结构原理与维修精华M.北京:机械工业出版社,20062.李特文.齿轮啮合原理M.上海:上海科学技术出版社,19843周祖焕.心型齿轮及其传动装置和自行车无级内变速轴P.中国专利:94102177.7.4周祖焕 . 鱼型齿轮与自行车无级变速箱P.中国专利:02117182.3.5汽车工程手册设计篇M.北京：人民交通出版社6孙国兴,刘雍德.一种新型非圆齿轮无级变速传动的运动学分析J.湖北汽车工业学院学报,2005,(3):912.7中国机械设计网.Z.http:/www. 3d-8濮良贵，纪名刚.机械设计（第七版）. 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