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1、11引言1.1机械无级变速的发展概况机械无级变速器最初是在 19世纪 90年代出现的，至 20世纪 30年代以后才开始发展，但当时由于受材质与工艺方面的条件限制，进展缓慢。直到 20世纪 50年代，尤其是 70年代以后，一方面随着先进的冶炼和热处理技术，精密加工和数控机床以及牵引传动理论与油品的出现和发展，解决了研制和生产无级变速器的限制因素；另一方面，随着生产工艺流程实现机械化、自动化以及机械要改进工作性能，都需要大量采用无级变速器。因此在这种形式下，机械无级变速器获得迅速和广泛的发展。主要研制和生产的国家有美国、日本、德国、意大利和俄国等。产品有摩擦式、链式、带式和脉动式四大类约三十多种结
2、构形式。国内无级变速器是在 20世纪 60年代前后起步的，当时主要是作为专业机械配套零部件，由于专业机械厂进行仿制和生产，例如用于纺织机械的齿链式，化工机械的多盘式以及切削机床的 Kopp型无级变速器等，但品种规格不多，产量不大，年产量仅数千台。直到 80年代中期以后，随着国外先进设备的大量引进，工业生产现代化及自动流水线的迅速发展，对各种类型机械无级变速器的需求大幅度增加，专业厂才开始建立并进行规模化生产，一些高等院校也开展了该领域的研究工作。经过十几年的发展，国外现有的几种主要类型结构的无级变速器，在国内皆有相应的专业生产厂及系列产品，年产量约 10万台左右，初步满足了生产发展的需要。与此
3、同时，无级变速器专业协会、行业协会及情报网等组织相继建立。定期出版网讯及召开学术信息会议进行交流。自 90年代以来，我国先后制定的机械行业标准共 14个：1.JB/T 5984-92 宽 V带无级变速装置基本参数、2.JB/T 6950-93 行星锥盘无级变速器、3.JB/T 6951-93 三相并联连杆脉动无级变速、4.JB/T 6952-93 齿链式无级变速器、5.JB/T 7010-93 环锥行星无级变速器、6.JB/T 7254-94 无级变速摆线针轮减速机、7.JB/T 7346-94 机械无级变速器试验方法、8.JB/T 7515-94 四相并列连杆脉动无级变速器、9.JB/T 7
4、668-95 多盘式无级变速器、10.JB/T 7683-95 机械无级变速器 分类及型号编制方法、11.JB/T 7686-95 锥盘环盘式无级变速器、12.JB/T 50150-1999 行星锥盘无级变速器质量分等、13.JB/T 53083-1999 三相并联连杆脉动无级变速器 质量分等、14.JB/T 50020- 无级变速摆线针轮减速机产品质量分等（报批稿）。现在，机械无级变速器从研制、生产、组织管理到情报网信息各方面已组成一较完整的体系，发展成为机械领域中一个新型行业。21.2机械无极变速器的特征和应用机械无级变速传动几乎都是依靠摩擦力或油膜拉曳力来传递动力的(PIV 型及 FMB
5、型滑片链式变速器有部分“啮合”因素，脉动式无级变速器酌的单向超越离合器也是依靠摩擦来传动的)，由于大多是在充分润滑的条件下，用高硬度、高光洁度的擦传动副来传动，因此摩擦系数仅为 0.020.06，施加在摩擦副间的法向压紧力 Q高达其所传递的有效圆周力的 2075 倍，因而限制了其传动功率，传递的功率最高为 110KW(R6=6的摆销锭式变速器)、150KW(多盘式)；而且出于对材质、工艺；润滑油的品质均提出了较高的要求，所以直到本世纪五十年代才得到迅速发展，日前世界上一些国家已对多种性能良好的机械无级变速器进行了系列化的生产，作为通用部件供应，我国也对部分品种进行了系列生产，这对发展国民经济是
6、颇为有益的。机械无级变速器且有结构简单、价廉、传动效率高(有的高达 95)、通用件强、传动比稳定性好(有的误差小于 0.5%)、工作可靠、维修方便等优点，特别是某些机械无级变速器可以在很大的变速范围内具有恒功率的机械特性；这是电气和液压无级变速所难以达到的。不少机械无级变速器还有振动小(全振幅小于 315 微米)和噪音低的特点。但其缺点是存在滑动、承受过载和冲击的能力差。对于脉动无级变速器由于有往复运动构件和超越离合器，以及输出速度的脉动性，限制了它只适用于小功率，低速和运动平稳要求不高的场合。带，链式无级变速器，便于实现转速随负载而变化的自动无级调速，有利于节约能量，很有发展前途。由于机械无
7、级变速器的传递功率较小，为扩大其功率范围，常将其与大功率定传动比系统以差动行星齿轮机构相联；这样使大部分功率由定传动比系统传递，而少量功率3流过机械无级变速器，经差动合成后，既进行了变速又传递了大的功率，这时无级变速器是作为控制传动用的。作为机械无极变速器本体来讲，要扩大其传动功率，则必需采取多接触区分汇流传动型式、接触区综合曲率小(曲率半径大)的结构。并通过选择适当的润滑油(有添加剂的)、表内几何形状、滚功体尺寸等以建立起油膜进行传动。机械无级变速传动具有结构简单、操纵方便、传动效率较高、恒功率特性高、噪声低等优点，因此，能适应变工况工作、简化传动方案，节约能源和减少环境污染等要求，在工业界
8、受到越来越多的重视和采用。目前已较多地应用于车辆、拖拉机和工程机械、船舶、机床、轻纺化工业机器、起重机械和试验设备中。1.3国内机械无极变速器的研究现状国内机械无级变速器于 20世纪 6O年代前后起步，到 80年代中期，随着国外先进设备的大量引进，工业生产现代化及自动流水线的迅速发展，对各种类型机械无级变速器的需求大幅度增加，专业厂开始建立并进行规模化生产，一些高等院校也开展了该领域的研究工作。现在，国内机械无级变速器行业从研制、生产到情报信息各方面都已组成一个较完整的体系，发展为机械领域中一个新兴行业。目前，国内生产的机械无级变速器大都是仿制国外产品，主要系列产品类型有：1)摩擦式无级变速器
9、，包括行星锥盘式(DISCO 型)、行星环锥式(RX 型)、锥盘环盘式(干式、湿式)和多盘式(Beier 型)等。2)齿链式无级变速器，包括滑片链式、滚柱链式、链式卷绕式。3)带式无级变速器，包括普通 V 带式和宽 V带式。4)脉动式无级变速器，包括三相并列连杆式(GUSA 型)与四相并开连杆式(ZeroMax型)。其中行星锥盘式无级变速器通用性较强，结构和工艺较简单，工作可靠，综合性能优良，尤其是能适应各种生产流水线需要，故应用最广，产量最大，其年产量占机械无级变速器总产量的 5O 96 以上。大部分无级变速器产品的输入功率为01875kW，少数类型可以达到 223O kW。通过前一阶段的实
10、践，并掌握了现有技术之后，近年来国内机械无级变速器的4研制生产出现了新的发展趋向，主要是：1)对原有产品的创新改进。在原来行星锥盘式无级变速器的基础上，创新开发“恒功率行星摩擦式无级变速器”及“无物理心轴行星轮无级变速器”，后者的变速比由原来的 56 增大到 2O或更大，输出转矩也高了一倍以上，而且其他性能指标优良，目前已有系列产品。2)研制开发汽车用元级变速器。汽车用无级变速器属高新技术产品，目前国内已开发出金属带式无级变速器，正准备进行产业化生产；其中靠进口的关键零件“金属钢带”也将自行生产。另外，新型的车用无级变速器及复合带也在探讨之中。3)创新研制新型(车用和通用)无级变速器。近年来不
11、断提出创新型无级变速器，这些无级变速器的特点主要是： 不用摩擦式变速传动而多半以连杆脉动式无级变速器传动为主或采取链式传动； 实现大功率、恒功率或者高速； 结构简单紧凑，并获得优良的性能。其中有些方案已经过多年的研究试验，可能在不久的将来即有成果。上述情况说明，国内无级变速器的研制生产已由过去的仿造阶段进入创新阶段，由小功率往大功率、一般技术向高新技术发展，今后有可能出现一些性能优良的新一代机械无级变速器。1.4毕业论文设计内容和要求设计内容：要求根据导师提供的数据(N 1=4.5KW， =6， =1500rpa)比较和选择bRpn合适的方案；完成钢球锥轮式无级变速器的结构计算与设计；对关键部
12、件进行强度和寿命校核;运用 Pro/e完成该无级变速的建模，装配图。设计要求：变速范围 250rpa1500rpa; 变速器尺寸要尽可能小，轻便；结构设计时应使制造成本尽可能低；外观匀称，美观；调速要灵活，调速过程中不能出现卡死现象，能实现动态无级调速；关键部件满足强度和寿命要求；画零件图和装配图。52总体方案的选择钢球锥轮无级变速多种多样，在此，我只选择了两种方案供参考，作比较，选出理想方案。该两种方案分别是钢球外锥式（Kopp-B 型）无级变速器和钢球内锥式无级变速，分别描述如下。2.1钢球外锥（Kopp-B 型）无级变速器Koop-B型变速器的皱构如图 2-1所示。动力由轴 1输入，通过
13、自动加压装置 2，带动主动轮 3同速转动，经一组(38 个)钢球 4利用摩擦力驱动外环 7和从动锥轮9；再经锥轮轮 9、自动加压装置 10驱动输出轴 11，最后将动力输出。传动钢球的支6承轴 8的两端嵌装在壳体两端盖 12和 l3的径间弧形导槽内，并穿过调速蜗轮 5的曲线槽；调 1、11-输入、输出轴 2、10-加压装置 3、9-主、从锥轮4-传动钢球 5-调速涡轮 6-调速蜗杆 7-外环 8-传动钢球 12、13-端盖速时，通过蜗杆 6使蜗轮 5转动。由于曲线槽(相当于一个控制凸轮)的作用，使钢球轴心线的倾斜角发生变化，导致钢球与两锥轮的工作半径改变，输出轴的转速便得到调节。其动力范围为：
14、=9，Imax=1/Imin，P11KW，4% ，0.800.92 ，nR应用甚广。从动调速齿轮 5的端面分布一组曲线槽，曲线槽数目与钢球数相同。曲线槽可用阿基米德螺旋线，也可用圆弧。当转动主动齿轮 6使从动齿轮 5转动时，从动齿轮的曲线槽迫使传动钢球轴 8绕钢球 4的轴心线摆动，传动轮 3以及从动轮 9与钢球 4的接触半径发生变化，实现无级调速。具体分析如图 2-2。7钢球外锥式无级变速器变速如图 2-3所示：中间轮为一钢球，主、从动轮式母线均为直线的锥轮，接触处为点接触。主、从动轮的轴线在一直线上，调速时主、从动轮工作半径不变，而是通过改变中间轮的回转轴线的倾斜角 籍以改变其两侧的工作半径
15、来实现变速。2.2钢球长锥式（RC 型）无级变速器如图 2-4所示，为一种早期生产的环锥式无级变速器，是利用钢环的弹性楔紧作用自动加压而无需加压装置。由于采用两轴线平行的长锥替代了两对分离轮，并且通8过移动钢环来进行变速，所以结构特别简单。但由于长锥的锥度较小，故变速范围受限制。RC 型变速器属升、降速型，其机械特性如下图 2-5所示。技术参数为：传动比 i21 = n2/n1 =20.5,变速比 = 4,输入功率 P1=（0.12.2）KW，输入转速 n1=1500 bRr/min ,传动效率 85% 。一般用于机床和纺织机械等。2.3两方案的比较与选择钢球长锥式(RC 型)无级变速器结构很
16、简单，且使用参数更符合我们此次设计的要求，但由于在调速过程中，怎样使钢环移动有很大的难度，需要精密的装置，如果此装置用于制造，成本会大大的提高，显得不合理。而钢球外锥式(Koop-B 型)无级变速器的结构也比较简单，原理清晰，各项参数也比较符合设计要求，故选择此变速器。3主要零件的计算与设计设计一台 Koop-B型无级变速器，输入功率为 N1=4.5KW， =6，n p=1500rpa。选用bRY132M-4型电机驱动。N=7.5KW，n=1400rpa,=0.87。输入转速 n1=750rpa。确定传动件的主要尺寸参数。93.1钢球与主、从动锥轮的计算与设计（1）选材料：钢球、锥轮、外环及加压盘均匀 GCr15,表面硬度 HRC61，摩擦系数f=0.04，许用接触应力：传动件j=2200025000kgf/cm 2,加压元
