组合式无级变速器的传动原理及分析

1组合式无级变速器的传动原理及分析组合式无级变速器的传动原理及分析2.1 组合式无级变速器的结构组合式无级变速器的结构在一般机械无级变速器(P)的输入轴侧或输出轴侧联接差动轮系(X)，就构成了“组合式无级变速器” 这种变速器利用了差动合成原理，可以传递较基本型无级变速器(P)的传动功率或扩大调速范围图 2-1 结构图（左为 a 右为 b）组合式无级变速器从结构上可分为 PX 型和 XP 型两大类如图(2-1a)和图(2-lb)，各符号的意义如下:P:机械无级变速器(基本型)，d、p 代表基本型无级变速器的两个外伸端，e 代表基本型无级变速器的固定端;X:差动轮系，其中 a，b，c 分别代表差动轮系的三个基本构件;I、C:组合式无级变速器的外伸端，对于 PX 型 I 为输入端，c 为输出端，对于 XP型 C 为输入端，I 为输出端分别为构件 I、a、d、b、e、p 和 c 的转速其中==;=;=. 2.2 组合式无级变速器的传动比组合式无级变速器的传动比以图（2-1a）所示的 PX 型系统为例，有：2=== (2-1)可得= (2-2a)== (2-3a)式中： 差动轮系的相对传动比PX 型系统的传动比基本型无级变速器的传动比，=.上式说明 PX 型系统的传动比与差动轮系 X 和基本型无级变速器 P 的传动比都有关。

同理可以求得 XP 型系统的传动比= (2-2b)== (2-3b)式中： 为 XP 型系统中基本型无级变速器的传动比，=2.3 组合式无级变速器调速范围和调速类型组合式无级变速器调速范围和调速类型式中（2-1）~（2-3）中无论在>0 或03的结构现在以 PX 型为例说明系统的调速范围的确定显然式（2-2a）可变为如下形式：= =在此处我们只考虑上式的数值的大小，而不考虑其正负号因 1-可能为正，也可能为负)这样并不影响后面的讨论1) 当14=设=ΔR+1,上式可以变为；=1+如考虑到,可得：>1 此时 PX 型系统属于精密调速型2）当 00显然上式中的分母总是大于零，只考虑分子部分=[1-（+）]A、当>+时，1 时，有此时，a 为输入构件，b、C 为输出构件3）当此时，构件 a、C 为输入构件，构件 b 为输出构件由上可见 q 的不同将会使输入输出构件的关系与功率分配发生变化2.5 组合式无级变速器的力矩和功率分配关系以及功率流组合式无级变速器的力矩和功率分配关系以及功率流动力传动的路线，简称为功率流可以认为相啮合的一对齿轮，功率流的流向是从主动轮流向从动轮;在同一轴上的齿轮，功率流的流向是由从动轮流向主动轮。

在封闭差动轮系中由于传动路线内部存在着回路，因此可能出现的功率流有两种情况:一种是分流传动，另一种是回流传动要了解其内部功率流的情况，必须对其内部线路进行分析如图(2 一 3)图 2-3 内部线路图对于 X 型系统，我们有 a、b、c 三个构件之间的力矩关系和功率关系:9(2-8)式中 流过差动轮系(X)的功率;组合式无级变速器的输出功率对于 P 系统同样利用三构件的力矩关系和功率关系，考虑到构件 e 为机架：(2-9)即相当于一轴输入，一轴输出，另一轴固定，输入功率等于输出功率联立得(2-10)上式即为封闭传动中的内部功率分配的普遍关系式从以上分析我们可以看出在组合式无级变速器中其内部功率流的流向和大小完全由系统内部基本型无级变速器和差动轮系的传动比决定组合式无级变速器的功率分配关系与三轴系一样同样我们令 q= ，有以下结论1：-q:(q-1)（1）当 >0 时，a 为输入构件，b、c 输出功率，形成功率汇流传动即此时为封闭功率, 且封闭功率的大小为:=（3）当 q>1 时，b 为输入构件，a、c 为输出功率，形成功率汇流传动即此时是封闭功率,且封闭功率的大小为:=2.6 封闭功率的概念封闭功率的概念我们可以作如下假设:对于 PX 型系统若，从前面的分析可知，在差动轮系 X 中，a 为输入构件，而 b、c 为输出构件;可以发现有一部分从 a 输入的功率经过b、p、d 后，重新回到 a，功率流的方向是一个循环，这种循环的功率我们称为封闭功率，它不是实际的功率，只是与功率具有相同的因次。

封闭功率是封闭系统所特有的一种视在功率，其只存在于封闭回路中，即不输入，也不输出，在不考虑摩擦时，对于输入输出功率没有影响但是对于设计传递大功率的行星式组合式无级变速器，如果封闭功率存在，将会使传动能力下降因此在设计中基本型变速器和差动轮系的传动比应正确选取，防止出现封闭功率，或是降低封闭功率的数值我们可以看出:1、闭系统是否存在封闭功率及其大小完全取决于系统结构所确定的传动比2、封闭系统内部的封闭功率可以大于输出功率，甚至到几十倍在这种情况下，封闭系统由于效率太低可能产生自锁小结:系统中封闭功率的大小和流向可由表(2-2)确定11表 2-1 封闭功率的大小和流向12对于 PX 型系统取功率分配系数 q=;对于 XP 型系统区功率分配系数 q=;第三章第三章 组合式无级变速器的主动设计组合式无级变速器的主动设计13从前文可以看出，大量的研究工作都集中在通过确定组合式无级变速器的传动比来分析研究该系统的功率关系和输出特性，而对于通过主动控制系统的分流功率大小来确定传动比却涉及很少，为了对系统有更进一步的了解，有必要对此方面作一定的研究3.1 组合式无级变速器的结构特性组合式无级变速器的结构特性首先，我们研究组合式无级变速器的结构。

我们知道基本型无级变速器有一个输入构件，一个输出构件;而差动轮系有三个基本构件:两中心轮 A、B 和系杆 H由图 2-1 可知，差动轮系 3 个基本构件除一个作为输入或输出外，另两个构件与基本型无级变速器的两个构件相连接显然共有四种可能的连接方案(仅对 PX 型或 XP 型来说，如果两者都算上，应有八种连接方案)而差动轮系 3 个基本构件每个都可以作为输入(或输出)，这样共有 12 种连接方案设 ZK-H 型差动轮系的外齿中心轮为 A，内齿中心轮为 B，系杆为 H以 A 为封闭系统的输入(或输出)构件组成的四种连接方案称 A 型结构方案，同理有 B 型结构方案和H 型结构方案现在就这三类结构方案讨论其功率流向l)A 型结构方案参见图 2- 1(a)和图 3-1(a)，以下只讨论 4 种结构中的一种由于0对照表 2-2，>0，说明 A 型结构方案系统内部存在循环功率2)B 型结构方案参见图 2-l(a)和图 3-l(b)以下只讨论 4 种结构中的一种c=B,a=A,b=H, ==1->0对照表 2-2，>0,B 型结构方案内部也存在着循环功率3)H 型结构方案14参见图 2-l(a)和图 3-l（c),以下只讨论 4 种结构中的一种c=H,a=A,b=B =0)直接封闭型差动轮系组成的组合式无级变速器，只要以差动轮系的系杆 H 作为整个组合式无级变速器的输入构件或输出构件，封闭系统内部就不存在封闭功率。

因此，只有 H 型结构的八种设计方案(PX 型四种，XP 型四种)能用于大功率组合式无级变速器A 型结构方案和 B 型结构方案由于其内部存在循环功率，一般不用于功率传递，但在扩大封闭系统调速范围方面却有着很大的实用价值图 3-1 结构形式3.2 组合式无级变速器的传动比选择的原则组合式无级变速器的传动比选择的原则对于常用的基本型无级变速器，一般有>0，由此可以看出当差动轮系传动比15时，系统内部不存在循环功率，属于分流型传动，这样有利于提高系统的传动能力对不存在循环功率的组合式无级变速器，通过差动轮系的功率与通过无级变速器的功率之比由公式(2-10)确定为:=- （3-1）因为基本型无级变速器在低速段输出时承载能力较差，我们希望在低速段时(此时较大)通过基本型无级变速器的分流功率尽可能小，而是通过差动轮系的功率尽可能大，以补偿基本型在低速段时较差的承载能力，从而提高整个系统的承载能力从式(3-1)可以看出差动轮系相对传动比和的大小可以改变流过基本型无级变速器的分流功率的比例·因此我们希望较大，可以改善系统的性能，而这要较大因此设计时应选择较大的由式(3-1)可以看出当(低速段)时，与的比值最大，也就是说当基本型无级变速器的承载能力处于较差状态时，整个系统的功率分流的特性使得差动轮系承担较大的分流功率，起到了补偿的作用。

而且越大，补偿比例越大，但过大也将使变速器的低速区过宽，系统的输出特性也将降低因此应根据实际使用工况合理的设计的值组合式无级变速器的主动设计，就是根据系统的总输入功率，在满足系统内部不存在循环功率的情况下(即 q+2(3) 同心条件对于 ZK 一 H 型行星传动，三个基本构件的旋转轴线必须和主轴线重合即由中心轮和行星轮组成的所有啮合副的实际中心距必须相等，称之为同心条件一般来说必须满足：=当采用标准齿轮传动或等变位齿轮传动时，有(4) 均布条件在行星传动中，几个行星轮能均匀装入，并保证与中心轮正确啮合所具备的齿数关系即为均布条件它与上述传动比条件、邻接条件和同心条件是相互依存的传动型式不同，四个条件有不同的组合，且不一定每个条件同时独立出现研究均布条件的实质就是寻求行星传动中各齿轮的齿数、特别是中心轮齿数与行星轮个数的关系必须满足：17=N 其中 N 必须为整数第四章第四章 组合式无级变速器的设计计算组合式无级变速器的设计计算4.1 组合式无级变速器差动轮系设计组合式无级变速器差动轮系设计4.1.1 差动轮系结构参数的确定差动轮系结构参数的确定按照上章的传动方案以及主动设计，初选行星锥盘式无级变速器 PX 型的传动比范围=1.25~6.5，输入功率5.5kw，输入转速=1500r/min. piIPIn=4则 =-3>.hLhL因此所选用的轴承远远满足设计需要。

经校核，其他轴承也满足要求5.4 组合式无级变速器轴的校核组合式无级变速器轴的校核依照设计要求画出轴上各零件的配合，如图 5-1.图 5-1 输出轴（5-4）][2 . 095500003T TTdnPWT式中 扭转切应力，MPa;TT 轴所受的扭矩，N·mm；轴的抗扭截面系数， ；TW3mm25n 轴的转速，r/min；P 轴的传递功率，kW；d 计算截面处轴的直径，mm；] 许用扭转切应力，MPa T[对于 45 钢的轴，其扭转切应力]=25~45MPa危险截面为右端键槽处，故式中 T[d=56mm.代入后计算式（4-3）的=2.35<<]TT[故轴的设计远远满足强度要求5.5 组合式无级变速器关键参数汇总组合式无级变速器关键参数汇总输出功率：22KW输入功率：5.5kW输入转速：1500r/min基本型传动比：1.25~6.5输出转速范围：631r/min~1294r/min差动轮系关键参数： m=3mm104,28,48321zzz锥盘外径：120mm26。