行星球機械無級變速器設計


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目   錄

設計總說明
DESIGN INSTRUCTION
第一章 緒論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1.1 無級變速傳動概述•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1.2 機械無級變速器的分類及發(fā)展現(xiàn)狀•••••••••••••••••••••••••••••••••••2
1.3 機械無級變速器的發(fā)展趨勢•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••4
1.4 行星錐盤無級變速器的應用及研究現(xiàn)狀•••••••••••••••••••••••••••••••5
1.5 設計的目的及意義•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6
第二章 行星錐盤無級變速器的傳動原理及分析 •••••••••••••••••••••••••••••••7
2.1 結(jié)構(gòu)和工作原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••7
2.2 運動分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8
2.3 行星錐盤的受力分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
2.3.1 運轉(zhuǎn)時受力分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
2.3.2 調(diào)速時受力分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13
2.3.3 加壓特性及碟形彈簧的選取•••••••••••••••••••••••••••••••••••15
第三章 無級變速器的結(jié)構(gòu)設計 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17
3.1 結(jié)構(gòu)方案的確定•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17
3.1.1 基于恒功率特性的加壓機構(gòu)設計•••••••••••••••••••••••••••••••17
3.1.2 調(diào)速機構(gòu)的選擇•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••19
3.1.3 基于低滑動率的行星錐盤修形設計•••••••••••••••••••••••••••••19
3.2 主參數(shù)的確定•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••21
第四章 無級變速器設計計算部分••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22
4.1 基本尺寸的確定和強度計算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22
4.2 各基本尺寸接觸強度計算 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••23
4.3 加壓彈簧的壓力計算及選取•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••27
4.4 調(diào)速機構(gòu)的運動與力計算分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••31
4.5 滑動率的計算分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••35
4.5.1 摩擦傳動中的滑動•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••35
4.5.2 行星錐盤摩擦傳動的滑動率•••••••••••••••••••••••••••••••••••37
4.6 軸的設計計算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••41
第五章 結(jié) 論•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••44
致 謝••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••48
參 考 文 獻••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••49

設計總說明

行星球無級變速器，國外稱之為 DISCO 無級變速器，它屬行星牽引傳動，是摩擦式無級變速器的一種，由行星球和輸入、輸出零件及壓緊裝置、調(diào)速控制機構(gòu)等組成。最早由 Lenze/Simplana 公司于 1957～1964 年推出。國外主要有德國、日本等國生產(chǎn)，我國于上世紀 80 年代引進后得以迅速發(fā)展起來。行星錐盤式無級變速器通用性強、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，廣泛應用于紡織、造紙、卷煙、食品、包裝等行業(yè)，目前，其年產(chǎn)量約占通用機械無級變速器總產(chǎn)量的 50％以上[17]。
近年來行星球無級變速器的研究主要集中于以下幾方面：
1）對壓緊碟簧的相關(guān)試驗和研究。碟簧的壓緊力直接關(guān)系到變速器輸出特性的好壞，作為重要零件，碟簧的設計和選用，尤其是其初壓力的確定十分重要文獻 [18，19]對此分別進行了有益的研究，對于指導生產(chǎn)具有實用意義。
2）傳動效率及滑動率的理論和實驗研究。滑動率用來描述傳動中滑動的程度，它影響到機器的壽命、效率和實際工作的質(zhì)量，是衡量無級變速器性能優(yōu)劣的重要指標。文獻[2]中給出了滑動率的計算公式，文獻[20]進行了滑動率的實驗，對滑動率的變化規(guī)律與影響因素進行了探討研究。
3）結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新改進。“恒功率行星摩擦式無級變速器”通過改進加壓碟簧的位置，使碟簧壓緊力與恒功率特性相適應，從而得到了較好的恒功率特；“無物理心軸行星輪無級變速器”采用無心軸結(jié)構(gòu)，從而使傳動比有了較大；文獻[21]則從改善恒功率特性的角度提出了外環(huán)輸出的無級調(diào)速結(jié)構(gòu)。
此外，牽引理論也開始用于設計分析；為增加變速范圍，提升功率，出現(xiàn)了各種組合式封閉行星球無級變速器（即在基本通用型輸出端加上一組差動輪系），文獻[22]對這種無級變速器的功率流、效率和滑動率等傳動特性作了比較詳細的分析。
然而，通用型無級變速器仍具有廣闊的市場，且在許多場合有著不可替代的作用，因而仍在不斷發(fā)展，且其中有些類型具有應用到汽車上的潛力（如錐盤滾輪式無級變速器）。一方面，人們對原有產(chǎn)品加以改進，如鋼球錐輪式無級變速器發(fā)展出 Koop-B 型、Koop－M 型、Contraves 型、Heynau 型、PIV－KS 型、MCVT 等多種類型，從長錐鋼環(huán)式發(fā)展而來的 AndersonCVT[14]等。另一方面，不斷探討新的無級變速方式，其中齒輪嚙合無級傳動[15，16]是一種較吸引人的傳動方式，有可能實現(xiàn)高效率，但目前應用還不成熟。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，自 20 世紀 80 年代以來，出現(xiàn)了多種交流電動調(diào)速方式，其中交流變頻器及其派生的控制器獲得迅速的發(fā)展和應用，近年又出現(xiàn)一種性能更優(yōu)的新型開關(guān)磁阻調(diào)速電動機，這對機械無級變速器產(chǎn)生了一定的沖擊。但它們的缺點在于低于電機額定轉(zhuǎn)速時僅具有恒轉(zhuǎn)矩特性、低速運轉(zhuǎn)效率較低且不穩(wěn)定、起動過載性能較差等。相對而言，機械無級變速器由于具有恒功率性好、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、工作可靠、效率高、維修方便、適用范圍廣等優(yōu)點，因此在今后的工業(yè)應用中仍具有廣闊的前景。
至此，在導師的殷切指導下，本文從事行星球機械無級變速器的設計，對機械無級變速器做了較為全面的介紹，對其分類和發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢做了簡要概述。介紹了行星錐盤無級變速器的傳動原理及結(jié)構(gòu)，然后對變速器做了運動受力分析。同時對行星錐盤進行了基于低滑動率的修形設計以及調(diào)速機構(gòu)的分析。對基本型恒功率行星錐盤無級變速器進行了常規(guī)的具體結(jié)構(gòu)設計，以及各主要部件的數(shù)值計算分析等。

DESIGN INSTRUCTION
Line planetary CVT is called as DISCO CVT in foreign countries. It is a kind of friction CVT with a planetary traction drive. It is made of the line planet, components of input and output, the clamping device, speed control agencies, etc. It was first put forward by the Lenze / Simplana Company in 1957 to 1964. In foreign countries, it is mainly produced in Germany, Japan and other countries. Since it was introduced into China in 1980s, it has developed rapidly. Because of planetary bevel-type CVT’s simple structure, versatility and reliability, it is widely used in textile, paper, cigarettes, food, packaging and other industries. So far, the annual production of it accounts for more than 50% of the total amount of the production of machinery CVT.
In recent years, research on the line planet CVT is mainly focused on the following three aspects:
1) Trials and studies on the pressed disc spring.
The disc spring compression force is directly related to the quality of the output characteristics of the transmission. As such an important part, the design and selection of the disc spring, especially in determining its initial pressure is of great importance. Reference [18, 19] is a successful study in this field and they are useful for guiding the production of CVT in practical.
2) Theoretical and experimental research on transmission efficiency and the sliding rate
The sliding rate is used to describe the extent of sliding in the drive. It affects the life of the machine, the efficiency and quality of the work. And it’s an important indicator to measure the pros and cons of CVTs. The sliding rate formula is given in Reference [2]. Reference [20] is an experiment on the sliding rate. What’s more, the variation of the sliding rate and some influencing factors are also discussed.
3) Innovation and improvement in the structure.
By improving the position of the disc spring which input pressure, constant power planetary friction CVT adjust the spring force to adapt the characteristics of constant power. Thus it has good characteristics of constant power. Reference [21] proposes the stepless structure of the outer loop output from the angle of improving the characteristics of constant power.
In addition, the traction theory is also used in the design and analysis of CVT.  In order to wide the speed range and increase power, there are many different kinds of modular closed line planetary continuously variable transmission (i.e., on the basic general-purpose output, adding a set of differential gear train). Reference [22] makes a detailed analysis on the characteristics in power flow, efficiency and sliding rate of this kind of CVT transmission.
However, universal CVT still has a vast market. And it plays an irreplaceable role in a number of occasions. Thus it is still evolving, and some types of which have applied to the car's potential (such as roller cone CVT). On the one hand, the original product is improved, such as ball cone wheel CVT Koop-B-type; multiple types of Koop-M; Contraves Heynau type; PIV-KS-type and MCVT from the long tapered steel ring style evolved Anderson CVT [14]. On the other hand, there are many new kinds of continuously variable transmission to explore, among which is stepless transmission [15, 16]. It is an attractive drive gear meshing. It is possible to achieve higher transmission efficiency, though it is not yet ripe in practice.
With the development of power electronics technology, there have been a variety of AC Motor Speed ways since the 1980s. The AC frequency and the derived controller have a rapid development and application. In recent years, a new kind of Switched Reluctance Moto has a better performance, which has a great impact on the mechanical CVT. The disadvantage is that when in lower power than the rated motor speed, it has constant torque and at the same time the low speed efficiency is low and unstable. In contrast, the mechanical CVT has a good constant power, speed, reliable, high efficiency, easier maintenance and a wider use in practice. As a result, it still has a broad prospects in the future industrial application.
At this point, under the earnest guidance of the instructor, this article is written for designs of the line planetary mechanical CVT. The thesis has a comprehensive introduction to the mechanical CVT. And has a brief overview of the classification, development of the status quo and the trend of its development. First, we talk about the principle and structure of planetary cone disk CVT transmission. Then it analysis the wave forces of transmission, the design of planet cone-disk and governor organizations based on the low slip rate modification. At last, it has a conventional concrete design of the structure of the basic type of constant power planetary cone disk CVT and analysis and numerical calculation of the major components.