机械无级变速传动例题讲解

1． 推导BUS 型机械无级变速器的滑动率ε。

解：BUS 的滑动率求解主要求出*i ，要根据有滑移存在时的几何尺寸来计算，方法同无滑移时一样，关键是找出几何关系，可求出BUS 的滑动率。

图1 BUS 变速器运动分析简图(主要几何尺寸)
由图1可知BUS 型变速器的传动原理属于3K 型行星传动，a,b,e 为中心论，H 为转臂，V 为行星锥。

当中心轮e 固定不动时，中心轮b 和a 之间的传动比为：
H
ae
H be
e ba
i i i --=11 (1) 上式中H
ae i 是转臂H 固定不动时，a 和e 的传动比，由下图
2
图2 BUS 变速器运动分析简图(角速度矢量图)
可知它应为：
r
R r R r R R r i a e e e
a H ae 11-=⨯-
= 而H
be i 是转臂不动时，b 和e 的传动比为：
r
R r R r R R r i b e e e
b H be 11-=⨯-
= 将H ae i 和H
be i 代入式(1)中，得到：
1
1r R R r r R R r i b
e b
e
e ba
+-
=
由于外环e 实际是固定不动的，其角速度0=e ω，所以：
a
b
e a e b e ba i ωωωωωω=
--=
由此可知e
ae i 实际上就是变速器的传动比，并且等于输出轴角速度b ω与输入轴a
ω角速度的比值。

把变速器的传动比e
ba i 简写为i ，则：
1
1
r R R r r R R r i b
e b
e
a
b +-
=
=ωω (2) (2)式可进一步简化为：
1
1
r R R r r r i a
e +-=
(3) 又由锥体半径之间的关系：当βα,被确定后，外环的摩擦半径e R ，主动锥的大端半径a R 和行星锥打断半径1r 之间有下述唯一确定的关系：
()()β
βαβαsin sin sin 1
r
R R a e =-=+
则式(3)可简化为
()()e
e
R r R r i ⋅-+⋅+-
=βαββ
αβ
sin sin sin sin * (4)
当变速器调速时，该传动比会随β,r 而变化。

以上讨论的情况均为空载时候，无滑移现象，在求滑动率时根据公式
%1001*⨯⎪⎭
⎫ ⎝⎛
-=i i ε
其中：i 为有滑移存在的实际传动比；*i 为无滑移时的传动比。

2． 分析KOOP-B 型机械无级变速器调速机构的特点。

答
:
图 3 Koop-B 无级变速器的结构
1、11-输入、输出轴；
2、10-加压装置；
3、9-主、从动锥轮；4-传动钢球；
5-调速蜗轮；6-调速蜗杆；7-外环；8-传动钢球轴；12、13-端盖
Koop-B 无级变速器属于钢球锥轮式无级变速器，结构如图3所示。

在调速时，通过蜗杆6使蜗杆5传动，由于凸轮槽的作用是钢球轴心的倾斜角发生变化，倒是钢球与主、从动轮的工作直径改变，输出轴的速度得到调节。

其主要特点为：
图4 调速凸轮槽型曲线
图5 Koop-B 无级变速器的特性曲线
如图4示凸轮槽做在调速涡轮的球面上，将其投影到铅垂平面上，以R ()ϕ表示
凸轮转动ϕ角后的槽中心线向径，设
max 0i i ==时
ϕ， min i i ==时ψϕ；调速过程中要求传动比按线性变化，考虑传动比公式，有： ()()
θαθαϕψ
+-=
--
=cos cos min
max max i i i i x 由此可求得钢球旋转轴的倾斜角θ与凸轮转角ϕ的关系为
()()()()⎥⎦
⎤⎢⎣⎡----+-=αϕψϕ
ψθcot 11arctan min max max min max max i i i i i i
于是可写凸轮槽中心线的极坐标方程为
()()()()()⎭⎬⎫⎩
⎨⎧⎥⎦⎤⎢
⎣⎡----+-+=αϕψϕ
ψϕcot 11arctan sin 5.0min max max min max max 3i i i i i i l D R ψϕmin
max max i i i i x
--=
其中min max 3....i i l D ψ为定值，给出x i 便可求的ϕ代入第一式便可得到对应的()ϕR 。

当1=x i 时 0=θ，()35.0D R =ϕ。

通常 120~80=ψ，多数取 90=ψ。

考虑到加工
方便，有时将凸轮槽作成阿基米德螺旋线或用圆弧替代，这时保证
1.min max =i i i 及三个位置时的向径。

其优点如下：
(1)通过使滚动体的轴线偏转来改变工作半径。

即通过转动蜗轮再经槽凸轮使钢球心轴绕其圆心转动，以实现钢球主从动侧工作半径发生改变。

(2)调速蜗杆宜采用单头蜗杆以保证反行程自锁。

各凸轮槽的圆周不等分性应小
于‘
2，以免造成各钢球转速不一致而加剧磨损，球轴与槽的最大间隙应小于30m μ以
免造成冲击和断轴。

(3) Koop-B 变速器的典型特性曲线如图5所示。

其kW P R b 11,91≤≤；严禁停车时调速；输入输出轴可互相作用，为升、降速型对称调速。

3、自行归纳说明PS 型机械无级变速器自动加压装置的工作原理及特点。

答：工作原理如下图6：
图6 PS 型变速器工作原理图
其加压的过程如下：输入轴加压凸轮K 1在驱动转矩T 1作用下，产生一对等值反向
的轴向压紧力Q 1和Q 1′,其值取决于T 1与凸轮的作用半径和槽顷角λ；
λ值按能够为无滑动地传递工作转矩提供足够的压紧力来设计。

加压凸轮K 1在负载转矩T 2的作用下产生作用力Q 2和Q 2′，根据采用的短剪状杠杆的原理知其输出轴链轮上的轴向压紧力Q 4=Q 2′+ Q 1=- Q 5，其中Q 1是由剪状杠杆2从K 1传来的。

同理：输入轴链轮上的轴向压紧力Q 3=Q 2+ Q 1′=- Q 6，其中Q 2是由剪状杠杆1从K 2传来的。

输入轴链轮上的压紧力Q 3大于输出轴链轮上的压紧力Q 4的差值部分，由剪状杠杆和平衡块3给调速丝杠承受。

Q 5和Q 6的差值则成为调速丝杠上的残余力，它与平衡块3的合力等值反向。

特点：① 改用棍滚子端面凸轮和长短剪杆组成轴向自动加压装置，其压紧力与负
载转矩成正。

比达到自动补偿的效果。

4、如何实现对脉动无级变速器调速的自动控制。

图7新型GUSA 无级变速器的结构简图
答：实现对脉动无极变速器的自动控制可以分为两类。

一为不精确的控制，二为精确控制。

图7所示三相并列连杆式脉动连杆无级变速器，国外称为GUSA 型变速器，它的传动机构是由三组相位差为1200的平面III 级机构并联组成的。

自动调速的基本原理：根据调速函数)(4ωϕ=S ，由伺服电机代替原来的手轮，带动调速机构改变调速点，从而改变输出转速，达到自动调速的目的。

同时编写对话框，用户直接在对话框上输入相应的参数便可以实现自动调速。

采用开环伺服控制系
统，伺服系统(Servo system)亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对象的转角或位移。

相对其它控制方式而言，伺服系统硬件在使用上要方便一些，输出信号（螺杆7的转角）由输入信号（变速器的输出转速）直接控制。

这种控制方式的调速精度需要有较高精度的系统和控制元件，同时，对调速机构的传动精度也有较高的要求，而伺服控制系统能够提供十分高的动作精度，它完全能保证电机带动螺杆7的转角精度。

因为是采用开环控制系统，伺服电机在系统控制下,转过相应的角度 ，电机所转动的这个角度值是精确的，只是控制系统忽略了调速机构的传动误差（螺杆7和轴承6之间的螺纹间隙会导致一定的传动误差），控制框图8如下：
图8 控制图。