钢球式无级变速器机构设计

目录
摘要
Abstract
1绪论 (1)
1.1研究的意义及背景 (1)
1.2国内外机械无级变速器的研究现状 (1)
1.3毕业设计的内容和要求 (2)
2总体类型的比较与选择 (3)
2.1 钢球外锥无级变速器 (3)
2.2 钢球长锥式无级变速器 (5)
2.3 两类型的比较与选择 (5)
3 主要零件的计算与设计 (6)
3.1 输入、输出轴的计算与设计 (6)
3.2 输入、输出轴上轴承的计算与设计 (7)
3.3 输入、输出轴上端盖的计算与设计 (8)
3.4 加压盘的计算与设计 (8)
3.5 调速齿轮上变速曲线槽的计算与设计 (9)
3.6 钢球与主、从动锥轮的计算与设计 (10)
3.7 调速机构的计算与设计 (11)
3.8 无极变速器的装配 (12)
4 主要零件的校核 (14)
4.1 传动部件的受力分析与强度计算 (14)
4.2 轴承的校核 (16)
4.3 轴的校核 (17)
4.4 传动钢球的转速校核 (19)
4.5 键的校核 (19)
参考文献 (22)
附录 (23)
钢球式无级变速器结构设计
摘要：本文简要介绍了摩擦式钢球无极变速器的基本结构、设计计算、材质及润滑等方面的知识，并以此作为本次无级变速器设计的理论基础。

本设计采用的是以钢球作为中间传动元件，通过改变钢球主动侧和从动侧的工作半径来实现输出轴转速连续变化的钢球锥轮式无级变速器。

由钢球、主动锥轮、从动锥轮和内环所组成。

动力由输入轴输入，带动主动锥轮同速转动，经钢球利用摩擦力驱动内环和从动锥轮，再经从动锥轮，Ｖ形槽自动加压装置驱动输出轴将动力输出，调整钢球轴心的倾斜角β就可达到变速的目的。

本设计为恒功率输出特性，输出转速恒低于输入转速，运用于低转速大转矩传动。

本文分析了在传动过程中主、从动轮，钢球和外环的工作原理和受力关系；通过受力关系分析，并针对具体参数对输入轴、输出轴、端盖、加压盘、主动追率、从动锥轮、涡轮盘等进行了计算与设计。

并对调速结构进行合理设计。

本文根据传动锥轮的工作应力和材料疲劳强度 ,建立起锥面传动功率、锥轮直径与材料疲劳寿命及可靠度等因素之间的关系，合理设计锥轮的结构尺寸。

关键词：无级变速器、摩擦式、钢球锥轮式、设计
Design of ball-type CVT
Abstract: This paper briefly describes the basic structure, design calculations, materials and lubrication knowledge of friction ball CVT, and theoretically bases on this as a continuously variable transmission design. This design adopts the method of steel ball as an intermediate drive component, and changing the working radius of the active side and driven side to achieve the continuous variation of the output shaft speed cone wheel CVT ball, which composes steel ball, active cone wheel, driven wheels and the inner cone. Input shaft inputs power to drive the same speed active cone wheel rotation, and through the ball friction to drive the inner cone and wheel drive, and then through the driven wheel cone, V-shaped groove automatic compression devices of drive the output shaft will output power, and adjusting the ball axis tilt angle β can achieve the purpose of changing speed. The design is for the constant power output characteristics, and output rotating speed is lower than input rotating speed constantly, used in low speed for high torque drive. This paper analyzes the working principle and force relations of the main, driven wheel, steel ball and outer ring in the transmission process. Through force relationship analysis, we calculate and design on the input shaft, output shaft, cover, pressure plate, active recovery rate, the driven bevel wheel, turbine disc, etc on account of specific parameters, and reasonably design the speed controlling structure, the drive cone wheel stress and material fatigue strength, This essay establishes a drive power cone rate, cone wheel diameter, material fatigue life and relationship between reliability factors, and rationally design the size of cone wheel, according to work force and material fatigue life of the drive cone wheel.
Keywords: continuously variable transmission, friction, steel ball cone wheel, design
1绪论
1.1研究背景及意义
机械无极变速器是一种传动装置，其功能特征主要是：在输入转速不变的情况下，能实现输出轴在一定范围内连续变化，以满足机械或生产系统在运转过程中各种不同工况的要求：其结构特征主要是：需由变速传动机构、调速机构及加压装置或输出机构三部分组成。

机械无级变速器的适用范围广，有在驱动功率不变的情况下，因工作阻力变化而需要调节转速以产生相应的驱动力矩者（如化工行业中的搅拌机械，即需要随着搅拌物料的粘度、阻力增大而能相应减慢搅拌速度）；有根据工况要求需要调节速度者（如起重运输机械要求随物料及运行区段的变化而能相应改变提升或运行速度，食品机械中的烤干机或制药机械要求随着温度变化而调节转移速度）;有为获得恒定的工作速度或张力而需要调节速度者（如断面切削机床加工时需保持恒定的切削线速度，电工机械中绕线机需保持恒定的卷绕速度，纺织机械中的浆纱机及轻工机械中的薄膜机皆需调节转速以保证恒定的张力等）；有为适应整个系统中的各种工况、工位、工序或单元的不同要求而需协调运转速度以及需要配合自动控制者（如各种各样半自动或自动的生产、操作或装配流水线）；有为探求最佳效果而需变换速度者（如试验机械或李心机需调速以获得最佳分离效果）；有为节约能源而需要进行的调速者（如风机、水泵等）：此外还有各种规律的不规律的变化而进行速度调节以及实现自动或程序控制等。

综上所述，可以看出采用无极变速器，尤其是配合减速传动时进一步扩大其变速范围与输出转矩，能更好的适应各种工况要求，使之效能最佳，在提高产品的产量和质量。

适应产品更换需要，节约能源，实现整个系统的机械化、自动化等各方面皆具有显著的效果。

故无极变速器目前已成为一种基本的通用传动形式，应用于纺织、轻工、食品、包装、化工、机床、电工、起重运输矿山冶金、工程、农业、国防及试验等各类机械。

1.2国内外机械无极变速器的研究现状
国内：我国最早是在一汽生产的CA770红旗轿车上装备了自动变速器。

国内CVT的批量装车始于2003年, 目前正以递增的态势发展。

在CVT 方面的研究我国尚处于起步阶段, 自“九•五”期间开始, 轿车金属带式无级自动变速器的开发和研制已经被列入国家的重大科技攻关计划, 由吉林工业大学、东北大学、东风汽车公司合作, 共同承担并完成了这个攻关项目, 对CVT 技术进行实用化研究, 在CVT 传动机理、 CVT 控制策略、 CVT 数字建模与仿真等方面, 取得了一些突破性成果并成功试制出国内首台CV T 产品, 进行了台架实验和道路实验, 取得了一些宝贵的实验数据和开发经验, 目前该课题组仍在进行CVT 的开发研究工作。

目前我国 CVT已进入使用阶段 ,据报道,一汽大众生产的大排量 6 缸内燃机(2. 8L)的奥迪 A6轿车上装备的带式无级变速器 CVT ,能传动功率为142 kW ,扭矩为 280 Nm ,已能达到轿车实用的要求。

国外：CVT 技术的发展, 可以追溯到十九世纪末, 德国Daimler- Benz 公司在1896 年就将V 型橡胶带式无级变速技术用于该公司生产的汽车上, 但材料较差、传递力矩小, 没有什么实用价值。

自从冯•杜纳博士的VDT公司于20世纪80年代研制成功金属带式无级变速器并使之进入商品化阶段后，目前世界度宽钢带和一个高液压控制系统。

通过采用这些先进的技术来获得较大的转矩能力, 日产公司研究开发CV T 的电子控制技术, 传动比的改变实行全档电子控制, 汽车在下坡时可以一直根据车速控制发动机制动, 而且在湿滑路面上能够平顺地增加速比来防止打滑。

日产公司还计划将它的CV T 的应用范围从1.0L 扩大到3.0L 的轿车。

另外, 日本三菱、富士重工也都在不断改进无级变速器, 从而实现汽车从有级变速阶段向无级变速阶段的飞跃。

据统计，截止2005 年底，装备金属带式无级变速器的轿车已达500 万辆。

由最初的日本、欧洲, 已经渗透到北美市场。

随着上已出现了一批生产金属带式无级变速器的厂家。

日本本田汽车公司和VDT变速器公司共同研制的新型无级变速器已装备在了本田公司的轿车上。

包括通用汽车公司在内的国外企业都在加速发展无级自动变速器技术。

进入九十年代,日产公司开发了一种为中型轿车设计的包含一个手动换档模式的CV T。

新型CV T 采用一个最新研制的高强电子控制技术、材料及加工技术的进步, CV T 未来的发展将成本更低廉、控制更便捷、使用范围更广泛。

因此无级变速汽车是当今汽车发展的主要趋势。

1.3毕业论文设计内容和要求
设计内容：小功率机械无极变速器结构的十二级；比较和选择合适的方案，无极变速器的结构设计与计算；对关键部件进行强度和寿命校核。

设计要求：输入功率P=2.2Kw，输入转速n=1500rpm，调速范围R=10；结构设计室应使制造成本尽可能低；安装拆卸要方便；外观要匀称，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。

2总体类型的选择
钢球锥轮式无级变速种类繁多，在此，我只选择了两种方案供参考，作比较，选出比较理想合理的方案。

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，通过自动加压装置2，带动主动轮3同速转动，经一组(3～8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`
图2-1 无级变速器装配图
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
调速是通过蜗杆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：
R=9，Imax=1/Imin，P≤11KW，ε≤4% ，η＝0.80～0.92 ，应用甚广。

n
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。

2-2 调速涡轮的槽型曲线
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
图2-3 钢球锥轮无级变速器的变速
作半径不变，而是通过改变中间轮的回转轴线的倾斜角θ籍以改变其两侧的工作半径来实现变速。

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 =2～0.5,变速比
R= 4,输入功率P1=（0.1～2.2）KW，输入转速n1=1500 r/min ,传动
b
效率η＜85% 。

一般用于机床和纺织机械等。

2-4 RC型变速器结构的简图 2-5 RC变速器的机械
2.3两方案的比较与选择
钢球长锥式(RC型)无级变速器结构很简单，且使用参数更符合我们此次设计的要求，但由于调速是通过钢环移动还实现的，而怎样移动钢环有比较大的难度，需要精密的装置，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
设计一台钢球外锥式（Koop-B ）型无级变速器，输入功率为N 1=2.2KW ，b R =10，
n p =1500 r/min 。

由以上数据查表，故选用Y100L1-4型电机驱动。

N=2.2KW ，n=1430 r/min,η=0.87。

输入转速n 1=1430 r/min 。

3.1输入、输出轴的计算与设计
由于本方案为钢球外锥式无级变速器，机械传动平稳，弯曲振动小。

故选用45号钢作为轴的材料，调质220～260HBS ，11640,275,155B MPa MPa MPa σστ--===。

（1）输出轴的计算与设计
1）最小轴径的确定
初步计算按轴的最小轴径公式估算，取min220.3540d mm mm =≤，于是得： 3min 0 2.211228.164250
N d A mm n 3==⨯= 输出轴的最小直径为与锥轮连接处（图2-1）。

由于锥轮与轴是过渡配合，且锥轮工作直径为95mm ，为了保证锥轮与轴配合有良好的对中性，采用锥轮标准的推荐直径为20mm 。

（2）轴的结构设计
1）拟定轴上零件的装配方案
本方案如图2-1所示的装配的方案。

2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
I 轴段安装锥轮及加压盘保持架，保证与轴配合的毂孔长度，取20I d mm =，27I L = mm 。

II 段轴安装加压盘一侧和轴承，加压盘用花键移动实现对锥轮的加压，取花键62171110F ⨯⨯25H ⨯5H GB/T1144-2001，21II L mm = 。

III 轴段对轴II 上的轴承内圈起定位作用并作为轴承座，取30,17IV IV d mm L mm ==。

IV 轴段与III 轴段上的轴承内圈起定位作用，取40,7IV IV d mm L mm ==。

V 轴段根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑剂的要求，采用迷宫式密封，根据标准取50,6V V d mm L mm ==。

轴VI 作为轴承座，40,15VI VI d mm L mm ==。

轴Ⅶ段由计算得30,84d mm L mm ==ⅧⅧ,至此，已初步确
定了轴的各段直径和长度。

V带轮和迷宫式密封与轴的周向定位均采用平键连接。

按各段轴径查得平键截面Ⅶ:8
b h
⨯=⨯7，40
l=.为保证Ⅶ带轮与轴配合有良好的对中性，
故选择Ⅶ带轮轮毂与轴的配合为
7
6
H
n
；同样，密封挡圈与轴的配合为
7
6
H
k。

滚动轴承与
轴定位是由过渡配合来保证的，轴承段的直径尺寸公差为m6.取轴端倒角为245o
⨯。

图3-1 输出轴
3）由于主、从动锥轮一致，轴上零件布置也相同。

同时主动轮的最小轴径估算为
min220.3540
d mm mm
=≤。

为了节省工艺及成本。

主动轴Ⅶ轴段25,84
d mm L mm
==
ⅧⅧ其余相同。

3.2输入、输出轴上轴承的选择与计算
因为轴承为标准件，只需挑选合适的参数的轴承即可，主、从动轴轴III段由于轴承到径向力与周向力的作用，所以选用角接触球轴承7006AC GB/T292-1994。

从动轴IV 段为限制轴（外壳）的向右的轴向移动选用角接触球轴承7008AC GB/T292-94，两轴承的基本额定动载荷均大于10KN，所以角接触轴承采用正装可满足要求。

表3-1 角接触球轴承 7006AC GB/T 292-1994
轴承代号
基本尺寸（mm）安装尺寸（mm）
70000AC
25o
a=
极限转速
(r/min)
原轴
承代
号d D B
r
min
d
min
D r
a
(mm)
基本额定
脂润
滑
油润
滑
max
动载
荷
静载
荷
r
C
0r
C
(KN)
7006AC 30 55 13 1 36 49 1 16.4 14.5 9.85 9500 14000 36106
表3-2 角接触球轴承 7008C GB/T 292-1994
轴承代号
基本尺寸（mm ）
安装尺寸（mm ） 70000AC
25o a
极限转速 (r/min) 原轴承代号
d
D
B r
min d
min D r
a (mm) 基本额定
脂润
滑
油润滑
max
动载荷
静载荷
r
C
0r C
(KN)
7008AC 40 68
15
1
46
62
1 20.1 19.0 14.5 8000 11000 36108
3.3输入、输出轴上端盖的计算与设计
图3-2 端盖
由于输入、输出轴与端盖是间隙配合，确定孔径为φ30，与箱体盖连接确定外径φ112。

按Q/ZB100-73规定，选用毡封油圈时，其毡圈尺寸：在轴径<50mm 时，毡圈外径D 较1b 1d 大1mm,厚度B 较1b 大1mm ；轴径>50～240mm 时，毡圈外径D 较1d 大2mm,厚度B 较1b 大2mm 。

3.4加压盘的计算与设计
加压装置采用钢球V 形槽式加压盘，此加压盘动作灵敏，工艺要求高，承载能力符
合要求。

（1)加压装置有关参数 加压盘作用直径p d
0.5 4.75p q d D cm == 加压盘V 形槽倾角λ
'''
10.0415.5()62718sin 7.75sin 45
o o
p fD arctg
arctg d a λ⨯===⨯ 取'630o λ= 加压钢球按经验公式取11
()610
qy q d d =-、8m =。

经验算接触强度均不足，故改用腰
鼓形滚子8个，取滚子轴向截面圆弧半径18r cm =，横向中间截面半径0.8r cm =。

曲率系数
1180.8
c o s 0.81
8280.8
r r r r τ--=
==++ 由表1-2按cos 0.8182τ= 查得()1
ab 0.786-=，代入式得加压盘处的最大接触应力为
22
332122
40081111()40080.786 1.1503.086()ab 0.8831980.99/2838.52/j y
k Q r r kgf cm kgf cm σ=
+=⨯⨯⨯+=>
工作应力在许用应力范围之内。

故可以采用。

please contact Q 3053703061 give you more perfect
drawings
参考文献
[1]阮忠唐主编. 机械设计无级变速器[S]. 北京：机械工业出版社， 1983.10.128～234.
[2]周有强.机械无级变速器[M].北京:机械工业出版社,2011.35～158.
[3]吴宗泽,罗圣国,卢颂峰等.机械设计课程设计手册[M].北京:高等教育出版, 2006.143～193.
[4]濮良贵,纪名刚主编.机械设计[S].北京:高等教育出版社,2005.32～201.
[5]周有强主编.机械无级变速器[S].北京:机械工业出版社,2001.154～184.
[6]朱张校主编.工程材料[S].北京:清华大学出版社,2001.139～168.
[7]杨叔子.机械加工工艺师手册[M].北京:机械工业出版社,2001.12～185.
[8]成大先主编.机械设计手册[S].北京:化学工业出版社,2001.174～208.
[9]郑提,唐可洪主编.机电一体化设计基础[S].北京:机械工业出版社,2003.204～233.
[10]陈秀.机械设计课程设计图册[M].北京:高等教育出版社,1997.152～242.。