鋼環無級變速器結構設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 點主要是傳動效率低、運行中難以保持穩定的速比、變速操作困難在高速運行時變速易使傳動零件過早的磨損以及對于低速大扭矩傳動傳動裝置的體積與重量較大。 目前對摩擦無級變速器的傳動機理研究得并不充分，有待深入研究。選擇和發展新的潤滑劑，以進一步提高摩擦拖動率；研究具體結構設計的合理性及其優化問題，突破瓶頸，實現無級變速器新的突破，真正做到廣泛應用和產業化。 167。 機械無級變速器是一種傳動裝置，其功能特征主要是：在輸入轉速不變的情況下，能實現 輸出軸的轉速在一定范圍內連續變化，以滿足機器或生產系統在運轉過程中各種不同工況的要求；其結構特征主要是：需由變速傳動機構、調速機構及加壓裝置或輸出機構三部分組成。 機械無級變速器傳動具有結構簡單、操縱方便、傳動效率高、恒功率特性好、噪聲低等優點，因此，能適應變工況工作、簡化傳動方案，節約能源和減少環境污染等要求，在工業界受到越來越多的重視和采用。目前已經較多地應用于車輛、拖拉機和工程機械、船舶、機床、輕紡化工業機械、起重機械和試驗設備中。 CVT，它的優點是重量輕，體積小，零件少，與 AT 比較具有較高的運行效率 ，油耗較低。但 CVT 的缺點也是明顯的，就是傳動帶很容易損壞，不能承受較大的載荷，只能限用于在 一 升排量左右的低功率和低扭矩汽車，因此在自動變速器占有率約 4%以下。近年來經過各大汽車公司的大力研究，情況有所改善。 CVT 將是自動變速箱的發展方向。機械傳動的特點主要是：轉速穩定，滑動率小，工作可靠，具有恒功率機械特性，傳動效率較高，而且結構簡單，維修方便，價格相對便宜；但零部件加工及潤滑要求較高，承載能力較低，抗過載及耐沖擊性較差，故一般適合于中、小功率傳動。 機械無級變速器的適用范圍廣，有在驅動功率不變的情況下，因 工作阻力變化而需要調節轉速以產生相應的驅動力矩者（如化工行業中的攪拌機械，即需要隨著攪拌物料的粘度、阻力增大而能相應減慢攪拌速度）；有根據工況要求需要調節速度者（如起重運輸機械要求隨物料及運行區段的變化而能相應改變提升或運行速度，食品機械中的烤干機或制藥機械要求隨著溫度變化而調節轉移速度）；有為獲得恒定的工作速度或張力而需要調節速度者 13 （如斷面切削機床加工時需保持恒定的切削線速度，電工機械中的繞線機需保持恒定的卷繞速度，紡織機械中的漿紗機及輕工機械中的薄膜機皆需調節轉速以保證恒定的張力等）；有為適應整個系統中 各種工況、工位、工序或單元的不同要求而需協調運轉速度以及需要配合自動控制者（如各種各樣半自動或自動的生產、操作或裝配流水線）；有為探求最佳效果而需變換速度者（如試驗機械或李心機需調速以獲得最佳分離效果）；有為節約能源而需進行調速者（如風機、水泵等）；此外，還有按各種規律的或不規律的變化而進行速度調節以及實現自動或程序控制等。 摩擦式無級變速器 ， 它靠旋轉體間的接觸摩擦力來傳遞動力 ,通過改變輸入、輸出的作用半徑，連續地改變了傳動比。摩擦式機械無級 變速器 主要由壓緊的主動裝置、摩擦傳動機構、調速控制機構組成。帶錐度的主動輪和壓盤被一組碟形彈簧壓緊，輸入軸與主動輪用鍵聯接，而組成壓緊的主動裝置。一組帶錐度的行星摩擦輪內側夾在壓緊的主動輪和壓盤之間，外側夾在帶錐度的固定環和調速凸輪之間，而組成摩擦副；當壓緊的主動裝置運轉時，摩擦輪就做純滾動，由于固定環和調速凸輪不動，因此，摩擦輪在自轉的同時作公轉運轉，通過行星摩擦輪的中心軸及滑塊軸承而帶動行星架轉動。轉動手輪帶動調速凸輪改變角向位置的同時，調速 凸輪的端面曲線經平面彈子夾和固定凸輪的端面曲線作用，使調速凸輪產生軸向移動，從而均勻改變調速凸輪和固定環之間的間隔，使錐度行星摩擦輪產生徑向移動。最后均勻地改變了行星摩擦輪與主動輪、壓盤及固定環、調速凸輪摩擦處的工作半徑，實現穩定的無級變速。 摩擦式無級變速器傳動的工作能力主要取決于傳動元件和壓緊裝置的工作能力，其失效形式主要是傳動元件和加壓元件的疲勞點蝕、膠合、磨損及壓潰。摩擦式無級變速器的傳動元件及加壓元件均采用高硬度合金鋼制成，在潤滑充分的條件下工作。傳動元件之間為點接觸或線接觸，接觸點的位置在不斷地 變化，因此，在這些接觸，通常發生與齒輪傳動相似的點上應力是屬于交變的接觸應力（通常高達 1000~2500MPa） 疲勞點蝕破壞和磨損，帶來的后果是傳動出現振動、沖擊和噪聲，最終導致不能工作。加壓元件上的接觸應力屬于靜應力或脈動應力，但由于結構尺寸的限制，其接觸應力值更高于傳動元件，因而其失效形式是表面壓潰（或塑性流動）和疲勞點蝕。 綜上所述 ， 可以看出采用無級變速器，尤其是配合減速傳動時進一步擴大其變速范圍與輸出轉矩，能更好的適應各種工況要求，使之效能最佳，在提高產品的產量和質量，適應產品變換需要，節約能源，實 現整個系統的機械化、自動化等各方面皆具有顯著的效果。無級變速器目前已成為一種基本的通用傳動形式，應用于紡織、輕工、食品、包裝、化工、機床、電工、起重運輸礦山冶金、工程、 14 農業、國防及試驗等各類機械。 167。 一、機械無級變速器的選用 機械無級變速器的種類繁多，在設計和選用時，必須綜合考慮實際使用條件與變速器的結構和性能特點。使用條件包括：工作機械的變速范圍；最高速時所需的轉矩和功率；最常使用的轉速和轉矩；負載變動情況；使用時間（時 /日）；升速與降速情況；啟、制動頻繁程度；有無正 反向使用要求及其頻繁程度；換算到變速器輸出軸上的工作機械的轉動慣量等。對于變速器本身來說，主要是考慮其功率和運動特性，在仔細考慮了上述因素后，正確地選用無級變速器的尺寸、容量及類型。 ① .對于機械特性 選擇變速器的類型時，應首先明確機械本身在整個變速器范圍內對功率或轉矩的要求。然后結合各種無級變速器的功率（或轉矩）特性曲線進行選用。例如：機床的主傳動系統在全變速范圍內，傳動功率基本恒定，這時只能選用 KoppK、KoppB、 FU 型和寬三角帶式無級變速器。對于機床的進給系統，則要求在相當寬的變速范圍內傳遞恒 定轉矩，而不要求恒功率特性；這時可考慮采用 OM、 NS和 RC 型等變速器。當然，滿足恒功率使用要求的無級變速器亦可用于恒轉矩的使用場合。因為恒功率型無級變速器的變速范圍都比較小，遠不及恒轉矩型者，所以不適用機床進給系統。 ② .對于 轉速特性 （ 1）轉速范圍：機械的工作轉速范圍也是選擇無級變速器類型的重要依據。因此，必須了解各種無級變速器的輸出轉速范圍，以免在機械傳動鏈中出現轉速猛降或者相反的不合理現象。 （ 2）運動平穩性：脈動式和齒鏈式無級變速器的輸出角速度有一定的不均勻性，因而不適用于運動平穩性要求的場合，如磨 床主傳動系統。 ③ .對于 安裝場地要求 （ 1）由于各種機械無級變速器的結構和工作原理不同，因此，在相同的傳動功率情況下，其體積將有很大差異。分離傳動的機械對變速器沒有嚴格要求；而集中傳動時將十分重視體積問題，這就有必要了解各種無級變速器的功率容積比率。 （ 2）各種無級變速器的輸出軸與輸入軸線的相對位置有所不同。有的是同軸線的；有的兩軸平行并有一定距離要求；還有一些無級變速器的輸出軸于輸入軸是相交或交錯的；選用時應注意這些問題。 （ 3）某些機器要求變速器臥式安裝，而另一些機器則要求立式裝配，這時 15 必須考慮無級變速 器立式安裝的可能性。如齒鏈式、寬三角帶式無級變速器就不適合在軸線與地面呈垂直狀態下使用。 （ 4）某些使用場合，對清潔、塵埃問題要求十分嚴格。如果某種無級變速器從功率特性和轉速范圍考慮是適用的，但不能滿足清潔要求，則仍不可用，如開式帶式無級變速器由于帶的磨損將會污染環境。 ④ .對于 操作要求 （ 1）調速：少數無級變速器既可在停車時變速，也可在運轉過程中調速，而大多數無級變速器則只能在運轉過程中才能調速，在使用時，必須按操作要求進行工作。 （ 2）調速時間、手輪上使用的最大力矩。 （ 3）手輪轉動圈數與轉速變 化之間的關系等。 ⑤ .其它問題 如振動、噪聲、溫升、滑動率、空載功率以及遠距離自動控制的可能性等。 對于上述這些問題予以綜合考慮，根據我的功率、轉速、調速比等數據，選定鋼環式無級變速器。 二、機械無級變速器的潤滑與密封 ① .潤滑方式與潤滑油 一般的金屬摩擦式無級變速器靠浸油飛濺潤滑。這種潤滑方式的優點是無需另加潤滑裝置，結構簡單、工作可靠。但在啟動前必須檢查油位，停車時必須保證油位在標準線上。如果油量過多，則在運轉過程中會引起空載功率增大、油溫升高以至傳動力矩不足等現象。 機械無級 變速器是按摩擦傳動的 實現調速并傳遞動力的，因此它所采用的潤滑油與普通的齒輪箱用油不同，必須按照原設計要求或說明書上的規定，采用專用無級變速器油。若用普通機油代替，則將不能使無級變速器充分發揮作用，甚至會降低使用壽命，因此，必須十分重視機械無級變速器使用的油液。 1）傳遞動力在變速器結構參數已定的前提下，油的品質將成為機械能否正常運轉和滿足工作要求的關鍵。 2）減輕摩擦部件的磨損 3）吸收、散發集積在摩擦部位的熱量 4）清洗摩擦件表面 機械無級變速器傳動件的表面是經過精密加工的，工作過程如有灰塵或磨屑停留 在工作表面上，將會很快損傷摩擦表面，必須依靠潤滑油將這些不清潔物及時排除。 對無級變速器專用油的要求 :1）摩擦特性好； 2）適當的粘度和粘度指數； 3）剪切、氧化安定性好； 4）抗泡性好； 5）油膜強度高。 ②機械無級變速器的密封 要使機械無級變速器在長時期工作后，仍能保持原有的工作精度，必須有良 16 好的密封裝置。對于開式傳動或只傳遞運動而受力極小的無級變速裝置來說，密封裝置的主要作用是保護軸承。閉式金屬摩擦型無級變速器的密封裝置，除用來防止外界塵埃等浸入軸承外，更重要的是，防止油液外漏。對于閉式無級變速器，如果密封不 好，油液不斷外漏將使油池中的油量不斷減少，必然使各部件的正常潤滑受到影響，溫升大大增高，以至不能正常共組。此外，油液的外漏也影響工作場所的清潔衛生。 對于工作環境惡劣和輸出軸轉速很高的變速器，除采用毛氈或皮碗密封之外，還可考慮采用甩油擋板或迷宮密封結構。 此外，由于閉式變速器大多數具有較大的端蓋，油面高度超過止口位置，因此除了注意軸承部件密封之外，對端蓋處的密封問題也必須給予重視，應合理設計端蓋與變速箱體的結合面，同時在接合縫隙處應涂抹密封封膠。 167。 比較和選擇合適的方案并進行 摩擦式機械無級變速器的計算與結構設計； 設計參數：輸入功率 P=5kw，輸入轉速 n=1400rpm，調速范圍 R=6。 設計要求：安裝拆卸要方便；外觀要勻稱，美觀；調速要靈活，調速過程中不能出現卡死現象，能實現動態無級調速；關鍵部件滿足強度和壽命要求。 對關鍵部件進行強度和壽命校核； 用 CAD 繪圖軟件繪制裝配圖及零件圖。 17 第二章 摩擦無級變速器的機械特性加壓裝置和調速機構 167。 （一）機械特性及其類型 無極變速器在輸入轉速一定的情況下，其輸出軸上的轉矩 M2 或功率 N2 與轉速 n2 的關系稱為機械特性。它 常以 n2 為橫坐標， M2 或 N2 為縱坐標的平面曲線M2=M（ n2）或 N2=N（ n2）來表示。 M2=M（ n2）曲線上任一點（如圖 21 中的 A 點）切線斜率的負值，稱為傳動的機械特性在該工況時的剛度系數 k（或傳動剛度） K= 22dMdn =tan ? 由上式可見，傳動剛度 k 也就是輸出轉矩對輸出轉速的變化率，所以若特性曲線上各點的 k 值愈大，變化率對應也愈大，隨著 n2 的下降， M2 值上升得就 愈快。反之 n2 上升時， M2 值下降也愈快。 外界負載轉矩的變化對輸出轉速的影響較小。這種機械特性相對來說就較“硬”。相反地，如果特性曲線上各點的剛度系數很小。則外界負載轉矩很小變動，就足以引起轉速巨大的變動，這種機械特性就很“軟”。 機械無級變速器的機械特性，大致上可以歸納為下列三種： ．如圖 22 中的實線所示，其特性是傳動中輸出功率保持不變，即 N2=cM2 n2=常量 式中 c —— 有關常數。 圖 21 機械特性及剛性系數 n 2M 2a AM 2=M (n 2)圖2 1 機械特性及 剛性系數 18 圖 22 恒功率與恒轉矩機械特性 ————— 表示恒轉矩機械特性 表示恒功率機械特性 這時，輸出轉矩與輸出轉速呈雙曲線關系，有“硬”的機械特性。特別是在低轉速運轉時，載荷的變化對轉速的影響很小。工作中有很高的穩定性，能充分利用原動機的全部功 率。 2. 恒轉矩特性．如圖 22 中虛線所示，由于輸出轉矩 M2 為常量，因此，其輸出功率與輸出轉速成正比變化，剛度系數 k=0，只要負載轉矩大于其輸出轉矩時，輸出轉速立即下降，甚至引起打滑和運轉中斷，不能充分利用原動機的輸入功率。 3.