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行星球机械无级变速器设计


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目   录

设计总说明
DESIGN INSTRUCTION
第一章 绪论••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1.1 无级变速传动概述•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1.2 机械无级变速器的分类及发展现状•••••••••••••••••••••••••••••••••••2
1.3 机械无级变速器的发展趋势•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••4
1.4 行星锥盘无级变速器的应用及研究现状•••••••••••••••••••••••••••••••5
1.5 设计的目的及意义•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6
第二章 行星锥盘无级变速器的传动原理及分析 •••••••••••••••••••••••••••••••7
2.1 结构和工作原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••7
2.2 运动分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8
2.3 行星锥盘的受力分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
2.3.1 运转时受力分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
2.3.2 调速时受力分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13
2.3.3 加压特性及碟形弹簧的选取•••••••••••••••••••••••••••••••••••15
第三章 无级变速器的结构设计 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17
3.1 结构方案的确定•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17
3.1.1 基于恒功率特性的加压机构设计•••••••••••••••••••••••••••••••17
3.1.2 调速机构的选择•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••19
3.1.3 基于低滑动率的行星锥盘修形设计•••••••••••••••••••••••••••••19
3.2 主参数的确定•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••21
第四章 无级变速器设计计算部分••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22
4.1 基本尺寸的确定和强度计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22
4.2 各基本尺寸接触强度计算 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••23
4.3 加压弹簧的压力计算及选取•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••27
4.4 调速机构的运动与力计算分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••31
4.5 滑动率的计算分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••35
4.5.1 摩擦传动中的滑动•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••35
4.5.2 行星锥盘摩擦传动的滑动率•••••••••••••••••••••••••••••••••••37
4.6 轴的设计计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••41
第五章 结 论•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••44
致 谢••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••48
参 考 文 献••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••49

设计总说明

行星球无级变速器，国外称之为 DISCO 无级变速器，它属行星牵引传动，是摩擦式无级变速器的一种，由行星球和输入、输出零件及压紧装置、调速控制机构等组成。最早由 Lenze/Simplana 公司于 1957～1964 年推出。国外主要有德国、日本等国生产，我国于上世纪 80 年代引进后得以迅速发展起来。行星锥盘式无级变速器通用性强、结构简单、工作可靠，广泛应用于纺织、造纸、卷烟、食品、包装等行业，目前，其年产量约占通用机械无级变速器总产量的 50％以上[17]。
近年来行星球无级变速器的研究主要集中于以下几方面：
1）对压紧碟簧的相关试验和研究。碟簧的压紧力直接关系到变速器输出特性的好坏，作为重要零件，碟簧的设计和选用，尤其是其初压力的确定十分重要文献 [18，19]对此分别进行了有益的研究，对于指导生产具有实用意义。
2）传动效率及滑动率的理论和实验研究。滑动率用来描述传动中滑动的程度，它影响到机器的寿命、效率和实际工作的质量，是衡量无级变速器性能优劣的重要指标。文献[2]中给出了滑动率的计算公式，文献[20]进行了滑动率的实验，对滑动率的变化规律与影响因素进行了探讨研究。
3）结构上的创新改进。“恒功率行星摩擦式无级变速器”通过改进加压碟簧的位置，使碟簧压紧力与恒功率特性相适应，从而得到了较好的恒功率特；“无物理心轴行星轮无级变速器”采用无心轴结构，从而使传动比有了较大；文献[21]则从改善恒功率特性的角度提出了外环输出的无级调速结构。
此外，牵引理论也开始用于设计分析；为增加变速范围，提升功率，出现了各种组合式封闭行星球无级变速器（即在基本通用型输出端加上一组差动轮系），文献[22]对这种无级变速器的功率流、效率和滑动率等传动特性作了比较详细的分析。
然而，通用型无级变速器仍具有广阔的市场，且在许多场合有着不可替代的作用，因而仍在不断发展，且其中有些类型具有应用到汽车上的潜力（如锥盘滚轮式无级变速器）。一方面，人们对原有产品加以改进，如钢球锥轮式无级变速器发展出 Koop-B 型、Koop－M 型、Contraves 型、Heynau 型、PIV－KS 型、MCVT 等多种类型，从长锥钢环式发展而来的 AndersonCVT[14]等。另一方面，不断探讨新的无级变速方式，其中齿轮啮合无级传动[15，16]是一种较吸引人的传动方式，有可能实现高效率，但目前应用还不成熟。
随着电力电子技术的发展，自 20 世纪 80 年代以来，出现了多种交流电动调速方式，其中交流变频器及其派生的控制器获得迅速的发展和应用，近年又出现一种性能更优的新型开关磁阻调速电动机，这对机械无级变速器产生了一定的冲击。但它们的缺点在于低于电机额定转速时仅具有恒转矩特性、低速运转效率较低且不稳定、起动过载性能较差等。相对而言，机械无级变速器由于具有恒功率性好、转速稳定、工作可靠、效率高、维修方便、适用范围广等优点，因此在今后的工业应用中仍具有广阔的前景。
至此，在导师的殷切指导下，本文从事行星球机械无级变速器的设计，对机械无级变速器做了较为全面的介绍，对其分类和发展现状以及发展趋势做了简要概述。介绍了行星锥盘无级变速器的传动原理及结构，然后对变速器做了运动受力分析。同时对行星锥盘进行了基于低滑动率的修形设计以及调速机构的分析。对基本型恒功率行星锥盘无级变速器进行了常规的具体结构设计，以及各主要部件的数值计算分析等。

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.