行星球機(jī)械無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)


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目   錄

設(shè)計(jì)總說(shuō)明
DESIGN INSTRUCTION
第一章 緒論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1.1 無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)概述•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1.2 機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的分類及發(fā)展現(xiàn)狀•••••••••••••••••••••••••••••••••••2
1.3 機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的發(fā)展趨勢(shì)•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••4
1.4 行星錐盤無(wú)級(jí)變速器的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀•••••••••••••••••••••••••••••••5
1.5 設(shè)計(jì)的目的及意義•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6
第二章 行星錐盤無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)原理及分析 •••••••••••••••••••••••••••••••7
2.1 結(jié)構(gòu)和工作原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••7
2.2 運(yùn)動(dòng)分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8
2.3 行星錐盤的受力分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
2.3.1 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受力分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
2.3.2 調(diào)速時(shí)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(wú)級(jí)變速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)•••••••••••••••••••••••••••••••17
3.1.2 調(diào)速機(jī)構(gòu)的選擇•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••19
3.1.3 基于低滑動(dòng)率的行星錐盤修形設(shè)計(jì)•••••••••••••••••••••••••••••19
3.2 主參數(shù)的確定•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••21
第四章 無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)計(jì)算部分••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22
4.1 基本尺寸的確定和強(qiáng)度計(jì)算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22
4.2 各基本尺寸接觸強(qiáng)度計(jì)算 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••23
4.3 加壓彈簧的壓力計(jì)算及選取•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••27
4.4 調(diào)速機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與力計(jì)算分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••31
4.5 滑動(dòng)率的計(jì)算分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••35
4.5.1 摩擦傳動(dòng)中的滑動(dòng)•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••35
4.5.2 行星錐盤摩擦傳動(dòng)的滑動(dòng)率•••••••••••••••••••••••••••••••••••37
4.6 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••41
第五章 結(jié) 論•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••44
致 謝••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••48
參 考 文 獻(xiàn)••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••49

設(shè)計(jì)總說(shuō)明

行星球無(wú)級(jí)變速器，國(guó)外稱之為 DISCO 無(wú)級(jí)變速器，它屬行星牽引傳動(dòng)，是摩擦式無(wú)級(jí)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(jī)構(gòu)等組成。最早由 Lenze/Simplana 公司于 1957～1964 年推出。國(guó)外主要有德國(guó)、日本等國(guó)生產(chǎn)，我國(guó)于上世紀(jì) 80 年代引進(jìn)后得以迅速發(fā)展起來(lái)。行星錐盤式無(wú)級(jí)變速器通用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，廣泛應(yīng)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(jī)械無(wú)級(jí)變速器總產(chǎn)量的 50％以上[17]。
近年來(lái)行星球無(wú)級(jí)變速器的研究主要集中于以下幾方面：
1）對(duì)壓緊碟簧的相關(guān)試驗(yàn)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(shè)計(jì)和選用，尤其是其初壓力的確定十分重要文獻(xiàn) [18，19]對(duì)此分別進(jìn)行了有益的研究，對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)具有實(shí)用意義。
2）傳動(dòng)效率及滑動(dòng)率的理論和實(shí)驗(yàn)研究。滑動(dòng)率用來(lái)描述傳動(dòng)中滑動(dòng)的程度，它影響到機(jī)器的壽命、效率和實(shí)際工作的質(zhì)量，是衡量無(wú)級(jí)變速器性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。文獻(xiàn)[2]中給出了滑動(dòng)率的計(jì)算公式，文獻(xiàn)[20]進(jìn)行了滑動(dòng)率的實(shí)驗(yàn)，對(duì)滑動(dòng)率的變化規(guī)律與影響因素進(jìn)行了探討研究。
3）結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新改進(jìn)?！昂愎β市行悄Σ潦綗o(wú)級(jí)變速器”通過(guò)改進(jìn)加壓碟簧的位置，使碟簧壓緊力與恒功率特性相適應(yīng)，從而得到了較好的恒功率特；“無(wú)物理心軸行星輪無(wú)級(jí)變速器”采用無(wú)心軸結(jié)構(gòu)，從而使傳動(dòng)比有了較大；文獻(xiàn)[21]則從改善恒功率特性的角度提出了外環(huán)輸出的無(wú)級(jí)調(diào)速結(jié)構(gòu)。
此外，牽引理論也開(kāi)始用于設(shè)計(jì)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(wú)級(jí)變速器（即在基本通用型輸出端加上一組差動(dòng)輪系），文獻(xiàn)[22]對(duì)這種無(wú)級(jí)變速器的功率流、效率和滑動(dòng)率等傳動(dòng)特性作了比較詳細(xì)的分析。
然而，通用型無(wú)級(jí)變速器仍具有廣闊的市場(chǎng)，且在許多場(chǎng)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(yīng)用到汽車上的潛力（如錐盤滾輪式無(wú)級(jí)變速器）。一方面，人們對(duì)原有產(chǎn)品加以改進(jìn)，如鋼球錐輪式無(wú)級(jí)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(zhǎng)錐鋼環(huán)式發(fā)展而來(lái)的 AndersonCVT[14]等。另一方面，不斷探討新的無(wú)級(jí)變速方式，其中齒輪嚙合無(wú)級(jí)傳動(dòng)[15，16]是一種較吸引人的傳動(dòng)方式，有可能實(shí)現(xiàn)高效率，但目前應(yīng)用還不成熟。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，自 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，出現(xiàn)了多種交流電動(dòng)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(yīng)用，近年又出現(xiàn)一種性能更優(yōu)的新型開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，這對(duì)機(jī)械無(wú)級(jí)變速器產(chǎn)生了一定的沖擊。但它們的缺點(diǎn)在于低于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)僅具有恒轉(zhuǎn)矩特性、低速運(yùn)轉(zhuǎn)效率較低且不穩(wěn)定、起動(dòng)過(guò)載性能較差等。相對(duì)而言，機(jī)械無(wú)級(jí)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(diǎn)，因此在今后的工業(yè)應(yīng)用中仍具有廣闊的前景。
至此，在導(dǎo)師的殷切指導(dǎo)下，本文從事行星球機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械無(wú)級(jí)變速器做了較為全面的介紹，對(duì)其分類和發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)做了簡(jiǎn)要概述。介紹了行星錐盤無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)原理及結(jié)構(gòu)，然后對(duì)變速器做了運(yùn)動(dòng)受力分析。同時(shí)對(duì)行星錐盤進(jìn)行了基于低滑動(dòng)率的修形設(shè)計(jì)以及調(diào)速機(jī)構(gòu)的分析。對(duì)基本型恒功率行星錐盤無(wú)級(jí)變速器進(jìn)行了常規(guī)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及各主要部件的數(shù)值計(jì)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.