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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计摘要随着科学技术的不断发展，汽车的变速器制造技术也在飞速发展。驾驶员对变速器的要求也越来越高，为了满足这些要求无级变速器被发明出来。即使汽车在极其复杂的路况下行驶，无级变速器都能确保发动机在最佳运行工况范围内工作。装备有无级变速器的汽车有许多优点，与市面上常见的齿轮变速器相比，其经济性更好，传递效率也更高，对于驾驶员而言操作更加简便，驾驶过程更舒适，其尾气排放量液相对较少。目前，市场上其他类型的变速器已经逐渐被无级变速器取代，其中数量最多、技术最成熟的还要数金属带式无级变速器。本设计对比了各种类型的变速器，将选用金属带式无级变速器的各项理由详细阐述。
2、根据近年来国内外对金属带式无级变速器的研究，对其工作原理进行了深入的描述，更好的理解了这种变速形式。论文内容结合了金属带式无级变速器在近代的研究成果，针对本田思域的无级变速器进行了结构的重新设计，在不改变其变速比的情况下，将其增速与减速阶段改为对称分布，提高其变速范围；重新设计了其组成部件包括主、从动轴；主、从动锥盘和中间减速机构的参数并对部分重要零件进行了强度校核，确保其可行性，希望通过本次设计能将本田思域的变速性能进一步提高；在设计结构的同时还对其带传动机构即带与带轮之间的动力学问题进行了一定的分析，使我们更加深入的了解金属带式无级变速器。 关键词：金属带式无级变速器，结构设计，动力学，强
3、度校核Dynamic Analysis and Structural Design of Car Continuously Variable TransmissionAbstractWith the continuous development of science and technology, automobile transmission manufacturing technology is also developing rapidly. In order to meet peoples requirements for car driving and safety, a conti
4、nuously variable transmission came into being. Even if the car is driving under extremely complicated road conditions, the continuously variable transmission can ensure that the engine works within the optimal operating conditions. Cars equipped with continuously variable transmissions have many adv
5、antages. Compared with common gear transmissions on the market, they are more economical and have higher transmission efficiency. For the driver, the operation is easier, the driving process is more comfortable, and the exhaust emissions The amount of fluid is relatively small. At present, other typ
6、es of transmissions on the market have been gradually replaced by continuously variable transmissions, among which the largest number and the most mature technology are metal belt type continuously variable transmissions.This design compares various types of transmissions, and elaborate on the reaso
7、ns for choosing metal belt type continuously variable transmissions. In recent years, the principle of its operation has been explained in detail in the study of metal belts with constant variable conductivity at home and abroad, and this type of speed change is better understood. The content of the
8、 article includes the latest data on a continuously variable transmission with a metal belt, including main and motor shafts, main and driving bevel disks, intermediate gearboxes and the strength of some key components. Nuclear dynamics and its transmission mechanisms are analyzed. In order to find
9、the best transmission method, we will have a deep understanding of the CVT metal conveyor belt.Keywords: metal belt continuously variable transmission, structural design, dynamics, strength check目录1绪论11.1汽车变速器的作用11.2变速器的种类与特点21.2.1 手动变速器（MT）21.2.2 自动变速器（AT）21.2.3 无级变速器（CVT）21.3无级变速器的类型及特点31.3.1 宽V形胶
10、带式无级变速器31.3.2 摆销链式无级变速器31.3.3 环盘滚轮式无级变速器51.3.4 金属带式无级变速器51.4 采用金属带式无级变速器的优缺点72 金属带式无级变速器基本组成及原理72.1 金属带式无级变速器的基本组成72.1.1 液力变矩器82.1.2 行星齿轮系92.1.3 金属带传动机构102.1.4 减速机构和差速器112.2 金属带式无级变速器的基本原理112.2.1金属带传动的基本原理112.2.2 离合器与行星齿轮换档机构的工作原理143 金属带式无级变速器的几何关系和基本参数153.1 金属带式无级变速器基本传动参数的确定173.1.1 本田思域基本配置参数173.1
11、.2带轮传动参数设计183.2金属带式无级变速器运动参数设计204减速器齿轮的设计与校核214.1齿轮相关数据的设计与计算214.1.1齿轮基本参数的确定214.1.2齿轮的齿数与参数分配224.2 减速器齿轮及行星齿轮系校核274.2.1 齿轮类型、材料、精度的选择274.2.2 各轴的实际转矩和转速计算274.2.3 齿轮1、2的接触强度校核284.2.4 齿轮1、2的弯曲强度校核305 轴与轴上支撑件的设计与校核325.1 轴的工艺要求325.2 轴上各齿轮受力计算325.3 轴的强度计算与校核335.3.1 初选轴的直径335.3.2 轴的刚度验算335.3.3 轴的强度校核356 金
12、属带式无级变速器的动力学分析366.1 金属带运动状态所受各作用力366.2 金属带上各作用力的分析38结 论41参考文献42致 谢43附录44IV1绪论随着世界燃油资源日益缺乏，油价上升，群众越来越钟情于低油耗、性能高的汽车，而为了省油，除了对发动机进行改进，就只能在变速箱方面下下功夫。因此诸如本田、奥迪、奔驰等世界知名的汽车厂商都纷纷投入了大批的人力物力进行研究。目前，绝大多数车辆中所装备的变速箱，应该都是齿轮变速箱，齿轮变速箱的传动比是由一对大小不同的齿轮啮合产生的，由于齿轮传动的限制可知，车速在一定范围内变化时传动比并不会随之改变，其传动比的变化形式是呈跳跃式的，两级传动比之间并不能平
13、顺过渡，而这种传动比变化方式在换挡时由于传动比产生的瞬时变化一定会有明显的冲击产生，变速箱既然采用齿轮这种刚性传动，那么在换挡的过程中有顿挫感就不可避免，并且变档时，需要踩下离合器，切断动力传输，拨动档杆才能切换档位，操作相对复杂。过去看起来很便捷的手动变速器和自动变速器随着汽车的逐渐普及和各种复杂路况的增多，已经慢慢变得开始变得乏善可陈。尤其是当进入繁华的闹市中时，装备了手动变速器车辆不得不时常切换档位，然而频繁的换挡操作不仅费事吃力而且容易分散驾驶员的注意力，危害到驾驶员的人身安全；而常见的自动变速器虽然能够避免了驾驶过程中的频繁换挡提高了安全性，但是其油耗与手动变速器相比多了10%，而无
14、级变速器可以完美的解决油耗与驾驶安全性的兼容问题。无级变速器的各项性能参数与其他类型的变速器相比都有显著的优势；除此之外无级变速器结构简单，零部件数目比自动变速器都要少。随着科技的不断进步，无级变速器将有可能形成完善的流水线生产链条，其成本将逐渐降低，甚至最后可能低于AT。因此，各国不断加强对无级变速器的研究，对于汽车的乘坐舒适性、驾驶安全性的提高和减轻汽车尾气造成的空气污染都有巨大的战略意义。1.1汽车变速器的作用 汽车变速器是将发动机的输入的转速和转矩经过一级级的减速增距最终转变成输出轴的转速和转矩的变速装置。根据汽车在不同路况下提出的工况要求，通过改变传动比将发动机的转速和转矩调整到适合
15、该工况下的输出轴转速和转矩，使得车辆拥有适合该工况下的最快速度和最大牵引力，同时确保发动机的工作工况一直处于最佳工况范围内。汽车变速器除了能除了能使车辆加速前进之外还要保证能够实现反向行驶以及能够切断动力传输，因此变速器除了具有前进档外，还应该具有空档和倒档。1.2变速器的种类与特点 当前乘用车上装备的变速箱主要可以分为三种，一是手动变速器（MT）；二是自动变速器（AT）；三是最受驾驶员喜爱的无级变速器（CVT）。1.2.1 手动变速器（MT）需要驾驶员手动切换档位才可以使得变速器内的齿轮的啮合位置发生变化，进而改变齿轮传动比改变速度的变速器称为手动变速器。由于其主要是依靠齿轮传动所以也称为机
16、械式变速器。它主要有结构简单、油耗低、传动效率高、易于制造且价格低廉、能进行大转矩传递、加速时间短、开发时间短等优点。目前市场上常见的手动变速器主要是5速或6速手动变速器，主要运用在SUV、中型车及紧凑型轿车等车型，为了在降低油耗的同时提升驾驶的乐趣，传递转矩逐级增大，手动变速器中档位数为6的变速箱是主流的变速箱，目前采埃孚公司和宝马公司正在加紧研发7速的手动变速器。1.2.2 自动变速器（AT） 自动变速器主要由三个部件组成，分别是：使汽车实现反向行驶的行星齿轮系，对发动机输出动力进行减速增矩的液力变矩器，还有能够随车速自动改变传功比液压操纵机构。发动机输出的动力主要由AT中的液力变矩器和齿
17、轮系组合传递，从而实现变速变矩的目的。在AT的三个组成部分中，液力变矩器是其最重要的组成部件，它仅由三个零件组成，分别是泵轮、涡轮和导轮。在这般简单的结构下，液力变矩器不仅能够传递转矩还能够起到离合的作用。虽然AT能够自动改变传动比，但其实质上依然属与齿轮传动，相邻两级传动比切换时仍然无法平顺过渡，是一种有级式自动变速器。AT按照轴的布置方式不同，能够分为旋转轴式和固定轴式两种。由于固定轴式占用空间体积较大，因此无法实现过多的档位变换（限制在56速），大部分的变速器公司都采用旋转轴式技术方案，根据档位数目的不同分为4AT、5AT、6AT、7AT、8AT、9AT六种，通用、大众等汽车公司已经开始
18、研发10AT。1.2.3 无级变速器（CVT）无级变速器可以再不中断动力传输的情况下使传动比连续改变，避免了像MT和AT在换挡过程中的产生的顿挫感，提高了驾驶过程的舒适性和平顺性；同时能够使得发动机稳定运行在最佳工况范围内，减少了发动机的燃油消耗，提高了传动效率，减少了尾气的排放；并且当车辆在面对复杂路况时，能够使驾驶员不用进行过多操作，不用因频繁变档而分心，极大地保障了驾驶员的人身安全。因此CVT受到了世界上大多数汽车制造商的青睐，也是人们购车时较为倾向购买的变速类型。本次设计就是设计一款无级变速器。1.3无级变速器的类型及特点 目前在汽车中装备的常见的无级变速器大致有四种，分别宽V形胶带式
19、无级变速器、摆销链式无级变速器、环盘滚轮式无级变速器以及技术最成熟，应用最为广泛的金属带式无级变速器。1.3.1 宽V形胶带式无级变速器宽V形胶带式无级变速器是最早被发明出来的无级变速器，它是由荷兰DAF公司在1965年发明的。该公司发明这款无级变速器后主要将其安装在微型轿车中，但由于带材料的限制，当变速器高速运转时，胶带的强度不够大而导致带容易出现断裂的情况且传动过程中普遍出现打滑现象传动效率不高。因此这款无级变速器只生产了大约80万台，就彻底退出了历史舞台。1.3.2 摆销链式无级变速器德国LUK公司为了解决宽V形胶带式无级变速传动中所发现的带的各种缺点而发明了强度更高的摆销链，将带式无级
20、变速器中的宽V形胶带用摆销链替代，这种带式无级变速器被称为摆销链式无级变速器。由于其专利被奥迪公司买断，所以它主要使用在奥迪系列的汽车上，其三维剖视图如图1.1所示。图1.1 三维剖视图它最大的特点就是只将低速级改造成无级变速传动。这是因为摆销链独特的结构形式所产生的多边形效应，使得链在高速运动时相邻摆销之间快速摩擦会造成很大的噪声和振动，带与带轮之间会产生极大的动态应力。为了解救这些问题，许多公司开始给链安装导链板，借此减轻振动和噪声。然而，由于在低速传动过程中，经过一系列减速增矩后，传动系统承受的转矩变得很大，为了防止带与锥盘之间发生滑动摩擦，锥盘对带的夹持压力相应的也要变大。而变速器的夹
21、持压力是由液压系统的油压决定的，因此液压系统的压力需要随之增大，而对于摩擦盘式离合器而言仅需要不大的油压就可以实现工作，而液压系统要同时达到变速器油压和离合器油压其结构形式就会变得极其复杂。摆销链式无级变速器最成功的设计就是仅用一套装置就能实现前进、倒档，同时又满足起步离合器的功能要求。而这套装置的组成又极其简单，仅有一组行星齿轮系和两组摩擦盘式离合器1.3.3 环盘滚轮式无级变速器除了上述两种带式变速器外轿车上还有一种较为常见的车用无级变速器，它就是由英国公司Torotrak在20世纪末发明的环盘滚轮式无级变速器。其工作原理为，当汽车运动时，动力直接传递到输入环盘，环盘与滚轮接触面上产生足够
22、的摩擦力推动滚轮转动，滚轮的另一端与输出环盘接触，滚轮转动时借由接触面上的摩擦力将动力传递给输出环盘。由图1.2可以直观的看出来，假设我们过A点做一根垂直于纸面的轴为y轴，当滚轮旋转轴为y轴时，滚轮接触两个环盘的点的位置发生连续的变化，两环盘接触点的回转半径也随之发生连续变化，从而达到无级变速的目的。 A图1.2 变速原理图1.3.4 金属带式无级变速器由于普通的V形胶带受材料限制无法适应大传动比的动力传输，所以荷兰工程师Van Doorne开始考虑改变带的材质最后研发出了金属带。荷兰VDT公司将其研究出来的金属带装备在无级变速器上后得到了金属带式无级变速器，该金属带也因此被称为VDT带。用V
23、DT带取代了胶带后，有效的避免了带的断裂和打滑现象，提升了变速器传动效率和可靠性，延长了使用寿命。在近代无数科学家的努力下，生产金属带式无级变速器的流水线技术日趋成熟，成本的降低逐渐使汽车无级变速器开始变得流行起来。 顾名思义，金属带式无级变速器就是用上面提到的VDT金属带组件替代了原本的V型胶带作为传动带。由图1.3可以看出，金属带组件是由摩擦片和钢带环组成的，其中摩擦片大约有200片和钢带环大约有912层。其中钢带环组由于受力较大且复杂，所以要求其不仅要保证带环强度不能小于2000MPa，还要求相邻两层钢带环之间的接触面没有间隙，这就导致了钢带环的制造工艺极难，这也是限制金属带产量的最大原
24、因。金属带式无级变速器的带传动机构如图1.4所示，它是由主、从动两对锥盘和一条金属带组成，金属带安装在两锥盘形成的V形槽中，依靠锥盘锥面与金属带两侧面之间的摩擦力进行传动。其能够无级变速的主要原理是主、从动锥盘中都各有一个是活动盘，活动盘进行轴向移动的过程中，金属带径向的工作半径会随之产生无级变化，传动比连续改变。鞍面摆棱钢带环摩擦片侧边图1.3 金属带组件三维图动锥盘金属带定锥盘轴图1.4带传动机构三维图1.4 采用金属带式无级变速器的优缺点在诸多类型的无级变速器中，能在汽车上使用的只有上述几种，其中又以金属带式无级变速器的生产技术最成熟和应用范围最大。而对于采用金属带式无级变速器的汽车来说
25、，其最大的优点自然是变速比可以由电脑控制产生无级变化，档位切换过程平顺过渡，避免了常见齿轮变速器换挡时产生的顿挫感，提高了驾驶过程的舒适性。其次在面对复杂路况时，金属带式无级变速器可以使发动机在最佳工况范围内工作，使发动机的燃烧性能达到最佳，降低汽车尾气中有害物质的含量；经过一系列试验测定得到金属带式无级变速器最高可以达到97%的传动效率，动力性和燃油经济性与其他类型的变速器相比更优秀。其体积和重量也是所有种类的变速器中最小的，这是因为它组成简单，轴系分布紧凑，整台变速器的零件数量比一般的五档AT要少将近一半。当然，金属带式无级变速器也并非没有缺点，与其他种类的变速器相比，CVT的造价较高，且
26、摩擦损失也较大，特别是在变速的过程中，要使带轮和金属带在径向有相对运动，传动效率会降低到60%左右。受到变速器结构的限制，CVT传动比的变化范围比普通5挡AT的变化范围小，转矩容量也不高；受带轮尺寸等原因的下限值，带式CVT的布置也受到了一定的限制。尽管金属带式无级变速器有着上述种种不足，但瑕不掩瑜，其对于汽车驾驶安全性，行车过程舒适性，动力性和燃油经济性的提高是有目共睹的，金属带式CVT注定会成为各大汽车生产商的新宠儿。因此本次设计就是对金属带式无级变速器进行结构设计并用动力学知识对其传动机构进行分析，让我们能够更加深入的了解这种变速器的巨大作用。2 金属带式无级变速器基本组成及原理 2.1
27、 金属带式无级变速器的基本组成 由图2.1的无级变速器二维图可以看出金属带式无级变速器主要由行星齿轮系、液力变矩器、带传动机构、主减速器和差速器组成。发动机输出的动力和转矩通过液力变矩器，前进档/倒档/空档切换机构后传递给主动带轮；动力和转矩通过带轮与金属带接触面之间的摩擦力传递给从动带轮，再经由主减速器，这一系列减速增矩过程后，最终输出到车轮。1413121110987654321 而在每一款不同的车上，无级变速器的结构虽然与上图基本类似，但在组成部件的详细参数上并不完全相同，所以本次设计针对本田思域2019款尚悦版的运动参数对其结构进行优化，并计算各部件的详细参数。2.1.1 液力变矩器
28、CVT所装备的液力变矩器主要作用是起步和减缓冲击，只在起步后行驶距离5-10 m内，车速不超过20-25km/h 的范围内工作，超出该车速范围后立即被锁止，使用率并不高。受到车身空间结构和变速器其他结构大小的影响，液力变矩器的轴向尺寸相比普通的自动变速器要略小，虽然这种改变牺牲了液力传动的起步优势，但对CVT来说，实际的影响并不大，因此本次设计对于液力变矩器并没有涉猎。2.1.2 行星齿轮系 液力变矩器和主动带轮的中间还设有如图2.2所示的双排行星齿轮机构，主动带轮轴与内齿圈相连，液力变矩器输出轴与中心轮相连；在行星架和中心轮之间设置离合器，变速器壳体和行星架之间设置制动器。为了实现汽车的前进
29、档和倒档的切换，就要在行星齿轮系中加装离合器和制动器，通过控制它们的接触和分离来实现档位的切换。图2.2 行星齿轮系三维图当处于前进档时，制动器分离，离合器接合，中心轮和内齿圈的角速度方向相同，实现汽车前进；处于倒车档时，离合器分开，制动器接合，中心轮和齿圈的角速度方向相反，实现汽车倒退。行星齿轮传动是一种齿轮常啮合传动，其换向时产生的冲击力与一般的定轴式齿轮要低得多，因此能够保证平稳且柔顺的换向。行星齿轮系的独特结构形式还能够使变速器的轴向尺寸明显缩小。除此之外，行星齿轮传动不仅能平衡所受到的径向力，还具有很强的抗振动和抗冲击能力，这都是由行星齿轮多点啮合的对称性决定的。行星齿轮系的最大负载
30、能力是由其行星齿轮的数目决定的，行星轮数目越多负载能力就越小。对于汽车用的无级变速器来说最好使用双排行星轮。2.1.3 金属带传动机构 如图1.5所示由VDT带和主、从动带轮组成的金属带传动机构是金属带式无级变速器最核心的部件；主、从带轮都有两个锥盘，其中一个可以沿轴向移动的动锥盘，另一个与轴固定在一起的定锥盘，VDT带位于两个锥盘之间。由图2.3可以看出摩擦片的一面有凸起，另一面则有一个凹坑，为了防止两块相邻的钢片错位；两侧斜面角度与带轮锥面角度相匹配。变速器工作时，数百块钢片堆叠在一起，由两对锥盘夹持在中间，通过锥盘锥面与摩擦片两侧面之间的摩擦来传递动力。 摩擦片上的凸起10-12层钢带环
31、350-400片金属块图2.3 VDT带的构造由强度极高的无缝钢制环片叠合而成的钢带环具有极高的韧性，并具有承受极大弯曲应力循环的能力。钢带环既能汽车怠速时提供预紧力，也能在金属带高速运动过程中，对摩擦片进行支撑并引导摩擦片的运动，防止钢片偏移，同时还要承担部分转矩的传递。两组无缝套合的环片组成的金属带环嵌入钢片左右两边的狭槽中，将钢片夹在中间，组合形成能够弯曲的柔性金属传动带。由此，带轮对带的夹紧力由钢片承受，夹紧力径向分量和带运动时产生的离心力则由带环来承受。在周向上，带环和钢片之间存在摩擦力，在VDT带的直线部分与圆环部分交接处，带环会产生形变，假如由一条较厚的环片组成带环，则会因为单片
32、带环的厚度过大而产生较大的弯曲应力，带环容易断裂，而由多层薄环片组成的带环则不会有这种过大的应力产生，即使多层带环中有一层或几层因故断裂，变速器也不会因此直接损坏。除了VDT带，传动机构的另一个重要组成部分带轮，它分主动带轮和从动带轮，每对带轮都有一个滑动锥盘和一个固定锥盘，当汽车变速需要时，滑动锥盘沿轴向开始移动，由于金属带是恒长的，所以其轴向位置改变的同时也会改变主、从动带轮各自的节圆半径，从而达到调整带传动的传动比的效果。2.1.4 减速机构和差速器在装备了CVT的汽车中，发动机飞轮的旋转方向大部分都设计成和汽车前进时车轮的旋转方向相同，这样设计可以减少在变速时产生的变速冲击。如图2.4
33、所示，为了使CVT能够达到上述旋转方向的关系，在从动带轮和输出轴之间需要设计一个二级主减速器，该二级减速器同时也能够增大从动带轮轴和输出轴之间的距离，保证了输出轴与从动带轮轴之间没有机械干涉。主减速齿轮二级减速一级减速图2.4 二级主减速器三维图差速器是每一台汽车都必须装备的重要部件。它能使汽车在转弯时内侧车轮的转速低于外侧车轮的转速，并防止出现车轮因转向角度过大而导致的自锁现象。装备在CVT上的差速器与普通的差速器并没有明显不同，因此，本次设计并不会对它进行设计。2.2 金属带式无级变速器的基本原理2.2.1金属带传动的基本原理动力从发动机输出后经过液力变矩器的减速增距再传递到固定主动带轮的
34、主动轴上，主动轴带动主动锥盘开始旋转，主动锥盘锥面与金属带的摩擦钢片两侧边接触处出现足够大摩擦力，该摩擦力开始推动摩擦钢片向前运动。与此同时由于该摩擦片会推着前一个摩擦片向前运动，相邻两摩擦片之间会有推压力产生。该推压力在带轮与金属带的接触弧上出现后并非一成不变，它会在摩擦钢片进入主动带轮绕接触弧运动到离开带轮这个过程中层层叠加越变越大；再经金属带将推压力传递到从动带轮上，由于摩擦钢片侧面与从动带轮锥面相接触，所以金属带在主动轮上累积的推压力转变为摩擦钢片与锥面之间的摩擦力，从动带轮受力的影响开始转动，从动带轮固定在从动轴上，因此顺利将动力传递到了从动轴上。在传动过程中，主动带轮上被挤压在一起
35、的摩擦钢片数量会随着传递转矩的增加而变多，受逐渐增大的推压力的影响所有位于从动带轮接触弧上的摩擦片之间都紧密贴合。在摩擦钢片进入从动带轮绕接触弧运动到离开从动带轮这个过程中，摩擦片间的推压力逐渐转化为摩擦力越变越小，直到离开从动轮时彻底消失。因此，带传动负载工作时，VDT带会出现松边（图2.5上侧）和紧边（图2.5下侧）。金属带式无级传动传递转矩的方式与动力传递方式不同，其主要依托摩擦钢片之间的推压力作用，因此金属带式无级变速传动也被称为压缩带传动。图2.5 VDT带受力分析汽车变速时，可以通过改变主、从动带轮滑动锥盘的轴向位置，使主动带轮的节圆半径与从动带轮节圆半径不一致，从而达到调整传动比
36、的效果，如图2.6所示三幅图分别表示传动比小于、等于及大于1时朱从动带轮的位置关系。滑动锥盘在轴向移动的过程中，主、从动带轮节圆半径产生连续变化，而且必定是一个变大，另一个变小。a) i1时图2.6 滑动锥盘的轴向位置与传动比的变化如图2.7所示滑动锥盘与带轮轴之间是由滚珠花键连接的，滚珠的作用是降低滑动锥盘在轴向上的滑动摩擦和极限静摩擦，使得推力超过极限静摩擦后出现的加速度突变降低且减小摩擦阻力，使变速过程变得更加平顺，操纵更加轻松便捷。在与金属带侧面接触的部分，带轮会有向外张开的趋势，会承受一定的弯矩。该弯矩由滑动锥盘毂和带轮轴之间的接触面压力平衡。为避免过大的弯矩使得锥盘对滚珠花键里的钢
37、珠产生直接作用，毂和轴将会设计成阶梯结构。但是，当滑动锥盘旋转时，轴孔表面间隔依然会产生周期性的变化，所以滚珠花键钢珠仍然会受到挤压，产生交变的径向压力。花键滚珠图2.7 滚珠花键及滚珠受力2.2.2 离合器与行星齿轮换档机构的工作原理结构简单，易于维修，性能稳定的摩擦片式离合器是许多汽车的首选离合器。行星齿轮换向机构的可靠性高，结构紧凑，承载能力高，也被多数汽车采用。所以在金属带式无级变速器（CVT）上通常采用的离合器换向机构就是由行星齿轮换档机构和摩擦片式离合器组合而成。当汽车处于倒挡时，前进离合器的液压缸与倒挡离合器的液压缸一个泄压一个加压，前进离合器的压盘和摩擦片快速分离，倒挡离合器的
38、压盘和摩擦片在液压的作用下相接触。与此同时，发动机的动力传递被前进离合器的分离被切断，使得主动带轮轴无法接收到发动机的动力。倒挡离合器的接合将内齿圈固定在变速器的箱体上，行星架在接收动力后直接传给行星轮，在固定内齿圈的作用下，动力方向被双行星轮机构反转之后再传递给中心轮，最后由中心轮将反转方向后的动力传递给变速器的主动轴，从而改变变速器主动轴的转向。当汽车处于前进档时，倒挡离合器的液压缸迅速泄压，使得倒挡离合器的压盘和摩擦片快速分离，紧接着前进离合器的液压缸也开始运行，推动前进离合器的摩擦片和压盘相接触，行星轮和内齿圈由于倒档离合器的泄压开始自由运动，中心轮因此不会接收到任何行星轮传递出来的动
39、力，中心轮和行星架由于前进离合器的接合连接成一体。发动机动力的输出路径为行星架中心轮变速器主动轴，由于不经过双排行星轮的变向所以动力方向不改变，变速器主动轴正向转动。3 金属带式无级变速器的几何关系和基本参数由于金属带的结构特殊，它使摩擦钢片的摆棱在锥盘上的包角是连续接触的。由图3.1可以看出带轮的包角部分是一段圆弧，这是因为摩擦钢片的厚度较薄，可以被忽略，所以我们将摆棱的连线看成一段圆弧。由于金属带在不同位置时运动状态不同，所以我们可以分为四个部分来进行分析，即摩擦片与主动带轮的接触弧ab，金属带的松边bc，摩擦片与主动带轮的接触弧cd，金属带的紧边da。根据带传动的特性可知，摩擦钢片摆棱的
40、线速度Vb在摩擦片与主动带轮的接触弧ab和金属带的松边bc上是连续的。在忽略金属带滑移的前提下，线速度可由Vb=AR1=BR2来表示。由图3.2可知，金属带传动的理论传动比可由公式（3.1）表示为：i=AB=R2R1 (3.1)式中，A表示主动带轮的角速度，B表示从动带轮的角速度，单位是rad/s；R1表示主动带轮的节圆半径，R2表示从动带轮的节圆半径，单位是mm。当变速器的传动比处于最大的状态时，由图3.3可知，金属带在从动轮节圆半径最大处，主动轮节圆半径最小处工作，公式为：imax=R2maxR1min (3.2)当变速器的传动比处于最小的状态时，由图3.3可知，金属带在从动轮节圆半径最小
41、处，主动轮节圆半径最大处工作，公式为：imin=R2minR1max (3.3)变速器的变速范围用变速比Rb来表示，它的值就是变速器最大和最小传动比的比值，结合公式（3.2）和（3.3）可得：Rb=imaximin=R2maxR1maxR1minR2min (3.4)图3.2 变速原理图带传动过程中，当传动比最大或最小时，主、从动轮之间将会出现一个最大节圆半径和一个最小节圆半径。变速比Rb的公式可以用主、从动轮的节圆半径表示为：Rb=(R2maxR1min)2=(R1maxR2min)2 (3.5)已知由两个带轮的之间中心距可以确定最大节圆半径，由主、从动轴的轴径可以确定最小节圆半径，由公式（
42、3.5）可知，当变速器的增速阶段与减速阶段范围一致时，无级变速器可以得到最大的变速比，因此主、从动带轮在设计时只需设计一个，因为所有带轮的大小相同。当已知金属带传动的传动比为i和带轮轴中心距A时，可以用公式组（3.6）求得主、从动轮的节圆半径： L=R1+h(-2)+R2+h(-2)+2Acos sin=R2-R1A (3.6) i=R2R1式3.6中， R1、R2主、从动带轮节圆半径； h由图3-1可以看出是摆棱与鞍面之间的距离； L一般默认取金属带钢环内环周长； A两带轮轴的中心距。上述各项参数的单位均为mm。3.1 金属带式无级变速器基本传动参数的确定3.1.1 本田思域基本配置参数表3
43、.1 发动机基本参数发动机功率92kw最高车速200km/h整备质量1245kg最大功率转速5500rpm最大扭矩173Nm最大扭矩转速2000-4500rpm轮胎规格215/55 R16总质量1545kg表3.2 CVT基本参数带轮传动比0.412.993传递效率92%主减速器传动比4.15传递效率95%行星齿轮机构前进传动比1传递效率97%3.1.2带轮传动参数设计在设计金属带轮前，需要对输入轴进行材料的初选并根据式3.7进行最小轴径d的估算,根据机械设计P192，可以选定输入轴的材料为35SiMn合金钢，最小轴径d 由公式3.7可得：dC3Pn=1003925500=25.57mm (3
44、.7)由表3.1可知发动机的最大功率P=92kw；发动机的最大功率转速n=5500rpm；C为常数100。根据发动机输入的转矩和变速器的结构要求，对带轮轴结构进行初步设计。初选主、从动带轮轴的轴径d01、d02为50 mm，因此由式3.8可得带轮的最小初选工作半径为：RAmin=d012+e1=50/2+5=30 (3.8)RBmin=d022+e1=50/2+5=30在一般设计过程中，都选择主、从动带轮轴径相同，即d01=d02 =50；式中的e1=45mm。其取值是由摩擦片的结构决定的，在最小工作半径上加这个值的目的是为了确保金属带传动的节圆处于最小状态时，金属带运动过程不会接触到带轮轴，
45、防止出现机械干涉。由图3.4可知，金属带运动过程中，节圆半径要大于工作半径，这是由金属带的特殊结构所导致的。金属带传动的最小节圆半径R1min、R2min与带轮的最小工作半径RAmin、RBmin的关系可用公式表示为：R1min=R2min=RAmin+1=RBmin+1 (3.9) =30+3=33mm公式（3.9）中的1的值是由金属摩擦片侧边线与锥盘的锥面母线的共轭关系以及金属摩擦片的结构尺寸共同确定，通常为34mm工作半径节圆半径带轮半径1图 3.4 带轮径向尺寸参数确定带轮参数后就可以进行金属带传动中心距的计算。根据公式3.4可知变速比为Rb=2.993/0.41=7.3；当变速器增速阶段大小与减速阶段大小以传动比i=1为对称轴对称分布时，则根据公式3.4可得： imax=Rb=2.7019imin=1Rb=0.3701根据式3.2和3.3可得带轮的最大节圆半径R1max、R2max可得变式为： R1max=R2minimin=33/0.370