齿轮型无级变速传动装置设计与运动仿真

摘要本文在学习相关知识，理解非圆齿轮基本概念和基本方法的基础上，系统地阐述了非圆齿轮实现无级变速的工作原理、设计方法及计算校核过程，绘制了齿轮型无级变速装置装配总图和部分零件图，并进行了运动仿真。采用无级变速传动装置取代传统的汽车多挡有级变速器，不仅有利于节能（降低油耗）和环保（减少废气排放），而且变速操作简便。齿轮型无级变速装置由可控相位的多组（本设计中为6组）并列非圆齿轮无级变速定轴轮系—超越离合器—圆齿轮变速机构组成。关键词：非圆齿轮无级变速传动速比AbstractThispaperisstudyingrelatedknowledge,comprehendinganon-circlegearwhichthefoundationofthebasicconceptandbasicmethod,systematicallyelaboratedanon-circlegearhowtowork,theprincipleofthedesignmethodandmatchprocess.Havedrawntheassemblediagramandpartsofsparepartsdiagrams.Theadoptionhastransmissionequipmentofcontinuouslyvariabletransmissiontoreplaceatraditionalautomobiletoblocktheclassgearboxmoresoon,notonlybeingadvantageoustotheeconomyenergy(loweroiltoconsume)andenvironmentalprotection(reducewastegastoexhaust),butalsobecomingtooperatesoonsimple.ThegearCVTtypehassome(thisdesigninfor6setsof)parallelnon-circlegears-overrunningclutch-commongears,whosephase-anglebecontrolledbythecertainequipment.Keywords:non-circlegearcontinuouslyvariabletransmissiontransmissionratio目录第一章概论……………………………………………………………………11.1课题的来源、意义及国内外的现状和发展…………………………11.2课题任务………………………………………………………………2第二章非圆齿轮实现无级变速的原理………………………………………32.1非圆齿轮的基本理论知识……………………………………………32.2非圆齿轮的传动特性…………………………………………………3第三章传动方案的选定………………………………………………………63.1星型布局方式…………………………………………………………63.2并列布局方式…………………………………………………………83.3方案对比选择……………………………………………………………10第四章非圆齿轮设计…………………………………………………………114.1非圆齿轮的中心距与节曲线方程………………………………………114.2中心距的确定……………………………………………………………124.3非圆齿轮的齿廓……………………………………………………………144.4装置结构图…………………………………………………………………14第五章非圆齿轮定轴轮系强度计算…………………………………………165.1变速器的中心距A………………………………………………………165.2齿宽B的计算……………………………………………………………175.3齿形、压力角及螺旋角………………………………………………17第六章变速装置齿轮和轴的材料选用及强度校核…………………………196.1材料选用………………………………………………………………………196.2强度计算及校核………………………………………………………………196.3变速器轴的设计计算…………………………………………………………216.4蜗轮蜗杆设计………………………………………………………………25第七章其他零件的设计选用……………………………………………………307.1轴承的选用……………………………………………………………………307.2超越离合器的选用……………………………………………………………307.3齿轮连接装置………………………………………………………………31第八章箱体设计…………………………………………………………………33第九章非圆齿轮传动的运动仿真……………………………………………349.1运动学仿真的概念…………………………………………………………349.2非圆齿轮机构无级变速的运动学方程………………………………………349.3两级非圆齿轮传动的运动分析……………………………………………369.4非圆齿轮传动装置的运动分析……………………………………………38第十章技术经济意义分析及改进意见………………………………………………44第十一章结论…………………………………………………………………………45致谢…………………………………………………………………………………46参考文献………………………………………………………………………………47毕业设计（论文）1第一章概论1.1课题的来源、意义及国内外的现状和发展[1]本课题来源于湖北汽车工业学院机械工程系机械设计教研室的研究课题。本课题要求设计一种由可控相位的多组并列非圆齿轮无级变速定轴轮系---超越离合器---圆齿轮变速机构组成的齿轮型无级变速器，并进行运动仿真。随着全球汽车工业的飞速发展，汽车新技术的不断使用，在汽车传动系统中又一项新技术得到重新使用，那就是汽车无级变速器技术---CVT（ContinuouslyVariableTransmission）。目前，在汽车广泛使用的自动变速器技术，是将变矩器和行星齿轮机构组合的自动变速器技术，但这种组合还存在着明显的缺陷：传动比不连续，只能实现分段范围内的无级变速，同时，靠液力传递的动力效率影响了整车的动力性能和经济性能，只有增加前进档档位数来扩大速比范围，这样就必须增加使用换档执行元件和行星排数量来实现多档速比，因此无形中又增加了产品结构复杂性和成本费用，而且由于结构复杂给维修带来诸多不便，现在真正意义的无级变速器恰恰解决了这一技术难题。无级变速器现在可以说是当今汽车变速器的理想目标。因为从原始的橡胶带无级变速器开始，到有级的齿轮变速器过渡，再到现代的金属链以及金属带无级变速器，百年大回转说明只有无级变速器才是汽车最理想的变速器。目前，汽车上应用的无级变速器以摩擦式为主，但是，摩擦式CVT承载能力有限，最大输入的转矩为300N.m，传动效率仅84.6%（记入油泵的功率损耗），目前国外汽车公司只装在小排量的轿车上。一对非圆齿轮传动具有非匀速比传动的特性，其传动比是一个函数，属于共轭啮合传动，利用两级非圆齿轮的传动特性可以连续实现可变定传动比，对提高传动装置的最大输入转矩具有很大的潜力。在课题的调查阶段，本人在学校图书馆阅览室，利用目前查阅科技文献常用的万方数据库和维普数据库输入“非圆齿轮无级变速器”等关键词，检索有关“非圆齿轮无级变速器”的期刊和学术论文资料，鲜有实质性资料。毕业设计（论文）2非圆齿轮应用于无级变速传动早在1975年就得到了实现，Keer首先采用非圆齿轮（non-circlegear）和含锥齿轮传动和超越离合器的加法差速器机构实现无级变速技术,并申请了差速器CVT专利。此后,又有几种以不同形式的非圆齿轮和加法机构组成的无级变速器被开发出来，并制成样机进行实验，证实了非圆齿轮应用于无级变速技术的可行性。最近，由Dooner和Seireg推出一种能够产生锯齿型速比的非圆齿轮传动的无级变速器，非圆齿轮装置间采用可控相位和行星加法差速器，其可以在规定的范围内实现无级变速传动。但是由于此装置采用非圆齿轮和行星加法差速器来实现无级变速技术，而造成传动装置中有大于六倍输入功率的封闭功率损失，从而使传动效率降低。国内对非圆齿轮的研究起步较晚，在二十世纪八十年代到九十年代末，我国不少学者从非圆齿轮的齿廓形状、节曲线设计、重合度计算以及实际应用等方面对非圆齿轮传动技术进行了深入的研究，并取得了一定的研究成果；之后随着计算机技术的迅速发展，许多学者利用计算机技术，对非圆齿轮传动设计、模拟仿真作了研究探讨。1995年，周祖焕设计出了心形非圆齿轮无级变速装置，其变速比为1.41；之后在2002年又设计出鱼形非圆齿轮无级变速装置，其变速比为2.381。这两种非圆齿轮无级变速装置均是采用定轴非圆齿轮轮系实现的无级变速传动，与国外非圆齿轮无级变速传动装置相比，消除了内部的封闭功率，提高了传动效率。但是，这两种非圆齿轮无级变速装置中，非圆齿轮的节曲线不平滑，故只能应用于低速传动装置当中。1.2课题任务课题名称：齿轮型无级变速传动装置设计与运动仿真本课题要求设计一种由可控相位的多组并列非圆齿轮无级变速定轴轮系----超越离合器----圆齿轮变速机构组成的齿轮型无级变速器，并进行运动仿真。主要技术要求：1、能够用于商用车，可传递最大扭矩大于400N·m2、运转平稳可靠，无明显冲击3、传动速比范围较大，能实现连续无级变速传动毕业设计（论文）3第二章非圆齿轮实现无级变速的原理[2]2.1非圆齿轮的基本理论知识非圆齿轮可以认为是圆齿轮的一种变形，即其滚动节圆巳变为非圆形，称之为节曲线。反之，也可以认为非圆齿轮是圆齿轮的一种普遍情况，而圆齿轮则是非圆齿轮中的一个特例，即其节曲线的曲率半径为常量。由于非圆齿轮的节曲线曲率半径是变量，故由回转中心到啮合节点的向量也是变量，因而在一对非圆齿轮的啮合过程中，其传动比是变化的。传动比的变化规律是由两轮节曲线向径的变化规律决定．或者，两节曲线的形状由传动比的变化规律决定。非圆齿轮机构在运动学方面的特征，就是能实现主动件和从动件转角间的非线性关系。通常用于实现这种非线性关系的机构有连杆机构、凸轮机构，非圆齿轮机构与这两种常用机构相比具有结构紧凑，传动精确、可靠、平稳，易于动平衡的特点。非圆齿轮与其它机构组合，还可实现摆动、振荡及问歇等各种复杂特殊的运动，而且还可获得较好的传动性能。非圆齿轮传动具有变传动比的特性，可以实现函数运算。2.2非圆齿轮的传动特性当一对非圆齿轮传动时。其传动比是以齿轮转角为自变量的函数。如图2.1中轮A和轮B为两个非圆齿轮，啮合时其传动比函数iAB可为极角数的函数，即1kBAABi(1，k为常数)（2.1）对图2.2所示的二级非圆齿轮传动，令第一、二级的传动比函数分别为：毕业设计（论文）4图2.1单级非圆齿轮传动ABBAi（2.2）OBkCBBCi(2.3)则式(2.3)除以式(2.2)，可得到总传动比为：iAC=CA=iiBABC=BOBKKO(2.4)图2.2二级非圆齿轮传动毕业设计（论文）5上式中O为级间相位角，由式(3)知，当O保持为常量时，总传动比iAC为定值，即获得了定传动比传动，若O连续改变时，则iAC也相应地连续改变了，从而实现了无级变速传动。但是，由于图2所示的非圆齿轮节曲线不封闭，轮A、B和C都只能作往复摆动，而不能作整周转动。我们可以采用具有封闭节曲线的二级非圆齿轮机构来实现无级变速传动．其传动比函数如下：单级传动比函数为：（2.5）（2.6）B'-B=O（bO0），则两级传动比函数为：iAC=CA=iiBABC（2.7）)(''BfkBCBBCi)2('Bb)0('bB)(BABBAfkBi)2(Bb)0(bB毕业设