現(xiàn)代無級變速器的理論研究

楊曉杰等

摘 要：文章首先基于端面摩擦傳動的理論對無級變速器進行了結構設計，為了更好地將端面摩擦傳動的形式應用在變速器上，設計出了一款新型的小輪，可以減小變速所需推動力。文章驗證了基于端面摩擦傳動原理的無級變速器應用的可行性，為適用于汽車等無級變速器研制的進一步完善和端面摩擦傳動的研究提供了支持。

關鍵詞：無級變速器；端面摩擦傳動；理論研究

1 緒論

1.1 引言

CVT技術即無極變速技術，由于CVT可以實現(xiàn)傳動比的連續(xù)改變，從而得到傳動系與發(fā)動機工況的最佳匹配，提高整車的燃油經濟性和動力性，改善駕駛員的操縱方便性和乘員的乘坐舒適性，所以它是理想的汽車傳動裝置。

1.2 主要研究內容

文章選取了端面摩擦傳動的無級變速方式。這就要對端面摩擦傳動進行具體的設計分析。文章主要研究以下內容：

（1）無級變速器的結構設計；（2）端面摩擦傳動的分析。

2 無級變速器的結構設計

2.1 端面摩擦傳動的基本理論

2.1.1 端面?zhèn)鲃釉砑疤攸c

在壓緊力的作用下摩擦輪之間會形成一個接觸區(qū)，依靠此接觸區(qū)主動輪可以將運動和扭矩傳遞給從動輪，這種傳動方式成為摩擦傳動。端面摩擦傳動是摩擦傳動的具體表現(xiàn)方式之一，它的特點是主動輪的軸線與從動輪的軸線互相垂直。

2.1.2 端面摩擦的傳動比計算

將小輪裝在輸入軸上，保證小輪只有沿輸入軸橫向移動和沿軸線旋轉兩個自由度；小輪和輸出圓盤之間施加壓緊力，當小輪轉動時就會與輸出圓盤之間產生摩擦力，帶動圓盤轉動；調速機構橫向推動小輪，通過改變R2大小來改變小輪與圓盤間的變速比。如圖1所示。

小輪的轉速為n1，小輪的位置為R2，小輪的直徑為D1，圓盤的直徑為D2，小輪與輸出圓盤之間沒有相對滑動時，輸出軸的轉速n2與傳動比i12分別為

2.1.3 端面摩擦傳動中的滑動問題

端面摩擦傳動過程中，無法保證摩擦輪一直處在理想的工作狀態(tài)，會存在傳動失效或者傳動性能欠佳的問題。摩擦傳動主要存在以下三個方面的問題：彈性滑動、打滑以及幾何滑動。

（1）彈性滑動

因材料的幾何變形造成的滑動稱為彈性滑動。金屬材料的變形必然會引起小輪與輸出圓盤在接觸區(qū)域產生彈性滑動。其結果表現(xiàn)為，輸出圓盤的圓周線速度v2比小輪的圓周線速度v2要小一些。其關系可以用式（3）表示。

上式中，v1、v2分別為小輪和輸出圓盤在接觸區(qū)線速度的降低量；v為因彈性滑動引起的輸出圓盤線速度總的損失量。這里引入彈性系數(shù)來表述彈性滑動大?。?/p>

由上可知，對于端面摩擦傳動而言，彈性滑動的存在，會導致小輪無法把運動完全傳遞給圓盤，即傳遞的線速度受到損失，這樣一來傳動的精度和效率都會受影響。小輪和輸出圓盤所用材料彈性模量值越高，硬度越強，這種影響就越小。因此，為了減小端面摩擦傳動過程中的彈性滑動，選材時要選用高彈性模量高硬度的材料。

（2）打滑

事實證明，彈性滑動無法避免，對傳動性能有一定影響；傳遞運動和力的功能基本符合要求，此時接觸區(qū)域摩擦力矢量和與輸出圓盤上的阻力矩平衡掉。如果輸出端的負載力矩繼續(xù)增大，直到大于小輪與輸出圓盤間的最大靜摩擦力，就會出現(xiàn)小輪在輸出圓盤表面滑動的現(xiàn)象，如果經常發(fā)生打滑，小輪和輸出圓盤的表面就會被磨損，出現(xiàn)磨痕，會大大降低使用壽命。在設計的時候，給小輪和圓盤提供足夠的法向壓緊力，打滑現(xiàn)象就不會出現(xiàn)。

需要提供壓緊力的值的計算如下：

（5）

式中，Q1、Q2-小輪與圓盤受到的壓緊力（m）；KA-工況系數(shù)，原動機為電機，工作機的方式為較小沖擊，取為1.25；T1-圓盤的負載扭矩；D1-圓盤的工作直徑；fp-小輪與圓盤間的需用摩擦因數(shù)。

（3）幾何滑動

把因幾何因素引起的滑動現(xiàn)象稱為幾何滑動。輸入軸帶動小輪轉動時，在接觸線上小輪各點的線速度是v1相等的；對輸出圓盤而言，接觸線上各點的線速度v2都不相同，大小為輸出圓盤的角速度與各點和圓心間的距離的乘積，在圓盤表面上的接觸線最遠端的點線速度是最大的。

而根據(jù)端面摩擦傳動原理，為了避免打滑，小輪與輸出圓盤的運動速度必須由一點確定。在幾何滑動的情境中，在接觸線上小輪與圓盤各自只有一個接觸點線速度是相等的，現(xiàn)在把這個點稱為節(jié)點。節(jié)點應該位于小輪寬度一半處，只有在節(jié)點處小輪與輸出圓盤的結接觸是純滾動。由此可知，接觸線上的點除節(jié)點外小輪和輸出圓盤的其它接觸點線速度都不相等，靠近圓心處小輪上接觸點的線速度比對應的圓盤上的接觸點線速度大，靠近邊緣處則相對而言較小。并小輪相對圓盤的線速度大小可以用v1-v2表示。在這些點上，小輪與圓盤都會產生相對滑動。

2.2 結構的設計

2.2.1 主體傳動部件

如圖2所示，主體傳動部分主要包括三個零件：輸入軸、小輪和輸出圓盤。輸入軸的軸線與輸出圓盤垂直；輸入軸依靠花鍵與小輪配合，小輪可以通過花鍵在輸入軸上軸向移動。

根據(jù)前面的內容i12=，其中R2可以從18mm變化到41.9mm，R1=20mm，為彈性系數(shù)，取為0.02%。計算可得傳動比i的變化范圍為0.9-2.1。

（1）壓緊力的計算

壓緊力是為了保證小輪與圓盤之間不發(fā)生打滑。

其計算公式如下：Q= （式中Q-壓緊力；fp-許用摩擦系數(shù)；T-輸出扭矩；D2-圓盤接觸直徑）

由于變速器由電機驅動，原動機的工作方式選為均勻，工作機的工作方式選為較小沖擊，則KA取為1.25；D2取為83.8mm。通過計算可得，壓緊力Q=3977N。

（2）材料的選擇

參考機械設計手冊，輸出圓盤的材料選為ZG310-570，其屈服強度為310MPa，抗拉強度為570MPa，彈性模量172-202，泊松比為0.3；小輪的材料選用40CrMn；輸入軸選用40SiMn；全部淬火處理，提高表面硬度和耐磨性。

2.2.2 小輪的設計

設計思想是：為了避免幾何滑動，輪轂要設計成鼓形，即輪轂的外表面要有一定的弧度；其次，為了減小輪子橫移時的摩擦力，設置了6個均勻分布的滾子，即相鄰兩個滾子與軸心的連線之間的角度為60度，這是利用滾動摩擦力遠遠小于滑動摩擦力的原理；最后，輪子的側面要受推動力的作用，必須用小輪片把輪轂片包起來，以防在轉動過程中滾子與推動力接觸，產生碰撞。（如圖3所示）

由于尺寸的限制，輪轂和滾子之間沒有設置軸承，因此滾子和輪轂之間要添加潤滑油以減小摩擦。兩個輪轂片和兩個小輪片通過螺栓連接在一起，輪轂片和小輪片沒有做成一個零件是為了降低制造成本；為了和輸入軸配合起來，輪轂片和小輪片上面都有花鍵鍵槽，小輪上的鍵槽和輸入軸上的鍵槽要求有精密的配合，以便使小輪在輸入軸上橫移時能比較順暢。

關于調速，設計思路為：當輪轂部分與輸出圓盤接觸時，由于橫向摩擦力太大，無法推動進行變速；當滾子與輸出圓盤接觸時，因為摩擦類型為滾動摩擦，推動力足以克服摩擦力推動小輪在輸出圓盤上橫向滑移進行變速。

2.4 小結

文章設計的無級變速器用的是端面摩擦的原理，詳細介紹了端面摩擦傳動的基本理論，著重對滑動問題進行了分析。文章對結構做了詳細具體的設計。并且針對端面摩擦傳動的特點新設計了一款小輪。

3 結束語

文章主要取得了以下研究成果：完成了無級變速器的結構設計，包括一種端面摩擦傳動的結構設計、新形式摩擦輪的設計、壓緊裝置的結構的設計以及調速裝置的結構設計。設計的無級變速器具有體積小、重量輕、加工制造簡單、可正反向傳動的優(yōu)點。

參考文獻

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*通訊作者：姚天曙，男，副教授，研究方向為農機現(xiàn)代設計理論與方法。