基于UG的新型机械无级变速器的建模毕业设计

摘要

无级变速传动是一种传动装置，指在某种控制作用下，使系统在输入转速不变的情况下，能实现输出轴的转速在一定范围内连续变化，以适应外界负荷变化的需要。随着工业尤其是汽车行业技术的不断发展，对无级变速装置的要求越来越高，因此我们对无级变速传动的种类和形式需要进行深入研究。但以往传统的机械式无级变速器主要依靠摩擦传动来实现无级变速，由于摩擦传动有其固有的难以克服的缺陷，很难实现大功率传动，鉴于此，寻求一种摩擦小，效率高的无级变速器已成为无级变速传动研究的主要方向。

本文简要介绍了现有无级变速器的种类及其发展过程，分析了国内外无级变速器的研究动态及发展趋势，尤其强调了齿轮式无级变速传动的优势。通过对RX行星环锥式无级变速器的传动及调速原理进行分析，同时借鉴了齿轮无级变速传动的优点，提出了一种新型的机械式无级变速器—锥齿轮无级变速器。

本文在详细分析了新型机械无级变速器的传动原理的基础上，阐明了齿轮无级变速传动的可行性。设计了建模方案，用具有强大实体建模功能的UG软件对其进行几何建模、装配、并形成虚拟样机，同时验证了设计方案的合理性，修改了部分不合理的参数，样机模型性能得到优化。本文最后对自己所做工作进行总结，探讨了设计方案中可能存在的问题，并对下一步的工作进行了展望。

关键词：无级变速器UG 圆锥齿轮传动行星齿轮传动

Abstract

Continuously variable transmission(Abbr.CVT), a type of transmitting equipment，is designed to achieve continuous output speed in defined rangesin the condition of unvarying input speed to adapt the need of the changing load outside.With the rapid development of industry, especially vehicle industry, increasing requirements are demanded for CVT.Aeeordingly, the varietiesand styles of CVT need to be studied further.

In this study, the development history and types of CVT were described. The related advances and prospects (design tendency) of CVT were also reviewed，and the advantages of gear-driven CVT were emphasized especially. The theories of transmission and speed modulation of the RX Planetary cone-shaped CVT were analyzed and a novel mechanieal CVT，cone-gear CVT，was designed on the advantages of gear-driven CVT.

The transmitting theory of the novel meehanieal CVT was analyzed in details and the feasibility of the gear-driven CVT was demonstrated in this study. A modeling strategy was designed and the powerful entity modeling software UG was employed to produce the geometrie modeling, to assemble the parts and eventually to generate the devised sample machine. Rationality of the modeling strategy was tested and some parameters were optimized to improve the performance of the sample model.

The transmitting ratio between driving-wheel and following-wheel were investigated when altering the loeation of the modulation ring.when the pinion (the smaller wheel) aeted as the driving-wheel and following-wheel, respeetively. The results showed that gear-driven CVT has the wide features in modulating speed and further verify the model feasibility.

Keyword： Continuously variable transmission UG Cone-gear driver

Planetary-gear driver

目录

第一章绪论 (1)

1.1 课题概述及意义 (1)

1.2 机械无级变速传动概述 (2)

1.2.1 无级变速传动简介 (2)

1.2.2 各类无级变速器比较 (2)

1.2.3 齿轮式无级变速传动的优势 (2)

1.2.4 齿轮式无级变速传动实现的几种途径 (3)

1.3 国内外无级变速器的研究动态及发展趋势 (4)

1.3.1 研究动态 (4)

1.3.2 发展趋势 (4)

1.4 相关软件简介 (5)

1.4.1 UG简介 (6)

1.5 本论文研究的主要内容 (7)

第二章RX型环锥行星式无级变速器 (9)

2.1 RX型无级变速器简介 (9)

2.2 RX型无级变速器的传动原理 (10)

2.3 行星锥齿轮无级变速传动结构简图 (10)

2.4 行星锥齿轮式无级变速器的调速原理 (10)

2.4.1 传动比计算 (10)

2.4.2 调速原理 (11)

第三章行星锥齿轮无级变速器的设计参数 (12)

3.2 基本尺寸确定 (12)

第四章实物建模 (14)

4.1 齿轮设计 (14)

4.1.1 输入端锥齿轮 (15)

4.1.2 行星锥齿轮 (16)

4.1.3 输出端锥齿轮 (17)

4.2 轴的设计 (19)

4.2.1 输入轴设计 (19)

4.2.2 输出轴设计 (20)

4.2.3 行星架设计 (21)

4.3 变速器机盖设计 (22)

4.4 变速器机座设计 (23)

4.5 其它零件设计 (25)

4.5.1 调速锥 (25)

4.5.2 端盖 (26)

4.5.3 轴承 (27)

第五章变速器装配 (30)

5.1 轴类组件 (30)

5.1.1 输入轴组件 (30)

5.1.2 行星架组件 (32)

5.1.3 输出轴组件 (33)

5.2.1 传动部分装配 (33)

5.2.2 箱体总装 (34)

第六章总结与展望 (36)

参考文献 (37)

致谢 (38)

第一章绪论

机械无级变速器是为满足工业机械化、自动化发展的需要，改善机械工作性能，适应生产工艺流程而采用的一种通用传动装置。对这一传动装置的研制在国外己有百余年的历史，然而在初始阶段由于受当时生产水平和市场需求等条件的限制，进展非常缓慢。直到20世纪50年代以后，随着科学技术的发展，在材质、工艺和润滑方面的限制因素相继解决，同时由于经济发展，需求迅速增加，促进了机械无级变速器的研制和生产，使各种类型的系列产品快速增长并获得了广泛的应用。

1.1 课题概述及意义

机械无级变速器能更好地适应各种机械的工况要求，使之性能最佳，在提高产品的质量与产量，适应产品变换需要，节约能源，实现整个系统的机械化、自动化等各方面皆有显著的效果。故无级变速传动目前己成为一种基本的通用传动型式，应用于纺织、轻工、食品、包装、化工、机床、电工、起重运输、矿山冶金、工程、农业、国防及试验等各类机械[1]。

近年来，无级变速传动的研究越来越广泛，研制出的种类和形式也越来越多，已有许多类型的产品实现系列化生产。但以往传统的机械式无级变速器主要依靠摩擦传动来实现无级变速，由于摩擦传动有其固有的难以克服的缺陷，很难实现大功率传动，鉴于此，寻求一种摩擦小，效率高的无级变速传动已成为无级变速传动研究的主要方向。

现有的无级变速器，无论基于摩擦、流体静力学还是棘轮原理，都有一定的局限性，这种局限性限制了其发展。当前仍有人进行改进摩擦无级变速器和棘轮无级变速器方面的研究，但这些努力要通过昂贵的高技术材料和精密的制造才能实现，从而齿轮无级变速器走入人们的视野。齿轮无级变速器是一种全新的设计思想，是利用齿轮传动实现高效率、大功率的无级变速传动。我们可以对原有的无级变速器进行创新设计，将其主传动部分的原有摩擦式改为齿轮啮合式，这样在减小摩擦损耗的同时可以大大提高传动的效率，克服摩擦式效率低，易打滑，寿命短，易损坏等缺点。如果能实现，将会使无级变速器的各项性能更加完善，更大程度的满足对无级变速器的不同需要，尤其是对应用无级变速器最多的汽车行业，将会产生不同凡响的革新效果。同时，它将为新型机械式无级变速器产品的进一步开发打下良好的基础[2]。

1.2 机械无级变速传动概述

1.2.1 无级变速传动简介

无级变速传动是指在某种控制的作用下，使系统的输出转速可在两个极限转速范围内连续变化的传动方式。而无级变速器是使机器的输出转速连续可调，能实现无级变速传动，以满足最佳工作需要的调速装置。它和定传动比传动以及有级传动相比，具有能够根据工作的需要在一定范围内连续变换速度，以适应输出转速和外界负荷变化的需要等优点，能适应变工况工作，简化传动方案，节约能源和减少环境污染等要求。无级变速器主要适应的场合：

(1)适应工艺参数多变或输出转速连续变化的要求，运转中需经常连续地改变速度，但是不应在某一固定速度下长期运转。

(2) 探求最佳工作速度。

(3) 几台机器或一台机器的几个部分协调运转。

(4) 缓速启动以合理利用动力，通过调速以快速越过共振区。

(5) 车辆变速箱，可节省燃料，缩短加速时间，简化操作。

1.2.2 各类无级变速器比较

目前，无级变速器主要分为三大类：(1)以电控调速装置调速的电磁式无级变速器；(2) 以液压调速装置调速的液压式无级变速器；(3) 以机械调速装置调速的机械式无级变速器。其中，液压调速装置虽然调速范围大，传动效率较高，但其制造精度要求高，价格较贵，滑动率较大，运转时容易发生泄漏；电控调速的虽然具有结构简单，成本低，操作维护方便的特点，但其效率低，发热严重，不适合长期负荷运转。与上述两种相比，机械无级变速器具有以下几大优点：调速范围大，调速方式多，能实现恒扭矩工作，传动效率高，适应性强，且结构简单，价格低廉，传动比稳定，工作可靠且维修方便。

机械式无级变速器按其基本结构和工作原理可分为摩擦式和非摩擦式。由于摩擦式无级变速器是利用主、从动件在接触处产生的摩擦力进行传动，并通过改变接触处的工作半径实现无级变速，因此，它通常存在着传动效率低，易打滑，寿命短，易损坏等缺点。非摩擦式无级变速器则可避免这些问题。

1.2.3 齿轮式无级变速传动的优势

齿轮式无级变速传动可以克服以上几类无级变速传动存在的缺点和问题，目的是利用齿轮传动原理实现效率高、大功率无级变速传动。我们知道，无级变速

传动种类繁多，各有千秋，但有一点是共同的：摩擦传动有其难以克服的本质缺陷，发展前途是有限的。只有利用齿轮传动原理实现的无级变速传动才是无级变速传动的完美结局。齿轮无级变速器的优势表现为：

(l) 传动功率大，200KW的传动功率应是很容易达到的；

(2) 传动效率高，90%以上的传动效率应是很容易达到的；

(3) 结构简单，大幅度降低成本，相当于自动变速箱的1/5～1/10；

(4) 对汽车而言，提高传动效率，节油20%；

(5) 发动机在理想状态下工作，燃料燃烧完全，排放干净，极大的减少了对环境的污染。

1.2.4 齿轮式无级变速传动实现的几种途径

目前，研究人员都在尝试设计齿轮啮合式无级变速传动。市场上出现的有P 系列齿轮式无级变速器、齿轮式汽车自动无级变速器、齿轮传动无级变速器、万能的齿轮无级变速器、钢球齿轮无级变速器和活齿无级变速器等。

其中钢球齿轮无级变速器是由一个内接触钢球无级变速器和一个差动轮系组成，此变速器具有两条转速输入路线，一条由变速器输入，一条由动力经齿轮直接输入，两条传动路线在差动轮系中合成后输出，这种变速器传递功率大，能满足任意大变速比的要求，适用于机床、纺纱机、车间空调等各种要求连续变速的机器。它的缺点是：效率低，转速不稳，调速不方便，低速输出力矩小等。

活齿无级变速器其主动轮和从动轮都是两个一组的圆锥形金属盘组成，圆锥形金属盘上面有用于改变活齿啮合单元体半径的轨道槽；八个一组的活齿单元，通过在轨道槽里的同步径向移动，改变主动轮和从动轮的传动半径比。每个活齿单元上面有两组活齿，每组活齿由28片金属片组成，当主动轮转动时，由于离心力的作用，由金属片组成活齿同步凸起，形成了“凸起状齿轮”。齿轮式无级变速传动实现方法主要如下：

方法一，采用行星齿轮传动。利用行星齿轮质量小、体积小、传动比大及效率高等特点，通过改变系杆的长度，解决好相对运动之间的关系，可以实现无级变速传动，且变速比范围也可能增大。

方法二，采用柔性齿轮传动。利用重叠式齿轮构成可变点柔性齿轮，也可能实现无级变速传动[2～5]。

1.3 国内外无级变速器的研究动态及发展趋势

1.3.1 研究动态

机械无级变速器最初是在19世纪90年代出现的，至20世纪30年代以后才开始发展，但由于当时受材质与工艺方面的条件限制，进展缓慢。直到20世纪50年代，尤其是70年代以后，一方面随着先进的冶炼和热处理技术，精密加工和数控机床以及牵引传动理论与油品的出现和发展，解决了研制和生产无级变速器的限制因素；另一方面，随着生产工艺流程实现机械化、自动化以及机械要改进工作性能，都需大量采用无级变速器。因此在这种形势下，机械无级变速传动获得迅速和广泛的发展。主要研制和生产的国家有日本、德国、意大利、美国和俄国等。产品有摩擦式、链式、带式及脉动式四大类约30多种结构型式。

在我国，液力变速器在汽车行业中应用最广泛，但是由于液压式无级变速器本身有很多缺点，如液压元件结构本身比较复杂，造价高，而且液体的传动效率比较低，功率损失比较大，所以业内人士开始转向青睐机械式无极变速器。国内无级变速器是在20世纪60年代前后起步的，当时主要是作为专业机械配套零部件，由专业机械厂进行仿制和生产，但品种规格不多，产量不大，年产量仅数千台。直到80年代中期以后，随着国外先进设备的大量引进，工业生产现代化及自动流水线的迅速发展，无级变速器的生产研制迅速崛起，同时，我国的高等院校也开展了该领域的研究工作。经过十几年发展，国外现有各种类型结构的无级变速器，在国内都有相应的专业生产厂家及系列产品，年产量约10万台左右，初步满足了生产发展的需要。与此同时，无级变速器专业学会、行业协会及情报网等组织相继建立，定期出版网讯及召开学术信息会议进行交流。

现在，机械无级变速器从研制、生产、组织管理到情报网信息各方面己组成一批完整的体系，发展成为机械领域中一个新兴的行业。行星环锥式无级变速器又称RX无级变速器，是日本在70年代研制开发的一种行星传动式无级变速器。在我国，环锥式无级变速器已经指定了机械部的行业标准：JB/T70lO-93《环锥行星无级变速器》。

1.3.2 发展趋势

目前对无级变速传动的研究主要沿着以下几个方向：液力无级变速，电机调速和机械式无级变速。从研究与开发的领域来讲，液力与电机调速均可视为对控制系统的研究，其可开发领域与机械式无级变速器相比较小，从机械式无级变速的发展历程来看，摩擦式无级变速器经过了直接传动式、中间元件式、进而还演

变出了行星式无级变速器，在这一过程中，每一个发展阶段，无级变速器的结构由简单到复杂，传动元件之间的接触面由简单的接触方式发展到为提高传动特性而改成更能相互适应的表面形状，加压和调速装置也在不断改进。后来随着机械材料和加工工艺的改进使带式和链式无级变速也得以广泛应用。

国内机械无级变速器基本上是在20世纪60年代前后起步，到80年代中期以后，随着国外先进设备的大量引进，工业生产现代化及自动流水线的迅速发展，对各种类型机械无级变速器的需求大幅度增加，专业厂开始建立并进行规模化生产，一些高等院校也开展了该领域的研究工作。经过十几年发展，现在，国内机械无级变速器行业从研制、生产、到情报信息各方面已组成较完整的体系，发展为机械领域中一个新兴行业。

近年来国内机械无级变速器的研制生产出现了新的发展趋向，主要是：

(l) 对原有产品创新改进在原来行星锥盘式无级变速器的基础上，创新开发出“恒功率行星摩擦式无级变速器”及“无物理心轴行星轮无级变速器”，后者的变速比由原来的5～6增大到20或更大，输出转矩也提高了一倍以上，而且其他性能指标优良，目前己有系列产品。

(2) 研制开发的汽车用无级变速器属于高新技术产品，目前国内己开发出金属带式无级变速器，通过试验，现正准备进行产业化生产；而其中靠进口的关键零件“金属钢带”也将自行生产。另外，新型的车用无级变速器及复合带也在探讨之中。

(3) 近年来不断提出有创新型无级变速器，这些无级变速器的特点主要是：

①不用摩擦式变速传动而多半以连杆脉动式无级变速器传动为主或采取链式传动；②要求实现大功率、恒功率或者高速；③力争结构简单紧凑，并获得优良的性能。其中有此方案已经过多年的研究试验，可能在不久的将来即有成果。上述情况可以说明，国内无级变速器的研制生产已由过去的仿造阶段进入到创新阶段，由小功率往大功率方向发展，由一般技术往高新技术发展，故今后有可能出现一些性能优良的新一代机械无级变速器。

与电力调速方式相比较，机械无级变速器的特点主要是：具有恒功率机械特性，转速稳定，工作可靠，传动效率较高，结构简单，维修方便，而且类型多，适用范围广。因此，在今后的发展中，依然有着广阔的前景[6～9]。

1.4 相关软件简介

本课题主要应用的软件有建模软件UG。