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毕业设计论文钢球式无级变速器结构设计

毕业设计论文钢球式无级变速器结构设计

湘潭大学兴湘学院 毕业设计说明书
题 目: Koop-B 型钢球式无级变速器结构设计

专 学 姓

业: 号: 名:

机械设计制造及其自动化 2010963034

指导教师:

完成日期:

2014 年 5 月 21 日

湘潭大学兴湘学院 毕业论文(设计)任务书
论文(设计)题目: Koop-B 型钢球式无级变速器结构设计

学号:

2010963034

姓名:

专业: 机械设计制造及其自动化 系主任:

指导教师: 一、主要内容及基本要求

1、以钢球、加压盘为传动件,设计一种机械摩擦式无级变速器; 2、输入功率 P=5kw,输入转速 n=1500rpm,调速范围 R=10; 3、以 UG 或 SolidEdge 三维 CAD 软件为平台,建立整机的数字化模型; 4、完成 A0#装配图纸 1 张,零件图总量不少于 A0#图纸 1 张; 5、设计说明书一份; 6、英文文献一份。

二、重点研究的问题 1、钢球式无级变速器原理及其结构; 2、变速原理的传动结构的实现。

三、进度安排 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 各阶段完成的内容 熟悉课题及基础资料 调研及收集资料 方案设计与讨论 无级变速器各零件三维模型设计 无级变速器总装配图设计 无级变速器工程图设计 撰写说明书 英文文献翻译,答辩 完成时间 第1周 第2周 第 3~4 周 第 5~8 周 第9周 第 10 周 第 11 周 第 12 周

四、应收集的资料及主要参考文献 [1] 周有强. 机械无级变速器[M]. 成都:机械工业出版社,2001. [2] 阮忠唐.机械无级变速器设计与选用指南[M].北京:化学工业出版社,1999. [3] 濮良贵,继名刚,机械设计[M].第 7 版.北京:高等教育出版社,2001

湘潭大学兴湘学院 毕业论文(设计)评阅表
学号 2010963034 姓名 专业 机械设计制造及其自动化

毕业论文(设计)题目: 评价项目 选题 综合训练的目的; 2.难度、份量是否适当;

Koop-B 型钢球式无级变速器结构设计 评 价 内 容

1.是否符合培养目标,体现学科、专业特点和教学计划的基本要求,达到

3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。 1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力; 2.是否有综合运用知识的能力; 能力 3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力; 4.是否具备一定的外文与计算机应用能力; 5.工科是否有经济分析能力。 1.立论是否正确,论述是否充分,结构是否严谨合理;实验是否正确,设 论文 质量 计、计算、分析处理是否科学;技术用语是否准确,符号是否统一,图表 2.文字是否通顺,有无观点提炼,综合概括能力如何; 3.有无理论价值或实际应用价值,有无创新之处。 (设计) 图纸是否完备、整洁、正确,引文是否规范;

论文选题综合性强,基本符合机械专业培养目标和要求,题目难度适 中,与工业生产实际结合较为紧密。论文作者具有较强的查阅文献和综合 综 合 评 价 归纳资料的能力,综合应用本学科所学只是能力较强。 论文理论基本正确,论述比较充分,整体结构尚可;设计计算比较科 学,技术用语比较准确,引文比较规范。文字通顺,综合概括能力较强; 论文具有一定的参考价值。 同意进行答辩 评阅人: 2010 年 5 月 日

湘潭大学兴湘学院 毕业论文(设计)鉴定意见
学号:2010963034 姓名专业:机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计说明书)21 页 图表 7 张

论文(设计)题目:Koop-B 型钢球式无级变速器结构设计

内容提要:Koop-B 型钢球式无级变速器,动力由输入轴输入,经自动加压装置带动主 动轮同速转动,再经一组钢球利用牵引力驱动外环和从动轮,最后经锥轮、自动加 压装置驱动输出轴将动力输出。 传动钢球的支撑轴的两端嵌装在端盖的径向弧形导 槽内,轴通过调速蜗轮上的凸轮槽;调速时,通过蜗杆使蜗轮转动,由于凸轮槽的作用, 使钢球轴心线的倾角发生变化,导致钢球与主、从动轮的工作直径改变,输出轴的转速 得到调节,从而达到变速的作用。在设计、制造与安装时,一组钢球直径要一致、球孔 轴线与直径要一致、端盖经向圆弧槽的等分性及其圆弧中心和球心要一致、调速蜗轮上 凸轮槽的等分性,以及钢球、锥轮、加压盘的制造精度和表面粗糙度应注意。在设计时 根据已知数据算出钢球直径, 钢球的轴心线倾斜角度范围, 钢球中心圆直径, 钢球倾隙, 外环尺寸。 随后加压盘的计算与设计, 以及调速齿轮上变速曲线槽的计算与设计, 输入、 输出轴的设计与计算,调速机构的计算与设计,无级变速器的装配,最后是主要零件的 校核,符合设计要求后,根据所算出的数据利用 soild edge st4 软件画出三维零件图、装 配图,完成整个毕业设计。

指导教师评语 该生在本次毕业设计中表现出基础知识较扎实、 独立工作能 力 较 强 。计 算 机 操 作 较 熟 练 。劳 动 纪 律 性 较 强 ,工 作 较 认 真 。能 如 期 完 成 设 计 任 务 , 设 计 方 案 基 本 正 确 , 图面质量较好,结构尚合 理。设 计 说 明 书 撰 写 较 认 真 ,具 有 一 定 的 专 业 英 文 文 献 阅 读 与 翻 译能力。同意其参加答辩。 建议成绩评定为:
指导教师: 年 月 日

答辩简要情况及评语

答辩小组组长: 年 月 日

答辩委员会意见

答辩委员会主任: 年 月 日

目 录

摘要 Abstract 第一章 引言????????????????????????(1)
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 机械无级变速的发展概况???????????????????(1) 机械无级变速器的特征及应用?????????????????(1) 国内机械无级变速器的研究现状????????????????(2) 钢球外锥式无级变速器简介??????????????????(3) 毕业论文设计内容及要求???????????????????(4)

第二章 主要零件的计算与设计????????????????(5)
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 钢球与主、从动锥轮的计算与设计???????????????(5) 加压盘的计算与设计?????????????????????(8) 调速齿轮上变速曲线槽的计算与设计??????????????(9) 输入、输出轴的计算与设计??????????????????(10) 输入、输出轴上轴承的计算与设计???????????????(11) 输入、输出轴上端盖的计算与设计???????????????(11) 调速机构的计算与设计????????????????????(11) 无级变速器的装配??????????????????????(13)

第三章 主要零件的校核???????????????????(14)
3.1 3.2 输入、输出轴的校核?????????????????????(14) 轴承的校核?????????????????????????(16)

总结????????????????????????????(18) 参考文献??????????????????????????(19)

钢球锥轮式无级变速器的设计

摘要:机械无级变速器能够适应不断变化的工艺要求,工艺开发和机械化的一般驱动器提高了设备
的机械性能和自动化。本文描述的机械摩擦无级变速器,设计计算的方法,材料和润滑等的知识的 基本结构,以及作为该无级变速器设计的理论基础。 这种设计是通过改变球的半径来实现球锥轮无级变速器的输出轴速度的连续变化用作中间球锥 形轮驱动部件,工作。本文分析了主,从动轮,球和外工程和在传输过程中的传力之间的关系;实际 CVT 球锥轮设计公式的详细推导;和选择用于计算具体的设计参数的设计;绘制的零件图计算出的 CVT 球锥轮装配图和主传动组件,此传输技术的结构和要求的其它方面表现更清晰。 该无级变速器具有良好的结构和性能上的优势,具有很强的实用价值,可作为大规模生产的无 级变速器。其主要特点是:1、调速范围宽; 2、良好的恒功率特性; 3、可以上升,减速,正,反转。 4、光滑,耐冲击性强; 5、输出功率较大; 6、寿命长; 7、速简单,可靠; 8、维护方便。

关键词:无级变速器、摩擦式、钢球锥轮式、设计

Ball wheel cone design CVT
Abstract: Mechanical continuously variable transmission to adapt to changing process requirements , process development and the general drive to improve the mechanical properties of mechanization and automation equipment. Mechanical friction CVT described herein , design and calculation methods , materials and lubrication of the basic structure of knowledge , as well as the CVT design theories. This design is continuously varied by changing the radius of the sphere to achieve the goals cone round CVT output shaft speed of the ball as an intermediate conical wheel drive parts, work . This paper analyzes the relationship between the driving and driven wheels , balls and external works and power transmission during transmission between ; detailed derivation of the actual CVT ball cone wheel design formulas ; and selection of design parameters used to calculate the specific design ; drawn parts diagram calculated CVT ball cone wheel assembly drawing and the main transmission components , other aspects of the performance of this transmission technology architecture and requirements clearer. The CVT has a good structure and performance advantages , has a strong practical value , can be used as mass production CVT. Its main features are: wide speed range ; 2 good constant power characteristics ; 3 can rise , deceleration, positive and reverse . 4 .. smooth,

high impact resistance ; larger 5 output power ; 6 , long life ; 7-speed is simple, reliable ; 8 , easy maintenance . Keywords: CVT、Friction、Ball Cone Wheel、Design

第一章 引言

1.1 机械无级变速的发展概况
机械无级变速器是一个由变速传动机构、调速机构以及加压装置或输出机构三部分 组成的一种传动装置,其主要功能特点是:在恒定的输入速度,输出轴速度可以在一定 范围内实现连续变化, 从而满足该机器或生产系统所需要操作过程中的各种不同的条件 要求。 它配合减速器传动时具有显著作用,可进一步扩大变速范围与输出转矩,以提高产 物的产率, 满足产品改造, 节约能源, 实现机械化和自动化的整个系统的各方面的需要。 因此 CVT 已经成为各个工业部门的公共传输部件,并且已被广泛使用。 机械无级变速器最初出现在 19 世纪 70 年代,但是当时受材质与工艺的条件限制, 发展十分缓慢。直到 20 世纪 70 年代以后,一方面是与冶炼,热处理,精密加工及数控 机床和牵引传动理论和油的产生和发展, 解决 CVT 的研发和生产的限制因素; 另一方面, 随着生产过程的机械化,自动化和提高性能所需的机械的工作需要大量使用 CVT 的。因 此,在这种情况下,机械无级变速器获得了快速而广泛的发展。主要开发和生产的国家 有日本,德国,意大利,美国和俄罗斯等。产品有摩擦式、链式、带式及脉动式四大类 约 30 多种不同的结构类型。输入功率一般为 N=(0.09-30) 千瓦,个别类型可达到 N=(150-175)KW ,输入转速一般是 n1=(750、1500、3000)转/分;输出转速可以是正,反 转,增速或者减速,最小速率可以降低到零。 80 年代以来,机械无级变速趋势是向美 国,日本等国家进行用于汽车高速,高效,高扭矩的 CVT 进行研发 。

1.2 机械无级变速器的特征及应用
机械无级变速器是一种传动装置,其功能主要特点是:在恒定的输入速度下,输出 轴速度可以在一定范围内连续变化来实现,以满足各种操作过程中不同的应用要求的机 器或生产系统;其主要结构特征是:需要由可变速传动机构,调速机构和加压装置或输 出装置由三个部分组成。 机械无级变速器的适用范围广,有在驱动功率保持不变时,由于工作阻力的变化, 需要调整驱动转矩的速度以产生适当的驱动力矩者(例如,化工行业中的搅拌机械,即 需要随着搅拌物料的粘度、阻力增大而能相应减慢搅拌速度) ;还有需要根据情况进行

调整所需的速度者 (如起重运输机械要求随物料及运行区段的变化而能相应改变或提升 运行速度,食品机械中的烤干机或制药机械要求随着温度变化而调节转移速度) ;有为 了获得恒定的运行速度或张力需要调节速度者 (如需要切割导线截面切割加工时保持恒 定的速度,电气机械络筒机需要保持一个恒定的卷绕速度,纺织机械,轻工机械浆纱机 膜机都必须调整速度,以保证恒张力等) ;有在整个系统中为适应各种条件,需要协调 各种工况、工位、工序或单元的不同要求,并具有自动速度控制者(如生产各种半自动 或自动操作或流水线操作) ;有为了改变所要求的速度去探索最佳效果者(如试验机械 或者离心机需要调速,以获得最佳的分离) ;有为了节能减排而需进行调速者(如风机, 水泵等) ;此外,根据各种规律的或不规律的变化,进行自动调整速度或实现自动或程 序控制等。 总之,采用无级变速器,特别是配合减速传动时,进一步扩大其转速范围和输出转 矩, 能够更好地适应于提高产品的产量和质量, 以满足变换的最佳性能所需的各种条件, 可以看出对产品的需求,节约能源,机械化和自动化的整个系统的所有方面都具有显著 作用。因此,CVT 已经成为传输的基本常见的形式,在纺织,轻工,食品,包装,化工, 机床,电机,材料处理采矿和冶金,工程,农业,国防和测试等各类机械使用。

1.3

国内机械无级变速器的研究现状

国内机械无级变速器基本上是围绕 20 世纪 60 年代开始到 80 年代中期,随着大量 引进国外先进设备,工业生产和现代自动化流水线的快速发展,为各类机械无级变速器 的专业厂家需求显著增加启动建设和规模化生产,一些大学已经开展了研究工作在外 地。经过十多年的发展,现在,从机械式无级变速器的研发,生产,以情报信息的各个 方面在国内同行业组成了一个较完整的体系,一个新兴的行业,在机械领域的发展。 目前,国内生产的机械式无级变速器的大多是模仿国外产品,主要产品类型: (1)摩擦式无级变速器: 1、行星锥盘式(DISCO 型); 2、行星环锥式(RX 型); 3、锥盘环盘式(干式、湿式); 4、多盘式(Bier 型)等。 (2)齿链式无级变速器: 1、滑片链式; 2、滚柱链式; 3、链式卷绕式。 (3)带式无级变速器: 1、普通 V 带; 2、宽 V 带; (4)脉动式无级变速器: 1、三相并列连杆式; 2、四相并开连杆式。 其中行星锥无级变速器高度灵活的光盘, 结构和工艺相对简单, 可靠, 综合性能好, 尤其是需要适应各种生产线,使用最广泛,产量最大,其年度账目机械 50%超过无级变

速器的总输出。输入功率为广大的 CVT 产品(0.18-7.5)千瓦,少数种类可以达到(22 ?30)千瓦左右。经过前一阶段通过实践,掌握本领域近几年,国内发展机械无级变速 器的生产有一个新的发展趋势,主要是 (1)基础上的“恒功率行星摩擦式无级变速机”和“非物理心轴行星齿轮无级变 速器”的创新和发展的原盘无级变速行星锥原有产品的创新和改进,后者的传动比由 5 个增至 6 至 20 个或更多,输出扭矩也增加了一倍多,等优良性能,还有一系列的产品。 (2)与 CVT 无级变速器汽车的研究和开发是一种高科技产品,目前已开通了金属 带式无级变速器,经过测试,现在准备进行工业化生产 ;其中依靠关键部件“金属条” 还将自己生产的进口。此外,新的汽车也被用在 CVT 和复合带进行讨论。 (3)开发新类型的创新的(汽车和通用)无级变速器近年来取得了创新性的无级 变速器,其中无级变速器的特性主要是①无摩擦式传动,大多要链接脉动无级变速器的 驱动器或采取的主链驱动; ②实现高功率, 恒功率或速度要求; ③力求结构简单, 紧凑, 并获得优异的性能。这个计划,已经多年研究试验,在不久的将来,可能会见效。 上述情况可以解释,从过去国内的发展无级变速器模拟阶段和生产进入创新阶段, 由低功耗的发展,大功率,高科技发展的总体技术方向,所以在未来可能会有一些新的 一代机械无级变速器的优异性能。 随着电力电子技术的发展,自 80 年代以来,许多出现由交流电机调速方式进行。 它作为一种先进的变速器, 驱动器控制器及其获得机械无级变速器的迅速发展和应用衍 生品产生了一定的影响。它的主要优点是速度快,性能好,规模大,效率高,良好的自 我控制, 很宽的功率范围。 近年来, 一种新型开关磁阻电机 (Switched Reluctance Drive - SRD)的出现,以进一步提高性能;然而,缺点在于,它们都小于电机的额定速度,只 在低转速的效率比低并且足够稳定,从过载性能较差等的恒定转矩特性。 上述功率调速相比, 机械无级变速器的特性主要是: 机械性能与恒功率, 转速稳定, 可靠,传动效率高,结构简单,维修方便,而且种类很多,范围广泛的应用。因此,在 未来的发展,仍具有广阔的前景。

1.4

钢球外锥无级变速器简介

钢球外锥式机械无级变速器的结构如图 1-1 所示。动力由轴 1 输入,通过自动加压 装置 2,带动主动轮 3 同速转动,经一组(3~8 个)钢球 4 利用摩擦力驱动外环 7 和从动 锥轮 9;再经锥轮轮 9、自动加压装置 10 驱动输出轴 11,最后将动力输出。传动钢球的 支承轴 8 的两端嵌装在壳体两端盖 12 和 l3 的径间弧形导槽内,并穿过调速蜗轮 5 的曲 线槽;调速时,通过蜗杆 6 使蜗轮 5 转动。由于曲线槽(相当于一个控制凸轮)的作用, 使钢球轴心线的倾斜角发生变化,导致钢球与两锥轮的工作半径改变,输出轴的转速便 得到调节。其动力范围为:nR=9,Imax=1/Imin,P≤11KW,ε ≤4% ,η =0.80~0.92 , 应用甚广。 从动调速齿轮 5 的端面分布一组曲线槽,曲线槽数目与钢球数相同。曲线槽可用阿 基米德螺旋线,也可用圆弧。当转动主动齿轮 6 使从动齿轮 5 转动时,从动齿轮的曲线 槽迫使传动钢球轴 8 绕钢球 4 的轴心线摆动,传动轮 3 以及从动轮 9 与钢球 4 的接触半 径发生变化,实现无级调速。

图 1-1 钢球外锥式无级变速器的结构 1、11-输入、输出轴;2、10-加压装置;3、9-主、从动锥轮;4-传动钢球;5-调速涡轮 6-调速蜗杆;7-外环;8-传动钢球轴;12、13-端盖

1.5

毕业论文设计内容及要求

毕业设计内容: 钢球机械无级变速器结构的设计: 选择钢球外锥式机械无级变速器, 对其进行机构设计与;对关键部件进行强度校核和寿命校核。 设计要求:输入功率 P=5kw,输入转速 n=1500rpm.调速范围 R=10;结构设计时应使 制造成本尽可能低;安装拆卸要方便;外观要匀称,美观;调速要灵活,调速过程中不 能出现卡死现象,能实现动态无级调速;关键部件满足强度和寿命要求;画零件图和装 配图。

第二章 主要零件的计算与设计

2.1

钢球与主、从动锥轮的计算与设计

确定传动件的主要尺寸 1、选材:钢球、锥轮、外环及加压盘均用 GCr15,表面硬度 HRC61,摩擦系数μ =0.04, 许用应力,属于点接触,查文献[2]表 2-5 知传动件[σ ]=2200~2500MPa,压力元件 [σ ]=4400~5000MPa。 2、预选参数:锥轮锥顶半角α =45,传动钢球个数为 Z=6,加压钢球数 m=8,锥轮与钢 球 C1 =

D1 =1.5, K f =1.25,η =0.8。 dq

图 2-1

钢球外锥式机械无级变速器设计简图

3、运动参数的计算 各尺寸对应图 2-1 标注尺寸 传动比

钢球支撑轴承的极限转角:

?1 ? ? - arctani max ? 45 ? arctan2 ? 18.43 (增速方向) ? 2 ? ? - arctani min ? 45 - arctan0.33 33 ? 26.57 (减速方向)

n 2 max ? 1000 ? i max ? 2000 n 2 min ? 1000 ? i min ? 333 .3
4、计算确定传动钢球的直径 dq
cos? ? cos? cos45 ? ? 0.1907 cos? ? 2C1 cos45 ? 3

-1 由 cos ? ? 0.1907 查文献[2]表 2-3,得 (??) ? 0.9918,代入公式

dq ?

361524 ?? [? H ]C1

3

Kf P ? ?2C1 ? cos? ? 1 ?Zn1i min

2

?

361524 ? 0.9918 ?2.2 ~ 2.5? ? 10 4 ? 1.5

3

1.25 ? 5 ? 0.8 ? (3 ? cos 45)2 0.04 ? 6 ? 1500 ? 0.3333

? 9.1824 ~ 10.7328 cm
表 2-1 按传递功率 P1 选取钢球直径 dq 的参考值 mm

根据表 2-1 中的数据,圆整取 d q ? 101.6mm 锥轮直径 D1 ? C1d q ? 1.5 ?101.6 ? 152.4 mm 圆取整 D1 ? 155mm 演算接触应力 ? j
2 3688163 K f P1? (2C1 ? cos? ) ?j ? ??C1d q ?Zn1imin

则 C1 ?

D1 155 ? ? 1.5255906 d q 101.6

? 23838 .52kgf / cm 2
在许用接触应力范围之内,故可用。 5、计算尺寸 钢球中心圆直径 D3

D3 ? (C1 ? cos? )d q
? ( 1.5255906 ? cos 45) ? 10.16 ? 22.685 cm 钢球侧隙 ? ? ? ? [( C1 ? cos ? ) sin ? 1]d q Z
? [(1.5255906 ? cos45) ? sin 30 ? 1] ?10.16

? 1.182 cm

外环内径 Dr

Dr ? D3 ? Dq ? 32.845cm
外环轴向弧半径 R

R ? (0.7 ~ 0.8)d q



R=7.5cm

锥轮工作圆之间的轴向距离 B

B ? d q sin? ? 10.16? sin45 ? 7.1842 cm

2.2

加压盘的计算与设计

图 2-2

钢球 V 型槽式加压装置

1、钢球式自动加压装置如图 2-2,它由加压盘,加压钢球,保持架,调整垫圈,碟 形弹簧和摩擦轮与加压盘相对端面上各有的几条均匀分布的 V 型槽。每个槽内有 一个钢球,中间以保持架保持钢球的相对位置。摩擦轮与加压盘之间还有预压蝶 形弹簧并衬以调整垫圈。 改变调整垫圈的厚度, 即可调整弹簧的变形量及预压力。 2、加压装置的主要参数确定 加压盘作用直径 d p

d p ? 0.5D1 ? 7.75cm ? 77.5mm
加压盘 V 形槽倾角 ?

其中 D1 为锥轮直径。

? ? arctan

fD1 0.04?15.5 ? arctan( ) ? 6? 27'18'' 取 ? ? 6? 30' d p sin ? 7.75? sin 45

其中 ? 为锥轮锥顶半角, f 为锥轮与钢球的摩擦系数。 加压钢球按经验公式取
d qy ? 1 d q ? 1.69cm 6

所以轴向压紧力 Qa max ? 1.91?107

kf P 1? sin ?

?n1iminC1d q

? 357201 .352kgf

法向压紧力 Q p ?

Qa max ? 44921 .45kgf m cos ?

? H ? 13743

K Z Qp rp
2

? 20437 .185

故接触强度不足

改用腰鼓形滚子 8 个,取滚子轴向截面圆弧半径 r1 ? 8cm ,横向中间截面半径

r2 ? 0.8cm 。
曲率系数
cos? ? r1 ? r2 8 ? 0.8 ? ? 0.8182 r1 ? r2 8 ? 0.8

由文献[2]表 2-3,按 cos ? ? 0.8182 ,得 (?? ) ?1 ? 0.786 带入 ? H ?

853

??

3

1 1 K Z Qp ( ? )2 r1 r2

=23397.958kgf/cm2 工作应力在许用范围内,故可用。

2.3

调速齿轮上变速曲线槽的计算与设计

图 2-3

调速涡轮的槽型曲线

如图 2-3 ,整个调速过程通常在涡轮转角 ? ? 80? ~ 100? 的范围内完成,多数取

? ? 90? 。槽型曲线可以为阿基米德螺旋线,也可以用圆弧代替。此方案选用圆弧代替,
变速槽中心线必须通过 A,B,C 三点,他们的级坐标(以 O 点为级点)分别为: A:

i ? imax ? 2 , ? A ? 0?

R A ? 0.5D 3 ? l sin ? max ? 0.5 ? 226.85 ? 80 sin 18.43 ? 88.12mm
B:
i ? 1 , ?B ?

imax 2 ? ? ? 90 ? ? 60 ? 1 ? imax 1?2

RB ? 0.5D3 ? 113.421 mm
C:

i ? imin ? 0.3333 , ?c ? ? ? 90?

R c? 0.5D 3 ? l sin ? max ? 0.5 ? 226.842 ? 80 ? sin 18.43 ? 138.72mm
定出 A、B、C 三点,然后采用画图做出弧形槽,槽宽为 10mm。

2.4

输入、输出轴的计算与设计

为了防止当轴部分或周向相对运动轴部件除了游泳或空转的要求,必须在轴向和周 向定位的,以确保其精确的工作位置,从而使该程序使用定位轴肩,套筒上的轴向力, 轴圈,轴承端盖和螺母来保证。 1、初步确定轴的最小轴径 先按公式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为 45 号钢,调制处理。选取

A0 ? 112,于是得出:

d min ? A0 3

p 5 ? 1123 ? 29.352 mm n 250

输出轴的最小直径为与锥轮连接处,考虑到此处锥轮与轴是过渡配合,且锥轮工作 直径为 155mm ,为了保证锥轮与轴配合有良好的对中性,采用锥轮标准的推荐直径为 40mm。

图 2-4

输入、输出轴各轴段分布图

2、根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 如图 2-4 , I 轴段安装锥轮和加压盘保持架,保证和轴配合的毂孔长度,取

d I ? 40mm , LI ? 62mm ;II 段轴安装加压盘的一侧以及轴承,加压盘用花键移动实
现对锥轮加压,取花键 6 ? 46f 7 ? 50a11 ? 9d 10 GB/T1144-87,轴承同时受到径向力和 轴向力作用,初步选择滚动轴承加上退刀槽,取 d II ? 50mm, LII ? 25mm ;III 轴段对 轴 II 和轴 IV 上的轴承内圈起到定位作用,取 d III ? 60mm, LIII ? 24mm;IV 轴段做为 轴承座安装滚动轴承, 因为受轴向力大使用角接触球轴承, 取 d IV ? 55mm,LIV ? 17mm; V 轴段根据轴承端盖的装拆和便于对轴承添加润滑剂的要求,采用迷宫式密封,根据标 准取 d V ? 50mm,LV ? 30mm;轴 VI 段安装 V 带,采用推荐直径 d VI ? 45mm,LVI ? 50。 以上初步确定了各轴段直径与长度,因为主、从动锥轮一致,轴上零件分布也一样,同 时为了节约成本和工艺,选择主、从动轴完全一致。

2.5

输入、输出轴上轴承的计算与设计

轴承是标准件,只需要根据参数选择合适的轴承就可以了,主、从动轴 II 段上因 为轴承受到轴向力和径向力的作用,因此选择深沟球轴承 6010GB/T276-94;轴 IV 段轴 承为限制轴向右的轴向移动, 所以选择角接触球轴承 7011GB/T292-94; 两个轴承的基本 额定动载荷都大于 10KN,因此角接触球轴承采用正装可满足使用要求。

2.6 输入、输出轴上端盖的计算与设计
端盖的宽度有变速器外形和轴承的结构来决定的,使其适合拆装和便于对轴承添加 润滑脂,且左右两个端盖相同。

2.7

调速机构的计算与设计

调速操纵机构的作用:根据工作要求以手动或自动控制方式,改变滚动体(或脉动 无级变速器的杆件)间的尺寸比例关系,来实现无级调速。同时通过速度表表盘上的指 针直接指出任一调速位置时的输出速度(或传动比) 。 根据变速器中传动机构和滚动体形状的不同,对应的调速机构也不同,但基本原理

都是将其中某一个滚动体沿另一个(或几个)滚动体母线移动的方式来进行调速。 一般滚动体均是以直线或圆弧为母线的旋转体;因此,调速时使滚动体沿另一滚动 体表面做相对运动的方式,只有直线移动和旋转(摆动)两种方式。这样可将调速机构 分为下列两大类: (1) 通过使滚动体移动来改变工作半径的; 主要用于两滚轮的母线均为直线的情况,且两轮的回转轴线平行或相交时,移 动和方向是两轮的接触线方向。 (2) 通过使滚轮轴线的偏转来改变工作半径的; 主要用于滚轮的母线为圆弧的情况 钢球外锥式无级变速器是采用第二种调速类型,通过涡轮-凸轮组合机构,经涡轮 转动再经槽凸轮而使钢球心轴绕其圆心转动,以实现钢球主、从动侧工作半径的改 变。 调速涡轮在设计上应保证避免与其他零件发生干涉,同时采用单头蜗杆,以增 加自锁性,避免自动变速而失稳。

根据整体设计,蜗杆传动的基本尺寸及参数匹配如表 2-2、表 2-3:
表 2-2 蜗杆的基本尺寸

模数
m

轴向齿距

分度圆直 径 d1 mm

头数

直径系 数q mm

齿顶圆 直径

齿根圆 直径
df1

m2 d1 值 m2 d1

分度圆 柱导程 角

px
mm

z1

mm

d n1
mm

mm 60.8

mm3
5120

r
5o 42'38"

8

25.1333

80

1

10.000

96

表 2-3

蜗轮蜗杆参数匹配

中心距
a

传动比
i

模数
m

蜗杆分度圆直 径 d1 (mm) 80

蜗杆头数

涡轮齿数

涡轮变位 系数

z1

z2

mm 200 41

(mm) 8

x2
1 41 -0.500

2.8

无级变速器的装配

1、变速器的装配 1)必须彻底的清洗所有的零件,并且用压缩空气吹干或者擦干净; 2)安装前,各轴承和键槽必须涂上齿轮油或者机械油; 3)装入轴承前,应使用铜棒在轴承四周均匀敲入;避免用手锤直接敲击轴承,防止轴 承损伤; 4)在安装轴承端盖之前,壳体上的轴承孔与螺孔应涂上密封胶防止漏油; 5)每个紧固螺栓应该按规定锁紧; 2、变速器在装配中的调整 1)锥轮端面与涡轮之间的间隙,一般应为 0.10-0.35mm; 2)轴的轴向间隙一般取 0.10-0.40mm,可通过轴承盖内垫片的增减来调整; 3)检查调速情况和蜗杆传动的啮合情况,各档涡轮应该具备较好的自锁性,齿的啮合 痕迹应该大于全齿工作面积的三分之一;

第三章 主要零件的校核

本章主要是根据传动要求对无级变速器做一个整体的校核。钢球的强度校核在设计 过程中已经符合要求,变速器的承载能力主要受加压装置及钢球与主、从动锥轮之间的 接触强度的限制,同时在制造与安装过程中应保证一组钢球的直径的一致性。轴承采用 标准件,由于蜗杆是用于调速,其轴承主要起支撑作用,受力时间短,故再此不做校核, 对轴上轴承进行强度与寿命计算。

3.1

轴的校核

1)判断危险截面 截面 B,IV,V 只受扭矩的作用,虽然键槽、轴肩及过渡配合所引起的应力集中均 将消弱轴的疲劳强度,但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕地确定的,所以截面 B、IV,V 均无需校核。 从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看,截面 IV 和 V 处过盈配合引起的应力集中 最严重;从受载的情况来看,截面 C 上受力最大。截面 VI 和 VII 显然更不必校核。键 槽的应力集中系数比过盈配合的小,因而该轴只需校核截面 C 左右两侧即可。 2)截面 C 左侧 抗弯截面系数 抗扭矩截面系数 截面 C 左侧的弯矩 M 为 截面 C 左侧的扭矩 T3 为 截面上的弯矩应力为
W ? 0.1d 3 ? 0.1? 50 ? 12500 N·mm

WT ? 0.2d 3 ? 0.2 ? 50 ? 25000 N·mm
M ? 39274 N·mm

T3 ? 450000 N·mm s ca ? 7.75
s ? 1.5? b ? M 39274 ? ? 3.14 MPa W 12500

截面上的扭转切应力

?3 ?

T3 450000 ? ? 18MPa WT 25000

轴的材料为 45 号钢,调质处理,由轴常用材料性能表查得:

? B ? 640MPa,? -1 ? 275MPa,? -1 ? 155MPa
截面上由于退刀槽而形成的理论应力集中系数
r 2 ? ? 0.04 d 50

? ? 及 ?? 按 文 献 [6] 中 查 取 。 因

D 80 ? ? 1.6 ,经插值后可查得 k d 50

又由文献[6]可得轴的材料的敏性系数为 q? ? 0.82 ,q? ? 0.85 故有应力集中系数

k? ? 1 ? q? (?? ? 1) ? 1 ? 0.82? (2 - 1 ) ? 1.82
( 1.31 - 1) ? 1.26 k? ? 1 ? q? (?? ? 1) =1+0.82 ?

由文献[6]得尺寸系数 E? ? 0.67 ;扭转尺寸系数 E? ? 0.82 。 轴按磨削加工,由文献[6]得表面质量系数 ? ? ? ?? ? 0.92 轴未经表面强化处理,即 ? q ? 1,按文献[6]得综合系数为

K? ?

k? 1 1.82 1 ? ?1 ? ? ? 1 ? 2.80 E? ?? 0.67 0.92
k? E? ? 1

K? ?

??

?1 ?

1.26 1 ? ? 1 ? 1.62 0.82 0.92

又由文献[6]得材料特性系数

? ? ? 0.1~0.2,取? ? ? 0.1
? ? ? 0.05 ~0.1,取? ? ? 0.05

于是,计算安全系数 Sca 值,按公式则得

s? ? s? ?
sca ?
故可知其安全。

? ?1 275 ? ? 30.92 K? ? ? ? ? ? ? m 2.8 ? 3.14 ? 0.1? 0
? ?1 155 ? ? 10.57 K? ? ? ? ? ? ? m 1.62 ? 9 ? 0.01? 9
s? s? s 2? ? s 2 ? ? 30.92 ? 10.57 30.922 ? 10.512
s ? 1 .5

? 14.3

s=1.5

3)截面 C 右侧同理可得 Sca ? 7.75

故该轴在截面 IV 右侧的强度也足够的。本题因无大的瞬时过载及严重的应力循 环不对称性,故可略去静强度校核。因此,轴的设计校核结束。

3.2

轴承的校核

输入、输出轴采用相同的设计,在此只要校核输出轴的轴承是否满足工程需要。 1)求两轴承受到的径向载荷 Fr1 和 Fr 2 将轴系部件受到的空间力系分解为铅垂面和水平面两个力系。其中: Ft1 为通过另外 加转矩而平移到指向轴线; Fac 亦应通过另加弯矩而平移到作用于轴线上。有受力分析 可知:

F1V ?

Fre ? 67 ? Fac ? 107

D 2 ? 8886? 67 ? 8886? 77.5 ? ?871 N 107

Fr 2v ? Fre ? Fr1V ? 8886? 871? 8015 N
Fr1H ? 67 67 Fte ? ? 3769 ? 2360 N 107 107

Fr 2 H ? Fte ? Fr1H ? 3769? 2360? 1409 N
Fr1 ? Fr1v ? Fr1H ? 2515 N Fr 2 ? Fr 2v ? Fr 2 H ? 8135 N
2 2 2 2

2)求两轴承的计算轴上力 Fa1 和 Fa 2 对于 6010C 型轴承,按文献[6],轴承派生轴向力 Fd ? eFr ,其中,e 为判断系数, 其值由
Fa 的大小来确定,但是现在轴承轴向力 Fa 未知,故先初取 e=0.4,因此可估算 C0

Fd1 ? 0.4Fr1 ? 1006 N
N Fd 2 ? 0.4Fr 2 ? 3 2 5 4

Fa1 ? Fae ? Fd 2 ? 8886? 3254? 12140 N
N Fa 2 ? Fd1 ? 1 0 0 6

又得:

Fa1 ? 0.6 0 7 C0 Fa 2 ? 0.0503 C0

查文献[6]确定 e1 ? 0.422, e2 ? 0.401, Fa1 ? 12140 N , Fa 2 ? 1006N 。 3)求轴承当量动载荷,由文献[6]进行查表或差值计算得径向载荷系数和轴向载荷系数 为: 对轴承 1 对轴承 2

X 1 ? 0.44 X1 ? 1

Y1 ? 1.3 2 7 Y1 ? 0

因为轴承运转中有中等冲击载荷,按文献[6]查得 f p ? 1.2 ~ 1.8 ,取 f p ? 1.5 。则

P .3N 1 ? f p ( X 1 Fr1 ? Y 1 Fa1 ) ? 5824 P2 ? f p ( X 2 Fr 2 ? Y2 Fa 2 ) ? 2268 .93N
4) 验算轴承寿命 因为 P1 ? P2 ,所以按轴承 2 的受力计算大小来验算

Lp ?

106 C ? 106 30500 3 ( ) ? ?( ) ? 26989 .4h 60n P2 60?1500 2268 .93

综上所述可得,该设计符合工程要求。

总结

本科毕业设计历时两个半月,在这两个半月中,我能按照预期进度安排,按时按量 的完成设计任务。设计初期,我复习了《机械设计》 、 《材料力学》 、 《工程图学》等知识, 查阅了《机械设计文献[6]》 、 《课程设计指导》等规范。在设计中期,利用所学专业知识 进行无级变速器结构和外观的设计。设计后期,主要进行三维图和工程图绘制。设计期 间得到了邱老师的指导和帮助,在此深表谢意。 毕业设计是对大学四年所学知识的综合应用,是理论联系实际的训练。通过毕业设 计,我复习了以前在课堂上学习的专业知识,学习和体会到了机械设计的基本技能和思 想。我深刻的认识到:想成为一名机械工程师,应该具备严谨的科学态度,本着机械产 品以人为本的思想,力求做到安全、经济、实用、耐久、美观;设计过程中,应该严格 按照机械设计文献[6]的要求,同时也要考虑各个零部件的尺寸配合。这就要求设计人员 具备较高的综合素质,不仅要抓住机械产品设计的主要矛盾,同时也要考虑一些细节问 题。 在毕业设计的过程中,我深刻认识到标准是设计的航标,必须多思考、多体会。在 以后的学习和工作中,要不断加强对标准的学习和理解,只有这样,才不会出现错误。 相互学习,注重交流。在设计过程中,我们遇到了很多问题,必须勤学好问,努力发挥 集体的积级性和创造力,这样才能提高工作效率。 “养兵千日,用兵一时。 ”在毕业设计中,我为能用上四年所学而欣慰,同时我深深 的感觉到了基础知识的重要性。专业课学习时,老是感觉所学知识与实际相差太远。这 种急功近利的思想使自己对一些专业课的学习有所放松,在毕业设计的过程中,我深深 的体会到了“书到用时方恨少”的含义。在以后的学习生活中切不可急于求成而忽略了 夯实基础。 “万丈高楼从地起” ,切实做到理论联系实际,学以致用。 毕业设计是本科教育非常重要的阶段,我初步掌握了机械设计的基础理论、方法、 步骤。在以后的学习生活中,我将加强专业知识的学习。在此再次感谢在毕业设计中指 导帮助我的老师和同学。

参考文献

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周有强. 机械无级变速器[M]. 成都:机械工业出版社,2001. 阮忠唐.机械无级变速器设计与选用指南[M].北京:化学工业出版社,1999. 濮良贵,继名刚,机械设计[M].第 7 版.北京:高等教育出版社,2001 赵又红,周知进,机械设计/机械设计基础课程设计指导.中南大学出版社,2012 苏旭平,工程材料[M].湘潭大学出版社,2011 成大先,机械设计文献[6][M],北京:化学工业出版社,2001 濮良贵,纪明刚,机械设计[M],北京:高等教育出版社,1996.11

全套图纸,加 153893706


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