摘 要

汽车金属带式无级变速器——CVT（Continuously Variable Transmission）作为现在最先进的汽车变速器之一，近年来已经成为国内外汽车变速器设计和研究的热点课题。该毕业设计就是基于别克英朗7152型轿车设计的一款金属带式无级变速器及主减速器。设计内容主要是结合了金属带式无级变速器的发展现状和趋势，介绍了其基本结构组成、工作原理以及性能优点。针对所给车型的基本设计参数，对金属带式无级变速器的主要传动部分和主减速器进行详细设计，包含金属带、主、从动固定锥盘、主、从动可移动锥盘；中间减速齿轮以及主减速器减速齿轮设计计算，还要重要零部件的设计计算和校核分析。

关键词：金属带式无级变速器；主减速器；传动比；轿车

Abstract

As one of the most advanced automobile Transmission, the metal belt CVT has become a hot topic in the design and research of automobile Transmission at home and abroad in recent years. The graduation project is based on a metal belt continuously transmission and main reducer designed by the Buick EXCELLE 7152 sedan. The project mainly combines the present situation and tendency of the development of metal belt continuously transmission, and introduces the basic structure, working principle and its performance advantages. According to the basic design parameters of the models, the design includes main transmission part of metal belt continuously transmission and the main reducer, such as metal belt, drive and driven fixed cone disc , drive and driven mobile cone plate. The design calculates the intermediate reduction gear and the main reducer reduction gear. Finally the paper checked and analyzed the key parts.

Key Words：metal belt continuously transmission; main reducer; ratio；sedan

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.1.1 CVT的发展现状 1

1.1.2 CVT的性能特点综述 2

1.1.3 CVT的发展趋势 3

1.2 别克英朗7152车型概况介绍 3

第2章 CVT及主减速器设计方案选择 5

2.1 CVT设计方案选择 5

2.1.1 CVT主要结构及工作原理介绍 5

2.1.2 CVT的主要技术难点 6

2.2 主减速器设计方案选择 7

2.3 本章小结 8

第3章 CVT主要机构设计 9

3.1 金属带轮主要参数设计计算 9

3.2 中间减速齿轮设计计算 12

3.2.1 齿轮基本参数选择 12

3.2.2 齿轮形状尺寸计算 12

3.3 行星齿轮参数设计计算 14

3.4 CVT其他零件的选择设计 16

3.4.1 滚动球键的设计及校核 16

3.4.2 金属带钢环组的设计 20

3.5 CVT控制系统的设计介绍 21

3.6 本章小结 22

第4章 主减速器主要参数设计 23

4.1 主减速器齿轮参数设计 23

4.2 齿轮校核计算 26

4.2.1 计算各轴转速和转矩 26

4.2.2 齿轮强度计算 26

4.3 本章小结 31

第5章 轴的设计及校核计算 32

5.1 轴的设计要求 32

5.2 轴的装配结构设计 32

5.3 轴的校核分析计算 34

5.4 本章小结 38

第6章 结论 39

参考文献 40

附录1 经济车速范围计算 42

附录2 CATIA三维建模截图 43

致谢 44

第1章 绪 论

1.1 课题背景

近年来，随着车辆工程技术的飞速发展以及车辆总数日益增多，驾驶员和研发人员对变速器的性能要求也越来越高。愈来愈多的汽车工程师在改善汽车变速器性能的研究开发中付诸了许多努力，在变速器技术方面取得了很大的进步。当今全球装车较多的汽车变速器主要有机械式手动变速器、电控液力自动变速器、无级变速器、电控机械式自动变速器和双离合器变速器等。这几种变速器都各具优势，但这之中要数无级变速器的发展应用前景是最佳。

因此，设计一款适用于轿车的CVT在推动自动变速器的发展中显得尤为重要。本毕业设计基于别克英朗7152车型的主要技术指标，根据对设计参数的计算分析，实现整个CVT的重要传动部分及主减速器部分的详细设计。

1.1.1 CVT的发展现状

汽车无级变速器发展至今已然有一百多年的历史，然而以前的无级变速器由于存在着传动功率不足，导致离合器的工作不够稳定，还有液压油泵、传动带及夹紧装置的能量损失太大的缺陷，以至于之后未能大范围应用。直到二十世纪六十年代中期，荷兰DAF公司研发出宽V形胶带式无级变速器，这种无级变速器主要适用于一些体积较小，发动机功率较低且传动扭矩小的微型小轿车。不久之后，荷兰的汽车工程师 选用V型金属钢带代替了之前的宽胶带，从而研究和开发了汽车金属带式无级变速器，申请专利之后成立了自己的变速器公司—— 公司（简称VDT公司），并将这中金属带式无级变速器以自己的名字命名。这种CVT的出世大幅度地提高了传动效率和传动可靠性，并大大延长了使用寿命，可以说是实现了真正意义上的无级变速。之后的三四十年间，在全世界的车辆工程师和研究人员的努力下，研发出更多种类的无级变速器，如图1.1所示：

图1.1 CVT的分类

1.1.2 CVT的性能特点综述

作为汽车传动系统中的最佳选择，CVT因为能够实现变速器和发动机的适时匹配，从而让发动机可以长期处于最佳工况工作，大大地提高了汽车的动力性，同时也改善了汽车的燃油经济性和排放性能，除此之外，结构简单化的CVT还可以有效降低生产成本。

1. CVT提高汽车动力性

众所周知，汽车的动力性主要由汽车的后备功率决定，因为后备功率主要

影响汽车的加速能力和最大爬坡度。由于CVT的传动比调节过程中，它的电液控制系统先通过车速传感器和节气门开度传感器反馈的信号确认发动机的工况，再调节出最佳的传动比，以至于汽车在加速或者爬坡的时候都能有较大的后备功率，这是其他的变速器无法实现的。AT和CVT比较如表1.1下：

表1.1装配4AT和CVT的克莱斯勒“Voyager”厢式旅行车加速时间比较

1. CVT改善汽车燃油经济性

近年来，为了提高汽车的燃油经济性，不论是手动变速器还是自动变速器挡位都增多了，相比之下就增加了选择最佳挡位使得发动机工作于经济工况的机会。也就是说挡位无限的CVT理想情况下，可以在任何时机给发动机提供最佳工况工作的可能性，从而显著地提高了汽车的燃油经济性。

表1.2装配4AT和CVT的克莱斯勒“Voyager”厢式旅行车油耗试验结果

1. CVT改善汽车排放性能

当汽车装配了CVT并使用之后，其燃油经济性得到改善，自然而然使得燃

料的燃烧过程发生变化。燃料燃烧得更加充分，那么废气及其中的污染物质排放量都会减少。有ZF公司做过排放性能实验，他们在汽车上装配自主生产的CVT，测试后发现同样工况下，装配CVT相比装4AT的汽车排放量减少了大约10%。

1. CVT降低汽车生产成本

由于CVT的结构相对简单，所以其零部件数量与普通的AT相比也要减少

很多。只要汽车制造厂商将CVT投入大规模生产，随着生产技术的进步发展、生产材料的革新，整个CVT的生产成本会降低大约20%～30%。

1.1.3 CVT的发展趋势

1)CVT部件技术发展

在扭矩能力和特殊使用性能方面，推进式传动带和传动链需要进一步加强。 因为自动化生产的普及导致产品数量的迅速增加，生产成本也会大大降低。 传动带轮的优化设计不仅可以减小系统质量，降低成本，还能够保障主动轮通过传动带传递给从动轮的最大转矩。微处理器和测试设备等不同设备之间的电子控制差异会造成研究和制造成本大大增加，这将使得通过模块化设计和大批量生产的电液控制而降低，从而使低成本和灵活功能相结合。

2)适配发动机集成控制的CVT电控系统

随着电子科技的飞速发展，应用于汽车上的电子控制系统大也取得了比较大的进步。为了适应不同车型的底盘布置，不仅需要增大传动比的变化范围，更需要通过集成发动机的电控单元的CVT，来实现在任意工作状况下更精准地无级调速，只有这样才能进一步改善燃油经济性和排放性能。

1.2 别克英朗7152车型概况介绍

别克英朗来源于欧宝新雅特，是品牌旗下继君威、君越和昂科雷之后，基于通用最新平台生产的第四款车型。就像“英朗”这个名字字面上所呈现的那样，这款紧凑型的五门轿车主打外形设计，车身线条动感十足又不失硬朗，颇具年轻的气质，因此也非常受年轻人的青睐。除此之外，英朗装配有1.5L排量的发动机，也承袭了美系车动力足的特点。正是因此，更需要配备良好的传动系统来为整车锦上添花。该毕业设计目标就是基于别克英朗7152设计一款适用的轿车CVT及主减速器。

图1.2 别克英朗车型

别克英朗7152主要技术指标如下表1.3所示：

表1-3 别克英朗7152主要技术指标

第2章 CVT及主减速器设计方案选择

2.1 CVT设计方案选择

历经四十多年的研究，汽车金属带式无级变速器的开发已然成熟，并在当今汽车传动领域占据重要地位。选用金属带传动作为CVT的传动方式，让变速器的传递功率相比之前大大增加，整个传动过程的效率也提高了不少，工作寿命也有延长。正是这些有点让带式无级变速器的使用范围从当初的微型轿车发展到现在的中高级轿车。如今日系车——丰田、日产、本田，美系车——福特、通用、菲亚特以及德国的奥迪公司生产的很多轿车尤其是混合动力汽车都装配有金属带式无级变速器。而且金属带式无级变速器有着相对简单紧凑的总成结构，所以本设计中，别克英朗7152型轿车的CVT设计方案选择为金属带式无级变速器。

2.1.1 CVT主要结构及工作原理介绍

汽车金属带式无级变速器的结构如图2.1所示，有负责动力传入的起步离合器，可以实现离合换向的行星齿轮机构，作为CVT核心部件的金属带轮和金属带，电液控制系统和调整CVT传动比的中间减速齿轮。

汽车前进过程中，动力从发动机输入，前进挡离合器通过接合飞轮接合传递动力，动力传到行星架后，太阳轮带动主动带轮。主动带轮通过与金属带的V形摩擦片接触从而产生摩擦力，也正是这个摩擦力驱动摩擦片向前运动，以此类推，又推动前面一个摩擦片，两者之间又产生压力。在CVT的无级调速过程中，主、从动带轮的中心距是固定不变的。汽车的电控系统发出指令让CVT的液压装置控制移动锥盘的轴向移动，这样就使主、从动带轮工作半径发生改变，传动比也随之发生变化。当压力摩擦片与锥盘的接触面上形成之后，移动锥盘靠近固定锥盘移动时，摩擦片在V型槽内部从外向内的运动，产生的压力就越大，传动比也越大，传动的力矩也随之而增大，反之则传动比减小，传递的转矩也减小。力矩通过金属带驱动从动带轮，之后再将动力经过中间减速齿轮和主减速器以及差速器分配到驱动轮上。当汽车需要实现倒退行驶时，先使前进挡离合器与飞轮分离开来，换上倒挡离合器与飞轮接合，这样行星齿轮机构的内齿圈就被固定，内行星轮与太阳轮相啮合，外行星轮与内齿圈相啮合，两次啮合改变了传递到太阳轮的力矩方向，这样就改变了主动带轮的转动方向，从而使驱动轮的运动方向发生改变。

图2.1 汽车金属带式无级变速器基本组成

2.1.2 CVT的主要技术难点

目前金属带式无级变速器面临的技术难点主要在于——直母线锥盘使金属带产生偏斜而导致传动比调整不够精确，以至于可调节的传动比范围受限制。至今投产的大部分CVT中，锥盘（带轮）的工作表面都选用直母线锥面，V形摩擦片的侧边均为直线。因为这样给生产过程带来了便利，加工简单。但选用直母线锥盘，必定会使金属带在变速过程中产生轴向偏移。查阅资料可得金属带偏斜量会随着最小工作半径的增大而增加，也就是说，随着变速比的增大，金属带的偏斜量就会增加。不难得知，直母线锥盘限制了金属带式无级变速器的变速比和承载能力。所以说，实现汽车CVT的大变速比和大转矩的关键就在设计无偏斜的金属带传动——曲母线锥盘、复合母线锥盘和等强度共轭母线锥盘。但是不言而喻，曲母线和复合母线锥盘制造难度和生产成本就比直母线锥盘高太多。当然，直母线情况下也能实现无偏斜金属带传动，中国专利双钢环非对称金属带式无级变速传动装置，其设计就是利用一个平盘和一个锥盘这种非对称结构形式避免金属带产生偏斜，如图2.2所示。

图2.2 直母线无偏斜式金属带无级变速器

2.2 主减速器设计方案选择

目前汽车市场上家用轿车大多应用前置前驱总体布置，且发动机的布置形式以横置为主。对于这种布置形式，驱动桥中主减速器的减速形式可以选用渐开线圆柱斜齿轮传动。圆柱齿轮结构较为简单，生产成本较小，而且斜齿轮区别于直齿轮的显著优点，在于螺旋角β使齿轮在啮合受载时倾斜接触，有利于降低斜齿轮的弯曲应力和接触应力，同时也可以减小齿轮传动过程中的振动和噪声。本设计中，别克英朗7152车型的主减速器选用单级圆柱斜齿轮作为减速传动件，如图2.3所示。

图2.3 单级圆柱斜齿轮主减速器

2.3 本章小结

本章根据绪论中的课题背景以及对别克英朗7152车型技术指标分析，确定了CVT的设计方案为金属带式无级变速器，并简要介绍了它主要组成结构和工作原理。然后完成了主减速器设计方案的选择，传动方式选为单级渐开线圆柱斜齿轮传动，为后续设计计算奠定了理论基础。

第3章 CVT主要机构设计

3.1金属带轮主要参数设计计算

1.CVT的变速比确定

CVT的变速比指的是CVT的金属带部分的最大传动比和最小传动比之比，也称作变速器的变速范围。的大小直接影响传动比的可控范围，CVT调速过程如下图3.1所示。

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