摘 要

在全球能源危机的大环境下，节能减排已经成为各行各业的关注焦点。自1886年卡尔.本茨成功研制出了世上第一辆三轮汽车，汽车行业已经经历了长达百年的发展。现今，为了追求更好的动力性，行驶平顺性以及燃油经济性，无级变速器受到了全球厂家的热捧。

无级变速器（Continuously variable transmission）简称CVT，与普通变速器相比，优势在于，它变速比不是不连续的点，而是一系列连续变化的数值。而有着无限档位的无级变速器，则确保了在任何条件下变速器都能提供最合适的档位使得发动机处于最经济工况下工作。就目前市场上的情况而言，金属带式无级变速器是发展最为成熟的无级变速器，也是各大公司研究的重点无级变速器类型。但是目前的金属带式CVT的局限是显而易见的：效率偏低和扭矩偏小。所以金属带式无级变速器仅仅适用于中小型轿车上，这是无级变速器目前发展的主要瓶颈。故而，研发更大转矩容量与更高传动效率的CVT具有重要的意义。

关键词：金属带式无级变速器；传动装置；主、从动锥盘；行星齿轮换向机构；中间减速器

ABSTRACT

In the background of global energy crisis, energy conservation and emission reduction has become the focus of all walks of life. Since Karl Benz successfully developed the world's first three-wheel car in 1886, the automobile industry has experienced more than a century of development. Nowadays, CVT has become a new popular type of transmission by global manufacturers for better dynamic performance, riding performance and fuel economy.

Continuously variable transmission (CVT) , compared with traditional transmission, its transmission ratio is not a series of seperating point, but a series of continuously changing values. At the same time, the infinitely variable transmission ensures that the transmission can provide the most suitable gear under any conditions to make the engine work under the most economical conditions.In terms of the current situation in the market, the metal-belt type CVT is the most mature development of CVT, as a result, the most companies focu on metal-belt type CVT types.But the limitations of the current metal-belt type CVT are obvious: low efficiency and low torque.So the metal belt CVT is only suitable for small and medium-sized cars, which is the main bottleneck of CVT development. Therefore, it is of great significance to develop CVT with larger torque capacity and higher transmission efficiency in the future.

Keywords：Metal-belt type Contiuously Variable Transmission；transmission device；planetary gear reversing mechanism; driving,driven cone-disk; intermediate reduction gearbox

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 概述 1

1.1.1 无级变速器的分类 1

1.1.2 金属带式无级变速器的发展历史 3

第2章 金属带式无级变速器传动的基本原理 4

2.1 金属带式无级变速器的基本组成 5

2.1.1 离合器换向机构 6

2.1.2 金属带式变速机构 7

2.1.3 中间减速机构 8

第3章 无级变速机构的参数设计及校核 10

3.1 迈腾2019款整车参数 10

3.2 传动比的设计计算 10

3.2.1 车轮半径 10

3.2.2 求最大传动比的范围 11

3.2.3 求无级变速装置的基本参数 11

3.3 金属带的强度校核……………………………………………………………….11

3.3.1 带环的静强度计算 13

3.3.2带环的疲劳强度计算 14

3.3.3带轮与摩擦片的接触强度计算 15

第4章 换向机构的参数设计及校核 18

4.1换向机构的组成及工作原理 18

4.2齿轮参数设计计算 18

第5章 中间减速器的设计及校核 23

5.1中间减速器的组成与工作原理 23

5.2中间减速器的设计 23

5.2.1中间减速第一级齿轮设计 23

5.2.2 中间减速器第二级齿轮设计 25

5.3 主减速器齿轮的设计及校核 26

5.4 减速机构齿轮参数汇总 28

第6章 中间减速器轴及轴上支撑件设计及校核 30

6.1 轴的结构设计 30

6.1.1 选择轴的材料 30

6.1.2 初步估算轴径 30

6.2 轴的强度计算 30

6.2.1 轴的强度验算 30

6.3 键的强度计算 37

第7章 结 论 38

参考文献 39

致 谢 41

第1章 绪 论

1.1 概述

由于技术的限制，汽车的主要材料仍然是来源于石油。而化石燃料的总量是有限的，属于不可再生资源，故考虑到人类的长久发展，节能减排是大势所趋。对于汽车而言，节能即意味着良好的燃油经济性。影响燃油经济性的因素主要分汽车结构和汽车的使用两个方面。结构方面分为轿车尺寸和重量、发动机、传动系、以及轮胎；使用方面分为行驶车速、档位选择、挂车的应用、以及日常保养。在已经考虑到轿车尺寸、发动机和轮胎的影响了后，可以改变的只有传动系的改变，而汽车的档位越多，发动机处于经济工况下工作的可能性越大，燃油经济性会越好。而若是档位无限多，则在任何工况下都可以确保发动机的燃油经济性最佳。所以有了无级变速器的诞生。

本设计题目是金属带式无级变速器的传动装置。通过对传动路径的分析，对整个无级变速器的各级传动部分的详细参数进行了详细的设计。

无级变速器的分类

机械式的无级变速器在国外发展已经有很长的时间，最初由于材料的限制使得发展缓慢，直到20世纪50年代后，随着市场需求的增加，CVT的研制被重新提上日程。更多的新产品获得了广泛应用。主要包括摩擦式和脉动式两大类。

在脉动式的无级变速器领域，德国，美国和日本的技术发展较为成熟。其工作原理在于利用脉动发生机构将输入轴的匀速转动转换成输出轴上的双向摆动，利用超越离合器将输出轴的双向摆动转换成脉动性的单向摆动，如图1.1所示。

图1.1脉动式无级变速器

然而由于其动平衡和磨损问题，脉动式无级变速器没有得到广泛应用。摩擦式无级变速器则是利用主、从动件在接触区域产生的摩擦进行动力传输。有多种形式，包括：行星锥盘式无级变速器（图1.2）、钢球式无级变速器（图1.3）、环形无级变速器（图1.4）以及金属带式无级变速器（图1.5），各有优势以及应用场合。同时随着电子控制技术的发展，CVT逐渐模块化，电子化。例如德国博世公司研发的电子式CVT控制系统就是基于传感器、执行器单元控制基础的电子/液力模块。

图1.2行星锥盘式无级变速器

图1.3钢球式无级变速器

图1.4环形无级变速器

图1.5金属带式无级变速器

1.1.2 金属带式无级变速器的发展历史

迄今为止，CVT的技术发展至今已经有了100多年的历史。而金属带式CVT的历史可追述到1886年，德国奔驰公司就将V型橡胶带式无级变速器应用于奔驰汽车上。在这之后，1958年，荷兰的DAF公司成功改良奔驰公司的CVT，得到了双V型橡胶带式无级变速器，此款无级变速器被配备在DAF公司制造的Daffodil汽车上，售出超过100万辆，但是橡胶作为传送带有一定的局限性：功率较低（转矩低于135Nm）;工作不稳定；且在传送过程中能量损失较大。故没有得到广泛的应用。直到20世纪90年代，新的技术的出现使得第一代CVT原有的缺陷被克服成为可能，传统橡胶带被金属带替代，从，动轮的夹紧力采用电子控制，液力变矩器也被集中到CVT中。在这过程中日产公司对CVT的发展与应用做出了卓越贡献，使得CVT 传递转矩容量更大（从1.0L到3.0L），性能更为优良（动力平顺无间断传递）。

当前，世界各大汽车生厂商为了提高汽车产品的市场竞争力，都在积极推进CVT的研究工作。且TOYOTA、NISSAN、AUDI等世界知名汽车生产厂家都在售卖装配有CVT的轿车。且装配CVT的轿车市场已经由原来的日本，欧洲，渗透到北美市场。装配CVT的汽车已经成为汽车发展新趋势。

自“九.五”期间自动无级变速器汽车的研发已经成为国家的重大科技攻关计划之一。就目前的金属带式CVT而言，其局限是显而易见的。影响摩擦力大小的两个因素：接触表面的正压力以及接触表面的粗糙度。而金属传送带是线接触式传动，接触面积较小，同时钢和钢接触作为传动介质摩擦系数也较小。导致传动时摩擦力不够，容易打滑，这也是机械式无级变速器传递转矩有限以及传动效率较低的主要原因，所以金属带式无级变速器仅仅适用于微型轿车上，这大大限制了无级变速器轿车的发展前景。故而，我国研发更大转矩容量及更高传动效率的CVT具有重要的意义。

我国国内的汽车无级变速器发展较晚，先前手动变速箱（MT）和自动变速箱（AT）应用更为广泛，直到近几年能源危机引发全球性的化石能源短缺恐慌以及环保意识的提高，CVT的研发逐渐得到重视。通过技术引进，逆向工程，收购外资企业，以及自主研发的方式。我国无级变速器汽车产业也得到了快速发展。

第2章 金属带式无级变速器传动的基本原理

2.1 金属带式无级变速器的基本组成

金属带式无级变速器的主要构成部分一般有离合器换向机构、金属带式变速机构、控制系统和中间减速机构，如图2.1所示。

1

2

3

4

5

6

7

8

10

11

12

13

9

1—倒档离合器 2—前进离合器 3—双星行星齿轮 4—行星架 5—中间减速器

6—主减速器 7—半轴壳 8—从动移动锥盘 9—从动固定锥盘 10—从动缸

11—主动固定锥盘 12—主动移动锥盘 13—主动缸

图2.1金属带式无级变速器的基本组成

2.1.1 离合器换向机构

在CVT系统中，发动机的动力由发动机飞轮传递到离合器换向机构，再由离合器换向机构的从动部分传递到变速机构的一轴。可以实现三个方面的功能：

1）使得发动机的动力平稳传输到汽车传动系，确保其平稳起步；

2）倒挡离合器的存在可以改变动力传输方向，从而改变变速箱的输出方向，实现汽车的前进和后退功能；

3）防止传动系过载，保护汽车传动系。

由于摩擦片式离合器结构简单，性能可靠且维修方便，为大部分金属带式CVT所采用，而行星齿轮换挡机构结构紧凑，可靠性高，也常常被用来改变动力传递方向。实现前进和后退的转换。如图2.1所示，发动机的动力由发动机飞轮传输至行星齿轮换向机构，其中，行星架与飞轮是通过花键联接在一起的，行星架将动力通过行星轮轴传输给内行星齿轮，而内行星齿轮是与双星齿轮机构中的外行星齿轮啮合在一起的，也包括中心轮，而外行星轮是同时与内齿圈啮合的。内齿圈外侧与行星架盖通过螺栓联接固定在一起。同时倒挡离合器的摩擦片与内齿圈外侧固定在一起，而前进离合器的摩擦片与行星架盖外侧固定在一起。

CVT的离合器是和换向机构组合在一起的，离合器有2部分，分别是前进离合器倒挡离合器，他们都是湿式离合器。通过改变液压缸的压力大小，即加压和泄压 ，可以实现摩擦片与压盘的接合与分离。在加压状态下时，摩擦片与压盘接触更紧密，可以传递扭矩。而在泄压状态下时，回位弹簧会作用于摩擦片上，使其回归起始位置。而相较于其他离合器，多片式离合器的摩擦面积较大，能够传递的转矩容量故较大。且若要改变无级变速器的转矩容量，则只需改变摩擦片的数量即可。

2.1.2 金属带式变速机构

如图2.2所示，CVT的无级变速装置是由一条金属传动带和四个合金锥轮所构成的。其中金属传动带由数百片厚度约为2mm的V型摩擦片和嵌合在摩擦片两侧的钢带环组件所构成，每组钢带环组件是由9或者12片厚度为0.18mm的钢带环整合而成，本文选用的是12层钢带环。金属带在两侧工作轮挤压力作用下传递动力，其中摩擦片被应用于传递动力；而钢带环组件则被用来引导摩擦片的运动方以及承受金属带中的张力。为了减少附加侧向弯曲应力对金属带和带轮的作用，锥盘母线应与摩擦片侧边曲线共轭，用以减小变速时金属带发生轴向偏斜的可能性。

在无级变速装置的工作过程中，不变的是金属带的宽度，而由于两金属带轮之间的距离是变化的，所以在固定，移动锥盘之间夹持着的金属带的转动半径是随之变化的，而锥盘的转动角速度是一定的，半径变化，则金属带的线速度也必然发生变化，主、从双锥盘的距离在液压控制机构的指令下发生变化，则变速器传动比也会发生变化，而由于带轮的工作半径可以连续变化，可实现连续的无间隔的变速，即无级传动。

1-主动移动锥盘 2-从动固定锥盘 3-主动固定锥盘 4-从动移动锥盘

5-摩擦片 6-钢带环组件

图2.2金属带式变速装置结构

2.1.3 中间减速机构

由于无级变速机构可提供的速比变化范围为2.6～0.445左右，而传统变速器的最大传动比一般为6左右，所以仅仅是CVT无级变速装置并不能完全满足整车传动比变化范围的要求，故设有中间减速机构，其作用是减速增扭，如图2.3所示，此中间减速器为双级中间减速器，是由两部分构成的，第一级减速是一对常啮合齿轮，而第二级减速是由二级减速主动齿轮和惰轮组成；而中间减速器和主减速器的结合则放大了金属带变速装置较小的变速比，满足了驱动轿车的动力要求。

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