现代无级变速器的理论研究

杨晓杰等

摘 要：文章首先基于端面摩擦传动的理论对无级变速器进行了结构设计，为了更好地将端面摩擦传动的形式应用在变速器上，设计出了一款新型的小轮，可以减小变速所需推动力。文章验证了基于端面摩擦传动原理的无级变速器应用的可行性，为适用于汽车等无级变速器研制的进一步完善和端面摩擦传动的研究提供了支持。

关键词：无级变速器；端面摩擦传动；理论研究

1 绪论

1.1 引言

CVT技术即无极变速技术，由于CVT可以实现传动比的连续改变，从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配，提高整车的燃油经济性和动力性，改善驾驶员的操纵方便性和乘员的乘坐舒适性，所以它是理想的汽车传动装置。

1.2 主要研究内容

文章选取了端面摩擦传动的无级变速方式。这就要对端面摩擦传动进行具体的设计分析。文章主要研究以下內容：

（1）无级变速器的结构设计；（2）端面摩擦传动的分析。

2 无级变速器的结构设计

2.1 端面摩擦传动的基本理论

2.1.1 端面传动原理及特点

在压紧力的作用下摩擦轮之间会形成一个接触区，依靠此接触区主动轮可以将运动和扭矩传递给从动轮，这种传动方式成为摩擦传动。端面摩擦传动是摩擦传动的具体表现方式之一，它的特点是主动轮的轴线与从动轮的轴线互相垂直。

2.1.2 端面摩擦的传动比计算

将小轮装在输入轴上，保证小轮只有沿输入轴横向移动和沿轴线旋转两个自由度；小轮和输出圆盘之间施加压紧力，当小轮转动时就会与输出圆盘之间产生摩擦力，带动圆盘转动；调速机构横向推动小轮，通过改变R2大小来改变小轮与圆盘间的变速比。如图1所示。

小轮的转速为n1，小轮的位置为R2，小轮的直径为D1，圆盘的直径为D2，小轮与输出圆盘之间没有相对滑动时，输出轴的转速n2与传动比i12分别为

2.1.3 端面摩擦传动中的滑动问题

端面摩擦传动过程中，无法保证摩擦轮一直处在理想的工作状态，会存在传动失效或者传动性能欠佳的问题。摩擦传动主要存在以下三个方面的问题：弹性滑动、打滑以及几何滑动。

（1）弹性滑动

因材料的几何变形造成的滑动称为弹性滑动。金属材料的变形必然会引起小轮与输出圆盘在接触区域产生弹性滑动。其结果表现为，输出圆盘的圆周线速度v2比小轮的圆周线速度v2要小一些。其关系可以用式（3）表示。

上式中，v1、v2分别为小轮和输出圆盘在接触区线速度的降低量；v为因弹性滑动引起的输出圆盘线速度总的损失量。这里引入弹性系数来表述弹性滑动大小：

由上可知，对于端面摩擦传动而言，弹性滑动的存在，会导致小轮无法把运动完全传递给圆盘，即传递的线速度受到损失，这样一来传动的精度和效率都会受影响。小轮和输出圆盘所用材料弹性模量值越高，硬度越强，这种影响就越小。因此，为了减小端面摩擦传动过程中的弹性滑动，选材时要选用高弹性模量高硬度的材料。

（2）打滑

事实证明，弹性滑动无法避免，对传动性能有一定影响；传递运动和力的功能基本符合要求，此时接触区域摩擦力矢量和与输出圆盘上的阻力矩平衡掉。如果输出端的负载力矩继续增大，直到大于小轮与输出圆盘间的最大静摩擦力，就会出现小轮在输出圆盘表面滑动的现象，如果经常发生打滑，小轮和输出圆盘的表面就会被磨损，出现磨痕，会大大降低使用寿命。在设计的时候，给小轮和圆盘提供足够的法向压紧力，打滑现象就不会出现。

需要提供压紧力的值的计算如下：

（5）

式中，Q1、Q2-小轮与圆盘受到的压紧力（m）；KA-工况系数，原动机为电机，工作机的方式为较小冲击，取为1.25；T1-圆盘的负载扭矩；D1-圆盘的工作直径；fp-小轮与圆盘间的需用摩擦因数。

（3）几何滑动

把因几何因素引起的滑动现象称为几何滑动。输入轴带动小轮转动时，在接触线上小轮各点的线速度是v1相等的；对输出圆盘而言，接触线上各点的线速度v2都不相同，大小为输出圆盘的角速度与各点和圆心间的距离的乘积，在圆盘表面上的接触线最远端的点线速度是最大的。

而根据端面摩擦传动原理，为了避免打滑，小轮与输出圆盘的运动速度必须由一点确定。在几何滑动的情境中，在接触线上小轮与圆盘各自只有一个接触点线速度是相等的，现在把这个点称为节点。节点应该位于小轮宽度一半处，只有在节点处小轮与输出圆盘的结接触是纯滚动。由此可知，接触线上的点除节点外小轮和输出圆盘的其它接触点线速度都不相等，靠近圆心处小轮上接触点的线速度比对应的圆盘上的接触点线速度大，靠近边缘处则相对而言较小。并小轮相对圆盘的线速度大小可以用v1-v2表示。在这些点上，小轮与圆盘都会产生相对滑动。

2.2 结构的设计

2.2.1 主体传动部件

如图2所示，主体传动部分主要包括三个零件：输入轴、小轮和输出圆盘。输入轴的轴线与输出圆盘垂直；输入轴依靠花键与小轮配合，小轮可以通过花键在输入轴上轴向移动。

根据前面的内容i12=，其中R2可以从18mm变化到41.9mm，R1=20mm，为弹性系数，取为0.02%。计算可得传动比i的变化范围为0.9-2.1。

（1）压紧力的计算

压紧力是为了保证小轮与圆盘之间不发生打滑。

其计算公式如下：Q= （式中Q-压紧力；fp-许用摩擦系数；T-输出扭矩；D2-圆盘接触直径）

由于变速器由电机驱动，原动机的工作方式选为均匀，工作机的工作方式选为较小冲击，则KA取为1.25；D2取为83.8mm。通过计算可得，压紧力Q=3977N。

（2）材料的选择

参考机械设计手册，输出圆盘的材料选为ZG310-570，其屈服强度为310MPa，抗拉强度为570MPa，弹性模量172-202，泊松比为0.3；小轮的材料选用40CrMn；输入轴选用40SiMn；全部淬火处理，提高表面硬度和耐磨性。

2.2.2 小轮的设计

设计思想是：为了避免几何滑动，轮毂要设计成鼓形，即轮毂的外表面要有一定的弧度；其次，为了減小轮子横移时的摩擦力，设置了6个均匀分布的滚子，即相邻两个滚子与轴心的连线之间的角度为60度，这是利用滚动摩擦力远远小于滑动摩擦力的原理；最后，轮子的侧面要受推动力的作用，必须用小轮片把轮毂片包起来，以防在转动过程中滚子与推动力接触，产生碰撞。（如图3所示）

由于尺寸的限制，轮毂和滚子之间没有设置轴承，因此滚子和轮毂之间要添加润滑油以减小摩擦。两个轮毂片和两个小轮片通过螺栓连接在一起，轮毂片和小轮片没有做成一个零件是为了降低制造成本；为了和输入轴配合起来，轮毂片和小轮片上面都有花键键槽，小轮上的键槽和输入轴上的键槽要求有精密的配合，以便使小轮在输入轴上横移时能比较顺畅。

关于调速，设计思路为：当轮毂部分与输出圆盘接触时，由于横向摩擦力太大，无法推动进行变速；当滚子与输出圆盘接触时，因为摩擦类型为滚动摩擦，推动力足以克服摩擦力推动小轮在输出圆盘上横向滑移进行变速。

2.4 小结

文章设计的无级变速器用的是端面摩擦的原理，详细介绍了端面摩擦传动的基本理论，着重对滑动问题进行了分析。文章对结构做了详细具体的设计。并且针对端面摩擦传动的特点新设计了一款小轮。

3 结束语

文章主要取得了以下研究成果：完成了无级变速器的结构设计，包括一种端面摩擦传动的结构设计、新形式摩擦轮的设计、压紧装置的结构的设计以及调速装置的结构设计。设计的无级变速器具有体积小、重量轻、加工制造简单、可正反向传动的优点。

参考文献

[1]Mary E. Morrison. Fallbrook users RP，event marketing to gain visibility[J]. B to B，2009，94（8）.

[2]Hendriks E. Qualitative and Quantitative Influence of A Fully Electronically Controlled CVT on Fuel Economy and Vehicle Performance. SAE Paper 881734.

[3]孔江生，吴柄胜，卢彦群. 曲柄连杆机构机械传动效率分析[J].机械科学与技术，2008，27（3）：347-350.

*通讯作者：姚天曙，男，副教授，研究方向为农机现代设计理论与方法。