毕业设计-齿轮式无级变速器设计

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1、 摘  要 本发明齿轮式无级变速器是一种最新型无级变速器,它克服现有无级变速器普遍存在效率低、制造成本高、操作复杂、无法承受较大载荷、变速范围窄等缺点。无级变速器采用两个行星系的组合结构,行星架共用,两个行星齿轮共同固定在同一个轴上,行星齿轮分别与两个太阳轮相啮合,两个行星齿轮都没有齿圈,行星架用轴承固定在机体上。两个太阳轮在同一个轴线上,可作为输入输出齿轮,行星架通过齿轮与一个变量叶片泵相连;本发明可应用在轻重型汽车、摩托车、坦克、轮船等所有内燃机上,还有各种需要随时变速的机器上。有广阔的开发前景。 关键词:齿轮式无级变速器  行星系  行星齿轮  太阳轮  变量叶片泵  

2、 Abstract the overall framework of the Fabric density lengthen measuring instrument includes the control display instrument, displacement sensors, weighing sensor, microcontroller, fabric for longer. Show-control connected with SCM through the data-line, displacement sensors and weighing senso

3、rs connected with the MCU through the A \ D converter. Among them, weighing sensor weigh the fabric samples, and issue the data signals into the control display instrument; fabric for longer will lengthen the fabric samples, the numerical value after lengthening is measured by displacement sensors a

4、nd the data signals will be sent to the control display instrument; control display for receiving displacement sensors, weighing sensor data sent after the detection signal, display, save measurements and compare them with the standard value.if it failed, it will issue warning signals. This machine

5、completely solved the problem that the clothing-hand has big difficulties, and the numerical value is not accurate. This machine has many advantages, such as commissioning the density of goods with accurate, stable quality of the product, scientific technology design and high efficiency and so on.

6、  Key words: meter SCM motor clutch sensor screw bearings 目  录 前言 1 第一章 齿轮式无级变速器简介 2 1.1齿轮式无级变速器的原理概述 2 1.1.1齿轮式无级变速器控制原理概述 2 1.1.2齿轮式无级变速器的具体工作原理 3 1.2齿轮式无级变速器的发展简介及前景展望 4 第二章 齿轮式无极变速器的结构设计 6 2.1电动机的选择 6 2.2分配传动比 6 2.3轴的传动设计计算 6 2.4齿轮的设计计算 9 2.4轴承的选择 13 第三章 模拟装配的实现及应用 1

7、4 3.1实体的生成及模拟装配 14 3.1.1三维实体零件图的绘制 15 3.1.2零件的模拟装配 17 3.2模拟装配的应用 19 第四章 结论 20 4.1本次设计的总结 20 4.2本次设计的创新点 20 4.3本次设计的延续 20 谢 辞 21 参考文献 22 3 前  言 汽车行驶的速度是不断变化的,这就要求汽车的变速器的变速比要尽量多。 齿轮无级变速器能较好地满足汽车的使用要求,且具有传动功率大、传动效率高、结构简单的优点。 我设计的齿轮无级变速器是一种全新的设计思想:采用两个行星系的组合结构,行星架共用,两个行星齿轮共同固定在同一根轴上,

8、行星齿轮分别与两个中心轮相啮合,没有内齿圈的太阳轮。两个中心轮分别作为输入与输出,行星架通过齿轮与变频电机连接,作为调速轮。 目前风力发电,受到国家的重视,大力推广。而对于中小功率的风力发电机组,由于风轮的转速小,且随风的大小而改变,这样就要求有大的并适合变速的发电机与之匹配。增加了发电机组的设备成本。齿轮无级变速器能将风轮的转速提高并变成平稳的转速后送入发电机,减少了发电机的机座号,降低成本。 与现有技术比较,该齿轮式无极变速器的优点是显而易见的:具有原理简洁、结构简单、零件少、传动力大、效率高、操作简单、变速范围宽等优点。 本毕业设计课题的研究内容是围绕齿轮式无极变速器的结构设计与模

9、拟装配展开的。本次研究的目标是在结构设计的基础上,运用Pro/ENGINEER软件对设计的零件进行模拟装配,建立产品实体模型。在结构设计阶段可以应用Pro/ENGINEER软件绘制零件图进行可行性检验,然后模拟装配,检查设计的零件结构是否合理,装配后是否存在干涉。 本课题在设计、装配过程当中需要Auto CAD和Pro/ENGINEER软件的应用。Pro/ENGINEER软件设计的产品的风格新颖,采用设计者熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是工程人员非常熟悉的一些普通的机械对象,并且可以按照预先的设置进行修改。功能如此强大的软件也为该软件的学习增加了困难,而且需要在本课程设计中熟

10、练的应用,以解决在设计阶段和模拟装配阶段的问题。 第一章  齿轮式无级变速器简介 1.1齿轮式无级变速器的原理概述 本人发明的无级变速器完全使用齿轮传动、原理简洁、结构简单、零件少、传动力大、效率高、操作简单、变速范围宽、可以从0速度到最大速度、省去了离合器、具有反向输出功能、省去了倒档齿轮系是当今最先进的无级变速器。 1.1.1齿轮式无级变速器控制原理概述 我所设计的齿轮式无级变速器,总体框架包括输入系统、输出系统、行星轮系、调速系统四部分,如图1-1所示。无级变速器采用两个行星系的组合结构,行星架共用,两个行星齿轮共同固定在同一个轴上,行星齿轮分别与两个太阳轮相齿合,两

11、个行星齿轮都没有齿圈,行星架用轴承固定在机体上。两个太阳轮在同一个轴线上,可作为输入输出齿轮,(行星架也可作为输入、输出机构)行星齿轮轴线平行于两个太阳轮轴线,行星架轴线也在太阳轮轴线上。行星架通过齿轮与一个变量叶片录相连,通过调整变量叶片泵的出口流量来控制叶片泵的转速,进一步控制行星架的转速,进而控制输出太阳轮的转速。因为流量的调节实现无级调解,则太阳轮输出可实现无级变化。 图1-1  齿轮式无极变速器总体布置示意图 1.1.2齿轮式无级变速器的具体工作原理 1、2为太阳轮。3、4为行星轮。(为了简化制造工艺,1、4可以是一样的齿轮,2、3可以是一样的齿轮。)5.输入太阳轮轴6

12、.输入轴轴承7.行星齿轮轴8.行星齿轮轴轴承9.行星架10.行星架轴承11.输出轴轴承12.输出太阳轮轴13.变速器机体14.行星架上齿轮15.变量叶片泵轴上齿轮16.变量叶片泵 图2无级变速器数学函数坐标图 下面通过数学计算来进一步说明((1为输入齿轮2为输出齿轮。其他两种情况不作推导) 设:太阳轮1的齿数为z1,转速为na 太阳轮2的齿数为z2,转速为nb 行星齿轮3的齿数为z3. 行星齿轮4的齿数为z4, 行星架的转速为nH 输入齿轮1相对输出齿轮2的传动比iab=(na-nH)/ (nb-nH)=(z3 *z2)/(zl *z4)

13、 nb=(na/iab)一(( l /iab)-1)*nH iab为定值,只与齿轮齿数有关,na为输入齿轮的转速,则输出齿轮转速nb在(iab不等于1时)只与星架的转速nH成正比例或反比例关系,因变量叶片泵转速调节能实现无级调节,则nH的调节为无级调节,则输出齿轮n6无级变速输出,从而实现无级变速调节。 iab 等于1时(( a. b齿轮直径相等时)没有变速调节功能na= nb等速输出。 iab 不等于1时有无级变速调节功能: iab小于1时nb与nH成反比 nb=(na/iab)-((1 /iab)-1)*nH nH小于na(1- i

14、ab)时 nb输出为正输出 nH等于na(1-iab)时 nb输出为零转速,空档。 nH大于na(1-iab)时 nb输出为反向输出,倒档。 iab大于1时nb与nH成正比 nb=(na/iab)+(1-(1 /iab))*nH nH大于na(1一iab)时 nb输出为正向输出 nH等于na(1- iab)时 nb输出为零转速,空档。 nH小于na <(1-iab)时 nb输出为反向输出,倒档。 综上所述本发明不仅可以实现无级变

15、速,(iab不等于1时)而且可以实现空档和倒档,大大简化结构,减少设备。 具体实施方式本人发明齿轮式无级变速器完全使用普通的变速器的变速齿轮即可,零件少,制造工艺简单,成本低,操作简单,只通过流量控制即可,效率高。可应用在轻重型汽车上、摩托车、坦二克、轮船等所有有燃机上,还可应用在不需要精密调节的机器上等其他需要变速调节的地方。投资少,回收快,是当今世界上最先进的无级变速器,有广阔对开发前景。 1.2齿轮式无级变速器的发展简介及前景展望 无级变速器(CVT)又称为连续变速式机械无级变速器。这种变速器与一般齿轮式自动变速器最大区别是省去了复杂而又笨重的齿轮组合变速传动,只用了2组带轮进

16、行变速传动。主要包括主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。主动和被动工作轮由固定和可动两部分组成,形成V型槽,与金属片构成的金属带啮合。当主、被动轮可动部分轴向移动时,相应改变驱动轮与从动轮传动带的接触半径,从而改变传动比。可动轮的轴向移动通过液压控制系统进行连续调节,实现无极变速。与有级式的区别在于,它的变速比不是间断的点,而是一系列连续的值,譬如可以从0.445连续变化到2.6。CVT结构比传统变速器简单、体积更小,它既没有手动变速器的众多齿轮副,也没有自动变速器复杂的行星齿轮组,主要靠主、从动轮和传动带来实现速比的无级变化,传动带一般用橡胶带、金属带和金属链等。 另外,还有一种

17、叫无限变速式机械无级变速器(IVT)。这种变速器由英国的Torotrak公司研发,业界一直将它视同CVT,2003年3月在美国底特律举行的汽车工程师学会年会上将它单独分类。IVT采用的是一种摩擦板式变速原理。早在1905年就出现过这种无级变速器,它由圆盘和滚轮构成,结构简单,如图4所示,但由于摩擦本身带来的能量损耗大、发热量高、传递转矩小和材料不耐用等缺点,没有进行批量生产。这种变速原理便是今天IVT的基础。 CVT传递的扭矩容量不大,目前以小排量汽车为主,其性能和可靠性尚未经过充分的考验和证实,技术还不够成熟;IVT由于摩擦能量损耗大、发热量高、传递转矩小和材料不耐用等缺点,还没有进行批量

18、生产;AT生产制造已有70多年历史,性能和技术都日趋完善可靠,因此,AT仍是现代汽车自动变速器的主流。目前在AT研究中,控制技术是其核心技术。电子控制具有无可比拟的优越性,其发展趋势有5大方面:   车辆起步部件的改进。采用湿式多片离合器是一种新的方式,但目前主要仍采用液力变矩器,并要求改进起步时增多扭矩的特性,提高燃油经济性。为了防止变矩器的能量消耗,大部分车种采用锁止离合器,并要求进一步提高性能。   齿轮传动机构的改进。为了提高动力性、经济性,降低噪声,传动比范围开始加大,并呈多级化;同时为了减少齿轮摩擦阻力,要求齿轮、轴承小型化,低噪声。   油压控制的改进。为了减少变速冲击,对

19、目标冲击值通过测定发动机转速或油压进行反馈控制,以形成与离合器扭矩相配合的油压。此外,为了直接测定输出扭矩冲击方式,应用模糊逻辑控制。   油泵。油泵占自动变速器摩擦损耗的很大部分,所以一部分已应用可变容量的油泵。仍须进一步提高油泵的响应性和稳定性。   电子控制。除了进一步提高自动变速器电子控制精度,还要不断推广应用与发动机控制一起的综合控制系统。 自动变速器为提高传动效率,改善燃油经济性,普遍采用了闭锁式液力变矩器;为改善换档品质,提供换档智能化程度,出现了一机多参数、多规律控制,并在此基础上将控制变速器与控制发动机的计算机合并在一起,实现其综合控制。为加宽变速范围,缩小传动比间隔,

20、自动变速器正在向多档化发展,4档变速器已普遍成为轿车的标准结构,5档自动变速器早已投放市场;为便于使用维修,控制系统的诊断功能不断增强。此外,无级变速器具有速比光滑变化、无级传递扭矩、加速性好、燃料经济性高、结构简单等特点,被认为是最有前景的一种自动变速技术。世界各大汽车公司对无级变速的研究十分活跃,估计在不久的将来电子控制的无级自动变速器将会广泛应用于现代汽车。 第二章  齿轮式无极变速器的结构设计 2.1电动机的选择 选择电动机的种类、类型和功率 电动机功率选择是否合适,对电动机的工作和经济性都有影响。功率过小不能保证工作机的正常工作,或使电动机因超载而过早损坏;

21、若功率选的过大,电动机的价格高,能力不能充分发挥,经常不在满载下运转,效率和功率因数都较低,造成浪费。 负荷稳定、长期连续运转的机械,可按照电动机的额定功率选择,而不必校验电动机的发热和启动转矩。选择时应保证 式中 —电动机额定功率,kW; —工作机所需电动机功率,kW。 由于输入端的功率是60kw,所以选择电动机的额定功率应大于60 kw。在这里我选择了Y系列封闭式三相异步电动机的Y280S-4电动机。 电动机特性如下: 同步转速:1500rpm 额定功率:75kw 电流:140A

22、 效率:92.7% 功率因素cos=0.89 净重:670kg 2.2分配传动比 采用iab<1,因为变频电机不用换向。 iab=(1/2)(2/3)=1/3,nb= 3*na-2*nH nb =0时,nH=1.5na=1.5*1500=2250 nb=- na/10 时,nH=1.55na=1.55*1500=2325 nH=0 时,nb=3na nb= na 时,nH=na na=1500r/min 式中 na—输入轴转速; nb—输出轴转速; nH—行星架转

23、速; iab—总传动比。 2.3轴的传动设计计算 在选出电动机型号、分配传动比之后,应将传动装置中各轴的传递功率、转速、扭矩计算出来,为传动零件和轴设计计算提供依据。 额定输入转速为1500r/min,额定功率60kw。 输入轴d=*=110*=37.62mm。圆整取40mm。 材料:40合金钢,调制处理,硬度229—269HBS。 设计输入轴的尺寸如图: 校核输入轴: 按扭转强度条件计算: ==[]Mpa []=30—40Mpa A0=118—107 ==12560 ===30.4[]=30—40Mpa 安全 按弯扭

24、合成强度条件校核: 齿轮上的作用力: 输入轴转矩T=9550=382000Nmm 齿轮圆周力 Ft===19100N 齿轮径向力 = Ft*=19100*=6952N 圆周力弯矩图: ==11086N ==8014N MH=83*RAh=920138N 径向力弯矩图: ===4035N =2917N =334905Nmm 合成弯矩图: M==979191Nmm 转矩按脉动循环变化处理,即=0.6 = Mpa,<[]-1=110Mpa 安全 2.4齿轮的设计计算

25、 行星轮系的第一对齿轮: 材料:40合金钢,调制处理,硬度229—269HBS 试验齿轮齿面接触疲劳极限=1450Mpa 试验齿轮齿根弯曲疲劳极限 太阳轮=400Mpa 行星轮=400*0.7Mpa=280Mpa 齿形为渐开线直齿,最终加工为磨齿,精度为5级。 齿轮的尺寸设计: 设工作平稳,每天工作8小时,每年工作300天,预期寿命10年。 计算应力循环次数N: =60**j*=60*1500*1*(10*300*8)=2.16* ==4.32* 查表得:=1 =1 (允许有一

26、定量的点蚀) 取=1.0,=1.0,=0.92 接触疲劳许用应力:[]1=ZWZLVR=368Mpa []2==257.6Mpa 按齿面接触强度确定中心距: 太阳轮转矩 =9.55**=382000 Nmm 初取=1.1,取=0.4,=188.9,u=i=0.5 ==2.5 计算中心距a: a(u+1)=(0.5+1)=180 mm 齿数 ===96 =u*=48 m=(0.007-0.02)a=(0.007-0.02)*180=1.26-3.6,取m=2.5 太阳轮::=96

27、 行星轮:=48 =m=240mm =m=120mm =+2=240+5=245mm =125mm =-2.5*m=240-6.25=233.75mm =113.75mm =*cos=225.53mm = =112.76mm =68mm =0.35*180=63mm 因为输入轴 d=4

28、0mm 则中间轴 ==110*=29.86mm 取=30mm 校验齿轮: 按接触疲劳强度: 圆周速度 v===18.84 没m/s,选择齿轮精度为5级。 因为是电动机驱动,载荷平稳,取=1.0 ==18.1m/s , =1.4 ==0.28 齿轮在兩轴承之间非对称布置,轴刚性较小。 =1.03*0.9=0.927 取=1.0 K==1*1.4*0.927*1=1.2978 计算端面重合度: === ===

29、 =[] =[96()+48()] =1.805 ==0.855 =2.5*188.9*0.855=352<368Mpa=[]1 安全 按齿根弯曲疲劳强度校核: 按,得 =2.24 =2.38 =1.78 =1.69 =0.25+=0.25+=0.417 重合度: 齿顶压力角 === === = = =1.8 =400Mpa =280Mpa YN1=1.0

30、 YN2=1.0 m=2.5<12mm,YX1=YX2=1.0,取=1.4,Yst=2.0 []1==400*2/1.4*1*1=571Mpa []===400 Mpa 1===40.4Mpa<[]1 2=1*=40.4*=40.8Mpa<[] 安全 行星轮系中的第二对齿轮: 材料:40合金钢,调制处理,硬度229—269HBS 中心距a=180mm =i= +=180*2 =216mm =144mm 取m=2.5 步骤同上得出: 主动轮: 从动轮:

31、 =86 =58 =216mm =144mm =221mm =149mm =209.75mm =137.75mm =202.97mm =135.32mm =68mm =63mm 2.4轴承的选择 根据我所设计的无极变速器的结构

32、要求,我选择《机械设计手册》的深沟球轴承。其主要特性如下: 轴承型号:7000120,1000924,6308,6306. 校核1000924轴承: 查《机械设计手册》,C=40000N R1=11797.5N R2==8528N P1=fdfmR=1.2*1*11797.5=14157N P2=fdfmR=1.2*1.5*8528=15350N 因为P2> P1,按P2计算 L10h===41190h>36000h 合格 第三章  模拟装配的实现及应用 3.1实体的生成及模拟装配 通过前一阶段的结构设计及校核,已经得到本课题的无级变速器的所有零

33、件尺寸,本阶段的任务是应用Proe软件绘制无级变速器的各部分零件图,并生成三维实体零件模型,然后用三维实体进行模拟装配,检查零件形状是否合理及是否有干涉存在。 3.1.1三维实体零件图的绘制 根据结构设计阶段所确定的具体零件尺寸,运用Proe软件绘制草图,然后生成三维零件图。部分主要零件图如下: (1) 图3-1  出入轴 (2) 图3-2  行星轴 (3) 图3-3  输出轴 (4)

34、 图3-4  调速轴 (5) 图3-5  行星架 3.1.2零件的模拟装配 根据所设计产品的总体结构即装配关系,把前一阶段所绘制的三维零件图模拟装配成产品模型,并检查装配图是否存在干涉,零件的形状设计是否合理,如果存在干涉,则需要修改零件图,然后再装配并检查是否存在干涉。 装配后的整体图: 3.2模拟装配的应用 经过模拟装配所建立的三维实体模型在实践当中有很多方面的应用,主要应用于

35、以下几个方面: (1)对产品设计这来说,可以在设计阶段绘制三维零件图,并利用其进行模拟装配,检验零件的设计结构尺寸是否合理,避免了以往在试制阶段才能发现设计结构不合理,免去了产品的试制。 (2)对工厂、工人来说,利用产品的装配模型,不仅可以用于培训新人对偶合器的产品结构有一个直观的了解,还可以为装配工人演示产品的装配过程,指导偶合器如何装配,提高工人的工作效率,保证装配质量。 (3)对产品的用户和维修者来说,可以通过三维装配图了解产品的结构及其装配关联关系,使维修者能很直观的确定故障零件的位置等,为产品的维护、维修提供了方便。 第四章  结论

36、4.1本次设计的总结 经过三个月的毕业设计,我设计了一台无极变速器,它的总体框架包括输入系统、输出系统、行星轮系、调速系统四部分。在本次设计当中,我首先通过调研了解到我所设计产品的重要性以及发展状况,并对其控制原理进行了初步设计,之后,我对无极变速器的结构进行了详细的设计,包括各零件结构设计,标准件的选用,电动机的选用以及离合器的选择,同时我还用Auto CAD画出其结构图以及各部分零件图。最后,我用Proe三维软件对其进行模拟装配,检验其内部结构是否干涉。 4.2本次设计的创新点 本次设计的创新点就是采用两个行星系的组合结构,行星架共用,两个行星齿轮共同固定在同一根轴上,行星齿轮分别与

37、两个中心轮相啮合,没有内齿圈的太阳轮。两个中心轮分别作为输入与输出,行星架通过齿轮与变频电机连接,作为调速轮。实现无级变速调节。本发明不仅可以实现无级变速,(iab不等于1时)而且可以实现空档和倒档,大大简化结构,减少设备。 4.3本次设计的延续 由于时间上的仓促、个人能力上的有限,本课题的研究仍存在很多的不足。如果有机会使课题的研究能延续,那么本课题的研究成果会更加完善。完善的方向主要是更加深入的学习Proe软件,Proe的某个模块能实现装配的动态仿真,即可以把本课题的装配实现动态演示,能够更加直观的表现出本织物密度拉长测量仪的装配过程。 谢  辞 本次毕业设计中得到机设教研

38、室多位老师的帮助,特别是指导老师邵万珍老师的大力支持。在毕业设计的这段时间里,当我的设计遇到困难的时候,邵老师总是不厌其烦、尽心尽力的帮我解决问题。邵老师平时工作非常忙,还要带创新设计的同学,指导他们参加比赛。虽然如此,但她总能在每周都挤出两天时间给我们辅导。而且她非常负责,有时忙不过来了,她就把我们的图带回家利用自己仅有的休息时间给我们改图。特别在我失落不知所措时,邵老师总会给我最大的鼓励,使我乐观坚定地走下去。我非常感动。同时,邵老师平易近人、诲人不倦、治学严谨的作风给我留下了深刻的印象,这对我今后的学习和工作有着深远的影响。在此,对各位帮助过我的各位老师特别是邵万珍老师致以由衷的感谢!

39、 另外,我要感谢和我一起做毕业设计的朋友们,他们不仅给了我很大的灵感,有时还细心帮助我解决画图和论文中的问题。 同时,本次毕业设计还要特别感谢制图教研室的朱静老师,在我们对Auto CAD很不熟练的情况下,给我们上了一堂制图培训课,在她的耐心指导下,我们的制图水平又提升了一层。使我们以前非常模糊的地方更加清晰,在进行毕业设计过程中少走许多弯路,提高了我们的制图正确率。在此由衷地感谢朱静老师。 参考文献 [1] 成大先.机械设计手册[M] 第三版.北京:化学工业出版社[M],1993 [2] 孙智礼.机械设计[M].沈阳:东北大学出版社,2000.9 [3] 喻子建.机械设计课程设

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