毕业设计论文U34型脉动无级变速器的反求设计

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1、毕 业 设 计题目：U34型脉动无级变速器的反求设计姓 名： 学 号： 学 院： 机电学院 专 业： 机械工程及自动化 指 导 教 师： 协助指导教师： 2009年6月7日北京联合大学 机电 学院毕业设计（论文）任务书题目：U34型脉动无级变速器的反求设计 系 别： 专 业： 机械工程及自动化 班 级： 学 号： 姓 名： 同组人： 指 导 教 师： 教师职称： 教 授 协助指导/联系教师： 教师职称： 2009年1月9日一、主要内容和基本要求U34型无级变速器是德国设计的无级变速器，其以先进的结构设计和优质材料制造的产品，在国际上获得了广泛的应用。借鉴国外先进技术是发展我国设计和制造技术，缩

2、短我国与国际先进技术的有效途径。本毕业设计，就是利用反求工程技术，对U34型无级变速器的结构和性能进行分析，以求获得该变速器的结构图纸资料和性能参数。目前购置了该变速器产品，拟在2008-2009学年的第2学期的前15教学周内，完成该变速器的三维结构装配图和零件图的反求设计。毕业设计的成果形式为电子图纸和毕业设计论文。二、主要参考资料1 周有强. 机械无级变速器 M.北京：机械工业出版社，2001年6月第1版：214254。2 阮忠唐. 机械无级变速器 M .北京：机械工业出版社，1999年8月第1版：4556。3 机械零件设计手册 第3、4卷 M .北京：机械工业出版社，1986年：179.

3、4 机械工程标准手册 齿轮传动卷 M . 北京：中国标准出版社.2003年4月第1 版：8587。5 成大先. 机械设计手册 M.北京：单行本.减（变）速器-电机与电器. 化学工业出版社.2004年：59。6 孙吉平、权英华、张济政、黄华星、黄靖远、机械式无级变速器的研究历史和现状J.北京：清华大学 第三界中国机械技术史国际学术会议文集，2001：25。7 孙吉平、权英华、张济政、黄华星、黄靖远、超越离合器的发展现状及趋势 J .北京. 清华大学 第三界中国机械技术史国际学术会议文集，2001：36。8 Power-Matic机械式无级变速器的结构及运动学研究J.北京：第三界中国机械技术史国际

4、学术会议文集，2004：5862。9Paul Kenneth University of California at Berkeley 21世纪制造 M . 北京：（21st Century Manufacturing）. 清华大学出版社.陪生教育出版集团 2002年5月第1版：256312。10 Keven R. Lang ，An Overview of CVT Research past, Present, and Future清华大学 超越离合器的发展现状及趋势J.北京.第三界中国机械技术史国际学术会议文集：725728。11 徐茂功、桂定一. 公差配合与技术测量 M.北京.机械工业出版

5、社.2002年6月第二版：89。12 周家新. AutoCAD2005 中文版 机械绘图新概念百例 M.北京.中国水利水电出版社：697三、进度要求12周：完成调研、开题报告和实施方案。第二阶段38周：根据所给定的样机，完成变速器总体装配结构的反求设计。第三阶段813周：完成变速器零件的反求设计。第四阶段1415周：完成论文的撰写和答辩准备。第五阶段16周：答辩 指 导 教 师： （签字）专 业 负 责 人： （签字）摘 要本文是利用反求工程的理论和方法，对U34型脉动无级变速器进行反求设计，同时简单介绍了反求工程的方法和关键理论，以及对U34型脉动无级变速器的工作特性和性能的介绍。本文讨论了

6、反求设计工程中的一些技巧，包括对零件的测绘、测绘零件基准的选择，安装尺寸的计量等，同时通过零件建模过程的介绍，可以了解到零件三维建模的一般过程和建模软件的应用技巧。本文对U34型脉动无级变速器的工作原理、工作过程、理论计算都有简单的阐述，为U34型脉动无级变速器在不同工况和工作环境中的应用提供了理论依据。 关键词： 反求设计 无级变速器 脉动式无级变速器 Abstract This article is the use of reverse engineering theory and methods, the pulse of U34-type anti-CVT design, at the

7、 same time introduced a simple method of reverse engineering and critical theory, as well as the U34-type continuously variable transmission pulse characteristics and performance of the work of a comprehensive introduction. This article discusses the design of the reverse engineering of a number of

8、techniques, including parts of the mapping, surveying and mapping components of the choice of the base, the installation of measures such as size, parts modeling process through the introduction of three-dimensional modeling can be seen that the parts of the general process and modeling software app

9、lication skills. In this paper, the pulse of U34-type continuously variable transmission of the working principle, the working process, theoretical calculation is fully described in the pulse for the U34-type continuously variable transmission in different working conditions and working environments

10、 will provide a theoretical basis.Key Words：Reverse Design Continuously Variable Transmission Pulse Type CVT 目 录摘 要IAbstractII引言11 绪论21.1课题的工程背景及选题的意义21.2课题来源及主要研究内容22 反求工程及其关键技术32.1 反求工程的概念32.2 反求工程的研究及应用领域32.3 反求工程的主要方法32.4用于u34型无极变速器反求设计的测量方法和数据处理方法43 脉动式无级变速器概论43.1脉动式无级变速器的分类43.1.1按传动机构的类型分类43.1

11、.2按传动输出组合机构的组成方式及数目分类53.1.3按调速方式分类53.2.1传动机构73.2.2输出机构73.2.3调速机构93.3脉动式无级变速器的性能特点及应用93.3.1运动特性93.3.2输出速度的脉动度103.3.3动力特性113.3.4性能特点和应用113.4脉动式无级变速器用超越离合器123.4.1摩擦式超越离合器的基本性能要求123.4.2摩擦式超越离合器的主要类型和结构特点143.4.3摆杆单边极限位置不变，摆角连续可调的曲柄摇杆机构的工作原理154 U34型无级变速器三维建模174.1建模软件介绍174.2变速器关键零件的建模174.3变速器的装配24结论.24致 谢2

12、6注 释26参考文献.27附 录.28 引言机械无级变速器是适合现金生产工艺流程机械化、自动化发展以及改善机械工作性能的一种通用传动装置。它的研制在国外已有百余年的历史，初始阶段受条件限制，进展上缓慢。直到20世纪50年代以后，一方面随着科学技术的发展，在材质、工艺和润滑方面的限制因素相继解决，另一方面随着经济发展，需求迅速增加，相应地促进了机械无级变速器的研制和生产，使各种类型的系列产品快速增长并获得了广泛的应用。绪论1.1课题的工程背景及选题的意义 无级变速器实际上是自动变速器的一种，但它比常见的自动变速器要复杂得多，技术上也更为先进。机械无级变速器传动具有结构简单，操纵方便，传动效率较高

13、，恒功率特性好，噪声低等优点，因此，能适用变工况工作，简化传动方案，节约能源和减少污染等要求，在工业界受到越来越多的重视和采用。目前已较多地运用于车辆，拖拉机和工程机械，船舶，机床，轻纺工业机器，起重机械和试验设备中。 国内对机械无级变速器的研究是从20世纪60年代前后起步的，当时主要是作为专业机械配套零部件，由 专业机械厂对国外产品进行仿制和生产的。到80年代中后期后，随着国内外先进设备发展，工业生产现代化及自动流水线的迅速发展，对各种类型机械无级变速器需求的增加，专业厂家开始建立，一些高等院校也开展了该领域的研究工作。目前国内已由过去的仿造阶段发展到创新阶段，由中小功率到大功率阶段，由一般

14、技术到高新技术和电子技术阶段。 国外早在1490年，Leonardo da Vinci便勾画了机械无级变速器的草图，并简要叙述了它的潜在优势。它的研制在国外已有百余年的历史。机械无级变速器最初是在19世纪90年代出现的，至20世纪30年代以后才开始发展，但由于当时受材质与工艺方面的条件限制，进展缓慢。直到20世纪50年代，尤其是70年代以后，随着先进的冶炼技术和热处理技术，精密加工和数控机床以及牵引传动理论的出现和发展，解决了研制和生产无级变速器的限制因素。 U34型无级变速器，可以在主轴不停转的情况下使其输出转速降到0。根据这样的特性，这种无级变速器就特别适合于对径向尺寸有苛刻要求的场合，市

15、场应用前景广阔。1.2课题来源及主要研究内容U34型无级变速器是德国设计的无级变速器，其以先进的结构设计和优质材料制造的产品，在国际上获得了广泛的应用。 借鉴国外先进技术是发展我国设计和制造技术，缩短我国与国际先进技术的有效途径。利用反求工程技术，对U34型无级变速器的结构和性能进行分析，以求得该变速器的结构图纸资料和性能参数。完成该变速器的三维结构装配图和零件图的反求设计。同时掌握对机械零件的测绘方法，研究各机构工作原理和相互配合关系，使反求设计的变速器的结构和尺寸更加合理化，达到变速器主要参数所规定的要求和能力。2 反求工程及其关键技术2.1 反求工程的概念反求工程(Reverse Eng

16、ineering,RE),也称逆向工程、反向工程,是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程,是一个从样品生成产品数字化信息模型,并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。通俗的说是从实物上采集大量的三维坐标点，并由此建立该物体的几何模型，进而开发出同类产品的先进技术。逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物后有模型。仿形加工就是一种典型的逆向工程应用。2.2反求工程的研究及应用领域反求工程的研究主要分为两个方面：硬件方面和软件方面。逆向工程的硬件最早是运用仿制加工设备，制作出来的成品品质粗糙。后来有接触式扫瞄设备，运用探针接触工

17、件取得产品外型。再来进一步开发非接触式设备，运用照相或激光技术，计算光线反射回来的时间取得距离。逆向工程软件部分品牌包括Surfacer(Imageware)、ICEM、CopyCAD、Rapid Form等。逆向软件的演进约略可区分为三个阶段。十一年前在逆向工程上，只能运用CATIA等CAD/CAM高阶曲面系统。市场后来发展出两套主流产品约在七、八年前技术成熟，广为业界引用。到最近四年来，发展出不同以往的逆向工程数学逻辑运算，速度快。软件的逆向工程是分析程序，力图在比源代码更高抽象层次上建立程序的表示过程，逆向工程是设计的恢复过程。逆向工程工具可以从已存在的程序中抽取数据结构、体系结构和程序

18、设计信息。目前，逆向工程，逆向工程的应用已从单纯的技巧性手工操作，发展到采用先进的计算机及测量设备，进行设计、分析、制造等活动，如获取修模后的模具形状、分析实物模型、基于现有产品的创新设计、快速仿形制造等。2.3 反求工程的主要方法反求技术包括影像反求、软件反求及实物反求等三方面。目前相对最多人研究的是实物反求技术。它是研究实物CAD模型的重建和最终产品的制造。陕义来说，三维反求技术是将实物模型数据化成设计、概念模型，并在此基础上对产品进行分析、修改及优化等技术。通过利用仪器去收集物体表面的原始数据,之后再使用软件，计算出采集数据的空间坐标，并得到对应的颜色。扫描仪是对物体作全方位的扫描、然后

19、整理数据、三维造型、格式转换、输出结果。整个操作过程，可以分为四个步骤： (1)物体数据化：普遍采用三坐标测量机或激光扫描仪来采集物体表面的空间坐标值。 (2)从采集的数据中分析物体的几何特征：依据数据的属性，进行分割、再采用几何特征和识别方法来分析物体的设计及加工特征。 (3)物体三维模型重建：利用CAD软件，把分割后的三维数据作表面模型的拟合，得出实物的三维模型。 (4)检验、修正三维模型。2.4用于u34型无极变速器反求设计的测量方法和数据处理方法(1)物体数据化：对于简单零件采用手工测绘，复杂难用手工测绘的采用三座标测量机获得零件的几何参数。(2)从采集的数据中分析物体的几何特征：依据

20、数据的属性，进行分割、再采用几何特征和识别方法来分析物体的设计及加工特征。(3)物体三维模型重建：利用CAD软件，把分割后的三维数据作表面模型的拟合，得出实物的三维模型。(4)检验、修正三维模型。3 脉动式无级变速器概论3.1脉动式无级变速器的分类3.1.1按传动机构的类型分类（1） 连杆式：连杆机构属于低副机构，采用较多的是平面四杆机构和六杆机构。a、平面四杆机构：从机构学角度看，可用于将匀速转动转变为非匀速转动或摆动的平面四杆机构有曲柄摇杆机构、曲柄摇块机构、双曲柄机构和转动导杆机构，它们都可以作为变速器的传动机构。采用曲柄摇杆机构和曲柄摇块机构可获得减速传动，而采用双曲柄机构和转动导杆机

21、构还可以获得增速传动。用这种方式时要在变速器运转过程中实现调速在结构上是比较复杂的。b、平面六杆机构：在用四杆机构不能满足所要求的特性时，就需要采用六杆机构，如希望获得大摆角的摆动以增大变速范围，要求输出速度的波动尽可能小，调速过程中使输出构件处于静止状态，或实现输出摇杆摆动幅度的方便调节等。在六杆机构中通过改变机架长度、移动与机架相连的中间铰接点或转动与机架相连的移动副导路方向，就可以在变速器运转过程中方便地实现调速。(2)、凸轮式：在四杆机构中用凸轮副代换低副，四杆机构就演变为凸轮机构。在脉动无级变速器中应用的凸轮机构，实质上多是偏心轮机构。(3)、组合式：通常采用连杆机构与其他机构的组合

22、，应用最多的是连杆机构与齿轮机构的组合。 a、连杆齿轮式：在这种组合中连杆机构是基础机构，将齿轮与多相传动机构的公共主动轴（或从动轴）同轴布置，各相传动机构按星式排列，这样可以获得结构极为紧凑的脉动无级变速器。同时因其便于移动机架铰接点的位置，因此可以容易地实现在运转过程中的调速。采用的齿轮机构，可以是定轴齿轮机构，也可以是行星齿轮机构。采用行星齿轮机构容易获得比较大的减速比。b、凸轮连杆式：在脉动无级变速器中应用的凸轮连杆机构，主要是在六杆机构中用凸轮副代换低副而派生出来的五构件机构。c、凸轮连杆齿轮式：在凸轮连杆式变速器中后置齿轮机构，即构成凸轮连杆齿轮式变速器。（4） 空间机构式3.1.

23、2按传动输出组合机构的组成方式及数目分类（1） 传动输出组合机构的相数分类：按相数可以分为三相、四相或五相脉动式无级变速器。 （2）按传动输出组合机构的排列方式分类： 多相结构的脉动无级变速器按传动输出组合机构在空间的排列方式可分为并列式、星式和对称式三种。 3.1.3按调速方式分类：根据被调节构件及其位置，调速方式可分为调节连架杆的长度和调节机架的长度两种。3.2 脉动式无级变速器的基本组成和工作原理脉动式无级变速器是由传动机构、输出机构和调速机构三个基本组成部分组成的变速装置。如图1即为典型的脉动式无级变速器的基本结构。图中的平面四杆机构作为传动机构，将输入轴的匀速转动转变为摇杆的往复摆动

24、；调速机构通过改变曲柄的长度来改变摇杆往复摆动的幅度；作为输出机构的超越离合器最后将可调幅的摇杆摆动变为脉动的单向转动输出。3.2.1传动机构传动机构是脉动式无级变速器的主体机构，变速器输入与输出转速的变换主要、通过它得以实现。图1中采用曲柄摇杆机构作为无级变速器的传动机构，该机构的工作特性可通过图2所表示的机构简图加以分析。在曲柄AB匀速转动过程中，摇杆CD作往复摆动。曲柄在转动一周的过程中有两次与连杆BC共线，此时摆杆CD分别处于其相应的极限位置C1D和C2D。在两极限位置处曲柄所夹的锐角称为极限夹角。由几何关系可推导出摇杆CD的摆角为=arccos(l22+l42-(l3+l1)2)/(

25、2l2l4)-arccos(l22+l42-(l3-l1)2)/(2l2l4) (1)式中，l1、l2、l3和l4为各杆的长度。由于脉动无级变速器的输出转速是脉动的，故定义其平均传动比为im=2m/1m=n2m/n1m=/(2) (2)式中 1m、n1m分别为输入轴的平均角速度和平均转速； 2m、n2m分别为输出轴的平均角速度和平均转速。由上可知，摇杆的单向平均摆动速度低于曲柄的转速，因此脉动式无级变速器是一种降速型的变速装置。摇杆CD在往复摆动中做变速运动，在式(1)中对时间求一阶导数可得到瞬时角速度为2=1l1sin(1-3)/(l2sin(2-3) (3)式中各杆位置角1、2和3见图2。

26、由上式可绘制出摇杆的角速度2随曲柄的位置角1变化的曲线（见图3）。3.2.2输出机构为了将摇杆的往复摆动转换为单向旋转运动输出，变速器中必须设有输出机构。在图1中摇杆和输出轴之间配置了 作为输出机构的超越离合器。由于超越离合器具有单向传动的特点，因此经过输出机构后，图3中横坐标以下部分曲线所代表的摇杆转动被过滤掉了，从而得到了脉动的单向转动输出。由上述情况可知，如果变速器中只配置一组曲柄摇杆机构（称为单向），则输出轴将出现间歇转动，且转速式在零至最大转速之间变化，极不平稳。因此为了保证输出轴获得连续转动并提高运动平稳性，变速器必须由多组相互间有一定相位差的传动机构和超越离合器共同组合。这被称为

27、多相结构的变速器，最常用的是三相和四相结构。由超越离合器的运动特性知，一个输出轴上装有多个超越离合器时，在某一时间内只有相对运动速度最大的两个构件（某一摇杆与输出轴）之间才会有运动输出。由于各传动机构的输出构件（摇杆）是相继进入其最大角速度工作区域的，因此各超越离合器也是交替起作用的。图3(b)示出了配置有三相组合机构的变速器的工作状况。此时只有各条曲线交点以上部分（见图中实线所示）的运动可以通过超越离合器过滤后作为输出角速度2传递到输出轴上，变速器实现了连续转动，而且最小角速度也由单相结构时的2min=0变为现在交点S处的2min，输出角速度的变化幅度2大为减小，脉动输出的均匀性得到了很大提

28、高。可见，在多相结构中超越离合器不仅起到了输出作用，还起到了运动合成的作用，故又被称为输出合成机构。3.2.3调速机构在变速器中还需设置调速机构才能实现无级变速。在图1中，调速机构的作用是连续改变曲柄AB的长度，以在连杆机构中形成各种不同的尺寸比例关系，从而使摇杆的摆角和平均摆角速度得以连续改变，达到无级变速的目的。这类变速器的调速机构通常通过改变传动机构中各构件的尺寸关系使传动机构的速比在一定范围内得以光滑连续的改变。3.3脉动式无级变速器的性能特点及应用3.3.1运动特性（1）瞬时输出角速度与瞬时传动比通常在传动机构中输入构件做匀速转动，而输出构件一般为往复变速运动，其瞬时角速度2可表示为

29、2=d/dt (4)和2的解析式可根据机械原理推导出。实际上，目前机构的运动分析多用解析法求解，因为传动机构的运动分析有通用计算程序供选用，且计算机运算可获得很高的速度和精度。根据计算结果便可绘制出瞬时输出角速度2随输入转角1变化的曲线（图3），用以表示变速器的速度特性。瞬时传动比i21为 i21=2/1在多相机构中，瞬时角速度2应取为各相21曲线交点以上的部分，运动交接点S对应输出角速度的最小值2min。瞬时角速度在两个运动交接点S1和S2之间完成一次脉动变化循环（图3b）。（1） 平均输出角速度与平均传动比根据图3，平均输出角速度2m可表示为一般情况下，两曲线交点S1和S2之间的速度曲线具

30、有近似二次曲线或近似正弦曲线的形状，因此在近似计算中2m的计算公式可写为2m=2max-(2max-2min)/3=22max/3+2min/3 (5)有时也可采用更为简单的计算形式2m=(2max+2min)/2 (6)由图3可知，采用多相结构时，随着相数的增大，曲线交点S的位置会随之上移，2min也会随之增大。在传动机构的结构不变即2max一定的情况下，随着相数k和2min的增大，平均输出角速度2m和平均传动比im会随之增大，2m越接近2min则输出运动也越接近匀速。3.3.2输出速度的脉动度在脉动无级变速器中用脉动度衡量其输出速度的波动程度，它是变速器的一项重要性能参数和质量指标。脉动度

31、用输出角速度的变化幅度与平均输出角速度之比值来表示，即=2/2m=(2max-2min)/ 2m (7)结合式（5）和式（7），有=3（2max-2min）/(22max+2min) (8) 影响输出速度脉动度的因素主要是相数k和极位夹角。随着相数k的增大，最小输出角速度2min会增大，由式（8）可知，脉动度将会变小。另外由于存在极位夹角（图2），因此摇杆在往复两个摆动行程中的平均角速度并不相同，两个行程中的1-2曲线的形状也不一样。例如在图3中，曲柄转角1由0（+）的变化过程中摇杆完成一个行程，这期间得到的速度曲线（横坐标以上部分）较平缓，故脉动度也较小。而且极位夹角越大，上部角速度曲线越平

32、缓，值也越小。所以在确定超越离合器的楔紧行程时，必须选取变速器脉动输出速度的均匀性和平稳性比较好的这一行程作为传动机构的工作行程。相反，在曲柄1由（+）2的变化过程中，摇杆的速度曲线（横坐标以下部分）变化增大，这一行程一般称为急回行程。极位夹角（或行程速比系数）是传动机构性能设计的重要参数。一般从减小脉动度的角度出发，角越大越好，但角过大又会使急回行程的加速度及其变化率增大，引起振动并使效率降低。因此对角应兼顾上述两方面要求慎重选择。另一方面，在不同类型的机构中极位夹角对脉动度的影响作用是不同的，例如导杆机构的非急回行程角速度曲线就比图1所示的曲柄摇杆机构有更加平缓的变化规律。因此，脉动度也是

33、选择传动机构类型的重要依据。以上对运动参数的分析都是在非调速状态，即传动机构内各杆件的尺寸比例关系保持不变的情况下进行的。在调速过程中，传动机构尺寸的改变会使极位夹角也一同改变，其变化规律随传动机构类型和被调节构件的不同而异，一般输出速度的脉动度会随着传动比的增大和平均输出角速度的上升而变小。一般采用的脉动度是指变速器工作在额定输出转速时的值。（2） 变速比脉动无级变速器的变速范围用变速比Rb表示为Rb=2m，max/2m,min=n2m，max/n2m,min (9)式中2m，max、2m,min最大和最小平均输出角速度； n2m，max、n2m,min最大和最小平均输出转速。（3） 调速特

34、性调速特性指主传动机构对调速装置的响应特性，可用输出转速相对于调整量（如曲柄长度、机架上移动铰支点的位移等）的变化曲线表示。调速特性应满足平稳、灵敏的要求，最好满足近似线性的调速曲线。3.3.3动力特性（1）机械特性典型脉动无级变速器的机械特性曲线如图4所示，图中T2、P2分别代表输出转矩和输出功率。变速器在低于ne的转速下运行时具有恒转矩特性，在高于ne的转速下运行时可作为恒功率传动使用。ne被定义为变速器的额定输出转速，即可输出最大转矩的最大转速。变速器在额定输出转速时可输出的转矩即称为其额定输出转矩Te。（2）机械效率机械效率等于输出功与输入功之比。变速器的机械效率主要包括传动机构的效率

35、和超越离合器的效率两部分。变速器的效率随输出转速的不同而变化，一般在额定输出转速和额定输出转矩时的效率最高。在变速器的技术规格中一般给出其最高机械效率，将其作为变速器的效率指标。3.3.4性能特点和应用与摩擦式无级变速器不同，脉动式无级变速器的传动机构采用几何封闭的低副机构，因此具有工作可靠、承载能力高、变速性能稳定的特点。其传动机构的设计灵活性较大，可实现大范围变速的要求，且最低输出转速可以为零。可以采用的调速方式较多，在静止或运行中均可调速。此外，脉动无级变速器还具有结构简单、体积较小、制造方便和成本较低等优点。限制脉动无级变速器扩大其应用范围的因素主要有两个。其一是连杆运动时的惯性力难以

36、得到平衡，不平衡惯性力和惯性力矩所引起的振动在高速时会显著增大，其产生的动载荷还是造成机械效率较低的重要原因。其二是作为输出机构的超越离合器是动力链中的薄弱环节，其承载能力和抗冲击能力相对较低，直接制约了脉动无级变速器传递动力的能力。这两个制约因素是限制脉动无级变速器在高速和大功率领域中应用的主要障碍。此外，其输出运动的脉动性也不可能完全消除掉。目前，脉动无级变速器主要应用于中小功率、中低速以及对输出转动的均匀性要求不十分严格的场合，在纺织、化工、轻工、建材、塑料、造纸、食品、制药等工业领域和各种加工生产线的传输装置中得到广泛应用，在起重运输机械和一些机床（如钻床和铣床）的进给箱中也有应用。下

37、表中列出了脉动无级变速器的技术参数。传动比变速比输入功率/kW输入转速/(r/min)输出转速 /(r/min)i=00.2Rb=P18n11800n2=01000输出速度的脉动度额定输出转矩Te/(N.m)效率(%)机械特性0.10.31.351270.685恒转矩(n2ne)3.4 脉动式无级变速器用超越离合器由于棘轮机构具有单向离合的功用，因此在脉动式无级变速器中被作为输出机构，实现将摇杆的往复摆动变换为输出轴的单向脉动输出。常用的棘轮机构分为齿式和摩擦式两种。齿式棘轮机构依靠棘爪与轮齿的啮合来传递运动和动力，虽然机构简单，工作可靠，但外形尺寸大，属于有级接合，且接合时冲击较大，故不适合

38、在脉动式无级变速器中使用。在脉动式无级变速器中应用的主要是摩擦式棘轮机构，即摩擦式超越离合器。摩擦式超越离合器具有体积小、传递转矩较大、接合平稳、工作噪声小、可在高转差下接合等优点。这种离合器的工作范围较宽，传递转矩可达200000N.m，工作转速一般不超过3000r/min，但在特殊条件下可达45000r/min或更高。3.4.1摩擦式超越离合器的基本性能要求图5为一种典型的摩擦式超越离合器的结构图。在作为运动输入与输出元件的外环3和内环1（此处内环为星轮）之间置有楔紧元件4（如滚柱、楔块等），其特点是不论取外环还是取星轮作主动件，只能在一个转动方向上传递转矩，而在另一个转动方向上两者则处于

39、相对空转状态。外环与星轮之间不传递转矩的相对滑动状态称为超越（超越原指从动件的角速度可以超越主动件而不带动主动件一同回转的状态）。超越离合器的工作过程是：超越（主动件处于不传递转矩的转动方向，在图5中如取星轮为主动件，它应沿逆时针方向转动，此时外环与星轮之间为相对滑动）自动楔入（主动件反向并沿顺时针方向转动，楔紧元件自动楔入外环与星轮的工作面之间）楔紧（机构自锁，依靠接触面之间的压力传递转矩）自动去楔（主动件再次反向并沿逆时针方向转动，解除自锁，楔紧元件自动从两工作面之间脱出）超越。在以上过程中，对超越离合器的基本要求如下：1、 开合特性离合器在楔入合去楔过程中应灵敏可靠，楔入和去楔时所需的力

40、要小。良好的开合特性是离合器可以适应高的开合次数的基础。楔角是影响开合特性的主要参数之一，是摩擦式超越离合器的重要参数，对其工作性能有显著影响。如图5所示，在滚柱式超越离合器中，楔角是指楔紧元件与外环和内环接触点（或线）处两个切面之间的夹角。由受力分析可知，机构自锁的条件是2（为滑动摩擦角）。换言之，只有满足此条件时楔紧元件才会自动楔紧。楔角取得小些，则容易楔合，但过小则去楔时需要较大的去楔力，甚至会完全锁住而无法脱开。取得大些，则可以提高离合器得承载能力，但过大则不容易楔合，楔合后也容易在工作过程中发生打滑。2、 溜滑角溜滑角是楔紧元件从开始楔入到完全楔合得过程中，外环与内环之间得相对转角。

41、溜滑角小则表示楔合动作迅速灵敏，超越离合器得运动精确度高。因此，溜滑角是影响离合器运动和动力相应特性得一个重要因素。要得到较小得溜滑角，应注意合理设计加压弹簧，或采用阻尼板等结构上得措施。通常滚柱式超越离合器得溜滑角不超过2，而楔块式超越离合器的滑溜角约在27之间，所以对动作精确性的要求较高时，宜选用滚柱式超越离合器。3、 自动补偿磨损能力离合器经过跑合和工作磨损后，应仍能保持自锁状态和良好的开合特性。4、 承载能力目前，摩擦式超越离合器的承载能力较小是制约脉动无级变速器扩大其功率范围的主要因素。影响承载能力的因素除了前面提到的楔角以外，还有受力处接触面的形状以及材料的强度。通过修正楔紧元件、

42、外环和内环的工作面形状，可以提高接触处表面形状的综合曲率半径，甚至可以将点（或线）接触转变为面接触，从而降低接触应力、提高承载能力。采用优质材料和优化的热处理工艺，可以增大材料的许用接触应力，也可以提高承载能力。此外，开发创造新型的超越离合器也可以为提高承载能力开辟新的途径。5、 效率摩擦式超越离合器的能量损耗主要发生在超越行程中。此时外环与内环处于相对滑动状态，而楔紧元件在压力弹簧的作用下始终与外环和内环保持接触，由此产生大量的摩擦热。此外，在楔入和去楔过程中也会消耗一些能量。由于摩擦式超越离合器的效率较低，因此直接影响了脉动无级变速器的应用与发展。3.4.2摩擦式超越离合器的主要类型和结构

43、特点1、 滚柱式超越离合器滚柱式超越离合器在机械上应用很早，也很普遍，其结构型式很多，经过不断发展愈益完善。这种离合器按星轮位置不同，可分为内星轮和外星轮两种，其中前者应用较多。按星轮工作面形状又可分为平面、对数螺旋面和偏心圆弧面等（图6）。其中平面工作面加工简单，使用较普遍，但楔角会随滚柱的磨损和随后工作面接触位置的变动而改变。工作面呈对数螺旋面时，滚柱磨损后楔角仍能保持不变，但加工较困难。偏心圆弧工作面的加工性和使用性则介于两者之间。要保证自锁条件，对常用材料而言楔角的最大极限值约为16左右。一般情况下，星轮工作面为平面时，楔角可取=68；为对数螺旋面或偏心圆弧面时，由于滚柱磨损等因素对楔

44、角的影响不大，因此可取=810。2、常用的内星轮滚柱式超越离合器有以下几种：（1） 单向型 在这种结构中，滚柱受到弹簧的压力，始终与外环和星轮保持接触。如图5所示，当外环作为主动件逆时针旋转或星轮作为主动件顺时针旋转时，离合器接合；反之则处于超越状态。（2） 带隔离环单向型 这种离合器对普通单向型离合器作了一些改进，特别是由于加装了隔离环而使允许转速获得很大提高。（3） 带拨叉单向型 这种离合器与单向型离合器的不同之处在于它具有一个可以拨动滚柱的拨叉。工作时，不论外环和星轮何者主动，均只能单向传递运动和转矩。但在工作过程中可以随时通过操纵拨叉来拨动滚柱，使离合器去楔，中断运动。在中断运动前拨叉

45、随离合器一起转动。（4） 带拨叉双向型 其构造与带拨叉单向型相类似，不同之处是星轮工作面和滚柱均由单向布置改为双相对称布置。不论外环和星轮何者主动，均能双向传递运动和转矩，而且可通过拨叉使运动中断，因此是一种可逆离合器。滚柱式超越离合器的特点是，滚柱在滚道内能自由转动，磨损后仍能保持圆形，且滚柱与内外滚道的接触线在楔紧和分离时并不相同，因而磨损也较为均匀。当超载时，滚柱可滑动，离合器不致被破坏。当转矩减少后，离合器仍能重新锁紧，恢复正常工作状况。但这种离合器能安装的滚柱数量有限，因此在相同尺寸的条件下，其承载能力要低于其他类型的超越离合器。此外，离合器星轮的加工较困难。3.4.3摆杆单边极限位

46、置不变，摆角连续可调的曲柄摇杆机构的工作原理（一） 、机构的组成图7为调速机构简图，图7中，1为支撑轴，2为主动件曲柄，3为连杆，4为中间摇杆，5为连杆，6为从动件摇杆，7为滑块，8为超越离合器，9为螺杆，10为螺母，11为滑杆，12为手柄。 由于螺杆9与螺母10的自锁特性，所以当螺杆9不动时，螺母10和滑杆11也不动，因而滑杆11上的滑块7也不动，成为固定铰链。这时该机构是6杆机构。当机构中曲柄2转动时，通过连杆3使摇杆4绕D2点摆动。二级杆组5和6在C点与杆3和4铰接，在铰接点C的带动下，二级杆组5和6按一定的规律运动。（二）、机构的工作原理图7所示，由A、B1、B2、C1、C2、D1、F

47、点组成的是从动件摇杆6的摆角6为零时的情况，既：当主动件曲柄2转动时，摇杆6总是位于初始位置FE1保持不变。在图7中，转动手柄12使铰链D转到D1的位置，与E1重合。因为该机构中摇杆4与连杆5和圆弧槽的曲率半径D1C1相等，所以摇杆4与连杆5在机构的极限位置D1C1重合。图中杆D1C1的转动中心（即铰链D的圆弧轨迹的曲率中心）C1点与摇杆4 的极限位置点重合。这时摇杆6位于其初始位置FE1。当曲柄2转过一个角度达到AB2时，铰链C从C1转到另一个极限位置C2，因为杆4和杆5的长度相等，所以二级杆组5和6中的D1点在机构运行时是固定铰链，所以摇杆6仍位于原来的位置FE1，保持不动。在回程时，铰链

48、B从B2运动到B1点，连杆5仍然始终跟随摇杆4同步运动，铰链C从极限C2点返回到极限点C1，摇杆6仍位于原来的位置FE1保持不动，该机构完成了一个工作循环。当铰链D转到D2时，摇杆6的摆角便达到了设计所要求的最大摆角6max。在铰链D2这个位置上，当曲柄2转到AB1位置时，机构中的杆2与杆3共线，杆4、杆5和D1C1相等，且C1点是机构1-2-3-4的一个极限点。二级杆组5和6仍与图中的位置一样，摇杆6位于初始位置FE1。当曲柄从AB1转到AB3时，摇杆4转到D2C3位置，虽然杆4与杆5的长度相同，但D2与E2不重合，所以二级杆组5和6的位置随之改变，杆6从FE1转到FE2，FE1与FE2的夹

49、角就是6max。同理，另一半行程，曲柄从AB2转到AB1时，摇杆6从FE2转到FE1。（三）、机构的特点摇杆6 的摆角6的大小与D点的位置有关，铰链D的位置的改变，可以使摆角6从零变化到其最大值，同时其初始位置不随6的变化而改变。所以该机构的特点是：1、 摇杆6的摆角6从0到6max可以连续变化。2、 摆角变化时，其初始位置始终保持不变。3、 机构的急回特性连续变化。4、 摇杆摆角的调整可以在机构运动时进行，也可以在静止时进行。4 U34型无级变速器三维建模4.1建模软件介绍Pro/ENGINEERPTC最主要的 MCAD/CAM/CAE 软件，大部分用户习惯的叫法更多是“PRO/E”。本设计

50、所采用的Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 其强大的功能一直受到业界用户的好评，能够适应日杂的产品开发环境。4.2变速器关键零件的建模此图为本设计的核心部件-单向离合器轴，因为手工测绘此轴存在很大难度，并且难以保证精度，所以此轴的测绘数据是借助3D测绘仪获得的，具体测绘过程和数据见附录。 4.3变速器的装配结论由于时间仓促，本人的知识有限，在设计中肯定有不少的缺点和错误，望各位老师批评指正。致 谢本论文的顺利完成，首先要感谢指导教师孙建东教授对我的悉心指导。无论是毕业设计的技术问题还是编写论文的基本知识再到涉及的点点滴滴，孙老师都悉心为我指导。他诲人不倦的态度、渊博的知识、解决

51、问题的方法影响着我，指导着我前进。特别是孙老师忘我的精神、基础夯实、方法得当、不断创新给了我很多感触，我所学到的也不仅仅在于此次设计，更是一种工作态度和方法。其次是感谢在毕业设计过程中给予我帮助和指导的老师和同学。尤其是论文编写中内容的编排、软件的使用、资料的收集、其他知识的学习都得到了他们的帮助。您们辛苦了！注 释1脉动无级变速器型号标记和表示方法U 34 F-1.5U：脉动无级变速器代号（国标）34：脉动无级变速器中第34系列“F”：带齿轮箱，“W”带蜗轮箱，“D”带电动机1.5：配用电动机功率（KW）参考文献1 周有强. 机械无级变速器 M.北京：机械工业出版社，2001年6月第1版：2

52、14254。2 阮忠唐. 机械无级变速器 M .北京：机械工业出版社，1999年8月第1版：4556。3 机械零件设计手册 第3、4卷 M .北京：机械工业出版社，1986年：179.4 机械工程标准手册 齿轮传动卷 M . 北京：中国标准出版社.2003年4月第1 版：8587。5 成大先. 机械设计手册 M.北京：单行本.减（变）速器-电机与电器. 化学工业出版社.2004年：59。6 孙吉平、权英华、张济政、黄华星、黄靖远、机械式无级变速器的研究历史和现状J.北京：清华大学 第三界中国机械技术史国际学术会议文集，2001：25。7 孙吉平、权英华、张济政、黄华星、黄靖远、超越离合器的发展

53、现状及趋势 J .北京. 清华大学 第三界中国机械技术史国际学术会议文集，2001：36。8 Power-Matic机械式无级变速器的结构及运动学研究J.北京：第三界中国机械技术史国际学术会议文集，2004：5862。9Paul Kenneth University of California at Berkeley 21世纪制造 M . 北京：（21st Century Manufacturing）. 清华大学出版社.陪生教育出版集团 2002年5月第1版：256312。10 Keven R. Lang ，An Overview of CVT Research past, Present, and Future清华大学 超越离合器的发展现状及趋势J.北京.第三界中国机械技术史国际学术会议文集：725728。11 徐茂功、桂定一. 公差配合与技术测量 M.北京.机械工业出版社.2002年6月第二版：89。12 周家新. AutoCAD2005 中文版 机械绘图新概念百例 M.北京.中国水利水电出版社：697附 录