剖分變徑帶式無級(jí)變速器傳動(dòng)比波動(dòng)分析

肖義成，付風(fēng)嵐，周孫彪

(1．湖北省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院行業(yè)服務(wù)中心，湖北 武漢 430070;2．武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

帶式無級(jí)變速器是一種結(jié)構(gòu)簡單、使用廣泛的機(jī)械式無級(jí)調(diào)速裝置［1－3］，常規(guī)的V帶無級(jí)變速器是通過移動(dòng)可動(dòng)錐盤，擠壓V帶，調(diào)節(jié)帶槽寬度調(diào)節(jié)帶輪的工作直徑改變傳動(dòng)比，利用帶的張緊力使帶與帶輪之間產(chǎn)生摩擦來傳遞動(dòng)力。然而，這種帶與帶輪之間劇烈摩擦的調(diào)速方式，直接造成帶的較快磨損，降低其使用壽命［4－6］。為了克服這一缺陷，近年來出現(xiàn)了一種通過直接改變帶輪直徑進(jìn)行無級(jí)調(diào)速的剖分變徑帶式無級(jí)變速器［7－8］。目前，大連交通大學(xué)、武漢科技大學(xué)等單位開展了對(duì)這種新型無級(jí)變速器的研究工作，初步掌握了其設(shè)計(jì)方法，但還有很多問題有待深入研究。如該無級(jí)變速器在調(diào)速過程中存在帶長變化的問題，由此會(huì)引起傳動(dòng)比的波動(dòng)和傳動(dòng)帶張緊力的變化，筆者將對(duì)該問題進(jìn)行詳細(xì)的探討。

1 剖分變徑帶式無級(jí)變速器工作原理

剖分變徑帶式無級(jí)變速器有多種結(jié)構(gòu)，典型特征是帶輪不是整體式的，而是由多個(gè)徑向剖分的帶輪塊組合而成。圖1是無級(jí)變速器的一種結(jié)構(gòu)方案，它由剖分式主、從動(dòng)輪，傳動(dòng)帶，張緊彈簧，變速杠桿等組成［9］。主、從動(dòng)輪均由剖分帶輪塊、徑向?qū)虮P、滑動(dòng)錐盤組成，主、從動(dòng)導(dǎo)向錐盤分別固定在輸入軸和輸出軸上，主、從動(dòng)滑動(dòng)錐盤用花鍵分別安裝在輸入軸和輸出軸上并可沿軸向滑動(dòng)，剖分帶輪塊與徑向?qū)虮P和滑動(dòng)錐盤用T型槽構(gòu)成滑動(dòng)聯(lián)接。傳動(dòng)帶用兩張緊彈簧緊套在主、從動(dòng)輪上，兩張緊彈簧分別安裝在主、從動(dòng)輪的滑動(dòng)錐盤與滑動(dòng)套筒之間，兩滑動(dòng)套筒分別空套在輸入軸和輸出軸上，滑動(dòng)套筒的尾部有環(huán)型槽，變速杠桿的兩端分別插入兩滑動(dòng)套筒尾部的環(huán)型槽中。

圖1 剖分變徑帶式無級(jí)變速器結(jié)構(gòu)原理

直流電機(jī)通過蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)變速杠桿。當(dāng)變速杠桿從垂直位置開始順時(shí)針方向擺動(dòng)時(shí)，主動(dòng)輪的剖分帶輪塊向內(nèi)移動(dòng)，帶輪工作直徑變小;同時(shí)，從動(dòng)輪的剖分帶輪塊向外移動(dòng)，帶輪工作直徑變大，從而連續(xù)改變傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)減速傳動(dòng)。反之，當(dāng)變速杠桿逆時(shí)針方向擺動(dòng)時(shí)，可連續(xù)調(diào)節(jié)超速傳動(dòng)比。

2 傳動(dòng)帶長度的變化

從剖分變徑帶式無級(jí)變速器的工作原理可以看出，兩帶輪的中心距是一定的，當(dāng)帶輪的工作半徑發(fā)生變化時(shí)，理論帶長也會(huì)隨之發(fā)生變化。理論帶長的計(jì)算公式［10］為:

式中:a為中心距;R1、R2分別為主、從動(dòng)帶輪的工作半徑;i為傳動(dòng)比。

由于傳動(dòng)比的變化是由變速杠桿控制的，在調(diào)速過程中，主、從動(dòng)帶輪工作半徑的變化量受變速杠桿的杠桿比影響。在主、從動(dòng)輪滑動(dòng)錐盤錐角相同的情況下，杠桿比與主、從動(dòng)帶輪工作半徑的變化量之間的關(guān)系可表示為:

式中:a、b分別為變速杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到輸入、輸出軸的距離;ΔR1、ΔR2分別為主、從動(dòng)帶輪工作半徑的變化量;k為杠桿比。

以傳動(dòng)比i=1時(shí)變速器的狀態(tài)為基準(zhǔn)，此時(shí)變速杠桿處于垂直位置。設(shè)基準(zhǔn)狀態(tài)下，R1=R2=R0。當(dāng)變速器減速傳動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)比為:

由式(3)可以得到:

用 R1=R0－ΔR1，R2=R0+ΔR2代入式(1)并結(jié)合式(4)，可有:

在式(5)中，第1和第2項(xiàng)為基準(zhǔn)帶長L0，是設(shè)計(jì)變速器時(shí)確定的實(shí)際帶長;第3和第4項(xiàng)為某一傳動(dòng)比(減速傳動(dòng))下帶長相對(duì)于基準(zhǔn)帶長的變化量ΔL。

當(dāng)超速傳動(dòng)時(shí)，帶長變化量計(jì)算式(6)仍然適用，但式(6)中的傳動(dòng)比要用1/i，杠桿比要用1/k代入。

從式(6)可以看出，帶長的變化是傳動(dòng)比和杠桿比的非線性函數(shù)，希望帶長的變化越小越好，這顯然是一個(gè)函數(shù)的極值問題。

3 傳動(dòng)比的波動(dòng)

無級(jí)變速器在傳動(dòng)過程中，理論帶長會(huì)隨傳動(dòng)比的改變發(fā)生變化，而實(shí)際帶長(即基準(zhǔn)帶長)是不變的。當(dāng)傳動(dòng)帶理論帶長發(fā)生變化時(shí)，在張緊彈簧的作用下，帶輪直徑會(huì)發(fā)生少許變化，以保證理論帶長和實(shí)際帶長相等。因此，傳動(dòng)比會(huì)發(fā)生波動(dòng)，并影響到傳動(dòng)帶張緊彈簧張緊力的變化。

當(dāng)實(shí)現(xiàn)某一傳動(dòng)比時(shí)，帶長的變化量可由張緊彈簧的變形來補(bǔ)償。此時(shí)，張緊彈簧的補(bǔ)償變形會(huì)有主動(dòng)輪張緊彈簧補(bǔ)償變形、從動(dòng)輪張緊彈簧補(bǔ)償變形和主、從動(dòng)輪張緊彈簧同時(shí)補(bǔ)償變形3種情況，筆者針對(duì)減速傳動(dòng)工況分別進(jìn)行討論。

(1)主動(dòng)輪張緊彈簧補(bǔ)償變形。設(shè)主動(dòng)輪張緊彈簧補(bǔ)償變形量為Δx1，相應(yīng)的主動(dòng)輪半徑的補(bǔ)償變化量為δR1，由式(1)可以導(dǎo)出:

由式(7)可以求出主動(dòng)輪半徑的補(bǔ)償變化量δR1。由于主動(dòng)輪半徑發(fā)生了變化，傳動(dòng)比也隨之改變，實(shí)際傳動(dòng)比此時(shí)，主動(dòng)輪張緊彈簧補(bǔ)償變形量Δx1=δR1tan α，式中，α為滑動(dòng)錐盤的錐角。

(2)從動(dòng)輪張緊彈簧補(bǔ)償變形。設(shè)從動(dòng)輪張緊彈簧補(bǔ)償變形量為Δx2，相應(yīng)的從動(dòng)輪半徑的補(bǔ)償變化量為δR2，同上，由式(1)可以導(dǎo)出:

由式(8)可以求出從動(dòng)輪半徑的補(bǔ)償變化量δR2。由于從動(dòng)輪半徑發(fā)生了變化，傳動(dòng)比也隨之改變，此時(shí)的實(shí)際傳動(dòng)比，從動(dòng)輪張緊彈簧補(bǔ)償變形量 Δx2=δR2tan α。

(3)主、從動(dòng)輪張緊彈簧同時(shí)補(bǔ)償變形。當(dāng)主、從動(dòng)輪張緊彈簧同時(shí)變形來補(bǔ)償帶長變化時(shí)，其補(bǔ)償變形量介于上述兩種情況之間。

當(dāng)超速傳動(dòng)時(shí)，計(jì)算主、從動(dòng)輪半徑的補(bǔ)償變化量的式(7)和式(8)仍然適用，但對(duì)主、從動(dòng)輪的定義要互換。

4 實(shí)例分析

已知帶輪的基準(zhǔn)工作半徑R0=70 mm，中心距a=210 mm，傳動(dòng)比的變化范圍 i=0．80～2．45。減速傳動(dòng)時(shí)不同傳動(dòng)比下的最優(yōu)杠桿比如圖2所示，對(duì)應(yīng)的帶長變化量如圖3所示。在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)使帶長變化相對(duì)較小的最佳杠桿比k=1．16，對(duì)應(yīng)的帶長變化如圖4所示。從圖4可以看出，在超速傳動(dòng)區(qū)間，理論帶長變長，帶長的變化隨傳動(dòng)比增大而減小;在減速傳動(dòng)區(qū)間，隨著傳動(dòng)比的增大，理論帶長是先變短后變長，帶長的最大變化量如表1所示，與最大帶長變化量對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)比的波動(dòng)如表2所示。

圖2 最優(yōu)杠桿比

圖3 最優(yōu)杠桿比下的帶長變化量

圖4 杠桿比為1．16時(shí)的帶長變化量

表1 帶長的最大變化量

表2 傳動(dòng)比的波動(dòng)

從表2中可以看出，傳動(dòng)比的波動(dòng)比較小，最大相對(duì)波動(dòng)量為2．5%，能滿足一般傳動(dòng)系統(tǒng)的要求，張緊彈簧的最大補(bǔ)償變形量僅為1．08 mm，只要合理選擇張緊彈簧的剛度，完全可以保證傳動(dòng)帶有足夠的張緊力。值得注意的是，當(dāng)理論帶長變長時(shí)傳動(dòng)帶的張緊力會(huì)增大，有利于變速器的傳動(dòng)。

5 結(jié)論

剖分變徑帶式無級(jí)變速器在調(diào)速過程中存在帶長變化的問題，由此會(huì)引起傳動(dòng)比的波動(dòng)和傳動(dòng)帶張緊力的變化。實(shí)例分析表明，對(duì)機(jī)械剖分變徑帶式無級(jí)變速器，只要變速杠桿的杠桿比選擇恰當(dāng)，可以將傳動(dòng)比的波動(dòng)和傳動(dòng)帶張緊力的變化控制在很小的范圍內(nèi)，完全能滿足一般傳動(dòng)系統(tǒng)的要求。筆者的研究結(jié)論對(duì)剖分變徑帶式無級(jí)變速器的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

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