CN104006128A - 大力矩高效率的cvt无级变速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无级变速器，特别涉及一种大力矩高效率的CVT无级变速器。该无级变速器，包括主动固定锥面轮，主动移动锥面轮，从动固定锥面轮，从动移动锥面轮，及皮带组成，其特征在于：所述主动移动锥面轮和从动移动锥面轮由拨销传动，所述皮带由多层钢片环形带叠合而成，所述主动固定锥面轮，主动移动锥面轮，从动固定锥面轮，从动移动锥面轮的经向上均刻有防滑槽，所述皮带的型角为20°。本发明大力矩高效率无级变速器，体积与力矩可以和齿轮机构相类比，而且清除了打滑因素，效率较高。

Description

大力矩高效率的CVT无级变速器

技术领域

本发明涉及一种无级变速器，特别涉及一种大力矩高效率的CVT无级变速器。 

背景技术

无级变速器（Continuously Variable Transmission，缩写为CVT），由钢带与锥面轮组成。现有技术的无级变速器由三角胶带经链条发展而来，采用数以百计的工字形钢片叠到一串，通过在工字形钢片的两肋空间中装入两组钢丝环形带传递拉力，由于钢丝环的断面尺寸有限，承受拉力的皮带有效面积不够，尽管已采用上好的材料做成，但在目前尺寸许可条件下，能承受的拉力仍然不足。目前采用的工字形钢片串来承受摩擦力，钢片面积大，占用皮带轮半径方向和切向尺寸过大，而钢片只有工字的两个角来承受摩擦，且钢片的端面与皮带轮的锥面接触是平面与锥面的线接触，接触线的两侧的油膜形成油楔，利于滑动、摩擦系数甚小，传递摩擦力小。 

由于采用钢片承受摩擦力，钢丝、环形带承受拉力形成“推力驱动”结构，皮带在工作时有四段：一是主动轮包角以内，二是从动轮包角以内，三是主拉力侧，四是推力侧；可以想到在主拉力一侧和主动轮包角内的钢片，相互之间是有间隙的，而推力的一侧和从动轮包角内是紧密无隙的，在运行过程中钢片离开从动轮时形成松动间隙，在主动轮内形成紧密消除间隙，主动轮都多转一点，但此时从动轮是不动，即是不做功的，而主动轮是在失速。因此现有技术条件下的无极变速器打滑不可避免，导致效率偏低，与齿轮变速箱相比，传递力矩不足，传动效率偏低，只能用在小排量汽车。 

发明内容

本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种单位体积上大力矩高效率的CVT无极变速器。 

本发明是通过如下技术方案实现的： 

一种大力矩高效率的CVT无极变速器，包括主动固定锥面轮，主动移动锥面轮，从动固定锥面轮，从动移动锥面轮，及皮带组成，其特征在于：所述主动移动锥面轮和从动移动锥面轮由拨销传动，所述皮带由多层钢片环形带叠合而成，所述主动固定锥面轮，主动移动锥面轮，从动固定锥面轮，从动移动锥面轮的经向上均刻有防滑槽，所述皮带的型角 为20°。

作为本发明的优选方案，所述钢片环形带的厚度h为0.05-0.3mm。 

作为本发明的优选方案，所述主动固定锥面轮，主动移动锥面轮，从动固定锥面轮，从动移动锥面轮和皮带的材质均为普通结构钢。 

所述防滑槽的深度为2mm，宽度为3mm，防滑槽的作用一是可以阻断油膜形成，并排出润滑油从而形成干接触，以增大摩擦力；二是在正压力作用下皮带微变形突入防滑槽中，可以使阻力增加比无防滑槽增大一倍以上，基本克服打滑。 

皮带的型角是皮带张力与皮带的摩擦面正压力的转化参数，现有技术中无级变速器的皮带型角40o来源于橡胶皮带，此型角对于干式状态工作的橡胶皮带是适应的，对于在湿式状态工作的无级变速器钢质皮带，其强度比橡胶高得多，但其摩擦系数却是橡胶的四分之三，因此角应该改小，因为角减小之后，用同样的油缸压力，因减小，增大从而产生的摩擦力增大，因减小，减小，从而使产生的内力张力减小，而增大皮带的承受力。 

现有技术中无级变速器的移动锥面轮既要有键滑动，又要有液压活塞杆密封，因此轴向尺寸很长，采用拨销代替键传动可大幅度降低轴向尺寸，使得机构体积减少，单位体积传递力矩增大。 

作为本发明的优选方案，由于皮带由多层厚度h的钢片环形带叠合而成，每层是独立的一根皮带，每层之间没有力的联系，因此为了保证皮带的一体性，在皮带工作平均宽度B₀的二分之一处用缝线做缝合，与现有技术V型胶带相似，皮带两侧面承受摩擦力，断面承受拉力，由于皮带的材质是钢材具有强度高的优势，使得结构尺寸变小，而承受的负荷可大幅度增大，因此无需采用特殊强度高的材料。 

本发明的有益效果是：本发明大力矩高效率CVT无级变速器，体积与力矩可以和齿轮机构相类比，可用于车辆及风力发电领域，而且清除了打滑因素，效率较高。 

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。 

附图1是本发明大力矩高效率CVT无级变速器的原理示意图； 

附图2是本发明大力矩高效率CVT无级变速器的皮带结构示意图；

附图3是附图2的A-A截面图；

附图4是锥面轮的主视结构示意图；

图中，1减速油缸，2动力输入轴，3拨销， 4主动固定锥面轮，5皮带，6主动移动锥面轮，7增速油缸，8动力输出轴，9从动移动锥面轮，10从动固定锥面轮，11缝线，12防滑槽，皮带型角，R₁皮带片工作外半径，R₂皮带片工作内半径，R₀皮带的平均工作半径，h单层皮带厚度，H皮带总厚度，B₀皮带工作平均宽度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。 

本发明的大力矩高效率的CVT无极变速器，包括主动固定锥面轮4，主动移动锥面轮6，从动固定锥面轮9，从动移动锥面轮10，及皮带5组成，所述主动移动锥面轮6和从动移动锥面轮10由拨销传动，所述皮带5由多层钢片环形带叠合而成，所述主动固定锥面轮4，主动移动锥面轮6，从动固定锥面轮9，从动移动锥面轮10的经向上均刻有防滑槽12，所述皮带的型角为20°。如附图1所示。 

如附图2和附图3所示，皮带5是由多层钢片环形带叠合而成。皮带工作时其危险状态是在包角以内，尤其在最小工作直径时，其曲率最大，包角最小。由于本发明的皮带5是多层钢片环形带组成，层与层之间没有力的牵连，因此取皮带5的平均工作半径R₀处的钢片环形带加以分析：在每一层厚度为h的钢片环形带中，其包角以内中间长度为L₀： 

              

包角以内外围周长为L₁：

                   

因此，包角以内外围周长增加量是

             

             

设皮带5单位长度延长值为，因此 

                 

 根据虎克定律：

                     

公式中是应力，设皮带外径表面的弯曲内应力为

 E是材料弹性模量，其中，钢材的弹性模量E=19200 Kg/mm²，为许用应力，本实施例的皮带和锥面轮采用普通结构钢40Gr，该材料在热处理C42时其屈服点=114Kg/mm²，安全系数K ₀ 为0.8，则许用应力  Kg/mm²。本实施例中单层钢片环形带的厚度h=0.1mm，皮带轮最小工作半径R₀为40㎜，皮带5的总厚度H为，将这些数值代入公式2并将其两边除上许用应力，即得出皮带5弯曲内应力与许用应力的比例数K ₁ ：

皮带5能承受的最大拉力Q应为：许用应力减去皮带表面的弯曲内应力，乘上皮带5的有效断面面积F₁，故最大拉力Q为：

其中：

                 

B ₁ 为皮带计算工作平均宽度，皮带5的平均宽度，d为缝线孔直径，本实施例中d=2。

根据皮带轮变速范围D的区间要求： 

           

   将变速范围D定为5，则有：

           

取近似值

     则有     

  因此皮带能承受的最大拉力Q是：

         

此外，本发明中皮带5与4个锥面轮的接触均为面接触，但是在有油的状态下，其摩擦系数只有0.05~0.1，由于润滑油的存在，皮带5会发生漂浮现象，为了把油挤出，切断油膜的形成，因此在锥面轮锥面上刻成2mm深、3mm宽的径向射线防滑槽12，防滑槽12间的最小槽距为槽宽的两倍，如附图4所示，此举使得摩擦阻力能够增加一倍以上，由于油膜被挤出，在较大的正压力作用下皮带产生微小变形，突入锥面凹槽中和固定状态相似，不会产生打滑现象。

然而防滑槽使得锥面轮与皮带5的接触面积减少，虽然摩擦力的大小与接触面积大小无直接关系，但其与正压力的压强大小有关，设皮带5与锥面轮接触时其能承受的最大正压力为Q₀

                  

式中：F₂是皮带5与锥面轮接触面积，其大小与皮带轮包角、皮带5的总厚度H有关：

              

             

式中：R₃是皮带最大工作半径，A是皮带中心距。

本实施例中R₀为40mm，变速范围D=5，故最大工作半径mm， 

本实施例中A=200，计算得出。将代入公式5，同时因为有防滑槽12的存在，防滑槽12间的最小槽距为槽宽的两倍，其接触面积相应减少二分之一，则有

            

将许用应力代入上式得：

            

设皮带5的工作拉力为Q₄，其由两部分外力组成：一是由油缸正压力Q₁在皮带轮上产生切向摩擦力，二是由油缸正压力Q₁在皮带5型角的作用下产生的沿皮带轮半径方向的分力，因为皮带5两边都在锥面轮上受到正压力Q₁，因此皮带5的工作拉力Q₄受到两倍的Q₁的作用：

公式中是油缸半径，取其与皮带5最大工作半径相同：；D是变速范围；r是活塞杆半径；P₃油泵压力，本实施例中D=5，r=0.375 R₀代入上式得

         

公式中R₀是最小工作半径，本实施例中油泵压力代入公式7得：

     可见皮带5承受的油缸正压力Q₁比其所能承受最大正压力Q₀小2.1倍，因此很安全，并将Q₁代入公式6得： 

因此皮带的工作拉力Q₄比皮带能承受的最大拉力Q小于1.8%属安全范围，但已满负荷。

最大传递力矩M，是固定锥面轮和移动锥面轮分别与皮带两侧面的正压力在最小工作半径处摩擦而产生： 

                

公式中：是皮带与皮带轮的摩擦系数，因为有刻槽，=0.1，根据公式7将Q₁代入，得：

             

即：M=19200kgcm=1882Nm

公式8表示本发明的工作性能，P₃是油泵压力，P₃越大M就越大，但泵压受到结构和机构材料的限制，在本实施例中所选材质40Cr钢热处理C42的情况下，选P₃=100Kg/cm²是安全的，但已是重载，选P₃=63Kg/cm²是正常的，选P₃=25 Kg/cm²是轻载的，是长寿命的。

由公式8可知：力矩M正比于，最小工作半径R₀的三次方体现的是体积，因此本发明传递的力矩M与体积成正比，这说明本发明的力矩性能与设备规格大小同步，不存在大设备不适应问题，以下用不同的油泵压力P₃和不同的最小工作半径R₀所能达到的力矩M，和在不同的工作转速n时的传递功率N如表1所示： 

        

表1  R₀、P₃与M、N关系表。

Claims (5)

1.一种大力矩高效率的CVT无极变速器，包括主动固定锥面轮（4），主动移动锥面轮（6），从动固定锥面轮（9），从动移动锥面轮（10），及皮带（5）组成，其特征在于：所述主动移动锥面轮（6）和从动移动锥面轮（10）由拨销（3）传动，所述皮带（5）由多层钢片环形带叠合而成，所述主动固定锥面轮（4），主动移动锥面轮（6），从动固定锥面轮（9），从动移动锥面轮（10）的经向上均刻有防滑槽（12），所述皮带（5）的型角                                                为20°。

2.根据权利要求1所述的一种大力矩高效率的CVT无极变速器，其特征是：所述钢片环形带的厚度h为0.05-0.3mm。

3.根据权利要求1所述的一种大力矩高效率的CVT无极变速器，其特征是：所述主动固定锥面轮（4），主动移动锥面轮（6），从动固定锥面轮（9），从动移动锥面轮（10）和皮带（5）的材质均为普通结构钢。

4.根据权利要求1所述的一种大力矩高效率的CVT无极变速器，其特征是：所述防滑槽（12）的深度为2mm，宽度为3mm。

5.根据权利要求1和权利要求2所述的一种大力矩高效率的CVT无极变速器，其特征是：所述皮带（5）工作平均宽度B₀的二分之一处用缝线（11）缝合。