朱海燕

（華東交通大學(xué) 軌道交通學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)(Continuously Variable Transmission,簡(jiǎn)稱(chēng)CVT)是指在某種控制的作用下，使機(jī)器的輸出軸轉(zhuǎn)速可在某一范圍內(nèi)連續(xù)變化的傳動(dòng)方式[1]。無(wú)級(jí)變速器是具有主動(dòng)和從動(dòng)兩根軸，并通過(guò)能傳遞扭矩的中間介質(zhì)（固體、流體、電磁流）把兩根軸直接或間接地聯(lián)系起來(lái)以傳遞動(dòng)力的一種裝置[2]。當(dāng)對(duì)輸入、輸出軸的聯(lián)系關(guān)系進(jìn)行控制時(shí)，即可使兩軸間的傳動(dòng)比在兩極值范圍內(nèi)連續(xù)變化。

行星錐盤(pán)式無(wú)級(jí)變速器，它屬行星牽引傳動(dòng)，是摩擦式無(wú)級(jí)變速器的一種。它通用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，近年來(lái)行星錐盤(pán)式無(wú)級(jí)變速器的研究主要集中在壓緊碟簧、傳動(dòng)效率、滑動(dòng)率及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新改進(jìn)等方面[3]。所以對(duì)其傳動(dòng)性能的研究有著十分重要的價(jià)值。

1 傳動(dòng)性能分析

1.1 結(jié)構(gòu)和工作原理分析

本文分析的行星錐盤(pán)無(wú)級(jí)變速器特指JB/T6950-93型，輸出軸端加裝一個(gè)2K-H型差動(dòng)輪系構(gòu)成的封閉行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示[4]。其工作原理簡(jiǎn)析如下：行星錐盤(pán)無(wú)級(jí)變速器的輸入軸3與電機(jī)相聯(lián)，動(dòng)力由此輸入，經(jīng)太陽(yáng)輪傳遞給行星錐盤(pán)6。太陽(yáng)輪Ⅰ在碟形彈簧4的作用下，與太陽(yáng)輪Ⅱ一起壓緊行星錐盤(pán)，提供足夠的壓緊力以產(chǎn)生傳動(dòng)必需的摩擦力；行星錐盤(pán)6同時(shí)也被外圈的恒輪Ⅰ與恒輪Ⅱ（圖中序號(hào)7、8）壓緊在其間。當(dāng)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，行星錐盤(pán)在與太

陽(yáng)輪接觸處的摩擦力作用下，要作純滾動(dòng)，即自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；由于恒輪Ⅰ與恒輪Ⅱ徑向固定不轉(zhuǎn)動(dòng)，因而行星錐盤(pán)在自轉(zhuǎn)的同時(shí)也要繞輸入軸3作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。行星錐盤(pán)上的軸與行星架（轉(zhuǎn)臂）H相聯(lián)，可在行星架上作軸向和徑向移動(dòng)，當(dāng)行星錐盤(pán)6作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就帶動(dòng)行星架H，從而經(jīng)輸出軸1輸出運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。所以傳動(dòng)原理上看，行星錐盤(pán)無(wú)級(jí)變速器屬于2K-H型轉(zhuǎn)臂輸出式行星傳動(dòng)。

圖1 JB/T6950-93型行星錐盤(pán)無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 行星錐盤(pán)的受力分析

1.2.1 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受力分析

主傳動(dòng)件行星錐盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的受力分析如圖2所示，其中Q1、Q2分別為行星錐盤(pán)與太陽(yáng)輪、恒輪接觸處的正壓力，F(xiàn)1、F2分別為兩接觸處所傳遞的圓周力，Qe為錐盤(pán)所受的離心力，F(xiàn)H為轉(zhuǎn)臂對(duì)錐盤(pán)的作用力。

圖2 JB/T6950-93型行星錐盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受力分析

離心力：

其中ω2H為行星錐盤(pán)2轉(zhuǎn)化后的角速度；由于錐盤(pán)質(zhì)量m較小，運(yùn)行時(shí)Qe遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正壓力Q1、Q2，故一般略去不計(jì)。由此可得：

r2和r2'分別為行星錐盤(pán)2與太陽(yáng)輪、恒輪接觸處的工作半徑。

行星錐盤(pán)兩接觸區(qū)要產(chǎn)生足夠的摩擦力，就必須提供足夠的軸向壓緊力Qa1、Qa2，二者由加壓碟簧提供。為保證傳動(dòng)可靠，防止打滑，必須使產(chǎn)生的摩擦力大于所需傳遞的圓周力，下面分兩種情況分析。

1）恒功率工況

行星錐盤(pán)與太陽(yáng)輪接觸處，該處要滿足不打滑條件，須有：

其中：P1為輸入功率（kw），基本恒定；μ為牽引系數(shù)；n1為輸入轉(zhuǎn)速（rpm）；z為行星錐盤(pán)的個(gè)數(shù)。

為保證傳動(dòng)可靠，引入傳動(dòng)系數(shù)kf1。

令2mQ1＝kf1F1，則有：

因?yàn)榈勺饔迷谔?yáng)輪處，故在該處由力平衡關(guān)系得：

同理，在行星錐盤(pán)與恒輪接觸處要滿足不打滑條件，則有：

2）恒轉(zhuǎn)矩工況

根據(jù)恒功率工況分析方法，同理可得：

無(wú)論哪種工況，理論所需的碟簧壓緊力均應(yīng)取Qs1、Qs2中較大者，即：

實(shí)際運(yùn)行時(shí)Q1、Q2作用處的傳動(dòng)系數(shù)是不同的，由式（5）可得：

又由前面分析有Q1＝Q2，故有：

由此得出，傳動(dòng)系數(shù)kf1，kf2與r2，r2'之間的關(guān)系。通常，kf1，kf2的取值范圍為1.25～1.50。

1.2.2 調(diào)速時(shí)受力分析

行星錐盤(pán)無(wú)級(jí)變速器一般在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行調(diào)速，如圖3所示為減速調(diào)速時(shí)錐盤(pán)的受力（未計(jì)離心力）。減速調(diào)速時(shí)行星錐盤(pán)往內(nèi)移，向輸入輸出軸靠攏，設(shè)此時(shí)錐盤(pán)與太陽(yáng)輪和恒輪接觸處的總摩擦力分別為Ff1、Ff2，在每一接觸面上的摩擦力分別為Ff1/2、Ff2/2，其分力分別為F1/2、f1/2、F2/2、f2/2，如圖3所示。

圖3 JB/T6950-93型行星錐盤(pán)調(diào)速時(shí)受力分析

由于：

所以

同理，

由力平衡條件有：

把式（16）、（17）代入式（18）中，整理可得：

F1、F2也是傳遞的圓周力，由前所述，為保證傳動(dòng)可靠性，也引入傳動(dòng)系數(shù)kf1和kf2，則有：

所以在進(jìn)行增速調(diào)速時(shí)，同理可得到：

為使調(diào)速時(shí)不發(fā)生自鎖，則上兩式分母必須為正?？紤]到kf1、kf2均大于1.25，以及油潤(rùn)滑時(shí)動(dòng)摩擦系數(shù)μ＝0.04～0.09，所以，行星錐盤(pán)的半楔角一般取α ＞3°。

1.3 碟形彈簧加壓特性的分析

加壓特性是指加壓機(jī)構(gòu)提供的軸向壓緊力與變速器輸出轉(zhuǎn)速的關(guān)系[5]。由式（8）、（11）～（14）可得到碟形彈簧的恒功率和恒轉(zhuǎn)矩工況下的理論加壓特性曲線，如圖4所示。由圖可知對(duì)于恒功率工況，輸出轉(zhuǎn)速最低時(shí)，需要的碟簧壓力最大，隨著輸出轉(zhuǎn)速的增加，需要的碟簧壓力逐漸減小，到一定位置后恒定不變；對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩工況，輸出轉(zhuǎn)速?gòu)淖畹烷_(kāi)始增加，所需的碟簧壓緊力先減小，之后逐漸增大。轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，r2＝r'2推導(dǎo)可得此處

圖4 碟簧理論加壓特性

參照?qǐng)D1所示結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，碟簧作用于太陽(yáng)輪處，當(dāng)升速時(shí)，太陽(yáng)輪向外移動(dòng)，兩太陽(yáng)輪間的軸向間隙增大，碟簧壓縮，壓緊力增大；降速時(shí)則相反。顯然，無(wú)論恒功率還是恒轉(zhuǎn)矩工況碟簧壓緊力都無(wú)法完全適應(yīng)要求，但總體上碟簧實(shí)際壓力基本與恒轉(zhuǎn)矩工況相適應(yīng)，而與恒功率工況要求完全相反。

圖5 碟簧實(shí)際加壓特性

由圖5碟簧實(shí)際加壓特性可知，恒轉(zhuǎn)矩工況下只是中速區(qū)碟簧力稍大；恒功率工況下，碟簧實(shí)際提供的壓緊力除最低速位置外，其余位置均大于所需的壓緊力，輸出轉(zhuǎn)速越高，則壓緊力剩余量越大。因此，恒功率工況下，由于中、高速區(qū)碟簧壓緊力余量太大會(huì)加劇磨損和發(fā)熱。為此，常常適當(dāng)降低碟簧初始?jí)毫σ跃徑舛咧g矛盾。

2 結(jié)論

本文針對(duì)JB/T6950-93型行星錐盤(pán)無(wú)級(jí)變速器，通過(guò)簡(jiǎn)圖分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，并探究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和傳動(dòng)特性。在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)和調(diào)速時(shí)受力分析的基礎(chǔ)上得到了行星錐盤(pán)與太陽(yáng)輪，恒輪接觸處的正壓力，接觸處所傳遞的圓周力，錐盤(pán)所受的離心力及轉(zhuǎn)臂對(duì)錐盤(pán)的作用力之間的函數(shù)公式關(guān)系，并由此得出碟形彈簧在恒功率和恒轉(zhuǎn)矩工況下的理論加壓特性曲線與實(shí)際加壓特性之間的關(guān)系。

[1] 周有強(qiáng).機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的發(fā)展概述[A].全國(guó)第九屆無(wú)級(jí)變速器學(xué)術(shù)信息交流會(huì)宣讀論文[C].南京, 2004.

[2] 朱宇.新型低滑動(dòng)率恒功率行星錐盤(pán)無(wú)級(jí)變速器的研究.[D].福州大學(xué), 2005.

[3] 馮澄宙.行星錐盤(pán)無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比和受力分析[J].齒輪.1990, 14(3): 35-38.

[4] 石宗寶, 等.恒功率行星摩擦式機(jī)械無(wú)級(jí)變速機(jī)設(shè)計(jì)與分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào).2000, 28(5): 68-71.

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