机械无级变速机构

图12.1 移动滚轮平盘式无级变速器12 机械无级变速机构12.1 概述无级变速传动是一种输出转速在一定范围内可以调节的独立工作单元，无级变速传动分为电力无级变速传动、液力无级变速传动和机械无级变速传动。

电力无级变速的原理是改变电机的磁通、电压、电流或频率；液力无级变速传动的原理是改变液体的体积或液流的路径；机械无级变速传动的原理是改变某一构件的位置或尺寸。

从传动原理上划分，机械无级变速传动分为牵引力（摩擦力）式与机构传动式。

从结构上划分，机械无级变速传动分为定轴无中间滚动体式，中间滚动体定轴式和行星运动中间滚动体式。

本书仅介绍机械无级变速传动的类型、工作原理、传动特性与应用。

在某些生产工艺中，采用机械无级变速传动有利于简化传动的结构，提高生产率与产品质量，节约能源，便于实现自动控制。

12.2 定轴无中间滚动体式机械无级变速传动12.2.1 正交轴无级传动定轴无中间滚动体式机械无级变速传动是结构相对简单的一种牵引力式无级变器。

图12.1为一种正交轴结构的移动滚轮平盘式无级变速器，通过滑键或花键将滚轮2装于输入轴1上，输入轴1向下压滚轮2，滚轮2与输出轴3上的圆盘之间产生摩擦力，滚轮2在水平方向由调速机构改变位置（如螺旋机构）。

设输入轴1的转速为ω1，输出轴3的转速为ω3，滚轮2的位置为R 3，滚轮2的直径为d 2，滚轮2与圆盘3之间无相对滑动时，输出轴3的转速ω3与传动比i 13分别为)112(/5.03123-= R d ωω)212()5.0/(/233113-== d R i ωω当R 3在一定范围内变化时，输出轴的转速得到调节，ω3与R 3成反比关系。

当轴1主动时，设滚轮2与圆盘3之间的正压力为N 23，两者之间的摩擦系数为f ，摩擦力F 23＝N 23f ，则圆盘3获得的功率P 3＝N 23fR 3ω3＝N 23fR 3(0.5d 2ω1)/ R 3＝0.5N 23fd 2ω1，不论R 3如何变化，即滚轮2在任何位置，其输出的功率P 3不变，称为恒功率型无级传动。

当轴1主动时，圆盘3获得的转矩T 3＝N 23fR 3，T 3与R 3成正比。

当圆盘3主动时，轴1获得的功率P 1＝N 23f (0.5d 2ω1)＝N 23f (0.5d 2)R 3/(0.5d 2)ω3＝N 23fR 3ω3，P 1与R 3、ω3成正比。

当圆盘3主动时，轴1获得的转矩T 1＝0.5d 2N 23f ，不论R 3如何变化，即滚轮2在任何位置，轴1所得到的转矩T 1不变，称为恒转矩型无级传动。

该种无级变速器传递的功率可达4 KW ，机械效率在0.8～0.85之间，传动比在0.2～2.0之间。

12.2.2 相交轴锥盘环锥式无级传动图12.2为一种相交轴锥盘环锥式无级变速器。

锥盘2的半锥角为θ，通过滑键或花键将锥盘2P 图12.2 锥盘环锥式无级变速器 图12.3 锥盘环锥式无级变速器的机械特征3图12.4 光轴斜盘式无级变速器装于输入轴1上，输入轴1向下压锥盘2，锥盘2与输出轴3上的内圆环端面之间产生摩擦力，促使输出轴3转动。

锥盘2在其轴线方向由调速机构改变位置（如螺旋机构），设位置的改变量为S ，同时，输入轴1在垂直于自身轴线的方向上也产生附加的径向位移a ，θtan S a =。

当输入轴1的转速为ω1，锥盘2的初始接触半径为R 2，对应于位置改变量S 后的接触半径θtan 2t 2S R R -=，锥盘2与输出轴3上的内圆环端面之间无相对滑动时，输出轴3的转速ω3与传动比i 13分别为)312(/)tan (3123--= R S R ωθω)412()tan /(/233113--== θωωS R R i当S 在一定范围内变化时，输出轴的转速得到调节。

该种无级变速器传递的功率可达11 KW ，机械效率在0.5～0.92之间，传动比在0.25～1.15之间。

设P 3、T 3分别表示输出轴3的功率与转矩，则锥盘环锥式无级变速器的机械特征如图12.3所示。

12.2.3 光轴斜盘式无级传动图12.4为一种光轴斜盘式无级变速器。

它将输入转动转化为输出的往复移动。

光轴1只单向转动不沿轴向移动，三个轴承的内圆环以倾角为β压紧在光轴上，三个轴承的外圆环通过构件2连接在一起，当光轴1转动时，三个轴承带动构件2以及框架3沿一个方向移动，当移动一段距离时，三个轴承的倾角被改变为反方向的（换向装置未示出），于是框架3沿相反方向移动，如此反复，输出构件便作往复移动。

当三个轴承的倾角为β时，输出构件的移动速度V 2为 )512((m/s)/60000tan π112-= βn d V式中d 1为光轴1的直径，单位为mm ，n 1为光轴1的转速，单位为r/min 。

当β被调节时，输出构件的移动速度得到调节。

该种无级变速器主要用于电缆机械中。

12.3 定轴有中间滚动体式无级变速传动12.3.1 滚锥平盘式无级传动图12.5为一种型式的滚锥平盘式无级变速器。

输入轴1的转速为ω1，滚锥2被压紧在输入与输出轴端部的平盘之间，滚锥2作定轴转动，滚锥2的位置由调节机构实现。

设滚轮2与输入端盘的图12.7 钢球平盘式无级变速器 图12.8 钢球平盘式无级变速器的机械特征P接触点到输入轴的距离为R 1，滚轮2与输入端盘的接触半径r a ；滚轮2与输出端盘的接触点到输出轴的距离为R 3，滚轮2与输出端盘的接触半径r b ，滚轮2与两个端盘之间无相对滑动，则输出轴3的转速ω3与传动比i 13分别为)612()/()(3a 11b 3-⋅⋅= R r R r ωω)712()/(/1b 3a 3113-⋅⋅== R r R r i ωω当滚轮2在一定范围内变化时，输出轴的转速得到调节。

该种无级变速器传递的功率可达3 KW ，机械效率在0.77～0.92范围，传动比在0.17～1.46之间。

设P 3、T 3分别表示输出轴3的功率与转矩，则滚锥平盘式无级变速器的机械特征如图12.6所示。

12.3.2 钢球平盘式无级传动图12.7为一种型式的钢球平盘式无级变速器。

输入轴1的转速为ω1，钢球2被压紧在输入与输出轴端部的平盘之间，钢球2相对于自身的机架4作定轴转动，钢球2由位置调节机构改变水平位置。

设钢球2与输入盘的接触点到输入轴的距离为R 1，钢球2与输出盘的接触点到输出轴的距离为R 3，输入与输出轴之间的中心距为a ，a ＝R 1＋R 3，a 为定值，钢球2与圆盘之间无相对滑动，则输出轴3的转速ω3与传动比i 13分别为 )812()/(/1113113--⋅=⋅= R a R R R ωωω)912(/)(//11133113--=== R R a R R i ωω当钢球2在一定范围内变化时，输出轴的转速得到调节。

该种无级变速器传递的功率可达3 KW ，机械效率小于0.8，传动比在0.05～1.5之间。

设P 3、T 3分别表示输出轴3的功率与转矩，则钢球平盘式无级变速器的机械特征如图12.8所示。

12.3.3 钢环分离锥盘式无级传动图12.5 滚锥平盘式无级变速器 图12.6 滚锥平盘式无级变速器的机械特征P图12.9 钢环分离锥盘式无级变速器3P 图12.10 钢环分离锥盘式无级变速器的机械特征(a) (c) (d)(b)30+∆b /tanα图12.9(a)、(b)为一种型式的钢环分离锥盘式无级变速器在不同传动比时的结构简图。

输入轴1的转速为ω1，钢环2被涨紧在输入与输出轴上的V 型槽之间，V 型槽的夹角为2α，钢环可以是整体式的，也可以是一节一节装配式的。

设钢环2与输入锥盘的初始接触点到输入轴的距离为R 10，钢环2与输出锥盘的初始接触点到输出轴的距离为R 30，如图12.9(a)所示。

当输入锥盘向外张开一段距离∆b 时，如图12.9(c)所示，R 10减小到R 10－∆b /tan α；与此过程相对应，输出锥盘向内缩小∆b 的距离，R 30增大到R 30＋∆b /tan α，如图12.9(d)所示。

设钢环2与两个锥盘之间无相对滑动，则输出轴3的转速ω3与传动比i 13分别为)1012()tan //()tan /(301103-∆+∆-= αωαωb R b R)1112()tan //()tan /(/10303113-∆-∆+== ααωωb R b R i当∆b 在一定范围内变化时，输出轴的转速得到调节。

该种无级变速器传递的功率可达10 KW ，机械效率在0.75～0.9之间，传动比在0.31～3.2之间。

设P 3、T 3分别表示输出轴3的功率与转矩，则钢环分离锥盘式无级变速器的机械特征如图12.10所示。

该种型式的无级变速器在汽车变速箱中得到广泛应用[19]。

12.3.4 弧锥环盘式无级传动图12.11为一种型式的弧锥环盘式无级变速器。

输入轴1的转速为ω1，环盘2被压紧在输入与输出轴的弧锥上，环盘2的圆弧半径为R ，两段圆弧的中点A 、B 关于圆心O 的张角为2θ，环盘2关于转动中心O 的偏转角为δ，两弧锥1、3与环盘2的接触点A 、B 所对应的节径分别为d 1t 、d 2t ，设环盘2与两弧锥1、3之间无相对滑动，由图12.11得R 、θ、δ、d 1t 、d 2t 以及两环盘的中心距a 之间的几何关系为)1212(5.0cos cos sin sin 5.0t 1-=++ a R R d δθδθ)1312(5.0cos cos sin sin 5.0t 3-=+- a R R d δθδθ于是，输出转速ω3与传动比i 13分别为)1412()]cos(5.0/[)]cos(5.0[13-+----= ωδθδθωR a R a图12.13 菱锥式无级变速器 图12.14 菱锥式无级变速器的机械特征3P(b)(a)3图12.11 弧锥环盘式无级变速器 图12.12 弧锥环盘式无级变速器的机械特征3P)1512()]cos(5.0/[)]cos(5.0[//t 1t 33113---+-=== δθδθωωR a R a d d i当δ在[－δ0，δ0]之间变化时，输出轴的转速得到调节。

该种无级变速器传递的功率可达10 KW ，机械效率在0.90～0.95之间，传动比在0.22～2.2之间。

设P 3、T 3分别表示输出轴3的功率与转矩，则弧锥环盘式无级变速器的机械特征如图12.12所示。

12.3.5 菱锥式无级传动图12.13(a)为一种型式的菱锥式无级变速器。

输入轴1的转速为ω1，菱锥2被压紧在输入与输出轴端部的环状空间之间，菱锥2的轴线与输入轴1的轴线之间的夹角为α，菱锥2绕自身的轴线转动，菱锥2的水平位置由位置调节机构进行调节。

设菱锥2与输入轴环的接触点到输入轴线的距离为0.5d 1，菱锥2的接触半径为r 21；菱锥2与输出环的接触点到输出轴线的距离为0.5d 3，菱锥2的接触半径为r 23。