无级变速器

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本科生毕业论文

题 目: 派力奥轿车无级变速器设计

学生姓名: 孙艳茹

专 业: 汽车电子控制技术

班 级: 00007级

指导教师: 付铁军

摘 要

本文介绍了PALIO轿车无级变速器的设计过程。

无级变速器是当前较为先进的变速技术，目前许多国家都在积

极研究此项技术。

本文所采用的方案是许多薄钢片穿成钢环，形成一条金属带，使其在两个锥轮不同半径上“啮合”来该变速比，从而实现了无级变速。本文设计的是利用现在可用的数据对原来的设计做了许多改进。

自从1987年装备小排量发动机上的金属带无级变速器的批量生产，无级变速器技术在全球已经有了很大发展。近年来，保护全球环境越来越受到重视，能降低燃油消耗和减少有毒气体排放的汽车技术的发展不仅满足了低排量汽车的要求，而且满足了大排量汽车的需求。根据社会的这些需要，无级变速器的研究朝着能够传递更大转矩的方向继续发展。无级变速器已经有了一个低燃油消耗高能量利用和起步平稳的好名声。

本方案中，无级变速器的主要组成是行星轮、前进／倒档离合器、利用固定在无级变速器上的带和带轮来改变传动比的传动装置和附加齿轮减速。

关键词：无级变速器 传动比 带

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第一章 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

第二章 设计方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2~11

2.1 设计方案论证„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2~8

2.2 变速器的基本机构和工作原理„„„„„„„„„„„„„„„9~11 结束语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12

参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13

致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14

第一章 绪 论

汽车动力传动系的发展，对汽车工业的发展起到了举足轻重的作用。由于车辆驱动轮所需的扭矩，转速与发动机所能提供的转矩和转速有偏差，故传动系的任务可概括为：通过变换其传动比，以调节或变换发动机的性能，将动力经济方便的传至车轮，很好的适应外界负载与道路条件的需要，即使动力传动系提供的特性场与车辆所需的特性场获得最佳匹配。

汽车动力传动的最高目标是自动变换传动比，即自动变速。传动系变速的自动化是目前车辆发展的高级阶段，是当今亟待开发与推广的更为核心和重要的技术。自动变速和以前的有级式机械变速相比来说已是一场革命，它具有许多手动变速无法比拟的优点。

随着VDT的开发和其产品的装车出售，已装用这种钢环的CVT(无级变速)汽车已经在现在汽车工业中广泛的应用。

汽车工业在我国国民经济中占有重要作用，主要表现在以下几个方面： 首先：汽车工业产值高，它可以带动一大批相关产业的发展。

第二：汽车工业的发展，集中了机械、材料、化工、电子、石油等工业的最新成果，有力的促进了这些工业的技术发展。同时，汽车工业水平的高低也代表了一个国家的技术水平的高低，故汽车工业是技术密集型工业。

现代汽车工业的发展日新月异，各种先进的技术不断涌出。CVT作为最近几年涌现出来的新技术，在国外已得到了广泛的应用，而国内才开始这方面的研究，其技术还有待于进一步的发展。

第二章 设计方案

2.1设计方案论证

一、变速器类型的选择

汽车的变速器总体上可分为手动和自动。

（一）手动变速器是传统的变速方法

手动变速器（ManualTransmission，简称MT）又称机械式变速器，即必须用手拨动变速杆（俗称“挡把”）才能改变变速器内的齿轮啮合位置，改变传动比，从而达到变速的目的。轿车手动变速器大多为四挡或五挡有级式齿轮传动变速器，并且通常带同步器，换挡方便，噪音小。手动变速在操纵时必须踩下离合，方可拨得动变速杆。一般来说，手动变速器的传动效率要比自动变速器的高，因此驾驶者技术好，手动变速的汽车在加速、超车时比自动变速车快，也省油。

(二)

自动变速与手动变速操纵相比较有以下的优点：

1、自动变速消除了驾驶员换挡技术的差异。

车辆性能的优越性除了与其自身的结构有关外，还取决于正确的控制和操纵。自动变速器就是让系统设计自动完成 使用要求，以整车获得最佳的燃油经济性、动力性和低污染排放，而与驾驶员的技术水平无关。要是汽车在每一种负载、路况下都能正常工作，只有靠自动变速技术，按照预定的最佳规律变换才能实现。

2、自动变速提供了好的传动比换档性能

自动变速的速度不仅快而且连续平稳，提高了乘坐的舒适性。无级变速

可以消除或减弱动力传动系中的动载；而有级自动变速，由于它能同步换挡，离合器可按最佳接合规律接合，也避免了手动换挡的粗暴所产生的冲击和动载，这对地形复杂、路面恶劣的现场作业或越野行驶的工程车辆、自卸汽车以及军用车辆都特别重要。

3.提高了发动机和传动系统零件的使用寿命

由于液力变矩器这个“弹性元件”可以吸收动力传递过程中的冲击和动载荷,又因为没有离合器,无动力中断,使得自动变速器在自动换挡过程中换挡平稳,减小了发动机和传动系统零件的动载荷。因此,采用自动变速器的汽车发动机和传动系统零件的寿命比采用机械式变速器的要长。

4、提高了汽车的动力性

自动变速器在起步时,由于液力变矩器可连续自动变矩,使驱动轮上的牵引力逐渐增加,在一定的范围内自动变速来适应汽车行驶阻力的变化,在必要时又可自动换挡以满足牵引力的需要。因此显著提高了汽车的动力性能

5、方便地自动变速可以减轻驾驶员的疲劳并且提高行车的安全性。 操作车辆的任务在于：根据不断变化的道路、交通情况，对于车辆的行驶方向的速度进行灵活的控制，而且自动变速则从根本上简化了操纵，离合器踏板、变速杆都失灵了，驾驶员只要控制油门，即控制了自动变速。

6、自动变速减少了污染。

在车辆拥有量最多的城市，汽车的排出有毒物质是主要的公害之一，但是废气中有毒物质的含量与发动机的使用条件有关：

1>稳定的工作排量小，非稳定的排量大。

2>与转速有关。汽油机接近总转速时CO浓度高，而CH则与转速成正比，随转速升高也升高。故在极高与极低的转速工作或加速情况下，容易产生黑烟。

3>手动变速为非动力换挡，由于换挡过程中供油量急剧变动，所以非稳定，工况强烈、转速变化哦大起大落，从而导致污染严重，而无级变速器

和自动换挡技术多属于动力换挡，且能把发动机设计在较小的污染的转速范围内工作，从而使污染降低。自动变速也有以下缺点：

1、与手动变速相比，其结构复杂，精密度高的零件多，加工量大，制造难度大，成本较高，相应的维修技术要求也较高。

2、比手动齿轮式变速的效率低，这是无级变速传动的共同点。但是从整车的效率来看，通过采用与发动机相匹配、遵循最佳换挡规律，可使效率较低的无级变速达到手动变速的水平。

自动变速的类型

自动变速的类型有两种：有级式自动变速，无级式自动变速。

有级式自动变速器中常见的齿轮式变速传动。它分为固定轴式与旋转轴式两种。由于其效率高且稳定，工作可靠，所以虽然是有级有限变速，但是仍然具有很强的竞争力。

旋转轴式（行星齿轮）因为传动易于实现自动化、结构紧凑、重量轻，特别是具有可实现功率分流的多相自动变速均为此类型，在整个传动中属于辅助变速。

但是这种结构与传统结构的固定手动变速器相比，仍然存在效率低、结构复杂、制造困难、成本高等缺点。

1、液力传动

液力传动是以液体为介质的叶片传动机械，基本形式为液力耦合器与液力变矩器：工作轮叶片与工作液体互相作用，引起机械能与液体能的互相转换，并以此来传递动力，通过液体动量矩的变化来改变转矩的一种传动元件。液力变矩器具有无级连续变速和变矩的能力，对外部负载有良好的自动调节和适应性能，故根本上简化了操纵，它使车辆起步平衡、加速迅速、均匀、柔合，加之液体传动本身特有的减速振动性能，又进一步降低了传动系的尖峰载荷和扭转振动。它延长了传动系的使用寿命，提高了乘坐舒适性和车辆平均车速以及行驶安全性和通过性。

但是从经济观点看，却存在问题：它效率不太高，高效率范围不大，总的效率低：变矩范围有限，致使发动机的油砂增大；加之本身结构复杂，造价高，而一度失去是用价值，只是后来使它与机械传动相结合成液力传动后，其缺陷得到一定的弥补，功能得到了扩展，才有了 迅速发展。采用优化技术和CAD（计算机辅助设计）与CAM（计算机辅助制造）的手段来提高液力元件本身的性能，采用自动控制的闭锁离合器使其需要时也可由液力传动转换为机械传动，增加机械传动档位和使用超速挡等措施，其燃油经济性大体上与手动机械式变速器相当。主要应用在轿车、大中型客车、拖拉机、军用车辆等上，内燃机上的应用也相当广泛。

2、 液压传动

它与液力传动同属于液体传动的范畴，其主要区别是：液压传动主要依靠液体压能的变化来传递或者变换能量，它利用工作腔的容积变化来工作，液压元件主要是液压泵和液压马达。液压泵将发动机输出功率变为工作油压力并由控制元件将其输入液压马达，其工作油腔压力驱动车轮，系统压强（P）的大小取决于负荷，车辆速度的变化取决于系统的流量（Q）。它的特点：可在大范围内连续的正、倒车行驶工况内平衡的无级变速，性能接近理想特性，要利用增加液流循环阻力的方法进行动力制动；它亦具有液体传动吸振与降低冲击的能力；液压元件之间用管路连接，便于总布置实现合理布局，因此，近年来在车辆上，特别是在推土机、装载车上获得了应用。但是它的效率显著低于纯机械传动，液压元件制造精度高、成本高，功率特别大的液压元件制造就更为困难了，故多与行星齿轮并联构成液压机械系统无机传动这种系统，液压只传递总功率的几分之一，总功率也得到较大提高，并减小了研制大功率纯液压传动的困难所以它已在汽车、军用车辆以及飞机牵引上获得大的应用，而高速履带车辆，因要求速度高，机动性强，功率大，所以目前还处于由机械传动逐步向液力和液压传动过度的时代。

3、机械式无级变速器

省油、降低排气污染、操纵方便、行驶舒适的机械无级变速传动一直是人们所追求的目标。早期通过双锥体改变接触半径实现传动比连续变化的办法，因部分挤压应力太高而难于实用化，后来发展为皮带传动。目前技术又有了新的突破，已经将原来的DAF汽车橡胶材料的无级传动皮带，改为由许多薄钢片穿成的钢环，使其与两个锥轮的槽，在不同的半径上“咬合”来改变变速比，这就是CVT。

从理论上看，CVT可使发动机始终在经济的工况区运行，从而在幅度省油，但是由于CVT是摩擦传动，主要缺点也是效率低，以至初期CVT装置与手动变速相比并不省油。经过一段时间努力，现在可以使燃料经济性改善10%～20%，它使汽车具有一个没有“漏洞”的牵引性能，而且加速时不需要切断动力。而手动变速与其相比，显然损失了很多加速性能，所以CVT车辆，不仅舒适而且超车加速性能好。

4、电传动

电传动与液压传动马达相比，它取消了机械传动中间的传动结构，而代之以电流输至电动机，以驱动汽车。其电动形式有：

直流发电机—直流驱动；

交流发电机—直流驱动；

交流发电机—交流驱动；

交流发电机—直流变频—交流驱动。

这反映了电传动的发展过程，特别是最后一种形式，它把可控制硅整流得到的直流电，经过逆变装置变为频率可变的交流电，使电机在变频交流电驱动下速度可调。其结构简单、尺寸小、重量轻、成本低，可制成大功率电机，因而是发展的方向。

电传动的优点是：

按汽车行驶功率要求，以最经济的转速运行，得到恒定功率的特性； 无级变速，传动及变速平稳；

能将电动机转换为发动机实现传动，提高行驶安全性；

动力装置和车轮之间无刚性联系，便于总体布置以及维修。

但是，电传动的主要缺点是价格高，它比液力机械式传动还要高20%，自重大并要消耗大量有色金属，故载重大用它才有力。目前在载重850KN以上的矿用自卸车，大铲运机及轮式装载机上，采用电传动已成为发展的趋势。

5、储能传动

储能传动的重点已经扩展到与传动系上连的两端：一是研究车轮上的制动能量的回收；另一是研究如何合理调节发动机负荷。

过去车辆的制动装置能量都消耗了，而且还给人们带来了制动噪声的公害和降低制动器寿命。电子控制又开拓了自动变速技术的新领域。它可以使制动能量以高压油势能或飞轮动能等其他形式储存起来，并在车辆加速或其它作业时重新释放出来，以帮助驱动车辆，或举升垃圾等。它用于城市大客车，清理垃圾车，工业叉车等，可以节油20%—30%。

与此同时，如果始终在最佳油耗下工作，消除或减少发动机长时间告诉运动状态，节油效果会高达40%以上。但其初始成本高，自重大，液压系统的效率有待提高，噪声需要降低，更重要的是发动机间歇工作应过分降低其寿命，并在乘客能承受的范围之内，同时还应该考虑传动系统的动力响应。

（四）方案采用

本方案采用已实用化的：带驱式—利用带和带轮。

主要形式为带驱动和牵引驱动式：

a、牵引驱动式：主要靠油膜的剪切力传动，传动扭矩大，轴向尺寸大，具有变速响应和不需要起步离合器两个特点，缺点是接触面的压力高，容易引起金属液差，另外，需要剪切能力强的油。主要用于卡车。

b、带驱动式：有许多薄钢片穿成钢环使其与两个锥轮的槽截面上不同的半径上“啮合”来改变速比，具有：省油、降低排气污染、操纵方便、行驶舒适的优点，需带有起步离合器。本方案采用行星齿湿式离合器控制汽车的前进、

倒退和急速工况，其轴向尺寸小，另外，由于采用了带传动，即靠摩擦传动，其效率低，但由于可以使汽车始终在一个没有“漏洞”的工况工作，可以使汽车大幅度省油，另外由于锥轮的半径变化时靠锥轮的轴向移动来实现的，故带有轴向不重合的问题。可将带轮做成曲面，但制造复杂。

动力传递路线：由输入轴经过起步离合器至第一轴，再通过带传递到第二轴，由第二轴经过减速齿轮到输出轴输出。

由于安装了行星齿轮湿式离合器（它与行昨齿轮系和两个离合器组成），由油压控制。前进时前进离合器起作用，后退时倒档离合器起作用，停车时前进、到倒档离合器都不起作用。

2.2变速器的基本结构和工作原理

一、基本结构

车辆发动机的能量经无级变速器传动钢环和两个锥轮的槽传递，由初级轮传到次级轮，再经主减速器，最后到驱动车轮。

一般无级变速器可提供的变化范围是4.69—0.44左右，故它不能满足整车传动比变化范围的要求，需在CVT之后加装主减速器。

二、工作原理

此无级变速是通过油缸的液压使可动锥盘在两个固定锥盘上移动，从而使钢带在不同的半径上“啮合”，从而改变传动比，由于这种变化是连续的。故称无极变化。

三、说明

1、为了控制汽车的前进和倒车，本方案采用了前进和倒档离合器。由 于在工作时变速箱内充满油，故采用湿式离合器。其具体的设计计

算将在以后的章节中提及。 2、行星齿轮结构

它与离合器共同作用，在怠速时离合器摩擦片与摩擦副分离，只有

输入轴转动。前进行车时，其前进摩擦副结合，带动行星齿轮系支架，油缸壳体上有花键和一轴的键啮合与输入轴一起旋转且转向相同。倒车时，其倒车摩擦副结合，其摩擦副固定，有在固定输入轴盘上的行星齿轮（两个）带动一轴一起旋转，其转向与前进时的转向相反。

3、由于在低速档时但依靠两锥盘的半径变化，其速比达不到要求，故

曾了减速齿轮以起到减速作用，增加减速比，使汽车在小档位下工

作。 4、带传动

VD传动带作用原理：

VD传动带结构，其内部由多层钢带和很多金属块构成。其斜面的

VD传动带挂在V形槽的传动轮上，钢带只起支撑作用，由V形槽侧面 和V行金属块侧面传递动力。 VD带改进技术： 1）钢带的改进技术：

在传动动力时，由于钢带夹在带轮V形槽内，受V形金属块向上

的张力和传动带挂在带轮上产生的弯曲力同时作用，因而影响了钢带 的使用寿命。为解决此问题，采用了两种改进技术：

（1） 采用事先对外侧钢带加压应力，对内侧钢带加拉应力的 预应力法。

（2） 顺着钢带长度方向缩短内侧钢带的长度。

2)钢带制造方法的改进

在多层钢带中，由于每层钢带的长度不同，它们所受的力就不

同，这样降低了钢带的使用寿命。如要解决此问题，需挑选长度一样

的钢带，组合成多层钢带之后，按直径方向拉伸，使其塑性变形。

3）V形金属块和V形带轮之间紧密接触的改进技术

在传递动力时，为解决带驱动面上所产生的应力均匀问题，在V 形金属块本体侧面上开两个孔，以保证V形带轮之间紧密接触。

4）消除V形金属块之间的碰撞噪声和V形金属块轻量化方面的改进

技术。

用金属板材压成凹形金属块，以解决轻量化问题。在凹部内填满弹性 形成一体，对降低噪声的效果显著。

带传动是无机传动中的关键技术，只有它的技术上多方面突破，才可

使CVT进入实用化阶段。

结 束 语

历时两个多月的毕业设计即将结束，这是毕业之前集中的一次综合设计，它检查了我们每位同学对以往知识的掌握情况以及综合运用能力和自学能力。

在这一次毕业设计中，同学们在导员教师的指导下，针对自己的毕业设计题目，进行认真设计，这是对我们四年大学的一次综合考验。

这次设计也是同学们将理论与实践相结合的很好锻炼，为即将参加工作的我们进行了很好的锻炼，提高了同学们解决实际问题的能力。为将来的工作打下了良好的基础。

也使我们意识到设计中不仅要满足设计要求，而且还要从制造工艺、经济环保及国情等方面考虑，不断地从实践中摸索经验，总结规律，汲取新知识，才能设计出真正合格的产品。

我所设计的无级变速器（CVT），在国外早在80年代就有应用，但到目前为止，它还算不上是一项成型的技术，仍有许多问题和困难等待解决。

参考文献

《汽车构造》 《汽车理论》 《汽车设计》 《机械设计》 《汽车制造工艺学》 《机械设计手册》 《车辆自动变速理论和设计》《CVT参考资料》

陈家瑞主编 张洪欣主编 宋景文主编 王宝玺主编 葛安林主编 指导教师提供

人民交通出版社清华大学出版社人民交通出版社科学普及出版社机械工业出版社机械工业出版社机械工业出版社

致 谢

在三个月的设计过程中，得到了付老师的极大关注，并给予了很大的帮助，提出了宝贵的意见，所有工作均在付老师的指导下完成，在此表示衷心的感谢。

由于才疏学浅，虽然已作了最大努力，但是在设计中不可避免的出现一些错误，敬请各位老师同学批评指正。