一种牵引式无级变速器无自旋结构设计方法

摘要

本发明公开一种牵引式无级变速器无自旋结构设计方法，旨在提供一种针对牵引式无级变速器进行无自旋结构设计的方法，以减小自旋损失，提高传动效率；其技术要点在于：首先提取调速单元结构、然后绘制单元结构简图、建立合适坐标系、根据接触点变化情况确定无自旋设计对象、假设一个母线方程确定切线方程、根据无自旋条件联立切线方程与回转轴线方程、化简方程得微分方程、求解微分方程得无自旋母线方程、采用上述无自旋结构解对应的牵引元件或传动元件替换原有元件，完成无自旋结构设计。

说明书

技术领域

本发明属于机械传动领域，具体涉及一种无级变速器无自旋结构设计方法。

背景技术

牵引式无级变速器（CVT）以具有功率密度高、传动扭矩大等特点，被认为是一种理想的传动形式。传统的牵引式CVT有直接传动式、中间原件式和行星传动式，不同类型牵引式CVT，其传动效率均有所不同，现在公认的牵引式CVT中存在效率损失有：自旋损失、滑移损失、侧滑损失，轴承损失以和搅油损失。其中侧滑损失、搅油损失、轴承损失相对较小，尤其是侧滑损失仅在变速时或者其它特殊的工况下在才产生，而滑移损失是完全伴随着牵引传动而产生的这种损失是不可避免的。相对其他诸类损失而言，自旋损失所占比例相对较大，一般为总效率损失的40%-60%，当传动的载荷相对较小时自旋损失所占的比例更大。自旋的产生是由于在牵引传动时，牵引元件与被牵引元件的速度分布不均匀而造成的，很多研究人员往往认为这种自旋损失在传动比范围内是只能尽量减少不可消除的。由于自旋的效率损失，在牵引式 CVT中，传动效率经过优化后一般只能达到一般为 75%-90%，进一步提升将变得异常困难，这也就大大降低了牵引式 CVT 的应用范围与传动能力。

总之，消除自旋，可以大幅提高牵引式 CVT 的整体传动效率，提高牵引式 CVT 的最大传递扭矩，增大牵引式 CVT 的应用范围和传动能力。现有研究已经提出了消除自旋的两种情况：（1）平行状态，即牵引元件与被牵引元件的回转轴线平行于接触平面；（2）相交状态：即牵引元件与被牵引元件的回转轴线与接触平面相交于一点。

牵引式CVT根据不同的传动特点可以分成不同类，比如根据调速元件的调速方式和传动特点，可以分成移动调速定点传动类，移动调速动点传动类等。以移动调速定点传动类为例，又可以分成两类：一类比如滚轮平盘式CVT和钢环长锥式（RC型）CVT等，其传动件与牵引件回转轴线正交；另一类比如四滚锥平盘式（FU型）CVT和钢球双内锥式（Heynau型）CVT等，其传动件与牵引件回转轴线呈一定夹角。

在已有的技术中，已经提出了一种无自旋变速单元（专利申请公开号CN104776180A），该专利针对半环面型牵引式CVT进行了锥盘母线改进，将其设计为一种指数曲线，从而消除传动过程中的自旋；同时该发明人还提出了一种无自旋无级变速器及其调速装置（公开号CN104776181A），该专利描述了一种针对半环面型CVT进行参数优化设计后的无自旋CVT的整体方案，同时设计了其调速装置。然而，上述文献中只针对半环面型牵引式CVT给出了两种可行的无自旋结构或其锥盘母线方程，对于无自旋设计方法并未提及。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中对牵引式CVT进行无自旋结构设计的问题，提供一种针对牵引式CVT进行无自旋结构设计的方法，以减小牵引式CVT的自旋损失，进一步提高现有牵引式CVT的传动效率。

本发明所述的一种牵引式CVT无自旋结构设计方法的步骤如下：

步骤1：提取牵引式CVT的调速单元结构，至少包括牵引元件、传动元件及其相互接触关系；

步骤2：绘制上述调速单元结构图，建立直角坐标系，直角坐标系的X轴与传动元件或牵引元件的回转轴线重合；

步骤3：根据接触点的运动情况，选择牵引元件或传动元件作为无自旋设计对象，并假设设计后的牵引元件或传动元件的母线方程为y=f(x)；

步骤4：根据假设的牵引元件或传动元件的母线方程y=f(x)，求解过该曲线上任意点A(x_0,>y₀)的切线方程y-y₀=f>₀)，并使其在任意点满足相交状态，即该切线方程、牵引元件回转轴线和传动元件回转轴线相交于一点，得出无自旋结构设计方程；

具体方法为：

A. 根据假设的牵引元件或传动元件的母线方程y=f(x)，求解过该曲线上任意点A(x_0,>y₀)的切线方程y=f>₀)+y₀；

B.根据坐标系关系和调速单元的特征参数，求解牵引元件回转轴线方程为y=g₁(x)，求解传动元件回转轴线方程为y=g₂(x)；

C.联立y=g₁(x)和y=g₂(x)，求解交点坐标P(a,>；

D.联立切线方程y=f>₀)+y₀和y=g₁(x)和y=g₂(x)，求解交点坐标Q(a′,>；

E.使得P(a,>与Q(a′,>重合，即满足相交状态，得出无自旋结构设计方程；

步骤5：将上述无自旋结构设计方程转化为无自旋结构微分方程并求解，得出无自旋结构解；

步骤6：采用上述无自旋结构解对应的牵引元件或传动元件替换原有牵引式CVT的牵引元件或传动元件，完成无自旋结构设计。

上述方案中，所述牵引式CVT可为移动调速定点传动类牵引式CVT、移动调速动点传动类牵引式CVT、摆动调速定点传动类牵引式CVT、摆动调速动点传动类牵引式CVT的一类或一种。

上述方案中，所述牵引式CVT为移动调速定点传动类牵引式CVT，且牵引件元件与传动元件的回转轴线正交时，步骤2中所述直角坐标系的X轴与传动元件的回转轴线重合，Y轴与牵引元件的回转轴线重合，坐标原点为牵引元件回转轴线与传动元件回转轴线的交点；

更近一步，步骤4中所述交点坐标P(a,>为坐标原点P(0,>，Q(a′,>为Q(0,>₀-f>′(x)x₀)，得出的无自旋设计方程为y₀-f>₀)>₀=0；更进一步，步骤5中所述无自旋结构微分方程为。

上述方案中，所述牵引式CVT为移动调速定点传动类牵引式CVT，且牵引件元件与传动元件的回转轴线呈一定夹角，但不正交时，步骤2中所述其直角坐标系的X轴与传动元件的回转轴线重合，Y轴与原点任意布置；更近一步，步骤4所述交点坐标P(a,>为坐标原点，Q(a′,>为，得出的无自旋设计方程为，其中r₀为牵引元件与传动元件的接触曲率半径，β为牵引元件回转轴线与传动元件回转轴线的夹角的余角；更进一步，步骤5中所述无自旋结构微分方程为。

本发明所述的牵引式CVT无自旋结构设计方法的有益效果在于：

1.本发明提出一种针对牵引式CVT进行无自旋结构设计的方法，可消除牵引式CVT中的自旋损失，进一步提高该类牵引式CVT效率；

2.本发明所述方法仅针对牵引元件进行无自旋结构设计，采用了几何方法与解析方法联合的思想，求解思路简单，容易实现；

3.本发明所述的方法可进一步推广至牵引式CVT的一些机构优化设计中，对于牵引式CVT无自旋设计奠定了一定理论基础，为其他机构优化设计提供了研究思路。

附图说明

图1为本发明所述无自旋结构设计方法的原理示意图。

图2为本发明所述牵引式CVT无自旋结构设计方法流程图。

图3为本发明所述滚轮平盘式CVT调速单元结构、接触关系及坐标系建立示意图。

图4为本发明所述实施例二中四滚锥平盘式CVT结构示意图。

图5为本发明所述实施例二中四滚锥平盘式CVT调速单元结构、接触关系及坐标系建立示意图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

1-平盘，2-滚轮，3-锥形结构平盘；4-滚子，5-输入平盘。

具体实施方式

实施例一：

本实施例以滚轮平盘式牵引式CVT为例进行无自旋结构设计，滚轮平盘式牵引式CVT属于移动调速定点传动类，其牵引元件（输入元件）与传动元件（调速元件）的回转轴线正交。

如图2所示，本无自旋设计方法分为六个步骤依次进行；

步骤1：提取滚轮平盘式牵引式CVT的调速单元结构，该调速单元包括牵引元件平盘1和传动元件滚轮2，其相互之间的接触关系如图3所示；

步骤2：绘制上述调速单元结构图，建立直角坐标系，其直角坐标系的X轴与滚轮的回转轴线重合，Y轴与平盘的回转轴线重合，坐标原点为滚轮回转轴线与平盘回转轴线的交点，如图3所示；

步骤3：滚轮平盘式牵引式CVT的调速单元中，接触点在平盘1上移动，而在滚轮2上不动，因此，选择平盘1作为无自旋设计对象，并假设经过无自旋设计后的平盘1的母线方程为y=f(x)；

步骤4：根据假设的平盘1的母线方程y=f(x)，求解过该曲线上任意点A(X₀,>₀)的切线方程y-y₀=f>₀)，并使其在任意点满足相交状态，具体过程如下：

1）设A(X₀,>₀)为y=f(x)的一点，则过点A(X₀,>₀)的切线方程y=f>₀)+y₀；

2）由步骤2中建立的坐标系，从坐标系关系可知，平盘1的回转轴线为Y轴，即x=0，滚轮2的回转轴线为X轴，即y=0；

3）联立x=0与y=0，求出交点坐标P(0,>；

4）联立切线方程y-y₀=f>₀)与x=0，求出交点坐标Q(0,>₀-f>₀)；

5）P(a,>与Q(a′,>重合，即得出无自旋结构设计方程y₀-f>₀)x₀=0

步骤5：将上述无自旋结构设计方程转化为无自旋结构微分方程，并求解，得出无自旋结构解y=Cx；

步骤6：从步骤5中可知，得出的平盘1无自旋结构母线的表达式为y=Cx，对应的平盘结构为锥形结构，采用锥形结构平盘3替换原有平盘1，即实现了无自旋结构设计。

实施例二：

本实施例以四滚锥平盘式（FU型）牵引式CVT为例进行无自旋结构设计，四滚锥平盘式牵引式CVT属于移动调速定点传动类，但本实施例不同于实施例一的是，本例的四滚锥平盘式牵引式CVT中调速单元的牵引元件（输入元件）与传动元件（调速元件）的回转轴线呈一定角度，如图4所示。按照本发明所述的方法，针对本实施例中四滚锥平盘式牵引式CVT进行无自旋结构设计的步骤如下：

步骤1：提取四滚锥平盘式牵引式CVT的调速单元结构，因四滚锥平盘式牵引式CVT是通过移动中间的传动元件滚子4进行变速，因此，该调速单元应包括牵引元件输入平盘5和传动元件滚子4，或滚子4和输出平盘5，本例中选取输入平盘5和滚子4，其相互之间的接触关系如图5所示；

步骤2：绘制上述调速单元结构图，建立直角坐标系，其直角坐标系的X轴与滚子4的回转轴线重合，Y轴与原点任意布置，本例中布置方式如图5所示；

步骤3：四滚锥平盘式牵引式CVT的调速单元中，接触点在输入平盘5上移动，而在滚子4上不动，因此，选择输入平盘5作为无自旋设计对象，并假设经过无自旋设计后的输入平盘5的母线方程为y=f(x)；

步骤4：根据假设的输入平盘5的母线方程y=f(x)，求解过该曲线上任意点A(X₀,>₀)的切线方程y-y₀=f>₀)，并使其在任意点满足相交状态，具体过程如下：

1）设A(X₀,>₀)为y=f(x)的一点，则过点A(X₀,>₀)的切线方程y=f>₀)+y₀；

2）由步骤2中建立的坐标系和步骤1中提取的调速单元的结构，定义特征参数：输入平盘5回转轴线与滚子4回转轴线夹角为90°-β则滚子4回转轴线与Y轴夹角为，输入平盘5与滚子4接触曲率半径为r₀，则可求得输入平盘5的回转轴线为X轴，即y=0，滚子4的回转轴线为；

3）联立y=0与，求出交点坐标；

4）联立切线方程y-y₀=f>₀)与y=0，求出交点坐标；

5）P(a,>与Q(a′,>重合，即得出无自旋结构设计方程；

步骤5：将上述无自旋结构设计方程转化为无自旋结构微分方程，并求解即得出无自旋结构解；

步骤6：对步骤5中无自旋结构微分方程进行求解，并用对应的输入平盘结构替换原有输入平盘5，即实现了输入端无自旋结构设计。

同理，对于输出端进行相应的无自旋结构设计，即可得出输出平盘7的无自旋结构解，最终解出的曲线与输入端一样，只是布置方向不同。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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