JB/T6950-93型行星锥盘无级变速器的传动性能探究

朱海燕

（华东交通大学 轨道交通学院，南昌 330013）

0 引言

无级变速传动(Continuously Variable Transmission,简称CVT)是指在某种控制的作用下，使机器的输出轴转速可在某一范围内连续变化的传动方式[1]。无级变速器是具有主动和从动两根轴，并通过能传递扭矩的中间介质（固体、流体、电磁流）把两根轴直接或间接地联系起来以传递动力的一种装置[2]。当对输入、输出轴的联系关系进行控制时，即可使两轴间的传动比在两极值范围内连续变化。

行星锥盘式无级变速器，它属行星牵引传动，是摩擦式无级变速器的一种。它通用性强、结构简单、工作可靠，近年来行星锥盘式无级变速器的研究主要集中在压紧碟簧、传动效率、滑动率及结构创新改进等方面[3]。所以对其传动性能的研究有着十分重要的价值。

1 传动性能分析

1.1 结构和工作原理分析

本文分析的行星锥盘无级变速器特指JB/T6950-93型，输出轴端加装一个2K-H型差动轮系构成的封闭行星传动结构简图如图1所示[4]。其工作原理简析如下：行星锥盘无级变速器的输入轴3与电机相联，动力由此输入，经太阳轮传递给行星锥盘6。太阳轮Ⅰ在碟形弹簧4的作用下，与太阳轮Ⅱ一起压紧行星锥盘，提供足够的压紧力以产生传动必需的摩擦力；行星锥盘6同时也被外圈的恒轮Ⅰ与恒轮Ⅱ（图中序号7、8）压紧在其间。当太阳轮转动时，行星锥盘在与太

阳轮接触处的摩擦力作用下，要作纯滚动，即自转运动；由于恒轮Ⅰ与恒轮Ⅱ径向固定不转动，因而行星锥盘在自转的同时也要绕输入轴3作公转运动。行星锥盘上的轴与行星架（转臂）H相联，可在行星架上作轴向和径向移动，当行星锥盘6作公转运动时，就带动行星架H，从而经输出轴1输出运动和动力。所以传动原理上看，行星锥盘无级变速器属于2K-H型转臂输出式行星传动。

图1 JB/T6950-93型行星锥盘无级变速器结构简图

1.2 行星锥盘的受力分析

1.2.1 运转时受力分析

主传动件行星锥盘运转时的受力分析如图2所示，其中Q1、Q2分别为行星锥盘与太阳轮、恒轮接触处的正压力，F1、F2分别为两接触处所传递的圆周力，Qe为锥盘所受的离心力，FH为转臂对锥盘的作用力。

图2 JB/T6950-93型行星锥盘运转时受力分析

离心力：

其中ω2H为行星锥盘2转化后的角速度；由于锥盘质量m较小，运行时Qe远远小于正压力Q1、Q2，故一般略去不计。由此可得：

r2和r2'分别为行星锥盘2与太阳轮、恒轮接触处的工作半径。

行星锥盘两接触区要产生足够的摩擦力，就必须提供足够的轴向压紧力Qa1、Qa2，二者由加压碟簧提供。为保证传动可靠，防止打滑，必须使产生的摩擦力大于所需传递的圆周力，下面分两种情况分析。

1）恒功率工况

行星锥盘与太阳轮接触处，该处要满足不打滑条件，须有：

其中：P1为输入功率（kw），基本恒定；μ为牵引系数；n1为输入转速（rpm）；z为行星锥盘的个数。

为保证传动可靠，引入传动系数kf1。

令2mQ1＝kf1F1，则有：

因为碟簧作用在太阳轮处，故在该处由力平衡关系得：

同理，在行星锥盘与恒轮接触处要满足不打滑条件，则有：

2）恒转矩工况

根据恒功率工况分析方法，同理可得：

无论哪种工况，理论所需的碟簧压紧力均应取Qs1、Qs2中较大者，即：

实际运行时Q1、Q2作用处的传动系数是不同的，由式（5）可得：

又由前面分析有Q1＝Q2，故有：

由此得出，传动系数kf1，kf2与r2，r2'之间的关系。通常，kf1，kf2的取值范围为1.25～1.50。

1.2.2 调速时受力分析

行星锥盘无级变速器一般在运转时进行调速，如图3所示为减速调速时锥盘的受力（未计离心力）。减速调速时行星锥盘往内移，向输入输出轴靠拢，设此时锥盘与太阳轮和恒轮接触处的总摩擦力分别为Ff1、Ff2，在每一接触面上的摩擦力分别为Ff1/2、Ff2/2，其分力分别为F1/2、f1/2、F2/2、f2/2，如图3所示。

图3 JB/T6950-93型行星锥盘调速时受力分析

由于：

所以

同理，

由力平衡条件有：

把式（16）、（17）代入式（18）中，整理可得：

F1、F2也是传递的圆周力，由前所述，为保证传动可靠性，也引入传动系数kf1和kf2，则有：

所以在进行增速调速时，同理可得到：

为使调速时不发生自锁，则上两式分母必须为正。考虑到kf1、kf2均大于1.25，以及油润滑时动摩擦系数μ＝0.04～0.09，所以，行星锥盘的半楔角一般取α ＞3°。

1.3 碟形弹簧加压特性的分析

加压特性是指加压机构提供的轴向压紧力与变速器输出转速的关系[5]。由式（8）、（11）～（14）可得到碟形弹簧的恒功率和恒转矩工况下的理论加压特性曲线，如图4所示。由图可知对于恒功率工况，输出转速最低时，需要的碟簧压力最大，随着输出转速的增加，需要的碟簧压力逐渐减小，到一定位置后恒定不变；对于恒转矩工况，输出转速从最低开始增加，所需的碟簧压紧力先减小，之后逐渐增大。转折点处，r2＝r'2推导可得此处

图4 碟簧理论加压特性

参照图1所示结构简图，碟簧作用于太阳轮处，当升速时，太阳轮向外移动，两太阳轮间的轴向间隙增大，碟簧压缩，压紧力增大；降速时则相反。显然，无论恒功率还是恒转矩工况碟簧压紧力都无法完全适应要求，但总体上碟簧实际压力基本与恒转矩工况相适应，而与恒功率工况要求完全相反。

图5 碟簧实际加压特性

由图5碟簧实际加压特性可知，恒转矩工况下只是中速区碟簧力稍大；恒功率工况下，碟簧实际提供的压紧力除最低速位置外，其余位置均大于所需的压紧力，输出转速越高，则压紧力剩余量越大。因此，恒功率工况下，由于中、高速区碟簧压紧力余量太大会加剧磨损和发热。为此，常常适当降低碟簧初始压力以缓解二者之间矛盾。

2 结论

本文针对JB/T6950-93型行星锥盘无级变速器，通过简图分析其结构特点和工作原理，并探究其运动规律和传动特性。在运转时和调速时受力分析的基础上得到了行星锥盘与太阳轮，恒轮接触处的正压力，接触处所传递的圆周力，锥盘所受的离心力及转臂对锥盘的作用力之间的函数公式关系，并由此得出碟形弹簧在恒功率和恒转矩工况下的理论加压特性曲线与实际加压特性之间的关系。

[1] 周有强.机械无级变速器的发展概述[A].全国第九届无级变速器学术信息交流会宣读论文[C].南京, 2004.

[2] 朱宇.新型低滑动率恒功率行星锥盘无级变速器的研究.[D].福州大学, 2005.

[3] 冯澄宙.行星锥盘无级变速器的传动比和受力分析[J].齿轮.1990, 14(3): 35-38.

[4] 石宗宝, 等.恒功率行星摩擦式机械无级变速机设计与分析[J].福州大学学报.2000, 28(5): 68-71.

[5] Akehurst S.Performance Investigations of a Novel Rolling Traction CVT[J].Society of Automotive Engineers.2001.01.