CAE技术在新型无级变速器中的应用

第三届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 401 CAE 技术在新型无级变速器中的应用 岳杰 (中冶京诚工程技术有限公司 北京 100176) 摘要摘要摘要摘要： 关键词关键词关键词关键词：CAE PRO/E ADAMS 无级变速器 随着 CAE 技术的发展及计算机硬件性能的不断提高，三维建模、装配及计算机仿真技术 逐步得到应用，应用这些技术就可以进行机器的运动学、动力学仿真分析。在设计工作的初 期，充分利用计算机仿真技术，能够极大地提高设计方案可能存在的问题的预见性。 液压机械传动作为一种新型的无级变速传动方式，采用分功率流传动原理，可实现较高 的传动效率及较大的输出转矩，同时兼有液压传动和机械传动的特点，是当前一种理想的无 级变速传动技术。新型液压机械无级变速器的创新之处在于：采用通轴式变量泵+变量马达的 传动方案，充分发挥了变量马达二次调节变速范围宽的优点。针对新型液压机械无级变速器 正处于研制开发阶段及自身潜在的实用价值，应用虚拟样机技术对该变速器进行的实体建模 及性能仿真分析，对于该新产品的研制开发起到了指导作用。 1 1 1 1 新型液压新型液压新型液压新型液压机械无级变速器的传动原理机械无级变速器的传动原理机械无级变速器的传动原理机械无级变速器的传动原理 该变速器采用了内功率分流传动技术，其功率分流原理如图 1 所示：输入轴 1 上的输入 功率 P1 在泵配流盘 3、 泵斜盘 4 处分两路传递到输出轴 10 上： 一路是泵柱塞 2 对泵斜盘 4 产 生的径向分力，通过斜盘支座 5 传递到输出轴 10 上的机械功率 Pm；另一路是泵柱塞 2 产生 的高压油通过斜盘支座 5 上的主油通道 6，作用在马达柱塞 9 上，对马达斜盘 8 产生径向的分 力，再通过斜盘支座 5 传递到输出轴 10 上的液压功率 Ph，不计损失时：P2= P1 =Pm+ Ph。若 输 入轴转速为 n1，输出轴转速为 n1，相对转速为 nm，泵排量为 Vp，马达排量为 Vm， 则有 12 m nnn=+ ， 2/ mmp nVnV= ， 两式联立得传动比为： 2 21 1 p pm nV i nVV = + 。 基金项目：辽宁省教育厅高等学校科学技术研究项目，计划编号2004D082。 作者简介：岳杰，女，1979 年出生，硕士研究生，党支部书记。曾获得辽宁省科技创新竞赛二等奖、辽宁省 高等院校机械设计创新大赛二等奖。 E-mail:. 389 应用Pro/E 软件完成了变速器所有零件的实体模型，提出了在该新型无级变速器部件级产品研发中实施虚 拟装配的基础环境以及具体的实施方法和途径，在变速器装配主模型的基础上，创建了基于运动学分析模块 Motion 的运动分析方案，真实、形象地模拟变速器运转过程。在演示回放过程中，一方面，对滑靴、柱塞的运 转过程进行仿真，分析得到9 个柱塞质心的位移、速度、加速度随时间变化的曲线，经比较分析得知，计算机 仿真与常规理论计算结果一致，充分证明了Pro/E 中运动仿真模型的正确性；另一方面，以仿真结果为基础， 设计了配重平衡装置，该装置可以大大减缓变速器轴承处支撑反力的波动。总之，通过运动仿真演示分析可以 使初期的设计工作更科学合理，更全面迅速，避免了不必要的浪费，缩短产品的设计周期。 第三届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 402 1输入轴 2泵柱塞 3泵配流盘 4泵斜盘 5斜盘支座 6主油道 7马达斜盘 8马达 配流盘 9马达柱塞 10输出轴 11马达缸体 图 1-1 变速器功率分流原理图 2 2 2 2 基于基于基于基于 P P P PRO/RO/RO/RO/E E E E 的变速器的变速器的变速器的变速器三维结构设计及动画演示三维结构设计及动画演示三维结构设计及动画演示三维结构设计及动画演示 2.1 2.1 2.1 2.1 典型零典型零典型零典型零部部部部件的实体建模件的实体建模件的实体建模件的实体建模 新型液压机械无级变速器零件多且结构复杂，在考虑每个零件建模的同时也需技巧性的 应用软件建模功能，对零件特征的种类及生成顺序进行系统的规划和分析，确定选用实体特 征及曲面特征。零件装配完成后，必须确保装配零件时使用的约束条件是正确且充分的，同 时，零件装配还应当力求操作简单方便。该变速器由 6 个部件组成，本文仅以前端盖部件为 例介绍子部件的装配流程，如图 2-12-2 所示。 1.耐磨盘 2.前端盖 3.滚子 4.静封油环 5.动封油环 6.衬盘 7.转子 8.偏心环 9.偏心环外套 10.补油泵盖 11.后动封油环 12.后静封油环 13.前压盖 图 2-2 前端盖部件 图 2-1 前端盖部件分解图 的虚拟装配模型 .2 2 2 2 变速器运动学仿真模型的建立变速器运动学仿真模型的建立变速器运动学仿真模型的建立变速器运动学仿真模型的建立 在实体建模的基础上，在 Pro/MECNISM 环境中完成各构件间的连接设定，对于活动件的 连接要依据自身的运动机理及实际工况中的自由度数量来确定其连接方式，连接结果如图 2-3 所示，图中蓝色线条为已经成功添加的运动副。 图 2-3 变速器虚拟总装配 390 第三届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 403 2.3 仿真回放的动画演示仿真回放的动画演示仿真回放的动画演示仿真回放的动画演示 机械系统运动仿真分析己成为运动学和动力学研究的一种重要手段和方法。对于刚体系 统，将刚体运动以直观的、随时间和空间变化的图形表示出来，可以减少工作量，提高工作 效率，特别是三维动画图形演示，更可以在仿真实时运行过程和事后分析中展示模型中的实 体运行机器相应属性的动态变化规律，使研究人员对系统模型得到概念化和形象化的理解。 本文模拟泵斜盘、马达斜盘倾角分别为 180、-90 工况下的运转演示，在回放过程中抓取 到的播放图片如图 2-4 所示，所演示的仿真画面能真实地表现机构的实际运动情况，进而为探 索该新型液压机械无级变速器的其它运动规律奠定了基础；对实现机构的优化设计具有重要 意义。 图 2-4 变速器内部结构运转演示回放 3 3 3 3 基于基于基于基于 ADAMSADAMSADAMSADAMS 的变速器的变速器的变速器的变速器动力学动力学动力学动力学仿真仿真仿真仿真分析分析分析分析 3.1 仿真模型的建立仿真模型的建立仿真模型的建立仿真模型的建立 在 ADAMS 中提供了丰富的约束库和力/力矩库，利用它们能方便地建立各刚体间的运动 约束。变速器作为机械设备中的变速调节装置，其结构及运动十分复杂。为了简化分析，假 定各组件均为刚性体，运动副均为理想约束且不考虑运动副间的摩擦力。新型液压机械无级 变速器各运动部件间运动关系如表 1 所示。 表 1 变速器关键运动件间的运动约束 输入轴 输出轴 泵斜盘 泵柱塞 泵滑靴 机架 输入轴 旋转运动副 旋转运动副 输出轴 旋转运动副 固定运动副 旋转运动副 泵斜盘 固定运动副 平面运动副 泵柱塞 球铰运动副 泵滑靴 平面运动副 球铰运动副 机架 旋转运动副 旋转运动副 新型液压机械无级变速器在结构上采用轴向柱塞泵、马达缸体同轴并置于同一壳体内， 马达缸体与壳体固定不动，泵斜盘、马达斜盘安装在斜盘支座上，并与输出轴同步旋转，变 速器在每转循环中，各个柱塞内的液体都经历压缩、排油、膨胀、吸油 4 个过程，作为理想 工作过程，每个过程服从液体动力学规律，在 ADAMS 建模过程中采用 IF 函数来拟合 9 个柱 391 第三届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 404 塞缸内的液压力循环：由速度函数 VX 的正负判断柱塞是处于膨胀、吸油过程还是压缩、排油 过程， 若柱塞处于膨胀、 吸油过程， 再根据位移函数 DX 来判断柱塞是膨胀阶段还是吸油阶段， 并分别引用每个阶段中液压力解析函数；柱塞处于压缩和排油过程的处理方式与此类似。IF 函数结构如下： ()() ()()()()() ()() ()()()()()() 2CC122 212 11CC2 IF VX id: IF DX idSS / SDX id:n,P,P ,P , IF DX idS :P ,0,P , IF DX idS:P,P,SS/ DX idS:n,P + + 1 式中：id柱塞质心编号；S柱塞行程；n柱塞数量；P1吸油腔压力；P2排油腔压 力；S1膨胀阶段与吸油阶段的位移分界点；S2压缩阶段与压油阶段的位移分界点；SC线 性余隙容积。 .2 2 2 2 变速器运动学仿真分析变速器运动学仿真分析变速器运动学仿真分析变速器运动学仿真分析 仿真分析柱塞质心的运动规律结果如图 3-1 所示。仿真结果表明：柱塞的位移与转速成余 弦关系，质心行程为 23.0684mm，与理论计算值 23.0692mm 相差 0.0035%；柱塞质心的速度 与转速成正弦关系；柱塞质心的加速度与转速成余弦关系。这与运动学理论推导公式保持一 致，充分证明了 ADAMS 中仿真模型的正确性, 为动力学分析奠定了基础。 图 3-1 柱塞相对于缸体的轴向运动仿真分析结果 .3 3 3 3 变速器动力学仿真分析变速器动力学仿真分析变速器动力学仿真分析变速器动力学仿真分析 变速器的前端盖、泵缸体、马达缸体分别装有不同规格的轴承。轴承处三向正压力直接 决定了传动轴与轴承间的摩擦状况及轴在高速状态下的变形情况，分析主轴与轴承间的受力 状况将有助于轴承的选型和主轴零件的设计。由受力分析得知 9 个柱塞所产生的液压力分别 相差一定相位，因此轴承的径向力变化呈周期变化。输入转速为 2000r/min 时，后端盖轴承处 的受力情况如图 3-2 所示。 392 第三届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 405 图 3-2 后端盖轴承处的支撑反力 从仿真结果可以看出，轴承处径向合力在 9 个周期内变化虽呈周期性，却存在动态波动， 易产生振动及噪声，使受力件因疲劳磨损而缩短寿命。为减小力的波动幅值，可在斜盘上配 置某一结构的配重体即采用平衡质量法予以平衡。该配重体自身结构形式如图 3-3 所示，配重 体上钻有 4 个螺纹孔，安装时与斜盘通过螺栓连接固定为一体，通过斜盘支座上安装的调节 柱塞支撑配重体的端面，以固定其倾角，从而锁定斜盘的倾角，两配重体通过变量调节杆及 调压螺栓等零件连接为浮动结构，其结构为作者首创。当输入转速为 2000r/min 时，前端盖轴 承处添加配重体前、后的受力仿真结果如图 3-4 所示。 图 3-3 配重装置三维模型 图 3-4 配重平衡前、后前端盖轴承处支撑反力 4 4 4 4 结论结论结论结论 本文采用的分析流程： 子装配建模总装配建模演示动画动力学仿真分析， 即将 CAD 与 CAE 技术有效结合，完整地展示了复杂机构的运动学计算机仿真分析过程，动画演示清晰 393 第三届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 406 地表达该变速器各机构的工作原理及结构组成，为探索特定运动结构的零件组成、确立实体 或零件之间的相对运动关系式、描述刚体运动轨迹等相关工作奠定了基础；另一方面，应用 动力学仿真软件 ADAMS 本文通过对变速器传动装置的速度、加速度及轴承处的支撑反力等 性能的仿真分析，设计了配重装置以减小低速运转时轴承处载荷的波动幅值；此外，仿真分 析结果 （轴承处所受的载荷， 位移等） 可以直接作为有限元软件 （如 ANSYS. MSC-NASTRAN） 的边界条件，也可以作为进一步计算零件强度、刚度的载荷条件，很好地指导产品的结构改 进设计，提高产品的动力性能。 虚拟装配及仿真技术是一项新生的工程技术。本文提出了在新产品的研发过程中采用高 技术、现代化设计方法，可确保所研制的产品具有技术水平高、工作性能好、生产成本低和 较强的市场竞争能力。虚拟样机技术在该新型液压机械无级变速器中的成功应用对于高精度、 灵活快捷地进行该变速器的深入研究具有实用性意义。 参考文献参考文献参考文献参考文献： 1 殷国富，陈永华计算机辅助设计技术与应用M北京：科学出版社，2000（8） ：1113 2 江平基于 Pro/E 系统的虚拟装配和运动仿真技术的应用机电技术，2004（1） ：8286 3 魏阳，王书义基于 Pro/E 的可视化机械系统运动仿真分析M机械工业出版社，2004，9（10） ： 103105 4（美）MSC.Sofeware 著;李军,陶永忠 译.MSC.ADAMS FSP 基础培训教程.北京：清华大学出版社,2004. 5 陈立平.机械系统动力学分析及 ADAMS 应用教程. 北京：清华大学出版社,2005. 6 Ngwompo R F. Anthrop P J. Bond graph-based simulation of non-linear inverse systems using physical performance specifications J. Journal of