（机械设计及理论专业论文）wwb型脉动式无级变速器运动分析及优化.pdf

摘要 w w b 型脉动式无级变速器是适合现代生产工艺流程机械化、自动化发展以及改 善机械工作性能的一种通用传动装置。它具有工作可靠、承载能力高、变速性能稳定、 调速范围广等的特点，已赢得了广阔的市场。但由于结构的特殊性，机构在高速运转 时，会产生很大的惯性力和惯性力矩并难以平衡。本课题借助于a d a m s 软件，通过 对该机构进行几何建模、运动分析，并以此为基础进行尺度综合优化设计，以达到提 高机构的运动和动力性能的目的。主要工作内容如下： ( 1 ) 建立w w b 型脉动式无级变速器的几何模型。 ( 2 ) 对机构进行运动学仿真分析，得到可视化的结果并以输出构件的平均传动 比i 。和速度波动系数d 为特性指标进行运动学分析。 ( 3 ) 对影响机构运动和动力性能的关键部件连杆的质心加速度和角加速度 为特性指标进行运动分析。 ( 4 ) 以参数化机制为基础，以连杆质心加速度和角加速度为目标函数，通过单 因素分析找到优化的初始点，再运用广义简约梯度法( g r g 法) 对机构进行优化设 计。 通过本文的研究，不仅为w w b 型脉动式无级变速器的改进提供指导，也为无级 变速器的理论研究进行了有益的探索。 关键词：脉动式无级变速器a d a m s 运动学分析优化设计 a b s t r a c t a b s t r a c t w w bi m p u l s es t e p l e s ss p e e dv a r i a t o ri sau n i v e r s a lt r a n s m i s s i o nd e v i c ew h i c hm e e t s t h er e q u i r e m e n t so fm e c h a n i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o ni nm o r d e nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ， a n di m p r o v e m e n to fm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e i th a sf o u n dag o o dm a r k e tw i t hi t s r e l i a b i l i t y , h i g hl o a d b e a r i n g ，s t e a d yc a p a b i l i t y o fv a r i a b l et r a n s m i s s i o na n db r o a d a d j u s t a b l e s p e e dr a n g e ，a n ds oo n d u et oi t sp a r t i c u l a rs t r u c t u r e ，c o n s i d e r a b l eu n b a l a n c e d i n e r t i a lf o r c ea n dt o r q u e ，i nh i g h - s p e e dm o t i o n ，b r i n ga b o u tv a r i a b l ed y n a m i cl o a d so nt h e f r a m ea n d ，a sar e s u l t ，v i b r a t i o n s ；t h e r e f o r e ，i ti sv i t a lt o o p t i m i z et h es t r u c t u r eb y s y n t h e s i z e ，e m p l o y i n ga d a m s ，b a s e do ng e o m e t r ym o d e l i n ga n dk i n e m a t i ca n a l y s i s ，a n d t oi m p r o v ei d n e m a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eg r e a t l y t h ec e n t r a lw o r k si n t h i sp a p e r p r o c e e da sf o l l o w s f i r s t l y , t h eg e o m e t r ym o d e lo f w w bi m p u l s es t e p l e s ss p e e dv a r i a t o ri sp r e s e n t e d s e c o n d l y , g r a p h so fo u t p u tl i n ka r eo b t a i n e db ym e a n so f k i n e m a t i cs i m u l a t i o n ，o na s o u n db a s i so fw h i c hk i n e m a t i cs t u d yr e l a t e dt oi a w so fa v e r a g er a t i oo ft r a n s m i s s i o na n d v e l o c i t yf l u c t u a t i o n ，a sak i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i c ，i sc a r r i e do u t t h i r d l y , k i n e m a t i cs t u d yd e a l i n gw i t hc e n t e ro fm a s sa c c e l e r a t i o na n da n g u l a r a c c e l e r a t i o no ft h ec o u p l e r , ak e yp a r tw i t had r a m a t i ce f f e c to nk i n e m a t i cm a dd y n m n i e p e r f o r m a n c eo f m e c h a n i s m ，i sc o n d u c t e d f i n a l l y , o p t i m a lr e s u l t s ，o b t a i n e db yp a r a m e t r i cd e s i g no p t i m i z a t i o n i nw h i c h o b j e c t i v e ，i e c o m b i n a t i o no fc e n t e ro fm a s sa c c e l e r a t i o na n da n g u l a ra c c e l e r a t i o no ft h e c o u p l e r , i se s t a b l i s h e d ，a n db a s e do ni n i t i a l i z a t i o nd e r i v e df r o md e s i g ns t u d yi na d a m s ， s h o wt h a ti n e r t i a lf o r c ea n dt o r q u ea r ed r a m a t i c a l l ys u p p r e s s e d ，d u et oo p t i m a lo b j e c t i v eb y g r gm e t h o d ，a sar e s u l t ，g r e a tr e d u c t i o no f u n w a n t e dv i b r a t i o n sa n di m p a c t s t h i sp a p e rs u p p l i e sr e f e r e n c e st oi m p r o v e m e n to fw w b i m p u l s es t e p l e s ss p e e d v a r i a t o rp e r f o r m a n c e ，i na d d i t i o nt ou s e f u le x p l o r a t i o no fn e wt h e o r i e sa b o u tw w b i m p u l s es t e p l e s ss p e e dv a r i a t o r l id a n ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yh u a n gx i n g y u a n k e y w o r d s ：i m p u l s es t e p l e s ss p e e dv a r i a t o r a d a m sk i n e m a t i ca n a l y s i s o p t i m i z a t i o n i i 独倒性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人或集 体，均已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 学位论文作者签名：每 日期：6 年f 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 |本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：专- a - 日 期：6 年6 月? 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 当今机构及机械系统设计的发展趋势是：高效节能、满足可持续发展的环保要求， 柔性及可控与易调节，对各种内部和外部不确定因素的自适应性以及智能化的主动控 制。机械无级变速器的开发与研制正是顺应了这发展趋势。 无级变速传动是指在某种控制的作用下，使机器的输出轴转速可在两个极值范围 内连续变化的传动方式。无级变速器是一种独立的传动部件，它具有输入和输出两根 轴，通过能传递转矩的中问介质( 固体、流体、电磁流) 将输入、输出轴直接或间接 的联系起来，以传递动力。当对输入输出轴的联系关系进行控制时，即可使两轴间的 传动比在两个极值范围内连续而任意地变化。采用无级传动有利于简化变速传动结 构、提高生产率和产品质量、合理利用动力利节能、便于实现遥控及自动控制，同时 也减轻了操作人员的劳动强度【12 1 。 机械无级变速器是适合现代生产工艺流程机械化、自动化发展以及改善机械工作 性能的一种通用传动装置。其功能特征主要是i ：3 _ i ：在输入转速不变的情况下，能实现 输出轴的转速在一定范围内连续变化，以满足机器或生产系统在运转过程中不同工况 的要求。它的传递功率从数1 0 w 到3 0 0 k w ，变速比为1 2 4 0 ，传动效率可高达9 5 ， 滑动率为3 1 0 ，输入轴转速可达7 0 0 0 ，r a i n ，最高输出转速可达1 0 5 ，m i n ，使用 寿命可达1 0 h 以上。 机械无级变速器的研制在i 垂l # b 已有百余年的历史，初始阶段受到条件的限制，进 展缓陵。直到2 0 世纪5 0 年代以后，一方面随着科学技术的发展( 即在材质、工艺和 润滑方丽的限制因素相继解决) ，另一方面随着经济发展、需求迅速增加，相应地促 进了机械无级变速器的研制和生产，使各种类型的系列产品快速增长并获得了j 。泛的 应用。例如，有在驱动功率固定的情况下，囡工作阻力变化而需要调节转速以产生相 应的驱动力矩者( 如化工行业中的搅拌机械，即要求随着搅拌物料的粘度、阻力增大 而能相应地减慢搅拌速度) ；又根据工况要求需要凋节速度者( 如起重运输机械要求 随物料及运行区段的变化而能相应改变提升或运行速度，食品机械中的烤二r 机或制药 机械要随温度变化而调节转移速度) ；有为获得恒定的工作速度或张力而需要调节速 度者( 如端面切削机床加工时需要保持恒定的切削线速度，电工机械中的绕线机需保 兰坚型竖型苎垂丝壅望矍堡垫坌塑丝垡些 持恒定的卷绕速度，纺织机械中的浆纱机及轻工机械中的薄膜机皆需要调节转速以保 持恒定的张力等) ；有为适应整个系统中各种工况、工位、工序或单元的不同要求而 需要协调运转速度以及需要配合自动控制者( 如各种各样的半自动或自动的生产、操 作或装配流水线) ；有为探求获得最佳效果而需要变换速度者( 如试验机械或离心机 需调速以获得最佳分离效果) ：有为节约能源而需进行调速者( 如风机、水泵等) ；此 外，还有按各种规律的或不同规律的变化要求而进行速度调节以实现自动或程序控制 等。 由此可见，采用无级变速器后整个系统能够扩大变速范围与输出转矩，因而能更 好地适应各种机械的工况要求，使之效能最佳；此外，在提高产品的产量与质量，适 应产品变换的需求，节约能源，实现整个系统的机械化、自动化等各方面皆具有显著 的效果1 3 - 7 。 1 2 机械无级变速器的研究历史和现状 早在1 4 9 0 年，l e o n a r d od av n c i 目勾画了机械无级变速器( c v t ，c o n t i n u o u s v a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ) 的草图，并简要描述了它的潜在优势。然而，机械无级变速器 的真正发展是从2 0 世纪3 0 年代才开始的，主要是在汽车工业的驱动下，并成为无级变 速器的主流。但由于当时受材质与工艺方面的条件限制，进展缓慢。直n i l 2 0 世纪5 0 年 代，尤其是7 0 年代以后，一方面随着先进的冶炼和热处理技术，精密加工和数控机床 以及牵引传动理论与油品的出现和发展，解决了研制和生产无级变速器的限制因紊； 另一方面，随着生产工艺流程实现机械化、自动化以及机械要改进工作性能，都需大 量采用无级变速器。因此在这种形势下，机械无级变速器获得迅速和广泛的发展。主 要研制和生产国家由日本、德国、意大利、美国和俄国瞵“】。 我国的无级变速器是在2 0 世纪6 0 年代前后起步的。起初是对滑片链p i v 无级变速 器和多盘式无级变速器 1 0 l 进行仿制，随后对k o p p b 、k o p p k 、f u 无级变速器和u 型 卷绕无级变速器等进行了研制，主要在纺织、化工、机床等行业作为专业机械配套零 部件使用；但品利规格不多，产量不大，年产量仅数千台。直n 8 0 年代中期以后，随 着国外先进设备的大量引进，3 2 _ , 1 k 生产现代化及自动流水线的迅速发展，以及剥各种 类型机械无级变速器的需求大幅度增加，专业厂才开始建立并进行规模化生产：一些 院校也展开了该领域的研究工作。1 9 8 2 年出版的机械工程手册设专章介绍了机械 无级变速器，1 9 8 3 年出版了我国第一本专著机械无级变速器。此外，无级变速器 2 第一章绪呛 专业生产厂也达到了近5 0 个：生产了约1 5 q q j l 械无级变速器。】9 9 0 年在中国机械工程 学会机械传动分会下成立了机械无级变速器专业委员会；随后又成立了中国减变速机 械行业 办会、中国重型机械工业学会无级变速器专业委员会。举行过六次学术年会， 在年会和各种学术杂志上发表了百余篇论文；制定了机械无级变速器方面的l o 个中华 人们共和国机械行业标准，实现了产品的系列化和标准化。以上事实表明，近2 0 年来 我国机械无级变速传动的理论研究和生产均取得了长足的发展，已经形成了一个新兴 的机械行业分支。 机械无级变速器分类主要是从机构的角度出发的，目前能够实现无级变速的机构 比较多，概括来讲可以分为几大类川：刚性定轴式、行星式、变节距式、牵引式和脉 动式：每个分类下面都有较多的实现方案。 1 2 1 刚性定轴式 刚性定轴无级变速传动属于摩擦传动，由刚性传动元件组成。它具有结构简单、 形式多样的特点。它分为有中间滚轮和没有中间滚轮两大类。前者包括滚轮平盘式、 锥盘环盘式、多盘式：后者包括滚锥平盘式、钢球平盘式、杯轮环盘式、弧锥环盘式。 二十世纪3 0 年代初，g m l l l - 1 3 】曾开发了杯轮环盘式结构的变速器，其原理是通过 改变巾间滚轮的角度改变输入输出的传动比，但是最终由于成本原因未能使用。目前 该结构有了进一步的发展，将刚性元件用新的材料和结构替换，已在部分汽车上开始 使用，典型代表是日本的“n i s s a n e x t r o i d c v t ”。如图卜l 所示。 曩e ) c t r o i dc v i 的漤逢比 黛 t = 鬻 擎丝爹轴 煺驻瞪特 图卜1n i s s a ne x t r o i dc v t w w b 型脉动式无级变速器运动分析及优化 1 2 2 行星式【1 4 、1 5 j 行星无级变速器是具有作行星运动的中间滚动体、依靠滚动副问的牵引( 摩擦) 力来传递动力，通过改变太阳轮或行星轮的工作半径来实现变速的无级变速器。其工 作原理与一般锥齿轮行星轮系很相似，但没有轮齿，因而可以使其工作半径在运行过 程中进行调整。行星无级变速器具体结构形式很多，有行星锥盘式、转臂输出式、行 星锥鼓式、钢球行星式和谐波行星式。钢球行星式无级变速装置已在步态机器人上得 到了应用。 l _ 2 3 变节距式 1 6 - 2 8 】 变节距式无级变速器是近年来发展最快的一种无级变速装置，并在汽车上得到了 较为广泛的应用。变节距式无级变速传动是通过改变传动副元件之间的工作半径，从 而达到无级变速的目的。其中的传动“带”可以采用不同的传动介质，主要有皮带、 木板带、金属v 型带、金属链几种。 最早出现的羌级变速器是d a i m l e r 和b e n z 【”在l8 8 6 年设计的皮带式无级变速器，采 用v 型带和锥面皮带轮，该类型的无级变速器原理直到今天都没有很大的改变。 皮带无级变速器的输出功率一般为2 5 5 0 h p ，输入转速范围为4 0 0 0 1 2 0 0 0 r m i n 。 传统的皮带无级变速器的主要优点是价格低廉，因此被广泛应用于农业机械上面。但 是该变速器中皮带磨损和发热非常严重，大大降低了使用寿命，需要频繁地更换皮带 才能达到持续工作的目的；另外，皮带在工作过程中的打滑也降低了传动的精确度， 因此只能应用于对速度控制要求不高的场合。一种最新的专门为农业机械设计的皮带 无级变速器大大改善了使用性能，其皮带设计为带有金属保持架的专用皮带，其结构 包括金属块、橡胶带和纤维三部分，已经在农业机械中得到较为广泛的应用，并且正 尝试在小型的汽车上使用。 木板带无级变速器的传动功率为0 2 5 2 0 h p ，它特别适用于传动扭矩比较大，工 作转速低于1 2 0 0 ，m i n 的场合。从结构上讲，可把它看作是在皮带无级变速器的皮带 上连接一系列的木条，因而增加了皮带的传动能力，同时又保留了过载保护的功能。 金属v 型带无级变速器是目前在汽车上应用最多的一种无级变速器，于1 9 7 1 年由 v a nd o o m e - st r a n s m i s s i e 8 1f v d t ) 发明。与皮带c v t j g h 比，它有更大的传动能力，效 率较皮带c v t 略高。 a u d i 公司研制的一矛| - 新型的无级变速器，采用了一种新的传动带l i n k p l a t e 第一章绪论 c h a i n ，该新型无级变速器被称为m u l t i t r o n i c ，即金属链无级变速器。如图1 2 所。其 中的l i n k p l a t ec h a i n 的材料为钢材，但是具备与v 型带相近的柔阳性。a u d i 公司在 其a 4 ，a 6 车型上安装了该变速系统。试验表明，新型传动系统不仅大大降低了油耗， 而且比5 - s p e e d 的手动换档有更好的加速性能，同时其制造成本只比相应的自动换档 略高。 幽1 - 2 l i n k - p l a t ec h a i n 实物 1 2 4 牵引式 牵引传动是传动领域比较新的传动机构，是从以前的摩擦传动中衍生出来的一种 新的传动形式。牵引传动和摩擦传动的根本区别在于：牵引传动是在油润滑的接触条 - t 二下，借助汕在接触区间的牵引性能传递运动和动力，因而极大地改善了接触面问的 摩擦条件，提高了承载能力，大大延长了工作寿命。而古典的摩擦式传动是依靠材料 的干摩擦来传递动力，因而磨损严重。牵引式无级变速器则是利用牵引传动，并通过 改变输出，输入的摩擦半径来实现无级润速的。今天的牵引无级变速器已经能够达到 长寿命、大功率的要求，效率可达8 5 - 9 5 ；但它的制造精度要求很高，成本昂贵， 同时不能承受冲击载荷，对工作环境的要求极高，一般只在特殊场合使用。 1 2 5 脉动式 脉动式无级变速器是由连杆( 或凸轮) 、单向超越离合器等机构联合构成的一科t 组 合机构。目前，在该领域发展水平较高研究较为成熟的是德国、美国和日本。德国于 5 0 年代推出t g u s a - i 型( 三相偏置摇块) 变速器，经改进在8 0 年代又推出t g u s a i i 型( 三相对心摇块) 。这一类变速器的主传动机构采用的是i 级六杆机构，其性能在 目前的脉动式无级变速器中最为优良，传递功率也最大，功率范围己扩展n o 1 2 w w b 型脉动式无级变速器运动分析及优化 2 0 k w ；具备调速性能稳定、变速范围宽、可实现零输出以及调速方式与输出形式多 样化等优点；今后的研究方向致力于依靠自动控制实现调速，以及提高输出的稳定性。 该产品已经标准化系列化，成为同类型产品中的代表。美国于1 9 6 2 年推出的 z e r o m a x 型是典型的六连杆机构，主传动机构是由两个平面四杆n 级机构串联而 成的。它以其调速向应快、结构紧凑轻巧，可方便地进行微量调节，容易实现自锁功 能等优势在脉动式无级变速器领域占据了一席之地。日本在此基础上将前端配置了电 动机；为了获得更大的输出转矩，有的系列在变速器后端配置了传动链和蜗杆减速器。 德国研制的p h i l a m a t 脉动无级变速器和美国研制的m o r s e 变速器属于组合型变速器。 前者采用了定轴齿轮机构与连杆机构组合，后者采用凸轮连杆机构与齿轮机构组合。 我国限于设计理论和方法不够完善和成熟，在该领域还处于仿制阶段。近几年重 庆大学对g u s a i 型脉动式无级变速器进行了大量的研究，提出了脉冲发生器机构的 运动学参数的近似设计方法，并以此为基础得出了考虑机构结构特征的运动学、动力 学优化设计方法【2 9 j 和尺度综合设计方法【3 0 】。为了得到多套并联连杆机构的真实运动 规律，研究人员又综合考虑了系统的摩擦、超越离合器的弹性楔紧和滚动摩擦、构件 弹性振动所带来的影响，对变速器进行了弹性动力学( k e d ) 分析；试验表明，得到 的结果更能反映机构的真实运动规律3 ”。此外，重庆大学开发了双输出脉冲发生器的 新型变速器。与传统的脉动无级变速器相比，该变速器的连杆机构需要两个从动摇杆， 一个在正行程区域工作，另一个在反行程区域工作，然后与齿轮机构组合将两个摇杆 的运动传递到输出轴上 3 2 3 4 。由于单套双输出脉冲发生器具备了两套单输出脉冲发生 器的功效，因此变速器的结构得到了很大程度的简化，避免了单脉冲发生器为降低脉 动值、追求大的急回特性、采用多套机构错位排列而导致复杂的系统结构；同时也提 高了传动效率和工作能力；另外，微弱的急回特性也保证了脉动输出的一致性，提高 了传动的平稳性。该样机已试制成功，经检验效果明显优于过去的产品。 超越离合器是脉动无级变速器的关键部件，其工作能力决定了整机效率的高低、 输出扭矩的大小和使用寿命的长短。目前大多采用高副式( 如滚柱式) 超越离合器，但 其承载能力低、工作稳定性较差。针对这一关键部件难以实现较大输出扭矩和较长使 用寿命这一缺陷，清华大学开发了挠性环式超越离合器( 如图1 3 ) ，从物理本质上 找到了提高超越离合器寿命和承载能力的途径。其工作原理是受带传动的启发，简化 模型可以描述为【3 5 1 ：以挠性钢带包绕在刚性圆柱面上，如果加在钢带两端的拉力满足 第一章绪论 e u l e r 条件，则钢带不会打滑，而此钢带两端的拉力差可以用来传递动力。挠性环和 芯座是面接触，故能传递很大的扭矩，比滚柱式超越离合器高1 0 倍以一l i 】。但鉴于挠 性环本身的缺陷( 环较薄时承载能力较小，环较厚时灵敏度较低) ，又对该产品加以 改进和演化，提出了一种“分节链环”的构思( t g 就是用厚环代替薄环，用分节来解 决厚环的“僵硬性”) ，开发了链环式超越离台器( 如图l - 4 ) 。这种超越离合器原 内芯挠性环控制键外环 图卜3 挠性环式超越离合器 叠 弋广 笏惫 埝渤 、 调节销子 图l - 4 链环式超越离合器 理新颖，与传统超越离合器相比其优点主要表现在：承载能力大，灵敏度高，自锁可 靠，传动效率高，允- v f ) y 向高速。k i w i 问超越运行等特点口7 1 ；即链环式超越离合器比挠 性环式超越离合器在性能等各方面又提高2 倍 3 8 1 。在链环式单向超越离合器自锁原理 的基础上，清华大学又利用这种单向离合器进行机构组合，设计成链环式双向超越离 合器。与滚柱式双向超越离合器相比，链环式双向超越离合器寿命长，自锁范围宽， 工作可靠，对摩擦系数的变化适应性较强 3 n 。 从结构上讲，以上几种离合器其共同点是将内外圆柱表面作为超越离合器的超越 表面和离合表面，并且依靠挠性环或链环的收缩 而使内外圆柱表面相接触，故可统称为缩环式超 越离合器。结合缩环式制动器和扩环式制动器的使 用经验，国内有专家提出了一种扩环式超越离合 器( 如图1 5 ) 。它也是将内外圆柱表面作为超越离合 器的超越表面和离合表面，但它是靠两个半圆环 的扩张而便内外圆柱表面相接触【4 0 。相划缩环式来 既，这种扩环式没有环与环之问的搭接和联结，外 54 -321 图1 - 5 扩环式单向超越离合 w w b 型脉动式无级变速器运动分析及优化 形紧凑、结构简单，并具备缩环式同样高的传动能力和同样长的使用寿命。 近年来还开发了一种新型低剐差动双制动块式超越离合器。它是以条带式超越离 合器为初始模型( 如图1 6 ) ，采用双制动块铰接代替条带，图1 - 7 为其机构简图。该 离合器不仅能够满足大功率、长寿命的要求，同时具有自调自适应性、响应快速及速 度波动小的优点l 4 1 4 2 1 。 严。： k 戈2 图1 6 条带式超越离合器 2 图卜7 差动双制动块式 超越离合器 就目前而言，除了改进超越离合器的结构以提高各方面性能以外，有些科研人员 还在传统的设计方法上有所突破，利用了模糊学和模糊优化原理对超越离合器进行了 模糊优化设计【4 引。与常规设计方法相比，模糊优化发计得出的结果更为合理。 资料表明，由于超越离合器结构特殊，其失效形式多为外环开裂。但复杂的外环 结构给离合器的故障诊断带来了一定的困难，因为离合器出现故障( 外环，干裂) 时的 振动信号是不平稳信号，用常规傅立叶分析方法很难分析判断。湘潭： 学院提出了采 用小波包分解及其能量谱来处理超越离合器故障m 。实验表明，采用小波包变换与小 波包能量谱分析可以获得很好的分析效果。 今后研究的目标是借助于先进的机械现代设计理论与方法开发出具有更好运动 学与动力学性能、较大功率、较高效率、超越离合器承载能力高的新机型【4 5 i 。正是基 于这一发展要求，开发并研制了w w b 型脉动式无级变速器。鉴于六杆机构可满足运 动、动力和调速等多方面要求，为此，该变速器采用六杆机构作为主传动部分，输出 部分采用差动轮系和蜗轮蜗杆机构组合而成的通锁器，起到超越离合器的作用。由于 该变速器的传动机构采用了几何封闭的低副机构，因而与其它类型的无级变速器相 比，该变速器具有工作可靠、承载能力高，变速性能稳定的特点；另外，这一部分的 设计灵活性较大，可实现大范围变速的要求，且最低输出转速可以为零；可以采用的 笫一章绪沦 稠速方式较多，在静止或运行中均可调速。 脉动式无级变速器由于其结构特点，输出转速有一定波动，因此减小其输出转速 的波动一直是脉动式无级变速器研究的主要难题之一；由于脉动式无级变速器采用了 平面连杆机构，减小机构惯性力、降低机器的振动和噪音是研究的另一个主要难题。 为此，本课题以w w b 脉动式无级变速器为研究对象，以减小其输出速度波动和机构 惯性力为目标进行分析和研究。 1 3 课题来源 本课题来源于导师的横向课题“w w b 型脉动式无级变速器运动分析和优化”。 1 4 研究内容 ( 1 ) 根据现有的样机，采用a d a m s 进行几何建模，通过分析得出输出轴的瞬时 角速度并绘制角速度曲线图，进而研究变速器在调速状态下的运动规律和运动学性 能。 ( 2 ) 绘制连杆速度和加速度曲线图，并以此为基础研究连杆的运动规律；通过 对这一运动规律的分析，研究影响机构运动和动力学性能的原因，为后续优化工作提 供优化目标和方向。 ( 3 ) 以曲柄摇杆机构中各杆件的长度为变量，利用参数化分析的方法，以连杆 质心加速度和连杆角加速度的最大值达到最小为优化目标，研究各变量变化对优化目 标的影响及对机构进行尺度综合优化设计，从而为w w b 型脉动式无级变速器的改进 没计提供理论依据，以提高其运动学和动力学性能。 w w b 型脉动式无级变速器运动分析及优化 第二章脉动式无级变速器基本原理 2 1 脉动式无级变速器基本原理 脉动式无级变速器是由传动机构( 连杆或凸轮机构) 、输出机构和调速机构三部 分组成的变速装置【3 1 。图2 - 1 为脉动式无级变速器的基本结构，两图分别为连杆式和 凸轮式。变速器输入轴的匀速旋转运动由曲柄传递给连杆，连杆( 或凸轮) 机构将之 图2 1 a 连杆式图2 1 b 凸轮式 转换成摇杆的往复运动，然后经过单向超越离合器将摇杆的摆动转换为输出轴的单向 脉动性旋转运动。如图2 2 a 所示，单相机构只输出实线部分，虚线部分则被滤掉， 导致了输出轴间歇转动，且转速是在零至最大转速之间变化，运动极不平稳。因此， 为了保证输出轴获得连续的转动并提高运动的平稳性，变速器必须发计为多组相互有 一定相位差的传动机构和超越离合器的共同组合。图2 2 b 所示为三相结构的输出运 动，实线部分为输出速度，显然最小角速度由单相结构时的零变为现在交点s 处的最 小角速度，输出角速度的变化幅度大为减小，可见输出速度的脉动幅度明显减小了。 “ n 、 图2 - 2 a 单相结构 0 图2 2 b 三相结构 第二章脉动式无级变速器基本原理 2 1 1 传动机构 传动机构是脉动式无级变速器的主体，通过它可以实现变速器输入输出速度的转 换。图2 ，1 a 中采用曲柄连杆机构作为无级变速器的传动机构。在i i t l 柄a b 作匀速旋转 运动的过程中，摇杆c d 作往复摆动。r l j ：f l ：t i 在转动- - n 的过程中有两次与连杆b c 共线， 此时摇杆c d 分别处于其相应的极限位嚣c d l 和c d 2 。在两极限位置处曲柄所夹的锐角 0 称为极位夹角，摇杆所夹的角称为摆角t s 。如图2 3 所示。 图2 3 脉动式无级变速器机构简图 由于脉动式无级变速器的输出转速是脉动的，放定义其平均传动t l ；：s , j t 3 j ： i 。= 印2 。脚= ”2 。i n l 。= y ( 2 n ) ( 2 一1 ) 式中国。、f i m 分别为输入轴的平均角速度、平均转速。 。，m 、v 2 m 分别为输出轴的平均角速度、平均转速。 由于摇杆的单向平均摆动速度低于曲柄的转速，因此由上式可知，脉动式无级变 速器是一种降速型的变速装置。 根据结构不同主传动机构可分为以一f j l , l , 类型：连杆式、i r i l 轮式、组合式、空 间机构式【l i 。 由于连杆机构具有特殊的结构学特性，因此它成为主传动机构的主要形式，并得 以广泛应用。函数发生机构的选择，一方面要求良好的传动可靠性，能满足输出运动 的特殊要求及良好的动力学性能和较高的机械效率：另一方面还要求调速范围广、调 速方便o 。鉴于此，主传动机构必须引入高承载能力和易于制造f j ：j f 氐n 机构。四杆机 构和六杆机构是较多采用的形式。四杆机构只能满足有曲柄存在，以及输出运动为往 复摆动这一基本的要求；但是如果希望获得较大的变速范围，且在调速过程中也有曲 柄存在，在调速范围内保持比较稳定的急回特性和较好动力特性时，四杆机构便无法 w w l 3 型脉动式无级变速器运动分析及优化 满足要求，此时就需采用六杆机构。能够实现可调摆角的六杆机构有w a t t 型和 s t e p h e n s o n 型等。 凸轮式就是将四$ - r 4 0 l 构中的低副代换成凸轮。实际上在脉动式无级变速器中多采 用偏心轮机构。 组合式多采用连杆机构和其它机构的组合。例如，连杆齿轮式就是将连杆机构作 为基础机构，齿轮与从动轴同轴布置；在整个传动链中，齿轮机构可以布置在连杆机 构之前或之后。齿轮机构可以是定轴齿轮机构( 如德国的p h i l a m a t 型) ，也可以是行 星齿轮机构( 如j b l w 型) 。特别值得一提的是，后者通过差动轮系的运动合成，不但 可以扩大调速范围，而且通过封闭系统中的功率分流，还可扩大变速传动的功率和转 矩范围口1 ：此外，还有凸轮连杆式和凸轮连杆齿轮式等，均有各自的特点和优势。 空问机构式由于设计制造较为复杂，传力性能不大好，在实际中很少采用。 2 1 2 输出机构 输出机构的作用是将摇杆的往复摆动转换为单向旋转运动输出。超越离合器以其 特殊的结构可以实现单向传动功能，因此作为变速器的输出机构使用。超越离合器能 将多个不同速度动力源的运动交替地传递给同一个执行件，并防止发生运动的干涉 f 4 0 】，因此图2 2 b 中实线部分的运动是通过超越离合船过滤后作为输出角速度传递到 输出轴上的；也就是说，各传动机构的输出构件( 摇杆) 是相继进入其最大角速度的 工作区域，即各超越离合器是交替起作用的。可见，在多相结构中超越离合器不仅起 到了输出作用，还起到了运动合成的作用，故又被称为输出合成机构。 超越离合器的运动具有方向性，它在变速器中不同的安装方法，会导致变速器的 运动特性的极大差异。因此在选择输入轴的旋转方向时要考虑这一特点，选择输出速 度脉动均匀性好的方向【l 】。 2 1 3 调速机构 在变速器中，调速机构是实现无级变速的装置。它通过改变传动机构中各构件的 尺寸关系使传动机构的速比在一定范围内得以光滑连续的改变。调速方式有2 种：调 节连架杆的长度和涧节机架的长度。对于调节连架杆的长度这种方式来说，由于连架 杆( 一般采用曲柄作为调节剥象) 在变速器运行过程中是不断转动的，因此要实现不 停机调速在结构上是比较复杂的。目前应用比较广泛、比较成熟的一种调速方式是三 心调偏结构。对于调节机架的长度这种方式来说，由于是在固定的机架上进行调节， 第二章脉动式无级变速器基本原理 因此结构上是比较容易实现的。 2 2 速度波动系数6 速度波动系数艿是无级变速器中最关键的性能参数之一，将直接影响到机械效率 t i n 输出的平稳性。占用输出角速度的变化幅度与平均输出角速度之比来表示【3 1 ，即 裔= a 0 2 珊2 。= ( 2 。缸一珊2 删) 出2 。 ( 2 2 ) 式中国：。、c o ：。、：m m 分别为输出轴的平均角速度、最大和最小角速度。 由上式可知，j 与输出轴的角速度密切相关，因此极位夹角0 ( 或行程速比系数 k ) 成为影响j 的主要因素。行程速比系数越大，角速度曲线越平缓，脉动值就越小， 输出特性就越优；但行程速比系数过大将使回程的加速度增大，并且过大的加速度变 化率会引起振动、降低变速器的效率；特别是在正反换向时，造成极大的噪声和冲击， 甚至出现输出端负扭矩、作负功的现象，使整台机器的性能变差。另外，为了提高平 面连杆机构的传力。l a z ，一般限定了最小传动角的值，即。4 0 。f 。研究表明， 随着极位夹角曰增大，机构最小传动角。的极大值将减小；若要满足机构许用传动 角的要求，则极位夹角不宜过大，一般有0 、 o ；电就是说，需要添加驱动约束使自由度为零。故上式可变形为： g ，= 6 n 一p 。- z r 。一f = 6 x 6 3 5 0 = 1 i = 1 因此，根据结构需要只需添加一个铰驱动即 可，铰驱动的添加位置选在曲柄与机架铰接的旋 转哥, j j j o _ 【m l l 上。图3 7 为定义铰驱动的对话框。 3 3 模型检查 模型建立完毕后，用户可通过信息列表浏览 和检查模型的拓扑关系。图3 8 a 是模型中各部件 的拓扑关系列表；图3 8 b 是各约束的拓扑关系列 表。 为了保证仿真分析的顺利进行，在进行仿真 分析之前，需要对样机模型进行最后的检查验证， 匿嘎咂艇西量u 谢绷豳 h 锄e i o t i o h - i t o i n t 眦矾- l j o i n tt y p e r e v o l u t e d i re c “o n r 。t a f i o r d，f d e f u s i n g f t in 一 ? w u e t io n ( t i m e ) 1 5 0 0 幅4 t i m e d i s p l a c e m e n t - i n is d l a c e m 9 n t i c 一“二一掰j 糍一矗1 v e l o c i t vi c 麓j 繇彰j 崮一到到 图3 7 定义驱动对话 排除建模过程中的隐含错误。验证这过程伴随了建模与仿真的全生命周期，其任务 是根据特定的建模目的，考察模型在其任务空间内是否准确地代表了实际系统，主要 包括两方面的含义：一是核实概念模型是否正确地描述了原型系统；二是进一步检验 模型输入输出行为是否充分接近原型系统的出入输出行为。当然，模型验证的目的 并不是为了模型系统与原型系统的行为完全一致，而是为了达到特定的方针i | 的，使 模型系统能够一定程度上复现原型系统的行为【6 1 1 。 在建模阶段，a d a m s v i e w 提供的主要检验的内容有： ( 1 ) 不恰当的连接和约束、没有约束的构件、无质量构件、样机的自由度。 ( 2 ) 所有被破坏或被错误定义的约束。 a d a m s v i e w 提供了强大的样机模型自检工具。完成自检后，程序显示白检信息 对话框，图3 9 为变速器模型的自检信息表。从自检信息表显示的内容可知，样机模 型完全正确。 w w i t 型脉动式无绂变速器运动分析及优化 j a p p ，| r tic h i l d r e n m 。a t 睁1 广v e “c ，e 一| n e a af r 。m ，i e t o p o i o 口0 fm o d e l d e l 一1 c dp 车r t ：g d p a r cg d z ；c o d d e c t e dc o 二 c r 日n kv i aj o i n t1c r 1 u c ej o i n t ) r o c k e rviaj o i n t4c r e v o l u t ej o i n t ) o u t p 仳r o dvia j o i n t 一5 c n e v o l u t ej o i n t ) p a r tc r 8 n k i s 曲盥m e d g r o d v i a 3 0 i n t _ i r l u t ej o i n c ) l i n kv i a j o i n t _ z 1 n ej o i n c ， p a r t l i n k i s t t e d t o ： c r b “z v i aj 0 1 w tzt r 日v o l u t ej o i n t i r o c k e r ，i 日j o i n t _ 一3 f ：r e v o l u t ej o i n t ) p b r t k e o i gc o 姐e c t e dt o ： 1 i n hv i a j o i n t _ 3c n # 1 u t ej o i n t ) g d v i a j o i n t 一4 n 1 u c ej 0 1 。止) g l i d m r j o i h t _ 7 c t r 一1 吐i 一1 j o i n t ， p a r to u t p u t _ r o d i ec o 母。c t e d t o ： g r o u n d - v i a j o i h t 一5 c e v o l u t ej o i n c i s l i d e rvi8j 0 瑚t ja 1 讹ej o l n b ) ， p b r t5 l i d e r ， 1 5 e c t e dt o ： o 仳p 诎一r o d 哪j o i h t6c r l u t ej o i n c ) k b rj o i n t7t r 8 n s l a o i o n a lj o 蛐i 图3 - 8 a 部件的拓扑关系 p 玎一一 a p p l y p 吖e n tc h i l d r e nm 0 4 i f vfv e r b o s ec l e m -r e a d h 帅f i l e t o p o i 6 9 yo fm o d e l ：m o d e i l