（机械设计及理论专业论文）非摩擦式无级变速器的基本性能分析与参数综合.pdf

重庆大学硕士学位论文 摘要 机械式脉动无级变速器是目前应用较广泛的一种无级变速器，现有的各种形 式的脉动无级变速器有一系列的优点，但也存在一些不足，影响了该无级变速器 在一些要求输出脉动值小、传动连续平稳的工作场合的应用。 本论文在综述脉动式无级变速器存在的主要问题的基础上，提出了一种新型 的非摩擦式连续作用无级变速器。根据重庆市科委技术攻关项目新型非摩擦式 连续作用机械无级变速器的研制与开发的要求，对该无级变速器的工作原理、 调速原理及工作性能进行分析，并着重对无级变速器的核心部件转换器进行分析， 对其结构原理创新进行深入的探讨，揭示了其结构及运动学的实质；建立了转换 器的运动学模型和综合模型；对以转换器这类以连杆作为输出构件的曲柄摇杆机 构的运动规律及其影响因素，首次进行了较深入、系统的分析研究，得出了系 列以连杆作为输出构件的曲柄摇杆机构的运动规律。在此基础上利用相对极点法 和等视角法按传动比及输出运动的要求对转换器进行了综合，得出了输入功率 1 5 k w ，输入转速1 5 0 0 r p m ，额定输出转速为1 5 0 r p m ，最大输出转速3 0 0 r p m 的 新型的非摩擦式无级变速器的基本尺寸参数并应用a d a m s 软件对其进行了优化； 最后对该非摩擦式无级变速器进行了过约束分析，提出了新型的非摩擦式无级变 速器无过约束分析的机构运动副的配置方案。 本文的研究内容是重庆市科委技术攻关项目新型非摩擦式连续作用机械无 级变速器的研制与开发的一个重要部分，它为新型非摩擦式连续作用机械无级 变速器产品的研制与开发打下了良好的基础。 关键词：无级变速器非摩擦式曲柄摇杆机构 重庆大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m e c h a n i c a li m p u l s es t e p l e s ss p e e dr e g u l a t o r sa r ea p p l i e de x t e n s i v e l y b e c a u s et h es t r u c t u r e so ft h o s er e g u l a t o r se x i s t i n ga tp r e s e n th a v eal o to fa d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s ，i ta f f e c t st h e i ra p p l i c a t i o ni nt h ec a s e st h a ts m a l li m p u l s eo u t p u ta n d s t a b i l i t ya r er e q u i r e d t h i sp a p e rp r e s e n t sa no r i g i n a ln o n f r i c t i o n a la n ds e q u e n t i a lo p e r a t i o n ss t e p l e s s s p e e dr e g u l a t o ro nt h eb a s i so fo v e r v i e wo ft h em a i nw e a k n e s so fi m p u l s es t e p l e s s s p e e dr e g u l a t o r s b a s i n go nt h er e q u i r e m e n to ft h ep r o j e c ts u p p o r t e db yc h o n g q i n g s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i t t e e ，t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to n o r i g i n a l n o n f r i c t i o n a la n ds e q u e n t i a lo p e r a t i o n ss t e p l e s ss p e e dr e g u l a t o r t h ea u t h o rh a s m a d e s o m ea n a l y s i st ot h ep h y s i c a lp r i n c i p l ea n ds p e e da d j u s t m e n tp r i n c i p l e i na d d i t i o n ， a st h em a i np a r to f s t e p l e s ss p e e dr e g u l a t o r s ，t h et r a n s f o r m e rw a sm o r ec o n c e r n e d i nt h e s t u d y a f t e rp r o b i n gt h e c r e a t i o no fi t ss t r u c t u r ep r i n c i p l e ，t h i sp a p e rr e v e a l si t s s t r u c t u r ea n dd y n a m i c sr u l e ，a n dc r e a t e sad y n a m i c sm o d e la n ds y n t h e s i sm o d e lo f t r a n s f o r m e r f u r t h e r m o r e ，i tw a st h ef i r s tt i m et om a k eas y s t e m i ca n a l y s i sa n ds t u d yt o t h em o t i o nr u l ea n da f f e c t e df a c t o r so ft h i sk i n do ft r a n s f o r m e r w i t ht h ea p p l i c a t i o n so f r e l a t i v ep o l a rm e t h o da n de q u a lv i e wa n g l em e t h o d ，t h et r a n s f o r m e rt h a ts a t i s f i e st h e r e q u i r e m e n to ft r a n s m i s s i o nr a t ea n do u t p u tm o t i o ni ss y n t h e s i z e d t h u s ，a no r i g i n a l n o n - f r i c t i o n a ls t e p l e s ss p e c dr e g u l a t o rw i t ha1 5 k wi n p u tp o w e r ，a1 5 0 0r p mr o t a t i o n s p e e d ，ac o n s t a n t l 5 0r p mo n t t u tr o t a t i o ns p e e da n dam a x i m u m3 0 0r p mo u t p u t r o t a t i o ns p e e dw a sa c h i e v e d i t ss i z eh a sb e e no p t i m i z e dw i t ht h es o f t w a r ea d a m s f i n a l l y ，t h eo v e r - c o n s t r a i n ts t u d yt ot h i so r i g i n a ln o n f r i c t i o n a ls t e p l e s ss p e e dr e g u l a t o r w a sc a r r i e do u ta n da c o n f i g u r a t i o np r o j e c to fi t sz e r oo v e r - c o n s t r a i n tm o t i o np a i rw a s o b t a i n e d t h et h e m ei nt h ep a p e ri st ok e yp a r t so fp r o j e c to ft h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to n o r i g i n a ln o n - f r i c t i o n a la n ds e q u e n t i a lo p e r a t i o n ss t e p l e s ss p e e dr e g u l a t o lw h i c hi s s u p p o r t e db yc h o n g q i n gm u n i c i p a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i t t e es c h e d u l e p r o j e c t s ，i tw i l lm a k eg o o df o u n d a t i o ni nr e l a t i v et e c h n o l o g yr e s e a r c hd o m a i n s k e y w o r d s ：s t e p l e s ss p e e dr e g u l a t o r n o n f r i c t i o n a lc r a n k - a n dr o c k e rm e c h a n i s m 重压盔堂堡主兰壁垒壅 堑笙 1 绪论 1 1 机械无级变速器的发展与现状 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装置，它具有输入和 输出两根轴，通过能传递转矩的中间介质( 固体、流体、电磁流) 将输入、输出轴直 接或间接地联系起来，以传递功率。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。按照传动介质的不 同，无级变速器主要分为三类：一种是以电控调速装置调速的电气无级变速器： 一种是以流体调速装置调速的液体( 力) 无级变速器；另一种是以机械调速装置 调速的机械式无级变速器。用固体、流体作为中间介质的变速器分别称为机械无 级变速器和液压( 力) 无级变速器；电力无级变速传动实际上是通过不同的电气控制 系统对交流电动机和直流电动机的控制( 改变磁通、电压、电流或频率) ，分别称为 直流调速和交流调速。液体无级变速器的调速范围大，可吸收冲击和防止过载， 传动效率高寿命长，易于实现自动化，但是其制造精度要求高，价格较贵，滑动 率较大，运转时容易产生流体泄露；电气无级变速器不存在输入轴( 与一次动力机 的调速相仿) ，其主要特点是调速范围大，精度也较高，体积小，可实现自动控制， 但是它们的恒功率特性差；机械无级变速器主要特点是转速稳定，滑动率小，工 作可靠，具有恒功率机械特性，传动效率较高，而且机构简单，维修方便，价格 相对便宜，但零部件加工及润滑要求较高，承载能力较低，抗过载及冲击性能较 差，故一般适合与中、小功率传动u - 。 无级变速传动和定传动比、有级变速传动相比，能够根据工作需要在一定范 围内连续变换速度，以适应输出转速和外界负荷变化的要求，而且恒功率特性好， 因而在现代机械传动领域内占有重要地位。 机械无级变速器研制已有近百年的历史，然而直至上世纪6 0 年代以后，机械 无级变速器的研制和生产才获得迅速的发展，至今已出现有链式、带式、摩擦式 及脉动式四大类各种各样不同的结构型式。目前在国外世界上一些国家已对多种 性能良好的机械无级变速器进行了系列化生产，如德国以g u s a 型为代表的脉动 式无级变速器其功率范围已扩展到o 1 2 2 0 k w ，并具有多种输出形式与调速方式， 同时致力于向自动调速及稳定输出的方向发展。由于该类型脉动式无级变速器的 结构多为多相机构错位排列的缘故，使速度波动减小，输出运动更为均匀。但同 时也存在惯性力较大，难以平衡等问题。美国以z e r o - m a x 型脉动无级变速器为主， 重庆大学硕士学位论文 为便于微量调节与自锁功能的实现，应用蜗轮蜗杆调节调速摇杆的位置，以达到 无级变速的目的。但由于受到结构上的局限，所以传递功率较小。在国内，从六 十年代即开始仿制国外的一些产品，产品主要有齿链式，多盘式及脉动式等数种。 但是各类产品一般部根据国外引进的样机进行测绘仿制或稍加修改，规格品种较 少，尤其是功率较小( 例如脉动式系列产品的功率通常皆小于或等于7 5 k w ，只有 齿链式无级变速器和多盘式无级变速器的功率能达到2 2 3 0 k w ) ，而且机械无级 变速器的性能质量指标至今缺乏统一的评定、检测标准，也缺乏相应的检测手段， 而且至今没有一套完善、合理的设计计算理论与方法，因此制约了我国机械无级 变速器这个新兴行业的发剧1 】【3 1 1 1 ”。 1 2 脉动式无级变速器的研究现状及主要优缺点 机械式脉动无级变速器是国内外目前应用较为广泛的一类通用型无级变速 器。这类无级变速器以连杆机构作为脉冲发生机构，以超越离合器作为单向脉冲 输出装置。具有结构简单，承载能力高，制造容易，调速方便等优点。国外主要 有以德国的g u s a 型为代表的脉动式无级变速器和美国的z e r o - m a x 型为代表的脉 动无级变速器；我国的脉动式无级变速器生产起始于7 0 年代初，主要测绘仿制于 德国5 0 年代产品，但是规格品种较少，尤其是功率较小，结构型式单一。重庆大 学自1 9 8 8 年以来，通过仿制德国g u s a - i 型脉动式无级变速器的检测，为克服其 脉动值大、运动平稳性差、效率低、无故障运行时间短等一系列不足，对脉动式 无级变速器的脉冲发生器的型及其运动学尺度综合进行了大量研究，经过多次的 实验尝试，现开发出具有对心式脉冲发生器的新型脉动式无级变速器，已生产出 样机，正投入实验测试阶段。 图1 1g u s a 型脉动无级变速器 f i 9 1 1i m p r o v a b l eg u s a i m p u l s e s t e p l e s ss p e e dr e g u l a t o r 2 重庆大学硕士学位论文 机械式脉动无级变速器的基本工作机构为多套连杆机构，如德国的g u s a 型脉动无级变速器( 图1 i ) 就采用三套连杆机构，具有作平面运动及往复运动的 构件的特性且大部分作变速运动；加之机构中k 值的存在，造成急回行程的加速 度过大，导致惯性力、惯性力偶矩较大，且不易平衡，从而导致系统的动力性能 不好；系统中存在大量对误差敏感的过约束，由于不可避免的制造、安装误差及 变形等因素的影响造成的过约束障碍，将导致构件及运动副在运转过程中的强制 变形，使运动副中的作用力急剧增大，机械效率降低，严重影响了机构运转的平 稳性、工作可靠性以及使用寿命；这类变速器还需采用单向超越离合器，如德国 的g u s a 型脉动无级变速器( 图1 1 ) 和美国的z e r o m a x 型脉动无级变速器“”， 现有的摩擦式超越离合器一般都靠楔紧力来传递扭矩，通常是线接触，其承载能 力和抗冲击能力较低，直接制约了脉动式无级变速器功率范围的扩大。针对上述 问题，重庆大学作了很多改进工作，特别是对现在的超越离合器进行了研究，尝 试用新型的超越离合器来改进无级变速器的工作性能，但是收效不大。因此申请 了重庆市科技攻关项目“新型非摩擦式连续作用机械无级变速器的研制与开发”， 希望从结构及原理上解决目前脉动无级变速器存在的一些主要问题，本文就是该 项目的一部分“”“”。 图i 2 f i 9 1 2 z e r o m a x 脉动无级变速器 z e r o - m a x i m p u l s es t e p l e s ss p e e d r e g u l a t o r 1 3 本文的主要内容 针对目前连杆式脉动无级变速器存在的主要问题，通过广泛地收集资料，在 前人已研究成果的基础上，对一种新型的非摩擦式连续作用的机械无级变速器进 行了较为深入的研究。 重庆大学硕士学位论文绪论 1 、针对上述现有机械脉动无级变速器存在的主要问题，本文根据行星齿轮 式无级变速器的工作原理提出了一种新型的非摩擦式无级变速器，并研 究了该无级变速器的工作原理及主要特点。 2 、对平面四杆机构以连杆作为输出构件的运动规律进行了研究，得出了以 连杆作为输出的一些规律。 3 、提出了确定机构基本尺寸的原则及方法，对新型非摩擦式无级变速器的 变速机构按传动比及输出要求的尺度综合方法的进行了研究。 4 、对新型的非摩擦式无级变速器调速性能、输入输出关系、动力性能、变 速比范围等进行了分析。 5 、研制了试验样机并分析了该样机出现的各种工作状况的原因并阐述了 过约束对机构的影响及过约束的消除方法，并对新型非摩擦式无级变速 器进行了过约束分析，提出了消除过约束的方法。 6 、运用a d a m s 及m d t w o r k i n g m o d e l3 d 软件对机构进行了运动分析 和动力分析。 4 重庆大学硕士学位论文 新型非摩擦式无级变速器的工作原理及基本结构 2 新型非摩擦式无级变速器的工作原理 及基本机构 2 1 新型无级变速器的结构创新 脉动无级变速器是目前应用较广泛的一种机械式无级变速器，它具有传动可 靠、寿命长、变速范围大、最低输出转速可为零、调速性能稳定、静止和运动时 均可调速、结构较简单、制造较容易等优点，因而近年来发展较快。但正如在绪 论中所论述的，它还存在一些由于自身结构所决定的不能解决的问题：一是输出 利用超越离合器，是依靠摩擦楔紧传递扭矩，其承载能力和抗冲击能力较低及工 作寿命较差，成为制约无级变速器发展的薄弱环节；二是机构中存在难以平衡且 作复杂平面运动的杆状构件及相对运动速度高，导致动力性能差，效率低，运动 和动力的输出存在较大的脉动而且不够连续平稳；三是机构在结构上是多套六杆 机构的组成，结构复杂，对不可避免存在的制造、安装误差及工作环境的变化敏 感。 针对上述脉动无级变速器的问题，提出非摩擦式连续作用无级变速器的“概念 结构”。为实现这一概念结构的创新，从图2 1 所示的行星布置脉动无级变速器工 作原理得到启示。其主要机构为曲柄摇杆a b c d 。四套尺寸完全相同的机构共用 一个曲柄，每套的摇杆为输出构件，并分别与同一尺寸的齿轮z ：固联，通过超越 演化 f i 9 2 1e v o l v e m e n to fv a r i a b l es p e e d d e v i c ew i t hp l a n e ta r r a n g e m e n t 图2 2 新型无级变速器 的结构图 f i 9 2 2t h es t r u c t u r eo f v a r i a b l es p e e dd e v i c e 重壅奎堂堡主兰垡堡壅新型非摩擦式无级变速器的工作原理及基本结构 离合器将某一方向的转动传递到中间齿轮z 输出。由于四套机构的机架a d 均匀分 布在圆周上( 如图2 1 所示) ，在某一瞬时每套机构的摇杆处于不同的工作位置且 具有不同的瞬时角速度，相当于四套机构的曲柄的相位差为z ，4 的情况。总是只有 某一方向转速较高的一个摇杆才能将运动输出传递到z 。，其余的则相对作某一方 向的超越运动。如图2 3 所示，曲柄转动一周时每套摇杆轮流依次输出，并在：，上 叠加脉动输出。 由图2 1 可见，由于四个连杆等长，它们都与同一曲柄销联接于b 点，所以如 果以b 点为圆心，以连杆长为半径，则c 、c 、c ”、c ”处于一圆上。假设在图 示位置上将所有连杆与摇杆的转动副去掉，将四个连杆合并成一个圆盘k ，并把 齿轮z 。z ，、超越离合器等去除，然后使四个摇杆分别依次与圆盘接触则显然各 摇杆仍保持原有的位姿，处于与行星布置隋况下相同的工作位置。在图2 1 中，假 设在该瞬时只有a b c d 是处于工作输出位置，且其它摇杆为非工作状况，设想是 在c 处作出一个棘轮形式的单向齿，摇杆作为棘爪，使之仍在c 处接触，则当曲 柄转动时通过轮k 即将运动传递到c d ，使 之具有原来的运动规律( 相当于四杆机构 a b c d 一样) ，k 也具有原来的运动规律。 此时其它的三个摇杆( 棘爪) 就在k 上滑动， 实现超越。由此可见：如果在k 轮上开有若 干等距的棘齿且一个棘齿与棘爪的起始啮 合点正好是原摇杆的工作起始点，该对齿的 接触范围正好能满足曲柄转“2 的要求；而 其它的棘轮齿与棘爪处于非啮合的滑动状 态，则就得到了一种如图2 2 所示的新型的 变速器的原始构形。当曲柄转过9 0 。，棘爪 v 1 厂v 、f ，、， ， 、 ， 、 、o9 0 、1 盼2 7 33 6 0 7 、 ， pp 一 图2 3 输出速度曲线 f i 9 2 3t h eo u t p u ts p e e dt i l l r e ( 摇杆) 则推动圆盘k ( 相当于一个棘轮) 转过一个转角，使圆盘k 具有一定的角 速度，这时若将其绝对角速度输出即成为输出构件。 2 2 新型非摩擦式无级变速器的结构及工作原理 如上所述，新型非摩擦式无级变速器的工作原理类似于行星布置脉动无级变 速器的工作原理：都是通过多套四杆机构并联获得脉动输出运动。只是在结构上 略有差别。新型非摩擦式无级变速器一般由机架、输入转换器( 脉冲发生器) 、输 出机构及调速机构等几部分组成。新型非摩擦式连续作用机械无级变速器最重要 的部分是输入转换器( 如图2 4 ) ，它由主动轴1 ( 有偏心) 、偏心套2 、中间轴套 重丛查塑主堂篁堡塞新型非摩擦式无级变速器的工作原理及基本结构 3 、棘轮4 、工作体5 、弹簧7 、环圈8 和机架6 组成。 新型非摩擦式无级变速器的转换器采用了多个工作体，工作时相当于多相工作 机构交替轮流作用，以实现棘轮( 输出构件) 的连续单向转动。在工作过程中，转 换器在某一瞬时，相应的工作机构都可以用相应的单自由度铰链四杆机构来表示， 图2 4 无级变速器的转换器图 h g 2 4c o n v e r t e ro fv a r i a b l es p e e d d e v i c e 图2 5 转换器工作原理图 f i g 2 5o p e r a t i n gp r i n c i p l e o fv a r i a b l es p e e dd e v i c e 其机构简图如图2 5 所示，图中表示某一相机构工作情况，其中，b c 为棘轮，a b 为主动轴偏心与偏心轴套的合成，c d 为工作体，a d 为环圈。输入转换器的工作 原理：当主动轴逆时针转动时，将带动b c ，作平面运动。在c 。点棘轮和工作体相 啮合并推动棘轮绕自身轴线顺时针转过一定角度，实现运动传递，而其余的工作 体则在棘轮表厩滑动。当棘轮工作到另一位置c 时，下一个工作体进入啮合并开 始传递负荷，如此循环推动棘轮作连续平面运动。转换器将主动轴的匀速转动转 换为的棘轮的复杂平面运动，实现了减速和“滤波”。 新型非摩擦式无级变速器的调速是 通过一调速机构来实现的。如图2 6 所 示，转换器实际上是一个双偏心机构： 偏心轴和偏心中间套。两个偏心构件的 圆心与转换器圆心的连线成0 ( 图2 4 中0 = 0 ) ，偏心大小分别是e 。和e ：。调 速机构实际上是通过调整6 角的大小来 改变曲柄a b 的大小，6 角可以丛零到 万变化，所以曲柄的长度在范围 0 a b e l + e 2 内变化，从而达到调速的 图2 6 调速机构工作原理 f i 9 2 ，6o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f s d e e dc o n t r o l l e r a 重庆大学硕士学位论文 新型非摩擦式无级变速器的工作原理及基本结构 目的。调速机构可以是自动的、半自动的或手动的，这取决于实际机构的需要。 在新型非摩擦式无级变速器中，还可以通过一定的结构实现机构的自适应调速。 如在一些新型非摩擦式无级变速器中，输出轴的转速取决于作用在输出轴上的阻 力矩，当输出轴的阻力矩发生变化时，机构会自动调节6 角的大小，从而使输出 轴的转速和阻力矩以一定的关系发生变化，这种机构常常应用在一些能够自动从 一个工作状态转换到另一个状态的环境中，如钻探机械等等。 新型非摩擦式无级变速器的输出机构是 将输入转换器上棘轮的复杂的平动转化为定 轴转动输出，它可以用双万向联轴器、平行 四边形式式销孔联轴器、十字滑块联轴器等 机构来实现；如果为了获得更大的传动比或 者改善四杆机构的传力性能，还可以采用两 极类似的形式，如图2 7 所示，其工作原理 相当于一个六杆机构a b c d c d ，其中 c b c 为同一构件，即前置四杆机构a b c d 的 连杆，通过铰链c 及杆c d 将前一级连杆 的运动传递到摇杆d 输出。实际结构c 仍 为一棘轮、棘爪的啮合，c d 为后级工作体， 置为一棘轮。 图2 7 二级减速的非摩擦式 无级变速器 f j 9 2 7n o n - f r i c t i o ns t y l eo f v a r i a b l es p e e dd e v i c ew i t ht w o d e g r e e 2 3 新型非摩擦式无级变速器的主要特点 新型非摩擦式无级变速器是在从行星齿轮式无级变速器演变而来，因此它不 仅具有结构较简单、制造较容易、维修方便、传动可靠、寿命长、变速范围大、 最低输出转速可为零、调速性能稳定、静止和运动时均可调速等脉动式无级变速 器的一些优点以外，还具有一些新的特点： ( 1 ) 棘轮m 与工作体既是传递运动的构件，同时又起到了超越离合器同等 的效用，两者融为一体，大大简化了无级变速器的结构。 ( 2 ) 由工作体与齿轮所构成的具有自由行程的超越离合器，与g u s a 等脉动 无级变速器相比较，其运动与力的传递由摩擦式改变为啮合式，提高了传递运动 的可靠性，故称为非摩擦式变速器。 ( 3 ) 原行星布置的变速器中的多个( 一般在三个以上) 作平面复杂运动的连 杆，成为一个作平面运动的偏心圆盘，这不仅简化了结构，更改变了动力性能。 重庆大学硕士学位论文 新型非摩擦式无级变速器的工作原理及基本结构 它实质上已成为一作近似等速单向转动的偏心圆盘( 相当于行星轮) ，其惯性力、 惯性力矩大大减小且易于平衡，整个机构的主要工作构件( 除工作体外) 均为作 回转运动或基本作回转运动的构件。 ( 4 ) 由于一对棘轮和棘爪的啮合范围有限，故每套等价四杆机构的工作范围 相对较小，即棘轮和棘爪的套数必须较多，每套的输出速度均在极值附近较小的 范围内。所以其脉动值可以很小。这样就大大提高了其输出运动的连续性和平稳 性。所以又称为连续作用的无级变速器。 ( 5 ) 该无级变速器输出速度的调节只能通过改变曲柄长进行无级调速，而曲 柄又是无级变速器的主动件，作高速连续的转动，同时又要求在运动过程重随时 可以进行调速，这就决定调速装置的复杂性，它必须具有与调速主动件及被动件 之间的接合与分离结构；同时由于曲柄长度一般较小，调节范围有限，因而一般 调速范围也较小，且要求其调节精度即要细又要高。 2 4 新型非摩擦式无级变速器的基本性能参数 1 、平均传动比i 卅和调速范围吃 如前所述，作为新型非摩擦式无级变速器的脉冲发生机构，输入转换器的基 本机构形式是曲柄摇杆机构。如图2 8 所示，设机构的相数为z ，曲柄的两个工作 位置分别是a 县和a b ，则当曲柄由a e 转动口角到a 吃时，输出连杆转动伊， 贝新型非摩擦式无级变速器的平均传动比 。为： 或者 n ， k 2 。 玎l ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 式帆，输入轴和输出轴的髓嚣8 黜竺鬈勰。脚 用调速机构调整曲柄a 曰的长度，便可 6 8 m ”“1 “p u ”4 。u t p m 改变输出连杆的有效转角，在此机构中， 在单个棘爪的工作区间内，连杆的转角随着曲柄a 曰的长度的改变从零到变 妒一口弘i 趋弘 重壅壁堡圭堂焦迨茎新型非摩擦式无级变速器的工作原理及基本结构 化着，而且曲柄的工作位置a 马、a 吃也随着杆长的改变而改变，但是如果棘爪数 不变，那么在一个棘爪的工作区间内口是不变的，即 址芋 ( 2 3 ) 所以 一一= 等= o 盯= o ( 2 4 ) ”一m d盯 。 、厶叶7 f ：虹 ” 口 ( 2 5 ) 在这里、分别为改变曲柄长度时，输出连杆在一个棘爪的工作周 期内的最小和最大转角。 调速范围r 仍由式( 2 1 ) 确定。 2 、输出速度的波动值占 在无级变速器中一般用脉动度占来表示输出轴的波动程度，根据脉动值的定 义： 5 ：堡生( 2 6 ) 式中：鸭一、锡。分别是无级 变速器的输出轴转动角速度的相对 极大值和极小值( 如图2 9 所示) 。 哆。平均输出角速度。 吐。= i 善n ( q 一鸭m ) 3 、速度脉动波谷处角加速度突变量 h e = l ( ) 一s ( 纯) 图2 9 输出速度波动图 f 遮2 9f l u c t u a t i o no f o u t p u ts p e l l ( 2 8 ) 式中：( 纯) 、( 纯) 分别为对应于同相机构中，输出构件在工作区间开始点皱和 终点处的角加速度。 仍是反映变速器输出角速度脉动程度的量，它对无级变速器的调速性能和 1 0 重庆大学硕士学位论文 新型非摩擦式无级变速器的工作原理及基本结构 机构的稳定性有较大的影响。如果过大，那么将会限制无级变速器的调速范围， 并使机构产生较大的冲击和振动。 4 、效率玎和调速特性 所谓调速特性就是指调速点的位置与输出轴角速度间的关系，是无级变速器 的重要性能指标之一。以g u s a _ 一i i 型脉动无级变速器为例：理论上输出转速为 0 3 0 0 r m i n ，而实际调速范围受到调速灵敏度、速度脉动不均匀系数占、速度脉 动波谷处角加速度突变量、脉动次数、机构的传动角y 等的影响，实际的调速 范围是3 4 2 5 5 r m i n 。 5 、传动角， 机构传力性能和对外作功能力的好坏 是我们评价和选择机构的重要内容，也是 机构设计必须研究的重要问题。平面连杆 机构在运动中压力角a 愈小，机构对外作 功能力愈强，机构的传动效率愈高，对机 构的运动愈有利。传动角随机构运动在不 断地变化，因此，在设计时应尽可能保证 机构在运动的全过程中传动角2 _ f f i 较大。 在此机构中b c 杆和d c 杆的夹角6 的两个极值出现在a b 杆和d c 杆共线的 图2 1 0 传动角 f i g2 1 1 3t r a n s m i s s i o na n g l e 位置( 如图2 1 0 所示。设各个杆长分别为e 、r 、l 、r 则： cos占：rz+12_(r2+ez_2ercosq1) 2 r c o s 乳：r z + 1 2 - r ( r - e f c o s k ：盟等笪 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 如果5 是锐角，机构的最小传动角y 。= 5 。；如果占一是钝角，m 应为占一和 1 8 0 。一。中的最小者。 2 5 新型非摩擦式无级变速器的分类 根据新型非摩擦式无级变速器的转换器的实现结构分为径向机构和端面机 构。径向机构分为转动偏心机构和不转动偏心机构，端丽机构分为转动盘机构和 不转动盘机构。在本文中主要讨论径向机构。 重庆大学硕士学位论文 新型非摩擦式无级变速器的工作原理及基本结构 2 5 1 径向机构 1 、转动偏心机构 转动偏心机构如图2 4 所示，机构的主要结构已经在前面论述过，这里主要论 述它的特点。转动偏心机构是在变速过程中通过调整主动轴l 的偏心大小来改变 曲柄长度实现变速的，而环圈8 的轴心位置在变速过程中不改变，变速是直接通 过调整主动轴的偏心大小来实现的。 2 、不转动偏心机构 如图2 i i 所示，不转动偏心机构和 转动偏心机构一样，也由机架、输入转 换器( 脉冲发生器) 、输出机构及调速机 构等几部分组成，其变速原理也一样， 不同的是不转动偏心机构的环圈1 是可 调的，而主动轴是不可调的。在变速过 程中通过推动环圈1 来调整环圈的轴心 位置相对于主动轴轴心的位置的大小以 改变偏心实现变速的，而主动轴的轴心 在变速过程中不改变，变速是通过转动 环圈1 而间接改变曲柄的偏心大小来 实现的。 图2 1 1 不转动偏心机构 f i 9 2 1 le c c e n t r i cm e c h a n i s m w i t h o u t r o t a d o t l 2 5 2 端面机构 1 、转动盘机构 如图2 1 2 所示，转动盘机构由机架1 0 、输入轴1 、转换机构3 、输出轴4 、 调速机构2 组成。和径向机构的转换机构的结构不同，转动盘机构的转换器如图 2 1 2 右边的剖视图，转动盘机构的转换器的作啮合运动是直齿和棘爪( 转动偏心 机构中是棘轮和棘爪) ，但是工作原理类似于径向机构，调速是通过转动盘3 改变 盘3 相对于输入轴1 径向的角度口实现的。 重鏖塑士学垡熏褒 新型非摩擦式无级变速器的工作原理及基本结构 一一 图2 1 3 不转动盘机构 h 9 2 1 3d i s km e c h a n i s mw i 血o m r o t a t i o n 2 6 小结 本章针对脉动无级变速器存在的一些主要问题，从行星布置的脉动式无级变 速器演化出一种新型的无级变速器并研究了该无级变速器的基本原理及调速原 重庆大学硕士学位论文新型非摩擦式无级变速器的工作原理及基本结构 理；分析了该无级变速器的主要特点并建立了其反映机构工作状况的基本性能参 数。 1 4 重庆大学硕士学位论文 新型非摩擦式无级变速器的设计 3 新型非摩擦式无级变速器的设计 3 1 新型非摩擦式无级变速器的综合模型 新型非摩擦无级变速器的工作过程相 当于多相四杆机构的顺序工作，每一相的 工作过程都相当于一个曲柄摇杆机构，因 此我们可以用曲柄摇杆机构来分析此机 构，并应用几何方法来确定其相互关系。 如图3 1 所示，我们先把新型非摩擦式无 级变速器转化为四杆机构，以机架a d 作 为j 轴，以曲柄转动中心a 作为原点建立 坐标系，其结构参数变量有四个：e 、z 、 r 、r ，其中：e = a b 中间轴偏心； 图3 1 无级变速器的综合模型 f i 9 3 1t h ec o m p r e h e n s i v em o d e lo f v a r i a b l es p e e dd e v i c e ，= b c 输出棘轮的半径；r = a d 环圈的半径；? = c d 工作杆的长度， + 我们把向量a b ，b c ，d c ，a d 投影 到坐标轴上，可得到确定转换装置的角砚，仍，仍之间的关系式： 一e + 一r 一西一7 = 0( 3 1 ) e c o s 妒l + r c o s 妒2 一l c o s 妒3 一r c o s 妒4 = 0 e s i n t p , + r s i n 妒2 一l s i n 妒3 一r s i n 咿4 = 0 由于纯= o ，所以( 3 2 ) ( 3 3 ) 式变化为 e c o s 妒l + r c o s 妒2 一l c o s 伊3 一r = 0 ( 3 4 ) e s i n 仍+ r s i n 妒2 一l s i m p 3 = 0 ( 3 5 ) 设a 曰杆的角速度为q ，b c 杆的角速度为皑，d c 杆的角速度为q ，将( 3 4 ) 、 ( 3 5 ) 式对时间t 微分，得 一e f t ) 1s i n q ，l r ( a 2 s i n q 7 2 + 如鸭s i n 移3 = 0 ( 3 6 ， e q c o s 纯+ r t 0 2 c o s 仍一z 鸭c o s 伊3 = 0 ( 3 7 ) 式中q = 孥一c 伽叭= 誓，鸭= 誓。 由( 3 6 ) ( 3 7 ) 式得出输出角速度 戤：一竺! 亟 盟国( 3 8 ) r s i n ( t p 2 一缟) 1 将( 3 6 ) ( 3 7 ) 式对时间f 微分，得 重庆大学硕士学位论文 新型非摩擦式无级变速器的设计 一e 吐f c o s q ，l 一 c o s p 2 - - r e 2 s i nq 0 2 + 此莺c o s 9 3 一l e 3s i n q 3 = o e 奸s i n 仍i 一，霹s i n 妒2 + 岛c o s 仍+ ，霹s i n ( o s l e 3 c o s p 3 = o 式中q = r ，岛= 警，3 = 警 由( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 式得出输出角加速度： r e 2 ：! 堡= 堕! 竺! ! 亟= 垫) 二熊1 2 1 1 丝= 垡! lr s i n ( 0 2 一仍) 彳 i e 3 ：堑! ! ! 垫二丝! 熊二! 熊! 竺! 垫二些2 、l s i n ( 妒3 一仍) 令r e c o s 妒l = a ，e s i n 自a i = b ，则( 3 4 ) ( 3 5 ) 变化为 r c o s 0 2 = c o s 他+ a r s i n 霞= l s i n 缟- b 将上述方程组( 3 1 2 ) 、( 3 1 3 ) 消去仍： z 2 + 口2 + 6 2 r 2 + 2 a l c o s 毋3 2 b l s i n q 3 = o 设a = ! 三掣，b = 言。 则( 3 1 4 ) 式可以写成： c o s 够a b s i n 仍+ a = 0 将上式两边平方并整理则得到： ( 1 + b 2 ) c o s 2 识+ 2 a c o s 够3 + ( a 2 一b 2 ) = 0 求解方程( 3 1 6 ) 得： 一 丑f = j 丽 仍2 黜。0 8 i 面- 将怯代入( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 式则： c o s 识：三! 墼二堡二三塑! 监 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 3 2 曲柄摇杆机构以连杆作为输出构件的运动规律分析及其影响 参数的分析 从上述分析可知，新型非摩擦无级变速器的输出运动实际上是多相曲柄摇杆 机构的连杆输出运动的叠加，因此分析曲柄摇杆机构以连杆作为输出构件的运动 规律对于我们以后对新型非摩擦无级变速器的研究和设计都有很大的帮助。 3 2 1 曲柄摇杆机构连杆输出角速度为零的位置确定 从曲柄摇杆机构的连杆输出速度公式： 1 6 、j ) ) 5 6 7 1 1 l 3 3 3 ，l ( ( 重庆大学硕士学位论文 新型非摩擦式无级变速器的设计 图3 2 连杆输出角速度为零的两个位置 f i 9 3 2t w ol o c a t i o n so fl i n kw i t hz e r oo u t p u ta n g l e 嗥一粼rsin(tp2 q 一仍j 可以得出：当仍= 仍或者仍一仍= 石时，即当a b 杆和d c 杆平行时连杆的输出角 速度q 为零( 如图3 2 所示) ，设图示的两个位置所对应的曲柄转角分别为吼、， 则根据三角公式： 舻万一a r c c o s 鼍杀# c3 1 9 ， 仍。= 万一 了了。二 【) 舻幼。s 鼍舞# 。 连杆转角仍的变化范围的确定。因为警= q ，所以如果魄_ 0 则根据微积分知 识可以知道连杆转角他的极值位置也出现在图3 2 所示的两个位置，则： 仍。= o s 盟筹型( 3 2 1 8 1 f c c )仍m2 历_ 晚一= s 盟等堕( 3 2 2 )晚一2 躺8 芴广 ) 在曲柄摇杆机构中分析摇杆的输出运动时，是用k 来表示机构的急回特性， 在这里同样也用一个值k 来表示曲柄摇杆机构中以连杆的输出作为输出运动时机 构的急回特性。则： 足，：竺单堡垫坚型k 皇上地型( 3 2 3 ) r a i n 2 2 r 一( 讫一一纯m ) ；仍。一讫m 重庆大学硕士学位论文 新型非摩擦式无级变速器的设计 摇杆纪的摆角也在一个范围内变化，其极值出现在a 口杆和8 c 杆重合的两个 位置。 仍一s 塑篆型 ( 3 ：a ) 仍一s 盟杀型 3 2 2 曲柄摇杆机构连杆输出角速度出现 极值的位置 在曲柄摇杆机构中，设曲柄的速度( 角速度) 为 定值，其连杆的速度( 角速度j 一般作周期性变化。 曲柄在什么位置时，连杆的速度( 角速度) 才为极值 ( 极大值或极小值) 。掌握这一关键位置，有助于研 究连杆运动规律的变化。 在铰链四杆机构中，两对对边杆的瞬心连线 ( 称共线轴) 与连杆垂直时( 如图3 3 ) ，连架杆的角 速比为极值。该定理由弗罗丹斯顿( f f e r n d e n s t e i n ) 提出，称为弗罗丹斯顿定理。 将上述弗罗丹斯顿定理推广应用于曲柄摇杆机 图3 3 弗罗丹斯顿定理 f i 9 3 3f e r n d e n s t e i n t h e o r e m j 图3 4 连杆输出速度出现极大值的位置 f i 9 3 4t h el o c a t i o no fl i n kw i t hm a x i m u mo u t p u ts p e e d 构中曲柄与连杆的情况。如图3 4 所示