Zero-max無級變速器的仿真分析和優(yōu)化設(shè)計【PROE三維】

Zero-max無級變速器的仿真分析和優(yōu)化設(shè)計【PROE三維】,PROE三維,zero,max,無級,變速器,仿真,分析,以及,優(yōu)化,設(shè)計,proe,三維 目錄 目 錄 II 摘 要 III Abstract IV 1 緒 論 1 1.1 前言 1 1.2 機械無級變速器的分類 1 1.2.1 剛性定軸式 1 1.2.2 行星式 2 1.2.3 變節(jié)距式 2 1.2.4 牽引式 3 1.2.5 脈動式 3 1.3 無級變速器的研究現(xiàn)狀 5 1.4 本課題的產(chǎn)生 5 1.5 本課題研究的主要內(nèi)容及意義 6 2 連桿式脈動變速器簡介 7 2.1 連桿式變速器機構(gòu)簡介 7 2.2 Pro/ENGINEER 環(huán)境中實體建模 8 2.2.1 創(chuàng)建零件 8 2.2.2 虛擬裝配 10 2.3 連桿式無級變速器結(jié)構(gòu) 11 2.4 連桿式變速器工作原理 12 3 Zero-Max 無級變速器的運動仿真 14 3.1 虛擬樣機技術(shù)和ADAMS 軟件簡介 14 3.2 基于ADAMS 建立Zero-Max 無級變速器虛擬模型 15 3.2.1 簡化模型 15 3.2.2 施加約束和驅(qū)動 16 3.3 運動仿真結(jié)果分析 17 4 連桿式變速器的優(yōu)化設(shè)計 21 4.1 背景分析 21 4.2 設(shè)計思路 21 4.3 八桿變速器的結(jié)構(gòu)及工作原理 23 4.4 簡化模型與仿真分析 23 4.5 仿真數(shù)據(jù)分析比較 25 4.6 結(jié)論 26 5 結(jié) 語 27 參考文獻 28 致 謝 30 摘要 Zero-Max 無級變速器的仿真分析與優(yōu)化設(shè)計 摘 要 無級變速器（Continuously Variable Transmission，簡稱 CVT）能夠?qū)崿F(xiàn)輸入轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩向輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。因其結(jié)構(gòu)簡單、工作壽命長，而且還具有較寬的變速范圍、穩(wěn)定的調(diào)速性能以及傳動可靠等特點，在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用日益廣泛。目前常用的無級變速器，存在輸出不穩(wěn)定、脈動率較大，機構(gòu)功率不高等不足，有待研究者進一步完善和改進。 虛擬樣機技術(shù)是一門廣泛應(yīng)用的仿真技術(shù)，利用 ADAMS 軟件建立真實的仿真模型，為產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)節(jié)省成本，是一種高效的開發(fā)工具。 本畢業(yè)設(shè)計論文闡述了 Zero-Max 變速器的機構(gòu)，對其工作原理和傳輸特性進行了探討與分析，在此基礎(chǔ)上，運用 Pro/ENGINEER 和 ADAMS 軟件，對 Zero-Max 變速器進行建模仿真，分析與評估，基于速度波動的考慮，重新設(shè)計，把脈沖發(fā)生機構(gòu)從原來的六桿機構(gòu)中分離出來，設(shè)計了一種脈動值較好、速度波動更小的八桿變速器。 關(guān)鍵詞：無級變速器；虛擬樣機技術(shù)；ADAMS；優(yōu)化設(shè)計 III Abstract Simulation Analysis and Optimization Design of Zero-Max Continuous Variable Transmission Abstract Continuously Variable Transmission (CVT) can turn the input speed and torque into the output speed and torque .CVT has been widely used in practice in that its simple structure, long working life,a wide range of speed, stable speed performance and reliable transmission characteristics. At present ,for the widespread use of CVT,what has a few of shortages,such as instability in output ,lower pulsating rate and the low-power of mechanism,all of this need to be further improved and improved by the researchers. Virtual Prototyping Technology is a simulation technology,which has been widely used. The use of ADAMS software to establish a real simulation model for product design and production cost savings, which is an efficient development tool. The paper discusses the mechanism of Zero-Max transmission, discussing its working principle and transmission characteristics. Based on this,using Pro / ENGINEER and ADAMS software to simulate and analyze and evaluation.Taking velocity fluctuation into account and redesigning the mechanism, the pulse generator is separated from the original six-bar mechanism.Moreover,I design a eight-bar transmission which has a better pulse value and faster fluctuations . Key words: Continuous Variable Transmission; Virtual Prototype; ADAMS; Optimization Design IV 第 1 章 緒論 1 緒 論 1.1 前言 當今，中國制造的要求是：節(jié)能高效、易調(diào)節(jié)、智能化控制與可持續(xù)發(fā)展，能適應(yīng)各種內(nèi)外部的不確定因素。機械無級變速器作為通用的傳動裝置，它可以適應(yīng)生產(chǎn)過程的機械化和自動化，并且能夠改良一些機械性能。當固定輸入軸的驅(qū)動轉(zhuǎn)速時，通過無級變速器的工作，可以實現(xiàn)輸出軸連續(xù)變化的轉(zhuǎn)速，從而滿足各種不同工況的要求。 無級變速器作為傳動部件，依靠固體等中間介質(zhì)把輸入軸和輸出軸聯(lián)系起來，通過控制輸入軸和輸出軸兩者相應(yīng)的傳動比關(guān)系，從而獲得輸出軸連續(xù)任意變化的轉(zhuǎn)速[1]。所以， 無級變速傳輸與其它傳輸形式不同，它不僅能根據(jù)實際工況實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的連續(xù)輸出，而且其輸出功率恒定不變，能夠滿足變化的工況要求 [2]。因而，如果能開發(fā)出滿足客戶需求的大功率、高效率，而且能夠滿足動力學(xué)性能以及承載能力要求的無級變速器[3]，可以大大提高汽車重要零部件（變速器）及整體設(shè)計水平，提升我國汽車在國外市場的競爭力。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是研發(fā)者生產(chǎn)出物理樣機，經(jīng)過“設(shè)計—試驗—再設(shè)計—再試驗”的循環(huán)生產(chǎn)過程，產(chǎn)品才能達到設(shè)計要求。這樣的設(shè)計過程，不僅開發(fā)過程復(fù)雜，設(shè)計周期長，增加樣機的制造成本，而且人工計算速度慢、精度低，且很難進行多種方案的對比分析，嚴重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高，并影響市場的快速反應(yīng)能力[4]。采用虛擬樣機技術(shù)設(shè)計無級變速器，通過模擬無級變速器各部件的受力條件和運行時的工況，對產(chǎn)品進行實體建模仿真， 分析評估設(shè)計結(jié)果，可以實現(xiàn)設(shè)計過程的早期反饋，減少實物的后期修正，避免或減少不必要的工序，并選擇影響汽車性能的關(guān)鍵性的優(yōu)化參數(shù)，是一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計方法 [5]。 1.2 機械無級變速器的分類 一般來說，機械無級變速器主要從機構(gòu)的角度進行分類，每種分類、各類機構(gòu)及其原理可能會有部分交叉，且每一類變速器也有著各自的優(yōu)缺點和適用范圍。目前，機械無級變速器樣式各異，但從結(jié)構(gòu)角度歸類，不外乎有剛性定軸、行星以及變節(jié)距、牽引和脈動式等【1】。 1.2.1 剛性定軸式 這類變速器的傳動元件由剛性部件組成，是摩擦傳遞，不僅其結(jié)構(gòu)簡單，而且這類變 9 速器品種多樣，其區(qū)別在于中間有無滾輪。如果變速器中間裝配了滾輪，那這類變速器就具有較大調(diào)速比 Rb ￡ 16 ~ 20 ，例如滾輪平盤式變速器、錐盤式變速器和多盤式變速器；如果變速器中間沒有裝配滾輪，那這類變速器就具有較小調(diào)速比，一般為 Rb ￡ 6 ，例如平盤式變速器和環(huán)盤式變速器。剛性定軸式無級變速器采用的傳動方式大多是分匯流方式，采取這種方式可以提高功率體積比。一般來說，采用兩套加壓裝置，以達到升速和降速的目的。如果把傳動件設(shè)計成點觸機構(gòu)，則其承載能力不理想，但其滑動系數(shù)較小，而且可以補償由于受力不均而引起的變形以及在加工裝配過程中引起的誤差，如果把傳動件設(shè)計成線觸結(jié)構(gòu)，雖然提高了承載能力，但加工裝配要求則比較苛刻。所以，這兩種方式各有千秋。 1.2.2 行星式 這類變速器的滾動體做行星運動，借助滾動副的摩擦力傳遞動力。工作中，由于中間滾動體的行星運動，使得行星輪的工作半徑不斷在變化，因此可以達到變速的目的。行星式變速器涵蓋行星錐盤、行星錐鼓以及諧波行星式等，形式多樣?；谶@類變速器沒有設(shè)計齒輪，行程中能夠不斷調(diào)整它的工作半徑這一工作原理，把這類變速器的共同特性概括如下： （1） 這類變速器的輸出軸既能夠保持靜態(tài)不運動，還能夠?qū)崿F(xiàn)反方向旋轉(zhuǎn)運動，所以在理論狀態(tài)下，調(diào)速比 Rb 無窮大，因而它們都具有較大的變速區(qū)間。 （2） 這類變速器是一種減速型機構(gòu)，其輸出的轉(zhuǎn)動速度始終比輸入時的轉(zhuǎn)動速度低，正 因如此，實踐中它們被廣泛應(yīng)用在自動化生產(chǎn)流線上。 （3） 具有輸出性能好這一特點。高輸出時，其功率特性能夠保持相對比較恒定的狀態(tài)； 低輸出時，其轉(zhuǎn)矩特性能夠保持相對比較恒定的狀態(tài)。 （4） 行星式無級變速器工作壽命比較長，承載能力比較高，功率可以幾十瓦，甚至可以達到幾十千瓦，選擇空間比較大。 （5） 行星式無級變速器的加壓裝置和調(diào)速機構(gòu)簡單，這樣的設(shè)計使得結(jié)構(gòu)比較緊湊，產(chǎn)品質(zhì)量較小。 1.2.3 變節(jié)距式 這種變速器是由 Daimler 和 Benz 于 1886 年研發(fā)設(shè)計的，選用各種各樣的帶鏈傳輸動力。這類變速器對帶鏈沒有特殊的要求，各種不同品質(zhì)的帶鏈都可以用來當作傳動介質(zhì)， 其工作原理一直以來沒有什么改良。實際行程中，這類變速器借助帶鏈的傳動，以此來改變變速器各傳動副之間的工作半徑來達到調(diào)速目的。 這類變速器對帶鏈的要求不高，且材料的選擇面比較廣，因此制造起來比較簡單，另 外，部件耐磨不容易損壞，更換帶輪比較簡便，并能吸收部分振動穩(wěn)定地工作，基于以上原因，所以近來發(fā)展迅速，應(yīng)用也十分廣泛，并已經(jīng)開始應(yīng)用在汽車的變速器上，然而它也存在著其外形尺寸較大，變速范圍相對較小等不足，在推廣使用的過程中也有其局限性。 1.2.4 牽引式 當今，新一代的傳輸機構(gòu)是依靠牽引傳動來傳遞在推動，是由摩擦傳動發(fā)展而來，它改善了摩擦傳動的一些缺陷。由于摩擦傳動完全借助材料間的直接摩擦傳遞動力，這樣不僅會嚴重造成材料的磨損，而且也會縮短其工作壽命。牽引驅(qū)動是在潤滑劑的環(huán)境中，依靠潤滑劑的牽引能力來傳輸運動、轉(zhuǎn)移動能，工作中可以通過調(diào)整變速器輸入軸和輸出軸的摩擦半徑來實現(xiàn)變速請求。由于采用了潤滑油的潤滑措施，不僅能夠較大程度地減少零部件之間的摩擦系數(shù)，而且還提高了零部件材料的承載能力，延長了變速器的工作壽命。目前，研究人員已經(jīng)研制了較大功率的牽引式無級變速器，不但工作壽命長而且工作 效率也能達到 85%--95%，但是它抵抗負載沖擊性能不夠，存在開發(fā)成本很高以及生產(chǎn)精度要求相對較高等不足，而且工作環(huán)境也十分苛刻，所以一般只會在一些特殊的場合使用。 1.2.5 脈動式 這類變速器一般是由傳輸機構(gòu)和調(diào)速機構(gòu)以及輸出機構(gòu)等基本構(gòu)件構(gòu)成，輸出機構(gòu)還配備單向超越離合器陣列。其工作原理是：輸入軸在外驅(qū)作用下勻速旋轉(zhuǎn)，這種運動狀態(tài)借助連桿轉(zhuǎn)變成搖桿的來回均擺狀態(tài)，依靠超越離合器陣列，把搖桿的均擺運動再次轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動輸出。經(jīng)過這樣的循環(huán)工作，不僅可以實現(xiàn)以單向旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)輸出，而且輸出脈動率還會相對很小。在變速器工作的時候，調(diào)整機架的長短，形成新的工作環(huán)境下每個組件新的比例關(guān)系，這樣搖臂擺動角度和輸出軸轉(zhuǎn)速也隨之發(fā)生變化，從而實現(xiàn)無級變速。 基于變速器的結(jié)構(gòu)和性能分析，脈動式變速器結(jié)構(gòu)簡單，不僅更易于開發(fā)研制，而且具有穩(wěn)定的調(diào)速性能和可靠的傳動性能以及工作壽命長等特點，但它的一些不足還是顯而易見的，還有待進一步得到解決，例如：當以較高轉(zhuǎn)速輸出的時候，由于不平衡慣性力的存在會增大振動，從而導(dǎo)致共振現(xiàn)象；當以較低轉(zhuǎn)速輸出的時候，脈動的不均勻性又會顯著增加等。為了減小輸出軸的運動波動性和獲得傳動的連續(xù)性平穩(wěn)性，實際生產(chǎn)中通常采用增加脈動無級變速器的相數(shù)。雖然組合結(jié)構(gòu)的相數(shù)越多，輸出軸的傳動輸出也就越平穩(wěn)， 與此同時，變速器的結(jié)構(gòu)也不可避免地變得更加復(fù)雜了。基于以上原因，在生產(chǎn)實踐中， 大多數(shù)采用的是四相結(jié)構(gòu)。 德國第一個研制脈動變速器，美國和日本等國不甘落后紛紛效仿，經(jīng)過研究人員的不斷探索，不斷更新，變速器的性能也較以前更加成熟。德國先后在 1950 和 1980 年代研制 開發(fā)了 GUSA-I 和 GUSA-Ⅱ型變速器，這兩類變速器均采用了Ⅲ級六桿機構(gòu)作為主傳動機構(gòu)，它不僅具有多樣化的調(diào)速方式與輸出形式，調(diào)速區(qū)間較大，甚至能實現(xiàn)零輸出，而且有穩(wěn)定的速度輸出。1960 年代美國的 Zero-Max 無級變速器，為實現(xiàn)無級變速，采取的是四相并列連桿，這樣不僅調(diào)節(jié)方便，還能夠借助蝸輪蝸桿的運動來調(diào)節(jié)搖桿的位置。但是這類變速器由于結(jié)構(gòu)上存在一定的局限性，因此也就存在著傳遞功率相對較小，加工成本也相對較高等不足。另外，日本科研人員為了實現(xiàn)變速器雙向傳輸以及防止超負載，在變速器上配備了變向手柄和轉(zhuǎn)矩制動器，這使得變速器的性能有了很大的改良。1970 年代早期我國開始生產(chǎn)脈動無級變速器，最初僅僅只在 GUSA 型或 Zero-Max 型模仿的基礎(chǔ)上生產(chǎn)，隨后也進行技術(shù)的改進。例如，基于對德國 GUSAⅠ變速器的研究，我國生產(chǎn)出了三相并列脈動型無級變速器系列，只是這種系列的變速器結(jié)構(gòu)比較單一、傳遞功率有限， 工作性能也不是十分理想，針對這些不能滿足實際情況的問題，國內(nèi)一些專家潛心研究GUSAⅡ型變速器，經(jīng)過不斷的努力，又對變速器進行了改進，性能在原來的基礎(chǔ)上有了很大的提高；基于對美國 Zero-Max 變速器的研究，我國生產(chǎn)了 MT 和 DBL 型變速器，這兩類變速器的沖壓桿件扁平，軸向尺寸相對比較小，機構(gòu)簡單而又緊湊，而且這類變速器采用的是外置螺桿，可以十分方便地通過控制調(diào)速架來進行調(diào)速，同時調(diào)速性能也相對較好，只不過其傳遞功率通常在 1.5kW 左右。迄今為止，國內(nèi)一些專家學(xué)者對機械無級變速器都有過深入的研究，也取得了一些有價值的成果。 目前，如果脈動變速器克服了以下問題，肯定會引起用戶的青睞。 a、在變速器工作的時候，連桿等會有慣性力存在，想要消除很困難。當在高速運動的時候，由于慣性力的不平衡，以及由其產(chǎn)生的慣性力矩使得振動顯著增大，由其產(chǎn)生的運動載荷嚴重降低了機械效率。 b、這種變速器使用了超越離合器，受限于它的負荷和抗擊能力，因此，當它做高速運動的時候，不得不考慮動力因素，另一方面只能在較低功率環(huán)境中使用，一般不在大功率環(huán)境中應(yīng)用。 c、由于是脈動性輸出，脈動率一定程度上還相對較高，不可能完全消除。 今后，我認為研究者應(yīng)該著手解決三方面問題，就能夠研制出輸出平穩(wěn)、功率較大、效率較高的無級變速器。 （1） 改良機構(gòu)，優(yōu)化尺寸，以此來增大調(diào)速區(qū)間，降低脈動率，削弱運動慣性，改良變速器性能。 （2） 為了提高傳動效率，應(yīng)該充分考慮到超越離合器的承裁能力和工作性能，以及在工作過程中單相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不連續(xù)功率流等。 （3） 多相結(jié)構(gòu)必定會引起系統(tǒng)過多的重復(fù)約束，而這些約束又不能忽略，因為這些設(shè)計在現(xiàn)實中有一定的必要性。 1.3 無級變速器的研究現(xiàn)狀 2003 年陳志剛、鄒懷武等人利用 ADAMS 軟件中的 Engineer 模塊對行星式齒輪結(jié)構(gòu)的變速器建立了動力學(xué)模型，基于齒輪的運動特性，對動力學(xué)仿真，獲得了嚙合齒輪的正向力、切向力、合力和轉(zhuǎn)動軸的作用力，同時也獲得了各齒輪的扭矩等[6] [7]。2004 年崔新濤運用虛擬樣機技術(shù)在 UG 中創(chuàng)建變速器的裝配主模型，以 parasolid 格式輸出到 ADAMS 環(huán)境中，并對其動力學(xué)仿真 [8]。2005 年馬志良等運用 ADAMS 軟件仿真模擬了變速器，對無級傳輸體系進行了多體動力學(xué)分析，并從動力學(xué)角度分析了傳動系統(tǒng)對整車動力性和舒適性的影響[9]。2006 年田云峰等人基于 ADAMS 軟件對移動機構(gòu)進行仿真建模，給曲柄施加初始角速度驅(qū)動,調(diào)用 ADAMS/Solver 模塊計算目標數(shù)值，從而得到了輸出構(gòu)件的速度、加速度和位移等關(guān)鍵信息，并且通過 ADAMS/View 中的 Ploting 模塊，把這些關(guān)鍵信息轉(zhuǎn)換為圖形圖表形式,從而各構(gòu)件的運動特征和變化規(guī)律就能十分清晰地呈現(xiàn) [10]。2007 年關(guān)平運用 MATLAB/Simulink 模塊，以帶式變速器為研究目標，建模仿真，通過典型工況分析，找出最佳速比變化率的控制參數(shù)，是一個比較完善的計算機仿真系統(tǒng)，可以隨著車型參數(shù)和發(fā)動機參數(shù)的改變進行仿真研究，并且在整個仿真過程中，研究人員創(chuàng)造性地增設(shè)了評估程序，這樣，對金屬帶式的 CVT 變速器，可以對其運動性能和性價比作出一個初步的評估[11]。2008 年盧錦奎基于 UG 軟件虛擬建模了變速器的關(guān)鍵部件，在整體模型成型后，依靠 Parasolid 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口一次性導(dǎo)入 ADAMS 中，在 ADAMS 環(huán)境中進行約束，添加驅(qū)動和施加接觸力，并對模型的結(jié)構(gòu)做適宜的微調(diào)，形成一個在 ADAMS 環(huán)境中所能運行的金屬帶式 CVT 核心虛擬樣機，對模型施加運動學(xué)約束，進而進行動力學(xué)仿真分析[12]。2000 年 ROBERT G. PARKER 研究了行星齒輪機構(gòu)的動力學(xué)特性，指出了其產(chǎn)生振動的來源于太陽輪－—行星輪、環(huán)－—行星輪之間的復(fù)雜的、動態(tài)的作用力，并提出了通過行星相位調(diào)整是有效減少行星齒輪振動的方法，而且對其進行了深入地研究[13] 。2007 年Wen-Hsiang Hsieh 論述了一種凸輪控制的行星輪系的設(shè)計過程，從理論上推導(dǎo)了其運動學(xué)方程，利用計算機輔助計算功能，輸入真實數(shù)據(jù)，得出計算結(jié)果，同時在 ADAMS 環(huán)境中完成對行星輪的運動學(xué)和動力學(xué)仿真，兩者的關(guān)鍵數(shù)據(jù)基本一致，該設(shè)計從理論上得到了證明[14]，可以生產(chǎn)物理樣機在實際中進一步加以驗證。 此外，國外一些學(xué)者[15] [16][17][18]還從無級變速器的控制方面著手研究，提高無級變速器的性能和減少汽車廢氣的排放。他們建立了 2K–H 型[15]的行星擺線針輪傳動機構(gòu)的傳動性能的數(shù)學(xué)模式，開發(fā)了一套力矩計算的計算機輸出程序，且通過和試驗數(shù)據(jù)比較，證實其可靠性。 1.4 本課題的產(chǎn)生 Zero-Max 無級變速器不僅因其結(jié)構(gòu)簡單、工作壽命長，而且還具有較寬的變速范圍、 穩(wěn)定的調(diào)速性能以及傳動可靠等特點，所以近年來發(fā)展較為迅速，但一些不足也是顯而易見的，還有待進一步得到解決。例如：當以較高轉(zhuǎn)速輸出的時候，由于不平衡慣性力的存在會增大振動，從而導(dǎo)致共振現(xiàn)象；當以較低轉(zhuǎn)速輸出的時候，脈動的不均勻性又會顯著增加等。因此，改良變速器，不但要解決功率偏低的問題，更重要的是，在高速運動狀態(tài)的時候，變速器還必須保證有比較平穩(wěn)的輸出?；谝陨戏治觯救舜_定了《Zero-Max 無級變速器的仿真分析與優(yōu)化設(shè)計》這一畢業(yè)設(shè)計的研究課題，在 ADAMS 環(huán)境中對某種型號的 Zero-Max 變速器建立簡化模型，分析運動學(xué)仿真結(jié)果，利用虛擬樣機技術(shù)對連桿式無級變速器進行創(chuàng)新設(shè)計，經(jīng)過反復(fù)設(shè)計驗證，改良機構(gòu)外型和尺寸，從而降低輸出脈動率，提高機構(gòu)運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。 1.5 本課題研究的主要內(nèi)容及意義 本課題主要研究內(nèi)容： (1) 認識 Zero-Max 變速器的基本構(gòu)造，運用 Pro/ENGINEER 軟件完成零部件的 3D 建模， 實現(xiàn)虛擬裝配。 (2) 根據(jù)變速器的信息參數(shù)，在 ADAMS 環(huán)境中建立簡化模型，施加約束和動力，盡可能模擬真實運動狀態(tài)。 (3) 在 ADAMS/View 環(huán)境中對單相六桿機構(gòu)進行運動狀態(tài)模擬，分別比較分析各搖桿的角速度ω、角加速度а和角位移Φ等變化曲線，繼而對合成的四相并列六桿機構(gòu)的脈動曲線進行了簡要對比分析。 (4) 利用虛擬樣機技術(shù)對連桿式無級變速器進行創(chuàng)新設(shè)計，經(jīng)過反復(fù)設(shè)計驗證，改良機構(gòu)的外型和尺寸，減小機構(gòu)的輸出脈動率，達到預(yù)期要求。 本課題研究意義： 通過對 Zero-Max 變速器的運動學(xué)模擬仿真，進一步證實了虛擬樣機技術(shù)和 ADAMS 軟件分析在產(chǎn)品設(shè)計過程中的可靠性和重要性；通過對變速器的改良設(shè)計，仿真對比分析， 降低了輸出脈動率，速度輸出更加平穩(wěn)，運動性能更加優(yōu)良；運用虛擬樣機技術(shù)設(shè)計產(chǎn)品， 可以避免生產(chǎn)物理樣機，不僅過程簡約，而且周期短成本低。 第 2 章 連桿式脈動變速器簡介 2 連桿式脈動變速器簡介 1962 年，Zero-Max 公司研制了第一臺連桿變速器（Zero-Max 型），這種變速器結(jié)構(gòu)簡便輕巧，調(diào)速區(qū)間跨度大，而且調(diào)速的反應(yīng)時間很短，常常在小功率場合使用，在無級變速傳動裝置中占主導(dǎo)地位，在輕工、紡織、印刷及汽車等行業(yè)中經(jīng)常使用這種類型的變速器。 2.1 連桿式變速器機構(gòu)簡介 Zero-Max 變速器是一種變速裝置，它由傳動、輸出、調(diào)速機構(gòu)組成。 傳動機構(gòu)是 Zero-Max 變速器的關(guān)鍵部位，通常是六桿機構(gòu)，它由兩組四桿機構(gòu)串聯(lián)而成。為了解決運動狀態(tài)的改變，Zero-Max 變速器配備了偏心輪，不僅解決了設(shè)計難題， 而且還增加了變速器的承載能力。輸入軸是動力構(gòu)件，是變速器工作的動力源，驅(qū)使輸入軸保持勻速旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)。在變速器運轉(zhuǎn)的時候，借助偏心輪機構(gòu)，把原先的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成為來回均擺運動。這樣，通過傳動機構(gòu)，變速器的運動狀態(tài)發(fā)生了改變，從剛開始的旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的來回均擺運動狀態(tài)。顯然，就機構(gòu)構(gòu)成和運動特性而言，偏心輪和曲柄搖桿的運動狀態(tài)是完全相同的。 輸出機構(gòu)是實現(xiàn)變速器的往復(fù)均擺運動向單相旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變的機構(gòu)，為了達到這個目的，在輸出機構(gòu)的輸出軸與輸出搖桿之間必須裝配超越離合器。當旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)過輸出機構(gòu)之后，依靠單向超越離合器的單相傳動特性，便把輸出轉(zhuǎn)換成脈動的單相轉(zhuǎn)動。顯然， 若變速器中僅僅只設(shè)計了一組六桿機構(gòu)，那么輸出軸的旋轉(zhuǎn)就會出現(xiàn)間斷性的不連續(xù)，而且其轉(zhuǎn)速也會發(fā)生間隙性的變化，導(dǎo)致輸出的轉(zhuǎn)速十分不平穩(wěn)。為了能夠使輸出軸獲得連續(xù)性的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，生產(chǎn)中采用的是多相結(jié)構(gòu)的變速器，即在輸出機構(gòu)中配備單相超越離合器，相互間構(gòu)成 90°的相位差。例如，德國 GUSA 變速器采用三相機構(gòu)，美國Zero-Max 變速器采用四相機構(gòu)。由單相超越離合器的機構(gòu)特點和相位差可知，機構(gòu)中各組的輸出搖桿不會同時達到最大角速度，而是這幾組超越離合器交替達到最大角速度，某時間段內(nèi)輸出軸與輸出搖桿輸出的是相對速度最大的運動。同時，為了防止變速器運動特性發(fā)生改變， 在定義輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向的時候，應(yīng)充分考慮到越離合器運動的單方向性這一因素，因此， 選擇好合適的方向才能獲得理想的平穩(wěn)的脈動輸出速度。 調(diào)速機構(gòu)是速度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵部位，變速器實際工作中，不斷地改變著曲柄支點坐標， 從而使曲柄支點坐標在整個工作期間發(fā)生周期性變化，這樣可以實現(xiàn)輸出搖桿擺角和均擺速度的連續(xù)改變，在定義區(qū)間內(nèi)的傳動速度比更加平穩(wěn)，使速度輸出保持連續(xù)性。通過下面兩種方式可以實現(xiàn)調(diào)速目的：（1）調(diào)節(jié)機架的長度，（2）調(diào)節(jié)連桿的長度。因為連桿在變速器工作行程中不斷轉(zhuǎn)動，不斷工作，要想在不停機的情況下，通過調(diào)節(jié)連桿長度來達 到調(diào)速的目的，顯然比較困難。相反通過調(diào)節(jié)機架的長度來實現(xiàn)調(diào)速的目的，是相對比較容易實現(xiàn)的，因為在固定機架上進行調(diào)節(jié)，相對較為方便。 本畢業(yè)設(shè)計課題以 Zero-Max 變速器作為研究對象，采用調(diào)節(jié)機架的長度來實現(xiàn)調(diào)速的目的。 2.2 Pro/ENGINEER 環(huán)境中實體建模 2.2.1 創(chuàng)建零件 為了使虛擬仿真更加符合實體模型，防止各構(gòu)件之間相互干擾，得到真實理想的系統(tǒng)仿真和運動分析，最關(guān)鍵之處在于裝配效果和施加約束。因此，運用 Pro/ENGINEER 軟件進行實體建模的時候，應(yīng)該把零部件的外形考慮其中，機構(gòu)的幾何尺寸盡量與圖紙匹配， 施加適當?shù)募s束等。 運行 Pro/ENGINEER 軟件中的 PART 模塊，可以對簡易零部件創(chuàng)建虛擬模型。在Pro/ENGINEER 環(huán)境中進行實體模型的設(shè)計時，主要是通過一些成型命令完成操作，例如拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描混合等特征命令，具體的操作過程，大致可以分為以下四個過程：(1) 選擇參考平面；(2)繪制草圖；(3)形成實體；(4)進行必要的編輯。 實體建模時，選擇合適的基準面不僅可以快速、準確的建立模型，而且還能提高建模的效率。總的來說，Zero-Max 變速器的機構(gòu)比較簡易，只要直接調(diào)用命令，變速器的大部分構(gòu)件都能很輕松地完成，但是軸承和彈簧擋圈以及箱體的結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，操作比較困難，需要反復(fù)用到基準面、拉伸、旋轉(zhuǎn)等命令。通過拉伸和旋轉(zhuǎn)等命令可以創(chuàng)建如下的一些三維零件模型。如圖 2.1 輸入軸，圖 2.2 輸出軸，圖 2.3 輸入連桿，圖 2.4 輸出搖 桿，圖 2.5 偏心盤，圖 2.6 輸出連桿，圖 2.7 調(diào)速桿，圖 2.8 彈簧擋圈，圖 2.9 彈簧架， 圖 2.10 箱體。 圖 2.1 輸入軸 圖 2.2 輸出軸 圖 2.3 輸入連桿 圖 2.4 輸出搖桿 圖 2.5 偏心盤 圖 2.6 輸出連桿 圖 2.7 調(diào)速桿 圖 2.8 彈簧擋圈 圖 2.9 彈簧架 圖 2.10 箱體 2.2.2 虛擬裝配 在實施虛擬裝配的過程中，不僅需要給待裝零部件添加適當?shù)募s束，還應(yīng)該把產(chǎn)品在裝配環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的不確定因素考慮其中，把各零部件裝配成所需要的組件產(chǎn)品，使組件產(chǎn)品達到預(yù)期的功能及性能，借助各種分析、評價等一系列技術(shù)手段，進一步改良優(yōu)化裝配結(jié)構(gòu)，并檢測組件產(chǎn)品的裝配效果，最終完成變速器的總體虛擬裝配，并進行總體效果的檢測，以此來評估產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量以及產(chǎn)品的性價比。 從產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)來看，能夠?qū)崿F(xiàn)多級裝配，支持由零件到部件，由組件到產(chǎn)品的層次性裝配。Pro/ENGINEER 軟件為客戶提供了各式裝配關(guān)系，在對目標產(chǎn)品進行虛擬裝配的過程中，客戶可以根據(jù)裝配需求，分別調(diào)用諸如連接、匹配、插入、軸對齊、固定等相關(guān)命令，使虛擬裝配與產(chǎn)品實際保持一致。裝配過程中的所有的裝配關(guān)系、約束定義以及位置關(guān)系等重要數(shù)據(jù)都保存在產(chǎn)品的信息庫中，在實施仿真的時候可以實時調(diào)用這些重要信息，從而得到正確的圖像數(shù)據(jù)。 在虛擬裝配過程中，將整體看作是由若干零件以及子裝配體組合而成的，遵循從簡易至復(fù)雜，以及從零件到組件的原則。一旦確定了裝配體中各零部件的方向、位置及其層次關(guān)系后，便能建立完整的裝配模型圖?；?Zero-Max 變速器的結(jié)構(gòu)相對簡單，構(gòu)件簡易， 因此，選用由底向上的方式進行裝配，可以簡捷快速地建立每個組件的模擬模型。圖 2.11 所示是 Zero-Max 變速器裝配圖。 19 圖 2.11 Zero-Max 變速器裝配圖 2.3 連桿式無級變速器結(jié)構(gòu) 連桿無級變速器實際結(jié)構(gòu)如圖 2.12 所示，它包括傳動、調(diào)速、輸出三部分機構(gòu)，還 配備有偏心盤和超越離合器。圖 2.12 所示的變速器中，輸入連桿、曲柄、調(diào)速桿、機架 構(gòu)成 1 個四桿機構(gòu)，調(diào)速桿、輸出連桿、輸出搖桿、機架又構(gòu)成 1 個新的四桿機構(gòu)，兩個四桿機構(gòu)組成一個六桿機構(gòu)。這樣，這個六桿機構(gòu)借助偏心盤和超越離合器的支撐，可以把起先的勻速旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)過渡為均擺運動狀態(tài)，最終以單向脈動轉(zhuǎn)動狀態(tài)輸出。如果變速器中僅僅只設(shè)計了一組六桿機構(gòu)，那么輸出軸的旋轉(zhuǎn)就會出現(xiàn)間斷性的不連續(xù)，而且其轉(zhuǎn)速也會發(fā)生間隙性的變化，角速度輸出也極不平穩(wěn)。為了能夠得到平穩(wěn)均勻的脈動輸出， 現(xiàn)實生產(chǎn)中的無級變速器大多裝配了四組相位差為 90°的曲柄搖桿，它們在機構(gòu)中平行裝配，這四組曲柄搖桿并非同時傳遞運動，傳遞轉(zhuǎn)矩的是瞬時角速度最大的一組曲柄搖桿， 四組曲柄搖桿在驅(qū)動方向上互相交替?zhèn)鬟f著。 根據(jù)連桿變速器的機構(gòu)構(gòu)成分析，在四組曲柄搖桿機構(gòu)中，一定存在這樣一組輸出搖桿，在某個瞬間，其瞬時轉(zhuǎn)速達到最大，而且其擺動轉(zhuǎn)速與瞬時輸出轉(zhuǎn)速相等。在工作中， 連桿無級變速器在一定區(qū)間內(nèi)改變機構(gòu)的機架位置，憑借變速器中支點位置的改變，從而實現(xiàn)調(diào)速目的。 圖 2.12 Zero-Max 變速器實際結(jié)構(gòu) 2.4 連桿式變速器工作原理 圖 2.13 連桿變速器工作原理圖 連桿變速器工作原理如圖 2.13 所示，該簡略圖是一個單相的六桿機構(gòu)，從圖中可以看出這個六桿機構(gòu)是由曲柄搖桿 ABCD 以及雙搖桿 DCEF 組合而成的，機構(gòu)中還裝配有偏心盤和單向超越離合器。圖中軸 1 為輸入軸，輸入的驅(qū)動經(jīng)過連桿機構(gòu)和超越離合器的一 系列轉(zhuǎn)換，變換成單向的連續(xù)脈動旋轉(zhuǎn)運動，最終從輸出軸 2 輸出。當需要調(diào)速的時候， 在施加的外力作用下，調(diào)速手輪 5 發(fā)生的轉(zhuǎn)動使蝸桿 4 工作，并驅(qū)動蝸輪 3 發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這樣，固定鉸 D 的位置隨著調(diào)速手輪 5 的變化而改變，使得機架 AD 和 DF 的尺寸也隨之改變，一系列的調(diào)整變化歸結(jié)起來都反映給搖桿 EF，這樣搖桿 EF 擺動也隨之發(fā)生變化，實現(xiàn)無級變速目標。實際生產(chǎn)中，通常使用是連桿組合機構(gòu)，該組合機構(gòu)裝配著有相位差的單向超越離合器，這樣做的目的就是降低輸出的單向旋轉(zhuǎn)運動的脈動率[19]。 事實上，在運用 ADAMS 系統(tǒng)對 Zero-Max 變速器進行虛擬建模的時候，建議把零部件當作質(zhì)點來分析，可以忽略零件本身的質(zhì)量和外部形狀，如果把圖形考慮的過于復(fù)雜， 必將導(dǎo)致模型中存在過多的約束，有些則沒有實際意義，而且反而會增加計算的誤差，降低仿真的成功率。因此，在第 3 章中對 Zero-Max 型無級變速器進行仿真時，將采用其簡化模型，只添加相應(yīng)的約束，定義必要的參數(shù)，以便得到預(yù)期的仿真結(jié)果，達到預(yù)期目標。 第 3 章 Zero-Max 無級變速器的運動仿真 3 Zero-Max 無級變速器的運動仿真 3.1 虛擬樣機技術(shù)和 ADAMS 軟件簡介 虛擬樣機技術(shù)(Virtual Prototyping)是一項計算機輔助工程技術(shù)，1980 年代迅速崛起， 實現(xiàn)了從 2D 圖紙向 3D 實體建模的轉(zhuǎn)化，為研究者提供了機械系統(tǒng)的動態(tài)仿真軟件，其中仿真技術(shù)和機械運動分析是它的核心，廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計的全過程，越來越受到人們的青睞。虛擬樣機技術(shù)是利用計算機模擬輔助功能，把各種前沿的設(shè)計方法以及仿真技術(shù)和評估管理系統(tǒng)融合在一起，對產(chǎn)品進行綜合設(shè)計。它是各種先進技術(shù)的集成，并將這些集成技術(shù)貫穿于產(chǎn)品設(shè)計的整個過程，進行綜合評估。傳統(tǒng)的設(shè)計方法把產(chǎn)品的各個零件割立開來，一個個零件拼接成產(chǎn)品，缺少系統(tǒng)性和整體性，不能保證產(chǎn)品整體性能。虛擬樣機技術(shù)恰恰相反，強調(diào)產(chǎn)品的系統(tǒng)性和整體性，從設(shè)計的全方位綜合考慮問題。虛擬樣機技術(shù)貫穿在產(chǎn)品設(shè)計的整個過程中，并支持產(chǎn)品測試、分析和評價，強調(diào)協(xié)同設(shè)計[19]。 今天，虛擬樣機技術(shù)思想已經(jīng)貫穿機械設(shè)計過程中，是一門應(yīng)用較為廣泛的仿真技術(shù)。研究人員通過計算機虛擬技術(shù)，利用 CAD/CAM/CAE 的輔助功能，將產(chǎn)品的信息導(dǎo)入計算機處理的環(huán)境體系中，實現(xiàn)目標產(chǎn)品的仿真與分析。運行 ADAMS 仿真軟件，可以呈現(xiàn)虛擬環(huán)境下目標產(chǎn)品真實的運動狀態(tài)，如果產(chǎn)品的運動狀態(tài)不理想，不符合要求，說明設(shè)計有瑕疵，研究人員可以非常方便地在計算機上直接修正，經(jīng)過不斷的驗證改進，最終確定最佳設(shè)計方案，然后根據(jù)方案的信息參數(shù)生產(chǎn)物理產(chǎn)品。 傳統(tǒng)的物理樣機是由下至上的設(shè)計過程，先是一個個零部件的設(shè)計，最后把這些零件拼接疊加成一臺整機。這種設(shè)計方式過于注重細節(jié)，關(guān)注零部件的設(shè)計，而恰恰忽視了系統(tǒng)的整體性能，然而，虛擬樣機技術(shù)則是從系統(tǒng)的整體角度分析，是一種由上向下的復(fù)雜的系統(tǒng)開發(fā)模式。因此，在設(shè)計的初始階段，就應(yīng)該運用虛擬樣機技術(shù)對機構(gòu)整體進行完整的分析，通過仿真、評估和結(jié)果分析，了解機構(gòu)各組成部件的運動狀態(tài)。 總之，虛擬樣機技術(shù)從系統(tǒng)整體的層面來設(shè)計產(chǎn)品，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計、測試、評估整個過程，避免了生產(chǎn)物理樣機，不僅過程簡約，而且周期短成本低。 ADAMS 是Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System 的縮寫，由美國Mechanical Dynamics Inc 公司開發(fā)，是使用范圍最廣的機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件，在全球占有率高。ADAMS 軟件是由五個模塊組成，包含著各種各樣的實用性很強的模塊和工具包等。通過這五個部分的組合，使用者可以比較方便地進行仿真作業(yè)，比較容易地建立仿真模型并進行研究分析。在仿真實踐過程中，研究人員首先根據(jù)產(chǎn)品的特征，建立仿真模型，然后施加約束和運動副，在 ADAMS 環(huán)境中運行運動學(xué)分析等特征命令，系統(tǒng)就會輸出位移Φ、角速度ω、角加速度а等動態(tài)的變化曲線，研究人員對這些動態(tài)曲線進行評估。 目前，ADAMS 軟件現(xiàn)在已經(jīng)普遍應(yīng)用于普通機械設(shè)計行業(yè)，另外 ADAMS 軟件還也 應(yīng)用于一些高端技術(shù)領(lǐng)域。ADAMS 軟件不僅可以為使用者在虛擬環(huán)境下非常便利地對樣機進行仿真作業(yè)；而且該軟件也具備機械系統(tǒng)整體動態(tài)仿真分析開發(fā)的功能，它擁有多種接口和開放型的程序結(jié)構(gòu)，可以滿足某些特殊行業(yè)的特殊用戶對整體機械系統(tǒng)的進一步開發(fā)，為用戶提供了便利。同時 ADAMS 軟件能夠與現(xiàn)在常用的CAD 軟件（UG、Pro/ENGINEER、CATIA）和 CAE 軟件（ANSYS 技術(shù)）通過計算機實現(xiàn)圖形文件格式的轉(zhuǎn)換，并能保證數(shù)據(jù)一致性。ADAMS 軟件的開發(fā)與應(yīng)用，為工程的設(shè)計和生產(chǎn)節(jié)省了大量的經(jīng)費和時間， 利用 ADAMS 軟件可以建立參數(shù)化的仿真模型，進行設(shè)計研究，優(yōu)化分析，為整體系統(tǒng)的高度參數(shù)化提供了有效的手段，是一種高效的開發(fā)工具。 3.2 基于ADAMS 建立 Zero-Max 無級變速器虛擬模型 3.2.1 簡化模型 基于 ADAMS 建立 Zero –Max 型無級變速器虛擬模型的時候，如果考慮得因素過于仔細，在零部件上施加較多的不必要約束，這些約束之間勢必會相互影響相互干擾，仿真效果反而會適得其反。所以，為了避免這些干擾因素，得到理想的仿真，操作的時候應(yīng)該簡化零部件約束，兩構(gòu)件之間盡可能用一個運動副來銜接 [21]。又源于 ADAMS 軟件對運動學(xué)進行運動仿真的時候，系統(tǒng)忽略了零件的外觀而僅僅關(guān)注的是零件的質(zhì)心。因此，沒有必要花更多的時間和精力來準確描述零部件的外觀，仿真分析過程中也體現(xiàn)不了實用價值 [22]。綜上，研究者在建模時，應(yīng)該關(guān)注三點：（1）盡可能簡化零件外觀，對零件的質(zhì)心進 行研究，減少零件銜接以避免過多運動副之間的相互影響，這樣可以有效避免計算誤差， （2）產(chǎn)品生產(chǎn)過程中留存的一些次要因素，對仿真結(jié)果影響很小，建議省略，（3）恰如其分地施加一些約束和驅(qū)動，否則，如果在 ADAMS 環(huán)境中添加過多無關(guān)緊要的約束，會增加仿真時間，降低仿真效率 [23]。 Zero-Max 變速器的核心機構(gòu)是曲柄搖桿，為了仿真簡單高效，因此可以忽略零件的外觀而關(guān)注零件的質(zhì)心。圖 3.1 所示的 Zero-Max 無級變速器機構(gòu)簡圖，該六桿機構(gòu)是按照機構(gòu)設(shè)計的相關(guān)尺寸比例而建立的各構(gòu)件機構(gòu)簡圖。 圖 3.1 六桿變速器機構(gòu)簡圖 3.2.2 施加約束和驅(qū)動 按照表 3.2 所示參數(shù)建立六桿無級變速器機構(gòu)簡化模型的基礎(chǔ)上，施加恰當?shù)募s束和 驅(qū)動，形成六桿變速器運動建模示意圖（如圖 3.2 所示）。圖中機構(gòu)的機架與各桿件之間都是用轉(zhuǎn)動副鏈接，用固定副固結(jié)機架與大地。 表 3.2 六桿變速器結(jié)構(gòu)參數(shù)表[24] 長度 r1 r2 r3 r4 r5 單位/mm 25 105 130 205 75 角度 θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 度數(shù)/弧度 0 1.226 2.278 0.144 1.182 在輸入軸的轉(zhuǎn)動副上施加驅(qū)動ω1=157rad/s，得到六桿變速器運動仿真示意圖（如圖 3.3 所示），并驗證模型的運動狀態(tài)是否跟真實運動狀態(tài)符合。由圖 3.2 可知，該簡化模型中 包含了 6 個連桿構(gòu)件、施加了 8 個旋轉(zhuǎn)副以及定義了 2 個固定副。 圖 3.2 六桿變速器運動建模示意圖 圖 3.3 六桿變速器運動仿真示意圖 3.3 運動仿真結(jié)果分析 按照上述六桿無級變速器參數(shù)，創(chuàng)建仿真模型，施加約束，在輸入轉(zhuǎn)動副上添加驅(qū)動ω1=157rad/s，仿真時間設(shè)定為 5 S，步長設(shè)定為 50，在 ADAMS/PostProcessor 環(huán)境中運行， 得到了各桿角加速度а、角速度ω和角位移Φ的仿真曲線（如圖 3.4-3.15）。 圖 3.4 搖桿 BC 角加速度～曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系 圖 3.5 搖桿 CD 角加速度～曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系 圖 3.6 搖桿CE 角加速度～曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系 圖 3.7 搖桿 EF 角加速度～曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系 圖 3.8 搖桿 BC 角速度～曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系 圖 3.9 搖桿 CD 角速度～曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系 圖 3.10 搖桿 CE 角速度～曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系 圖 3.11 搖桿 EF 角速度～曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系 圖 3.12 搖桿 BC 角位移～曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系 圖 3.13 搖桿 CD 角位移～曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系 圖 3.14 搖桿 CE 角位移～曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系 圖 3.15 搖桿EF 角位移～曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系 結(jié)果分析： （1） 從圖 3.4-3.15 可以清晰地看出輸出搖桿 EF 的角加速度а、角速度ω、角位移Φ隨曲柄轉(zhuǎn)角（Crank Angle）變化的曲線。由曲柄轉(zhuǎn)角和搖桿 EF 角位移的測量結(jié)果可得， 當曲柄轉(zhuǎn)過 109.9°時，搖桿 EF 轉(zhuǎn)過最大角度 85.1256°，當曲柄轉(zhuǎn)過 298.3°，搖桿 EF 轉(zhuǎn)過最小角度 59.7115°，故搖桿 EF 的總行程為 25.4141°；由曲柄轉(zhuǎn)角和搖桿 EF 角速度關(guān)系（圖 3.11）的數(shù)據(jù)分析可以知道，輸出搖桿 EF 的最大角速度ωmax=39.1697rad/s， 輸出搖桿 EF 的最小角速度ωmin=-34.3621rad/s，由此可知搖桿 EF 角速度ω的數(shù)值沒有對稱性，我們可以知道該機構(gòu)為非對稱機構(gòu)；另外，搖桿 EF 從最小位置向最大位置轉(zhuǎn)動的時候，曲柄也隨之轉(zhuǎn)過了 140.2°，搖桿 EF 由最大位置向最小位置轉(zhuǎn)動的時候，曲柄也隨之轉(zhuǎn)過了 219.8°。假如工作輸出選定的是輸出軸逆時針旋轉(zhuǎn)（ω為正值），則此環(huán)境體系的行程速比系數(shù) K1=140.2/219.8=0.64；假如工作輸出選定輸出軸順時針旋轉(zhuǎn)（ω為負 值），則此環(huán)境體系的行程速比系數(shù) K2=219.8/140.2=1.57，由此可知該六桿機構(gòu)具有急 回特性。 速度脈動率δ是用來表示變速器輸出角速度脈動性能的物理量，它是反應(yīng)變速器運動性能好壞的指數(shù)。δ值小，表示輸出速度脈動性好，δ值大，表示輸出速度脈動性差。 d=| wmax -wmin | wm 式中：wmax 、wmin ——最大和最小輸出角速度 wm ——平均輸出角速度 （3-1） w = 2wmax +wmin m 3 （3-2） 由圖可得ωmax=39.1697rad/s, ωmin=34.3621rad/s, 代入公式（3-2）可知ω m=37.5672rad/s, 代入公式（3-1）可得δ=0.127973。 （2） 實際生產(chǎn)中，使用的是四相并列六桿機構(gòu)，曲柄搖桿機構(gòu)上裝配有四組相位差為 90°的偏心盤，它們交替轉(zhuǎn)動，搖桿 EF 形成如圖 3.16 a 所示的變化曲線，并且借助輸出軸上裝配的超越離合器隱藏曲線中的正值或負值部分，這樣，如果取 a 中四條曲線的波峰進行疊加合成，則搖桿 EF 的輸出曲線如圖 3.16 b 所示。所以，從搖桿 EF 的輸出曲線可以知道，四相六桿機構(gòu)的速度輸出具有一定的脈動性。 a b 圖 3.16 四相（相位差為 90°）機構(gòu)搖桿 EF 角速度～曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系 四相六桿的速度輸出曲線隨著離合器不同的取向會產(chǎn)生明顯的差異，如果選定離合器的擺桿輸出速度以正值輸出，就得到 3.16 圖中 1 的合成曲線；假如選定離合器的擺桿輸 出速度以負值輸出，就得到 3.16 圖中 2 的合成曲線，通過這兩條輸出曲線的比較，負值 輸出產(chǎn)生的輸出波動顯然比正值輸出產(chǎn)生的輸出波動大許多，曲線 2 速度輸出的平穩(wěn)性較不理想，不符合實際需要。 由圖可知ωmax=34.34rad/s，ωmin=24.85rad/s,代入公式（3-2）可知ωm=31.18rad/s, 代入公式（3-1）可得δ=0.304。 實際工作中，調(diào)速點的位置在某個區(qū)間內(nèi)會隨著工作時間的變化而發(fā)生改變，可以用類似的方法求得速度脈動率，其數(shù)值也是隨之發(fā)生變化的。 綜上，在 ADAMS/View 環(huán)境下，使用者可以運用仿真命令對機構(gòu)進行運動學(xué)仿真， 并在 ADAMS/PostProcessor 環(huán)境下運行，得到的仿真變化曲線簡單直觀， 分析研究機構(gòu)的運動特征就變得簡易高效；研究人員可以清晰地了解變速器的運動狀態(tài), 為分析變速器的運動狀態(tài)提供了方便，為創(chuàng)新改進機構(gòu)和優(yōu)化尺寸參數(shù)奠定了基礎(chǔ)。 29 第 4 章 連桿式變速器的優(yōu)化設(shè)計 4 連桿式變速器的優(yōu)化設(shè)計 4.1 背景分析 在變速器的實際工作中，依靠其傳動裝置，實現(xiàn)輸入轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩向輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。迄今為止，經(jīng)過一些專家學(xué)者的研究，一些變速器的技術(shù)已經(jīng)有了很大進步，性能也有了很大改善，例如在現(xiàn)實中普遍使用的 Zero-Max 和 GUSA 變速器，但它們?nèi)匀淮嬖谝恍┕餐牟蛔悖踔劣行┻€會影響到變速器性能。比如 GUSA 和 Zero-Max 兩種變速器都表現(xiàn)出較大的脈動輸出，而且在調(diào)速過程中不能穩(wěn)定輸出，在持續(xù)變化。例如，當 GUSA 變速器處于低速運動狀態(tài)的時候， 輸出脈動值會較大，甚至可能會達到 50% 左右， Zero-Max 變速器而言，從前一章計算出的速度波動數(shù)據(jù)，可以知道四相并列六桿機構(gòu)的速度波動也達到了 30%，這些數(shù)據(jù)都并不理想。 基于上述原因，筆者從一些關(guān)鍵因素入手研究，利用虛擬樣機技術(shù)，優(yōu)化無級變速器的結(jié)構(gòu)，努力設(shè)計一種新的變速器，使之脈沖機構(gòu)與調(diào)速機構(gòu)相分離。新設(shè)計的變速器要盡可能做到速度輸出保持穩(wěn)定，且輸出速度的波動值在 1%左右，并借助 ADAMS 軟件中的優(yōu)化設(shè)計功能進行不斷的設(shè)計與驗證，以獲得最佳設(shè)計。圖 4-1 所示的是筆者設(shè)計的八桿變速器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中脈沖與調(diào)速機構(gòu)實行了分離。 圖 4-1 八桿變速器結(jié)構(gòu)示意圖 4.2 設(shè)計思路 為了保證輸出轉(zhuǎn)速最大，應(yīng)該根據(jù)曲柄搖桿的急回特性來優(yōu)化四桿機構(gòu)，在優(yōu)化設(shè)計的過程中，要確保在工作周期中曲柄有恰當?shù)膫鲃咏?，只有這樣，在工作行程中，曲柄搖 桿才能確保有比較理想的運動性能。 為了達到設(shè)計要求和滿意的性能，為了完成分離調(diào)速與脈沖機構(gòu)之目的，采取曲柄滑塊后置的方法。在設(shè)計的過程中，需要滿足以下條件：（1）滑塊在工作行程中有一段平穩(wěn)的速度變化，速度波動不超過20%，（2）將滑塊的移動依靠二級桿組轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動輸出， 并定義其轉(zhuǎn)速為300r/min，（3）圖中HG連桿長度雖然取決于滑塊移動時的速度，但為了結(jié)構(gòu)緊湊，一般在60mm-70mm這一區(qū)間范圍內(nèi)選擇，（4）曲柄滑塊應(yīng)有比較理想的動力學(xué)性能，滿足機構(gòu)要求。本設(shè)計與原來的設(shè)計思路不同，設(shè)計先后順序發(fā)生了變化， 這種設(shè)計思路更可靠，不但能夠確保轉(zhuǎn)速的有效輸出，而且還能有效地降低系統(tǒng)誤差。 對于影響滑塊輸出速度穩(wěn)定性的一些重要參數(shù)，一方面可以通過ADAMS軟件優(yōu)化得到，另一方面還可以根據(jù)機構(gòu)圖通過數(shù)學(xué)解析法求出。 如圖4-1簡圖，設(shè)角CDF為θ，輸入勻速運動，ω為搖桿輸出角速度。A為原點，B點坐標：（Bx，By）；C點坐標：（Cx，Cy） Bx = l1 cos(wt) By = l1 sin(wt) Cx = l6 -l 3cos(180° -q) Cy = l3 sin(q) 2 6 l 2 = (Cx - Bx)2 + (Cy - By)2 = (l + l3 cos(q) - l1 cos(wt))2 + (l sin(q) - l sin(wt))2 1 3 化簡得 l 2 = l 2 + l 2 + l 2 + 2l l cos(q) - 2l l cos(wt) - 2l l  cos(q-wt) 2 6 3 1 6 3 6 1 1 3 將q對時間t求導(dǎo)得 w= dq = l1w(l6 sin(wt) - l3 sin(q-wt)) dt l6l3 sin(q) - l1l3 sin(q-wt) 前置的曲柄搖桿機構(gòu)可以根據(jù)設(shè)計要求來確定，四桿機構(gòu)中 L1，L2，L3，L6 的長度保持不變。從上述數(shù)學(xué)解析式可以看出，搖桿角速度ω與θ有著一定的數(shù)學(xué)推導(dǎo)關(guān)系，從中可以看出，機構(gòu)角和曲柄滑塊本身是決定滑塊速度輸出的兩個重要因素。 通過解析計算和ADAMS的仿真驗證，設(shè)計了一種八桿變速器，其機構(gòu)尺寸如表4-1 所示。 表 4-1 八桿變速器機構(gòu)尺寸參數(shù) 機構(gòu)長度 L1 L2 L3 L4 L5 L6 DF HG 單位 /mm 25 89.4 100 48.8 65 150 150 65 機構(gòu)角度 θ4=60° 4.3 八桿變速器的結(jié)構(gòu)及工作原理 由前一章的仿真分析知道，輸出速度的波動直接受到脈沖機構(gòu)的急回特性影響。因此， 在變速器的設(shè)計過程中要實現(xiàn)輸出速度波動的降低，脈沖發(fā)生機構(gòu)的設(shè)計顯得至關(guān)重要。如 Zero-Max 變速器在調(diào)整機架尺寸的過程中，行程速比 K 也在隨之發(fā)生改變，正因為這一原因造成了脈動值很大（即速度波動值很大）。因此，本設(shè)計把調(diào)速機構(gòu)與曲柄搖桿脈動發(fā)生機構(gòu)進行分離，盡可能保證調(diào)速結(jié)構(gòu)不影響急回特性，從而有效地降低速度脈動值。該設(shè)計一方面分離了調(diào)速結(jié)構(gòu)和脈沖機構(gòu)；另一方面選用對心式的曲柄滑塊機構(gòu)，因其偏心距 e=0，不會產(chǎn)生急回特性，用它來進行調(diào)速，不會對系統(tǒng)的急回特性產(chǎn)生影響，所以前置四桿機構(gòu)中的曲柄搖桿決定了系統(tǒng)的急回特性，而且前置四桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸是定值不會變化，因此在整個調(diào)速過程中，八桿機構(gòu)的急回特性保持不變，速度輸出也很穩(wěn)定。對心式曲柄滑塊跟前置的四桿機構(gòu)是串聯(lián)銜接，再選擇合適的機構(gòu)角θ，工作行程中，就能確?；瑝K的運動狀態(tài)與前置搖桿保持統(tǒng)一，借助二級桿組的工作，實現(xiàn)滑塊的直線運動向轉(zhuǎn)動輸出的轉(zhuǎn)變。在八桿結(jié)構(gòu)模型基本確定后，為了使 G 點的運動狀態(tài)和滑塊的運動狀態(tài)基本相同，應(yīng)該保證構(gòu)件 HG 在豎直方向來回均擺，并使構(gòu)件 HG 擺動弦長