連桿式無級變速器創(chuàng)新設(shè)計

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1、（命題要求，內(nèi)容要求，格式要求，其它要求，等等） １、 試卷完成時間：不得遲于2012年6月29號。 ２、考試方式、分制與分?jǐn)?shù)解釋 采用提交設(shè)計/論文的方式，成績按優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五級制評定。 ３、開卷考試要求： (1)試卷采用B4紙質(zhì)橫向排版，論文或設(shè)計、字?jǐn)?shù)不少于3000。 (2)設(shè)計/論文必須橫排。 (3)必須獨立完成，若有雷同，均按零分處理。 ４、下列內(nèi)容： (1)運用創(chuàng)造原理與創(chuàng)新技法進行機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計 (2)反求設(shè)計與技術(shù)引進的應(yīng)用 (3)原理方案的創(chuàng)新設(shè)計 (4)其他形式的創(chuàng)新設(shè)計或論文亦可 ;利用虛擬樣機技術(shù)的

2、連桿式無級變速器創(chuàng)新設(shè)計 脈沖發(fā)生機構(gòu)速度波動的大小，顯著影響無級變速器的動力學(xué)性能。基于這一點，本文從這一關(guān)鍵因素入手，力求找到一速度波動值較小在調(diào)速過程中且基本保持不變的機構(gòu)。設(shè)計中把調(diào)速構(gòu)件與脈沖發(fā)生機構(gòu)分離，在調(diào)速過程中機構(gòu)的行程速比系數(shù)基本保持不變。 隨著計算機技術(shù)和數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展，虛擬樣機技術(shù)也應(yīng)運而生，已經(jīng)成為與物理樣機實驗同樣重要的研究手段。機械工程中又把虛擬樣機技術(shù)稱為多體機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)。其中最優(yōu)秀的虛擬樣機軟件是由美國MDI公司開發(fā)的ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）。它是集建模、求解、

3、可視化技術(shù)于一體的虛擬陽極軟件。使用這套軟件可以產(chǎn)生復(fù)雜系統(tǒng)的虛擬樣機，真實的仿真其運動過程，并且可以迅速地分析和比較多種參數(shù)方案，直至獲得優(yōu)化的工作性能，從而大大的減少了昂貴的物理樣機制造的次數(shù)，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，大幅度地縮短了產(chǎn)品研制周期和費用。本文就是利用ADAMS軟件來優(yōu)化設(shè)計一種新型的機械式脈動無級變速器，以獲得最佳的動力學(xué)、運動學(xué)性能，滿足實際的設(shè)計要求。 機械式無級變速器實際上是一種傳動裝置，它將輸入軸輸入轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速變換成工程中所需要的輸出軸的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。之前已經(jīng)有很多成熟的無級變速器的結(jié)構(gòu)，如德國的GUSA型無級變速器，美國的ZERO-MAX型脈動無級變速器等，雖然這些無級變

4、速器在實際當(dāng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但也存在一些共同的缺陷，主要是其脈動值較大，而且調(diào)速過程中是變化的，越是低速，脈動值越大。如GUSA型無級變速器在低速狀態(tài)時，它的速度波動可達到50%左右，這不是很理想的數(shù)據(jù)。速度波動值的大小顯著影響變速器的動力學(xué)性能，基于這一點，本文從這一關(guān)鍵因素入手，力求找到一速度波動值較小在調(diào)速過程中且基本保持不變的機構(gòu)。經(jīng)反復(fù)的設(shè)計和驗證，得到1-1所示的脈沖發(fā)生機構(gòu)，其速度波動控制在20%以下，在整個調(diào)速過程中速度波動的變化不超過1%，達到了預(yù)期的要求。 1 新型脈沖發(fā)生機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點及工作原理 脈沖發(fā)生機構(gòu)的設(shè)計是機械式無級變速器設(shè)計的最關(guān)鍵的部分，脈沖發(fā)生

5、機構(gòu)的急回特性直接關(guān)系到輸出軸的速度波動。以前如GUSA型變速器通過不斷的改變機架的長度來進行調(diào)速，在這一過程中，脈沖發(fā)生機構(gòu)的急回特性發(fā)生了變化（即行程速比系數(shù)（K）一直變化），正是由于這一原因，造成了在低速狀態(tài)時速度波動可達到50%。鑒于此，本設(shè)計采取把影響速度波動的具有急回特性的脈沖發(fā)生機構(gòu)與調(diào)速構(gòu)件分離。在調(diào)速過程中調(diào)節(jié)的是曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄，而我們知道對心式的曲柄滑塊機構(gòu)是沒有急回特性的，該機構(gòu)的急回特性主要取決于前置曲柄搖桿機構(gòu)，而在調(diào)速過程中該機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸沒有變化，因此急回特性保持不變。由于采用的是串聯(lián)對心式曲柄滑塊機構(gòu)，通過恰當(dāng)設(shè)計其結(jié)構(gòu)角θ4使前置機構(gòu)的搖桿的運動規(guī)律和滑塊

6、的運動學(xué)規(guī)律變化趨勢一致。在把滑塊的移動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動輸出時采用二級桿組與滑塊串聯(lián)，如1-1圖所示。在進行尺寸設(shè)計時，應(yīng)使構(gòu)件HG在豎直平面內(nèi)繞垂直于水平面的軸線對稱擺動，使構(gòu)件HG擺動弧線對應(yīng)的弦和滑塊擺動弧線對應(yīng)的弦和滑塊的移動距離相等，因此構(gòu)件G點的運動規(guī)律和滑塊的運動規(guī)律基本相同。 該機構(gòu)的最大特征是在調(diào)速過程中速度波動基本上保持不變，加之高速部分的曲柄搖桿機構(gòu)全為轉(zhuǎn)動副，這就有利于提高整機的輸出運動的穩(wěn)定性，減小振動，提高機械效率。由于后置的曲柄滑塊機構(gòu)曲柄長度的變化將導(dǎo)致滑塊運動規(guī)律的微小變化故輸出速度波動有一定的變化，但對整個速度波動的影響是很有限的，整個調(diào)速過程中其影響不超過1%

7、。 2 新型脈動無級變速器的基本技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)參數(shù) 基本技術(shù)指標(biāo)： 輸入轉(zhuǎn)速：n0=1500r/min; 輸入功率：P=1.5Kw; 行程速比系數(shù)：K=2； 速度波動：δ<18%; 輸出轉(zhuǎn)速范圍：0～300r/min; 并根據(jù)功率及超越離合器的尺寸，輸出桿取值范圍60mm

8、動力學(xué)性能，即在曲柄旋轉(zhuǎn)的一個周期中有較大的傳動角，尤其是在工作行程中有較大的傳動角。設(shè)計曲柄滑塊機構(gòu)時必須滿足三個約束條件：第一，滑塊在慢行程（工作行程）中有一段速度變化平穩(wěn)，近似直線，該裝置采用四套機構(gòu)并聯(lián)而成，故曲柄滑塊機構(gòu)在慢行程中至少有900比較平穩(wěn)，速度波動不能超過18%。第二，滑塊的移動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動是依靠串接一RRR桿組，為了方便以后結(jié)構(gòu)化，必須滿足桿HG的長度在60mm-70mm之間，同時把滑塊移動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動時也必須滿足轉(zhuǎn)速為300r/min。第三，曲柄滑塊機構(gòu)具有較好的動力學(xué)性能。這種從前至后的設(shè)計思路與之前由后而前的設(shè)計相比更精確，更能保證輸出轉(zhuǎn)速，誤差可降低到最小。由于輸出

9、桿HG有一定的可調(diào)范圍，可根據(jù)滑塊工作段時的速度來確定一相應(yīng)的長度，但必須在上述規(guī)定的范圍之內(nèi)。 可通過運動分析解析法來找到影響機構(gòu)中滑塊輸出速度穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，然后，利用ADAMS虛擬樣機技術(shù)來優(yōu)化這幾個關(guān)鍵因素得到最佳的輸出。 如上圖1-1，設(shè)角CDF為θ，以A為坐標(biāo)原點，輸入轉(zhuǎn)速為勻轉(zhuǎn)速運動，ω恒定。B點坐標(biāo)：（Bx，By）；C點坐標(biāo)：（Cx，Cy） 由于曲柄搖桿機構(gòu)根據(jù)急回特性和動力學(xué)的要求很容易確定。所以L1,L2,L3,L6都是定值。由④，⑤可以看到dθ/dt=ω，搖桿的角速度ω與θ關(guān)系很密切，從圖1-1可以看到，既然四桿機構(gòu)確定，則影響曲柄滑塊機構(gòu)輸出的關(guān)鍵因素在于機構(gòu)角

10、θ4及曲柄滑塊機構(gòu)本身。 3.2 具有急回特性的曲柄搖桿的優(yōu)化設(shè)計 4結(jié)論 本論文在綜合多種脈動式無級變速器結(jié)構(gòu)和特點的基礎(chǔ)上，從一個新的角度對無級變速器脈沖發(fā)生機構(gòu)進行了原理結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，設(shè)計出一種新型結(jié)構(gòu)的無級變速器，并對其進行了運動學(xué)分析和動力學(xué)分析，表明所設(shè)計的方案達到了預(yù)期的目的，是可行的，其設(shè)計的思路與方法，對脈沖發(fā)生機構(gòu)的設(shè)計有一定的普遍意義。該無級變速器是由4套8桿機構(gòu)并聯(lián)而成，整體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但均是低副結(jié)構(gòu)，易于制造。再進一步采取消除過約束的措施，還將進一步降低其制造精度與成本，有較好的應(yīng)用前景。 5 參考文獻 1、機械無級變速器，周有強，北京機械工業(yè)出版社，2001 2、 ADAMS虛擬樣機技術(shù)入門與提高，鄭建榮，北京工業(yè)出版社，2001 3、機械原理，黃茂林，秦偉等，北京機械工業(yè)出版社，2002 4、機械無級變速器設(shè)計和選用指南，阮忠唐，化學(xué)工業(yè)出版社 5、關(guān)于機械無級變速器的優(yōu)化設(shè)計的研究生論文，杜力，重慶大學(xué) 6、機械原理手冊，機械工業(yè)出版社，1993.6 7、機械動力學(xué)，張策，高等教育出版社2000.4