連桿式無級(jí)變速器創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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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(shí)間：不得遲于2012年6月29號(hào)。 ２、考試方式、分制與分?jǐn)?shù)解釋 采用提交設(shè)計(jì)/論文的方式，成績(jī)按優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五級(jí)制評(píng)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(jì)、字?jǐn)?shù)不少于3000。 (2)設(shè)計(jì)/論文必須橫排。 (3)必須獨(dú)立完成，若有雷同，均按零分處理。 ４、下列內(nèi)容： (1)運(yùn)用創(chuàng)造原理與創(chuàng)新技法進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì) (2)反求設(shè)計(jì)與技術(shù)引進(jìn)的應(yīng)用 (3)原理方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì) (4)其他形式的創(chuàng)新設(shè)計(jì)或論文亦可 ;利用虛擬樣機(jī)技術(shù)的

2、連桿式無級(jí)變速器創(chuàng)新設(shè)計(jì) 脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)速度波動(dòng)的大小，顯著影響無級(jí)變速器的動(dòng)力學(xué)性能?；谶@一點(diǎn)，本文從這一關(guān)鍵因素入手，力求找到一速度波動(dòng)值較小在調(diào)速過程中且基本保持不變的機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)中把調(diào)速構(gòu)件與脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)分離，在調(diào)速過程中機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)基本保持不變。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，已經(jīng)成為與物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)同樣重要的研究手段。機(jī)械工程中又把虛擬樣機(jī)技術(shù)稱為多體機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)。其中最優(yōu)秀的虛擬樣機(jī)軟件是由美國(guó)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(jī)，真實(shí)的仿真其運(yùn)動(dòng)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(jī)制造的次數(shù)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，大幅度地縮短了產(chǎn)品研制周期和費(fèi)用。本文就是利用ADAMS軟件來優(yōu)化設(shè)計(jì)一種新型的機(jī)械式脈動(dòng)無級(jí)變速器，以獲得最佳的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，滿足實(shí)際的設(shè)計(jì)要求。 機(jī)械式無級(jí)變速器實(shí)際上是一種傳動(dòng)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(jí)變速器的結(jié)構(gòu)，如德國(guó)的GUSA型無級(jí)變速器，美國(guó)的ZERO-MAX型脈動(dòng)無級(jí)變速器等，雖然這些無級(jí)變

4、速器在實(shí)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(dòng)值較大，而且調(diào)速過程中是變化的，越是低速，脈動(dòng)值越大。如GUSA型無級(jí)變速器在低速狀態(tài)時(shí)，它的速度波動(dòng)可達(dá)到50%左右，這不是很理想的數(shù)據(jù)。速度波動(dòng)值的大小顯著影響變速器的動(dòng)力學(xué)性能，基于這一點(diǎn)，本文從這一關(guān)鍵因素入手，力求找到一速度波動(dòng)值較小在調(diào)速過程中且基本保持不變的機(jī)構(gòu)。經(jīng)反復(fù)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，得到1-1所示的脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)，其速度波動(dòng)控制在20%以下，在整個(gè)調(diào)速過程中速度波動(dòng)的變化不超過1%，達(dá)到了預(yù)期的要求。 1 新型脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理 脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是機(jī)械式無級(jí)變速器設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵的部分，脈沖發(fā)生

5、機(jī)構(gòu)的急回特性直接關(guān)系到輸出軸的速度波動(dòng)。以前如GUSA型變速器通過不斷的改變機(jī)架的長(zhǎng)度來進(jìn)行調(diào)速，在這一過程中，脈沖發(fā)生機(jī)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(shí)速度波動(dòng)可達(dá)到50%。鑒于此，本設(shè)計(jì)采取把影響速度波動(dòng)的具有急回特性的脈沖發(fā)生機(jī)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(jī)構(gòu)的曲柄，而我們知道對(duì)心式的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是沒有急回特性的，該機(jī)構(gòu)的急回特性主要取決于前置曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，而在調(diào)速過程中該機(jī)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(duì)心式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，通過恰當(dāng)設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)角θ4使前置機(jī)構(gòu)的搖桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和滑塊

6、的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律變化趨勢(shì)一致。在把滑塊的移動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)輸出時(shí)采用二級(jí)桿組與滑塊串聯(lián)，如1-1圖所示。在進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)稱擺動(dòng)，使構(gòu)件HG擺動(dòng)弧線對(duì)應(yīng)的弦和滑塊擺動(dòng)弧線對(duì)應(yīng)的弦和滑塊的移動(dòng)距離相等，因此構(gòu)件G點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本相同。 該機(jī)構(gòu)的最大特征是在調(diào)速過程中速度波動(dòng)基本上保持不變，加之高速部分的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)全為轉(zhuǎn)動(dòng)副，這就有利于提高整機(jī)的輸出運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，減小振動(dòng)，提高機(jī)械效率。由于后置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄長(zhǎng)度的變化將導(dǎo)致滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律的微小變化故輸出速度波動(dòng)有一定的變化，但對(duì)整個(gè)速度波動(dòng)的影響是很有限的，整個(gè)調(diào)速過程中其影響不超過1%

7、。 2 新型脈動(dòng)無級(jí)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(dòng)：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(dòng)力學(xué)性能，即在曲柄旋轉(zhuǎn)的一個(gè)周期中有較大的傳動(dòng)角，尤其是在工作行程中有較大的傳動(dòng)角。設(shè)計(jì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)時(shí)必須滿足三個(gè)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(jī)構(gòu)并聯(lián)而成，故曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在慢行程中至少有900比較平穩(wěn)，速度波動(dòng)不能超過18%。第二，滑塊的移動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)度在60mm-70mm之間，同時(shí)把滑塊移動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也必須滿足轉(zhuǎn)速為300r/min。第三，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有較好的動(dòng)力學(xué)性能。這種從前至后的設(shè)計(jì)思路與之前由后而前的設(shè)計(jì)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(shí)的速度來確定一相應(yīng)的長(zhǎng)度，但必須在上述規(guī)定的范圍之內(nèi)。 可通過運(yùn)動(dòng)分析解析法來找到影響機(jī)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(jī)技術(shù)來優(yōu)化這幾個(gè)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(diǎn)，輸入轉(zhuǎn)速為勻轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，ω恒定。B點(diǎn)坐標(biāo)：（Bx，By）；C點(diǎn)坐標(biāo)：（Cx，Cy） 由于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)根據(jù)急回特性和動(dòng)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(jī)構(gòu)確定，則影響曲柄滑塊機(jī)構(gòu)輸出的關(guān)鍵因素在于機(jī)構(gòu)角

10、θ4及曲柄滑塊機(jī)構(gòu)本身。 3.2 具有急回特性的曲柄搖桿的優(yōu)化設(shè)計(jì) 4結(jié)論 本論文在綜合多種脈動(dòng)式無級(jí)變速器結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從一個(gè)新的角度對(duì)無級(jí)變速器脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)進(jìn)行了原理結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種新型結(jié)構(gòu)的無級(jí)變速器，并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，表明所設(shè)計(jì)的方案達(dá)到了預(yù)期的目的，是可行的，其設(shè)計(jì)的思路與方法，對(duì)脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定的普遍意義。該無級(jí)變速器是由4套8桿機(jī)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(jìn)一步采取消除過約束的措施，還將進(jìn)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(xiàn) 1、機(jī)械無級(jí)變速器，周有強(qiáng)，北京機(jī)械工業(yè)出版社，2001 2、 ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高，鄭建榮，北京工業(yè)出版社，2001 3、機(jī)械原理，黃茂林，秦偉等，北京機(jī)械工業(yè)出版社，2002 4、機(jī)械無級(jí)變速器設(shè)計(jì)和選用指南，阮忠唐，化學(xué)工業(yè)出版社 5、關(guān)于機(jī)械無級(jí)變速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究生論文，杜力，重慶大學(xué) 6、機(jī)械原理手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社，1993.6 7、機(jī)械動(dòng)力學(xué)，張策，高等教育出版社2000.4