凸輪-連桿式無級變速裝置的設計及仿真

1、<p>　　凸輪-連桿式無級變速裝置</p><p><b>　　的設計及仿真</b></p><p><b>　　中國·珠海</b></p><p><b>　　二○一二年五月</b></p><p>　學 院：專 業(yè)：姓 名：指導老師：

2、機械與車輛學院</p><p>　機械工程及自動化</p><p>　簡毅俊學 號：職 稱：080401041015</p><p>　丁洪生、王立濤教 授</p><p><b>　　畢業(yè)設計誠信承諾書</b></p><p>　　本人鄭重承諾：本人承諾呈交的畢業(yè)設計《凸輪-連桿式

3、無級變速裝置的設計及仿真》是在指導教師的指導下，獨立開展研究取得的成果，文中引用他人的觀點和材料，均在文后按順序列出其參考文獻，設計使用的數據真實可靠。</p><p>　　本人簽名： </p><p>　　日期： 年 月 日</p><p>　　凸輪-連桿式無級變速裝置的設計及仿真</p><p&

4、gt;<b>　　摘 要</b></p><p>　　機械無級變速器（Continuously Variable Transmission，簡稱CVT）是適合現(xiàn)代生產工藝流程機械化、自動化發(fā)展以及改善機械工作性能的一種通用傳動裝置。其功能主要是：在輸入轉速不變的情況下，能實現(xiàn)輸出軸的轉速在一定范圍內連續(xù)變化，以滿足機器或生產系統(tǒng)在運轉過程中不同工況的要求。其中脈動式無級變速器以其結構簡單、

5、傳動可靠而得到廣泛應用。它主要由傳動機構、輸出機構(超越離合器)和調速機構幾個基本部分組成。本設計采用由凸輪連桿組合式機構作為傳動機構，單向超越離合器為輸出機構組成的脈動式無級變速裝置，該設計裝置通過改變揺塊支點的位置來實現(xiàn)無級變速的要求。</p><p>　　關鍵詞：凸輪-連桿；脈動式無級變速器；單向超越離合器；結構設計；運動學仿真 </p><p>　　A design of Cam-

6、linkage Continuously Variable Transmission</p><p>　　and its simulation</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Mechanical continuously variable transmission (Abbr. CVT) is sui

7、table for the modern production process mechanization and the development of automation and it’s a common Transmission to improve the mechanical performance. Its main function is: in the case of constant input speed, the

8、 continuous change of the output shaft speed within a certain range in order to meet the requirements of the machine or production system under different working conditions during operation. Pulse CVT is widely used <

9、/p><p>　　Keywords: Cam-linkage; Pulse CVT; One-way Overrunning Clutch; structural design; kinematic simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　引 言1</b></

10、p><p><b>　　第1章 緒論2</b></p><p>　　1.1本課題的研究目的及意義3</p><p>　　1.2本課題在國內外的發(fā)展概況及存在的問題3</p><p>　　1.3本課題的研究內容及應解決的主要問題4</p><p>　　第2章 凸輪-連桿式無級變速裝置方案設計

11、5</p><p><b>　　2.1設計原理5</b></p><p>　　2.2執(zhí)行機構方案設計6</p><p>　　2.2.1分析問題...................................................................................................

12、.............6</p><p>　　2.2.2設計過程................................................................................................................6</p><p>　　第3章 基于Pro/E軟件環(huán)境下凸輪-連桿式無級變速器的運動仿真9<

13、;/p><p>　　3.1已知設計條件及參數9</p><p>　　3.2結構參數的確定9</p><p>　　3.3運動仿真12</p><p>　　第4章 基于AutoCAD軟件環(huán)境下的機構設計16</p><p>　　4.1凸輪-連桿機構的設計16</p><p>　　4.2箱體的

14、設計17</p><p>　　第5章 結論與展望18</p><p><b>　　參考文獻19</b></p><p><b>　　致 謝20</b></p><p><b>　　附 錄21</b></p><p>　　附錄1 表格2

15、1</p><p>　　附錄2 英文文獻翻譯22</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　無級變速傳動是指在某種控制的作用下，使機器的輸出軸轉速可在兩個極值范圍內連續(xù)變化的傳動方式。無級變速器是一種獨立的傳動部件，它具有輸入和輸出兩根軸，通過能傳遞轉矩的中間介質（固體、流體、電磁流）將輸入、輸出軸直接或間接地聯(lián)系起

16、來，以傳遞動力。當對輸入、輸出軸的聯(lián)系關系進行控制時，即可使兩軸間的傳動比在兩個極值范圍內連續(xù)而任意地變化。用固體、流體作為中間介質的變速器分別稱為機械無級變速器和液壓（力）無級變速器。電力無級變速傳動實際上是通過不同的電氣控制系統(tǒng)對交流電動機和直流電動機的控制（改變磁通、電壓、電流或頻率），分別稱為直流調速和交流調速；這種變速方式不存在輸入軸（與一次動力機的調速相仿），它們的恒功率特性差。無級變速傳動和定傳動比、有級變速傳動相比，能夠

17、根據工作需要在一定范圍內連續(xù)變換速度，以適應輸出轉速和外界負荷變化的要求，而且恒功率特性好，因而在現(xiàn)代機械傳動領域內占有重要地位。近年來，為了擴大無級變速傳動的調速比（范圍）、傳動功率或過零調速，控制式無級變速傳動——用無級變速器作為封閉機構去封閉二自由度差動輪系的兩個基本構件所得的單自由度行星無級變速器，已成為研究熱點之一，通常稱</p><p>　　無級變速傳動主要用于下列場合：</p><

18、;p>　?。?）為適應工藝參數多變或輸出轉速連續(xù)變化的要求，運轉中需經常或連續(xù)地改變速度，但不應在某一固定速度下長期運轉，如機床、卷繞機、車輛和攪拌機等；</p><p>　?。?）探求最佳工作速度，如試驗機、自動線等；</p><p>　?。?）幾臺機器或一臺機器的幾個部分協(xié)調運轉；</p><p>　　（4）緩速起動以合理利用動力，通過調速以快速越過共振區(qū)

19、；</p><p>　?。?）車輛變速箱，可節(jié)省燃料約9％，縮短加速時間，簡化操作。</p><p>　　如采用液力偶合器、液力變矩器或液體粘性傳動無級變速器，則有吸振、緩沖和自適應性。</p><p>　　采用無級變速傳動有利于簡化變速傳動結構、提高生產率和產品質量、合理利用動力和節(jié)能、便于實現(xiàn)遙控及自動控制，同時也減輕了操作人員的勞動強度。</p>

20、<p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　機械無級變速器是由變速傳動機構、調速機構以及加壓裝置或輸出機構三部分組成的一種傳動裝置，其功能特征主要是：在輸入轉速不變的情況下，能實現(xiàn)輸出軸的轉速在一定范圍內連續(xù)變化，以滿足機器或生產系統(tǒng)在運轉過程中各種不同工況的要求。</p><p>　　它在配合減速器傳動時可進一步擴大變速范圍與輸出轉矩

21、，對提高產品的產量，適應產品變換需要，節(jié)約能源，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的機械化、自動化等各方面皆具有顯著的效果。故無級變速器目前已成為一種通用的傳動元件，在各工業(yè)部門已獲得廣泛應用。</p><p>　　機械無級變速器最初是在19世紀70年代出現(xiàn)的，由于當時受材質與工藝方面的條件限制，發(fā)展緩慢。直到20世紀70年代以后，一方面隨著先進的冶煉和熱處理技術，精密加工和數控機床以及牽引傳動理論與油品的出現(xiàn)和發(fā)展，解決了研制和生產

22、無級變速器的限制因素；另一方面，隨著生產工藝流程實現(xiàn)機械化、自動化以及要求改進機械工作性能，需要大量采用無級變速器。因此在這種形勢下，機械無級變速器獲得迅速和廣泛的發(fā)展。主要研制和生產的國家有日本、德國、意大利、美國和俄國等。產品有摩擦式、鏈式、帶式及脈動式四大類約30多種結構型式。輸人功率一般為N= (0.09—30)kW，個別類型可達到N=(150—175) kW，輸人轉速一般為n=(750，1500，3000)r/min ；輸出轉

23、速可以正、反轉，增速或降速，最低轉速可降低至零。自20世紀80年代以后，機械無級變速器的主要發(fā)展趨向是美、日等國家進行用于汽車的高速、高效、大轉矩機械無級變速器的研制開發(fā)。</p><p>　　按照機械特性的不同，無級變速傳動可分成三類。</p><p>　?。╨）恒功率型：這種傳動的輸出轉矩與輸出轉速成反比關系，輸出功率恒定不變，這種特性的經濟性好；機床的主傳動系統(tǒng)、恒張力卷繞裝置、試驗

24、裝置和某些起重運輸機械的傳動需要這種特性。</p><p>　?。?）恒轉矩型：其輸出轉矩不隨轉速變化，而輸出功率與輸出轉速呈正比關系；機床的進給系統(tǒng)、某些工藝輸送帶（烘干、酸洗、染色等）和某些運輸機的傳動需要這種特性。</p><p>　?。?）變轉矩、變功率型：輸出轉矩和功率均隨輸出轉速變化，例如紡織工業(yè)中的經紗卷繞裝置和某些攪拌裝置的傳動就是使用這種特性。</p>&l

25、t;p>　　按傳動方式的不同可以分為：鏈式、摩擦式、帶式和脈動式四大類。本設計采用的是脈動式，脈動式無級變速器是機械式無級變速器中重要的一種，它是由連桿(或凸輪)、單向超越離合器等機構聯(lián)合構成的一種組合機構。由于傳動部分采用幾何封閉的低副機構，因此具有工作可靠、承載能力高，可實現(xiàn)大范圍變速的要求，且最低輸出轉速可以為零，調速方便等優(yōu)點。作為機械無級變速器的一種主要類型，脈動式無級變速器近些年來發(fā)展較快，在石化、農業(yè)、醫(yī)藥、食品、化

26、工等行業(yè)有了廣泛的應用，并且顯示了較為樂觀的發(fā)展前景[1]。</p><p>　　1.1本課題的研究目的及意義</p><p>　　脈動無級變速器與摩擦類無級變速器相比，有以下特點：傳動可靠、壽命長、變速范圍大、最低輸出轉速可為零、調速性能穩(wěn)定、靜止和運動時均可調速、結構較簡單、制造較容易，因而近年來發(fā)展較快。但它還存在著有待進一步解決的問題，例如：調速范圍再擴大之后，在結構和便用上如何實

27、現(xiàn)增速變速傳動和采用復合式超越離合器；高速輸出時不平衡慣性力所引起的振動增大，如何避免共振現(xiàn)象；低速輸出時脈動不均勻性顯著增加；如何提高單向超越離合器的承載能力和抗沖擊能力等。</p><p>　　脈動式無級變速器應用廣泛，有較好的發(fā)展前景，但有其局限性，值得進行研究，使其應用更廣泛。本課題的研究目的是借助于先進的機械現(xiàn)代設計理論與方法，并結合CAD/CAE技術開發(fā)出具有更好運動學與動力學性能的脈動無極變速器。&

28、lt;/p><p>　　1.2本課題在國內外的發(fā)展概況及存在的問題</p><p>　　國內機械無級變速器基本上是在20世紀60年代前后起步，到80年代中期以后，隨著國外先進設備的大量引進，工業(yè)生產現(xiàn)代化及自動流水線的迅速發(fā)展，對各種類型機械無級變速器的需求大幅度增加，專業(yè)廠開始建立并進行規(guī)模化生產，一些高等院校也開展了該領域的研究工作。經過十幾年發(fā)展，現(xiàn)在，國內機械無級變速器行業(yè)從研制、生產

29、、到情報信息各方面已組成一個較完整的體系，發(fā)展為機械領域中一個新興行業(yè)。</p><p>　　國際上，在機械式脈動無級變速器領域，目前以德國、美國和日本的技術水平較高，其成熟技術以德國的GUSA型及美國的ZERO—MAX型系列產品為代表。</p><p>　　GUSA型,國內稱為三相并列連桿脈動無級變速器，分為GUSA I型(三相偏置搖塊)和改進的GUSAⅡ型(三相對心搖塊)兩種。GUSA

30、 I型最早由德國Heinrich Gensheimer＆Sohne機器制造公司在50年代推出，之后該公司在80年代又對其加以改進推出了GUSAⅡ型變速器，GUSAⅡ型是目前性能最為優(yōu)良的脈動式無級變速器。其變速范圍寬，轉速可以為零，調速方便，工作時輸出轉速的脈動度較小，此外，其結構緊湊，加工方便，傳動可靠，因而應用廣泛。</p><p>　　ZER0—MAX型，最早由美國ZERO—MAX公司于1962年推出，國內

31、稱為四相并列連桿式脈動無級變速器。該類無級變速器具有較大的變速范圍。轉速可以為零，且調速響應快；其結構緊湊、輕巧，常用于小功率場合。</p><p>　　另外，日本生產的ZER0—MAX型無級變速器不僅性能優(yōu)良且獨具特色。有些規(guī)格的變速器帶有變向手柄，可實現(xiàn)雙向傳動(變換輸出軸的轉向應在停機后進行)，有些變速器內部還裝有防止過載的轉矩限制器。</p><p>　　就國內而言，目前的產品大多

32、是在以上兩種機型的基礎上加以仿制和改進而來的。如在GUSA I型基礎上加以仿制生產出的三相并列曲柄搖塊脈動式無級變速器系列，這種變速器傳遞功率較低，工作性能也不太好，國內廠家目前正在加緊消化國外技術，積極研制性能更好的GUSAⅡ型變速器；此外還有引進消化ZER0—MAX型生產出的MT四相并列連桿式脈動無級變速器，該型無級變速器由于采用了內置螺旋機構調速，因而具有更好的調速性能[2]。</p><p>　　盡管各種

33、型式的脈動式無級變速器各有優(yōu)點，但由于其結構原理及性能上的局限性，普遍存在著以下缺陷[3]：</p><p>　?。?）連桿運動時的慣性力難以平衡，由此引起的振動在高速時會顯著增大，同時產生較大的噪音；</p><p>　?。?）作為輸出機構的超越離合器是動力鏈中的薄弱環(huán)節(jié)，其承載能力和抗沖擊能力相對較弱，直接制約了脈動式無級變速器的傳動能力和壽命；</p><p>

34、;　?。?）機器的脈動度仍需進一步降低，尤其低速輸出時脈動度會顯著增加；</p><p>　?。?）機構有移動副和采用多相結構時存在過約束現(xiàn)象，導致機器對誤差和工作環(huán)境的敏感性較高，機械效率降低，磨損加??；</p><p>　　（5）整機效率不是很高，輸出功率小，不適用于大功率場合。</p><p>　　1.3本課題的研究內容及應解決的主要問題</p>

35、<p>　　本課題擬對主要由凸輪機構、連桿機構和單向超越離合器組成的二相凸輪連桿式脈動無級變速裝置展開設計與研究。該設計裝置通過改變揺塊支點的位置來實現(xiàn)無級變速的要求，其輸出轉速為0—60r/min。</p><p>　　課題要求：基于Pro/E軟件完成該脈動式無級變速裝置的結構設計及仿真；</p><p>　　結構外型尺寸：中小型化，閉式變速裝置；</p>&l

36、t;p>　　動力源：輸入功率為1kW，輸入轉速為240r/min。</p><p>　　本課題應解決的主要問題有兩自由度凸輪連桿機構尺寸的擬定，減少連桿運動時的不平衡慣性力，減小脈動度及動載荷，減少功率損耗，從而改善其運動及動力性能；解決在多相機構和有移動副的機構中，存在著大量對誤差敏感、對穩(wěn)定運行造成障礙的過約束等。</p><p>　　第2章 凸輪-連桿式無級變速裝置方案設計&

37、lt;/p><p>　?。?）在掌握脈動式無級變速器的結構特點和工作原理的基礎上，利用解析法建立機構的運動學數學模型，初步擬定尺寸，再通過Pro/E軟件建立運動學仿真模型。經仿真，得到傳動機構的運動學特性，為確定脈動無級變速器的輸出軸轉向、輸出速度、脈動度、角加速度突變量、各運動副處的約束反力、輸出轉矩等指標提供依據；</p><p>　?。?）利用Pro/E軟件建立各零部件的三維實體，通過裝

38、配、仿真、修改，最后形成凸輪-連桿式無級變速器的整體結構；</p><p>　　（3）采用AutoCAD軟件對凸輪-連桿式無級變速器的結構進行細化設計，先對執(zhí)行機構零部件進行設計，再設計箱體與其他必不可少的零件，畫出裝配圖，最終完成結構的設計。 </p><p><b>　　2.1設計原理</b></p><p>　　現(xiàn)代機械無級變速器（除齒鏈

39、式變速器具有嚙合作用外）都是利用主、從動構件接觸處的牽引力，將運動和轉矩由主動構件傳遞給從動構件。并通過改變主、從動件的相對位置以改變接觸處的工作半徑來實現(xiàn)無級變速的要求。</p><p>　　利用牽引（摩擦）力來傳動，而主、從動件的尺寸比例可以改變并進行變速的機構，稱為變速傳動機構。</p><p>　　變速時用來改變傳動構件的相對位置，以調節(jié)傳動件間的尺寸比例關系和傳動比的機構，稱為調

40、速控制機構。它可以通過人工手動或具有開環(huán)、閉環(huán)的自動控制系統(tǒng)實施控制。</p><p>　　為了讓無級變速器的輸出連續(xù)起來的機構，稱為輸出機構。</p><p>　　變速傳動機構、調速控制機構和輸出機構是機械無級變速器的三個基本組成部分。</p><p>　　脈動無級變速器一般是由連桿(或凸輪)機構與單向超越離合器組合成的。變速器的主軸勻速旋轉運動，首先被連桿(或凸

41、輪)機構轉換成搖桿的往復擺動，然后再經過單向超越離合器將搖桿的擺動轉換成為輸出軸的單向脈動性旋轉運動。通過數個具有一定相位差的連桿，單向超越離合器組合機構，就可以使輸出軸獲得脈動幅度很小的單向旋轉運動。 </p><p>　　用調速機構來改變連桿機構中某一構件的長度以形成構件間新的尺寸比例關系，使搖桿獲得不同的擺角，通過超越離合器使輸出軸的轉速發(fā)生變化，從而達到無級變速的目的。 </p>&l

42、t;p>　　2.2執(zhí)行機構方案設計</p><p>　　本課題擬對主要由凸輪機構、連桿機構和單向超越離合器組成的二相凸輪-連桿式脈動無級變速裝置展開設計與研究，如圖2-1所示。圖中O為偏心輪，B為滾子，C為可移動搖塊，BD為連桿，DE為擺桿。該設計裝置通過改變揺塊支點C的位置來實現(xiàn)無級變速的要求。</p><p>　　圖2-1 凸輪連桿式脈動無級變速器機構簡圖</p>

43、<p><b>　　2.2.1分析問題</b></p><p>　　本章采用Pro/E軟件對無級變速器變速機構進行運動學仿真。機構的運動學分析，主要是獲得機構中某些構件的角位移、角速度和角加速度，以及某些點的位移、速度和加速度。它是機械設計，評價機械運動和動力性能的基礎，也是分析現(xiàn)有機械優(yōu)化措施是否合理的基本手段。</p><p><b>　　2

44、.2.2設計過程</b></p><p>　　本設計的執(zhí)行機構的活動構件n有5個（滾子為局部自由度，不影響機構運動的自由度，不算入其中），其中低副Pl 有6個，高副Ph有1個，故自由度為</p><p>　　F = 3 X n?( 2 X Pl + Ph ) = 3 X 5?( 2 X 6 +1 ) = 2</p><p>　　為了簡化計算，本人采用了高

45、副低代方式進行計算，把凸輪機構變?yōu)檫B桿機構，如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 機構高副低代建模圖</p><p>　　以O為原點建立坐標系, r1 、r2、r3 、r4 、r5 為曲柄AO、連桿OB、BD、搖桿DE及EA的長度；ω1 、ω2 、ω3、ω4 、ω5 為曲柄AO、連桿OB、BD、搖桿DE及EA的角速度；α1 、α2 、α3 、α4 、α5 為曲柄AO、連桿OB、

46、BD、搖桿DE及EA的角加速度。θ1 =180°，θ2 =90°，θ3 =12°，θ4 =333°，θ5 =194°</p><p><b>　　桿長計算公式：</b></p><p>　　解得： r1 =10mm, r2 =56mm, r3 =155mm, r4 =75mm, r5 =227mm。 </p>

47、;<p><b>　　角速度方程：</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　解得：ω1 = 240r/min ,ω2 = 168r/min ,ω3 = 76r/min ,ω4 = 30r/min ,ω5 = 0r/min 。</p><p><b>　　角加速度方

48、程：</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　解得：α1 = 207360rad/s2 ，α2 = 568995.84rad/s2 ，α3 = 322300.8rad/s2 ，</p><p>　　α4 = 24300rad/s2 ，α5 = 0rad/s2 。</p><p>　

49、　第3章 基于Pro/E軟件環(huán)境下凸輪-連桿式無級變速器的運動仿真</p><p>　　Pro/Engineer操作軟件是美國參數技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現(xiàn)今主流

50、的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內產品設計領域中占據重要位置。</p><p>　　3.1已知設計條件及參數</p><p>　　本課題擬對主要由凸輪機構、連桿機構和單向超越離合器組成的二相凸輪連桿式脈動無級變速裝置。該設計裝置通過改變揺塊支點的位置來實現(xiàn)無級變速的要求，其輸出轉速為0—60r/min。</p><p>　　結構外型尺寸：中小型化，閉式變

51、速裝置；</p><p>　　動力源：輸入功率為1kW，輸入轉速為240r/min。 </p><p>　　3.2結構參數的確定</p><p>　　輸入軸的結構尺寸設計</p><p>　?。?）軸的材料選用45鋼，正火處理。</p><p>　　查表1，材料強度極限σB = 600MPa ；查表2，對稱循環(huán)狀態(tài)下

52、許用應力[σ?1b] = 55MPa 。</p><p>　?。?）計算基本直徑 dmin </p><p>　　查表3，C=110（軸端彎矩較小）</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　由于安裝聯(lián)軸器處有鍵，故需加大（4~5）% ，則</p><p>　　查聯(lián)軸器

53、參數，取 dmin =19mm </p><p>　?。?）確定各軸段尺寸</p><p><b>　　圖3-1 輸入軸</b></p><p><b>　　a.確定各軸段直徑</b></p><p><b>　　段： ，估算。</b></p><p>

54、;　　段： ，與軸承配合。</p><p>　　段： ，大于 ，減少加工量。</p><p>　　段： ，大于 ，根據偏心輪內孔。</p><p>　　段： ，與相同，大于 ，減少加工量。</p><p>　　段： ，軸承成對使用，與相同。</p><p><b>　　b.確定箱體內寬</b>&l

55、t;/p><p>　　箱體內寬：由于有旋轉件，兩側留10~20mm；考慮到鑄造不精確，要將箱體內寬度圓整到整數。凸輪的厚度確定為24mm，兩凸輪間隔11mm。</p><p>　　W=24X2+(10~20)X2+11=79~99mm，取W=90mm</p><p>　　c.確定軸上各段長度</p><p>　　段： ，根據聯(lián)軸器與箱體寬度確定。

56、</p><p>　　段： ，根據軸承厚度。</p><p><b>　　段： ，箱體間隙。</b></p><p>　　段： ，根據偏心輪厚度，小于其2~3mm。</p><p>　　段： ，與相同，箱體間隙。</p><p>　　段： ，與相同，根據軸承厚度。</p><p

57、><b>　　超越離合器的選擇</b></p><p><b>　　整體結構</b></p><p>　　圖3-2 整體結構圖</p><p>　　此無級變速器箱體分為三部分，以便安裝及減少加工難度。為了提高互換性，以便維護，無級變速器的大部分零部件都是選用國家標準件和機械標準件。</p><p

58、><b>　　3.3運動仿真</b></p><p>　　Pro/E中的機構模塊能對機構進行運動的仿真，添加各種約束后能實行運動分析，看看運動是否干涉，如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 仿真下機構沖突檢測圖</p><p>　　本課題要求輸入功率為1kW，輸入轉速為240r/min。在Pro/E軟件環(huán)境下打開凸輪連桿式無級

59、變速器的裝配圖，進入機構模塊，在輸入軸上設置“伺服電動機”，設定電動機的參數，如圖3-4所示，在“定義分析”里運行，如圖3-5所示，然后在“回放”里進行沖突檢查，如果有沖突就進行修改，最后“生成分析的測量結果”。本設計是兩相凸輪-連桿機構，兩相結構參數完全一樣，因此分析時只需分析單相。</p><p>　　圖3-4 仿真下電動機參數設置圖</p><p>　　圖3-5 機構仿真參數設置

60、圖</p><p>　　設定仿真的時間為無級變速器由零達到最高速的過程，運用Pro/E仿真命令，設定測量點（如圖3-6所示），和所要測量的項目（如圖3-7所示），得到輸出擺桿DE的擺幅變化曲線，如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-6 測量點設置圖</p><p>　　圖3-7 測量項目設置圖</p><p>　　圖3-8 擺桿D

61、E的擺幅隨搖塊位置的變化曲線</p><p>　　以分析數據驗算輸出能否達到設計要求： </p><p>　　取輸出桿由水平位置到達最高點的一段數據，取 54.3</p><p>　　秒的數據為0mm（時間取值變大，ω值變少，不影響判</p><p>　　斷），54.5秒數據的為44.20mm，輸出桿長為75mm。<

62、;/p><p><b>　　計算：</b></p><p><b>　　ω</b></p><p>　　=30.09r/min</p><p>　　設計要求最大輸出為60r/min，上式結果為單相輸出，</p><p>　　兩相即為60.18r/min，符合設計要求。 &l

63、t;/p><p>　　第4章 基于AutoCAD軟件環(huán)境下的機構設計</p><p>　　AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美國Autodesk公司首次于1982年生產的自動計算機輔助設計軟件，用于二維繪圖、詳細繪制、設計文檔和基本三維設計?，F(xiàn)已經成為國際上廣為流行的繪圖工具。AutoCAD具有良好的用戶界面，通過交互菜單或命令行方式便可以進行各種操作。

64、它的多文檔設計環(huán)境，讓非計算機專業(yè)人員也能很快地學會使用。在不斷實踐的過程中更好地掌握它的各種應用和開發(fā)技巧，從而不斷提高工作效率。AutoCAD具有廣泛的適應性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計算機和工作站上運行。</p><p>　　4.1凸輪-連桿機構的設計</p><p>　　圖4-1 內部結構圖</p><p>　　無級變速器中凸輪式就是將四桿機構中的低

65、副代換成凸輪。實際上在脈動式無級變速器中多采用偏心輪機構。</p><p>　　組合式多采用連桿機構和其他機構的組合。例如，連桿齒輪式就是將連桿機構作為基礎機構，齒輪與從動軸同軸布置。齒輪機構可以是定軸齒輪機構(如德國的Philamat型)，也可以是行星齒輪機構(如JBLW型)。</p><p>　　本設計采用凸輪與連桿機構這組合式作為傳動機構，通過改變搖塊的位置，把搖塊的移動范圍控制好，

66、利用單向超越離合器讓其輸出為0-60r/min，從而實現(xiàn)無級變速。</p><p>　　為了延長無級變速器的壽命，在與凸輪高副接觸的滾子上加軸承，用滾動摩擦代替滑動摩擦。同樣道理，搖塊與其支承塊也用軸承連接。</p><p><b>　　4.2箱體的設計</b></p><p>　　圖4-2 整體結構圖</p><p>

67、;　　為了讓無級變速器能正常工作，安裝的方便以及減少加工的難度，箱體分為三個部分。輸入軸安裝在下箱體上，輸出軸安裝在下箱體與上箱體的分界面上，而搖塊的支承件，調速旋鈕等與調速相關的部件安裝在頂蓋上。</p><p>　　本設計的大部分零部件都是選用國家標準件和機械標準件，提高互換性，以便修理維護，延長使用壽命。</p><p>　　箱體的設計為中小型封閉式結構，適用于各種各樣的場合，互換性

68、強。</p><p>　　第5章 結論與展望</p><p>　　本設計采用了凸輪與連桿機構傳動相結合，屬于脈動式無級變速裝置，它具有如下特點：</p><p>　　（1）工作過程中不用停電動機就能隨意調速，輸出為0~60r/min，并可充當離合器來使用；</p><p>　?。?）由于該無級變速裝置是一種脈動式無級變速裝置，其固有特性必然

69、引起輸出轉速的波動，在高速時輸出轉速的波動較小，低速輸出轉速的波動較大，如果增加傳動機構的相數可使脈動度減少。</p><p>　　今后研究的目標是借助于先進的機械現(xiàn)代設計理論與方法，并結合CAD/CAE技術，優(yōu)化機構的類型及尺寸，減小脈動度及動載荷，減少功率損耗，從而改善其運動及動力性能，開發(fā)出具有更好運動學與動力學性能、較大功率、較高效率、超越離合器承載能力高的新機型。超越離合器是脈動無級變速器的關鍵部件，其

70、工作能力決定了整機效率的高低、輸出扭矩的大小和使用壽命的長短，應深入研究超越離合器工作機理，進一步改善其性能，提高其承載能力和傳動效率。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　?。?］周有強，崔學良，董志峰. 機械無級變速器發(fā)展概述 [J] .機械傳動,2005 ,</p><p>　　29(1):65-68.<

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76、7,35(8):44-54.</p><p>　?。?2］薛淵，陸念力，曲秀全，胡長勝，王樹春. 弧塊-滾柱式低副超越離合器的研究 [J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報,2007,39(11):1736-1740.</p><p>　　［13］杜力,李琳. 脈動式機械無級變速器結構參數的設計 [J].渝州大學學報，2002,</p><p>　　19(1):21-24.&l

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78、期的畢業(yè)設計即將結束了，這也意味者我在北京理工大學珠海學院的大學生涯也即將結束。在此，我要感謝四年來教我育我的各位老師們，感謝他們在生活上的關懷，授課上毫不保留的教授。感謝北京理工大學珠海學院機械與車輛學院給我們一個這么好的機會，讓我們對自己四年的大學知識做一個總結。論文的寫作既艱辛又有挑戰(zhàn)性，而在老師的幫助下讓我在寫畢業(yè)論文時事半功倍。感謝我的指導老師丁洪生教授和王立濤教授，他們廣博的知識，嚴謹的治學精神，豐富的實踐經驗以及在百忙之中

79、不忘對我們的熱心指導和關心，當我們有問題時老師總是會熱情、主動的給我們解決，不懂時，老師會不厭其煩的給我講解直到我理解為止。還要感謝蘇偉老師、付鐵老師、榮輝老師和王艷輝老師在各方面的指導，極大地提升了論文的研究質量。</p><p>　　除了老師之外，我要感謝我的父母，沒有了他們的支持我是不可能在北京理工大學珠海學院這里學習的，感謝他們多年來的養(yǎng)育之恩和無微不至的愛。</p><p>　　

80、還有身邊同學對我的幫助也很大，他們有的資料會毫無保留的貢獻出來，并幫助我解決一些難題，我非常感謝他們。也很感謝大家能與我互相監(jiān)督鼓勵，彼此幫助，共同促進了我們成果。</p><p>　　在畢業(yè)設計這段時間里，我得到了很大的自身提高，其中包含了對無級變速器知識的了解、還有對有關這方面書籍的認識等等，這些都得益于老師和同學的大力幫助，對此我表示感謝。</p><p>　　2008級學生：簡毅俊

81、</p><p><b>　　附 錄</b></p><p>　　附錄1 表格 </p><p><b>　　表1</b></p><p>　　表2 軸的許用彎曲應力</p><p>　　表3 常用材料的[τ]值和C值</p><

82、p>　　表4 機構運動數據</p><p>　　Power flows and efficiency in infinitely variable transmissions</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　無級調速傳動裝置(IVT)是一種具有無限比范圍的無級變速傳動系統(tǒng),這意味著傳動比可以達到零。本文比

83、較了由一個傳統(tǒng)的無級變速傳動系統(tǒng)耦合到一個行星齒輪變速機構的IVT和一個固定的比例機制的最大效率。本文進行的一個運動學分析已完成測定IVT組件的兩種類型的功率流傳動比。IVT的效率已完成檢測并考慮到如何把它的組成轉化為函數變化的操作條件。對各種不同功能的解決方案的功率和效率曲線已完成比較。</p><p><b>　　1.簡介</b></p><p>　　無級變速器（

84、CVT），已被廣泛的研究和眾多的應用程序在過去幾年已被開發(fā)[1-3]。最常見的無級變速器傳動機構為V帶傳動。無級變速器的傳動比確保一定的變量，例如V帶無級變速器一般實現(xiàn)了傳動比小于5的極端的比例（比例范圍內）。許多應用程序需要更廣，甚至無限的比例范圍（傳動比最低為零）。</p><p>　　無級調速傳動裝置(IVT)是一種具有無限比范圍的無級變速傳動系統(tǒng),它確保提供一個靜止不動的輸出軸與輸入軸無速度甚至傳動比為零

85、的無級變速器。從此得到一個緊湊型裝置，其中包括離合器的功能。 IVTs一般由以下三個部分構成（圖1）：無級變速器，行星齒輪系（PG）和一個固定的比例的機構（FR）。目前研究IVT的特性的論文寥寥無幾：Beachley et al. [4]，Hanachi[5]，Vahabzadeh et al. [6]提出了一些IVT的配置和應用。Hedman [7]研究IVT實現(xiàn)零傳動比的條件。這些文件的傳輸效率都是用擬經驗的方式計算。最近，Yan和

86、Hsieh [8]和隨后由Mangialardi和Mantriota整合成的[9]已經確定CVT和行星齒輪系有一個恒定的效率以及無級變速器和固定的比例機構是連接起來成為一個系統(tǒng)來表示IVT的效率。 </p><p>　　本文從一個運動學分析方法進而檢查用不同功能的解決方案時取得的類型的功率流和連接(串聯(lián)或并聯(lián))間的無級變速和固定的比例變化機理。在穩(wěn)定的狀態(tài)下,IVT的速率也已經考慮到用改變CVT和行星輪系效率來操

87、作。對于IVT功能解決方案，在相同范圍里的功率和效率曲線在不同操作下完成了比較。</p><p><b>　　2.運動學分析</b></p><p>　　無級調速傳動裝置(IVT)包括三個要素:行星齒輪變速機構(PG),無級變速傳動系統(tǒng)(CVT)和一個固定的比例機制(FR)。圖1顯示的原理方法的為例,[6]在CVT和固定比率機制軸連接到輸入軸。這種類型的機制被定義為并

88、聯(lián)IVT。</p><p>　　下式表示在圖1的傳輸比單個元素為:</p><p>　　ωi指角速度的解決路徑。因此總體傳動比為:</p><p>　　(2)式建立CVT(τCVT)與IVT(τIVT)之間的傳動比的，圖2顯示一個例子,說明行星齒輪變速機構的傳動比τPG可能影響τIVT-τCVT比率。τPG的作用影響著整體傳動比，甚至可能成為阻礙,從而抵消輸出軸的旋

89、轉。此外,當τPG > 0和τPG < 0時τCVT和τIVT分別為正比和反比如圖2所示。</p><p>　　CVTs有傳動比范圍從一個最小值τCVT|min到一個最大值τCVT|max。對式(2) 的一個有趣的想法,對于一個給定CVT變速比的無級變速器，如果特定一個最小值τCVT|min和一個最大值τCVT|max(τCVT|min和τCVT|max已知)，它會毫不含糊地計算行星齒輪變速機構的傳動

90、比和固定的比例機制的傳動比。如果要求τIVT和τCVT之間成正比,那么τFR和τPG就取決于:</p><p>　　例如,當0.5 ≤τCVT ≤ 2,無級變速傳動比范圍為0-1(τIVT|min=O，τIVT|max=1)τPG=0.667和τFR=-1。就像之前提到的一樣, τIVT也可以是負向的,因此應列入式(3)及(4)化簡得:</p><p>　　因此,如果輸出軸的旋轉方向與輸入

91、軸的旋轉方向相反(0≥τIVT≥-1)將得到IVT的τPG = -0.667和τFR = 0.2。</p><p>　　當τCVT和τIVT的范圍保持一致,使τCVT和τIVT成反比從而獲得其他功能解決方案。因此,τCVT|Min代替τCVTIMM代入式(3)及(4) 中,反之亦然。</p><p>　　另一種類型的安排(圖3)的IVT的元素是用于[8]在固定的比例機制(FR)相串聯(lián)的無級

92、變速(IVT系列)。這里也一樣,IVT傳輸函數表達式,可以得到:</p><p>　　隨著τFR和τPG關系的確定，代入式(3)及(4)：</p><p>　　用rrCVT指示無級變速率范圍,即:</p><p>　　在這兩種情況下(圖1和3)行星齒輪變速機構的行星的載體(P)連接到固定的比例機制(P-FR)。另一個選擇是將連接載體的無級變速(P-CVT)或輸出軸(

93、P-OUT)。因此有三種不同的行星齒輪變速機構的連接的IVT配置(串、并聯(lián))。</p><p><b>　　3．功率流</b></p><p>　　作為第一個近似在穩(wěn)定狀態(tài),提出了IVT流經每條路徑參數的計算。文獻[8]中所表現(xiàn)的,功率流方向是如此,如圖4類型Ⅰ和Ⅱ型流動。</p><p>　　CVT無疑是構成一個無級變速傳動的最復雜的元素。可

94、以說IVT的動力取決于CVT。因此,在本文中IVT的不同路徑的功率Pi已經被整理成一個函數 (PCVT |Mon)來簡化不同的功能方案之間的比較,即:</p><p>　　用Ⅰ型功率流和串聯(lián),當功率守恒方程,并將其應用到行星齒輪變速機構中,得到(圖4):</p><p><b>　　表示扭矩，有:</b></p><p><b>　　

95、即：</b></p><p>　　因此,為了獲得一個Ⅰ型功率流|τIVT|必須與|ω5|成反比,此外,與τCVT也一樣。同理，如果的行星齒輪變速機構的效率被假設為沒有單元值或使用Ⅰ型功率流并聯(lián)IVT。Ⅱ型功率流串聯(lián)IVT有(圖4):</p><p><b>　　因此：</b></p><p><b>　　即：</b&

96、gt;</p><p>　　因此,為了獲得一個Ⅱ型功率流和 |ω5|,因此τCVT應該隨|τIVT|增加。這個結果對IVTs的功能設計有一個有趣的影響:為了獲得 Ⅱ型功率流式(3)和(4)或(7)和(8)可能會直接使用當前類型的連接。反之亦然,為了獲得Ⅰ型功率流和確保τCVT和τIVT保持成反比, τCVT|Min應該與τIVT|Max交換，反之亦然。</p><p>　　假設IVT的效率

97、有一個單元值。用一個Ⅰ型功率流,很容易證明IVT輸出功率(p6)和無級變速中功率循環(huán)(PCVT) 的比值，無論在串聯(lián)IVT還是并聯(lián)IVT都可以被表示:</p><p>　　假設電力流動通過無級變速等于額定值(p2= 1)。圖5顯示了無因次的動力曲線，假設rrCVT= 4, τIVT|Min=0和τIVT|Max=1。</p><p>　　在這種情況下的輸出功率p6 隨τIVT的增加而增加,

98、他比流的向CVT中τIVT功率的值大0.67。p3的功率總是大于流經CVT的。當功率流是一個II型功率流,輸出功率(p6)流經CVT(pcvt)用函數表示為:</p><p>　　使用相同的條件與前面的例子(rrCVT=4，τIVT|Min=0，τIVT|Max=1),在這種情況下，(圖6)輸出功率p6隨τIVT增加。然而,對于整個τIVT范圍,流經CVT的功率(p2)總是大于p3和IVT的輸出（p6）。<

99、/p><p>　　這一分析中所講述的是,在相同的條件下,用一個II類型功率流比固定比率機制用更少的功率在并聯(lián)IVT上,因為在這種情況下(圖4和6):</p><p>　　用一個I類型功率流會方便串聯(lián)IVT的使用 (圖4和5):</p><p>　　因此,為了優(yōu)化IVT的效率，對于一個II型功率流最好是使用一個并聯(lián)IVT和對于一個I型功率流最好是使用一個串聯(lián)IVT。<

100、;/p><p>　　4．無級調速傳動裝置的效率</p><p>　　效率是研究IVTs的一個優(yōu)先因素。最近, Yan和Hsieh[8]隨后由Mangialardi和Mantriota整理成[9] 假設CVT的效率和行星輪系是不變的條件下，檢查串聯(lián)IVT的效率。在這種情況下,假設輸入角速度是恒定的, τIVT|Min=0，那么對于I型功率流的IVT效率表達式為[9]:</p>&l

101、t;p>　　在研究了功率在IVT中各種無損路徑(圖5和6),不同元素的IVT的各種功率流之間比率變得明顯。因此,效率的元素構成，操作條件(動力、傳動比、角速度)的變化,很有可能影響整體效能的傳輸。這就是為什么在這篇文章中,我們認為有必要依賴于一個更準確的效率模型。</p><p>　　讓我們考慮一個II型功率流并聯(lián)IVT。在穩(wěn)定狀態(tài), 基于功率方程，行星齒輪傳動的效率表示為(圖4)：</p>

102、<p><b>　　即：</b></p><p>　　行星齒輪在平衡軸上的力矩為：</p><p><b>　　從而有：</b></p><p><b>　　因此有：</b></p><p>　　固定比率機制的效率、其他功率(圖4):</p><p

103、>　　因此II型功率流并聯(lián)IVT的效率為：</p><p>　　5. 不同配置IVT的功率流和效率</p><p>　　此部分討論對于I型和II型功率流的功率和效率曲線的趨勢。正如前面提到的,以優(yōu)化系統(tǒng)的效率串聯(lián)IVT將用于I類型功率流和并聯(lián)IVT用于II型功率流。</p><p>　　CVT的輸入功率是p4，I型功率流IVT的角速度為ω4。在這種情況下,一旦

104、串聯(lián)IVT的功率流被檢驗(圖9)和考慮到無級變速輸入功率是恒定的,等于額定功率, 可以觀察到輸出功率p6從零始迅速增加,達到2.7。IVT的輸出功率應低于p1的值在圖9。這種趨勢對效率曲線有影響，在圖10描述為一個函數的輸出功率和不同的總體傳動比值(τIVT)。較低的τIVT值,效率降低隨著功率迅速減少,而當τIVT值接近1，它幾乎不變化。</p><p>　　圖11描繪了CVT,IVT和行星輪系作為τIVT函數

105、的效率曲線。當行星齒輪傳動傳播比率大概是1時，效率接近單元值。當τIVT超過0.65時，這結果保持一致顯示在圖9，類似傳動比值CVT的輸入功率(p4)低于IVT的輸入功率(p1)。</p><p>　　圖12比較串聯(lián)IVT與I類型功率流的并聯(lián)IVT的效率。曲線表明,效率的串聯(lián)IVT效率總是比并聯(lián)IVT的效率高,從而確認我們先前的定論。</p><p>　　II型功率流并聯(lián)IVT的檢測已完成

106、。圖13顯示了效率曲線的一個并行的系統(tǒng)并針對不同傳動比值描述為一個函數的輸出功率(p6)。當輸入功率低,τIVT的值、效率迅速下降。圖14顯示了IVT不同路徑功率的傳輸比率的變化曲線, CVT的功率(p2 = 1)。當τIVT= 1時，IVT的輸入功率 (p1)最大值為p1 = 0.78。與CVT的功率相同,這就表明IVT的輸入功率 (或等于其輸出功率)會遠低于I類型功率流的IVT(圖9和圖14)。</p><p&g

107、t;<b>　　6.結論</b></p><p>　　IVTs(無級變速器)具有一個無級變速傳動系統(tǒng)和一個無限的比率范圍。</p><p>　　本文考察了串聯(lián)和并聯(lián)，具有CVT和固定比率機制的不同配置的IVT。傳輸的運動學分析表明,一旦τCVT和τIVT的范圍被定義下來,行星輪系和固定比例機制的傳動比可以明確確定。</p><p>　　論文的第

108、二部分著重于IVTs的效率，以表明不同功能的解決方案。當功率流研究已損失時所考慮的各種工作條件下的效率。行星齒輪傳動的效率被證明是最好傳動方案，特別是在齒輪傳動同步的條件下。</p><p>　　檢查結果表明，如果CVT的功率流不超過其額定功率功流，IVT輸入功率的傳動比應不超過限制值的功率流。</p><p>　　IVT的各功能的效率曲線都在不同的傳動比和功率值已獲得。結果表明，效率主要