（机械设计及理论专业论文）新型非摩擦连续作用无级变速器的分析与设计.pdf

中文摘要 摘要 机械式无级变速器是目前国内外应用较为广泛的变速装置，主要特点是转速 稳定、工作可靠，具有恒功率机械特性，传动效率较高，而且结构简单，维修方 便，价格相对便宜，而且其无级变速传动特性和定传动比、有级变速器相比，能 够根据工作需要而在一定的范围内连续变换速度，以适应输出转速和外部负荷变 化的要求，因此无级变速器已经成为当今变速器发展的趋势。但同时，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，由于存在的这些固 有缺陷，一般适用于中、小功率传动。本文研究的新型非摩擦式连续作用变速器 由机械式脉动无级变速器演变而来，它以连杆机构为输入转换器，除了上面所提 到的优点外，还具有连杆机构的优点，它从根本上改变了原有机械式脉动无级变 速器的作用原理。 本文是重庆市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 与开发的延续和拓展，是在已经设计和制造出的该类变速器的样机上的基础上， 针对其在设计及实践中存在的一些不足和问题进行分析研究的，主要目标是进一 步提高其工作的平稳性，减小脉动性；提高其实际调速的精度和范围，其主要措 施是正确配置齿数和相数，寻求齿数和相数间的关系并合理设计齿形及工作体的 结构，在方法上采取理论分析与充分应用a d a m s 等软件强大的仿真功能进行寻优 相结合，建立了输入功率为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 的仿真模型并进行了优化，并综合出多种结构形式的非摩擦 式连续作用变速器。 本文是对新型非摩擦式无级变速器研究的进一步完善，充分挖掘了连杆的潜 能，为新型非摩擦式连续作用变速器的研究奠定了基础，并为创新设计提供了新 的方向。 关键词：非摩擦，连续作用，变速器，输入输出转换器 英文摘要 a b s t r a c t c o n t i n u o u s l y v a r i a b l eu - a n s m i s s i o ni sw i d e l yu s e di nh o m ea n da b r o a df o ri t s s t a b i l i t yi nr o t a t i o ns p e e da n dr e l i a b i l i t yi nt h ep r o c e s so f w o r k i n g i ti sc h a n c t c r i z c db y c o n s t a n t - p o w e r , h i 曲e f f i c i e n c y , s i m p l i c i t yi ns t r u c t u r e ，e a s yi nm a i n t a i n a n c 圮a n d r e l a t i v e l yi n e x p e n s i v e n e s si np d c c c o m p a r e dw i t ho n e - s p e e da n dm u l t i - s p e e d d e v i c e ， c o n t i n u o u s l y v a r i a b l ew a n s m i s s i o nc a n c h a n g e i t s s p e e dc o n t i n u o u s l y w h e n n e e d e d t h u s ，c o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o ni st h et r e n do ft r a n s m i s s i o nf i e l d n o w a d a y s b u ti ta l s ot a k e s $ o i n ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hd e m a n do f p r e c i s i o ni n i t s c o m p o n e n ta n dh i g hr e q u i r e m e n ti nl u b r i c a t i o n ，l o wi nc a p a b i l i t yo fl o a d i n ga n d b a d p e r f o r m a n c ei no v e r l o a d i n g - r e s i s ta n di m p u l s e - r e s i s t ，w h i c hl i m i t t h ec o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o no n l yt ot h es m a l la n dm e d i u mp o w e rt r a n s m i s s i o n n o n - 丘i c t i o n a l c o n t i n u o u s l ya c t i o nt r a n s m i s s i o nw h i c ht h i sp a p e rp r e s e n ti so n et y p eo f m e c h a n i c a l w a n s m i s s i o n a tt a k e sa l lt h eb e n e f i t sm e n t i o n e da b o v ea n dt h ea d v a n t a g e so fl i n k a g e m e c h a n i s mw h i c hi su s e da si t sf u n c t i o ng e n e r a t o rb u ta l o n gw i t hs o m ed i s a d v a n t a g e s n mp a p e re x t e n d sp r o v i o u $ r c s c a c ho nt h ep r o j e c ts p o n s o r 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 - - ”r e a s e a r c ho nn o n - f r i c t i o n a lc o n t i n u o u s l ya c t i o n p u l s a t i n gh a n s m i s s i o n o nt h eb a s i so fe x i s t i n ge x p e r i m e n t a lm o d e l ，a n a l y s i sa n d r e s e a r c hi sm a d et os o l v et h ep r o m b l e si nd e s i g na n di np r a c t i c e t h ep r i m a r yo b j e c t i v e s o ft h es t u d y 黜：f l l r t t h e ri m p r o v i n gt h es t a b i l i t y , r e d u c i n gt h e f l u c t u a t i o na n d i m p r o v i n gp r e c i s i o na n ds c o p e i ns p e e dc o n t r o lw i t hm o a n so ff i n d i n gt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt e e t hn u m b e ra n dq u a t i t yo fp a w la n dr e a s o n a b l yd e s i g n i n gt h es t r u c t u r eo f t h e m t h e o r i t i c a la n a l y s i sa l o n gw i t ha i do fs o f t w a r es u c ha sa d a m s ，t h e1 5 k w m o d e li se s t a b l i s h e da n do p t i m i z e di nw h i c ht h ei n p u t , o u t p u ta n dm a x i m u nr o t a t i o n s p e e da r e l 5 0 0 r p m ，1 5 0 r p ma n d3 0 0 r p mr e s p e c t i v e l y m a n yt y p e so fn o n - f i i c t i o n a l c o n t i n o u s l ya c t i o nn - a n s m i s s i o nw i t hd i f f e r e n t 鲥田c c 哦a r ca l s op r e s e n ti nt h i sp a p e r t h et h e o r yo ft h en o n f r i c t i o n a lc o n t i n u o u s l ya c t i o nh a n s m i s s i i sf 3 圳t h e r p e r f e c t e d w i t h t h o r o u g h r e t o r c h t h e p o t e n t i a l o f c o u p l e r i sf u l l y e x c a v a t e d ，a n d a n e w w a yf o ri n n o v a t i v ed e s i g ni sp r o v i d e d k e yw o r d s ：n o n - f r i c t i o n a l ，c o n t i n u o u s l ya c t i o n , t r a n s m i s s i o n , i n p u t o u t p u tt r a n s f o r m e r h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：钟硌l 签字日期： 学位论文版权使用授权书 年 只2 4 - e t 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：铆。i 导师签名： p，广 翻托 签字日期。 叼年f 月西日 签字日期一乙7 年瑚z 珀 1 绪论 1 绪论 1 1 机械式无级变速器的国内外现状 无级变速器是适应现代生产工艺流程机械化、自动化发展以及改善机械工作 性能的一种通用传动装置，当今学者普遍认为：无级变速器是各类变速器发展的 方向和趋势【l 】 无级变速器是一种常用的传动装置，其功能特征主要是：在输入转速不变的 情况下，能够实现输出轴转速在一定范围内的连续交化，以满足机器或生产系统 在运转过程中各种不同工况的要求，无级变速器广泛应用于纺织、轻工、食品、 包装、化工、机床、电工、起重运输、矿山冶金、工程、农业、国防、及试验等 各种领域吲。 机械式无级变速器较其它类型的无级变速器而言，具有转速稳定，滑动率小， 工作可靠、适应性强、传动效率较高、结构简单、维修方便、价格便宜的优点， 特别是某些机械无级变速器可以在很大的变速范围内具有恒扭矩输出的机械特 性，这是电气和液压无级变速器所难以达到的。但机械式无级变速器的缺点是对 零部件的加工及润滑要求较高，承载能力较低，抗过载及耐冲击性能较差，自动 调速较难等，因此，机械式无级变速器一般适应于中、小功率的传动。 无级变速器的研究在国外已经有百余年的历史，机械无级变速器最初是在1 9 世纪9 0 年代出现的，至2 0 世纪3 0 年代以后才开始发展，但由于受到条件限制， 进展缓慢。直到2 0 世纪5 0 年代，尤其是7 0 年代以后，一方面随着先进的冶炼技 术、热处理技术、精密加工和数控机床以及牵引传动理论的出现和发展，解决了 阻碍研制和生产无级变速器的各种问题；另一方面，随着生产工艺流程实现机械 化、自动化以及对机械工作性能要求更高的形式下需要大量采用无级变速器，这 也促成了机械式无级变速器的发展，使得无级变速器的各类产品迅速系列化、标 准化，机械式无级变速器从此得到了广泛的应用 2 1 ，并获得了很好的市场认同。 国内的无级变速器是在2 0 世纪6 0 年代前后起步的，当时主要是作为专业机 械配套零部件，由专业机械厂进行仿制和生产，但是产品规格不多，产量不大， 直到8 0 年代中期以后，随着国外先进设备的大量引进，工业生产现代化及自动流 水线的迅速发展，对各种类型机械式无级变速器的需求大幅度增加，专业厂才开 始建立并进行规模化生产，国内也随之成立了机械式无级变速器专业学会和行业 协会，有力的推动了国内机械式无级变速器的发展【3 】【1 ，但是，目前减速器行业虽 然在建立现代化企业制度、资产优化合理配置、研发新产品和提高产品质量方面 重庆大学硕十学位论文 下了很多力量，也有了较大的效果和成绩，但与世界先进企业相比，无论在企业 管理、产品质量上都还有相当大的差距。机械式脉动无级变速器是变速器行业中 的一类很独特的变速产品，它的研制和开发，出现了多种结构，且由于其特殊的 工作原理与传动机构以及可以调整到输出转速为零等，脉动无级变速器还具有很 大的潜力和创新空间，并将越来越受到研发人员及相关企业的重视【5 】1 6 1 。 目前主要研制和生产无级变速器的国家有日本、德国、意大利、美国和俄国， 具有代表性的脉动无级变速器是德国的g u s a 型及美国的z e r o m a x 型，此外，德 国的p h i l a m a t 型脉动无级变速器传动功率可达到2 2 1 8 4 k w , 最大输入转速为 1 5 0 0 r m i n ，调速范围为o - 1 0 2 0 r m i n 5 】；美国m o r s e 链传动公司推出的m o r s e 型 脉动无级变速器传动比为o 0 0 8 0 2 5 ，输入转速为2 4 0 r m i n ，输出转速为 1 8 ，6 0 r m i n 7 1 。 机械式脉动无级变速器现在正朝着自动变速的方向发展，即输出的速度可以根 据外负载的情况变化而自动的调节输出速度，以充分发挥电动机的功率，因为在 实际应用中常常需要包含能够很快地把机构从一个状态重新调整到另一个状态的 工作系统的半自动或自动无级传动机构。例如，再钻探机械中，作用在钻探机械 的立柱上的阻力力矩随着深度的加深而增大，所以为了很好地利用发动机的功率， 那么随着深度的加深必须自动地增大作用在机构从动轴上的转动力矩，又如在岩 石钻探从一个表面到另一个表面时为了实现最理想的钻探条件要求很快地调整无 级传动机构的内部特性，所以调节系统的自动化在此时可以最理想地把无级传 动机构的内部特性和工作条件相结合，这属于自适应机构的研究范畴，自适应科 学的概念，就是汇集2 l 世纪的关键性工艺，能使产品更轻、更好、更小、更加可 靠，大约1 5 年以来，在精密机械与电子学领域就已经在世界范围开展了“自适应” 或“智能”材料与结构的研究工作，在美国和日本，通过定期举行学术研讨会和 专题研究组已确定了这一新的课题，尤其受到高级研究机构的重视，而在欧洲和 德国，大约8 0 年代末也开始开展了自适应科学的研究工作以及举办相关的活动。 根据新技术发展的要求，以及高新技术尤其是信息技术、传感技术、计算机技术 等与机械技术的融合应用，确定了当今机构及机械系统设计的发展趋势：高效节 能、运转平稳；能满足可持续发展的环保要求；可控可调；对各种内部外部不确 定因素的自调与自适应性能，这也成为当今机械创新设计的主要方向【9 】f 1 0 1 。 1 2 脉动式无级变速器研究现状及主要优缺点 机械式脉动无级变速器是目前国内外应用较为广泛的一类通用型无级变速 器，它以组合的方法实现无级变速，这类无级变速器大多以连杆机构作为脉冲发 2 1 绪论 生机构，以超越离合器作为单向脉冲输出装置，过滤出某种速度范围的转速，这 一范围之外的转速不会被输出，由于这种变速器是由多个“脉冲”的叠加，故输 出的转速具有脉动性，因此称之为脉动无级变速器，它具有结构简单，制造容易， 调速方便的特点i l j 。 国外一些国家已经对多种性能良好的机械式脉动无级变速器进行了系列化生 产，如德国以g u s a 型为代表的脉动无级变速器其功率范围已经达到o 1 2 - 2 0 k w , 并具有多种输出形式和调速方式，同时致力于向自动调整及稳定输出的方向发展， 由于该类型的脉动无级变速器的结构多为多相机构的错位排列，所以输出速度波 动小，输出运动较均匀，但同时，也存在惯性力较大，难以平衡的问题。美国则 以z e r o - m a x 型脉动无级交速器为主，为便于微量调节和自锁功能，应用蜗杆调节 调速摇杆的位置，以达到无级变速的目的，但是由于受到结构的限制，所以传递 功率较小【1 1 。 国内的各类产品一般都是根据国外引进的样机进行测绘仿制或稍加修改，因 而产品规格较少、功率较小，因此制约了我国机械式无级变速器这个新兴行业的 发展。就国内目前的发展与研究的实践来看，脉动式无级变速器存在着急待解决 的如下问题【5 1 1 6 7 1 ： 动力学特性( 振动、噪声等) 较差，附加动载荷较大及传动效率低的问题。 在带移动副的机构中，存在大量的对误差敏感的过约束。由于不可避免的 制造、安装及变形等因素，破坏了机构的平面约束性质，过约束的形成对运动的 障碍将导致构件及运动副元素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，使传动副的磨损加快，机构运转的平稳性、工作可靠性 及使用寿命降低。 输出转速的脉动不均匀性现象较严重，为了减小输出速度的脉动度，通常 选用有较大急回特性且多相并列的结构，因而结构复杂，工作可靠性降低，成本 增加。 摩擦式高副结构的超越离合器( 或自由行程机构) 的承载力差，可靠性，稳 定性低，成为脉动无级变速器实现高效、高可靠性及大功率的薄弱环节及瓶颈。 动力传递的非连续性是严重影响该类无级变速器平稳性的重要因素。 产品的系列化问题，特别需进一步开发大功率的新型脉动式无级变速器， 同时还需研究出一套完整的结构参数设计方法与资料。 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，已开发出具有对心式脉冲发生器的新型脉动式无级变速器且 重庆大学硕士学位论文 生产出样机，其结构如图1 1 所示。输入轴是一个具有相位差为1 2 0 0 的三相曲轴l ， 连杆3 与曲轴l 组成转动副，又与套筒7 组成移动副，套筒7 与摆动轴承4 组成 转动副和移动副，7 的右端与超越离合器的外轭圈5 ( 摆杆) 铰接。因而当曲柄回转 时，连杆3 既绕着轴承4 的中心转动又作相对滑动，从而使摆杆5 绕输出轴6 的 轴线摆动，通过超越离合器使输出轴6 作单向脉动旋转而将动力输出。通过调速 手轮7 和丝杠8 来改变调速架9 的位置，改变摆杆5 的摆角，从而实现无级调速。 图1 1g u s a - i 脉动式无级变速器 f i 9 1 1g u s a - ii m p u l s ec , o n f i n u o u s l yv a r i a b l eu m l s m i s s i o n 同时，为了实现小的脉动而又能减小脉冲发生机构的套数，使结构简化，提 高整机的动力学性能，提出了两种新的双输出函数发生器作为脉冲发生机构的新 方案，并已成功设计出了相应的机构，另一方面是从取消摩擦式超越离合器改变 依靠摩擦自锁传递动力及每套动力呈断续传动状况，探寻非摩擦传递的结构方案， 而进行了非摩擦式连续作用变速器的研究开发，这也是本论文的研究对象。 1 3 新型非摩擦式变速器的应用前景 机械无级变速器，就其本质来说，是一种能量传递装置，来自输入轴的能量 流，以转矩和转速的形式，通过传动机构，按一定的方式传递到输出轴，按能量 流的形式分为脉动和连续。在脉冲传动中( 脉动变速器、惯性变速器) ，力流从主动 轴到从动轴总是以独立的脉冲形式传递，能量的传递在时间上是不连续的，从而 引起机器执行机构的不均匀传动，导致机械振动或冲击的产生，影响了系统的可 靠性和稳定性；在连续作用传动中，转矩传递到从动轴是连续的，执行机构不均 匀转动的情况将得到改善，减小动载荷，因此，基本上可以说连续作用传动与脉 动传动比较，具有更高的可靠性 4 4 1 。 按作用原理，机械无级传动分为摩擦式与非摩擦式，摩擦式传动基本上依靠 4 1 绪论 摩擦力传递有效载荷，因此它的负载能力相对不大，很大程度上引起了工作体接 触处存在滑动；非摩擦式连续作用原理的传动是基于啮合的，因此，除了可以减 小输出轴转动的非均匀性外，还具有更好的负载能力。 因此，在分析机械无级传动一般的特性时，可以得出下面的结论： 从降低动载荷的角度，在建造传动时应服从于连续能量流的方式。 从提高负载能力的角度，非摩擦传动应优于摩擦传动。 由上面的比较、分析自然引发了这样的问题，能否作出在具有非摩擦的脉动 变速器基础的相似传动昵? 从分析的机械式无级变速器的作用原理和能量流的构建方法，应该最大程度 的接近连续传动，因此，齿轮式的转换机构由此产生，它从根本上改变了脉动传 动中的能量流传递原理。 基于利用棘轮的转换机构是很有意义的，虽然它至今尚未被实际采用，主要 原因是结构的工艺性不好，但是我们还是可以充分有效的利用其较好的方面，开 发新型的更有实用价值的非摩擦式无级变速器。 以上所提到的诸多优点以及它在结构上的新颖性，我们可以将它单独的划分 成一类非摩擦连续作用机械无级变速器，这类变速器的传动过程都是基于啮 合的，系统中能量流的传递也是连续的，有效的克服了传统脉动无级变速器的不 足。 1 4 课题来源及意义 本课题来源于重庆市技术攻关项目新型非摩擦式无级变速器的研制与开 发，针对目前连杆式脉动无级变速器存在的主要问题，由行星式布置式脉动无 级变速器演变出新型非摩擦式连续作用变速器，这类非摩擦式连续作用变速器是 以连杆作为函数发生器的，是对平面机构中“连杆运动”的一种应用，而现在对 连杆运动规律及动力特征的研究与应用是比较少的，因此，这对进一步深入了解 平面连杆机构，继续开发连杆机构的潜能，扩大其应用领域是很有意义的。 脉动无级变速器的结构形式是多种多样的，特别是对于本文所研究的这类新 型非摩擦式连续作用变速器，由输入转换器、输出转换器及调速装置的不同选择 可以得到很多形式的变速器，但由于目前对于这类变速器的研究还不够深入，工 作过程中出现的各种问题还不能得到很好的解决，并且是否每一种结构形式的变 速器都具有真正的实用价值都还有待于更进一步的探索研究，以开发这类发展前 景广阔的非摩擦式连续作用变速器。 5 重庆大学硕t 学位论文 1 5 本文的主要内容 就目前非摩擦式连续作用变速器实验样机来看，存在的一个最主要的问题是 机构运动过程中出现的跳相问题，即机构换相的顺序和我们所希望的结果不一致； 有时跳相换相，即不是相邻的两相曲柄摇杆机构进行运动交接，有时跳两相，有 时跳三相，有时又和我们所分析的一致依次换相，另外，当曲柄长度还没有调整 到零就没有输出了，即存在调速的死区，出现这个问题的主要原因是工作杆的数 目和棘轮的齿数不相匹配，当棘轮和其中一相棘爪结束啮合时，后一相的棘爪因 为并未到达齿根的位嚣无法形成类似于铰链的运动副从而使得机构的运动不确 定，解决这些问题的关键在于找到工作杆数目和棘轮齿数之间的关系，合理的设 计棘轮齿数和棘爪相数。同时，齿轮的齿形及工作体的形式、结构对于变速器的 承载能力、工作的平稳与可靠性有着不可忽视的作用，更重要的是其输入转换器， 输出转换器及调速系统的选择与设计更是直接关系到变速器的性能，应在已有的 采用曲柄摇杆机构的基础上，作更多、更系统的分析比较。 针对前面提到的主要问题，通过广泛的收集资料，在前人已经研究成果的基 础上，在以下几个方面对新型非摩擦式连续作用变速器进行了较深入的研究。 对输入转换机构( 曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构、行星轮系机构) 中连杆的 运动规律和动力学特性进行深入分析，为选择合适的输入转换器打下基础。 调速装置设计，对各种调速装置的调速原理、调速方式以及应用场合进行 分析比较。 对各种输入转换器、输出转换器及调速装置进行综合得出多种新型非摩擦 式连续作用传动机构的结构方案。 针对给定的传动比、脉动值及功率要求进行输入转换器工作机构的尺度综 合及几个关键零件的结构设计，并运用a d a m s 对输入转换器进行运动学、动力学 分析和仿真优化。 为解决这类变速器中存在的跳相现象，分析研究新型非摩擦式连续作用变 速器的棘轮齿数和棘爪相数的关系并分析跳相的原因，深入分析研究其调速特性。 6 2 新型非摩擦连续作用无级变速器的工作原理和形式 2 新型非摩擦连续作用无级变速器的工作原理和形式 2 1 新型非摩擦连续作用无级变速器的功能原理构思 脉动式无级变速器是一种受到广泛应用的机械式无级变速器，它要求工作时 传动可靠、输出运动稳定以及具有良好的动力学性能和较高的机械效率；同时还 要求调速范围广而且调速方便。因此，主传动机构必须引入高承载能力和易于制 造的低副结构型式的工作机构。该机构最基本的要求是输出运动为往复的平面运 动，故最简单的形式即为曲柄摇杆机构。调速环节可以是曲柄，也可以是摇杆和 机架，同时，在调速范围内应保持急回特性比较稳定，且有较好动力特性。 针对平面铰链四杆机构的特点，提出了非摩擦式连续作用变速器的概念结构， 图2 1 所示的即为行星布置脉动无级变速器，本文所研究的新型非摩擦式变速器就 是从这里演化而来的。 在图2 1 中采用的是输入输出同轴的结构形式，主要机构为曲柄摇杆机构 a b c d ，并且四套机构具有完全相同的尺寸，它们共用一个曲柄，每套机构均以摇 杆作为输出构件，并分别与同一尺寸的齿轮z 2 固联，通过齿轮z 2 和z 1 的啮合，将 转动传递到中间齿轮z 1 输出。从图中可以看出，该四套尺寸完全相同的曲柄摇杆 机构，其自由度为f = 3 n - - 2 p f - 3 9 2 1 3 = l ，具有确定的运动，当曲柄处于某一 位置时，各摇杆都处于不同的工作位置而具有不同的瞬时角速度，它们都具有相 同的运动规律，只是瞬时角速度不同，其大小正好在相差9 0 相位角的位置上的值， 即相当于相差9 0 相位的四相机构的顺序工作，在输出轴上安装有超越离合器，所 以在一个时刻只有摇杆转速最高的一相的运动会传递到输出轴上，其余的三相进 行超越运动，摇秆为此，可以推断各连杆也是如此。 先来看一套机构的运动情况，就一套机构而言，它是研究得较好的曲柄摇杆 机构，输入运动为曲柄的整周转动，摇杆的运动为往复的摆动，显然，它们的运 动都是周期性的，如果把摇杆的输出角速度用速度时间曲线来表示就是图2 2 中所 示的一条曲线，由于四相机构都具有完全相同的尺寸并均匀布分在z - 周围，因而 它们的运动规律应是完全相同的，把这四相机构摇杆的运动都表示出来则成了图 2 2 所示的情况，但是由于z l 上安装了超越离合器，根据超越离合器的特点即输出 相对运动速度最大的速度，则z l 的运动则成了图2 2 中实线部分所示的情况，从 而实现了速度的。整流”、“滤波”，这就是行星布置脉动无级变速器的工作原理。 7 重庆大学硕士学位论文 图2 1 行星布置式脉动无级变速器 f i 9 2 1p l a n e t a r yi m p u l s ec o n t i n u o u sv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n 图2 2 输出转速脉动图 f i 9 2 2w a v eo f o u t p u ta n g u l 口v e l o c i t y 本文所研究的新型非摩擦式连续作用变速器是行星布置式脉动无级变速器的 一种演化，如图2 1 所示，在结构尺寸关系上，因为四套装置的连杆等长且都与同 一曲柄铰接于b 点，所以连杆与摇杆铰接处的c 、c 、c ，、e ”位于以b 点为圆心， 连杆长为半径的同一圆上，假设把图2 1 中所有连杆与摇杆之间的转动副去掉，并 把四个连杆合并为一个圆盘k ，并使四个摇杆分别依次与圆盘k 接触，显然各摇 杆必然还可以保持原来的位姿，若将这些点都用铰链连接起来，其自由度为f - - - - 3 6 - - 2 1 0 = 一2 ，不能运动，但若仅在c 处铰链，而将其余三点仅保持与k 接触，则 该系统肯定是可以运动的。因为f = 3 6 2 7 3 = 1 。这时连杆将以某一规律转动， 而其余三个连杆必将在圆盘上滑动，由此，可以设想若将所有铰链均作成一种非 完全几何约束的，可以。结合”，又可以“释放”的局部圆柱面或刀口式的支承， 例如像棘轮棘爪那样，则变成了图2 3 的形式，假想在这个时刻只有机构a b c d 处于工作状态，其它摇杆均为非工作状况，设想在c 处作一个棘轮形式的单向齿， 摇杆为棘爪，使之仍然在c 点接触，则当曲柄转动时a b c d 仍构成一曲柄摇杆机 构，连杆b c ( 即圆盘k ) 、摇杆( 棘爪) 均具有原来的运动规律，此时其它的三个摇杆 棘爪与对应棘齿构成的运动副将会脱离而在k 上滑动，实现了棘爪相对于棘 轮的超越，若c 点铰链使k 转过一定转角后，正好有第二个棘爪一棘齿构成转动 副，且其所构成的四杆机构a b c d 的形态与前一套a b c d 机构开始工作时形成 的一致，则该套机构所确定的连杆( 即棘轮) 的角速度肯定会大于由a b c d 机构该 时刻所给予圆盘k 的角速度，于是，它原来的转动副将脱离接触，与其余两套一 起在圆盘k 上滑动，以此类推就会形成每套机构依次工作脱离，从而推动连杆( 圆 盘k ) 以某一带脉动的平均转速，单向作行星式的运动，若采用适当的输出机构再 将其转换为定轴的单向运动输出，成为一种新型的、齿啮合式( 非摩擦式) 的、动力 2 新型非摩擦连续作用无级变速器的工作原理和形式 舭轴一 2 2 新型非摩擦连续作用无级变速器的特点 新型非摩擦式连续作用变速器是从行星布置脉动式无级变速器演变而来的， 因而具有所有其它脉动无级变速器的优点，如结构简单、制造方便、维修容易、 调速性能稳定，可以实现零输出、工作过程中可适时调速m 等，除此以外，新型 非摩擦式连续作用变速器还具有自身的一些特点： 棘轮通过依次和工作秆的啮合，起到了传递运动和超越离合器的双重作 用，简化了结构，降低了成本。同时，因为摩擦式超越离合器依靠摩擦自锁楔紧， 超越为线接触间的相对滑动，摩损失效成为脉动无级变速器的主要失效原因，因 而采用棘轮形式的新型非摩擦式连续作用变速器解决了这难题。 行星布置的脉动无级变速器中有多个作平面复杂运动的连杆，而新型非摩 擦式连续作用变速器将这些连杆变成了作平面运动的偏心医盘，不仅简化了结构， 还改变了动力性能。 与脉动无级变速器相比，非摩擦式的变速器将运动与力和传递方式由摩擦 式改变为啮合式，提高了承受负载的能力，提高了运动的平稳性。 脉动无级器一般设计为4 到6 相的多相结构，脉动度较大，而在新型非摩 擦式连续作用变速器中，对于一对棘轮和棘爪的啮合只存在于一段时间，所以每 9 重庆大学硕士二学竹论文 套的等效四杆机构的工作范围相对较小，这必然要求棘轮和棘爪的数量足够多， 每套的输出速度均在极值附近较小的范围内，如果棘轮和棘爪的数量足够多，那 么输出速度的脉动值可以达到很小，满足输出速度平稳的要求。 该变速器的工作机理，确定了只能通过曲柄长度的改变进行调速，而曲柄 是机构的主动件，作高速连续的转动，同时又要求在运动过程中可以实时调速， 这就决定了调速装置的复杂性，另外，一般情况下，曲柄较短，调节范围也较小， 而且对调节的精度要求也较高。 2 3 新型非摩擦连续作用无级变速器的结构方案 一般情况下，新型非摩擦式连续作用传动装置包含了这样几个功能环节( 或功 能子系统) ：壳体转换器( 输入转换器) 、输出变换器和调控系统，实际上转换器 可以采用齿轮转换机构或其它形式的传动机构，变速器按其运动、动力的传递顺 序的结构系统简图如图2 4 ： 图2 4 新型非摩擦式连续作用变速器的组成 f i 9 2 4c o m p o s i t i o no f n o n - f r i c t i o n a lc o n t i n u o u sa c t i o nt r a n s m i s s i o n 该类变速器装置的各功能环节的功能与结构特征如下： 输入转换器的主动构件与主动轴连接，其输出为作一般平面运动的构件( 为 连杆、行星轮) ，它与输出转换器相连接，因此，凡是具有一般平面运动构件的机 构均可作为输入转换器，常用的有曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构、行星轮系机构 等。输入转换器因为与机壳相联接，因此又称为壳体转换器，其平面运动构件作 成偏心圆的结构，故常称为中间轴或中间盘。如图2 3 所示的即为曲柄摇杆机构所 演化出的棘轮一棘爪式输入转换器，输入转换器的基本任务是将主动轴的匀速转 动转换为中间轴或中间圆盘的复杂平面运动，为实现较平稳的平面输出运动，一 般是作成多套可释放的曲柄摇杆机构，从而使往复摆动的连杆成为单向连续转动 的“行星轮”。 调控系统的作用是调节输入转换器的输出角速度( 转速) ，这是通过调节输 入变换器机构的某一杆长来实现的，本类变速器是通过调整改变曲柄长度来实现 的，它要求能在工作过程中实现适时调整( 即在运转过程中调整) ，又要求在调整到 要求转速后曲柄长度能保持不变，其调整的动力一般不是来源于整个变速器的原 t o 2 新型非摩擦连续作用无级变速器的工作原理和形式 动机，因此，调控系统由两部分组成：调控传动装置和调节机构，调节传动装置 的任务是将调控力( 力矩) 及运动传递到调控机构的可动件上，产生相应的调整运 动，为了能完成在运转中的调整，整个调控传动装置应该是调控机构的主动件的 主运动相独立的，其末端执行构件应具有两个自由度，一为调整自由度，一为与 曲柄一起旋转的自由度，调控机构，即是对调节参数一曲柄长度直接起调控作用 的机构，根据调整原理主要有两种形式，一是旋转偏心式，采用转动相对角度调 节机构；一是径向相对移动偏心的轴向移动式调节机构，这是结构相对较复杂的 系统，根据调控方式的自动化程度又可分为手动、半自动、自动调控系统。 输出转换器的功能是将输入转换器得到的一般平面运动转化为输出轴的 定轴转动，可选用的结构形式是多种多样的，常用的形式有：十字滑块、柔性软 轴、万向节等等，假如输出转换器同样采用齿轮转换机构，则转换器同时担负起 传递运动和减速的作用，输入端的转换器为一级减速，输出端的转换器为第二级 减速。 2 4 新型非摩擦连续作用无级变速器的基本性能参数m 瞬时输出角速度与瞬时传动比：通常在传动机构中，输入构件傲匀速转动， 而输出构件一般为往复复杂平面运动，其瞬时角速度啦可表示为：2 他，瞬 时传动比为i 2 l = 洳l 。 在多相机构中，瞬时角速度2 应取为各相曲线交点以上的部分，如图2 5 所 示，运动交接点对应输出角速度最小值c o r m ，其瞬时传动比为变化量，传动比范 围为i 2 1 m 矿- i 2 1 m “。 平均输出角速度和平均传动比：如图2 5 ，平均输出角速度可表示为 一2 e 者尹 一般情况下，两曲线交点s l 和s 2 间的曲线具有近似二次曲线或近似正弦曲线 的形状，因此在近似计算中，平均输出角速度的计算公式可表示成0 2 m = 0 2 m 。- - ( 晓一一她血) 3 = 2 3 0 岫+ l 3 0 0 2 血。有时可采用更为简单的计算形式： 2 皿= i 纽甄+ 知血) ，2 采用多相结构时，在传动机构的结构不变的情况下，随着相数的增大，曲线 交点的位置会随之上移，啦面也会随之增大，平均输出角速度纽和平均传动比 i m 也随着增大，输出的运动越平稳。 输出速度的脉动度：在脉动无级变速器中，脉动度是衡量输出速度的特性 的一个很重要的性能参数和质量指标，脉动度5 用输出角速度的变化幅度与平均 重庆丈学硕士学位论文 输出角速度之比值来表示，即6 = 0 ) 2 啦m = ( 2 一一啦m i n ) 晓。 图2 5 角速度性能参数 f i 9 2 5p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro f a n g u l a rv e l o c i t y 变速比：脉动无级变速器的变速范围用变速比r b 表示为： r b = c t h m ，姒( 0 2 m ，m i n 2 m 2 m ，i i 础n 2 m ，血。 式中，。、c 0 2 m ，。缸一最大和最小的平均输出角速度； r 1 2 m ，。；、n 2 m ，血r 一最大的最小的平均输出转速。 调速特性：所谓调速特性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。而实际的调速范围由于受到调速灵敏度、速度 脉动的不均匀系数6 、速度脉动波谷处角加速度突变量a 、脉动次数、机构的传 动角y 等的影响，实际调速度范围将受到一定的影响。调速特性可以用输出转速 相对于调整量( t b 柄长) 的变化曲线表示，调速特性应满足平稳、灵敏的要求，最好 满足近似于线性的调速曲线。 机械效率：机械效率q 等于输出功与输出功之比。变速器的机械效率主要 包括传动机构的效率和超越阶段的效率两部分。变速器的效率随输出转速的不同 而变化，一般在额定输出转速和额定输出转矩时的效率最高。在变速器的技术规 格中一股给出其最高机械效率，将其作为变速器的效率指标。 传动角：在连杆机构中，常用传动角的大小及变化情况来衡量机构传力性 能的优劣。1 r 角越大，则有效分力f t 越大，而径向分力f n 越小，对机构的传动越 有力，在机构的运动过程中，传动角的大小是在不断的变化着的，例如在曲柄摇 杆机构中，a b 转到与机架a d 重叠共线与拉直共线两个位置时，传动角将出现极 值 ，、丫，( 传动角总是取锐角) ，比较这两个位置时的传动角，即可求得最小传动 角y 曲。为了保证机构具有良好的传力性能，通常应使t 岫应不小于4 0 0 。 2 5 总结 本章针对脉动无级变速器存在的一些问题，从行星布置的脉动无级变速器演 化出一种新型非摩擦式连续作用变速器，并讨论了这类变速器的基本原理、基本 组成及结构特性，并建立了机构工作状况的基本性能参数指标。 3 输入转换器脉冲发生机构的选型应用及工作特性分析 3 输入转换器脉冲发生机构的选型应用及工作特性分析 输入转换器是组成新型非摩擦式连续作用无级变速器的一个重要组成部分， 输入转换器的作用是将电动机输出的定轴转动转化为连杆的复杂平面运动，相当 于脉冲发生器。图3 1 是棘轮式( 或壳体式) 的输入转换器，它相当于曲柄摇杆机构， 将曲柄的定轴转动转化为了棘轮的平面运动。所有的平面连杆机构都可作为输入 转换器，但因为非摩擦式连续作用无级变速器的性能要求，由输入转换器所得到 的连杆运动必须满足所得到的运动曲线，特别是峰值附近的曲线应足够平滑，由 上一章的分析得知，如果极值点附近的曲线较陡，即使相数较多，最终得到的速 度输出也不够平稳，脉动值较大；另外，结构还应简单可行，由于这些条件限制， 首先考虑平面四杆机构，因为它是满足设计要求的最基本、最简单的结构。 平面连杆机构也有很多种形式，如最基本的曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双 摇杆机构及其演化机构，如转动导杆机构、曲柄摇块机构和行星轮系等等，但是 基于结构等方面考虑，优先选用曲柄滑块、曲柄摇杆和2 k - h ( 或k - h ) 行星轮系机 构。因此，分析这三种机构的工作特性对于研究非摩擦式连续作用变速器是至关 重要的。工作特性包括运动学特性即连杆的角速度、角加速度规律，它直接关系 到输出运动的脉动值及平稳性；动力学特性如传力特性，它将直接关系到系统的 受力、效率及惯性力( 力矩) 与动载荷等。 为了整体评价其工作特征，本章还将着重分析机构的几个运动学特征参数， 包括零点位置与连杆的摆角范围、急回特性及及角速度极值出现的位置等。 图3 1 输入转换器 r i 9 3 1i n p u tt r a a s f o r m e r 重庆大学硕士学位论文 3 1 曲柄滑块机构运动规律分析 3 1 1 曲柄滑块机构中曲柄存在的条件 如图3 2 所示，在曲柄滑块机构中，为了使曲柄可以作整周的转动，那么机构 必须通过c 【- - 9 0 0 和c t = 2 7 0 。极限点，即必须满足b a + e 的条件，在以后的分析中， 均选用满足这个条件的曲柄滑块机构。 b 图3 2 曲柄存在的条件 f i 9 3 2g - r a s h o f f sl a w