基于ADAMS的Zero-Max型无级变速器动力学仿真.doc

基于ADAMS的Zero-Max型无级变速器动力学仿真摘要：通过ADAMS对Zero-Max型无级变速器进行建模与动力学仿真，获得了不同转速下各转动副动力响应的变化规律，并找出了机构中摩擦力最大的部位及机构产生疲劳断裂的危险区域，为提高Zero-Max型无级变速器效率，降低磨损，提高疲劳寿命以及结构设计提供了理论依据。关键词：Zero-Max型无级变速器；动力学；仿真；ADAMSDynamic simulation analysis of Zero-Max CVT based on ADAMSAbstract：The variational discipline of every kind of revolute pairs motion respond would be obtained when dynamic modeling and simulation analysis were conducted for Zero-Max variable speed case by ADAMS. At the same time, the reason of procreant discipline would be analyzed. It will establish the base for raising its efficiency, reducing the fraction and enhancing fatigue life.Keyword：Zero-Max CVT；dynamics；simulation；ADAMSZERO-MAX型脉动无级变速器，是一种是可在零转速至最高转速之间进行瞬间变速的单向离合器式无级变速机。其结构紧凑、轻巧，调速响应快，调速性能稳定，是近年来发展较快的一种无级变速器1。它由相位差为的四相并列可调六杆机构组成，每一相可调六杆机构由两个串联的四杆机构组成。变速器在工作时受到驱动力作用运动，而在运动过程中又产生惯性力、摩擦力及其它力，力与运动又相互影响，其动力学问题非常复杂。由于传统的图解法和实验法不能及时准确显示Zero-Max型无级变速器的运动轨迹，且计算过程繁琐、精度差、设计周期长，应用有很大的局限性。本文以计算多体系统动力学为理论基础，利用ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)仿真并研究Zero-Max型无级变速器系统的运动学和动力学关系，通过虚拟试验和测试，发现了各转动副的动力响应规律，为Zero-Max型无级变速器的进一步优化设计提供了重要依据。1 ZERO-MAX型无级变速器的建模1.1 简化模型利用ADAMS建立ZERO-MAX型无级变速器实体模型。建模时尽量使用一个运动副来完成两部件之间的连接，如果有多个约束添加到两个部件上，每个约束的自由度可能会重复，这样会导致意外结果2。由于ADAMS 在进行运动学及动力学求解时，只考虑零件的质心和质量，而对零件的外部形状不予考虑，因此在模型中精确地描述出复杂的零件外形，并没有多大的实际意义3。故在建模时对零件外形尽量进行简化，多个零件固结时，用一个零件表示，节省运动副数量，以避免运动链过长，导致计算误差增大；建模如果考虑得过于细致势必造成在ADAMS中添加大量约束，使整个系统进行仿真分析所需的时间大大增加，仿真的成功率降低4。利用ADAMS建模时，省略或简化了对结果影响很小或与制造工艺有关的次要因素等，只添加相应约束和定义摩擦来实现相关功能，避免了仿真失败。Zero-Max无级变速器的核心部分为曲柄摇杆机构，因此对各杆件外形进行简化，按照机构设计尺寸建立机架、曲柄、连杆及摇杆模型。1.2 施加运动副间的约束和驱动机架与曲柄，曲柄与连杆，连杆与摇杆，摇杆与机架均用转动副相连，机架与大地用固定副相连。在输入转动副上加上驱动力，在各个转动副上加上摩擦力，得到了动力仿真模型，并对模型进行检验，可知模型中共有7个构件，8个旋转副和2个固定副。ZERO-MAX型无级变速器动力仿真模型如图1所示。图1动力仿真模型Fig.1 Dynamic simulation mode2 动力学仿真及分析利用ADAMS修改Zero-Max无级变速器的输入转速、结束时间及仿真步长，如果输入步长过大，则给出的值可能不精确，随着模型的变化从一输出点突然跳到下一输出点，得到不连续的结果，输出的曲线也不光滑，要确定有足够的步数能捕捉到输出的尖峰或谷底，否则就要在整个仿真过程中减小步长，但如果输入步长过小，仿真的计算时间将增加，需要更多的计算机资源5。可选取不同数值进行仿真，对结果进行比较，从而选取较为合适的步长。低速时输入轴转速为，高速为1500，步长取100，仿真时间取0.8秒。通过两者转速的不同，分析比较此曲柄摇杆机构从启动到平稳波动的动态过程。2.1输入轴转速低速时输入轴转速，步长取100，仿真时间取0.8秒，仿真曲柄摇杆机构从启动到平稳波动的动态过程，输出结果（摩擦力随时间变化曲线图）如图2图6所示。图2转动副7摩擦力曲线图Fig. 2 Friction curve of joint 7 图3转动副3与转动副6摩擦力曲线图Fig. 3 Friction curve of joint 3 and joint 6 图4转动副11与转动副4摩擦力曲线图Fig. 4 Fiction curve of joint 11 and joint 4 图5输出轴转动副摩擦力曲线图Fig. 5 Friction curve of joint about output shaft 图2图5是低速时各转动副摩擦力随时间变化规律曲线图。当输入力矩逐步以STEP 函数的形式增大，转速从0增加到时，机构克服静摩擦力后开始转动，在受力逐步增大到一定的值后摩擦力出现复杂的波动现象。从图中可看出，与输出轴相连的摇杆两端的转动副受摩擦力相对较小，而作为连接、级机构的构件，即第级曲柄摇杆机构的摇杆，其两端转动副受摩擦力相对较大，尤其是其与机架相连处的转动副所受摩擦力最大，此处因摩擦而消耗的功率较多，传动效率在此处降低较多，也较容易发生由磨损导致的机构传动误差加剧的现象。2.2输入轴转速高速时输入轴转速，步长取100，仿真时间取0.8秒，仿真曲柄摇杆机构从启动到平稳波动的动态过程，输出结果（摩擦力随时间变化曲线图）如图6图9所示。图6 转动副7摩擦力曲线图Fig. 6 Friction curve of joint 7 图7 转动副3与转动副6摩擦力曲线图Fig. 7 Friction curve of joint 3 and joint 6 图8转动副11与转动副4摩擦力曲线图Fig. 8 Friction curve of joint 11 and joint 4 图9输出轴转动副摩擦力响应曲线图Fig. 9 Friction curve of output shaft join 图6图9为高速时各转动副摩擦力随时间变化规律曲线图。当输入力矩以STEP函数的形式逐渐增大，转速从0增加到时，机构克服静摩擦力后开始转动，在受力增大到一定的值后摩擦力出现复杂的波动现象。摩擦力出现不规律突变的原因与转动副元素的弹性变形有关，但在低速时这种现象较明显，这是因为低速时副元素会出现明显的分离碰撞现象，而机构高速运转时，副元素呈现出连续变形接触现象，所以摩擦力突变情况与低速时相比较不明显。通过同一转动副在不同转速时所受摩擦力曲线图可以看出，高速时摩擦力远远高于低速时，所以高速时摩擦加剧会更加导致传递功率消耗的增加，使效率降低。通过各转动副摩擦力的比较可发现，与机架相连的摇杆处转动副所受摩擦力最大，次之为偏心轮上的输入轴转动副和第一级曲柄摇杆机构中连接连杆与摇杆的转动副。当输入转速增大时，这些地方易成为疲劳断裂的危险区域。3 结论（1）通过ADAMS建立了Zero-Max无级变速器动力学模型，构造了虚拟样机，为进行动力学仿及有限元分析奠定了基础。（2）通过仿真分析知，当转速提高时，机构中各个转动副处受力均明显增大，故在高速时易造成机构振动加剧，而且还易引起共振现象的发生。（3）通过仿真可知，第级曲柄摇杆机构的摇杆两端转动副受摩擦力相对较大，此处由于摩擦而消耗的功率最多，并且磨损导致的转动副误差加剧。（4）通过在不同转速下对同一转动副处摩擦力进行比较分析可知，高速时摩擦力远大于低速时。所以，在高速时频繁切换转速，转动副易发生因磨损加剧而导致的疲劳断裂。（5）以上分析结果为Zero-Max无级变速器的结构改进及参数优化提供了理论依据。参 考 文 献1 阮忠唐.机械无级变速器设计与选