资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共24页)
编号：79698222
类型：共享资源
大小：1.32MB
格式：RAR
上传时间：2020-05-18
上传人：加Q294****549海量...
认证信息
个人认证
乐**（实名认证）
湖南
IP属地：湖南
39
积分
- 关 键 词：
-
844
四杆机构的优化设计
机构
优化
设计
- 资源描述：
-
844 四杆机构的优化设计,844,四杆机构的优化设计,机构,优化,设计
- 内容简介：
-
目录摘要：在播种机的众多工作部件中，排种器是播种机的核心部件，直接影响着播种作业质量（粒距合格指数、重播指数和漏播指数等指标）的好坏。而无极变速器又是排种器的重要部件，因此研究无极变速器的特性显得尤为重要。研究无极变速器的方法有许多种，其中计算机仿真是一种比较好的方法。通过仿真能模拟无极变速器的运动，可以在不实验的条件下直观方便的观测机构运动情况，大大简化实验的繁琐内容。论文以主动轴和从动轴之间的运动关系建立仿真模型，并画出输出轴的运动速度图，加速度图。试验无级变速器在高，中，低转速和曲柄不同长度下的机构运动情况，以了解该机器在高，中，低转速下的机构传动比时变规律与稳定性，机构输出转速的时变规律与稳定性，机构输出角加速度的时变规律与稳定性。确定机器在不同条件下的运动特性。并从中选出一组机构最优参数。关键词：曲柄摇杆式脉动无级变速器，闭环矢量方程，Simulink仿真。1 绪论1.1脉动无极变速器仿真的性质、目的及意义无极变速器具有恒功率，高效率，可靠性高，体积小，操作简便，变速范围大等优点。随着现代工业的发展，对汽车、拖拉机等机械的经济性、动力型提出了更高的要求，变速器又是其中的的关键部件，它输出的转速的稳定性直接影响的机器的稳定性。论文仿真机构为四连杆式无极变速机构。课题研究目的是通过仿真无级变速器在高，中，低转速下的运动情况从而确定它在高，中，低转速下的速度，加速度特性，并找出一组最佳机构运动参数，以了解该机器的特性。1.2脉动无极变速器国内外研究现状国际上，在机械式脉动无级变速器领域，目前以德国、美国和日本的技术水平较高。其成熟技术以德国的GUSA型及美国的ZEROMAX型系列产品为代表。GUSA型，国内称为三相并列连杆脉动无级变速器，分为GUSA I型(三相偏置摇块)和改进的GUSA II型(三相对心摇块)两种。GUSA I型最早由德国Heinrich Gensheimer和Sohne机器制造公司在50年代推出之后，该公司在80年代又对其加以改进推出了GUSA II型变速器，GUSA II型是目前性能最为优良的脉动式无级变速器，其变速范围宽，转速可以为零，调速方便，工作时输出转速的脉动度较小，此外，其结构紧凑，加工方便，传动可靠，因而应用广泛。ZEROMAX型，最早由美国ZEROMAX公司于1962年推出，国内称为四相并列连杆式脉动无级变速器。该类无级变速器具有较大的变速范围，转速可以为零，且调速响应快；其结构紧凑、轻巧，常用于小功率场合。另外，日本生产的ZEROMAX型无级变速器不仅性能优良且独具特色。有些规格的变速器带有变向手柄，可实现双向传动(变换输出轴的转向应在停机后进行)，有些变速器内部还装有防止过载的转矩限制器。就国内而言，目前的产品大多是在以上两种机型的基础上加以仿制和改进而来的。如在GUSA I型基础上加以仿制生产出的三相并列曲柄摇块脉动式无级变速器系列，这种变速器传递功率较低，工作性能也不太好，国内厂家目前正在加紧消化国外技术，积极研制性能更好的GUSA II型变速器；此外还有引进消化ZEROMAX型生产出的MT四相并列连杆式脉动无级变速器。该型无级变速器由于采用了内置螺旋机构调速，因而具有更好的调速性能。市面上除以上几种主要机型外。尚有多种组合型及改进型脉动式无级变速器。组合式通常采用连杆机构和其他机构的组合，例如采用定轴齿轮机构与连杆机构组合的德国Philamat脉动无级变速器，该变速器具有脉动度小。调速范围宽，传递功率较大的特点。另外还有采用行星齿轮机构与铰链六杆机构组合的JBLW型脉动无级变速器，以及采用凸轮连杆机构与齿轮机构组合的脉动无级变速器(以美国的MORSE链传动公司推出的三相星型布置的MORSE变速器为代表)等。就目前来说，鉴于结构性能上的局限性，现有脉动式无级变速器主要用于中小功率(18kw以下)、中低速(输入n1=1440r/min，输出n2=0l000r/min)、降速型以及对输出轴旋转均匀性要求不严格的场合，例如热处理设备、清洗设备以及化工、医药、塑料、食品和电器装配运输线等领域的应用。1.3系统仿真国内外研究现状系统仿真，就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。系统仿真技术作为分析和研究系统运动行为，揭示系统动态过程和运动规律的一种重要的手段和方法，随着40年代第一台计算机的诞生而迅速发展。特别是近些年来，随着系统科学研究的深入，控制理论，计算技术，信息处理技术的发展，计算机软件，硬件技术的突破，以及各个领域对仿真技术的迫切需求，使得系统仿真技术有了许多突破性的进展，在理论研究，工程应用，仿真工程和工具开发环境等许多方面都取得令人瞩目的成就，形成一门独立发展的综合性学科。计算机仿真技术作为一个独立的研究领域已有多年的历史，计算机仿真技术随着计算机科学与技术的飞速发展，本身日趋成熟，获得广泛应用。系统仿真的实质：(1)它是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。 (2)仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。 (3)仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。机械系统仿真就是建立系统的模型并在模型上进行试验。试验的方法基本上可分为两大类，一种是直接在真实系统上进行，另一种是先构造模型，通过对模型的试验来代替或部分代替对真实系统的试验。机械系统动态仿真技术又称虚拟样机技术，是国际上20 世纪80 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)技术。借助于这项技术，工人们可以计算机上建立机械系统的模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进或优化样机设计方案。虚拟样机技术的其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件的在任意时刻的位置、速度和加速度。计算机仿真目前已经成为解决工程问题的重要手段，MATLAB/Simulink软件已经成为其中功能最强大的仿真软件之一。而仿真领域的重点是建立模型，即在模型建立以后再设计合理的算法对模型进行计算。Simulink建模与一般程序建模相比更为直观，操作也更为简单，不必记忆各种参数，命令的用法，只要用鼠标就能够完成非常复杂的工作。Simulink不但支持线性系统仿真，还支持非线性系统仿真；不但支持连续系统仿真，还支持离散系统甚至混合系统仿真；不但本身功能非常强大，而且还是一个开放性系统，可以自己开发模块来增强simulink自身的功能。对于同一个系统模型，利用simulink可以采用多个不同的采样速率，不但能够实时地显示计算结果，还能够显示模型所表示的实际运动形式。Matlab功能强大，可方便地进行科学与工程计算，大大地减少了计算工作量。而且，Matlab所采用的算法都是最新最成熟的算法，并能够与各种程序语言进行融合编程，大大地加快了实际开发的速度。Simulink是一个针对动力学系统建模，仿真和分析的软件包，可以与Matlab实现无缝结合，能够调用Matlab强大的函数库。利用Simulink工具包可以不受线性系统模型的限制，能够建立更加真实的非线性系统，如在系统中考虑摩擦力，空气阻力，齿轮滑动等。它会将计算机变成一个建模与分析系统的实验室，特别是对于那些无法做实验的系统。几乎所有试图用运动学分析程序化的技术其核心就是闭环矢量方程，该方程是机构各个构件之间连接约束的一个非常简洁而又明了的表达式。闭环矢量方程易于求解，并且是进行机构计算机分析所需采取的第一步。Simulink具有非常高的开放性，提倡将模型通过框图形式表示出来，或者将已有的模型添加组合到一块，或者将自己创建的模块添加到模型当中。Simulink具有较高的交互性，允许随意修改模块参数，并且可以直接无缝地使用Matlab的所有分析工具。对最后得到的结果可进行分析，并能够将结果可视化显示。Simulink提供了大量的模块，方便用户快速地建立动态的系统模型，只需要用鼠标进行简单地拖放和模块间的连接，就能够建立非常复杂的仿真模型，对模型中的连接数量和规模没有限制。1.4 主要研究内容和拟解决的关键问题 主要研究内容： （1）建立机构的矢量表达式。 （2）仿真无极变速器的机构运动。 （3）讨论无极变速器在不同状态下的运动特性。 关键问题： （1）闭环矢量方程的建立。 （2）m文件的编写。 （3）仿真模型的建立。（4）初始位置的求解。 1.5 预期研究目标和主要进展 通过矢量方程的建立，仿真模型的建立，画出机构运动角速度图，角加速度图，得出机器在不同状态下的运动特性。以确定机器的最佳工作范围。2 仿真实验设计 仿真的无极变速器可以抽象为如下的四杆机构：其中r1长度可变，分别为150，100，200。分别仿真r1在不同角速度=4.2735，=5.9829，=7.6923条件下机构的运动情况。2.1 确定仿真输入求解角速度中仿真输入为，。机构运动学参数参数值4.2735 5.9829 7.6923150 100 2001083.4236541.71181.570.2442 0.2966 0.17440.8373 0.8897 0.8024求解角加速度中仿真输入为1，。机构运动学参数参数值04.2735 5.9829 7.69230.7080 0.9912 1.27440.4439 0.6215 0.79900.9323 1.3053 1.67822.0533 2.8746 3.69591.3491 1.8888 2.42842.6435 3.7009 4.75831.570.2442 0.2966 0.17440.8373 0.8897 0.80242.2确定仿真输出 角速度仿真的输出为，用MATLAB中的函数画出图像并求出平均值，方差，变异系数。 角加速度仿真的输出为，用MATLAB中的函数画出图像并求出平均值，方差，变异系数。2.3 试验方案设计 察机器的构造，抽象出机器的机构运动简图。根据系统具体情况建立数学模型，通过数学运算导出机构运动的角速度，角加速度表达式。在simulink模型编辑窗口中拖放模块建立模型，连线，设置仿真参数，运行仿真，得出仿真结果并讨论。3 机构运动仿真模型3.1 机构组成原理与工作过程脉动无级变速器是由连杆和单向超越离合器组成的组合机构。变速器主动轴的匀速旋转运动，首先被连杆机构转换成摇杆的往复摆动；然后再经单向超越离合器将摇杆的摆动转化为输出的单向脉动性旋转运动。 通过数个具有一定的相位差的连杆-单向超越离合器组合机构，就可以使输出轴获得脉动幅度很小的旋转运动。改变曲柄的长度，以形成构件间新的尺寸比例关系，使摇杆获得不同的摆角，从而达到无极变速的目的。3.2机构坐标系与构件的矢量表达图1显示出了四连杆机构和它的闭环矢量，其中曲柄为机构的原动件。工作时，曲柄AB旋转通过曲柄销B驱动连杆BC运动，连杆通过连杆销C驱动CD作摆动。以曲柄中心A为原点建立坐标系xoy，从曲柄中心A到曲柄销B建立矢量,从曲柄销B到连杆销C建立矢量，从连杆销C到输出轴D建立矢量，从曲柄中心A到输出轴D建立矢量。3.3 机构闭环矢量方程,他们形成闭环矢量。机构各个矢量间的关系满足下面的闭环矢量方程：（3.1） 3.4 机构位移状态方程将各个矢量沿x和y轴方向分解成两个分量，则式（3.1）可表示为下面的矩阵形式： （3.2）3.2 矢量的各个分量表为矢量投影，它们是矢量模与矢量角（矢量与x坐标轴的夹角）的函数，机构运动的位移状态方程如下：（3.3） 式中，,分别为矢量,的模，,分别为矢量,的矢量角。3.5 机构速度状态方程对式（3.3）两端对时间求一阶导数，得到角速度状态方程：（3.4）式中，,分别为连杆和输出轴的角速度，值为正时表示沿x轴逆时针方向转动，值为负时表示沿x轴顺时针转动。3.6 机构加速度状态方程式（3.4）两端对时间求一阶导数，得到加速度状态方程：（3.5）式中，为角位移，的二阶时间导数，其意义是矢量，旋转的角加速度，逆时针为正，顺时针为负。3.7 机构传动比方程3.8 机构运动仿真模型3.8.1 建立Simulink模型 打开建模仿真窗口，为仿真时间序列选择时钟模块；为,选择常数模块；为与,与,与三对有积分关系的参数选择三个积分模块；为速度状态方程选择MATLAB Function模块；再选取Mux和DeMux模块，实现多个闭环矢量参数的合成（合成一个向量）和分解（分流成多个标量）；再选择simout模块，实现以变量名simout将仿真结果存储于Work Space中，编写绘图程序调用该变量呈现仿真结果的时序变化；修改每个模块的标签，以便于识别和正确连线。建立的simulink仿真模型如图3.1所示。为仿真时间序列选择时钟模块；为选择常数模块；为与,与,与三组有积分关系的参数选择六个积分模块；为加速度状态方程选择MATLAB Function模块；为数据流的合成与分解选取Mux和DeMux模块；为仿真结果的记录和输出选取simout模块。建立的加速度仿真模型如图3.2所示。 3.8.2 MATLAB函数模块编程编写与Matlab Function模块配套的自定义函数并存盘为compvel.m，再仿真模型哩双击MATLAB Function模块打开Block Parameters窗口，在该窗口的Matlab function框中键入自定义函数的名称compvel，在该窗口的Output dimensions框中键入-1，这样就建立了MATLAB Function模块与自定义函数compvel的联系。Compvel.m的内容如下：function w=compvel(u)%u(1)=omega1;u(2)=r1;u(3)=theta1;u(4)=r2;u(5)=theta2;u(6)=r3;u(7)=theta3;a=u(4)*sin(u(5) -u(6)*sin(u(7);-u(4)*cos(u(5) u(6)*cos(u(7);b=-u(2)*sin(u(3)*u(1);u(2)*cos(u(3)*u(1);w=inv(a)*b;自定义函数程序的第一个语句“function w=compvel(u)”中，u是MATLAB Function模块的输入向量，该向量中各个分量的顺序依次为，；w是MATLAB Function模块的输出向量，该向量中各个分量的顺序依次为，。3.8.3 Simulink模型初始条件 在仿真系统运行之前，必须为积分模块建立正确的初始条件，这些初始条件必须是机构在某个真实位置上的正确参数，这一点是积分器正确求解微分方程的关键。 在机构分析过程中，首先要进行位置分析。就单自由度机构而言，需要回答以下问题：若已知机构中某一根连杆的位置，那么在机构中其他杆的位置应如何确定？如上式（3.3）方程可用来解决这类问题。例如：若给定和所有的杆长，则，可完全求解出来。然而这组方程是关于，的非线性超越方程，非常难以求解。因此，需要用牛顿法来求解。简要的说，牛顿法法是求解非线性方程的一种迭代法，它从某一给定的初始向量开始不断地给以增量直到所得结果“足够接近”精确解。迭代增量是通过非线性方程的级数展开式计算求得，“足够接近”是根据数值精度和工程实际的要求来确定的。根据牛顿法做以下计算：首先，以名义解的形式重新定义变量，认为名义解接近精确解，其间差值由以下修正因子描述：=+=+其中：，代表问题的解；，为接近解的名义解；，为修正因子。运用泰勒级数，将结果表达为方程形式，可得到如下矩阵方程： MATLAB运用平台非常适用于求解上述位置问题。以下函数为运用MATLAB求解含非线性超越方程。functionth2,th3=posso(th,r)%th(1)=theta-1%th(2)=theta-2-bar%th(3)=theta-3-bar%r(1)=r-1%r(2)=r-2%r(3)=r-3%r(4)=r-4th1=th(1);th2bar=th(2);th3bar=th(3);epsilon=1.0E-4f=r(2)*cos(th2bar)-r(3)*cos(th3bar)+r(1)*cos(th1)-r(4);r(2)*sin(th2bar)-r(3)*sin(th3bar)+r(1)*sin(th1);while norm(f)epsilon J=-r(2)*sin(th2bar) r(3)*sin(th3bar);r(2)*cos(th2bar) -r(3)*cos(th3bar); dth=inv(J)*(-1.0*f); th2bar=th2bar+dth(1); th3bar=th3bar+dth(2);f=r(2)*cos(th2bar)-r(3)*cos(th3bar)+r(1)*cos(th1)-r(4);r(2)*sin(th2bar)-r(3)*sin(th3bar)+r(1)*sin(th1); norm(f)end;th2=th2bar;th3=th3bar;下面是MATLAB的一段命令对话，其中函数用来求解未知位置：r(1)=150;r(2)=1083.4236;r(3)=541.7118;r(4)=691.7118;th(1)=90*pi/180;th(2)=15*pi/180;th(3)=45*pi/180;posso(th,r) ans = 0.2442 0.8373答案为：=，=。分别改变r(1)的长度150，200，求得在不同状态下的，值。下表给出了速度仿真所需的初始值。长度机构运动学参数参数值1501.570.24420.83731001.570.29660.88972001.570.17440.8024在角加速度仿真中需要设置六个积分模块，的初始值，其中，已知，需求出，的值。根据式（3.4）可以MATLAB编程求解，。下面是MATLAB的一段命令对话，用于求解，。r1=150;r2=1083.4236;r3=541.7118;th1=90*pi/180;th2=14*pi/180;th3=48*pi/180;j=r2*sin(th2) -r3*sin(th3);-r2*cos(th2) r3*cos(th3);b=-r1*sin(th1)*7.6923;r1*cos(th1)*7.6923;omega23=inv(j)*b=150，th1=90*pi/180，th2=14*pi/180，th3=48*pi/180的情况下，转速分别取，得到三组，的值，如下表：0.7080（）2.0533（）0.9912（）2.8746（）1.2744（）3.6959（）在=100，th1=90*pi/180，th2=17*pi/180，th3=51*pi/180的情况下，转速分别取，得到三组，的值，如下表：0.4439（）1.3491（）0.6215（）1.8888（）0.7990（）2.4284（）在=200，th1=90*pi/180，th2=10*pi/180，th3=46*pi/180的情况下，转速分别取，得到三组，的值，如下表：0.9323（）2.6435（）1.3053（）3.7009（）1.6782（）4.7583（）3.8.4 Simulink模型输入输出变换式（3.4），未知的，移到方程的左端，已知的，移到方程的右端，它们分别作为MATLAB Function（compvel.m）模块的输出和输入，则有：变换式（3.5），未知的，移到方程的左端，已知的，移到方程的右端，它们分别作为MATLAB Function（compacc.m）模块的输出和输入，则有：4 仿真试验结果与讨论4.1机构传动比的时变规律与稳定性在=150，分别为，三种不同角速度下输出轴的角度图在=100，分别为，三种不同角速度下输出轴的角度图：4.2 机构输出转速的时变规律与稳定性 先讨论连杆的运动情况：在=200，分别为，三种不同角速度下输出轴的角度图在=150，分别为，三种不同角速度下的连杆的角速度图：从图中可以看出当以中速运转时，连杆的角速度变化平稳；但在运动开始时无论低中高速都会有一个较大的变化，但很快便稳定下来；当高速运转时，连杆的角速度变化率和变化量比较大。在=100，分别为，三种不同角速度下的连杆的角速度图：从图中可以看出低速状态下，连杆的角速度变化率较高速状态下的较小。随着的增大，变化率也随着增大。在=200，分别为，三种不同角速度下的连杆的角速度图：从图中可以看出，在运动开始时连杆的角速度都会有较大的变化，以后便趋于稳定。讨论输出轴的运动情况：在=150，分别为，三种不同角速度下的输出轴的角速度图：从图中可以看出，随着的增大，输出轴角速度变化率先变小后变大，特别在较大时输出轴角速度变化率很大。在处于中速时输出轴转速稳定。但在运动开始时都会有一小段时间的不稳定输出。在=100，分别为，三种不同角速度下的输出轴的角速度图：从图中可以看出，随着的增大，输出轴角速度变化率逐渐变大，角速度变化范围也随着变大。在=200，分别为，三种不同角速度下的输出轴的角速度图：从图中可以看出，在运动的开始时输出轴的角速度会有较大的变动，以后很快便趋于平稳。曲柄摇杆式脉动无级变速器优化设计1 绪论1.1无级变速器优化设计的目的和意义随着现代工业的发展，对汽车、拖拉机等机械的经济性、动力型提出了更高的要求。其中播种机的播种要求更是精密，播种距离是等间距的，提高播种机的播种质量对于提高作物的产量有着重要作用，而变速器又是其中的的关键部件，它输出的转速的稳定性直接影响的机器的播种精度和播种效率。所以研究输出转速的稳定性就显得尤为的重要，基于MATLAB数学建模找到一种优化机构参数的方法和一组最优的参数是解决此问题的关键，因此优化设计无级变速器的机构参数就非常的有必要和实际意义。1.2 无级变速器优化设计国内外研究现状1.2.1无级变速器国内外的研究成果国际上，在机械式脉动无级变速器领域，目前以德国、美国和日本的技术水平较高。其成熟技术以德国的GUSA型及美国的ZEROMAX型系列产品为代表。GUSA型，国内称为三相并列连杆脉动无级变速器，分为GUSA I型(三相偏置摇块)和改进的GUSA II型(三相对心摇块)两种。GUSA I型最早由德国Heinrich Gensheimer和Sohne机器制造公司在50年代推出之后，该公司在80年代又对其加以改进推出了GUSA II型变速器，GUSA II型是目前性能最为优良的脉动式无级变速器，其变速范围宽，转速可以为零，调速方便，工作时输出转速的脉动度较小，此外，其结构紧凑，加工方便，传动可靠，因而应用广泛。ZEROMAX型，最早由美国ZEROMAX公司于1962年推出，国内称为四相并列连杆式脉动无级变速器。该类无级变速器具有较大的变速范围，转速可以为零，且调速响应快；其结构紧凑、轻巧，常用于小功率场合。另外，日本生产的ZEROMAX型无级变速器不仅性能优良且独具特色。有些规格的变速器带有变向手柄，可实现双向传动(变换输出轴的转向应在停机后进行)，有些变速器内部还装有防止过载的转矩限制器。就国内而言，目前的产品大多是在以上两种机型的基础上加以仿制和改进而来的。如在GUSA I型基础上加以仿制生产出的三相并列曲柄摇块脉动式无级变速器系列，这种变速器传递功率较低，工作性能也不太好，国内厂家目前正在加紧消化国外技术，积极研制性能更好的GUSA II型变速器；此外还有引进消化ZEROMAX型生产出的MT四相并列连杆式脉动无级变速器。该型无级变速器由于采用了内置螺旋机构调速，因而具有更好的调速性能。市面上除以上几种主要机型外。尚有多种组合型及改进型脉动式无级变速器。组合式通常采用连杆机构和其他机构的组合，例如采用定轴齿轮机构与连杆机构组合的德国Philamat脉动无级变速器，该变速器具有脉动度小。调速范围宽，传递功率较大的特点。另外还有采用行星齿轮机构与铰链六杆机构组合的JBLW型脉动无级变速器，以及采用凸轮连杆机构与齿轮机构组合的脉动无级变速器(以美国的MORSE链传动公司推出的三相星型布置的MORSE变速器为代表)等。就目前来说，鉴于结构性能上的局限性，现有脉动式无级变速器主要用于中小功率(18以下)、中低速(输入，输出)、降速型以及对输出轴旋转均匀性要求不严格的场合，例如热处理设备、清洗设备以及化工、医药、塑料、食品和电器装配运输线等领域的应用。1.2.2无级变速器应用的局限性尽管各种型式的脉动式无级变速器各有优点，但由于其结构原理及性能上的局限性。普遍存在着以下缺陷1,2：(1)连杆运动时的惯性力难以平衡，由此引起的振动在高速时会显著增大，同时产生较大的噪音。(2)作为输出机构的超越离合器是动力链中的薄弱环节，其承载能力和抗冲击能力相对较弱，直接制约了脉动式无级变速器的传动能力和寿命。(3)机器的脉动度仍需进一步降低，尤其低速输出时脉动度会显著增加。(4)机构有移动副和采用多相结构时存在过约束现象，导致机器对误差和工作环境的敏感性较高，机械效率降低，磨损加剧。(5)整机效率不是很高，输出功率小，不适用于大功率场合。1.2.3国内外研究的对策及进展为了提高脉动式无级变速器的综合性能，今后的研究目标将主要集中在以下几方面：(1)对传动机构进行深入研究，通过优化机构的型及尺寸，减小脉动度及动载荷，减少功率损耗，从而改善其运动及动力性能。(2)深入研究超越离合器工作机理，进一步改善其性能，提高其承载能力和传动效率。对于传动机构的研究，就目前而言，主要集中于平面六杆机构。这主要是因为六杆机构能较好地满足运动、动力和调速方面的要求且其理论研究也比较成熟。影响脉动式无级变速器的整机运动及动力性能的因素是多方面的，各因素相互影响制约。如增加相数，一方面可减小脉动度，另一方面又会增加机构的复杂程度，降低效率；另外，要想提高整机的输出功率，也不是简单的尺寸放大的过程，需要深入研究各种条件的影响。所以，设计时需要综合考虑各方面的因素，目前对脉动式无级变速器通过优化的方法建立优化模型。进行结构优化及尺度综合是脉动式无级变速器研究的一个热门方向3,4。近几年来，先后有内置式脉动无级变速器和双输出脉冲发生机构等创新出现。前者的主要特点是在传统连杆脉动式无级变速器基础上，将曲柄摇杆机构内置于超越离合器中。该机构结构紧凑，效率较高，主要缺点是加工安装精度要求较高5；后者除简化了结构，提高了效率外，更主要的是将六连杆机构与齿轮机构组合起来，实现了双摇杆在正反两个行程都能分别实现运动输出的功能要求6。超越离合器系脉动无级变速器的关键部件,其工作能力决定了整机效率的高低、输出扭矩的大小和耐用寿命的长短。目前广泛使用的高副式(如滚柱式)超越离合器承载能力低、工作稳定性较差。近几年国内又出现了几种新型设计，其中“挠性环式超越离合器”,由于采用了挠性环与内芯的面接触,因而承载能力和效率得到较大提高,开合也轻便。自锁更可靠7。但它也存在一些问题：当挠性环较薄时虽然正反转灵敏，但承载能力将由于环较薄而受影响。如选较厚的环，虽然承载能力提高了，但挠性变坏，当有预紧时，反向阻力矩较大，而当环与内芯存在间隙时，灵敏度又降低8。鉴于上述原因，又设计出一种“链环式超越离合器”。它用厚环代替薄环，用分节使厚环具有较好的挠性。“差动式双制式超越离合器” 就是在此基础上开发出来的。它采用两段厚铰链环(又叫双制动块)铰接，控制键则被四杆机构代替。该机构具有自调自适应性的内力加压装置，不仅承载能力、效率有较大提高，产品的寿命、灵敏度也有较大提高9。1.3 主要研究内容和拟解决的关键问题主要研究内容：(1)设计一种便捷的、适用于曲柄摇杆式脉动无级变速器的一套计算优化机构参数的方法。(2)建立优化机构的数学模型。(3)提高曲柄摇杆式无级变速器转速输出的稳定性，它的本质也就是提高传动比的稳定性。(4)探讨优化方法与优化结果的可行性。关键问题：(1)建立优化机构的数学模型是解决稳定性的关键。(2)推导出数学模型数学的关系式。(3)反复调试MATLAB优化程序，得到最优的机构参数。1.4 预期研究目标和主要进展预期研究目标(1)曲柄摇杆式脉动无级变速器的输出转速的比较稳定。(2)优化出一组是输出转速稳定的机构参数。主要进展(1)对曲柄摇杆式脉动无级变速器作了运动性的分析，建立起了MATLAB优化的数学模型。(2)运用MATLAB进行了编程，找到了优化的机构最佳参数。(3)分析了曲柄摇杆式无级脉动变速器传动比的时变规律和输出转速的时变规律。(4)对曲柄摇杆式无级脉动变速器的传动比进行了设计。2 曲柄摇杆式脉动无级变速器原理2.1 机构的组成与工作过程图1 曲柄摇杆式脉动无级变速器机构示意图脉动无级变速器是由曲柄、连杆、单向超越离合器和机架组成的组合机构。变速器主轴的匀速旋转运动，首先被连杆机构转换成摇杆的往复摆动；然后再经单向超越离合器将摇杆的摆动转化为输出的单向脉动性旋转运动。曲柄摇杆机构是脉动无级变速器的主体机构，我们现在假设脉动无级变速器只有一个曲柄摇杆机构，则其输出是单向简写脉动的旋转运动，输出极为不平稳。为了减小脉动不均匀性，大多是均在主动轴和输出轴之间装设z个相互之间有一定相位差的连杆-单向超越离合器组合机构，它们或是并列地布置在相互平行的平面之中的，或是星形布置。这时，这些间歇机构并非同时都有效地进行工作，在某瞬间只有在驱动方向上角速度最大的一套机构才传递转矩；即几个单向超越离合器是交替重叠地起作用的。通过数个具有一定的相位差的连杆-单向超越离合器组合机构，就可以使输出轴获得脉动幅度很小的旋转运动。用调速机构来改变曲柄的长度，以形成构件间新的尺寸比例关系，使摇杆获得不同的摆角，从而达到无极变速的目的10。2.2 机构运动分析2.2.1 机构坐标系与构件的矢量表达图2 机构向量图如图所示，以摆杆与机架的铰接点也为原点坐标水平向右为轴，竖直向上为轴11，曲柄半径为；连杆长度为；摆杆长度为；机架两铰接点之间的长度为。各个设计变量合在一起记做设计向量，=,。曲柄长度可在一定的范围内调节，以来决定曲柄摇杆式脉动无级变速器的传动比的范围。2.2.2 闭环矢量方程机构是四连杆机构，因此，根据矢量加法要求，可以构成一个闭环矢量方程，其数学表达式为： +=+ (2.1)上面方程表明，矢量和相加而得到的位移矢量与矢量和叠加得到的位移矢量是完全相同的；无论机构运动到何种状态，只要能保证机构的几何装配条件，则这个闭环矢量方程就一定能够成立。2.2.3 位移状态方程显而易见，各个矢量是随时间而变化的。因为，即使各个连杆的长度保持不变，但它们各自的方位却是随机构运动而改变的。矢量方程对时间求导的简单方法是将闭环矢量方程分解成两个标量表达式；一个沿轴、方向分解，另一个沿方向分解。利用矢量夹角的正弦和余弦定理就可以得到闭环矢量方程的两个分量的位移状态方程表达式，即： (2.2) (2.3)2.2.4 速度状态方程在机构的分析当中，曲柄的输入角速度是以均匀的角速度转动的。在传动分析当中，角速度在某时刻的大小是在求解位置问题之后进行的。换而言之，在某一时刻所有连杆转角的角度是已知的。可以用杆长和曲柄的转角表示，在此条件下曲柄转角就可以用输入转速表示，对位移状态方程求导，就可以求出速度状态方程，即： (2.4) (2.5)式中表示曲柄的角速度，表示连杆的角速度，表示摇杆的角速度。2.3 机构传动角对于排种器的脉动无级变速器而言，一般优先要求其输出的转速稳定，因此，以输出的转速稳定为变量设计目标函数。曲柄与轴的夹角为，摇杆与轴的夹角为。 (2.6) (2.7)式中表示曲柄进程开始时候的角位置，表示曲柄进程开始时候的角位置，为和之间取50等分的向量组。 (2.8) (2.9) (2.10) (2.11) (2.12) 上式中，与的和表示为摇杆的转角位置；表示为的各个转角的差值；表示的方差。使得目标函数摇杆夹角差值的方差与摇杆夹角差值的均值比达到最小，也就是使得摇杆的转速输出达到最平稳。机构的传动角在摇杆进程开始时达到最大，进程结束时达到最小。 (2.13) (2.14)上式中，表示为机构的最大传动角，表示机构的最小传动角。2.4 机构传动比机构的传动比在机构的参数都确定的时候已经可以确定了，要实现无极变速就是要调节曲柄的长度，使得其满足排种器的播种转速的要求。 (2.15)上式中，表示机构的平均传动比；为曲柄的输入转速；为摇杆的输出转速；为摇臂的终止位置角；为摇臂的起始位置角。一但机构的参数确定下来，机构的传动比的改变就是只由调节曲柄半径来实现的,即： (2.16)3 建立无级变速器优化设计模型3.1 确定设计变量机构的输入转速是匀速的就可以确定出曲柄的转角，曲柄的长度也是已知的，摇杆的转角可以用杆长和曲柄转角连来表示出来。设计变量如下：杆的长度；摇杆的长度；机架的长度。各个设计变量合在一起记作设计向量，=,3.2 确定目标函数对于曲柄连杆式脉动无级变速器，它的输出转速的变化稳定性直接影响到无级变速器的性能，因此以摇臂的转角变化差的稳定性来代替摇臂的转速稳定性为变量建立目标函数。把曲柄从进程开始到进程结束的转角分为50等份，可以计算出50个曲柄转角的位置，利用杆长和曲柄转角位置可以表示出摇臂的转角位置，再求出各个摇臂转角的差值，对其求出方差值和均值，摇臂转角位置差的方差和均值之比大小可以反映出摇臂的转速稳定性的变化大小，由此构成目标函数如下：公式(3.12)：使得摇臂转角的相对变化值的方差最小，也就波动最小，最稳定。3.3 确定约束条件3.3.1 机构几何尺寸约束曲柄摇杆式脉动无级变速器顾名思义应该满足构成曲柄摇杆机构的杆长条件，既满足： (3.1) (3.2) (3.3)3.3.2 机构传动角约束曲柄摇杆式无级变速器的传动角的变化范围应该满足在之间变化，保证机构的传动效率。机构传动角的约束是非线性的约束，因该满足： (3.4) (3.5)3.4 优化设计模型把曲柄摇杆式脉动无级变速器简化成一个四杆机构，由曲柄、连杆、摇杆和机架组成，曲柄进程的时候驱动超越离合器转动工作，回程的时候超越离合器不工作，曲柄旋转一周，摇杆只驱动一个行程，超越离合器也只工作一个行程。由公式(2.8) 、(2.9) 、(2.10)、 (2.11) 、(2.12) 、(3.1)、 (3.2) 、(3.3) 、(3.4) 、(3.5)组成数学模型，公式如下： 4 无级变速器优化设计结果和讨论4.1 优化设计模型的求解方法当今计算机已经成为解决工程、机械、电子等各各方面的问题的重要工具，MATLAB软件的功能强大，它在优化设计中提供了各种的优化工具箱，能解决各种优化问题，所以基于MATLAB的优化模型本课题具有较高的科学性和可行性。运用MATLAB编程对优化模型求解，目标函数程序12：function f,ph,theta=myfunx(x)r=50;theta_s=-abs(acos(x(1)-r)2+x(3)2-x(2)2)/(2*(x(1)-r)*x(3);theta_z=pi-abs(acos(x(1)+r)2+x(3)2-x(2)2)/(2*(x(1)+r)*x(3);theta=linspace(theta_s,theta_z,50);ph1=atan(r*sin(pi-theta)./(x(3)+r*cos(pi-theta);ph2=acos(r2-x(1)2+x(2)2+x(3)2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta)./(2*x(2)*sqrt(r2+x(3)2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta);ph=ph1+ph2;phi=ph(2:length(ph)-ph(1:(length(ph)-1);f=var(abs(diff(phi)/mean(abs(diff(phi);end上面程序中theta_s表示曲柄开始进入进程时的初始角位置；theta_z表示曲柄到达回程时刻得角位置；theta表示在theta_s与theta_z之间取50个等间隔角位置的时刻；ph1与ph2之和ph表示为摇杆与X轴的夹角；phi表示摇杆转角两个相邻位置时刻转角的差值；f是目标函数对phi求导后的方差与phi它的均值之比最小值，也就是摇臂的输出转速波动最小值。非线性约束程序：function c,ceq=mycon(x)r=50;cosphai_s=acos(x(1)2+x(2)2-(r2+x(3)2+2*r*x(3)/(2*x(1)*x(2);cosphai_z=acos(x(1)2+x(2)2-(r2+x(3)2-2*r*x(3)/(2*x(1)*x(2);theta_s=-abs(acos(x(1)-r)2+x(3)2-x(2)2)/(2*(x(1)-r)*x(3);theta_z=pi-abs(acos(x(1)+r)2+x(3)2-x(2)2)/(2*(x(1)+r)*x(3);theta=linspace(theta_s,theta_z,50);ph1=atan(r*sin(pi-theta)./(x(3)+r*cos(pi-theta);ph2=acos(r2-x(1)2+x(2)2+x(3)2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta)./(2*x(2)*sqrt(r2+x(3)2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta);ip=(ph2-ph1)/(2*pi);%c=-cosphai_s-0.866;cosphai_z-0.866;-ip+0.1;%c=-cosphai_s-0.866;cosphai_z-0.866;-ph2-1;c=-cosphai_s-0.866;cosphai_z-0.866;ceq=0;end上诉程序当中cosphai_s表示非线性约束中的传动角约束的最小值；cosphai_z表示非线性约束中的传动角约束的最大值；theta_s表示曲柄开始进入进程时的初始角位置；theta_z表示曲柄到达回程时刻得角位置；theta表示在theta_s与theta_z之间取50个等间隔角位置的时刻；ph1表示在进程之中摇杆的初始角位置；ph2表示在进程之中摇杆的终止角位置；ip为曲柄摇杆式脉动无级变速器的平均传动比；c为非线性不等式约束cosphai_s和cosphai_z为负值；ceq=0表示没有非线性等式约束。调用的主程序：clc;clear all;r=50;A=1 -1 -1;-1 -1 1;0 -1 0;b=r;r;-3*r;lb=50 50 50;ub=1000 500 1000;x0=155 60 147;x,fval,exitflag,output=fmincon(myfunx,x0,A,b,lb,ub,mycon);f,ph,theta=myfunx(x);theta=theta*180/piph=ph*180/piip=(acos(x(2)2+x(3)2-(r+x(1)2)/(2*x(2)*x(3)-acos(x(2)2+x(3)2-(r-x(1)2)/(2*x(2)*x(3)/(2*pi)c,ceq=mycon(x);plot(theta,ph,LineWidth,2);axis(min(theta) max(theta) min(ph) max(ph);set(gca,FontSize,12)xlabel(theta,FontSize,14)ylabel(ph,FontSize,14) 上诉程序之中fmincom为MATLAB优化工具中求解非线性单目标函数，列出线性约束，给出变量的上限、下限和初始值，再调用非线性约束条件mycom函数和目标函数myfunx就可以进行优化了。4.2 机构尺寸的优化设计结果和特点机构的优化结果用曲柄转角和摇杆转角作plot图，如下图：图3 摇杆转角随曲柄转角变化图从图3中，我们可以看到机构的摇杆转角在进行中是随着曲柄的转角的增大而增大的。根据MATLAB的优化结果，机构的参数为：表1 机构优化参数初始值下限上限优化值155501000940.626050500211.79147501000869.44传动比为：曲柄转角的变化范围：摇臂转角变化的范围：机构的优化值4.3 优化机构传动比的时变规律与稳定性机构的输入转速是稳定不变的，随时间变化的就是机构的输出转速，而机构的传动比就是输入转速与输出转速之比，所以传动比的时变规律也就是代表了机构的输出转速的时变规律，传动比的稳定性也就是代表了机构的输出转速的稳定性，下图是运用MATLAB编程，绘制出的传动比的时变规律。绘制图形的MATLAB程序如下：r=50;theta_s=-abs(acos(x(1)-r)2+x(3)2-x(2)2)/(2*(x(1)-r)*x(3);theta_z=pi-abs(acos(x(1)+r)2+x(3)2-x(2)2)/(2*(x(1)+r)*x(3);theta=linspace(theta_s,theta_z,50);ph1=atan(r*sin(pi-theta)./(x(3)+r*cos(pi-theta);ph2=acos(r2-x(1)2+x(2)2+x(3)2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta)./(2*x(2)*sqrt(r2+x(3)2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta);ph=ph1+ph2;phi=ph(2:length(ph)-ph(1:(length(ph)-1);thetai=theta(2:length(theta)-theta(1:(length(theta)-1);theta1=theta(2:50)ip=(abs(phi)/mean(abs(thetai);plot(theta1,ip,LineWidth,2);axis(min(theta1) max(theta1) min(ip) max(ip);set(gca,FontSize,12)xlabel(theta1,FontSize,14)ylabel(ip,FontSize,14)上诉程序当中cosphai_s表示非线性约束中的传动角约束的最小值；cosphai_z表示非线性约束中的传动角约束的最大值；theta_s表示曲柄开始进入进程时的初始角位置；theta_z表示曲柄到达回程时刻得角位置；theta表示在theta_s与theta_z之间取50个等间隔角位置的时刻；ph1表示在进程之中摇杆的初始角位置；ph2表示在进程之中摇杆的终止角位置；ip为曲柄摇杆式脉动无级变速器的平均传动比；theta1表示从theta的第2个值开始到theta的最后一个值。用传动比和曲柄转角作plot绘图如下图：图4 传动比的时变规律图从图4中，我们可以得到传动比的变化的变化规律，它是随着曲柄转角的增大而逐渐增大然后再减小的。从图中我们还可以看出当曲柄转角变化到中部的时候，摇杆转速变化最平稳，效果最理想。传动比的波动范围4.4 优化机构输出转速的时变规律与稳定性曲柄摇杆式脉动无级变速器输出的转速是脉动的，我们优化的就是要减小这个脉动，所以机构的输出转速的时变规律和稳定性是最能反映这个机构的脉动的大小情况的。运用MATLAB编程绘制出曲柄摇杆式无级变速器输出的转速的时变规律与他的稳定性的规律，程序如下：r=50;theta_s=-abs(acos(x(1)-r)2+x(3)2-x(2)2)/(2*(x(1)-r)*x(3);theta_z=pi-abs(acos(x(1)+r)2+x(3)2-x(2)2)/(2*(x(1)+r)*x(3);theta=linspace(theta_s,theta_z,50);ph1=atan(r*sin(pi-theta)./(x(3)+r*cos(pi-theta);ph2=acos(r2-x(1)2+x(2)2+x(3)2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta)./(2*x(2)*sqrt(r2+x(3)2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta);ph=ph1+ph2;theta=theta*180/pi;ph=ph*180/pi;phi=ph(2:length(ph)-ph(1:(length(ph)-1);thetai=theta(2:length(theta)-theta(1:(length(theta)-1);theta1=theta(2:50);w=abs(phi)/mean(abs(phi);plot(theta1,w,LineWidth,2);axis(min(theta1) max(theta1) min(w) max(w);set(gca,FontSize,12)xlabel(theta1,FontSize,14)ylabel(w,FontSize,14)上诉程序当中cosphai_s表示非线性约束中的传动角约束的最小值；cosphai_z表示非线性约束中的传动角约束的最大值；theta_s表示曲柄开始进入进程时的初始角位置；theta_z表示曲柄到达回程时刻得角位置；theta表示在theta_s与theta_z之间取50个等间隔角位置的时刻；ph1表示在进程之中摇杆的初始角位置；ph2表示在进程之中摇杆的终止角位置；w表示摇臂的转速也就是输出转速；theta1表示从theta的第2个值开始到theta的最后一个值。用输出转速和曲柄转角作plot绘图如下图：图5 输出转速的时变规律图 从图5中我们可以得到输出转速随曲柄转角的时变规律，输出转速随曲柄转角的增大而增大，达到一
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号