一种新型机械式无级变速器设计及运动模拟

1、第 28卷第 6期 2011年 6月机 械 设 计JOURNAL OF MACHINE DESIGNVol28No6 Jun2011一种新型机械式无级变速器设计及运动模拟 *张晋西 , 邱骞 , 郭学琴(重庆理工大学 汽车学院 , 重庆 400050摘要 :文中提出一种机械式无级变速器新型结构 , 其具有较好的无级变速性能并且在理论上可获得匀速运动输出 , 用 SolidWorks2010Motion 进行运动仿真模拟并和理论分析比较 , 获得了较好的效果 。关键词 :无级变速器 ; 匀速 ; 空间凸轮机构 ; 运动仿真 ; SolidWorks Motion ; ADAMS中图分类号 :TP

2、391文献标识码 :A 文章编号 :10012354(2011 06003603机械式无级变速器具有结构简单 , 可靠性高 , 无级 调速方便等诸多优点 1。 目前应用较多的有行星式 、 带式 、 链式和脉动式等 。 近年来机械式无级变速器受 到了广泛的关注和研究 23, 但是 , 结构上很少有大的 创新和突破 , 文中提出一种机械式无级变速器新型结 构 , 理论上可获得匀速输出 , 通过 SolidWorks2010建立 三维模型 , 采用内核为 ADAMS 的仿真模块 Motion , 进 行运动模拟 4, 获得了较好的效果 。1总体构成文中所设计的新型机械式无级变速器由 4个部 分构成

3、:空间凸轮机构 、 平行四边形连杆机构 、 单向 超越离 合 器 和 运 动 合 成 机 构 。 总 体 结 构 如 图 1所 示 。 其中 , 摆杆 3, 单向超越离合器 6和平行四边形 机构 7组成的机构一共 4组 , 绕凸轮轴相差 90 均匀 布置 。 1输入轴 (凸轮轴 ; 2空间锥形凸轮 ; 3摆杆 ; 4, 5运动合成轮系 机构 ; 6单向超越离合器 ; 7平行四边形机构 ; 8输出轴图 1总体结构示意图2运动传输输入轴的运动经过空间凸轮机构 、 平行四边形连 杆机构传递到单向超越离合器 , 过滤掉负值角速度 , 最 后在运动合成机构把 4个摆杆的转速合成输出 。 21转速过滤如图

4、 1所示 , 输入轴 1转动 , 带动空间凸轮 2转 动 , 凸轮廓线按照从动件为等加等减速运动规律设计欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍 ,3Robot A Basta Rajiv Mehrotra , Murali R VaranasiColli-sion detection for planning collision-free C /Internation-al Conference on Robotics and Automation , 1988: 6386404周友行 一种判别空间两线段干涉的快速算法 J 机械 科学与

5、技术 , 2002, 21(3 :38425熊有伦 机器人学 M 北京 :机械工业出版社 , 1993Research on interference prevention among multiple ro-bots at car body side stationLIU Hai-jiang , JIANG Dong-dong , ZHANG Chun-wei (College of Mechanical Engineering , Tongji University , Shanghai 201804, China Abstract :In this paper , by taking t

6、he practical engineering as background , joint simplified model of multi-robots at car body side was established through geometric modelingThen , a multi robots interference algorithm was proposed by building spatial distance ma-trix of the robot , the interference problems among multiple robots in

7、production line of car body side are solved successfullyThe KUKA robot simulation is finally established by applying ROBCAD , and the feasibility of the algorithm has been verifiedKey words :car body side ; robot ; production line ; interfer-ence ; simulationFig 3Tab 0Ref 5“ Jixie Sheji ” 0352*收稿日期

8、:20100520; 修订日期 :20101207作者简介 :张晋西 (1962 , 男 , 四川岳池人 , 教授 , 硕士生导师 , 研究方向 :计算机辅助机械设计 、 机构运动仿真 。因此 , 摆杆 3的角速度如图 2所示 。 摆杆 3的运动通 过连接杆 、 平行四边形机构 7传到单向超越离合器 6, 由于平行四边形机构两曲柄角速度相等 , 单向超越离 合器 6的输入运动和摆杆 3相同 。 同理 , 摆杆 3对面 的摆杆角速度曲线将与摆杆 3具有 180 相位差 , 如图 3所示 。图 2摆杆 3 角速度图 3摆杆 3对面摆杆角速度下面计算摆杆理论的角速度 , 根据等加速推程的 运动公式5

9、:=4max /2式中 : 摆杆转动角速度 ; max 摆杆行程角 , max =30 ; 凸轮的转动角速度 , 即输入转速 , =150r /min, 即900( /s ; 凸轮转动角度 , 自变量 ; 凸轮的推程运动角 , =180 。代入数据 , 得到摆杆位于凸轮大端面时 , 最大角速 度为 300( /s ,仿真值在 295 300( /s 之间 , 可 见 , 仿真与理论计算十分接近 。摆杆 3和摆杆 3对面摆杆 , 经过单向超越离合器 后 , 根据单向超越离合器将摆动转换为单向运动性质 , 只输出其角速度的正值 , 过滤掉了角速度的负值 , 共同 作为锥齿轮 5的输入角速度 。 这

10、一过程 , 采用两个仿真 函数叠加来实现 :if (a :0, 0, a +if (b :0, 0, b 意义 :当角速度 a 0, 函数返回值为 0; 当角速度 a 0, 函数返回值为 a 。 这样 , 一对相差 180 布置的 凸轮摆杆运动最终传递到了运动合成机构的两输入端 之一的锥齿轮 5上 , 如图 4所示 。同理 , 另一对相差 180 布置的凸轮摆杆运动 , 到 达运动合成机构的另一输入端锥齿轮 4上 , 如图 5所示 。图 4锥齿轮 5 角速度图 5锥齿轮 4角速度22运动合成运动合成机构由差速器的两个中心轮 (锥齿轮 4,5 , 一个行星轮和输出轴 8组成 。 输出轴 8为一根

11、成直 角的轴 , 空套并通过行星轮及锥齿轮 5的中心 。运动合成机构的作用是将锥齿轮 4和 5的单向转动合成 , 传递到输出轴 8。 根据轮系传动比计算式 5,输出轴 8的角速度为 :(48 /(58 =z 5/z4=1得到 :8=(4+5 /2因此 , 运动合成后 , 输出的转速为图 4和图 5中角 速度相加除以 2, 即等加速等减速凸轮运动规律摆杆 输出最大速度的一半 。 运行仿真 , 最终的输出轴 8角速 度如图 6所示 。 图中的输出角速度虽并非为匀速的水 平直线 , 但这是由于仿真时为模拟凸轮的真实运动而 设置了凸轮和摆杆三维碰撞所产生的运动误差所致 。图 6输出轴 8角速度3无级变

12、速原理无级变速是利用空间锥型凸轮实现的 。 凸轮造型是通过最新版 SolidWorks2010参数方程绘制曲线功 能 , 绘制两个均为等加速等减速规律 , 但摆杆最大行程 角不同的凸轮轮廓曲线5, 两轮廓距离为凸轮长度 , 然后放样得到各横截面均相似的三维锥形凸轮 。如图 1所示 , 需要变速时 , 凸轮 2沿轴线移动 , 使摆732011年 6月 张晋西 , 等 :一种新型机械式无级变速器设计及运动模拟杆与锥型凸轮的不同部位接触 , 从而改变摆杆的最大 行程角 , 调节输出轴的角速度 。 当凸轮转速一定 , 摆杆 位于锥型凸轮的大端时 , 相同时间内摆杆行程角度大 , 摆杆转速就快 , 传递

13、到输出轴上的转速就快 ; 相反 , 摆 杆位于锥型凸轮的小端时 , 摆杆转速就慢 , 输出轴上的 转速就慢 。4运动性能运动平稳性和变速性能是衡量无级变速器性能的 重要指标 , 下面分别介绍 。41运动平稳性理论上 , 文中设计的输出角速度是通过运动合成 获得 , 其值为等加速等减速摆动凸轮机构的最大角速 度值的一半 , 可以获得匀速转动 。 但是 , 构件的转速决 定于外力 , 构件的质量 、 转动惯量等不可能保持绝对的 匀速 , 文中仿真也只是在一定程度上模拟了机构的 运动 。运动平稳性用速度波动系数 来衡量 5:=(max min /m式中 :max 最大角速度 ;min 最小角速度 ;

14、m 平均角速度 。将图 6稳定运行区间 020 2s 的仿真曲线数据 导出到 Excel 处 理 , 得 到 074s 时 角 速 度 最 大 , 为 152. 00( /s , 在 120s 时 角 速 度 最 小 , 为 14529( /s , 输出轴平均角速度为 m=14907( /s 。 因 此 , 速度波动系数 =45%。一般脉动式的机械变速器在同等转速下 , 速度波 动系数 在 25% 30%左右 6, 可见文中设计在运动 平稳性方面具有极大的优势 。42变速性能通过移动凸轮 , 当摆杆位于凸轮小端面时 , 摆杆行程角 max =10 , 最大速比 imax=/m=900/5208

15、=1727。 当摆杆位于 凸 轮 大 端 面 时 , 最 小 速 比 i min = 900/14907=604。 而一般金属带式无级变速器减速 比只能达到 2617, 可见文中设计的速比值较大 , 通 过改变增加锥型凸轮的锥度 , 还可以使得速比进一步 增大 。变速比 R b =max/min=14907/5208=286,金属带式的变速比一般 55 6, 文中设计值偏小 。 但 是可以通过改变凸轮结构尺寸来增大变速比 , 比如 , 增 大凸轮锥度或保持锥度不变 , 增加凸轮长度 , 使得凸轮 摆杆在大端和小端的摆动角度差加大 , 从而提高变 速比 。5结论(1 采用空间锥形凸轮机构 , 通

16、过空间凸轮在轴 线方向的移动 , 实现无级调速 , 变速效果良好 , 为无级 变速器的设计提供了新的思路 。(2 一般脉动式无级变速器输出轴的速度合成是 通过有一定相位差的多组杆机构输出的速度合成 , 其 输出曲线为波形线 , 不可避免地产生较大的速度波动 。 文中利用凸轮等加速等减速运动规律 , 将 4个对称布 置的摆杆运动经单向转速过滤 、 运动合成 , 理论上可获 得匀速输出 , 且仿真得到了相当好的结果 。参考文献1阮忠唐 机械无级变速器设计与选用指南 M 北京 :化学工业出版社 , 19992李丹 , 黄兴元 脉动式无级变速器传动研究及发展概况 J 机械设计与制造 , 2006(9

17、:1671693杜力 , 黄茂林 , 李太福 脉动式无级变速器真实运动规律 的研究 J 中国机械工程 , 2004, 15(12 :108010844张晋西 , 郭学琴 SolidWorks 及 COSMOSMotion 机械仿真 设计 M 北京 :清华大学出版社 , 20075申 永 胜 机 械 原 理 教 程 M 北 京 :清 华 大 学 出 版 社 , 20046杜力 , 李琳 脉动式机械无级变速器结构参数的设计 J 渝州大学学报 , 2003, 19(1 :21247张伟华 , 谢里阳 , 程乃士 金属带式无级变速器摩擦因数 和传动效率的实验研究 J 机械设计 , 2006, 23(1

18、2 : 4143Design and kinematical simulation of a novel mechanical stepless speed variatorZHANG Jin-xi , QIU Qian , GUO Xue-qin(Automobile School , Chonqing University of Technology , Chongqing 400050, China Abstract :This paper introduces a new structure for mechani-cal stepless speed variator , which has a good performance in step-less speed performance and can obtain uniform speed output theoret-icallySolidWorks2010Motion has been used to simulate