连杆式无级变速器创新设计

（命题要求，内容要求，格式要求，其它要求，等等）、 试卷完成时间：不得迟于2012年6月29号。、考试方式、分制与分数解释采用提交设计/论文的方式，成绩按优秀、良好、中等、及格、不及格五级制评定。、开卷考试要求：(1)试卷采用B4纸质横向排版，论文或设计、字数不少于3000。(2)设计/论文必须横排。(3)必须独立完成，若有雷同，均按零分处理。、下列内容：(1)运用创造原理与创新技法进行机构创新设计、结构创新设计(2)反求设计与技术引进的应用(3)原理方案的创新设计(4)其他形式的创新设计或论文亦可;利用虚拟样机技术的连杆式无级变速器创新设计脉冲发生机构速度波动的大小，显著影响无级变速器的动力学性能。基于这一点，本文从这一关键因素入手，力求找到一速度波动值较小在调速过程中且基本保持不变的机构。设计中把调速构件与脉冲发生机构分离，在调速过程中机构的行程速比系数基本保持不变。随着计算机技术和数值分析技术的发展，虚拟样机技术也应运而生，已经成为与物理样机实验同样重要的研究手段。机械工程中又把虚拟样机技术称为多体机械系统动态仿真技术。其中最优秀的虚拟样机软件是由美国MDI公司开发的ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）。它是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟阳极软件。使用这套软件可以产生复杂系统的虚拟样机，真实的仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参数方案，直至获得优化的工作性能，从而大大的减少了昂贵的物理样机制造的次数，提高产品设计质量，大幅度地缩短了产品研制周期和费用。本文就是利用ADAMS软件来优化设计一种新型的机械式脉动无级变速器，以获得最佳的动力学、运动学性能，满足实际的设计要求。机械式无级变速器实际上是一种传动装置，它将输入轴输入转矩与转速变换成工程中所需要的输出轴的转速与转矩。之前已经有很多成熟的无级变速器的结构，如德国的GUSA型无级变速器，美国的ZERO-MAX型脉动无级变速器等，虽然这些无级变速器在实际当中已经得到了广泛的应用，但也存在一些共同的缺陷，主要是其脉动值较大，而且调速过程中是变化的，越是低速，脉动值越大。如GUSA型无级变速器在低速状态时，它的速度波动可达到50%左右，这不是很理想的数据。速度波动值的大小显著影响变速器的动力学性能，基于这一点，本文从这一关键因素入手，力求找到一速度波动值较小在调速过程中且基本保持不变的机构。经反复的设计和验证，得到1-1所示的脉冲发生机构，其速度波动控制在20%以下，在整个调速过程中速度波动的变化不超过1%，达到了预期的要求。1 新型脉冲发生机构的结构特点及工作原理脉冲发生机构的设计是机械式无级变速器设计的最关键的部分，脉冲发生机构的急回特性直接关系到输出轴的速度波动。以前如GUSA型变速器通过不断的改变机架的长度来进行调速，在这一过程中，脉冲发生机构的急回特性发生了变化（即行程速比系数（K）一直变化），正是由于这一原因，造成了在低速状态时速度波动可达到50%。鉴于此，本设计采取把影响速度波动的具有急回特性的脉冲发生机构与调速构件分离。在调速过程中调节的是曲柄滑块机构的曲柄，而我们知道对心式的曲柄滑块机构是没有急回特性的，该机构的急回特性主要取决于前置曲柄摇杆机构，而在调速过程中该机构的结构尺寸没有变化，因此急回特性保持不变。由于采用的是串联对心式曲柄滑块机构，通过恰当设计其结构角4使前置机构的摇杆的运动规律和滑块的运动学规律变化趋势一致。在把滑块的移动转换为转动输出时采用二级杆组与滑块串联，如1-1图所示。在进行尺寸设计时，应使构件HG在竖直平面内绕垂直于水平面的轴线对称摆动，使构件HG摆动弧线对应的弦和滑块摆动弧线对应的弦和滑块的移动距离相等，因此构件G点的运动规律和滑块的运动规律基本相同。该机构的最大特征是在调速过程中速度波动基本上保持不变，加之高速部分的曲柄摇杆机构全为转动副，这就有利于提高整机的输出运动的稳定性，减小振动，提高机械效率。由于后置的曲柄滑块机构曲柄长度的变化将导致滑块运动规律的微小变化故输出速度波动有一定的变化，但对整个速度波动的影响是很有限的，整个调速过程中其影响不超过1%。2 新型脉动无级变速器的基本技术指标及结构参数基本技术指标：输入转速：n0=1500r/min; 输入功率：P=1.5Kw; 行程速比系数：K=2；速度波动：18%; 输出转速范围：0300r/min; 并根据功率及超越离合器的尺寸，输出杆取值范围60mmHG70mm;及根据整机结构尺寸要求选定前置机构的摇杆长为L=100mm。3 新型脉动无级变速器的脉冲发生机构的尺寸综合及优化设计3.1设计思路本设计前提是在输出转速最大的情况下进行的。首先根据曲柄摇杆的急回特性（K=2）来优化具有急回的四杆机构，在优化的过程中保证曲柄摇杆机构具有较好的动力学性能，即在曲柄旋转的一个周期中有较大的传动角，尤其是在工作行程中有较大的传动角。设计曲柄滑块机构时必须满足三个约束条件：第一，滑块在慢行程（工作行程）中有一段速度变化平稳，近似直线，该装置采用四套机构并联而成，故曲柄滑块机构在慢行程中至少有900比较平稳，速度波动不能超过18%。第二，滑块的移动转换成转动是依靠串接一RRR杆组，为了方便以后结构化，必须满足杆HG的长度在60mm-70mm之间，同时把滑块移动转换成转动时也必须满足转速为300r/min。第三，曲柄滑块机构具有较好的动力学性能。这种从前至后的设计思路与之前由后而前的设计相比更精确，更能保证输出转速，误差可降低到最小。由于输出杆HG有一定的可调范围，可根据滑块工作段时的速度来确定一相应的长度，但必须在上述规定的范围之内。可通过运动分析解析法来找到影响机构中滑块输出速度稳定性的关键因素，然后，利用ADAMS虚拟样机技术来优化这几个关键因素得到最佳的输出。如上图1-1，设角CDF为，以A为坐标原点，输入转速为匀转速运动，恒定。B点坐标：（Bx，By）；C点坐标：（Cx，Cy）由于曲柄摇杆机构根据急回特性和动力学的要求很容易确定。所以L1,L2,L3,L6都是定值。由，可以看到d/dt=，摇杆的角速度与关系很密切，从图1-1可以看到，既然四杆机构确定，则影响曲柄滑块机构输出的关键因素在于机构角4及曲柄滑块机构本身。3.2 具有急回特性的曲柄摇杆的优化设计4结论本论文在综合多种脉动式无级变速器结构和特点的基础上，从一个新的角度对无级变速器脉冲发生机构进行了原理结构的创新设计，设计出一种新型结构的无级变速器，并对其进行了运动学分析和动力学分析，表明所设计的方案达到了预期的目的，是可行的，其设计的思路与方法，对脉冲发生机构的设计有一定的普遍意义。该无级变速器是由4套8杆机构并联而成，整体结构较复杂，但均是低副结构，易于制造。再进一步采取消除过约束的措施，还将进一步降低其制造精度与成本，有较好的应用前景。5 参考文献1、机械无级变速器，周有强，北京机械工业出版社，2001 2、 ADAMS虚拟样机技术入门与提高，郑建荣，北京工业出版社，2001 3、机械原理，黄茂林，秦伟等，北京机械工业出版社，2002 4、机械无级变速器设计和选用指南，阮忠唐，化学工业出版社5、关于机械无级变速器的优化设计的研究生论文，杜力，重庆大学6、机械原理手册，机械工业出版社，1993.6 7、机械动力学，张策，高等教育出版社2000.4