Zero-max无级变速器的仿真分析和优化设计【PROE三维】

Zero-max无级变速器的仿真分析和优化设计【PROE三维】,PROE三维,zero,max,无级,变速器,仿真,分析,以及,优化,设计,proe,三维 目录目 录II摘 要IIIAbstractIV1 绪 论11.1 前言11.2 机械无级变速器的分类11.2.1 刚性定轴式11.2.2 行星式21.2.3 变节距式21.2.4 牵引式31.2.5 脉动式31.3 无级变速器的研究现状51.4 本课题的产生51.5 本课题研究的主要内容及意义62 连杆式脉动变速器简介72.1 连杆式变速器机构简介72.2 Pro/ENGINEER 环境中实体建模82.2.1 创建零件82.2.2 虚拟装配102.3 连杆式无级变速器结构112.4 连杆式变速器工作原理123 Zero-Max 无级变速器的运动仿真143.1 虚拟样机技术和ADAMS 软件简介143.2 基于ADAMS 建立Zero-Max 无级变速器虚拟模型153.2.1 简化模型153.2.2 施加约束和驱动163.3 运动仿真结果分析174 连杆式变速器的优化设计214.1 背景分析214.2 设计思路214.3 八杆变速器的结构及工作原理234.4 简化模型与仿真分析234.5 仿真数据分析比较254.6 结论265 结语27参考文献28致 谢30摘要Zero-Max 无级变速器的仿真分析与优化设计摘 要无级变速器（Continuously Variable Transmission，简称 CVT）能够实现输入转速与转矩向输出转速与转矩的转换。因其结构简单、工作寿命长，而且还具有较宽的变速范围、稳定的调速性能以及传动可靠等特点，在生产实践中应用日益广泛。目前常用的无级变速器，存在输出不稳定、脉动率较大，机构功率不高等不足，有待研究者进一步完善和改进。虚拟样机技术是一门广泛应用的仿真技术，利用 ADAMS 软件建立真实的仿真模型，为产品的设计和生产节省成本，是一种高效的开发工具。本毕业设计论文阐述了 Zero-Max 变速器的机构，对其工作原理和传输特性进行了探讨与分析，在此基础上，运用 Pro/ENGINEER 和 ADAMS 软件，对 Zero-Max 变速器进行建模仿真，分析与评估，基于速度波动的考虑，重新设计，把脉冲发生机构从原来的六杆机构中分离出来，设计了一种脉动值较好、速度波动更小的八杆变速器。关键词：无级变速器；虚拟样机技术；ADAMS；优化设计IIIAbstractSimulation Analysis and Optimization Design of Zero-Max Continuous Variable TransmissionAbstractContinuously Variable Transmission (CVT) can turn the input speed and torque into the output speed and torque .CVT has been widely used in practice in that its simple structure, long working life,a wide range of speed, stable speed performance and reliable transmission characteristics. At present ,for the widespread use of CVT,what has a few of shortages,such as instability in output ,lower pulsating rate and the low-power of mechanism,all of this need to be further improved and improved by the researchers.Virtual Prototyping Technology is a simulation technology,which has been widely used. The use of ADAMS software to establish a real simulation model for product design and production cost savings, which is an efficient development tool.The paper discusses the mechanism of Zero-Max transmission, discussing its working principle and transmission characteristics. Based on this,using Pro / ENGINEER and ADAMS software to simulate and analyze and evaluation.Taking velocity fluctuation into account and redesigning the mechanism, the pulse generator is separated from the original six-bar mechanism.Moreover,I design a eight-bar transmission which has a better pulse value and faster fluctuations .Key words: Continuous Variable Transmission; Virtual Prototype; ADAMS; Optimization DesignIV第 1 章 绪论1 绪 论1.1 前言当今，中国制造的要求是：节能高效、易调节、智能化控制与可持续发展，能适应各种内外部的不确定因素。机械无级变速器作为通用的传动装置，它可以适应生产过程的机械化和自动化，并且能够改良一些机械性能。当固定输入轴的驱动转速时，通过无级变速器的工作，可以实现输出轴连续变化的转速，从而满足各种不同工况的要求。无级变速器作为传动部件，依靠固体等中间介质把输入轴和输出轴联系起来，通过控制输入轴和输出轴两者相应的传动比关系，从而获得输出轴连续任意变化的转速1。所以， 无级变速传输与其它传输形式不同，它不仅能根据实际工况实现转动的连续输出，而且其输出功率恒定不变，能够满足变化的工况要求 2。因而，如果能开发出满足客户需求的大功率、高效率，而且能够满足动力学性能以及承载能力要求的无级变速器3，可以大大提高汽车重要零部件（变速器）及整体设计水平，提升我国汽车在国外市场的竞争力。传统的设计方法是研发者生产出物理样机，经过“设计试验再设计再试验”的循环生产过程，产品才能达到设计要求。这样的设计过程，不仅开发过程复杂，设计周期长，增加样机的制造成本，而且人工计算速度慢、精度低，且很难进行多种方案的对比分析，严重地制约了产品质量的提高，并影响市场的快速反应能力4。采用虚拟样机技术设计无级变速器，通过模拟无级变速器各部件的受力条件和运行时的工况，对产品进行实体建模仿真， 分析评估设计结果，可以实现设计过程的早期反馈，减少实物的后期修正，避免或减少不必要的工序，并选择影响汽车性能的关键性的优化参数，是一种崭新的产品开发设计方法5。1.2 机械无级变速器的分类一般来说，机械无级变速器主要从机构的角度进行分类，每种分类、各类机构及其原理可能会有部分交叉，且每一类变速器也有着各自的优缺点和适用范围。目前，机械无级变速器样式各异，但从结构角度归类，不外乎有刚性定轴、行星以及变节距、牵引和脉动式等【1】。1.2.1 刚性定轴式这类变速器的传动元件由刚性部件组成，是摩擦传递，不仅其结构简单，而且这类变9速器品种多样，其区别在于中间有无滚轮。如果变速器中间装配了滚轮，那这类变速器就具有较大调速比 Rb 16 20 ，例如滚轮平盘式变速器、锥盘式变速器和多盘式变速器；如果变速器中间没有装配滚轮，那这类变速器就具有较小调速比，一般为 Rb 6 ，例如平盘式变速器和环盘式变速器。刚性定轴式无级变速器采用的传动方式大多是分汇流方式，采取这种方式可以提高功率体积比。一般来说，采用两套加压装置，以达到升速和降速的目的。如果把传动件设计成点触机构，则其承载能力不理想，但其滑动系数较小，而且可以补偿由于受力不均而引起的变形以及在加工装配过程中引起的误差，如果把传动件设计成线触结构，虽然提高了承载能力，但加工装配要求则比较苛刻。所以，这两种方式各有千秋。1.2.2 行星式这类变速器的滚动体做行星运动，借助滚动副的摩擦力传递动力。工作中，由于中间滚动体的行星运动，使得行星轮的工作半径不断在变化，因此可以达到变速的目的。行星式变速器涵盖行星锥盘、行星锥鼓以及谐波行星式等，形式多样。基于这类变速器没有设计齿轮，行程中能够不断调整它的工作半径这一工作原理，把这类变速器的共同特性概括如下：（1） 这类变速器的输出轴既能够保持静态不运动，还能够实现反方向旋转运动，所以在理论状态下，调速比 Rb 无穷大，因而它们都具有较大的变速区间。（2） 这类变速器是一种减速型机构，其输出的转动速度始终比输入时的转动速度低，正因如此，实践中它们被广泛应用在自动化生产流线上。（3） 具有输出性能好这一特点。高输出时，其功率特性能够保持相对比较恒定的状态； 低输出时，其转矩特性能够保持相对比较恒定的状态。（4） 行星式无级变速器工作寿命比较长，承载能力比较高，功率可以几十瓦，甚至可以达到几十千瓦，选择空间比较大。（5） 行星式无级变速器的加压装置和调速机构简单，这样的设计使得结构比较紧凑，产品质量较小。1.2.3 变节距式这种变速器是由 Daimler 和 Benz 于 1886 年研发设计的，选用各种各样的带链传输动力。这类变速器对带链没有特殊的要求，各种不同品质的带链都可以用来当作传动介质， 其工作原理一直以来没有什么改良。实际行程中，这类变速器借助带链的传动，以此来改变变速器各传动副之间的工作半径来达到调速目的。这类变速器对带链的要求不高，且材料的选择面比较广，因此制造起来比较简单，另外，部件耐磨不容易损坏，更换带轮比较简便，并能吸收部分振动稳定地工作，基于以上原因，所以近来发展迅速，应用也十分广泛，并已经开始应用在汽车的变速器上，然而它也存在着其外形尺寸较大，变速范围相对较小等不足，在推广使用的过程中也有其局限性。1.2.4 牵引式当今，新一代的传输机构是依靠牵引传动来传递在推动，是由摩擦传动发展而来，它改善了摩擦传动的一些缺陷。由于摩擦传动完全借助材料间的直接摩擦传递动力，这样不仅会严重造成材料的磨损，而且也会缩短其工作寿命。牵引驱动是在润滑剂的环境中，依靠润滑剂的牵引能力来传输运动、转移动能，工作中可以通过调整变速器输入轴和输出轴的摩擦半径来实现变速请求。由于采用了润滑油的润滑措施，不仅能够较大程度地减少零部件之间的摩擦系数，而且还提高了零部件材料的承载能力，延长了变速器的工作寿命。目前，研究人员已经研制了较大功率的牵引式无级变速器，不但工作寿命长而且工作效率也能达到 85%-95%，但是它抵抗负载冲击性能不够，存在开发成本很高以及生产精度要求相对较高等不足，而且工作环境也十分苛刻，所以一般只会在一些特殊的场合使用。1.2.5 脉动式这类变速器一般是由传输机构和调速机构以及输出机构等基本构件构成，输出机构还配备单向超越离合器阵列。其工作原理是：输入轴在外驱作用下匀速旋转，这种运动状态借助连杆转变成摇杆的来回均摆状态，依靠超越离合器阵列，把摇杆的均摆运动再次转换为旋转运动输出。经过这样的循环工作，不仅可以实现以单向旋转运动状态输出，而且输出脉动率还会相对很小。在变速器工作的时候，调整机架的长短，形成新的工作环境下每个组件新的比例关系，这样摇臂摆动角度和输出轴转速也随之发生变化，从而实现无级变速。基于变速器的结构和性能分析，脉动式变速器结构简单，不仅更易于开发研制，而且具有稳定的调速性能和可靠的传动性能以及工作寿命长等特点，但它的一些不足还是显而易见的，还有待进一步得到解决，例如：当以较高转速输出的时候，由于不平衡惯性力的存在会增大振动，从而导致共振现象；当以较低转速输出的时候，脉动的不均匀性又会显著增加等。为了减小输出轴的运动波动性和获得传动的连续性平稳性，实际生产中通常采用增加脉动无级变速器的相数。虽然组合结构的相数越多，输出轴的传动输出也就越平稳， 与此同时，变速器的结构也不可避免地变得更加复杂了。基于以上原因，在生产实践中， 大多数采用的是四相结构。德国第一个研制脉动变速器，美国和日本等国不甘落后纷纷效仿，经过研究人员的不断探索，不断更新，变速器的性能也较以前更加成熟。德国先后在 1950 和 1980 年代研制开发了 GUSA-I 和 GUSA-型变速器，这两类变速器均采用了级六杆机构作为主传动机构，它不仅具有多样化的调速方式与输出形式，调速区间较大，甚至能实现零输出，而且有稳定的速度输出。1960 年代美国的 Zero-Max 无级变速器，为实现无级变速，采取的是四相并列连杆，这样不仅调节方便，还能够借助蜗轮蜗杆的运动来调节摇杆的位置。但是这类变速器由于结构上存在一定的局限性，因此也就存在着传递功率相对较小，加工成本也相对较高等不足。另外，日本科研人员为了实现变速器双向传输以及防止超负载，在变速器上配备了变向手柄和转矩制动器，这使得变速器的性能有了很大的改良。1970 年代早期我国开始生产脉动无级变速器，最初仅仅只在 GUSA 型或 Zero-Max 型模仿的基础上生产，随后也进行技术的改进。例如，基于对德国 GUSA变速器的研究，我国生产出了三相并列脉动型无级变速器系列，只是这种系列的变速器结构比较单一、传递功率有限， 工作性能也不是十分理想，针对这些不能满足实际情况的问题，国内一些专家潜心研究GUSA型变速器，经过不断的努力，又对变速器进行了改进，性能在原来的基础上有了很大的提高；基于对美国 Zero-Max 变速器的研究，我国生产了 MT 和 DBL 型变速器，这两类变速器的冲压杆件扁平，轴向尺寸相对比较小，机构简单而又紧凑，而且这类变速器采用的是外置螺杆，可以十分方便地通过控制调速架来进行调速，同时调速性能也相对较好，只不过其传递功率通常在 1.5kW 左右。迄今为止，国内一些专家学者对机械无级变速器都有过深入的研究，也取得了一些有价值的成果。目前，如果脉动变速器克服了以下问题，肯定会引起用户的青睐。a、在变速器工作的时候，连杆等会有惯性力存在，想要消除很困难。当在高速运动的时候，由于惯性力的不平衡，以及由其产生的惯性力矩使得振动显著增大，由其产生的运动载荷严重降低了机械效率。b、这种变速器使用了超越离合器，受限于它的负荷和抗击能力，因此，当它做高速运动的时候，不得不考虑动力因素，另一方面只能在较低功率环境中使用，一般不在大功率环境中应用。c、由于是脉动性输出，脉动率一定程度上还相对较高，不可能完全消除。今后，我认为研究者应该着手解决三方面问题，就能够研制出输出平稳、功率较大、效率较高的无级变速器。（1） 改良机构，优化尺寸，以此来增大调速区间，降低脉动率，削弱运动惯性，改良变速器性能。（2） 为了提高传动效率，应该充分考虑到超越离合器的承裁能力和工作性能，以及在工作过程中单相结构产生的不连续功率流等。（3） 多相结构必定会引起系统过多的重复约束，而这些约束又不能忽略，因为这些设计在现实中有一定的必要性。1.3 无级变速器的研究现状2003 年陈志刚、邹怀武等人利用 ADAMS 软件中的 Engineer 模块对行星式齿轮结构的变速器建立了动力学模型，基于齿轮的运动特性，对动力学仿真，获得了啮合齿轮的正向力、切向力、合力和转动轴的作用力，同时也获得了各齿轮的扭矩等6 7。2004 年崔新涛运用虚拟样机技术在 UG 中创建变速器的装配主模型，以 parasolid 格式输出到 ADAMS 环境中，并对其动力学仿真 8。2005 年马志良等运用 ADAMS 软件仿真模拟了变速器，对无级传输体系进行了多体动力学分析，并从动力学角度分析了传动系统对整车动力性和舒适性的影响9。2006 年田云峰等人基于 ADAMS 软件对移动机构进行仿真建模，给曲柄施加初始角速度驱动,调用 ADAMS/Solver 模块计算目标数值，从而得到了输出构件的速度、加速度和位移等关键信息，并且通过 ADAMS/View 中的 Ploting 模块，把这些关键信息转换为图形图表形式,从而各构件的运动特征和变化规律就能十分清晰地呈现 10。2007 年关平运用 MATLAB/Simulink 模块，以带式变速器为研究目标，建模仿真，通过典型工况分析，找出最佳速比变化率的控制参数，是一个比较完善的计算机仿真系统，可以随着车型参数和发动机参数的改变进行仿真研究，并且在整个仿真过程中，研究人员创造性地增设了评估程序，这样，对金属带式的 CVT 变速器，可以对其运动性能和性价比作出一个初步的评估11。2008 年卢锦奎基于 UG 软件虚拟建模了变速器的关键部件，在整体模型成型后，依靠 Parasolid 数据转换接口一次性导入 ADAMS 中，在 ADAMS 环境中进行约束，添加驱动和施加接触力，并对模型的结构做适宜的微调，形成一个在 ADAMS 环境中所能运行的金属带式 CVT 核心虚拟样机，对模型施加运动学约束，进而进行动力学仿真分析12。2000 年 ROBERT G. PARKER 研究了行星齿轮机构的动力学特性，指出了其产生振动的来源于太阳轮行星轮、环行星轮之间的复杂的、动态的作用力，并提出了通过行星相位调整是有效减少行星齿轮振动的方法，而且对其进行了深入地研究13 。2007 年Wen-Hsiang Hsieh 论述了一种凸轮控制的行星轮系的设计过程，从理论上推导了其运动学方程，利用计算机辅助计算功能，输入真实数据，得出计算结果，同时在 ADAMS 环境中完成对行星轮的运动学和动力学仿真，两者的关键数据基本一致，该设计从理论上得到了证明14，可以生产物理样机在实际中进一步加以验证。此外，国外一些学者15 161718还从无级变速器的控制方面着手研究，提高无级变速器的性能和减少汽车废气的排放。他们建立了 2KH 型15的行星摆线针轮传动机构的传动性能的数学模式，开发了一套力矩计算的计算机输出程序，且通过和试验数据比较，证实其可靠性。1.4 本课题的产生Zero-Max 无级变速器不仅因其结构简单、工作寿命长，而且还具有较宽的变速范围、稳定的调速性能以及传动可靠等特点，所以近年来发展较为迅速，但一些不足也是显而易见的，还有待进一步得到解决。例如：当以较高转速输出的时候，由于不平衡惯性力的存在会增大振动，从而导致共振现象；当以较低转速输出的时候，脉动的不均匀性又会显著增加等。因此，改良变速器，不但要解决功率偏低的问题，更重要的是，在高速运动状态的时候，变速器还必须保证有比较平稳的输出。基于以上分析，本人确定了Zero-Max 无级变速器的仿真分析与优化设计这一毕业设计的研究课题，在 ADAMS 环境中对某种型号的 Zero-Max 变速器建立简化模型，分析运动学仿真结果，利用虚拟样机技术对连杆式无级变速器进行创新设计，经过反复设计验证，改良机构外型和尺寸，从而降低输出脉动率，提高机构运转的平稳性。1.5 本课题研究的主要内容及意义本课题主要研究内容：(1) 认识 Zero-Max 变速器的基本构造，运用 Pro/ENGINEER 软件完成零部件的 3D 建模， 实现虚拟装配。(2) 根据变速器的信息参数，在 ADAMS 环境中建立简化模型，施加约束和动力，尽可能模拟真实运动状态。(3) 在 ADAMS/View 环境中对单相六杆机构进行运动状态模拟，分别比较分析各摇杆的角速度、角加速度和角位移等变化曲线，继而对合成的四相并列六杆机构的脉动曲线进行了简要对比分析。(4) 利用虚拟样机技术对连杆式无级变速器进行创新设计，经过反复设计验证，改良机构的外型和尺寸，减小机构的输出脉动率，达到预期要求。本课题研究意义：通过对 Zero-Max 变速器的运动学模拟仿真，进一步证实了虚拟样机技术和 ADAMS 软件分析在产品设计过程中的可靠性和重要性；通过对变速器的改良设计，仿真对比分析， 降低了输出脉动率，速度输出更加平稳，运动性能更加优良；运用虚拟样机技术设计产品， 可以避免生产物理样机，不仅过程简约，而且周期短成本低。第 2 章 连杆式脉动变速器简介2 连杆式脉动变速器简介1962 年，Zero-Max 公司研制了第一台连杆变速器（Zero-Max 型），这种变速器结构简便轻巧，调速区间跨度大，而且调速的反应时间很短，常常在小功率场合使用，在无级变速传动装置中占主导地位，在轻工、纺织、印刷及汽车等行业中经常使用这种类型的变速器。2.1 连杆式变速器机构简介Zero-Max 变速器是一种变速装置，它由传动、输出、调速机构组成。传动机构是 Zero-Max 变速器的关键部位，通常是六杆机构，它由两组四杆机构串联而成。为了解决运动状态的改变，Zero-Max 变速器配备了偏心轮，不仅解决了设计难题， 而且还增加了变速器的承载能力。输入轴是动力构件，是变速器工作的动力源，驱使输入轴保持匀速旋转运动状态。在变速器运转的时候，借助偏心轮机构，把原先的旋转运动转换成为来回均摆运动。这样，通过传动机构，变速器的运动状态发生了改变，从刚开始的旋转运动状态转变为摇杆的来回均摆运动状态。显然，就机构构成和运动特性而言，偏心轮和曲柄摇杆的运动状态是完全相同的。输出机构是实现变速器的往复均摆运动向单相旋转运动转变的机构，为了达到这个目的，在输出机构的输出轴与输出摇杆之间必须装配超越离合器。当旋转运动经过输出机构之后，依靠单向超越离合器的单相传动特性，便把输出转换成脉动的单相转动。显然， 若变速器中仅仅只设计了一组六杆机构，那么输出轴的旋转就会出现间断性的不连续，而且其转速也会发生间隙性的变化，导致输出的转速十分不平稳。为了能够使输出轴获得连续性的平稳转动，生产中采用的是多相结构的变速器，即在输出机构中配备单相超越离合器，相互间构成 90的相位差。例如，德国 GUSA 变速器采用三相机构，美国Zero-Max 变速器采用四相机构。由单相超越离合器的机构特点和相位差可知，机构中各组的输出摇杆不会同时达到最大角速度，而是这几组超越离合器交替达到最大角速度，某时间段内输出轴与输出摇杆输出的是相对速度最大的运动。同时，为了防止变速器运动特性发生改变， 在定义输入轴的旋转方向的时候，应充分考虑到越离合器运动的单方向性这一因素，因此， 选择好合适的方向才能获得理想的平稳的脉动输出速度。调速机构是速度调节的关键部位，变速器实际工作中，不断地改变着曲柄支点坐标， 从而使曲柄支点坐标在整个工作期间发生周期性变化，这样可以实现输出摇杆摆角和均摆速度的连续改变，在定义区间内的传动速度比更加平稳，使速度输出保持连续性。通过下面两种方式可以实现调速目的：（1）调节机架的长度，（2）调节连杆的长度。因为连杆在变速器工作行程中不断转动，不断工作，要想在不停机的情况下，通过调节连杆长度来达到调速的目的，显然比较困难。相反通过调节机架的长度来实现调速的目的，是相对比较容易实现的，因为在固定机架上进行调节，相对较为方便。本毕业设计课题以 Zero-Max 变速器作为研究对象，采用调节机架的长度来实现调速的目的。2.2 Pro/ENGINEER 环境中实体建模2.2.1 创建零件为了使虚拟仿真更加符合实体模型，防止各构件之间相互干扰，得到真实理想的系统仿真和运动分析，最关键之处在于装配效果和施加约束。因此，运用 Pro/ENGINEER 软件进行实体建模的时候，应该把零部件的外形考虑其中，机构的几何尺寸尽量与图纸匹配， 施加适当的约束等。运行 Pro/ENGINEER 软件中的 PART 模块，可以对简易零部件创建虚拟模型。在Pro/ENGINEER 环境中进行实体模型的设计时，主要是通过一些成型命令完成操作，例如拉伸、旋转、扫描混合等特征命令，具体的操作过程，大致可以分为以下四个过程：(1) 选择参考平面；(2)绘制草图；(3)形成实体；(4)进行必要的编辑。实体建模时，选择合适的基准面不仅可以快速、准确的建立模型，而且还能提高建模的效率。总的来说，Zero-Max 变速器的机构比较简易，只要直接调用命令，变速器的大部分构件都能很轻松地完成，但是轴承和弹簧挡圈以及箱体的结构相对比较复杂，操作比较困难，需要反复用到基准面、拉伸、旋转等命令。通过拉伸和旋转等命令可以创建如下的一些三维零件模型。如图 2.1 输入轴，图 2.2 输出轴，图 2.3 输入连杆，图 2.4 输出摇杆，图 2.5 偏心盘，图 2.6 输出连杆，图 2.7 调速杆，图 2.8 弹簧挡圈，图 2.9 弹簧架，图 2.10 箱体。图 2.1 输入轴图 2.2 输出轴图 2.3 输入连杆图 2.4 输出摇杆图 2.5 偏心盘图 2.6 输出连杆图 2.7 调速杆图 2.8 弹簧挡圈图 2.9 弹簧架图 2.10 箱体2.2.2 虚拟装配在实施虚拟装配的过程中，不仅需要给待装零部件添加适当的约束，还应该把产品在装配环节可能出现的不确定因素考虑其中，把各零部件装配成所需要的组件产品，使组件产品达到预期的功能及性能，借助各种分析、评价等一系列技术手段，进一步改良优化装配结构，并检测组件产品的装配效果，最终完成变速器的总体虚拟装配，并进行总体效果的检测，以此来评估产品的设计质量以及产品的性价比。从产品的装配结构来看，能够实现多级装配，支持由零件到部件，由组件到产品的层次性装配。Pro/ENGINEER 软件为客户提供了各式装配关系，在对目标产品进行虚拟装配的过程中，客户可以根据装配需求，分别调用诸如连接、匹配、插入、轴对齐、固定等相关命令，使虚拟装配与产品实际保持一致。装配过程中的所有的装配关系、约束定义以及位置关系等重要数据都保存在产品的信息库中，在实施仿真的时候可以实时调用这些重要信息，从而得到正确的图像数据。在虚拟装配过程中，将整体看作是由若干零件以及子装配体组合而成的，遵循从简易至复杂，以及从零件到组件的原则。一旦确定了装配体中各零部件的方向、位置及其层次关系后，便能建立完整的装配模型图。基于 Zero-Max 变速器的结构相对简单，构件简易， 因此，选用由底向上的方式进行装配，可以简捷快速地建立每个组件的模拟模型。图 2.11 所示是 Zero-Max 变速器装配图。19图 2.11 Zero-Max 变速器装配图2.3 连杆式无级变速器结构连杆无级变速器实际结构如图 2.12 所示，它包括传动、调速、输出三部分机构，还配备有偏心盘和超越离合器。图 2.12 所示的变速器中，输入连杆、曲柄、调速杆、机架构成 1 个四杆机构，调速杆、输出连杆、输出摇杆、机架又构成 1 个新的四杆机构，两个四杆机构组成一个六杆机构。这样，这个六杆机构借助偏心盘和超越离合器的支撑，可以把起先的匀速旋转运动状态过渡为均摆运动状态，最终以单向脉动转动状态输出。如果变速器中仅仅只设计了一组六杆机构，那么输出轴的旋转就会出现间断性的不连续，而且其转速也会发生间隙性的变化，角速度输出也极不平稳。为了能够得到平稳均匀的脉动输出， 现实生产中的无级变速器大多装配了四组相位差为 90的曲柄摇杆，它们在机构中平行装配，这四组曲柄摇杆并非同时传递运动，传递转矩的是瞬时角速度最大的一组曲柄摇杆， 四组曲柄摇杆在驱动方向上互相交替传递着。根据连杆变速器的机构构成分析，在四组曲柄摇杆机构中，一定存在这样一组输出摇杆，在某个瞬间，其瞬时转速达到最大，而且其摆动转速与瞬时输出转速相等。在工作中， 连杆无级变速器在一定区间内改变机构的机架位置，凭借变速器中支点位置的改变，从而实现调速目的。图 2.12 Zero-Max 变速器实际结构2.4 连杆式变速器工作原理图 2.13 连杆变速器工作原理图连杆变速器工作原理如图 2.13 所示，该简略图是一个单相的六杆机构，从图中可以看出这个六杆机构是由曲柄摇杆 ABCD 以及双摇杆 DCEF 组合而成的，机构中还装配有偏心盘和单向超越离合器。图中轴 1 为输入轴，输入的驱动经过连杆机构和超越离合器的一系列转换，变换成单向的连续脉动旋转运动，最终从输出轴 2 输出。当需要调速的时候，在施加的外力作用下，调速手轮 5 发生的转动使蜗杆 4 工作，并驱动蜗轮 3 发生旋转，这样，固定铰 D 的位置随着调速手轮 5 的变化而改变，使得机架 AD 和 DF 的尺寸也随之改变，一系列的调整变化归结起来都反映给摇杆 EF，这样摇杆 EF 摆动也随之发生变化，实现无级变速目标。实际生产中，通常使用是连杆组合机构，该组合机构装配着有相位差的单向超越离合器，这样做的目的就是降低输出的单向旋转运动的脉动率19。事实上，在运用 ADAMS 系统对 Zero-Max 变速器进行虚拟建模的时候，建议把零部件当作质点来分析，可以忽略零件本身的质量和外部形状，如果把图形考虑的过于复杂， 必将导致模型中存在过多的约束，有些则没有实际意义，而且反而会增加计算的误差，降低仿真的成功率。因此，在第 3 章中对 Zero-Max 型无级变速器进行仿真时，将采用其简化模型，只添加相应的约束，定义必要的参数，以便得到预期的仿真结果，达到预期目标。第 3 章 Zero-Max 无级变速器的运动仿真3Zero-Max 无级变速器的运动仿真3.1 虚拟样机技术和 ADAMS 软件简介虚拟样机技术(Virtual Prototyping)是一项计算机辅助工程技术，1980 年代迅速崛起， 实现了从 2D 图纸向 3D 实体建模的转化，为研究者提供了机械系统的动态仿真软件，其中仿真技术和机械运动分析是它的核心，广泛应用于机械设计的全过程，越来越受到人们的青睐。虚拟样机技术是利用计算机模拟辅助功能，把各种前沿的设计方法以及仿真技术和评估管理系统融合在一起，对产品进行综合设计。它是各种先进技术的集成，并将这些集成技术贯穿于产品设计的整个过程，进行综合评估。传统的设计方法把产品的各个零件割立开来，一个个零件拼接成产品，缺少系统性和整体性，不能保证产品整体性能。虚拟样机技术恰恰相反，强调产品的系统性和整体性，从设计的全方位综合考虑问题。虚拟样机技术贯穿在产品设计的整个过程中，并支持产品测试、分析和评价，强调协同设计19。今天，虚拟样机技术思想已经贯穿机械设计过程中，是一门应用较为广泛的仿真技术。研究人员通过计算机虚拟技术，利用 CAD/CAM/CAE 的辅助功能，将产品的信息导入计算机处理的环境体系中，实现目标产品的仿真与分析。运行 ADAMS 仿真软件，可以呈现虚拟环境下目标产品真实的运动状态，如果产品的运动状态不理想，不符合要求，说明设计有瑕疵，研究人员可以非常方便地在计算机上直接修正，经过不断的验证改进，最终确定最佳设计方案，然后根据方案的信息参数生产物理产品。传统的物理样机是由下至上的设计过程，先是一个个零部件的设计，最后把这些零件拼接叠加成一台整机。这种设计方式过于注重细节，关注零部件的设计，而恰恰忽视了系统的整体性能，然而，虚拟样机技术则是从系统的整体角度分析，是一种由上向下的复杂的系统开发模式。因此，在设计的初始阶段，就应该运用虚拟样机技术对机构整体进行完整的分析，通过仿真、评估和结果分析，了解机构各组成部件的运动状态。总之，虚拟样机技术从系统整体的层面来设计产品，贯穿于产品设计、测试、评估整个过程，避免了生产物理样机，不仅过程简约，而且周期短成本低。ADAMS 是Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System 的缩写，由美国Mechanical Dynamics Inc 公司开发，是使用范围最广的机械系统动力学自动分析软件，在全球占有率高。ADAMS 软件是由五个模块组成，包含着各种各样的实用性很强的模块和工具包等。通过这五个部分的组合，使用者可以比较方便地进行仿真作业，比较容易地建立仿真模型并进行研究分析。在仿真实践过程中，研究人员首先根据产品的特征，建立仿真模型，然后施加约束和运动副，在 ADAMS 环境中运行运动学分析等特征命令，系统就会输出位移、角速度、角加速度等动态的变化曲线，研究人员对这些动态曲线进行评估。目前，ADAMS 软件现在已经普遍应用于普通机械设计行业，另外 ADAMS 软件还也应用于一些高端技术领域。ADAMS 软件不仅可以为使用者在虚拟环境下非常便利地对样机进行仿真作业；而且该软件也具备机械系统整体动态仿真分析开发的功能，它拥有多种接口和开放型的程序结构，可以满足某些特殊行业的特殊用户对整体机械系统的进一步开发，为用户提供了便利。同时 ADAMS 软件能够与现在常用的CAD 软件（UG、Pro/ENGINEER、CATIA）和 CAE 软件（ANSYS 技术）通过计算机实现图形文件格式的转换，并能保证数据一致性。ADAMS 软件的开发与应用，为工程的设计和生产节省了大量的经费和时间， 利用 ADAMS 软件可以建立参数化的仿真模型，进行设计研究，优化分析，为整体系统的高度参数化提供了有效的手段，是一种高效的开发工具。3.2 基于ADAMS 建立 Zero-Max 无级变速器虚拟模型3.2.1 简化模型基于 ADAMS 建立 Zero Max 型无级变速器虚拟模型的时候，如果考虑得因素过于仔细，在零部件上施加较多的不必要约束，这些约束之间势必会相互影响相互干扰，仿真效果反而会适得其反。所以，为了避免这些干扰因素，得到理想的仿真，操作的时候应该简化零部件约束，两构件之间尽可能用一个运动副来衔接 21。又源于 ADAMS 软件对运动学进行运动仿真的时候，系统忽略了零件的外观而仅仅关注的是零件的质心。因此，没有必要花更多的时间和精力来准确描述零部件的外观，仿真分析过程中也体现不了实用价值22。综上，研究者在建模时，应该关注三点：（1）尽可能简化零件外观，对零件的质心进行研究，减少零件衔接以避免过多运动副之间的相互影响，这样可以有效避免计算误差，（2）产品生产过程中留存的一些次要因素，对仿真结果影响很小，建议省略，（3）恰如其分地施加一些约束和驱动，否则，如果在 ADAMS 环境中添加过多无关紧要的约束，会增加仿真时间，降低仿真效率 23。Zero-Max 变速器的核心机构是曲柄摇杆，为了仿真简单高效，因此可以忽略零件的外观而关注零件的质心。图 3.1 所示的 Zero-Max 无级变速器机构简图，该六杆机构是按照机构设计的相关尺寸比例而建立的各构件机构简图。图 3.1 六杆变速器机构简图3.2.2 施加约束和驱动按照表 3.2 所示参数建立六杆无级变速器机构简化模型的基础上，施加恰当的约束和驱动，形成六杆变速器运动建模示意图（如图 3.2 所示）。图中机构的机架与各杆件之间都是用转动副链接，用固定副固结机架与大地。表 3.2 六杆变速器结构参数表24长度r1r2r3r4r5单位/mm2510513020575角度12345度数/弧度01.2262.2780.1441.182在输入轴的转动副上施加驱动1=157rad/s，得到六杆变速器运动仿真示意图（如图 3.3所示），并验证模型的运动状态是否跟真实运动状态符合。由图 3.2 可知，该简化模型中包含了 6 个连杆构件、施加了 8 个旋转副以及定义了 2 个固定副。图 3.2 六杆变速器运动建模示意图图 3.3 六杆变速器运动仿真示意图3.3 运动仿真结果分析按照上述六杆无级变速器参数，创建仿真模型，施加约束，在输入转动副上添加驱动1=157rad/s，仿真时间设定为 5 S，步长设定为 50，在 ADAMS/PostProcessor 环境中运行， 得到了各杆角加速度、角速度和角位移的仿真曲线（如图 3.4-3.15）。图 3.4 摇杆 BC 角加速度曲柄转角关系图 3.5 摇杆 CD 角加速度曲柄转角关系图 3.6 摇杆CE 角加速度曲柄转角关系图 3.7 摇杆 EF 角加速度曲柄转角关系图 3.8 摇杆 BC 角速度曲柄转角关系图 3.9 摇杆 CD 角速度曲柄转角关系图 3.10 摇杆 CE 角速度曲柄转角关系图 3.11 摇杆 EF 角速度曲柄转角关系图 3.12 摇杆 BC 角位移曲柄转角关系图 3.13 摇杆 CD 角位移曲柄转角关系图 3.14 摇杆 CE 角位移曲柄转角关系图 3.15 摇杆EF 角位移曲柄转角关系结果分析：（1） 从图 3.4-3.15 可以清晰地看出输出摇杆 EF 的角加速度、角速度、角位移随曲柄转角（Crank Angle）变化的曲线。由曲柄转角和摇杆 EF 角位移的测量结果可得， 当曲柄转过 109.9时，摇杆 EF 转过最大角度 85.1256，当曲柄转过 298.3，摇杆 EF 转过最小角度 59.7115，故摇杆 EF 的总行程为 25.4141；由曲柄转角和摇杆 EF 角速度关系（图 3.11）的数据分析可以知道，输出摇杆 EF 的最大角速度max=39.1697rad/s， 输出摇杆 EF 的最小角速度min=-34.3621rad/s，由此可知摇杆 EF 角速度的数值没有对称性，我们可以知道该机构为非对称机构；另外，摇杆 EF 从最小位置向最大位置转动的时候，曲柄也随之转过了 140.2，摇杆 EF 由最大位置向最小位置转动的时候，曲柄也随之转过了 219.8。假如工作输出选定的是输出轴逆时针旋转（为正值），则此环境体系的行程速比系数 K1=140.2/219.8=0.64；假如工作输出选定输出轴顺时针旋转（为负 值），则此环境体系的行程速比系数 K2=219.8/140.2=1.57，由此可知该六杆机构具有急 回特性。速度脉动率是用来表示变速器输出角速度脉动性能的物理量，它是反应变速器运动性能好坏的指数。值小，表示输出速度脉动性好，值大，表示输出速度脉动性差。d=| wmax -wmin |wm式中：wmax 、wmin 最大和最小输出角速度wm 平均输出角速度（3-1）w = 2wmax +wminm3（3-2）由图可得max=39.1697rad/s, min=34.3621rad/s, 代入公式（3-2）可知m=37.5672rad/s, 代入公式（3-1）可得=0.127973。（2） 实际生产中，使用的是四相并列六杆机构，曲柄摇杆机构上装配有四组相位差为 90的偏心盘，它们交替转动，摇杆 EF 形成如图 3.16 a 所示的变化曲线，并且借助输出轴上装配的超越离合器隐藏曲线中的正值或负值部分，这样，如果取 a 中四条曲线的波峰进行叠加合成，则摇杆 EF 的输出曲线如图 3.16 b 所示。所以，从摇杆 EF 的输出曲线可以知道，四相六杆机构的速度输出具有一定的脉动性。 ab图 3.16 四相（相位差为 90）机构摇杆 EF 角速度曲柄转角关系四相六杆的速度输出曲线随着离合器不同的取向会产生明显的差异，如果选定离合器的摆杆输出速度以正值输出，就得到 3.16 图中 1 的合成曲线；假如选定离合器的摆杆输出速度以负值输出，就得到 3.16 图中 2 的合成曲线，通过这两条输出曲线的比较，负值输出产生的输出波动显然比正值输出产生的输出波动大许多，曲线 2 速度输出的平稳性较不理想，不符合实际需要。由图可知max=34.34rad/s，min=24.85rad/s,代入公式（3-2）可知m=31.18rad/s, 代入公式（3-1）可得=0.304。实际工作中，调速点的位置在某个区间内会随着工作时间的变化而发生改变，可以用类似的方法求得速度脉动率，其数值也是随之发生变化的。综上，在 ADAMS/View 环境下，使用者可以运用仿真命令对机构进行运动学仿真， 并在 ADAMS/PostProcessor 环境下运行，得到的仿真变化曲线简单直观， 分析研究机构的运动特征就变得简易高效；研究人员可以清晰地了解变速器的运动状态, 为分析变速器的运动状态提供了方便，为创新改进机构和优化尺寸参数奠定了基础。29第 4 章 连杆式变速器的优化设计4 连杆式变速器的优化设计4.1 背景分析在变速器的实际工作中，依靠其传动装置，实现输入转速与转矩向输出转速与转矩的转换。迄今为止，经过一些专家学者的研究，一些变速器的技术已经有了很大进步，性能也有了很大改善，例如在现实中普遍使用的 Zero-Max 和 GUSA 变速器，但它们仍然存在一些共同的不足，甚至有些还会影响到变速器性能。比如 GUSA 和 Zero-Max 两种变速器都表现出较大的脉动输出，而且在调速过程中不能稳定输出，在持续变化。例如，当 GUSA 变速器处于低速运动状态的时候， 输出脉动值会较大，甚至可能会达到 50% 左右， Zero-Max 变速器而言，从前一章计算出的速度波动数据，可以知道四相并列六杆机构的速度波动也达到了 30%，这些数据都并不理想。基于上述原因，笔者从一些关键因素入手研究，利用虚拟样机技术，优化无级变速器的结构，努力设计一种新的变速器，使之脉冲机构与调速机构相分离。新设计的变速器要尽可能做到速度输出保持稳定，且输出速度的波动值在 1%左右，并借助 ADAMS 软件中的优化设计功能进行不断的设计与验证，以获得最佳设计。图 4-1 所示的是笔者设计的八杆变速器的结构示意图，图中脉冲与调速机构实行了分离。图 4-1 八杆变速器结构示意图4.2 设计思路为了保证输出转速最大，应该根据曲柄摇杆的急回特性来优化四杆机构，在优化设计的过程中，要确保在工作周期中曲柄有恰当的传动角，只有这样，在工作行程中，曲柄摇杆才能确保有比较理想的运动性能。为了达到设计要求和满意的性能，为了完成分离调速与脉冲机构之目的，采取曲柄滑块后置的方法。在设计的过程中，需要满足以下条件：（1）滑块在工作行程中有一段平稳的速度变化，速度波动不超过20%，（2）将滑块的移动依靠二级杆组转换成转动输出， 并定义其转速为300r/min，（3）图中HG连杆长度虽然取决于滑块移动时的速度，但为了结构紧凑，一般在60mm-70mm这一区间范围内选择，（4）曲柄滑块应有比较理想的动力学性能，满足机构要求。本设计与原来的设计思路不同，设计先后顺序发生了变化， 这种设计思路更可靠，不但能够确保转速的有效输出，而且还能有效地降低系统误差。对于影响滑块输出速度稳定性的一些重要参数，一方面可以通过ADAMS软件优化得到，另一方面还可以根据机构图通过数学解析法求出。如图4-1简图，设角CDF为，输入匀速运动，为摇杆输出角速度。A为原点，B点坐标：（Bx，By）；C点坐标：（Cx，Cy）Bx = l1 cos(wt)By = l1 sin(wt)Cx = l6 -l 3cos(180 -q)Cy = l3 sin(q)26l 2 = (Cx - Bx)2 + (Cy - By)2 = (l+ l3cos(q) - l1cos(wt)2 + (lsin(q) - l sin(wt)213化简得l 2 = l 2 + l 2 + l 2 + 2l l cos(q) - 2l l cos(wt) - 2l lcos(q-wt)26316 36 11 3将q对时间t求导得w= dq = l1w(l6 sin(wt) - l3 sin(q-wt)dtl6l3 sin(q) - l1l3 sin(q-wt)前置的曲柄摇杆机构可以根据设计要求来确定，四杆机构中 L1，L2，L3，L6 的长度保持不变。从上述数学解析式可以看出，摇杆角速度与有着一定的数学推导关系，从中可以看出，机构角和曲柄滑块本身是决定滑块速度输出的两个重要因素。通过解析计算和ADAMS的仿真验证，设计了一种八杆变速器，其机构尺寸如表4-1 所示。表 4-1 八杆变速器机构尺寸参数机构长度L1L2L3L4L5L6DFHG单位/mm2589.410048.86515015065机构角度4=604.3 八杆变速器的结构及工作原理由前一章的仿真分析知道，输出速度的波动直接受到脉冲机构的急回特性影响。因此， 在变速器的设计过程中要实现输出速度波动的降低，脉冲发生机构的设计显得至关重要。如 Zero-Max 变速器在调整机架尺寸的过程中，行程速比 K 也在随之发生改变，正因为这一原因造成了脉动值很大（即速度波动值很大）。因此，本设计把调速机构与曲柄摇杆脉动发生机构进行分离，尽可能保证调速结构不影响急回特性，从而有效地降低速度脉动值。该设计一方面分离了调速结构和脉冲机构；另一方面选用对心式的曲柄滑块机构，因其偏心距 e=0，不会产生急回特性，用它来进行调速，不会对系统的急回特性产生影响，所以前置四杆机构中的曲柄摇杆决定了系统的急回特性，而且前置四杆机构的结构尺寸是定值不会变化，因此在整个调速过程中，八杆机构的急回特性保持不变，速度输出也很稳定。对心式曲柄滑块跟前置的四杆机构是串联衔接，再选择合适的机构角，工作行程中，就能确保滑块的运动状态与前置摇杆保持统一，借助二级杆组的工作，实现滑块的直线运动向转动输出的转变。在八杆结构模型基本确定后，为了使 G 点的运动状态和滑块的运动状态基本相同，应该保证构件 HG 在竖直方向来回均摆，并使构件 HG 摆动弦长