无级变速器的参数建模分析
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本文作者：杜力 符亮 单位：重庆工商大学 机械工程学院 詹阳动力重工有限公司
脉动式无级变速器具有结构简单、传动可靠、变速范围大、最低输入可以为0、调速性能稳定、静止和运动时均能调速等优点，是当前一种理想的无级变速传动装置。在石化、农业、医药、食品、化工、汽车、工程机械等行业有了广泛的应用，并且显示了较为乐观的发展前景［1－2］。三相并联曲柄摇块(GUSA)型脉动无级变速器是一个结构比较成熟的无级变速器，可使输出轴做连续的脉动旋转，克服了超越离合器滑溜角所带来的误差，使输出角速度更均匀。而且GUSA型无级变速器由于其调速范围广、可以实现大功率无级调速的特点，有较强的市场潜力，经多年的开发、实践已充分地证明了其运动的可靠性［3－4］，但其尺寸参数、性能参数尚未标准化。为了便于系列化地推广和应用，从GUSA型无级变速器的运动链结构形式和实际机构运动简图的对比分析出发，研究二者的关系。通过ADAMS的参数化建模，详细讨论曲柄和机架长度改变对机构的运动学特性和传力特性的影响。
1GUSA型脉动式无级变速器的
运动仿真模型的确立GUSA型无级变速器选择了六杆机构作为脉动式无级变速器的主传动机构，该机构可通过调节曲柄长度和改变机构的尺寸来实现调速的要求，还可在输出构件的正反两个行程中都可完成运动输出的功能。选型时，考虑其在运动过程中方便适时地调速，以及能够实现调零的要求，还要考虑输入、输出轴的轴心位置固定，必与机架相连，则机架应成三副构件。另外，由于移动副是产生噪声、摩擦损失，致使传动效率低下的主要原因，确定运动链中移动副最大数目不超过2。通过分析，选择如图1a的Stephen-son型具有两移动副的六杆机构结构型式为无级变速器主传动机构。其机构简图如图1b所示。在实际结构化过程中，为了在不影响系统传动性能且结构方便实现的条件下，考虑减小其运动过程中的惯性力和运动输出实现的一致性，常常采用图2所示的移动副的结构形式作为无级变速器主传动机构。因此，需要从理论和实践两个方面对该机构进行仿真和实验，以获得可靠的性能数据。
2GUSA型脉动式无级变速器运动性能分析
为了清晰表明理论运动链与实际结构的运动差异，首先利用ADAMS建立了两种基本尺寸一致的无级变速器的模型，如图3所示。通过仿真分析，得到图4所示结果。由图4分析表明，这两类脉动式无级变速器虽然在结构上有所差别，但二者的输出是一致的，完成的结果一致。因此，为了开发无级变速器系列产品的需要，文中将对其进行全参数化仿真建模，在这个参数化的模型上，可以根据自己的需要选择所需的机构尺寸，以达到最优化的目的。
3参数化设计模型的建立及仿真分析实例
图1b为1．5kW的GUSA型脉动式无极变速器的六杆机构，AB为曲柄，B点上连接一个滑块，滑块套在一个无限长的杆BD上，DE为摆杆。曲柄AB在平面
3．1六杆机构模型的建立通过对图1b的分析，建立图5所示的机构模型。由此可知，只要知道机构基本尺寸L1，L3，L4，L5和α1就可以确定L2，α2，α3和α4的尺寸。
3．2ADAMS中参数化建立六杆机构模型ADAMS多体动力学仿真软件自带参数化设计的功能，以点参数化设计为基础，通过建立参数化的点，即可将模型参数化。在ADAMS软件中参数化建模六杆机构最重要的是保证曲柄AB的长度在变化过程中，滑块B始终保持与杆AB和杆BD的相对位置正确，要求滑块B必须设置在参数化的点上，建立参数化的点与块之间连接的约束。将机构其他参数化的点与杆之间建立约束关系。参数化设计点的坐标如表1所示。
3．3GUSA型脉动式无级变速器(六杆机构)的仿真分析实例根据目前已有的样机尺寸，确定六杆机构的初始值［5］:L1=25mm，L3=67mm，L4=88mm，L5=132mm，α1=120°。在ADAMS/View中建立GUSA型脉动式无级变速器的参数化模型并进行仿真。
3．3．1曲柄AB长度变化对机构运动学性能的影响仿真过程中，曲柄AB长以5mm为增量，实现曲柄在5～35mm之间变化对六杆机构的运动性能的影响，如图6和图7所示。根据仿真结果，随着曲柄长度的增加，摇杆的角速度、角加速度在增加，传动角变小;在模拟仿真运动时摇杆摆角在增大;当曲柄长度超过30mm以后运动速比迅速增加，急回运动性质显著。
3．3．2机架AC长度变化对机构运动学性能的影响仿真过程中，改变C点的位置，AC长以10mm为增量，实现机架AC在68～108mm之间变化对六杆机构的运动性能的影响，如图8和图9所示。随着机架AC之间的距离不断增大，摇杆的角速度、角加速度在减小，传动角变大。在模拟仿真运动时摇杆摆角在减小。
4结论
通过对GUSA型脉动式无级变速器的参数化建模和分析表明，该模型达到了随机构尺寸参数的改变而适时进行运动分析的目的，满足了系列化开发的要求。另一方面，该GUSA型无级变速器可以依靠曲柄、机架长度的变化来改变调速特性得到了进一步的证实。即随曲柄长度的增加，摇杆的角速度、角加速度值随之增加，传动角减小，摇杆摆角增大;随机架的长度增加，摇杆的角速度、角加速度则减小，传动角增大，摇杆摆角减小。当曲柄长超过其极限范围之后，机构的运动就无法实现，与曲柄存在条件的理论依据吻合。