可變動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)型綜合分析方法研究

邸立明　趙永生　杜丹陽(yáng)

燕山大學(xué)，秦皇島， 066004

可變動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)型綜合分析方法研究

邸立明趙永生杜丹陽(yáng)

燕山大學(xué)，秦皇島， 066004

摘要：基于可變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)模式切換的功能需求，提出一種針對(duì)相位和速比的可變動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的型綜合設(shè)計(jì)分析方法。首先利用雙排行星輪系架構(gòu)設(shè)計(jì)出一種具備相位和速比同時(shí)可變特征的通用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案；然后通過構(gòu)型設(shè)計(jì)、拓?fù)浞治?，得出功能結(jié)構(gòu)相似的系列化機(jī)構(gòu)方案，并利用粗糙集理論結(jié)合聚類分析法開展其型綜合與分類研究；最后分析得到一類前排為單行星輪系、后排為雙行星輪系的串聯(lián)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案。此類方案可滿足變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)切換工作模式的需求，且具有緊急情況下中斷動(dòng)力傳遞的功能。研究表明，該設(shè)計(jì)分析方法能有效提高機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的型綜合與分類研究效率。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力傳動(dòng); 模式切換; 聚類分析; 型綜合

0引言

機(jī)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性，而機(jī)構(gòu)的型綜合是發(fā)明新機(jī)構(gòu)或?qū)ΜF(xiàn)存機(jī)構(gòu)進(jìn)行類型改進(jìn)的基礎(chǔ)，對(duì)確定機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式具有重要工程意義。

在機(jī)器人及并聯(lián)機(jī)構(gòu)領(lǐng)域，機(jī)構(gòu)型綜合研究已得到充分重視和深入研究。文獻(xiàn)[1-3]對(duì)欠秩少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)型綜合理論和方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，而文獻(xiàn)[4-7]則基于運(yùn)動(dòng)解耦方法開展了并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合研究。在工程應(yīng)用領(lǐng)域，文獻(xiàn)[8]構(gòu)造了一系列串并聯(lián)形式的混聯(lián)結(jié)構(gòu)鍛造操作機(jī)構(gòu)型，文獻(xiàn)[9]提出一種構(gòu)造新型一維并聯(lián)型遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心機(jī)構(gòu)的型綜合方法，文獻(xiàn)[10]面向生物工程微操作機(jī)器人開展了三自由度平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合研究。但傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)型綜合研究方法在其他領(lǐng)域應(yīng)用較少，尤其在以齒輪和桿件為主要特征的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中更為少見。機(jī)構(gòu)型綜合屬于機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)范疇，采用現(xiàn)代優(yōu)化方法開展機(jī)構(gòu)型綜合研究顯得很有必要，同時(shí)也是擴(kuò)展型綜合研究領(lǐng)域的一條嶄新途徑。

目前，越來越多機(jī)器產(chǎn)品具有不止一種工作模式，配合模式切換的相關(guān)動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)相位和速比等參數(shù)需求不同[11-12]。文獻(xiàn)[13-15]中可變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(variable-cycle engine，VCE)在模式切換前后，其兩種工作模式對(duì)凸輪軸配氣相位和曲軸與凸輪軸之間的速比需求不同，需專有機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的調(diào)節(jié)和切換工作。然而，此類動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由于功能耦合且部件眾多，方案設(shè)計(jì)分析工作繁冗，成本耗費(fèi)巨大。本文以VCE凸輪軸驅(qū)動(dòng)切換機(jī)構(gòu)(driving and switching mechanism, DSM)方案的設(shè)計(jì)與分析為例，基于方案部件屬性約簡(jiǎn)和機(jī)構(gòu)型綜合技術(shù)，開展可變動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析方法研究。

1DSM功能需求與構(gòu)型分析

根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]分析可知，VCE的DSM應(yīng)具備2∶1和1∶1兩種速比的相互切換功能，應(yīng)實(shí)現(xiàn)兩種模式下配氣相位的連續(xù)可變和緊急情況下中斷發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的功能。此外，因用于發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)應(yīng)兼具結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)和高效率傳動(dòng)等特點(diǎn)。

行星齒輪傳動(dòng)具有的諸多優(yōu)點(diǎn)使其被廣泛應(yīng)用于機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域。 戴-克公司和馬氏創(chuàng)新2T4公司分別利用單排行星齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的兩級(jí)可變速比驅(qū)動(dòng)。Philippe等[16]發(fā)明了一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪相位動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的單排行星齒輪機(jī)構(gòu)，它利用耦合器控制行星輪系的鎖死與解鎖以實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)。GM、戴-克、TOYOTA和MAZDA等汽車公司也有類似的利用單排行星齒輪實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)配氣相位的機(jī)構(gòu)。上海SICAR公司采用兩組行星輪系架構(gòu)，開發(fā)出可在任意轉(zhuǎn)速下獲得最佳凸輪軸相位的機(jī)構(gòu)，非VVT雙頂置凸輪軸機(jī)型可直接進(jìn)行改裝[17]。所以，采用行星輪系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)VCE的DSM設(shè)計(jì)，具有較高的可行性。

1.1雙排行星輪系架構(gòu)確定

單排行星輪系(single row planetary gear train， SRPGT)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性方程為

ω1+α ω2-(1+α)ω3=0

(1)

α=Z2/Z1

式中，ω1、ω2和ω3分別為SRPGT太陽(yáng)輪、齒圈和行星架的轉(zhuǎn)速；α為齒圈與太陽(yáng)輪的齒數(shù)比；Z1、Z2分別為SRPGT太陽(yáng)輪和齒圈的齒數(shù)。

根據(jù)速比的當(dāng)量齒數(shù)計(jì)算法，將行星齒輪機(jī)構(gòu)太陽(yáng)輪、齒圈和行星架的當(dāng)量齒數(shù)分別記為1、α和1+α，則根據(jù)行星齒輪機(jī)構(gòu)的具體工況，能很快推算出其速比。

當(dāng)SRPGT輸出部件與凸輪軸固定連接且曲軸與輸入部件之間速比為1∶1時(shí)，可通過鎖死SRPGT實(shí)現(xiàn)曲軸與凸輪軸1∶1速比傳動(dòng)，此時(shí)，輸入與輸出部件的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向均相同。但若要實(shí)現(xiàn)總速比為2∶1的減速傳動(dòng)，則根據(jù)當(dāng)量齒數(shù)法分析得出，無論如何分配太陽(yáng)輪、齒圈和行星架，都無法在Z2>Z1情況下滿足輸出部件的旋轉(zhuǎn)方向與輪系鎖死時(shí)1∶1速比情況下的旋轉(zhuǎn)方向一致。同樣，分析曲軸與SRPGT輸入部件之間速比為2∶1的情況，得到同樣的結(jié)論。因此，利用SRPGT無法設(shè)計(jì)出滿足VCE模式切換工作要求的凸輪軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，且在SRPGT鎖死情況下，無法實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)，所以本文提出了圖1所示的相位與速比可變的雙排行星輪系(double row planetary gear train with variable phase and transmission ratio，DRPGT-VPTR)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。雙排行星輪系(double row planetary gear train，DRPGT)中除用于前后傳遞動(dòng)力的共用一體部件外，剩余部件完全滿足輸入、輸出和相位調(diào)節(jié)等功能的分配使用，并且部件分配具有一定互換性，利于從機(jī)構(gòu)總體布置和部件結(jié)構(gòu)等方面開展進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1　DRPGT-VPTR的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.2DRPGT-VPTR構(gòu)型設(shè)計(jì)

圖1所示為一種DRPGT-VPTR架構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案，主要包括動(dòng)力輸入輪1(凸輪軸鏈輪或皮帶輪)、行星輪系P1和P2、齒圈2和8、太陽(yáng)輪4和6、行星輪3和7、一體動(dòng)力傳遞架5、離合器C1和C2、動(dòng)力輸出軸9(接凸輪軸)、角速度相位傳感器S1和S2、電控單元10、電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿11、渦輪12、相位控制軸13等。

圖1所示機(jī)構(gòu)具有輸入與輸出軸始終同向旋轉(zhuǎn)、速比可變、動(dòng)力傳遞可中斷和雙向可連續(xù)調(diào)節(jié)相位的特點(diǎn)。當(dāng)電控單元10控制驅(qū)動(dòng)蝸桿11保持靜止、離合器C1接合且離合器C2分離時(shí)，渦輪12、相位控制軸13、太陽(yáng)輪4和太陽(yáng)輪6同時(shí)保持靜止，動(dòng)力輸入輪1輸入的動(dòng)力通過齒圈2帶動(dòng)行星輪3驅(qū)動(dòng)一體動(dòng)力傳遞架5同方向旋轉(zhuǎn)，一體動(dòng)力傳遞架5帶動(dòng)行星輪7驅(qū)動(dòng)齒圈8同方向旋轉(zhuǎn)，齒圈8帶動(dòng)動(dòng)力輸出軸9同向旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)某一固定速比的動(dòng)力傳遞；當(dāng)電控單元10控制驅(qū)動(dòng)蝸桿11保持靜止、離合器 C1分離且離合器C2接合時(shí)，渦輪12、相位控制軸13、太陽(yáng)輪4同時(shí)保持靜止，行星輪系P2通過離合器C2接合鎖死，動(dòng)力輸入輪1輸入的動(dòng)力通過齒圈2帶動(dòng)行星輪3驅(qū)動(dòng)一體動(dòng)力傳遞架5同向旋轉(zhuǎn)，一體動(dòng)力傳遞架5帶動(dòng)鎖死的行星輪系P2和動(dòng)力輸出軸9也同向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)另一固定速比的動(dòng)力傳遞；當(dāng)電控單元10控制驅(qū)動(dòng)蝸桿11保持靜止、離合器C1和離合器C2都保持分離時(shí)，渦輪12、相位控制軸13和太陽(yáng)輪4同時(shí)保持靜止，動(dòng)力輸入輪1輸入的動(dòng)力通過齒圈2帶動(dòng)行星輪3驅(qū)動(dòng)一體動(dòng)力傳遞架5同向旋轉(zhuǎn)，動(dòng)力輸出軸9的驅(qū)動(dòng)阻力使齒圈8保持靜止，一體動(dòng)力傳遞架5帶動(dòng)行星輪7驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)輪6同向空轉(zhuǎn)，動(dòng)力輸出中斷。速比一定情況下，電控單元10接收來自傳感器S1和S2的信號(hào)，運(yùn)算并輸出控制信號(hào)使驅(qū)動(dòng)蝸桿11正向或反向旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)渦輪12旋轉(zhuǎn)，太陽(yáng)輪4因與渦輪12固接而同步旋轉(zhuǎn)，使齒圈2與齒圈8之間產(chǎn)生相位變化，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸入輪1與動(dòng)力輸出軸9之間的相位連續(xù)調(diào)節(jié)。

為全面分析和優(yōu)選滿足VCE模式切換需求的DRPGT架構(gòu)特征機(jī)構(gòu)方案，在不考慮輸入、輸出部件轉(zhuǎn)向改變與否的前提下，得到12種基于DRPGT架構(gòu)具有同名部件一體傳力、速比二級(jí)可變、相位連續(xù)可調(diào)和動(dòng)力可中斷等特征的機(jī)構(gòu)方案，如表1所示。

表1　DRPGT-VPTR動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案

注：“N擋”表示動(dòng)力傳遞中斷的空擋；“╳”表示離合器接合；“-”表示離合器分離；“同/升/降速”即同速/升速/降速，表示由DRPGT中兩排行星輪系部件參數(shù)決定的可能變速效果。

表1中方案1的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖即為圖1。表1中，“P1_2”表示前排行星輪系P1中的齒圈2部件，其他相關(guān)符號(hào)依此類推?！爸袛嗖考北硎竞笈判行禽喯滴存i死時(shí)的固定部件，因其通過離合器C1固定，因此只有當(dāng)離合器C1分離時(shí)，機(jī)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的中斷。

(a)

(b)圖2　表1中方案1的衍生方案

根據(jù)離合器C1和C2連接部件的不同，表1中各方案又可得到諸多衍生方案，圖2所示為方案1衍生出的子方案中的兩種。型綜合是開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和類型優(yōu)選的基礎(chǔ)[18]，本文僅對(duì)表1中12種方案進(jìn)行型綜合研究。

2基于粗糙集的DRPGT-VPTR方案分類

要準(zhǔn)確描述表1中12種方案的結(jié)構(gòu)及功能，信息量較大，直接對(duì)其進(jìn)行功能分類十分困難。粗糙集(rough set, RS)理論研究的是不同類對(duì)象組成集合之間的關(guān)系，能對(duì)分類條件屬性信息進(jìn)行有效約簡(jiǎn)，而又不影響對(duì)象的功能分類歸屬。故本文采用粗糙集理論對(duì)12種方案的不同部件進(jìn)行特征描述，通過對(duì)特征描述參量組成集合的屬性約簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)高效分類。

定義信息系統(tǒng)T=(U,A,C,D)，其中U={x1,x2,…,xn}為對(duì)象集(論域)，A為屬性集合，屬性集A由條件屬性集C={s1,s2,…,sn}和決策屬性集D={d1,d2,…,dn}組成，C中的si={fi1,fi2,…fij,…fin}，條件屬性fij表示對(duì)象xi的條件屬性sj的值，D中決策屬性di表示對(duì)象xi的決策屬性值，且有C∪D=A，C∩D=?，則T被稱為決策系統(tǒng)或決策表。粗糙集應(yīng)用二維決策表描述論域?qū)ο?，每個(gè)對(duì)象用一行來描述，每種對(duì)象屬性用一列來描述。

每種機(jī)構(gòu)方案均為：行星輪系P1三部件中，一個(gè)負(fù)責(zé)動(dòng)力輸入，一個(gè)負(fù)責(zé)相位調(diào)節(jié)，第三個(gè)與行星輪系P2三部件中的同名部件固接，負(fù)責(zé)將動(dòng)力從行星輪系P1傳遞到行星輪系P2。行星輪系P2中剩余的兩個(gè)部件，一個(gè)負(fù)責(zé)動(dòng)力輸出，另一個(gè)通過離合器與固定部件接合或分離，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞或中斷功能。根據(jù)粗糙集理論，定義機(jī)構(gòu)各部件條件屬性C取值描述規(guī)則如表2所示。當(dāng)條件屬性s1～s5分別對(duì)應(yīng)太陽(yáng)輪、齒圈、行星架起作用時(shí)，分別用0、1、2表示，s6對(duì)應(yīng)行星輪系P2中不與離合器C2相連接的部件，此部件若是太陽(yáng)輪則為0，若是齒圈則為1，若是行星架則為2。

表2　條件屬性C定義表

本文D選取兩個(gè)決策屬性值di1和di2。di1表示機(jī)構(gòu)輸入與輸出軸轉(zhuǎn)向是否相同，如果兩種速比下轉(zhuǎn)向均相同則用1表示，若一種速比下轉(zhuǎn)向相同，一種速比下轉(zhuǎn)向相反則用2表示，若兩種速比下轉(zhuǎn)向均相反則用3表示。di2表示兩種速比下的變速效果，本文僅研究DRPGT的行星輪系P1和P2中同名齒輪部件采用相同設(shè)計(jì)參數(shù)的情況，決策屬性D的具體定義規(guī)則如表3所示。di2的十位數(shù)取值與相應(yīng)di1相同，描述輸入、輸出轉(zhuǎn)向特征，其個(gè)位數(shù)描述變速效果的不同組合情況，組合次序不分前后。

表3　決策屬性D定義表

各機(jī)構(gòu)方案特征信息對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)決策表如表4所示。每個(gè)方案對(duì)應(yīng)3種動(dòng)力傳動(dòng)變速效果，即1個(gè)對(duì)象可分為3個(gè)子對(duì)象，且每個(gè)子對(duì)象具有不同條件屬性。為了準(zhǔn)確合理地反映分類決策信息，本文采用了非常規(guī)的2個(gè)決策屬性。本文令C={s1,s2,s3,s4,s5,s6}，D={di1,di2}，通過計(jì)算機(jī)算法編程[19]，得到條件屬性約簡(jiǎn)后的結(jié)果為C={s1,s2,s4}。

表4　機(jī)構(gòu)方案特征信息系統(tǒng)決策表

粗糙集分析表明，通過相位調(diào)節(jié)、動(dòng)力輸入和動(dòng)力輸出部件的不同組合描述信息，就可以得到與決策屬性分類信息一致的各機(jī)構(gòu)方案，這樣能大大提高機(jī)構(gòu)部件功能分配、總體布局設(shè)計(jì)和方案優(yōu)選的效率。此外，其機(jī)構(gòu)特征的數(shù)值化描述為下文聚類分析打下了基礎(chǔ)。

3DRPGT-VPTR方案聚類分析

基于決策表的量化分類過程依然需要人為介入且不夠高效和直觀。本文基于粗糙集分析，采用聚類分析法對(duì)機(jī)構(gòu)方案開展自動(dòng)化分類辨識(shí)研究，以提高優(yōu)選設(shè)計(jì)過程分類的高效性、可靠性和直觀性。鑒于針對(duì)本文眾多機(jī)構(gòu)方案的分類屬于樣品分類的本質(zhì)，又因聚類分析結(jié)果應(yīng)被視為試探性的且原始數(shù)據(jù)繼承了粗糙集數(shù)據(jù)構(gòu)建特征，變量屬性構(gòu)成復(fù)雜，所以本文分別采用系統(tǒng)聚類、快速聚類和二階聚類3種方法分別對(duì)各機(jī)構(gòu)方案開展Q型聚類分析。

3.1數(shù)據(jù)構(gòu)建及合理性判據(jù)確定

在表4左側(cè)插入樣品(機(jī)構(gòu)方案)序號(hào)列n={1, 2, …,36}，即可得到用于聚類分析的機(jī)構(gòu)方案數(shù)值化原始數(shù)據(jù)，在此，U表示機(jī)構(gòu)方案屬性兼方案標(biāo)簽列。顯然，U值相同的樣品應(yīng)被歸到相同的類組，且決策屬性di1和di2相同的樣品應(yīng)被分到同一類組，所以，可通過對(duì)比3種聚類方法分析結(jié)果與U、di1和di2的自身屬性分類是否相符，作為評(píng)價(jià)聚類結(jié)果合理與否的判據(jù)。

3.2機(jī)構(gòu)方案系統(tǒng)聚類分析

將U、s1～s6、di1和di2根據(jù)方案標(biāo)號(hào)n和方案標(biāo)簽U進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，輸出得到圖3所示類間平均連接法聚類樹狀圖。當(dāng)分組超過5類組時(shí)，U分別為8和9但di2均為24的機(jī)構(gòu)方案被分配到不同的類組，這不滿足合理性判據(jù)要求。

圖3　類間平均連接法聚類樹狀圖

3.3機(jī)構(gòu)方案快速聚類分析

經(jīng)快速聚類分析后，得到了與系統(tǒng)聚類相似的結(jié)論，僅當(dāng)分組小于3類組時(shí)滿足判據(jù)，所以快速聚類分析法也無法準(zhǔn)確表達(dá)所有機(jī)構(gòu)方案的科學(xué)分類。

3.4機(jī)構(gòu)方案二階聚類分析

本文采用對(duì)數(shù)相似值(log-likelihood) 作為二階聚類分析的距離度量，聚類準(zhǔn)則選取施瓦茲貝葉斯準(zhǔn)則，得到的3類組聚類結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4　3類組方案屬性U二階聚類圖

圖5　3類組變速效果di2二階聚類圖

由圖4中類間及類內(nèi)百分比組成可以看出，當(dāng)分成3類組時(shí)，方案屬性U為01～06的樣品為第1類組，這6種樣品方案平均各占第1類組的1/6(約17%)組內(nèi)構(gòu)成。方案屬性U為07～10的樣品為第2組，這4種樣品方案平均各占第2類組的1/4(25%)組內(nèi)構(gòu)成。方案屬性U為11和12的樣品構(gòu)成第3組，這2種樣品方案平均各占第3類組的1/2(50%)組內(nèi)構(gòu)成。在方案屬性這一總類組中，12種樣品方案平均各占總類組(Overall類組)的1/12(約8%)，上述分析結(jié)果符合聚類結(jié)果合理性判據(jù)。

同理分析圖5可知，基于變速效果di2的聚類結(jié)果也滿足合理性判據(jù)。采用相同方法分析其他類分組，結(jié)果都滿足合理性判據(jù)要求。從凝聚性和分離性的Silhouette測(cè)量效果評(píng)價(jià)來看，聚類質(zhì)量都在良好以上。

上述分析表明，采用二階聚類法可以對(duì)各機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行準(zhǔn)確高效分類，當(dāng)已知機(jī)構(gòu)方案的構(gòu)成屬性特征時(shí)，可以迅速找到其所屬分類和對(duì)應(yīng)的決策屬性，或在已知使用要求(決策屬性)條件下，可以迅速通過其所屬分類找到滿足該決策屬性的不同機(jī)構(gòu)方案，從而提高方案優(yōu)選設(shè)計(jì)效率。

4VCE的DSM方案設(shè)計(jì)

VCE模式切換前后，機(jī)構(gòu)輸入、輸出部件的旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)保持不變。當(dāng)DRPGT選用同名一體化部件在兩行星輪系之間傳力時(shí)，后排SRPGT是通過自身鎖死與否實(shí)現(xiàn)兩種速比切換的，前排SRPGT具有固定不變的輸入部件、輸出部件和相位調(diào)節(jié)部件。

在后排鎖死情況下，整體傳動(dòng)效果等同于前排SRPGT的傳動(dòng)效果，由1.1節(jié)分析可知，只有前排太陽(yáng)輪作為輸入部件、齒圈作為輸出部件、行星架作為相位調(diào)節(jié)部件一類方案可行，且速比為2∶1。當(dāng)后排SRPGT未鎖死情況下，因齒圈為輸入部件，故需要行星架作為輸出部件才能保證兩種速比下的輸出部件轉(zhuǎn)向不變。又因要與前排SRPGT形成1∶1的總速比，所以后排SRPGT應(yīng)實(shí)現(xiàn)1∶2的速比，而當(dāng)后排齒圈作為輸入時(shí)，僅當(dāng)太陽(yáng)輪為輸出部件才能實(shí)現(xiàn)，但會(huì)使輸出部件在速比切換前后出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

行星架上具有單組兩個(gè)相互外嚙合行星齒輪的單排行星齒輪機(jī)構(gòu)SRPGT-D，因從齒圈到太陽(yáng)輪的動(dòng)力傳遞方向改變兩次，從而使齒圈與太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)向一致。因此，采用SRPGT-D代替后排SRPGT，從而滿足VCE的DSM功能需求。SRPGT-D的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性方程為

ωS-kωR+(k-1)ωC=0

(2)

式中，k為行星齒輪特性參數(shù)，當(dāng)α=ZR/ZS時(shí)，有k=ZS/ZR=1/α；ZR、ZS分別為SRPGT-D齒圈、太陽(yáng)輪齒數(shù)；ωS、ωR、ωC分別為SRPGT-D太陽(yáng)輪、齒圈和行星架的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)SRPGT-D齒圈作為輸入、太陽(yáng)輪作為輸出部件、行星架固定時(shí)，則由式(2)得出其速比為ωR/ωS=1/α，即SRPGT-D要實(shí)現(xiàn)1∶2的速比時(shí)，應(yīng)使α=2。因此，VCE的DSM應(yīng)采用前排SRPGT與后排SRPGT-D的串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且前排太陽(yáng)輪輸入，齒圈輸出，行星架進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，而后排齒圈輸入，行星架利用離合器起到固定或中斷動(dòng)力的作用，太陽(yáng)輪輸出。滿足上述條件的機(jī)構(gòu)方案特征信息決策表如表5所示，各方案僅在后排負(fù)責(zé)鎖死功能的部件上有所不同。其中一種可行方案如圖6所示，圖中70為雙行星輪架，71和72為雙行星輪架70上相互外嚙合的兩個(gè)行星齒輪。

表5中VCE的各DSM方案，在保證速比和相位調(diào)節(jié)滿足使用要求的基礎(chǔ)上，還可實(shí)現(xiàn)緊急中斷發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的功能。針對(duì)行駛中的車輛，可綜合考慮中斷動(dòng)力開關(guān)、手剎位置、制動(dòng)踏板踩踏頻率、車輛高速行駛工況轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)頻率等信號(hào)，迅速判斷是否需要中斷DSM的動(dòng)力傳遞，且能在下次啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)恢復(fù)。

表5　機(jī)構(gòu)方案特征信息決策表

圖6　VCE的DSM方案

5結(jié)論

(1)提出利用雙排行星輪系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)可變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)切換機(jī)構(gòu)方案，并采用粗糙集理論對(duì)各拓?fù)錂C(jī)構(gòu)方案分類條件屬性進(jìn)行了有效約簡(jiǎn)，得出僅利用相位調(diào)節(jié)、動(dòng)力輸入和動(dòng)力輸出3個(gè)部件的屬性描述信息就可得到與決策屬性分類一致的方案分類結(jié)果。

(2)基于粗糙集的機(jī)構(gòu)特征數(shù)值化描述信息表，利用三種方法對(duì)各拓?fù)錂C(jī)構(gòu)方案開展聚類分析結(jié)果表明，二階聚類法的分類效果最佳。最終設(shè)計(jì)出一類前排為單排行星輪系、后排為行星架上具有單組兩個(gè)相互外嚙合行星齒輪的單排行星齒輪機(jī)構(gòu)SRPGT-D的串聯(lián)動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案，該方案能滿足可變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)模式切換的工作需求。

(3)粗糙集結(jié)合聚類分析法，可以有效簡(jiǎn)化繁冗的機(jī)構(gòu)類方案的設(shè)計(jì)分析過程，能高效準(zhǔn)確地完成其型綜合與方案優(yōu)選工作。

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(編輯蘇衛(wèi)國(guó))

Study on Type Synthesis Analytical Method of Variable Power Transmission Mechanism

Di LimingZhao YongshengDu Danyang

Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004

Abstract：Based on the function requirements of variable-cycle engine (VCE) mode switching, a type synthesis design analysis method of power transmission mechanism with variable phase and transmission ratio was proposed. A universal driving mechanism with double row planetary gear train (DRPGT) was firstly designed, and the phase and transmission ratio could be adjusted at the same time. Secondly, a series of the mechanism schemes with similar structures and functions were obtained by configuration design and topology analysis, the rough set theory was combined with cluster analysis to carry on the research of classification and type synthesis. Finally, a kind of series driving mechanism scheme with DRPGT was obtained, where the front row had one planet gear each group between the gear ring and sun gear, and the rear row had two outer gearing planet gears each group. This kind of scheme can meet the mode switching demands of VCE, and can interrupt the power transmission in case of emergency. Research results indicate that the design analysis method which is applied to classification and type synthesis of mechanism schemes is efficient.

Key words：power transmission; mode switching; cluster analysis; type synthesis

收稿日期：2015-04-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51406174)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2014203066)；燕山大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目(B786)

中圖分類號(hào)：TH112; U464.134

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.03.006

作者簡(jiǎn)介：邸立明，男，1981年生。燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院副教授、博士。研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械傳動(dòng)。獲中國(guó)發(fā)明專利7項(xiàng)。發(fā)表論文10余篇。趙永生，男，1962年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。杜丹陽(yáng)，女，1991年生。燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院碩士研究生。