全電調(diào)節(jié)無級變速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

沈宏生，張?zhí)m春，貝紹軼，施衛(wèi)，劉森

（江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213000）

全電調(diào)節(jié)無級變速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

沈宏生，張?zhí)m春，貝紹軼，施衛(wèi)，劉森

（江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213000）

本文提出了一種采用單電機(jī)實(shí)現(xiàn)速比調(diào)節(jié)的全電調(diào)節(jié)無級變速器，并介紹了其工作原理和結(jié)構(gòu)組成。通過運(yùn)動學(xué)分析，得到了其速比范圍與結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，并據(jù)此基于遺傳算法對速比執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果完成了虛擬樣機(jī)的建模，為其動力學(xué)建模分析和樣機(jī)研制提供了依據(jù)。

CVT；遺傳算法；優(yōu)化設(shè)計；虛擬樣機(jī)

帶式CVT具有減震性好、噪聲小、價格低、檢修容易等優(yōu)點(diǎn)，通常裝備在摩托車、微型轎車等一些不需要高負(fù)載的場所。近年來，具有功率分流特征的復(fù)合傳動得到了迅速發(fā)展，使該類CVT開始應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型轎車與微型汽車的復(fù)合傳動裝置中，實(shí)現(xiàn)汽車的無級變速。

當(dāng)前國內(nèi)市場上的CVT大多是采用機(jī)械調(diào)節(jié)和電控液壓調(diào)節(jié)這兩種調(diào)節(jié)方式。離心滾柱式機(jī)械調(diào)節(jié)的CVT缺點(diǎn)是速比的變化會改變發(fā)動機(jī)的工作狀況，所以不能只調(diào)節(jié)速比以適應(yīng)負(fù)載的變動而保持發(fā)動機(jī)工作在最佳狀況。電控液壓調(diào)節(jié)的CVT缺點(diǎn)是在其運(yùn)行時液壓泵處于不停的工作狀態(tài)，液壓系統(tǒng)的耗能比較高。在能量損耗中，該系統(tǒng)的能量損失是能耗占30%的帶傳動的一倍。

全電調(diào)節(jié)CVT是一種通過電機(jī)控制齒輪副分別帶動主、從動帶輪兩端的螺旋絲杠機(jī)構(gòu)，螺旋絲杠上的螺母相對于絲杠左右移動，螺母與主從動帶輪動盤相連接，進(jìn)而推動主、從動帶輪動盤軸向移動，改變變速V帶與錐形帶輪的接觸半徑，從而改變傳動速比，使得無級變速系統(tǒng)能夠速比持續(xù)改變。該新型無級變速系統(tǒng)克服了機(jī)械及電控液壓調(diào)節(jié)方式的缺陷和弊端。

本文根據(jù)全電調(diào)節(jié)CVT的工作原理簡圖在運(yùn)動學(xué)分析的基礎(chǔ)上，基于遺傳算法對該型CVT的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并借助CATIA軟件完成了虛擬樣機(jī)的創(chuàng)建。

1 全電調(diào)節(jié)CVT工作原理

全電調(diào)節(jié)CVT工作原理簡圖如圖1所示，調(diào)節(jié)速比的速比電機(jī)通過齒輪副分別帶動與主、從動帶輪動盤相連接的螺旋絲杠機(jī)構(gòu)，帶動螺旋絲杠上的螺母軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，進(jìn)而推動主、從動帶輪動盤的軸向移動，改變傳送V帶與錐形帶輪的工作半徑，實(shí)現(xiàn)速比的持續(xù)改變。當(dāng)帶輪動盤移動到設(shè)定的特定速比時帶盤所需的位置后，具有自鎖功能的螺旋絲杠機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動盤的定位，并給予帶輪動盤相應(yīng)的夾緊力。

圖1 CVT工作原理簡圖

2 全電調(diào)節(jié)CVT基本參數(shù)設(shè)計

本無級變速器適用于速比變化范圍在0.5～2.5的小功率經(jīng)濟(jì)型轎車。同時采用橡膠帶傳遞動力，主動部分與從動部分采用對稱布置。初步選定錐角為24°的梯形傳送帶。同時為了方便主從、動輪定盤的安裝與拆卸，采用螺栓固定連接代替主從動輪定盤與輸入、輸出軸的鍵連接。下面對該全電調(diào)節(jié)無級變速器部分關(guān)鍵部件的設(shè)計進(jìn)行具體說明。

2.1 確定V帶輪基準(zhǔn)直徑D

CVT變速單元幾何位置分析。主、從動帶輪與V帶接觸的工作半徑約束關(guān)系如圖2所示。假設(shè)帶傳送帶無彈性形變，并且假定帶長與主從動輪中心距均為定值。

圖2 帶與帶輪約束關(guān)系

同時可得帶長L的簡化計算公式為：

2.2 速比調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計

無級變速器速比調(diào)節(jié)傳動機(jī)構(gòu)的主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S線方向的移動。能夠?qū)崿F(xiàn)該功能的有齒輪齒條機(jī)構(gòu)和螺旋傳動機(jī)構(gòu)。在短距離直線運(yùn)動中，螺旋傳動的精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于齒輪齒條機(jī)構(gòu)，而且螺旋絲杠機(jī)構(gòu)構(gòu)造簡單，加工容易，制造成本低，同時梯形螺紋又擁有自鎖能力。

該變速器的螺旋機(jī)構(gòu)，螺母空套在螺栓上，同時螺母外側(cè)與速比電機(jī)傳動齒輪進(jìn)行齒輪嚙合。由于該螺旋機(jī)構(gòu)不僅要傳遞速比電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，還要在速比不變時為主、動帶輪動盤提供軸向力，故該螺旋機(jī)構(gòu)的螺紋設(shè)計為梯形螺紋。

（1）螺旋絲杠機(jī)構(gòu)選型。本無級變速器的螺旋絲杠機(jī)構(gòu)可以擁有兩種工作方式。

第一種：螺桿固定，螺母旋轉(zhuǎn)且直線運(yùn)動。該工作方式中，螺桿固定比較方便，螺母外側(cè)做成齒輪并與連接速比電機(jī)的齒輪嚙合。將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)槁菽傅男D(zhuǎn)轉(zhuǎn)動和軸線上的移動。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，缺點(diǎn)是連接速比電機(jī)的主動齒輪齒寬大幅增加，螺母與該齒輪嚙合時的軸向摩擦力將無可避免。

第二種：螺桿旋轉(zhuǎn)，螺母直線運(yùn)動。該方案中，由于螺旋絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動必然多增加兩個軸承，同時要保證螺母只做直線運(yùn)動還需增加額外的止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，從而使得整個結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

從設(shè)計及安裝角度考慮，結(jié)構(gòu)越簡單、尺寸越小越好，綜合考慮后該機(jī)構(gòu)采用了螺桿固定，螺母旋轉(zhuǎn)且做直線運(yùn)動的螺旋絲杠傳動方式。

（2）速比調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的嚙合齒輪優(yōu)化設(shè)計。為了提高空間的利用率，并且增大速比電機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，螺母外側(cè)做成齒輪并于連接速比電機(jī)的齒輪嚙合形成一級減速機(jī)構(gòu)。在不考慮材料對齒輪強(qiáng)度及剛度影響以及確定兩齒輪安裝方式的基礎(chǔ)上，以體積最小為設(shè)計目標(biāo)對速比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

①選取設(shè)計變量。

②確定目標(biāo)函數(shù)。

采用相互嚙合的兩個齒輪的總體積作為所需優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：

③建立約束條件。

由安裝要求確定的尺寸約束為：

由齒面接觸過程中的疲勞強(qiáng)度設(shè)計要求(齒輪材料選擇40Cr)可得：

④優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型求解。

分析上述的優(yōu)化模型易知，所需解決的問題為非線性約束優(yōu)化問題。非線性約束優(yōu)化問題的求解方法有許多，如復(fù)合形法、隨機(jī)方向法、序列二次規(guī)劃法、懲罰函數(shù)法等，但所列的算法只能解決部分非線性規(guī)劃的特別問題。

遺傳算法作為一種不直接依靠確切信息，模擬自然進(jìn)化過程來搜索最優(yōu)解，借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜索算法。該算法從隨機(jī)的一初始種群出發(fā)，隨機(jī)進(jìn)行選擇、再進(jìn)行交叉以及變異的運(yùn)算，產(chǎn)生一群具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，使得這部分群體在搜索空間中找到越來越好的區(qū)域，經(jīng)過若干代繁殖和進(jìn)化，最后進(jìn)化到一群對環(huán)境具有最強(qiáng)適應(yīng)力的個體，求得問題的最優(yōu)解。因而其在解決非線性以及多個多峰值等問題時，有著特別的優(yōu)勢，應(yīng)用十分廣泛。

針對全電調(diào)節(jié)無級變速器齒輪參數(shù)的優(yōu)化模型，選擇遺傳算法作為該調(diào)速齒輪傳動機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計方法。根據(jù)遺傳算法工作原理，設(shè)計如圖3所示的運(yùn)算流程圖，并運(yùn)用強(qiáng)大的Matlab軟件對其進(jìn)行了分析計算。仿真結(jié)果中返回的參數(shù)EXITFLAG值設(shè)置成1，這表明在參數(shù)控制向量預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)得到了最佳解；由OUTPUT的返回參數(shù)可看出，該非線性約束優(yōu)化問題，計算代數(shù)為32代，適應(yīng)度函數(shù)的估算次數(shù)為3200次。

圖3 遺傳算法的算法流程圖

在Matlab軟件中基于遺傳算法編寫程序?qū)υ撃Ｐ陀嬎愕玫降挠嬎憬Y(jié)果如圖4所示。

圖4 Matlab仿真結(jié)果圖

仿真的參數(shù)結(jié)果如下所示：

綜上所述，通過對全電調(diào)節(jié)無級變速器的變速單元幾何約束分析，得到了速比與主從動輪工作半徑的關(guān)系；速比為1時的安裝半徑與主從動輪工作半徑關(guān)系，再結(jié)合速比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的分析與優(yōu)化設(shè)計，完成了該無級變速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 虛擬樣機(jī)設(shè)計

在汽車設(shè)計、制造行業(yè)，CATIA軟件是一款市場占有率遠(yuǎn)超過UG、SOLIDWORKS的虛擬樣機(jī)設(shè)計軟件。其擁有全面的3D繪圖功能。

本文借助該軟件，在其零件模塊中分別對齒輪、傳送帶和帶盤等零件進(jìn)行了繪制，然后在裝配模塊中分別導(dǎo)入繪制好的各個零件，通過固定、距離約束、面接觸等約束功能完成各個部件的位置約束。對于螺釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件，則是直接調(diào)用軟件中的模型庫。最后完成虛擬樣機(jī)的裝配，裝配圖如圖5所示。

圖5 無級變速器裝配圖

4 結(jié)語

本文根據(jù)全電調(diào)節(jié)無級變速器工作原理簡圖對變速器主要部件工作原理進(jìn)行分析，確定關(guān)鍵部件幾何約束關(guān)系；基于遺傳算法優(yōu)化設(shè)計出該無級變速器的關(guān)鍵部件，并完成了變速器的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。通過三維繪圖軟件CATIA進(jìn)行各零件的繪制，完成無級變速器虛擬樣機(jī)的建模，為今后的動力學(xué)建模分析及樣機(jī)制造提供了參考。

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TH132

A

1671-0711（2017）06（下）-0045-03

車輛緩速器運(yùn)行性能遠(yuǎn)程實(shí)時檢測與控制系統(tǒng)，項(xiàng)目編號：BY2014038-07；

國家自然科學(xué)基金（51305175，51475402）；

江蘇省六大人才高峰資助項(xiàng)目（ZBZZ-039）。