基于凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)與仿真

馬秋成 肖江 張魁 孫寧 陳強(qiáng) 尹谷林

摘? ?要：針對(duì)現(xiàn)有無(wú)級(jí)變速器變速范圍窄、最大傳動(dòng)比小的問(wèn)題，提出了一種基于凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的無(wú)級(jí)變速器. 該無(wú)級(jí)變速器通過(guò)變速裝置調(diào)整中間擺臂支點(diǎn)位置，改變力臂，從而調(diào)節(jié)從動(dòng)件的旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速目的. 根據(jù)搖臂輸出端轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，控制擺臂轉(zhuǎn)速按一定規(guī)律變化，對(duì)輸出速度進(jìn)行反向補(bǔ)償，提高了運(yùn)動(dòng)輸出的平穩(wěn)性. 利用反轉(zhuǎn)法原理，分別對(duì)凸輪輪廓曲線、擺臂輪廓曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將凸輪組中4組凸輪均勻錯(cuò)開(kāi)22.5°，保證無(wú)級(jí)變速器在運(yùn)行的過(guò)程中，至少有一組凸輪處于推程狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)連續(xù)輸出. 利用NX10軟件對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過(guò)分析不同傳動(dòng)比狀態(tài)下?lián)u臂的角位移曲線圖，驗(yàn)證了無(wú)級(jí)變速器總傳動(dòng)比在一定調(diào)速角范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)連續(xù)平穩(wěn)輸出. 本文無(wú)級(jí)變速器可獲得較寬的變速范圍和較大的傳動(dòng)比，彌補(bǔ)了現(xiàn)有無(wú)級(jí)變速器變速范圍窄、最大傳動(dòng)比小的不足.

關(guān)鍵詞：速比;無(wú)級(jí)變速器;凸輪機(jī)構(gòu);輪廓曲線設(shè)計(jì);運(yùn)動(dòng)學(xué)

Abstract：In view of the narrow range and small maximum transmission ratio of the existing Continuously Variable Transmission（CVT），this paper proposes a CVT driven by cam mechanism. The CVT? adjusts the position of the intermediate lever fulcrum by the shifting device and changes the force arm to adjust the rotational speed of the follower and achieve the aim of stepless shifting. According to the change rule of the speed in the output end of the rocker arm，the speed of the swing arm is controlled to change according to a certain rule， and the output speed is compensated reversely，which improves the stability of the motion output .With the principle of inversion method， the cam contour curve and the swing arm contour curve are designed， separately， and the four groups of cams in the cam group are evenly staggered by 22.5° to ensure that at least one set of cams is in an effective push state during the operation of the mechanism to keep continuous motion output. The NX10 software is used to simulate the kinematics of the transmission mechanism. By analyzing the speed-time curve of the rocker arm under different gear ratios， the continuous and outputsmooth transmission output can be realized when the total transmission ratio of the CVT is within a certain speed control angle. The CVT can obtain a wide range of transmission and a large transmission ratio， which makes up for the shortcomings of the existing CVT， such as narrow range of transmission and small maximum transmission ratio.

Key words：ratio;CVT（Continuously Variable Transmission）;cam mechanism;contour curve design;kinematics

無(wú)級(jí)變速器（Continuously Variable Transmission，CVT）是指可以連續(xù)獲得變速范圍內(nèi)任何傳動(dòng)比的變速系統(tǒng)[1]. 近年來(lái)，隨著車輛油耗及排放法規(guī)的日趨嚴(yán)苛，無(wú)級(jí)變速器得到了迅猛的普及和發(fā)展[2-3]. 相比于有級(jí)變速系統(tǒng)，無(wú)級(jí)變速器優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、能耗低[4-6]，可獲得傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)工況的最佳匹配，提高燃油的經(jīng)濟(jì)性并降低排放[7-8].

現(xiàn)有無(wú)級(jí)變速方式大多數(shù)是通過(guò)改變主、從動(dòng)輪傳動(dòng)半徑比來(lái)實(shí)現(xiàn)，如：金原茂[9]研制了一種金屬帶式無(wú)級(jí)變速器，該無(wú)級(jí)變速器主要由驅(qū)動(dòng)帶輪、從動(dòng)帶輪以及金屬帶組成，驅(qū)動(dòng)帶輪和從動(dòng)帶輪分別包括成對(duì)的固定滑輪和移動(dòng)滑輪，通過(guò)調(diào)整移動(dòng)滑輪位置，改變驅(qū)動(dòng)帶輪與從動(dòng)帶輪的槽寬進(jìn)而改變與金屬帶的接觸半徑來(lái)變更傳動(dòng)速比，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速;金紅光[10]研制出了一種液輪式無(wú)級(jí)變速器，該無(wú)級(jí)變速器包括主動(dòng)輪、從動(dòng)輪以及將主、從傳動(dòng)輪連接的傳動(dòng)帶等部件，其中的主、從傳動(dòng)輪由具有封閉內(nèi)腔的外殼以及填充其中的流體組成，外殼通過(guò)沿軸向的拉伸或壓縮來(lái)改變傳動(dòng)輪的直徑，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，該變速方式也是通過(guò)改變主、從傳動(dòng)半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速的. 對(duì)于通過(guò)改變主、從傳動(dòng)半徑比值的無(wú)級(jí)變速方式，由于其最大與最小半徑是有限的，其最大速比也是有限的，因此變速范圍較小，且因采用摩擦方式傳遞轉(zhuǎn)矩，其傳動(dòng)損失較高，效率較低，直接影響到CVT的應(yīng)用效能[11-12].

此外，還有其他無(wú)級(jí)變速實(shí)現(xiàn)方式，如小林庸浩[13]研制出了一種采用調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)半徑方法的無(wú)級(jí)變速器，其核心為旋轉(zhuǎn)半徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)自由調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)部的旋轉(zhuǎn)半徑改變傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速. F·A·托馬西[14]研制出了一種具有圍繞主動(dòng)軸線成角度布置的多個(gè)牽引行星輪的無(wú)級(jí)變速器，每個(gè)牽引行星輪具有可傾斜的旋轉(zhuǎn)軸線，每個(gè)傾斜的位置構(gòu)成不同的傳動(dòng)比，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速的目的. 上述機(jī)構(gòu)都能較好地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變速范圍窄、最大傳動(dòng)比小等不足.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的無(wú)級(jí)變速器. 該無(wú)級(jí)變速器利用杠桿原理，通過(guò)調(diào)整杠桿支點(diǎn)位置，改變力臂，從而調(diào)節(jié)從動(dòng)件的旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速. 基于凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的無(wú)級(jí)變速器其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、制造成本低，可獲得較大的調(diào)速范圍和大的傳動(dòng)比. 本文通過(guò)對(duì)凸輪以及擺臂輪廓曲線的設(shè)計(jì)和仿真，分析不同傳動(dòng)比狀態(tài)下?lián)u臂的轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線，驗(yàn)證該無(wú)級(jí)變速器運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性以及工作輸出的平穩(wěn)性，較大程度上克服了前述無(wú)級(jí)變速器存在的不足.

1? ?變速原理

基于凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的無(wú)級(jí)變速器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)、復(fù)位機(jī)構(gòu). 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由輸入軸、凸輪、擺臂、搖臂、單向離合器以及輸出軸組成. 工作時(shí)（傳動(dòng)比固定，調(diào)速盤(pán)靜止），輸入軸驅(qū)動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪推動(dòng)擺臂以中間軸為支點(diǎn)擺動(dòng)，擺臂外輪廓曲線帶動(dòng)搖臂運(yùn)動(dòng)，搖臂與輸出軸采用單向離合器連接，單向離合器將搖臂的往復(fù)搖擺運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給輸出軸，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)單向旋轉(zhuǎn)輸出. 為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)連續(xù)輸出，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)共有4組，相對(duì)于調(diào)速盤(pán)中心對(duì)稱布置，如圖2 所示. 4組凸輪成一定相位角布置在輸入軸上，單個(gè)凸輪上有四段推程曲線，4組凸輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，交替推動(dòng)擺臂，使得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，至少有一組凸輪處于推程狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)輸出軸單向連續(xù)運(yùn)動(dòng)輸出.

變速機(jī)構(gòu)主要由調(diào)速桿和調(diào)速盤(pán)組成，調(diào)速盤(pán)通過(guò)滾動(dòng)軸承安裝在輸入軸上，兩者獨(dú)立運(yùn)動(dòng). 擺臂通過(guò)中間軸安裝在調(diào)速盤(pán)上，并可繞中間軸支點(diǎn)O2轉(zhuǎn)動(dòng). 當(dāng)無(wú)級(jí)變速器變速時(shí)，調(diào)速桿帶動(dòng)調(diào)速盤(pán)旋轉(zhuǎn)，擺臂支點(diǎn)O2隨調(diào)速盤(pán)旋轉(zhuǎn)而位置變化，并改變擺臂支點(diǎn)O2到擺臂與搖臂接觸點(diǎn)B之間的距離O2B，從而改變擺臂與搖臂接觸點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)速度，并通過(guò)搖臂改變輸出軸的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)動(dòng). 當(dāng)調(diào)速盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，O2到接觸點(diǎn)B之間的距離增大，搖臂的角位移增大，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出較高的轉(zhuǎn)速;當(dāng)調(diào)速盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，O2到接觸點(diǎn)B之間距離減小，搖臂的角位移減小，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出較低的轉(zhuǎn)速;當(dāng)調(diào)速盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到擺臂休止弧段（下端圓?。┡c搖臂接觸時(shí)，搖臂的角位移為0，此時(shí)從動(dòng)件搖臂的輸出轉(zhuǎn)速為0，傳動(dòng)比趨近于無(wú)窮大.

該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞是通過(guò)輸入軸帶動(dòng)凸輪、凸輪推動(dòng)擺臂、擺臂推動(dòng)搖臂來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為保證運(yùn)動(dòng)連續(xù)輸出，在凸輪的回程段，需要對(duì)擺臂和搖臂設(shè)計(jì)復(fù)位機(jī)構(gòu). 復(fù)位機(jī)構(gòu)包括擺臂復(fù)位機(jī)構(gòu)和搖臂復(fù)位機(jī)構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)擺臂滾輪與凸輪輪廓曲線、搖臂滾輪與擺臂輪廓曲線始終保持接觸. 擺臂復(fù)位機(jī)構(gòu)主要由彈簧補(bǔ)償器、復(fù)位索、支架、滑輪等組成，如圖3所示. 支架固定在調(diào)速盤(pán)上，復(fù)位索通過(guò)彈簧補(bǔ)償器分別與調(diào)速盤(pán)同側(cè)的兩組擺臂相連接，同時(shí)，兩組擺臂對(duì)應(yīng)的凸輪錯(cuò)位一定角度，使當(dāng)凸輪1處于推程狀態(tài)時(shí)，凸輪2處于回程狀態(tài)，保證在一個(gè)推程時(shí)間內(nèi)，復(fù)位索兩端的拉伸距離和回縮距離相等. 由于凸輪推程曲線和回程曲線不完全對(duì)稱，只是回程距離和推程距離相等，因此復(fù)位機(jī)構(gòu)在復(fù)位過(guò)程中，復(fù)位索兩端會(huì)產(chǎn)生位移差. 該位移差通過(guò)彈簧補(bǔ)償器內(nèi)的彈簧拉伸和壓縮來(lái)補(bǔ)償，使擺臂與凸輪始終保持接觸. 搖臂復(fù)位機(jī)構(gòu)與擺臂復(fù)位機(jī)構(gòu)原理相同.

2? ?傳動(dòng)比分析

傳動(dòng)比是指變速機(jī)構(gòu)輸入角速度與輸出角速度的比值，是反映變速裝置變速大小的一個(gè)重要參數(shù)，因此，在無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)前，需要對(duì)無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比特性進(jìn)行分析.

根據(jù)前述變速原理，本無(wú)級(jí)變速器的單組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示，其總的傳動(dòng)比為：

2.1? ?凸輪-擺臂機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比計(jì)算

凸輪-擺臂機(jī)構(gòu)為擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖5所示. 圖5所示位置為推程狀態(tài)下的一個(gè)位置，擺臂的瞬時(shí)速度為v2，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω1. 根據(jù)壓力角定義，可作出凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角α1，由瞬心知識(shí)可知，P1為凸輪和從動(dòng)件擺臂的速度瞬心，故有：v2 = ω1O1P1 = ω2O2P1 ，由此可得凸輪-擺臂的傳動(dòng)比為：

2.2? ?擺臂-搖臂機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比計(jì)算

擺臂-搖臂機(jī)構(gòu)也可看作擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，擺臂看作是凸輪，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖6所示. 用前述凸輪-擺臂機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比推導(dǎo)方法，可推出擺臂-搖臂機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比為：

根據(jù)圖6，當(dāng)調(diào)速盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到擺臂休止弧段（下端圓弧）與搖臂接觸時(shí)，擺臂與搖臂的瞬心P2與擺臂旋轉(zhuǎn)中心O2重合，O2P2 = 0，由式（4）可知，此時(shí)傳動(dòng)比i23接近無(wú)窮大，這是本文無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)比大的理論依據(jù).

由式（9）可以看出，當(dāng)調(diào)速盤(pán)處于某一調(diào)速位置時(shí)，b1、b2、l1、l2、r0、R均為定值，此時(shí)搖臂的輸出轉(zhuǎn)速只與α1、α2、θ、φ有關(guān)，即瞬時(shí)傳動(dòng)比的變化主要受α1、α2、θ、φ的影響. 而θ、φ與擺臂和搖臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有關(guān)，α1（α2）與凸輪（擺臂）輪廓曲線在接觸點(diǎn)A（B）處的曲率有關(guān)，即壓力角大小與輪廓曲線形狀有關(guān). 因此，要實(shí)現(xiàn)搖臂輸出速度平穩(wěn)，需要對(duì)凸輪（擺臂）輪廓曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得壓力角α1（α2）按一定規(guī)律變化，補(bǔ)償θ、φ值變化對(duì)搖臂輸出轉(zhuǎn)速的影響，獲得搖臂轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)輸出.

3? ?擺臂輪廓曲線設(shè)計(jì)

無(wú)級(jí)變速器是指可在變速范圍內(nèi)連續(xù)獲得任何傳動(dòng)比的變速系統(tǒng). 為使任意傳動(dòng)比條件下，無(wú)級(jí)變速器都具有平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速輸出，擺臂輪廓曲線設(shè)計(jì)時(shí)，需先求得不同傳動(dòng)比時(shí)的擺臂曲線，然后對(duì)其優(yōu)化擬合，最終得到整體輪廓曲線.

具體設(shè)計(jì)方法為：從擺臂-搖臂機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速為零，即傳動(dòng)比無(wú)窮大時(shí)開(kāi)始，調(diào)速盤(pán)逐次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)δ角度，如圖7所示，調(diào)速盤(pán)旋轉(zhuǎn)n次后，搖臂與擺臂輪廓曲線的初始接觸位置由B到達(dá)點(diǎn)B′，記δn為調(diào)速角，δn = nδ，n為調(diào)速盤(pán)遞增角度的次數(shù)，記傳動(dòng)比無(wú)窮大時(shí)，n = 0;為使擺臂-搖臂機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比與調(diào)速角成線性變化，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，在擺臂輪廓曲線設(shè)計(jì)之前，需將調(diào)速盤(pán)的旋轉(zhuǎn)角與傳動(dòng)比關(guān)聯(lián)，在不同調(diào)速角時(shí)得到的擺臂曲線即為不同傳動(dòng)比時(shí)獲得的擺臂輪廓曲線，構(gòu)建線性關(guān)聯(lián)函數(shù)：i23 = f（δn）.

在整體擺臂輪廓曲線設(shè)計(jì)時(shí)，先求出δ0時(shí)擺臂曲線，隨后依次求出δ1、δ2、…、δn時(shí)擺臂輪廓曲線，最后將不同傳動(dòng)比時(shí)的擺臂輪廓曲線擬合，得到整體擺臂輪廓曲線.

3.1? ?任意傳動(dòng)比時(shí)擺臂曲線設(shè)計(jì)

以擺臂旋轉(zhuǎn)中心和搖臂旋轉(zhuǎn)中心連線為X軸，設(shè)定當(dāng)n = 0時(shí)坐標(biāo)系為原始坐標(biāo)系O2 xy，圖8為調(diào)速盤(pán)遞增n次后，擺臂-搖臂相對(duì)位置，此時(shí)坐標(biāo)系為O2 xn yn. 點(diǎn)B為擺臂輪廓上推程的起始點(diǎn)，當(dāng)擺臂轉(zhuǎn)過(guò)θ角時(shí)，從動(dòng)件接觸點(diǎn)從初始位置B旋轉(zhuǎn)φ角后到達(dá)點(diǎn)B′. 根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，可以得到擺臂輪廓線上點(diǎn)B′，在O2 xn yn坐標(biāo)系中的方程為：

3.2? ?傳動(dòng)平穩(wěn)性仿真優(yōu)化

本節(jié)以一組擺臂參數(shù)為例，用式（12）計(jì)算不同傳動(dòng)比對(duì)應(yīng)的擺臂曲線，并對(duì)所得曲線進(jìn)行擬合得到擺臂輪廓曲線. 用NX10軟件對(duì)擺臂-搖臂傳動(dòng)過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方法得到的擺臂輪廓曲線，是否能在任意傳動(dòng)比時(shí)無(wú)級(jí)變速器都具有平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)輸出.

基于式（4），一組擺臂-搖臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為：b20=110 mm;l2=100 mm;b0=185 mm;b1=110 mm;R0=30 mm;擺臂-搖臂最小傳動(dòng)比i23=0.5，擺臂最大擺角θ=10°;i23與δn關(guān)聯(lián)函數(shù)，i23=50/δn，即調(diào)速盤(pán)最大調(diào)速角δn=100°時(shí)，i23為最小值，且最小值為0.5;此外，定義擺臂輪廊曲線設(shè)計(jì)時(shí)的單次旋轉(zhuǎn)角度δ=5°. 基于上述設(shè)計(jì)參數(shù)，在NX10中擬合建立擺臂輪廓曲線，并建立如圖9所示的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型. 仿真時(shí)，搖臂與擺臂之間的運(yùn)行副選用NX10仿真模塊中的線在線上副，使擺臂滾輪與擺臂曲線始終保持接觸，仿真時(shí)擺臂輸入ω2 = 5 r/s，仿真時(shí)間為0.005 s，即當(dāng)擺臂擺角θ = 10°時(shí)，擺臂達(dá)到極限位置.

由表1可以看出，在某固定調(diào)速角時(shí)，搖臂輸出轉(zhuǎn)速是變化的，并呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明傳動(dòng)過(guò)程不平穩(wěn). 為定量評(píng)價(jià)無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)的平穩(wěn)性，以波動(dòng)率ε為評(píng)價(jià)指標(biāo)：

從圖10可看出，當(dāng)調(diào)速角比較小時(shí)，波動(dòng)率ε較大，傳動(dòng)平穩(wěn)性差. 隨著調(diào)速角的增大，波動(dòng)率ε整體呈遞減的趨勢(shì)，當(dāng)δn大于80°時(shí)，波動(dòng)率ε小于5%，此時(shí)傳動(dòng)比i23的范圍為0.58～0.72，由于變速范圍較窄，工程應(yīng)用價(jià)值不高.

為降低輸出轉(zhuǎn)速的波動(dòng)率，提高運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，根據(jù)搖臂輸出端轉(zhuǎn)速隨時(shí)間線性增長(zhǎng)的變化規(guī)律，擬通過(guò)控制擺臂轉(zhuǎn)速，使其按一定規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出速度的反向補(bǔ)償，達(dá)到減小波動(dòng)率的目的.

由式（14）可知，當(dāng)ω3（t1）-ω3（t0）越小時(shí)，波動(dòng)率ε值越小，反之則越大. 因此，可通過(guò)減小ω3（t1）-ω3（t0）值來(lái)減小波動(dòng)率ε，從而達(dá)到平緩輸出波動(dòng)，提升平穩(wěn)性的目的.

根據(jù)表1速度變化規(guī)律，可得圖11所示的δn-g曲線圖. 從圖11可以看出，g值大小主要集中在0.8～1.0內(nèi);通過(guò)仿真分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)g取值越接近0.915時(shí)，搖臂平穩(wěn)輸出的調(diào)速范圍越大，因此選取g值為0.915. 根據(jù)無(wú)級(jí)變速器選取的設(shè)計(jì)參數(shù)θ = 10°、t=0.005 s、ω2 = 5 r/s，可得搖臂運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：

4? ?凸輪組件設(shè)計(jì)

4.1? ?凸輪曲線設(shè)計(jì)

以凸輪旋轉(zhuǎn)中心和擺臂旋轉(zhuǎn)中心連線為X軸建立直角坐標(biāo)系O1XY，如圖12所示. B點(diǎn)為凸輪輪廓上推程的起點(diǎn)，利用反轉(zhuǎn)法原理，凸輪轉(zhuǎn)過(guò)γ角時(shí)，B運(yùn)動(dòng)到B′點(diǎn)，B′點(diǎn)即為凸輪輪廓曲線上的點(diǎn).

4.2? ?凸輪組設(shè)計(jì)

基于3.2節(jié)擺臂仿真實(shí)例的參數(shù)，對(duì)凸輪輪廓曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)式（2）得到一組凸輪-擺臂設(shè)計(jì)參數(shù)為：r0 = 50 mm;l1 = 80 mm;b1 = 110 mm;凸輪-擺臂最小傳動(dòng)比為i12 = 3，在NX10中建模，可得到凸輪輪廓曲線.

由圖13可知，單組凸輪只有1/3的時(shí)間處于有效推程狀態(tài)，因此，為使機(jī)構(gòu)獲得連續(xù)輸出，將4組凸輪均勻錯(cuò)開(kāi)，錯(cuò)位角為22.5°，考慮到機(jī)構(gòu)復(fù)位，凸輪1處于推程狀態(tài)時(shí)凸輪2需處于回程狀態(tài);凸輪組布置時(shí)，將第1組凸輪與第2組凸輪錯(cuò)位45°，第2組凸輪與第3組凸輪錯(cuò)位-22.5°，第3組凸輪與第4組凸輪錯(cuò)位45°.

4組凸輪錯(cuò)位后，4組擺臂的疊加角位移曲線如圖14所示. 由圖14可知，在凸輪組傳動(dòng)過(guò)程中，其中1/2時(shí)間有兩組凸輪始終處于有效推程狀態(tài)，剩余1/2時(shí)間有一組凸輪處于有效推程狀態(tài)，這種設(shè)計(jì)可以保證在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，至少有一組凸輪處于有效推程狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)連續(xù)輸出.

5? ?傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

為驗(yàn)證本文無(wú)級(jí)變速器在任意傳動(dòng)比狀態(tài)下都具有連續(xù)平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)輸出，本節(jié)利用NX10軟件對(duì)上述實(shí)例進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維仿真模型如圖15所示. 輸入軸輸入轉(zhuǎn)速ω1 = 15 r/s，仿真時(shí)間為0.02 s.

將NX10的仿真結(jié)果導(dǎo)入Origin中，繪制出4組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)搖臂輸出角位移-時(shí)間曲線圖，如圖16所示. 由圖16可以看出，4組搖臂曲線先后重疊，證明傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，至少有一組搖臂處于推程狀態(tài)，無(wú)級(jí)變速器可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)連續(xù)輸出.

提取NX10仿真結(jié)果中的搖臂輸出轉(zhuǎn)速，得到不同調(diào)速角時(shí)，搖臂的最大轉(zhuǎn)速、最小轉(zhuǎn)速和平均轉(zhuǎn)速如表2所示. 根據(jù)表2中的搖臂平均轉(zhuǎn)速，得到搖臂平均轉(zhuǎn)速與調(diào)速角的關(guān)系圖，如圖17所示. 由圖17可以看出，搖臂的平均轉(zhuǎn)速與無(wú)級(jí)變速器調(diào)速角δn成線性關(guān)系，且隨著調(diào)速角增大平均轉(zhuǎn)速線性增大. 說(shuō)明本文所提出的無(wú)級(jí)變速器，可通過(guò)改變調(diào)速角的大小調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速.

6? ?結(jié)? ?論

1）本文提出了一種基于凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的無(wú)級(jí)變速器，該無(wú)級(jí)變速器通過(guò)變速裝置，調(diào)整中間杠桿支點(diǎn)位置，改變力臂，從而調(diào)節(jié)從動(dòng)件旋轉(zhuǎn)速度，可獲得較寬的變速范圍和較大的傳動(dòng)比. 并對(duì)無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)比進(jìn)行了分析，從原理上驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)無(wú)級(jí)變速的可行性.

2）為降低輸出轉(zhuǎn)速的波動(dòng)率，根據(jù)搖臂輸出端轉(zhuǎn)速隨時(shí)間線性增長(zhǎng)的變化規(guī)律，通過(guò)控制擺臂轉(zhuǎn)速，使其按一定規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出速度的反向補(bǔ)償，提高了運(yùn)動(dòng)輸出的平穩(wěn)性.

3）為使無(wú)級(jí)變速器輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，利用反轉(zhuǎn)法對(duì)擺臂輪廓曲線以及凸輪輪廓曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將凸輪組中凸輪均勻錯(cuò)開(kāi)22.5°，保證機(jī)構(gòu)在運(yùn)行的過(guò)程中，至少有一組凸輪處于有效推程狀態(tài). 最后用NX10軟件對(duì)無(wú)級(jí)變速器整體進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證了該無(wú)級(jí)變速器可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，并在一定調(diào)速角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)平穩(wěn)輸出.

參考文獻(xiàn)

[1]? ? 周云山，賈杰鋒，李航洋，等. CVT插電式混合動(dòng)力汽車經(jīng)濟(jì)性控制策略[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，43（8）：25—31.

ZHOU Y S，JIA J F，LI H Y，et al. Economic control strategy of CVT plug-in hybrid electric vehicle [J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2016，43 （8）：25—31. （In Chinese）

[2]? ? 雷雨龍，扈建龍，付堯，等. 基于動(dòng)力需求的CVT目標(biāo)速比決策與控制[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，47（9）：74—82.

LEI Y L，HU J L，F(xiàn)U Y，et al. CVT target speed ratio decision and control based on dynamic demand [J]. Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition），2019，47 （9）：74—82. （In Chinese）

[3]? ? LEI Y L，JIA Y Z，F(xiàn)U Y，et al. CAR fuel economy simulation forecast method based on CVT efficiencies measured from benchtest[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2018，31（5）：138—153.

[4]? ? LI M S，DU Q G. Study on tribological properties of CVT fluid containing inert and active functional elements[J]. China Petroleum Processing & Petrochemical Technology，2014，16（3）：92—98.

[5]? ? 羅威，周云山，瞿道海，等. 無(wú)級(jí)變速器減壓回路壓力脈動(dòng)關(guān)鍵參數(shù)識(shí)別及優(yōu)化驗(yàn)證[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2019，30（10）：1178—1187.

LUO W，ZHOU Y S，QU D H，et al. Identification and optimization verification of key parameters of pressure fluctuation in pressure reducing circuit of CVT [J]. China Mechanical Engineering，2019，30 （10）：1178—1187. （In Chinese）

[6]? ? 秦大同，劉星源，羅松. 計(jì)及模式切換過(guò)程中CVT速比躍變的PHEV綜合性能優(yōu)化[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，46（1）：85—90.

QIN D T，LIU X Y，LUO S. Comprehensive performance optimization of PHEV considering CVT speed ratio jump during mode switching [J]. Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition），2018，46 （1）：85—90 . （In Chinese）

[7]? ? 劉金剛，王寧，范堅(jiān)，等. 基于彈流潤(rùn)滑的無(wú)級(jí)變速器滑移控制安全區(qū)域分析[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2019，30（13）：1552—1557.

LIU J G，WANG N，F(xiàn)AN J，et al. Safety zone analysis of sliding control of CVT based on elastohydrodynamic lubrication [J]. China Mechanical Engineering，2019，30 （13）：1552—1557. （In Chinese）

[8]? ? 胡嘵嵐，周云山，傅兵，等. 考慮金屬帶張緊力影響的CVT噪聲分析與優(yōu)化[J]. 汽車工程，2017，39（12）：1431—1437.

HU X L，ZHOU Y S，F(xiàn)U B，et al. CVT noise analysis and optimization considering the effect of metal belt tension [J]. Automotive engineering，2017，39 （12）：1431—1437. （In Chinese）

[9]? ? 金原茂. 帶式無(wú)級(jí)變速器：201710584228.3 [P]. 2018-01-30.JIN M Y. CVT with belt：201710584228.3 [P]. 2018-01-30. （In Chinese）

[10]? 金紅光. 無(wú)級(jí)變速器：201610697439.3 [P]. 2018-03-06.JIN H G. CVT：201610697439.3 [P]. 2018-03-06. （In Chinese）

[11]? 劉云峰，周云山，瞿道海，等. 基于電動(dòng)油泵的混合動(dòng)力CVT能耗對(duì)比分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2018，54（14）：125—131.

LIU Y F，ZHOU Y S，QU D H，et al. Comparative analysis of energy consumption of hybrid CVT based on electric oil pump [J]. Journal of Mechanical Engineering，2018，54 （14）：125—131. （In Chinese）

[12]? 傅兵，周云山，高帥，等. 金屬帶式無(wú)級(jí)變速器帶輪變形損失研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2017，28（12）：1420—1426.

FU B，ZHOU Y S，GAO S，et al . Research on deformation loss of belt pulley in metal CVT [J]. China Mechanical Engineering，2017，28 （12）：1420—1426. （In Chinese）

[13]? 小林庸浩. 變速器：201480076677.1 [P]. 2017-05-10.

XIAOLIN Y H. Transmission：201480076677.1[P]. 2017-05-10. （In Chinese）

[14]? 托馬西. 無(wú)級(jí)變速器：201810925437.4 [P]. 2018-12-07.

THOMASI F A. CVT：201810925437.4[P]. 2018-12-07. （In Chinese）