844 四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),機(jī)構(gòu),優(yōu)化,設(shè)計(jì) 曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)1 緒論1.1 無(wú)級(jí)變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的和意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)汽車、拖拉機(jī)等機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力型提出了更高的要求。其中播種機(jī)的播種要求更是精密，播種距離是等間距的，提高播種機(jī)的播種質(zhì)量對(duì)于提高作物的產(chǎn)量有著重要作用，而變速器又是其中的的關(guān)鍵部件，它輸出的轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性直接影響的機(jī)器的播種精度和播種效率。所以研究輸出轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性就顯得尤為的重要，基于 MATLAB 數(shù)學(xué)建模找到一種優(yōu)化機(jī)構(gòu)參數(shù)的方法和一組最優(yōu)的參數(shù)是解決此問(wèn)題的關(guān)鍵，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)無(wú)級(jí)變速器的機(jī)構(gòu)參數(shù)就非常的有必要和實(shí)際意義。1.2 無(wú)級(jí)變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 無(wú)級(jí)變速器國(guó)內(nèi)外的研究成果國(guó)際上，在機(jī)械式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器領(lǐng)域，目前以德國(guó)、美國(guó)和日本的技術(shù)水平較高。其成熟技術(shù)以德國(guó)的GUSA型及美國(guó)的ZERO —MAX型系列產(chǎn)品為代表。GUSA型，國(guó)內(nèi)稱為三相并列連桿脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器，分為GUSA I型(三相偏置搖塊)和改進(jìn)的GUSA II型(三相對(duì)心搖塊)兩種。GUSA I型最早由德國(guó)Heinrich Gensheimer和Sohne機(jī)器制造公司在50年代推出之后，該公司在80年代又對(duì)其加以改進(jìn)推出了GUSA II型變速器，GUSA II型是目前性能最為優(yōu)良的脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器，其變速范圍寬，轉(zhuǎn)速可以為零，調(diào)速方便，工作時(shí)輸出轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)度較小，此外，其結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，傳動(dòng)可靠，因而應(yīng)用廣泛。ZERO—MAX型，最早由美國(guó)ZERO—MAX公司于1962年推出，國(guó)內(nèi)稱為四相并列連桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器。該類無(wú)級(jí)變速器具有較大的變速范圍，轉(zhuǎn)速可以為零，且調(diào)速響應(yīng)快；其結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，常用于小功率場(chǎng)合。另外，日本生產(chǎn)的ZERO —MAX型無(wú)級(jí)變速器不僅性能優(yōu)良且獨(dú)具特色。有些規(guī)格的變速器帶有變向手柄，可實(shí)現(xiàn)雙向傳動(dòng)(變換輸出軸的轉(zhuǎn)向應(yīng)在停機(jī)后進(jìn)行)，有些變速器內(nèi)部還裝有防止過(guò)載的轉(zhuǎn)矩限制器。就國(guó)內(nèi)而言，目前的產(chǎn)品大多是在以上兩種機(jī)型的基礎(chǔ)上加以仿制和改進(jìn)而來(lái)的。如在GUSA I型基礎(chǔ)上加以仿制生產(chǎn)出的三相并列曲柄搖塊脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器系列，這種變速器傳遞功率較低，工作性能也不太好，國(guó)內(nèi)廠家目前正在加緊消化國(guó)外技術(shù)，積極研制性能更好的GUSA II型變速器；此外還有引進(jìn)消化ZERO—MAX型生產(chǎn)出的MT四相并列連桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器。該型無(wú)級(jí)變速器由于采用了內(nèi)置螺旋機(jī)構(gòu)調(diào)速，因而具有更好的調(diào)速性能。市面上除以上幾種主要機(jī)型外。尚有多種組合型及改進(jìn)型脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器。組合式通常采用連桿機(jī)構(gòu)和其他機(jī)構(gòu)的組合，例如采用定軸齒輪機(jī)構(gòu)與連桿機(jī)構(gòu)組合的德國(guó)Philamat脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器，該變速器具有脈動(dòng)度小。調(diào)速范圍寬，傳遞功率較大的特點(diǎn)。另外還有采用行星齒輪機(jī)構(gòu)與鉸鏈六桿機(jī)構(gòu)組合的JBLW型脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器，以及采用凸輪連桿機(jī)構(gòu)與齒輪機(jī)構(gòu)組合的脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器(以美國(guó)的MORSE鏈傳動(dòng)公司推出的三相星型布置的MORSE變速器為代表)等。就目前來(lái)說(shuō)，鑒于結(jié)構(gòu)性能上的局限性，現(xiàn)有脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器主要用于中小功率(18 以下)、中低速(輸入 ，輸出 )、降速型kwmin/140=rn min/280~4=2r以及對(duì)輸出軸旋轉(zhuǎn)均勻性要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合，例如熱處理設(shè)備、清洗設(shè)備以及化工、醫(yī)藥、塑料、食品和電器裝配運(yùn)輸線等領(lǐng)域的應(yīng)用。1.2.2 無(wú)級(jí)變速器應(yīng)用的局限性盡管各種型式的脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器各有優(yōu)點(diǎn)，但由于其結(jié)構(gòu)原理及性能上的局限性。普遍存在著以下缺陷 [1,2]：(1)連桿運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力難以平衡，由此引起的振動(dòng)在高速時(shí)會(huì)顯著增大，同時(shí)產(chǎn)生較大的噪音。(2)作為輸出機(jī)構(gòu)的超越離合器是動(dòng)力鏈中的薄弱環(huán)節(jié)，其承載能力和抗沖擊能力相對(duì)較弱，直接制約了脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)能力和壽命。(3)機(jī)器的脈動(dòng)度仍需進(jìn)一步降低，尤其低速輸出時(shí)脈動(dòng)度會(huì)顯著增加。(4)機(jī)構(gòu)有移動(dòng)副和采用多相結(jié)構(gòu)時(shí)存在過(guò)約束現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)器對(duì)誤差和工作環(huán)境的敏感性較高，機(jī)械效率降低，磨損加劇。(5)整機(jī)效率不是很高，輸出功率小，不適用于大功率場(chǎng)合。1.2.3 國(guó)內(nèi)外研究的對(duì)策及進(jìn)展為了提高脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器的綜合性能，今后的研究目標(biāo)將主要集中在以下幾方面：(1)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入研究，通過(guò)優(yōu)化機(jī)構(gòu)的型及尺寸，減小脈動(dòng)度及動(dòng)載荷，減少功率損耗，從而改善其運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力性能。(2)深入研究超越離合器工作機(jī)理，進(jìn)一步改善其性能，提高其承載能力和傳動(dòng)效率。對(duì)于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究，就目前而言，主要集中于平面六桿機(jī)構(gòu)。這主要是因?yàn)榱鶙U機(jī)構(gòu)能較好地滿足運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力和調(diào)速方面的要求．且其理論研究也比較成熟。影響脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器的整機(jī)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力性能的因素是多方面的，各因素相互影響制約。如增加相數(shù)，一方面可減小脈動(dòng)度，另一方面又會(huì)增加機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，降低效率；另外，要想提高整機(jī)的輸出功率，也不是簡(jiǎn)單的尺寸放大的過(guò)程，需要深入研究各種條件的影響。所以，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮各方面的因素，目前對(duì)脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器通過(guò)優(yōu)化的方法建立優(yōu)化模型。進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及尺度綜合是脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器研究的一個(gè)熱門方向 [3,4]。近幾年來(lái)，先后有內(nèi)置式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器和雙輸出脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)等創(chuàng)新出現(xiàn)。前者的主要特點(diǎn)是在傳統(tǒng)連桿脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器基礎(chǔ)上，將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)內(nèi)置于超越離合器中。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，效率較高，主要缺點(diǎn)是加工安裝精度要求較高 [5]；后者除簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了效率外，更主要的是將六連桿機(jī)構(gòu)與齒輪機(jī)構(gòu)組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了雙搖桿在正反兩個(gè)行程都能分別實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)輸出的功能要求 [6]。超越離合器系脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的關(guān)鍵部件,其工作能力決定了整機(jī)效率的高低、輸出扭矩的大小和耐用壽命的長(zhǎng)短。目前廣泛使用的高副式(如滾柱式)超越離合器承載能力低、工作穩(wěn)定性較差。近幾年國(guó)內(nèi)又出現(xiàn)了幾種新型設(shè)計(jì)，其中“撓性環(huán)式超越離合器”,由于采用了撓性環(huán)與內(nèi)芯的面接觸,因而承載能力和效率得到較大提高,開(kāi)合也輕便。自鎖更可靠 [7]。但它也存在一些問(wèn)題：當(dāng)撓性環(huán)較薄時(shí)雖然正反轉(zhuǎn)靈敏，但承載能力將由于環(huán)較薄而受影響。如選較厚的環(huán)，雖然承載能力提高了，但撓性變壞，當(dāng)有預(yù)緊時(shí)，反向阻力矩較大，而當(dāng)環(huán)與內(nèi)芯存在間隙時(shí)，靈敏度又降低 [8]。鑒于上述原因，又設(shè)計(jì)出一種“鏈環(huán)式超越離合器”。它用厚環(huán)代替薄環(huán)，用分節(jié)使厚環(huán)具有較好的撓性。“差動(dòng)式雙制式超越離合器” 就是在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的。它采用兩段厚鉸鏈環(huán)(又叫雙制動(dòng)塊)鉸接，控制鍵則被四桿機(jī)構(gòu)代替。該機(jī)構(gòu)具有自調(diào)自適應(yīng)性的內(nèi)力加壓裝置，不僅承載能力、效率有較大提高，產(chǎn)品的壽命、靈敏度也有較大提高 [9]。1.3 主要研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題主要研究?jī)?nèi)容：(1)設(shè)計(jì)一種便捷的、適用于曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的一套計(jì)算優(yōu)化機(jī)構(gòu)參數(shù)的方法。(2)建立優(yōu)化機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。(3)提高曲柄搖桿式無(wú)級(jí)變速器轉(zhuǎn)速輸出的穩(wěn)定性，它的本質(zhì)也就是提高傳動(dòng)比的穩(wěn)定性。(4)探討優(yōu)化方法與優(yōu)化結(jié)果的可行性。關(guān)鍵問(wèn)題：(1)建立優(yōu)化機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型是解決穩(wěn)定性的關(guān)鍵。(2)推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)的關(guān)系式。(3)反復(fù)調(diào)試MATLAB優(yōu)化程序，得到最優(yōu)的機(jī)構(gòu)參數(shù)。1.4 預(yù)期研究目標(biāo)和主要進(jìn)展預(yù)期研究目標(biāo)(1)曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的輸出轉(zhuǎn)速的比較穩(wěn)定。(2)優(yōu)化出一組是輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的機(jī)構(gòu)參數(shù)。主要進(jìn)展(1)對(duì)曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器作了運(yùn)動(dòng)性的分析，建立起了 MATLAB 優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。(2)運(yùn)用 MATLAB 進(jìn)行了編程，找到了優(yōu)化的機(jī)構(gòu)最佳參數(shù)。(3)分析了曲柄搖桿式無(wú)級(jí)脈動(dòng)變速器傳動(dòng)比的時(shí)變規(guī)律和輸出轉(zhuǎn)速的時(shí)變規(guī)律。(4)對(duì)曲柄搖桿式無(wú)級(jí)脈動(dòng)變速器的傳動(dòng)比進(jìn)行了設(shè)計(jì)。2 曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器原理2.1 機(jī)構(gòu)的組成與工作過(guò)程圖 1 曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器機(jī)構(gòu)示意圖脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器是由曲柄 、連桿 、單向超越離合器 和機(jī)架 組成的組合r1X2X3機(jī)構(gòu)。變速器主軸的勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，首先被連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成搖桿的往復(fù)擺動(dòng)；然后再經(jīng)單向超越離合器將搖桿的擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為輸出的單向脈動(dòng)性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的主體機(jī)構(gòu)，我們現(xiàn)在假設(shè)脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器只有一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，則其輸出是單向簡(jiǎn)寫脈動(dòng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輸出極為不平穩(wěn)。為了減小脈動(dòng)不均勻性，大多是均在主動(dòng)軸和輸出軸之間裝設(shè) z 個(gè)相互之間有一定相位差的連桿-單向超越離合器組合機(jī)構(gòu)，它們或是并列地布置在相互平行的平面之中的，或是星形布置。這時(shí)，這些間歇機(jī)構(gòu)并非同時(shí)都有效地進(jìn)行工作，在某瞬間只有在驅(qū)動(dòng)方向上角速度最大的一套機(jī)構(gòu)才傳遞轉(zhuǎn)矩；即幾個(gè)單向超越離合器是交替重疊地起作用的。通過(guò)數(shù)個(gè)具有一定的相位差的連桿-單向超越離合器組合機(jī)構(gòu)，就可以使輸出軸獲得脈動(dòng)幅度很小的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。用調(diào)速機(jī)構(gòu)來(lái)改變曲柄的長(zhǎng)度，以形成構(gòu)件間新的尺寸比例關(guān)系，使搖桿獲得不同的擺角，從而達(dá)到無(wú)極變速的目的 [10]。2.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析2.2.1 機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系與構(gòu)件的矢量表達(dá)圖 2 機(jī)構(gòu)向量圖如圖所示，以擺桿與機(jī)架的鉸接點(diǎn)也為原點(diǎn)坐標(biāo)水平向右為 軸，豎直向上為X軸 [11]，曲柄半徑為 ；連桿長(zhǎng)度為 ；擺桿長(zhǎng)度為 ；機(jī)架兩鉸接點(diǎn)之間的長(zhǎng)度為Yr1X2。各個(gè)設(shè)計(jì)變量合在一起記做設(shè)計(jì)向量 ， =[ , , ]。3X 13曲柄長(zhǎng)度 可在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以來(lái)決定曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比r的范圍。2.2.2 閉環(huán)矢量方程機(jī)構(gòu)是四連桿機(jī)構(gòu)，因此，根據(jù)矢量加法要求，可以構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)矢量方程，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：+ = + (2.1)r1X23上面方程表明，矢量 和 相加而得到的位移矢量與矢量 和 疊加得到的位2X3移矢量是完全相同的；無(wú)論機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到何種狀態(tài)，只要能保證機(jī)構(gòu)的幾何裝配條件，則這個(gè)閉環(huán)矢量方程就一定能夠成立。2.2.3 位移狀態(tài)方程顯而易見(jiàn)，各個(gè)矢量是隨時(shí)間而變化的。因?yàn)椋词垢鱾€(gè)連桿的長(zhǎng)度保持不變，但它們各自的方位卻是隨機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)而改變的。矢量方程對(duì)時(shí)間求導(dǎo)的簡(jiǎn)單方法是將閉環(huán)矢量方程分解成兩個(gè)標(biāo)量表達(dá)式；一個(gè)沿 軸、方向分解，另一個(gè)沿 方向分解。xy利用矢量夾角的正弦和余弦定理就可以得到閉環(huán)矢量方程的兩個(gè)分量的位移狀態(tài)方程表達(dá)式，即：(2.2)321sin+si=sin+i θXθXr(2.3)coco2.2.4 速度狀態(tài)方程在機(jī)構(gòu)的分析當(dāng)中，曲柄的輸入角速度是以均勻的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)的。在傳動(dòng)分析當(dāng)中，角速度在某時(shí)刻的大小是在求解位置問(wèn)題之后進(jìn)行的。換而言之，在某一時(shí)刻所有連桿轉(zhuǎn)角的角度是已知的?？梢杂脳U長(zhǎng)和曲柄的轉(zhuǎn)角表示，在此條件下曲柄轉(zhuǎn)角就可以用輸入轉(zhuǎn)速表示，對(duì)位移狀態(tài)方程求導(dǎo)，就可以求出速度狀態(tài)方程，即：(2.4)2211cos=cos+csθXωθrω(2.5)2211inini式中 表示曲柄的角速度， 表示連桿的角速度， 表示搖桿的角速度。ω1 22.3 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角對(duì)于排種器的脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器而言，一般優(yōu)先要求其輸出的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，因此，以輸出的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為變量設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)。曲柄與 軸的夾角為 ，搖桿與 軸的夾角為 。XθXφ(2.6)3122)(+arcos=_Xrs(2.7)3122)+(arcos2=_rπzθ式中 表示曲柄進(jìn)程開(kāi)始時(shí)候的角位置， 表示曲柄進(jìn)程開(kāi)始時(shí)候的角位置，sθ_ zθ_為 和 之間取 50 等分的向量組。z(2.8))cos(+inart=31 θπrXφ(2.9))cos(2+2arcos=32212 θπrXrXφ(2.10)21=φ(2.11)1Δi(2.12)∑2min)(=φf(shuō)上式中， 與 的和表示 為搖桿的轉(zhuǎn)角位置； 表示為 的各個(gè)轉(zhuǎn)角的差值；1φ2φΔφ表示 的方差。minfΔ使得目標(biāo)函數(shù)搖桿夾角差值的方差與搖桿夾角差值的均值比達(dá)到最小，也就是使得搖桿的轉(zhuǎn)速輸出達(dá)到最平穩(wěn)。機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角在搖桿進(jìn)程開(kāi)始時(shí)達(dá)到最大，進(jìn)程結(jié)束時(shí)達(dá)到最小。(2.13)213321max )+(+rcos=Xrr(2.14)21321min )(arcsrr上式中， 表示為機(jī)構(gòu)的最大傳動(dòng)角， 表示機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角。maxr minr2.4 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比在機(jī)構(gòu)的參數(shù)都確定的時(shí)候已經(jīng)可以確定了，要實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速就是要調(diào)節(jié)曲柄的長(zhǎng)度，使得其滿足排種器的播種轉(zhuǎn)速的要求。(2.15)πsφznip2_=12上式中， 表示機(jī)構(gòu)的平均傳動(dòng)比； 為曲柄的輸入轉(zhuǎn)速； 為搖桿的輸出轉(zhuǎn)速；ip 2n為搖臂的終止位置角； 為搖臂的起始位置角。zφ_sφ_一但機(jī)構(gòu)的參數(shù)確定下來(lái)，機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比的改變就是只由調(diào)節(jié)曲柄半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的,即：(2.16)πXrXrip2]2)(+arcos[]2)+(arcos[= 3213213 建立無(wú)級(jí)變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)模型3.1 確定設(shè)計(jì)變量機(jī)構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)速是勻速的就可以確定出曲柄的轉(zhuǎn)角 ，曲柄的長(zhǎng)度 也是已知的，θr搖桿的轉(zhuǎn)角 可以用桿長(zhǎng)和曲柄轉(zhuǎn)角連 來(lái)表示出來(lái)。設(shè)計(jì)變量如下：桿的長(zhǎng)度 ；phθ 1X搖桿的長(zhǎng)度 ；機(jī)架的長(zhǎng)度 。各個(gè)設(shè)計(jì)變量合在一起記作設(shè)計(jì)向量 ， =[ ,2X3X, ]233.2 確定目標(biāo)函數(shù)對(duì)于曲柄連桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器，它的輸出轉(zhuǎn)速的變化穩(wěn)定性直接影響到無(wú)級(jí)變速器的性能，因此以搖臂的轉(zhuǎn)角變化差的穩(wěn)定性來(lái)代替搖臂的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性為變量建立目標(biāo)函數(shù)。把曲柄從進(jìn)程開(kāi)始到進(jìn)程結(jié)束的轉(zhuǎn)角分為 50 等份，可以計(jì)算出 50 個(gè)曲柄轉(zhuǎn)角的位置，利用桿長(zhǎng)和曲柄轉(zhuǎn)角位置可以表示出搖臂的轉(zhuǎn)角位置，再求出各個(gè)搖臂轉(zhuǎn)角的差值，對(duì)其求出方差值和均值，搖臂轉(zhuǎn)角位置差的方差和均值之比大小可以反映出搖臂的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的變化大小，由此構(gòu)成目標(biāo)函數(shù)如下：公式(3.12)： ∑2min)Δ(=φf(shuō)使得搖臂轉(zhuǎn)角的相對(duì)變化值的方差最小，也就波動(dòng)最小，最穩(wěn)定。3.3 確定約束條件3.3.1 機(jī)構(gòu)幾何尺寸約束曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器顧名思義應(yīng)該滿足構(gòu)成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)條件，既滿足：(3.1)rX≤321(3.2)+321(3.3)rX≤23.3.2 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角約束曲柄搖桿式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)角的變化范圍應(yīng)該滿足在 之間變化，保證??150~3機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率。機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角的約束是非線性的約束，因該滿足：(3.4)0≤2)+(+arcos65132321Xrrπ (3.5)0≤62)+(arcos13221 πXrr3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型把曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器簡(jiǎn)化成一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，由曲柄、連桿、搖桿和機(jī)架組成，曲柄進(jìn)程的時(shí)候驅(qū)動(dòng)超越離合器轉(zhuǎn)動(dòng)工作，回程的時(shí)候超越離合器不工作，曲柄旋轉(zhuǎn)一周，搖桿只驅(qū)動(dòng)一個(gè)行程，超越離合器也只工作一個(gè)行程。由公式(2.8) 、(2.9) 、(2.10)、 (2.11) 、(2.12) 、(3.1)、 (3.2) 、(3.3) 、(3.4) 、(3.5)組成數(shù)學(xué)模型，公式如下： ∑2min)Δ(=φf(shuō))cos(+iart31 θπrXφ)cos(2+2arcos=32212 θπrXrXφ21=φ1ΔirX≤321+321rX≤20≤2)+(+arcos65132321Xrrπ6)(arcs21321 πrrX4 無(wú)級(jí)變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果和討論4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的求解方法當(dāng)今計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為解決工程、機(jī)械、電子等各各方面的問(wèn)題的重要工具，MATLAB 軟件的功能強(qiáng)大，它在優(yōu)化設(shè)計(jì)中提供了各種的優(yōu)化工具箱，能解決各種優(yōu)化問(wèn)題，所以基于 MATLAB 的優(yōu)化模型本課題具有較高的科學(xué)性和可行性。運(yùn)用 MATLAB 編程對(duì)優(yōu)化模型求解，目標(biāo)函數(shù)程序 [12]：function [f,ph,theta]=myfunx(x)r=50;theta_s=-abs(acos(((x(1)-r)^2+x(3)^2-x(2)^2)/(2*(x(1)-r)*x(3))));theta_z=pi-abs(acos(((x(1)+r)^2+x(3)^2-x(2)^2)/(2*(x(1)+r)*x(3))));theta=linspace(theta_s,theta_z,50)';ph1=atan(r*sin(pi-theta)./(x(3)+r*cos(pi-theta)));ph2=acos((r^2-x(1)^2+x(2)^2+x(3)^2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta)))./(2*x(2)*sqrt(r^2+x(3)^2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta)))));ph=ph1+ph2;phi=ph(2:length(ph))-ph(1:(length(ph)-1));f=var(abs(diff(phi)))/mean(abs(diff(phi)));end上面程序中 theta_s 表示曲柄開(kāi)始進(jìn)入進(jìn)程時(shí)的初始角位置；theta_z 表示曲柄到達(dá)回程時(shí)刻得角位置；theta 表示在 theta_s 與 theta_z 之間取 50 個(gè)等間隔角位置的時(shí)刻；ph1 與 ph2 之和 ph 表示為搖桿與 X 軸的夾角；phi 表示搖桿轉(zhuǎn)角兩個(gè)相鄰位置時(shí)刻轉(zhuǎn)角的差值；f 是目標(biāo)函數(shù)對(duì) phi 求導(dǎo)后的方差與 phi 它的均值之比最小值，也就是搖臂的輸出轉(zhuǎn)速波動(dòng)最小值。非線性約束程序：function [c,ceq]=mycon(x)r=50;cosphai_s=acos((x(1)^2+x(2)^2-(r^2+x(3)^2+2*r*x(3)))/(2*x(1)*x(2)));cosphai_z=acos((x(1)^2+x(2)^2-(r^2+x(3)^2-2*r*x(3)))/(2*x(1)*x(2)));theta_s=-abs(acos(((x(1)-r)^2+x(3)^2-x(2)^2)/(2*(x(1)-r)*x(3))));theta_z=pi-abs(acos(((x(1)+r)^2+x(3)^2-x(2)^2)/(2*(x(1)+r)*x(3))));theta=linspace(theta_s,theta_z,50)';ph1=atan(r*sin(pi-theta)./(x(3)+r*cos(pi-theta)));ph2=acos((r^2-x(1)^2+x(2)^2+x(3)^2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta)))./(2*x(2)*sqrt(r^2+x(3)^2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta)))));ip=(ph2-ph1)/(2*pi);%c=[-cosphai_s-0.866;cosphai_z-0.866;-ip+0.1];%c=[-cosphai_s-0.866;cosphai_z-0.866;-ph2-1];c=[-cosphai_s-0.866;cosphai_z-0.866];ceq=0;end上訴程序當(dāng)中 cosphai_s 表示非線性約束中的傳動(dòng)角約束的最小值；cosphai_z 表示非線性約束中的傳動(dòng)角約束的最大值；theta_s 表示曲柄開(kāi)始進(jìn)入進(jìn)程時(shí)的初始角位置；theta_z 表示曲柄到達(dá)回程時(shí)刻得角位置；theta 表示在 theta_s 與 theta_z 之間取 50 個(gè)等間隔角位置的時(shí)刻；ph1 表示在進(jìn)程之中搖桿的初始角位置；ph2 表示在進(jìn)程之中搖桿的終止角位置；ip 為曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的平均傳動(dòng)比； c 為非線性不等式約束cosphai_s 和 cosphai_z 為負(fù)值；ceq=0 表示沒(méi)有非線性等式約束。調(diào)用的主程序：clc;clear all;r=50;A=[1 -1 -1;-1 -1 1;0 -1 0];b=[r;r;-3*r];lb=[50 50 50]';ub=[1000 500 1000]';x0=[155 60 147]';[x,fval,exitflag,output]=fmincon(@myfunx,x0,A,b,[],[],lb,ub,@mycon);[f,ph,theta]=myfunx(x);theta=theta*180/piph=ph*180/piip=(acos(((x(2)^2+x(3)^2-(r+x(1))^2))/(2*x(2)*x(3)))-acos(((x(2)^2+x(3)^2-(r-x(1))^2))/(2*x(2)*x(3))))/(2*pi)[c,ceq]=mycon(x);plot(theta,ph,'LineWidth',2);axis([min(theta) max(theta) min(ph) max(ph)]);set(gca,'FontSize',12)xlabel('\theta','FontSize',14)ylabel('ph','FontSize',14)上訴程序之中 fmincom 為 MATLAB 優(yōu)化工具中求解非線性單目標(biāo)函數(shù)，列出線性約束，給出變量的上限、下限和初始值，再調(diào)用非線性約束條件 mycom 函數(shù)和目標(biāo)函數(shù) myfunx 就可以進(jìn)行優(yōu)化了。4.2 機(jī)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果和特點(diǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果用曲柄轉(zhuǎn)角 和搖桿轉(zhuǎn)角 作 plot 圖，如下圖：θph圖 3 搖桿轉(zhuǎn)角隨曲柄轉(zhuǎn)角變化圖從圖 3 中，我們可以看到機(jī)構(gòu)的搖桿轉(zhuǎn)角 在進(jìn)行中是隨著曲柄的轉(zhuǎn)角 的增大phθ而增大的。根據(jù) MATLAB 的優(yōu)化結(jié)果，機(jī)構(gòu)的參數(shù)為：表 1 機(jī)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)初始值 下限 上限 優(yōu)化值)(1mX155 50 1000 940.62260 50 500 211.79)(3147 50 1000 869.44傳動(dòng)比為： 08421.=ip曲柄轉(zhuǎn)角的變化范圍： ??26.19~75.3θ搖臂轉(zhuǎn)角變化的范圍： ??..8=ph機(jī)構(gòu)的優(yōu)化值 02763.minf4.3 優(yōu)化機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比的時(shí)變規(guī)律與穩(wěn)定性機(jī)構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的，隨時(shí)間變化的就是機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速，而機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比就是輸入轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速之比，所以傳動(dòng)比的時(shí)變規(guī)律也就是代表了機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速的時(shí)變規(guī)律，傳動(dòng)比的穩(wěn)定性也就是代表了機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，下圖是運(yùn)用 MATLAB 編程，繪制出的傳動(dòng)比的時(shí)變規(guī)律。繪制圖形的 MATLAB 程序如下：r=50;theta_s=-abs(acos(((x(1)-r)^2+x(3)^2-x(2)^2)/(2*(x(1)-r)*x(3))));theta_z=pi-abs(acos(((x(1)+r)^2+x(3)^2-x(2)^2)/(2*(x(1)+r)*x(3))));theta=linspace(theta_s,theta_z,50)';ph1=atan(r*sin(pi-theta)./(x(3)+r*cos(pi-theta)));ph2=acos((r^2-x(1)^2+x(2)^2+x(3)^2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta)))./(2*x(2)*sqrt(r^2+x(3)^2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta)))));ph=ph1+ph2;phi=ph(2:length(ph))-ph(1:(length(ph)-1));thetai=theta(2:length(theta))-theta(1:(length(theta)-1));theta1=theta(2:50)ip=(abs(phi))/mean((abs(thetai)));plot(theta1,ip,'LineWidth',2);axis([min(theta1) max(theta1) min(ip) max(ip)]);set(gca,'FontSize',12)xlabel('theta1','FontSize',14)ylabel('ip','FontSize',14)上訴程序當(dāng)中 cosphai_s 表示非線性約束中的傳動(dòng)角約束的最小值；cosphai_z 表示非線性約束中的傳動(dòng)角約束的最大值；theta_s 表示曲柄開(kāi)始進(jìn)入進(jìn)程時(shí)的初始角位置；theta_z 表示曲柄到達(dá)回程時(shí)刻得角位置；theta 表示在 theta_s 與 theta_z 之間取 50 個(gè)等間隔角位置的時(shí)刻；ph1 表示在進(jìn)程之中搖桿的初始角位置；ph2 表示在進(jìn)程之中搖桿的終止角位置；ip 為曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的平均傳動(dòng)比； theta1 表示從 theta 的第 2 個(gè)值開(kāi)始到 theta 的最后一個(gè)值。用傳動(dòng)比 和曲柄轉(zhuǎn)角 作 plot 繪圖如下圖：ip1thea圖 4 傳動(dòng)比的時(shí)變規(guī)律圖從圖 4 中，我們可以得到傳動(dòng)比 的變化的變化規(guī)律，它是隨著曲柄轉(zhuǎn)角 的ip 1thea增大而逐漸增大然后再減小的。從圖中我們還可以看出當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角變化到中部的時(shí)候，搖桿轉(zhuǎn)速 變化最平穩(wěn)，效果最理想。ip傳動(dòng)比的波動(dòng)范圍 25.0~1.=Δip4.4 優(yōu)化機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速的時(shí)變規(guī)律與穩(wěn)定性曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器輸出的轉(zhuǎn)速是脈動(dòng)的，我們優(yōu)化的就是要減小這個(gè)脈動(dòng)，所以機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速的時(shí)變規(guī)律和穩(wěn)定性是最能反映這個(gè)機(jī)構(gòu)的脈動(dòng)的大小情況的。運(yùn)用 MATLAB 編程繪制出曲柄搖桿式無(wú)級(jí)變速器輸出的轉(zhuǎn)速的時(shí)變規(guī)律與他的穩(wěn)定性的規(guī)律，程序如下：r=50;theta_s=-abs(acos(((x(1)-r)^2+x(3)^2-x(2)^2)/(2*(x(1)-r)*x(3))));theta_z=pi-abs(acos(((x(1)+r)^2+x(3)^2-x(2)^2)/(2*(x(1)+r)*x(3))));theta=linspace(theta_s,theta_z,50)';ph1=atan(r*sin(pi-theta)./(x(3)+r*cos(pi-theta)));ph2=acos((r^2-x(1)^2+x(2)^2+x(3)^2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta)))./(2*x(2)*sqrt(r^2+x(3)^2-2*r*x(3)*cos(pi-abs(theta)))));ph=ph1+ph2;theta=theta*180/pi;ph=ph*180/pi;phi=ph(2:length(ph))-ph(1:(length(ph)-1));thetai=theta(2:length(theta))-theta(1:(length(theta)-1));theta1=theta(2:50);w=abs(phi)/mean(abs(phi));plot(theta1,w,'LineWidth',2);axis([min(theta1) max(theta1) min(w) max(w)]);set(gca,'FontSize',12)xlabel('theta1','FontSize',14)ylabel('w','FontSize',14)上訴程序當(dāng)中 cosphai_s 表示非線性約束中的傳動(dòng)角約束的最小值；cosphai_z 表示非線性約束中的傳動(dòng)角約束的最大值；theta_s 表示曲柄開(kāi)始進(jìn)入進(jìn)程時(shí)的初始角位置；theta_z 表示曲柄到達(dá)回程時(shí)刻得角位置；theta 表示在 theta_s 與 theta_z 之間取 50 個(gè)等間隔角位置的時(shí)刻；ph1 表示在進(jìn)程之中搖桿的初始角位置；ph2 表示在進(jìn)程之中搖桿的終止角位置；w 表示搖臂的轉(zhuǎn)速也就是輸出轉(zhuǎn)速； theta1 表示從 theta 的第 2 個(gè)值開(kāi)始到 theta 的最后一個(gè)值。用輸出轉(zhuǎn)速 和曲柄轉(zhuǎn)角 作 plot 繪圖如下圖：ω1thea圖 5 輸出轉(zhuǎn)速的時(shí)變規(guī)律圖從圖 5 中我們可以得到輸出轉(zhuǎn)速 隨曲柄轉(zhuǎn)角 的時(shí)變規(guī)律，輸出轉(zhuǎn)速 隨曲ω1theaω柄轉(zhuǎn)角的增大而增大，達(dá)到一定程度時(shí)隨著曲柄轉(zhuǎn)角的增大而減小。從圖中我們還可以看出當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角變化到中部的時(shí)候，搖桿轉(zhuǎn)速 變化最平穩(wěn)，效果最理想。曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的輸出轉(zhuǎn)速的變化范圍： sradω/51.~08.=5 曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)極變速器傳動(dòng)比設(shè)計(jì)5.1 傳動(dòng)比設(shè)計(jì)的一般原則曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比主要適用于中、小功率、中低速、降速變速以及對(duì)輸出軸旋轉(zhuǎn)均勻性要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合。它的傳動(dòng)比的范圍決定了播種器的傳動(dòng)比的范圍，所以設(shè)計(jì)合理的曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比的范圍，對(duì)于提高播種機(jī)的排種性能十分重要。5.2 傳動(dòng)比范圍設(shè)計(jì)曲柄連桿式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比一定要適應(yīng)它的工作需要，一般排種器的輸入轉(zhuǎn)速大概為 ，輸出的轉(zhuǎn)速 。min/140=rn min/280~4=2rn可以具體的算出傳動(dòng)比的范圍是 ，具體要求到曲柄搖桿式無(wú)級(jí)變194.0~27.=ip速器的傳動(dòng)比應(yīng)該比這個(gè)范圍大，才能實(shí)現(xiàn)它的變速，則 。2.0~.=ip運(yùn)用 MATLAB 編程求出適合傳動(dòng)比 的曲柄長(zhǎng)度，程序如下：ifunction y = f1(x)y=0.02-(acos(((211.79^2+869.44^2-(x+940.62)^2))/(2*211.79*869.44))-acos((211.79^2+869.44^2-(x-940.62)^2)/(2*211.79*869.44)))/(2*pi)endz = fzero(@f1,2)function y = f2(x)y=(acos(((211.79^2+869.44^2-(x+940.62)^2))/(2*211.79*869.44))-acos((211.79^2+869.44^2-(x-940.62)^2)/(2*211.79*869.44)))/(2*pi)-0.7endz= fzero(@f2,2)可以求出曲柄長(zhǎng)度的變化范圍 。mr940.18~657.=6 主要結(jié)論6.1 曲柄搖桿式脈動(dòng)無(wú)極變速器及傳動(dòng)特點(diǎn)和應(yīng)用脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器是由連桿和單向超越離合器組成的組合機(jī)構(gòu)。變速器主軸的勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，首先被連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成搖桿的往復(fù)擺動(dòng)；然后再經(jīng)單向超越離合器將搖桿的擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為輸出的單向脈動(dòng)性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器有以下特點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)可靠、使用期長(zhǎng)(易損件超越離合器是標(biāo)準(zhǔn)件，更換方便)、變速范圍大、最低輸出轉(zhuǎn)速可為零、調(diào)速性能穩(wěn)定、靜止和運(yùn)行時(shí)均可調(diào)速、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、制造較容易，因而近年來(lái)發(fā)展較快。雖然，它有以上的優(yōu)點(diǎn)，但是由其結(jié)構(gòu)原理及性能上的局限性，它的脈動(dòng)性是無(wú)法避免的，所以十分有必要建立優(yōu)化模型對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。6.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的科學(xué)性和可行性本課題的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，它具有較好的機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，保證了原機(jī)構(gòu)的特性，完成了最后的優(yōu)化結(jié)果，最后優(yōu)化值達(dá)到 ，因此，02763.=minf此優(yōu)化設(shè)計(jì)模型具有較好的科學(xué)性和可行性。6.3 機(jī)構(gòu)幾何尺寸的優(yōu)化結(jié)論曲柄長(zhǎng)度 ；連桿長(zhǎng)度為 ；搖臂的長(zhǎng)度為mr940.18~657.= m62.940；機(jī)架的長(zhǎng)度為 。m79.21機(jī)構(gòu)的幾何尺寸達(dá)到上訴結(jié)論時(shí)機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到最平穩(wěn)，變化最小，達(dá)到優(yōu)化的目的。6.4 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比和輸出轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性曲柄搖桿式無(wú)級(jí)變速器機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比和輸出轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性其實(shí)是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榍鷵u桿式無(wú)級(jí)變速器的輸入轉(zhuǎn)速是恒定的輸入轉(zhuǎn)速，而傳動(dòng)比就等于輸入轉(zhuǎn)速比上輸出轉(zhuǎn)速之比，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比和輸出轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性就可以體現(xiàn)出整個(gè)播種機(jī)的播種穩(wěn)定性和均勻性的好壞，通過(guò)優(yōu)化把輸出轉(zhuǎn)速控制在 ，傳動(dòng)比控制在srad/51.~08.的范圍之內(nèi)，并使變異系數(shù) 達(dá)到了較小值，使傳動(dòng)比和輸25.0~1. 2763=minf出轉(zhuǎn)速在此機(jī)構(gòu)下最穩(wěn)定。6.5 尚需進(jìn)一步研究的問(wèn)題由于知識(shí)和條件的限制，只對(duì)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度要求，承載能力的要求，慣性要求和沖擊性能等等沒(méi)有涉及到，還需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題如下：(1)調(diào)速范圍的再擴(kuò)大，以提高播種機(jī)的播種的適應(yīng)范圍。(2)低速輸出時(shí)脈動(dòng)不均勻性顯著增加，這對(duì)播種是非常不利的。(4)在結(jié)構(gòu)和使用上如何實(shí)現(xiàn)增速變速傳動(dòng)和采用復(fù)合式超越離合器，這樣可以大大減低變速器的脈動(dòng)不均勻性。(5)高速輸出時(shí)不平衡慣性力所引起的振動(dòng)過(guò)大，如何避免共振現(xiàn)象。(6)如何提高單向超越離合器的承載能力和抗沖擊能力等。參考文獻(xiàn)[1]周有強(qiáng).機(jī)械無(wú)級(jí)變速器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2001．[2]阮忠唐.機(jī)械無(wú)級(jí)變速器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1999．[3]杜力，李琳.脈動(dòng)式機(jī)械無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)[J].瀹州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，19(1)．[4]劉偉，趙?。}動(dòng)無(wú)級(jí)變速器型及尺度優(yōu)化綜合設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械，1996，23(3)．[5]何楚平．內(nèi)置式脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器機(jī)構(gòu)[J] ．機(jī)械工程師， 1994，(2)．[6]林軍，任亨斌，黃茂林.雙輸出脈動(dòng)發(fā)生機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律求解 [J]．西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2002,24(2)．[7]黃靖遠(yuǎn)，張潔，王序于等．鏈環(huán)式超越離合器的工作原理和物理本質(zhì)[J] 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