基于MATLAB/GUI的GUSA無級變速器的運動研究

孫付春，李玉龍

(成都學院工業制造學院，四川成都610106)

20世紀70年代以來，由于汽車工業的快速發展，機械無級變速器獲得了廣泛的發展[1]。脈動無級變速器作為機械無級變速器中的一大類，其傳動機構采用的均是平面四連機構的型式[2]，結構上主要包括三相并列連桿脈動無級變速器(即GUSA型)和四相并列連桿脈動無級變速器(即ZERO-MAX型)。其中，GUSA型的技術更成熟、結構更緊湊、傳動更可靠，目前應用較為廣泛。平面四連機構作為經典的傳動機構，歷來是研究的重點，現有文獻分別基于AUTOCAD[3]、Pro/E[4]、UG[5]、SolidWorks[6]、VC[7]、MATLAB[8]、ADAMS[9]、OpenGL[10]和 易 語言[11]等軟件平臺對其進行了運動仿真的研究，不過，采用MATLAB/GUI 圖形用戶界面系統對其進行界面和參數化的設計和仿真，尚不多見。為此，論文將針對GUSA型變速器中的連桿機構，展開進一步的研究。

1 GUSA型脈動式無級變速器

脈動式無級變速器結構上由傳動機構、輸出機構和調速機構3個基本部分組成[12]，如圖1所示。圖中的平面四桿機構作為傳動機構，將輸入軸的勻速轉動轉變為搖桿的往復擺動;調速機構通過改變曲柄的長度來改變搖桿往復擺動的幅度;作為輸出機構的超越離合器最后將可調幅的搖桿擺動變為脈動的單向轉動輸出。通過數個具有一定相位差的連桿－單向超越離合器組合機構，就可以使輸出軸獲得脈動幅度很小的單向旋轉運動。

圖1 脈動無級變速器的基本結構

2 運動分析

由圖1知，曲柄搖桿機構是脈動式無級變速器的基本組成部分。在進行運動分析時，可以通過分析曲柄搖桿機構的運動規律，得到脈動無級變速器每一相的運動情況，對三相運動規律進行疊加，即可得到GUSA 脈動式無級變速器的運動規律。

在對機構進行分析之前，必須判斷輸入的桿長能否滿足機構成為曲柄搖桿機構的桿長條件，即最短桿+最長桿≤其余兩桿長度之和[13]，如不滿足，則要求重新輸入桿長。

建立如圖2所示的直角坐標系，設各構件的長度分別為L1、L2、L3、L4，其方位角分別為θ1、θ2、θ3、θ4。其中，θ1=0，θ2為待輸入的已知值，θ3、θ4分別為

圖2 四連桿機構簡圖

在圖2中，以各桿矢量組成一個封閉矢量多邊形，即ABCDA。由其個矢量之和必等于零。得

將式(1)分解到xy坐標軸上，即得到

式(4)等式兩邊對時間求一階導數為

從而即可求得連桿和搖桿的角速度為

由式(6)可求得連桿和搖桿的角加速度為

3 MATLAB/GUI分析

首先設定曲柄轉角θ2的范圍和步長，然后每隔一定角度執行一次程序，可求得單相機構在某指定調速點位置時的運動規律;最后對同一θ2每相隔120°再進行兩次調用，即可得到三相脈動無級變速器(GUSA型)無級變速器的運動曲線。

為便于參數化設計和仿真，采用MATLAB /GUI模塊進行分析[14]。主要流程是在MATLAB 中啟動GUIDE，并生成兩個文件:一個文件是對GUI 和GUI組件進行完整描述的FIG文件;另外一個文件是包含控制GUI代碼和組件回調事件代碼的M文件，這兩個文件與GUI 用戶界面和后臺程序相對應。程序設計的過程如圖3所示。

圖3 程序設計流程圖

具體步驟如下:(1)編寫M文件。根據式(1)— (7)編寫M文件，對編寫的程序進行調試，在調試成功并得到預期的曲線之后，再進行MATLAB/GUI的用戶界面設計。(2)界面設計。應用“拖拽”的方式在界面上設置文本框、輸入輸出框、下拉菜單、圖形坐標、按鈕和菜單欄等。(3)編輯回調函數。用戶界面中的每一個輸入輸出框、下拉菜單和按鈕等都有自己的回調函數。回調函數直接決定其功能的實現，因此必須對每一個進行編輯回調函數的操作。此用戶界面的主要功能由下拉菜單決定，因此下拉菜單的回調函數就是整個GUI的主程序。

程序運行結果如圖4所示，可以看出:由于三相脈動無級變速器只有角速度最大的那一相工作，三相機構是在曲柄的不同轉角范圍內分別起作用，故曲線的虛線部分將被“濾去”，實線部分將是變速器的工作曲線。

圖4 GUSA脈沖式無級變速器運動特征的GUI分析

4 結論

GUSA脈沖式無級變速器可以看成由三相曲柄搖桿機構組成，可以通過分析曲柄搖桿機構的運動特性來研究該無級變速器的運動規律。應用MATLAB GUI可以實現對GUSA脈沖式無級變速器運動特性的參數化可視分析，為設計和分析GUSA脈沖式無級變速器提供幫助。

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