一種減速機(jī)的牽引點(diǎn)空間軌跡仿真

史健碩

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.148

摘 要：章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器是近年來研究的一個(gè)比較有理論深度的變速器。章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器在輕工業(yè)、理論研究、材料接觸力學(xué)等方面有很大的研發(fā)前景。文章建立章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器接觸力學(xué)分析模型，通過分析軟件模擬出章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器在輸入角速度和章動(dòng)角度一定的情況下，章動(dòng)盤上的一個(gè)牽引點(diǎn)空間軌跡仿真曲線，從而為后續(xù)的章動(dòng)盤的散熱分析設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：章動(dòng) 牽引點(diǎn) 空間曲線

中圖分類號(hào)：TM92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（b）-0148-02

目前章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的研究主要集中在機(jī)構(gòu)和構(gòu)型等方面。文章對(duì)章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器進(jìn)行研究，重點(diǎn)在理論計(jì)算分析的成果與動(dòng)力學(xué)仿真軟件特長(zhǎng)的結(jié)合上。文章通過SolidWorks建立章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的三維模型和動(dòng)力學(xué)仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行接觸運(yùn)動(dòng)仿真模擬，獲取了在輸入角速度和章動(dòng)角度一定的情況下，在章動(dòng)盤上的一個(gè)牽引點(diǎn)空間運(yùn)動(dòng)軌跡仿真曲線。為了使問題簡(jiǎn)化，文章對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大簡(jiǎn)化。

1 機(jī)構(gòu)構(gòu)型

章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的運(yùn)動(dòng)原理為高速旋轉(zhuǎn)的一個(gè)硬幣在桌子上進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)，硬幣平面與桌子平面的傾角為章動(dòng)角。由于硬幣的圓周在空間運(yùn)動(dòng)，而硬幣與桌子的接觸為硬幣的圓周空間運(yùn)動(dòng)投影到桌子表面的一個(gè)圓，這樣就存在一個(gè)長(zhǎng)度差值。所以每當(dāng)硬幣運(yùn)動(dòng)一周，長(zhǎng)度差值將會(huì)引起硬幣在桌子的垂直軸線上空間進(jìn)動(dòng)一定角度。長(zhǎng)度差值相對(duì)于整個(gè)運(yùn)動(dòng)投影圓周的周長(zhǎng)存在一定速比，這便是章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的減速原理。當(dāng)章動(dòng)角不斷變化的過程中將引起無級(jí)變速。參考相關(guān)文獻(xiàn)，當(dāng)章動(dòng)角度為18°的時(shí)候，減速比為0.048 9，這些理論分析的數(shù)值對(duì)于仿真分析有一定的指導(dǎo)作用。如圖1所示，這是章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖中下面的靜止圓盤相當(dāng)于桌子平面，上面的章動(dòng)圓盤相當(dāng)于在桌子平面上進(jìn)行空間章動(dòng)運(yùn)動(dòng)的硬幣，中間為輸入軸機(jī)構(gòu)，輸入軸機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)相互正交的鉸鏈副從靜止圓盤連接章動(dòng)盤。

2 三維模型

章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的三維模型由SolidWorks軟件建立。靜止盤固定不動(dòng)是屬于運(yùn)動(dòng)部件的基準(zhǔn)零件，靜止盤是圓片形狀，靜止盤的一面用于固定章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器，靜止盤的另外一面用于與章動(dòng)盤進(jìn)行牽引傳動(dòng)，靜止盤的中間部位由軸承所形成的圓柱副連接輸入軸。輸入軸接受相對(duì)于靜止盤軸向方向的進(jìn)動(dòng)可以改變章動(dòng)盤的章動(dòng)傾角，輸入軸由外部傳動(dòng)組件輸入運(yùn)行所需的角速度和轉(zhuǎn)矩。輸入軸與章動(dòng)盤的中間連接有過渡盤。過渡盤與章動(dòng)盤由鉸鏈副進(jìn)行同心連接，工程實(shí)踐可以采用軸承實(shí)現(xiàn)。過渡盤與輸入軸也是鉸鏈副連接，工程實(shí)踐也可以采用軸承實(shí)現(xiàn)。過渡盤所連接的兩個(gè)鉸鏈副相互垂直正交，對(duì)于章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的章動(dòng)運(yùn)行至關(guān)重要。同時(shí)過渡盤的三維結(jié)構(gòu)需要保證章動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)中心在輸入軸的中心線上。章動(dòng)盤的外側(cè)兩邊均有圓弧，圓弧的作用是保證章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器發(fā)生章動(dòng)運(yùn)動(dòng)和變速運(yùn)動(dòng)的任意時(shí)刻，章動(dòng)盤與靜止盤為實(shí)時(shí)點(diǎn)接觸的牽引傳動(dòng)。

3 動(dòng)力學(xué)模型

采用COSMOS Motion對(duì)章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真，章動(dòng)盤與靜止盤牽引傳動(dòng)接觸，由彈簧力保持牽引點(diǎn)存在正壓力。接觸材料為無潤(rùn)滑的鋼材對(duì)鋼材接觸。接觸模型為實(shí)體對(duì)實(shí)體接觸。輸入軸機(jī)構(gòu)輸入角速度為600 °/s。章動(dòng)盤輸出的角速度為28 °/s，與理論計(jì)算的傳動(dòng)比0.048 9，誤差小于5%。參考相關(guān)文獻(xiàn)的介紹，對(duì)于牽引傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)相互接觸的兩個(gè)件可以采用當(dāng)量圓錐來分析存在的幾何滑差率，對(duì)于章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的章動(dòng)盤軸線、靜止盤軸線和接觸區(qū)域的切線不是匯集于一點(diǎn)，所以存在一定的幾何滑差率。其次，對(duì)于COSMOS Motion三維動(dòng)力學(xué)仿真軟件的仿真模型有一定的穿透厚度也導(dǎo)致了傳動(dòng)比的誤差。最后，采用當(dāng)量圓錐來分析存在幾何滑差率只是理論值，對(duì)實(shí)際傳動(dòng)做了很多線性假設(shè)，忽略了一些圓弧積分關(guān)系，非線性變形等因素也導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。所以若能采用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和修正將會(huì)對(duì)生產(chǎn)實(shí)際更加具有指導(dǎo)意義。

4 仿真結(jié)果

如圖2所示，為章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的牽引點(diǎn)空間運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。在章動(dòng)盤不斷進(jìn)行空間章動(dòng)運(yùn)動(dòng)，由于機(jī)械效率的存在，接觸點(diǎn)將會(huì)有一定的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能。圖中曲線與下部靜止盤的每次接觸將會(huì)對(duì)牽引點(diǎn)進(jìn)行一次加熱，在牽引點(diǎn)離開下部靜止盤的空間運(yùn)動(dòng)過程中將會(huì)進(jìn)行散熱，根據(jù)熱力學(xué)定律，散熱的途徑為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三部分組成。獲得章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的牽引點(diǎn)空間運(yùn)動(dòng)軌跡曲線對(duì)于后續(xù)的熱力學(xué)分析有一定的價(jià)值。

5 結(jié)語

該文應(yīng)用SolidWorks對(duì)章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維造型和裝配。用與SolidWorks、無縫集成的COSMOS Motion三維動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的傳動(dòng)比進(jìn)行原理模擬，獲得章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的牽引點(diǎn)空間運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。這種方法直觀得到的仿真結(jié)果與理論分析的結(jié)果很接近，分析誤差5%以下。文章為章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的后續(xù)熱力學(xué)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)方法和研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 牛瑞霞，詹俊勇，仲太生.基于SolidWorks偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2016，51（5）： 19-20.

[2] 陳超祥，胡其登.SolidWorks Motion運(yùn)動(dòng)仿真教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3] 喬國(guó)梁.章動(dòng)牽引式無級(jí)變速器的傳動(dòng)原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[D].沈陽：東北大學(xué)，2007.