孫付春，李玉龍

(成都學(xué)院工業(yè)制造學(xué)院，四川成都610106)

20世紀(jì)70年代以來(lái)，由于汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械無(wú)級(jí)變速器獲得了廣泛的發(fā)展[1]。脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器作為機(jī)械無(wú)級(jí)變速器中的一大類(lèi)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的均是平面四連機(jī)構(gòu)的型式[2]，結(jié)構(gòu)上主要包括三相并列連桿脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器(即GUSA型)和四相并列連桿脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器(即ZERO-MAX型)。其中，GUSA型的技術(shù)更成熟、結(jié)構(gòu)更緊湊、傳動(dòng)更可靠，目前應(yīng)用較為廣泛。平面四連機(jī)構(gòu)作為經(jīng)典的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，歷來(lái)是研究的重點(diǎn)，現(xiàn)有文獻(xiàn)分別基于AUTOCAD[3]、Pro/E[4]、UG[5]、SolidWorks[6]、VC[7]、MATLAB[8]、ADAMS[9]、OpenGL[10]和 易 語(yǔ)言[11]等軟件平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真的研究，不過(guò)，采用MATLAB/GUI 圖形用戶(hù)界面系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行界面和參數(shù)化的設(shè)計(jì)和仿真，尚不多見(jiàn)。為此，論文將針對(duì)GUSA型變速器中的連桿機(jī)構(gòu)，展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

1 GUSA型脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器

脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)上由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、輸出機(jī)構(gòu)和調(diào)速機(jī)構(gòu)3個(gè)基本部分組成[12]，如圖1所示。圖中的平面四桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將輸入軸的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動(dòng);調(diào)速機(jī)構(gòu)通過(guò)改變曲柄的長(zhǎng)度來(lái)改變搖桿往復(fù)擺動(dòng)的幅度;作為輸出機(jī)構(gòu)的超越離合器最后將可調(diào)幅的搖桿擺動(dòng)變?yōu)槊}動(dòng)的單向轉(zhuǎn)動(dòng)輸出。通過(guò)數(shù)個(gè)具有一定相位差的連桿－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)幅度很小的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的基本結(jié)構(gòu)

2 運(yùn)動(dòng)分析

由圖1知，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器的基本組成部分。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，可以通過(guò)分析曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器每一相的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)三相運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行疊加，即可得到GUSA 脈動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

在對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析之前，必須判斷輸入的桿長(zhǎng)能否滿足機(jī)構(gòu)成為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)條件，即最短桿+最長(zhǎng)桿≤其余兩桿長(zhǎng)度之和[13]，如不滿足，則要求重新輸入桿長(zhǎng)。

建立如圖2所示的直角坐標(biāo)系，設(shè)各構(gòu)件的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1、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(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

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

將式(1)分解到xy坐標(biāo)軸上，即得到

式(4)等式兩邊對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)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(shè)定曲柄轉(zhuǎn)角θ2的范圍和步長(zhǎng)，然后每隔一定角度執(zhí)行一次程序，可求得單相機(jī)構(gòu)在某指定調(diào)速點(diǎn)位置時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律;最后對(duì)同一θ2每相隔120°再進(jìn)行兩次調(diào)用，即可得到三相脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器(GUSA型)無(wú)級(jí)變速器的運(yùn)動(dòng)曲線。

為便于參數(shù)化設(shè)計(jì)和仿真，采用MATLAB /GUI模塊進(jìn)行分析[14]。主要流程是在MATLAB 中啟動(dòng)GUIDE，并生成兩個(gè)文件:一個(gè)文件是對(duì)GUI 和GUI組件進(jìn)行完整描述的FIG文件;另外一個(gè)文件是包含控制GUI代碼和組件回調(diào)事件代碼的M文件，這兩個(gè)文件與GUI 用戶(hù)界面和后臺(tái)程序相對(duì)應(yīng)。程序設(shè)計(jì)的過(guò)程如圖3所示。

圖3 程序設(shè)計(jì)流程圖

具體步驟如下:(1)編寫(xiě)M文件。根據(jù)式(1)— (7)編寫(xiě)M文件，對(duì)編寫(xiě)的程序進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試成功并得到預(yù)期的曲線之后，再進(jìn)行MATLAB/GUI的用戶(hù)界面設(shè)計(jì)。(2)界面設(shè)計(jì)。應(yīng)用“拖拽”的方式在界面上設(shè)置文本框、輸入輸出框、下拉菜單、圖形坐標(biāo)、按鈕和菜單欄等。(3)編輯回調(diào)函數(shù)。用戶(hù)界面中的每一個(gè)輸入輸出框、下拉菜單和按鈕等都有自己的回調(diào)函數(shù)。回調(diào)函數(shù)直接決定其功能的實(shí)現(xiàn)，因此必須對(duì)每一個(gè)進(jìn)行編輯回調(diào)函數(shù)的操作。此用戶(hù)界面的主要功能由下拉菜單決定，因此下拉菜單的回調(diào)函數(shù)就是整個(gè)GUI的主程序。

程序運(yùn)行結(jié)果如圖4所示，可以看出:由于三相脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器只有角速度最大的那一相工作，三相機(jī)構(gòu)是在曲柄的不同轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)分別起作用，故曲線的虛線部分將被“濾去”，實(shí)線部分將是變速器的工作曲線。

圖4 GUSA脈沖式無(wú)級(jí)變速器運(yùn)動(dòng)特征的GUI分析

4 結(jié)論

GUSA脈沖式無(wú)級(jí)變速器可以看成由三相曲柄搖桿機(jī)構(gòu)組成，可以通過(guò)分析曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性來(lái)研究該無(wú)級(jí)變速器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。應(yīng)用MATLAB GUI可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GUSA脈沖式無(wú)級(jí)變速器運(yùn)動(dòng)特性的參數(shù)化可視分析，為設(shè)計(jì)和分析GUSA脈沖式無(wú)級(jí)變速器提供幫助。

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