沈宏生，張?zhí)m春，貝紹軼，施衛(wèi)，劉森

（江蘇理工學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇 常州 213000）

全電調(diào)節(jié)無級變速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

沈宏生，張?zhí)m春，貝紹軼，施衛(wèi)，劉森

（江蘇理工學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇 常州 213000）

本文提出了一種采用單電機實現(xiàn)速比調(diào)節(jié)的全電調(diào)節(jié)無級變速器，并介紹了其工作原理和結(jié)構(gòu)組成。通過運動學(xué)分析，得到了其速比范圍與結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，并據(jù)此基于遺傳算法對速比執(zhí)行機構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果完成了虛擬樣機的建模，為其動力學(xué)建模分析和樣機研制提供了依據(jù)。

CVT；遺傳算法；優(yōu)化設(shè)計；虛擬樣機

帶式CVT具有減震性好、噪聲小、價格低、檢修容易等優(yōu)點，通常裝備在摩托車、微型轎車等一些不需要高負載的場所。近年來，具有功率分流特征的復(fù)合傳動得到了迅速發(fā)展，使該類CVT開始應(yīng)用于經(jīng)濟型轎車與微型汽車的復(fù)合傳動裝置中，實現(xiàn)汽車的無級變速。

當前國內(nèi)市場上的CVT大多是采用機械調(diào)節(jié)和電控液壓調(diào)節(jié)這兩種調(diào)節(jié)方式。離心滾柱式機械調(diào)節(jié)的CVT缺點是速比的變化會改變發(fā)動機的工作狀況，所以不能只調(diào)節(jié)速比以適應(yīng)負載的變動而保持發(fā)動機工作在最佳狀況。電控液壓調(diào)節(jié)的CVT缺點是在其運行時液壓泵處于不停的工作狀態(tài)，液壓系統(tǒng)的耗能比較高。在能量損耗中，該系統(tǒng)的能量損失是能耗占30%的帶傳動的一倍。

全電調(diào)節(jié)CVT是一種通過電機控制齒輪副分別帶動主、從動帶輪兩端的螺旋絲杠機構(gòu)，螺旋絲杠上的螺母相對于絲杠左右移動，螺母與主從動帶輪動盤相連接，進而推動主、從動帶輪動盤軸向移動，改變變速V帶與錐形帶輪的接觸半徑，從而改變傳動速比，使得無級變速系統(tǒng)能夠速比持續(xù)改變。該新型無級變速系統(tǒng)克服了機械及電控液壓調(diào)節(jié)方式的缺陷和弊端。

本文根據(jù)全電調(diào)節(jié)CVT的工作原理簡圖在運動學(xué)分析的基礎(chǔ)上，基于遺傳算法對該型CVT的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，并借助CATIA軟件完成了虛擬樣機的創(chuàng)建。

1 全電調(diào)節(jié)CVT工作原理

全電調(diào)節(jié)CVT工作原理簡圖如圖1所示，調(diào)節(jié)速比的速比電機通過齒輪副分別帶動與主、從動帶輪動盤相連接的螺旋絲杠機構(gòu)，帶動螺旋絲杠上的螺母軸向旋轉(zhuǎn)運動，進而推動主、從動帶輪動盤的軸向移動，改變傳送V帶與錐形帶輪的工作半徑，實現(xiàn)速比的持續(xù)改變。當帶輪動盤移動到設(shè)定的特定速比時帶盤所需的位置后，具有自鎖功能的螺旋絲杠機構(gòu)實現(xiàn)動盤的定位，并給予帶輪動盤相應(yīng)的夾緊力。

圖1 CVT工作原理簡圖

2 全電調(diào)節(jié)CVT基本參數(shù)設(shè)計

本無級變速器適用于速比變化范圍在0.5～2.5的小功率經(jīng)濟型轎車。同時采用橡膠帶傳遞動力，主動部分與從動部分采用對稱布置。初步選定錐角為24°的梯形傳送帶。同時為了方便主從、動輪定盤的安裝與拆卸，采用螺栓固定連接代替主從動輪定盤與輸入、輸出軸的鍵連接。下面對該全電調(diào)節(jié)無級變速器部分關(guān)鍵部件的設(shè)計進行具體說明。

2.1 確定V帶輪基準直徑D

CVT變速單元幾何位置分析。主、從動帶輪與V帶接觸的工作半徑約束關(guān)系如圖2所示。假設(shè)帶傳送帶無彈性形變，并且假定帶長與主從動輪中心距均為定值。

圖2 帶與帶輪約束關(guān)系

同時可得帶長L的簡化計算公式為：

2.2 速比調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

無級變速器速比調(diào)節(jié)傳動機構(gòu)的主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S線方向的移動。能夠?qū)崿F(xiàn)該功能的有齒輪齒條機構(gòu)和螺旋傳動機構(gòu)。在短距離直線運動中，螺旋傳動的精度要遠遠高于齒輪齒條機構(gòu)，而且螺旋絲杠機構(gòu)構(gòu)造簡單，加工容易，制造成本低，同時梯形螺紋又擁有自鎖能力。

該變速器的螺旋機構(gòu)，螺母空套在螺栓上，同時螺母外側(cè)與速比電機傳動齒輪進行齒輪嚙合。由于該螺旋機構(gòu)不僅要傳遞速比電機的轉(zhuǎn)矩，還要在速比不變時為主、動帶輪動盤提供軸向力，故該螺旋機構(gòu)的螺紋設(shè)計為梯形螺紋。

（1）螺旋絲杠機構(gòu)選型。本無級變速器的螺旋絲杠機構(gòu)可以擁有兩種工作方式。

第一種：螺桿固定，螺母旋轉(zhuǎn)且直線運動。該工作方式中，螺桿固定比較方便，螺母外側(cè)做成齒輪并與連接速比電機的齒輪嚙合。將電機的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)槁菽傅男D(zhuǎn)轉(zhuǎn)動和軸線上的移動。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單，缺點是連接速比電機的主動齒輪齒寬大幅增加，螺母與該齒輪嚙合時的軸向摩擦力將無可避免。

第二種：螺桿旋轉(zhuǎn)，螺母直線運動。該方案中，由于螺旋絲桿的旋轉(zhuǎn)運動必然多增加兩個軸承，同時要保證螺母只做直線運動還需增加額外的止轉(zhuǎn)機構(gòu)，從而使得整個結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

從設(shè)計及安裝角度考慮，結(jié)構(gòu)越簡單、尺寸越小越好，綜合考慮后該機構(gòu)采用了螺桿固定，螺母旋轉(zhuǎn)且做直線運動的螺旋絲杠傳動方式。

（2）速比調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)的嚙合齒輪優(yōu)化設(shè)計。為了提高空間的利用率，并且增大速比電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，螺母外側(cè)做成齒輪并于連接速比電機的齒輪嚙合形成一級減速機構(gòu)。在不考慮材料對齒輪強度及剛度影響以及確定兩齒輪安裝方式的基礎(chǔ)上，以體積最小為設(shè)計目標對速比調(diào)節(jié)機構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。

①選取設(shè)計變量。

②確定目標函數(shù)。

采用相互嚙合的兩個齒輪的總體積作為所需優(yōu)化的目標函數(shù)：

③建立約束條件。

由安裝要求確定的尺寸約束為：

由齒面接觸過程中的疲勞強度設(shè)計要求(齒輪材料選擇40Cr)可得：

④優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型求解。

分析上述的優(yōu)化模型易知，所需解決的問題為非線性約束優(yōu)化問題。非線性約束優(yōu)化問題的求解方法有許多，如復(fù)合形法、隨機方向法、序列二次規(guī)劃法、懲罰函數(shù)法等，但所列的算法只能解決部分非線性規(guī)劃的特別問題。

遺傳算法作為一種不直接依靠確切信息，模擬自然進化過程來搜索最優(yōu)解，借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的隨機搜索算法。該算法從隨機的一初始種群出發(fā)，隨機進行選擇、再進行交叉以及變異的運算，產(chǎn)生一群具有更強的環(huán)境適應(yīng)能力，使得這部分群體在搜索空間中找到越來越好的區(qū)域，經(jīng)過若干代繁殖和進化，最后進化到一群對環(huán)境具有最強適應(yīng)力的個體，求得問題的最優(yōu)解。因而其在解決非線性以及多個多峰值等問題時，有著特別的優(yōu)勢，應(yīng)用十分廣泛。

針對全電調(diào)節(jié)無級變速器齒輪參數(shù)的優(yōu)化模型，選擇遺傳算法作為該調(diào)速齒輪傳動機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計方法。根據(jù)遺傳算法工作原理，設(shè)計如圖3所示的運算流程圖，并運用強大的Matlab軟件對其進行了分析計算。仿真結(jié)果中返回的參數(shù)EXITFLAG值設(shè)置成1，這表明在參數(shù)控制向量預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，設(shè)定的目標函數(shù)得到了最佳解；由OUTPUT的返回參數(shù)可看出，該非線性約束優(yōu)化問題，計算代數(shù)為32代，適應(yīng)度函數(shù)的估算次數(shù)為3200次。

圖3 遺傳算法的算法流程圖

在Matlab軟件中基于遺傳算法編寫程序?qū)υ撃Ｐ陀嬎愕玫降挠嬎憬Y(jié)果如圖4所示。

圖4 Matlab仿真結(jié)果圖

仿真的參數(shù)結(jié)果如下所示：

綜上所述，通過對全電調(diào)節(jié)無級變速器的變速單元幾何約束分析，得到了速比與主從動輪工作半徑的關(guān)系；速比為1時的安裝半徑與主從動輪工作半徑關(guān)系，再結(jié)合速比調(diào)節(jié)機構(gòu)的分析與優(yōu)化設(shè)計，完成了該無級變速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 虛擬樣機設(shè)計

在汽車設(shè)計、制造行業(yè)，CATIA軟件是一款市場占有率遠超過UG、SOLIDWORKS的虛擬樣機設(shè)計軟件。其擁有全面的3D繪圖功能。

本文借助該軟件，在其零件模塊中分別對齒輪、傳送帶和帶盤等零件進行了繪制，然后在裝配模塊中分別導(dǎo)入繪制好的各個零件，通過固定、距離約束、面接觸等約束功能完成各個部件的位置約束。對于螺釘?shù)葮藴始?，則是直接調(diào)用軟件中的模型庫。最后完成虛擬樣機的裝配，裝配圖如圖5所示。

圖5 無級變速器裝配圖

4 結(jié)語

本文根據(jù)全電調(diào)節(jié)無級變速器工作原理簡圖對變速器主要部件工作原理進行分析，確定關(guān)鍵部件幾何約束關(guān)系；基于遺傳算法優(yōu)化設(shè)計出該無級變速器的關(guān)鍵部件，并完成了變速器的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。通過三維繪圖軟件CATIA進行各零件的繪制，完成無級變速器虛擬樣機的建模，為今后的動力學(xué)建模分析及樣機制造提供了參考。

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TH132

A

1671-0711（2017）06（下）-0045-03

車輛緩速器運行性能遠程實時檢測與控制系統(tǒng)，項目編號：BY2014038-07；

國家自然科學(xué)基金（51305175，51475402）；

江蘇省六大人才高峰資助項目（ZBZZ-039）。