控制式差動(dòng)無級(jí)變速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要： 建立控制式差動(dòng)無級(jí)變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用MATlab軟件，對(duì)給定設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行計(jì)算和分析，與原設(shè)計(jì)方案相比，新設(shè)計(jì)方案體積減小36%，優(yōu)化效果顯著。 　　Abstract： A mathematic model of optimal design on controlled differential continuously variable transmission was established and computation and analysis were carried out on living example.Compared with the original design scheme，the volume of new design scheme is reduced by 36%，so the effect of optimization is significant. 　　關(guān)鍵詞： 控制式差動(dòng)無級(jí)變速器；目標(biāo)函數(shù)；優(yōu)化設(shè)計(jì) 　　Key words： controlled differential continuously variable transmission；objective function；optimal design 　　中圖分類號(hào)：TH132.46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2013）26-0048-02 　　0 引言 　　控制式差動(dòng)無級(jí)變速器是由基本型無級(jí)變速器對(duì)差動(dòng)輪系進(jìn)行封閉而成的一種組合式無級(jí)變速傳動(dòng)裝置。通過選取裝置內(nèi)不同的傳動(dòng)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)精密調(diào)速并擴(kuò)大基本型無級(jí)變速器承載能力，或者擴(kuò)大基本型無級(jí)變速器的調(diào)速范圍，甚至實(shí)現(xiàn)過零調(diào)速，因而具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。本文對(duì)一種控制式差動(dòng)無級(jí)變速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期得到系統(tǒng)中各部件幾何參數(shù)的最佳組合。 　　1 目標(biāo)函數(shù)的建立 　　目標(biāo)函數(shù)是以設(shè)計(jì)變量表示設(shè)計(jì)所要追求的某種性能的解析表達(dá)式，用來評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣程度。按照規(guī)范化的形式，都把優(yōu)化問題歸結(jié)為求目標(biāo)函數(shù)的極小問題。即目標(biāo)函數(shù)越小，設(shè)計(jì)方案越優(yōu)[2]�？刂剖讲顒�(dòng)無級(jí)變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)追求的指標(biāo)為：變速器的體積最小重量最輕。 　　控制式差動(dòng)無級(jí)變速器由基本型無級(jí)變速器和差動(dòng)輪系并聯(lián)組合而成，所以變速器的總體積主要取決于基本型無級(jí)變速器和差動(dòng)輪系的體積。由于圖1所示的基本型無級(jí)變速器寬V帶無級(jí)變速器，通過查取選用，不予設(shè)計(jì)，故取差動(dòng)輪系的體積V2及定軸齒輪副的體積V3之和作為目標(biāo)函數(shù)[3-4]，即V=V2+V3，其中有： 　　V■=V■+n■V■=■m■z■■b+■n■m■z■■b=■m■b（z■■+n■z■■） 　　V■=V■■+V■■=■m■■b■（z■■+z■■+z■■）+■m■■b■（z■■+z■■） 　　分析可得，影響目標(biāo)函數(shù)的參數(shù)為： m，b，za，zb，z1，z2，z3，z4，z5，m1，m2，b2，b1，iB，iA。當(dāng)i■■根據(jù)機(jī)構(gòu)初選，且z2=z1；z3=iBz1；z4=iAz5；p=zb/za；zc=（zb-za）/2，此時(shí)，應(yīng)列入設(shè)計(jì)變量如下： 　　X=[za，b，m，z1，b1，m1，z5，b2，m2，zb，iB，iA，np]T 　　=[x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10，x11，x12，x13]T 　　于是，目標(biāo)函數(shù)為： 　　f（x）=V■+V■=■m■b（z■■+n■z■■）+■m■■b■（z■■+z■■+z■■） 　　+■m■■b■（z■■+z■■） 　　=■m■z■■b4+n■（p-1）■ 　　+πm■■z■■b■（2+i■■）+m■■z■■b■（1+i■■）4 　　=0.0625πx■■x■■x■4+x■（x■x■-1）■+ 　　0.25πx■■x■■x■（2+x■■）+x■■x■■x■（1+x■■） 　　式中：za——差動(dòng)輪系中心輪a的齒數(shù)； 　　zb——差動(dòng)輪系內(nèi)齒圈b的齒數(shù)； 　　z1～z5——兩定軸齒輪副的各個(gè)齒輪齒數(shù)； 　　m、m1、m2——差動(dòng)輪系及各定軸齒輪的模數(shù)； 　　b、b1、b2——差動(dòng)輪系及各定軸齒輪的齒寬； 　　iB、iA——兩定軸齒輪副傳動(dòng)的傳動(dòng)比； 　　np——差動(dòng)輪系中行星輪的個(gè)數(shù)； 　　p——行星輪的特性參數(shù)。 　　2 約束條件的確立 　　在控制式差動(dòng)無級(jí)變速器的傳動(dòng)中，根據(jù)輪系的結(jié)構(gòu)、齒輪的幾何尺寸和強(qiáng)度要求，列出以下約束條件[5]。 　　2.1 保證中心輪及定軸齒輪傳動(dòng)不發(fā)生根切，得： 　　g1（x）=17-x1？燮0 　　g2（x）=17-x4？燮0 　　g3（x）=17-x7？燮0 　　2.2 模數(shù)限制條件m？叟1.5mm，得 　　g4（x）=1.5-x3？燮0 　　g5（x）=1.5-x6？燮0 　　g6（x）=1.5-x9？燮0 　　2.3 齒寬限制條件5m？燮b？燮17m ，得： 　　g7（x）=x2-17x3？燮0 　　g8（x）=5x3-x2？燮0 　　g9（x）=x5-17x6？燮0 　　g10（x）=5x6-x5？燮0 　　g11（x）=x8-17x9？燮0 　　g12（x）=5x9-x8？燮0 　　2.4 根據(jù)行星輪的相鄰條件，得： 　　g13（x）=（x10-x1）[1-sin（π/3）]/2-x1sin（π/3）+2？燮0 　　2.5 鋼制標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪輪齒接觸強(qiáng)度的要求，得：g14（x）=AHTa（1+2/（x10/x1-1））-x■■x■x■■？燮0 　　g15（x）=AHT1（1+1/x11）-x■■x■x■■？燮0 　　g16（x）=AHT2（1+1/x12）-x■■x8x■■？燮0 　　2.6 對(duì)直齒圓柱齒輪輪齒彎曲強(qiáng)度的限制條件，得： 　　g17（x）=AFTaYF-x■■x■x■■？燮0 　　g18（x）=AFT1YF-x■■x■x■■？燮0 　　g19（x）=AFT2YF-x■■x8x■■？燮0 　　2.7 傳動(dòng)關(guān)系條件，在行星差動(dòng)輪系的傳動(dòng)中一般采用負(fù)號(hào)機(jī)構(gòu)，有：i■■=-p=-z■z■，-7？燮i■■？燮-2.5。所以有：2.5？燮x■x■？燮7，即可得約束條件為： 　　g20（x）=x■x■-7？燮0 　　g21（x）=2.5-x■x■？燮0 　　2.8 經(jīng)過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，當(dāng)i■■qi■>0且i■■>qi■■時(shí)，得等式約束條件： 　　h1（x）=x10（1-x10x■■）（RRp-1）-R（1-Rp）ix11x■=0 　　h2（x）=x12x10x■■■（R-1）-x13（RRp-1）=0 　　2.9 裝配約束條件，得等式約束條件： 　　h3（x）=（x1+x10）n■■-N=0 　　2.10 中心距約束條件： 　　g22（x）=（3+x11）x4x62+（1+x12）x7x■2-a？燮0.5 　　由上述分析可知，控制式差動(dòng)無級(jí)變速器優(yōu)化共建立了25個(gè)約束條件，裝置優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型則可表述為： 　　minf（x）=0.0625πx■■x■■x■4+x■（x■x■-1）■+ 　　0.25πx■■x■■x■（2+x■■）+x■■x■■x■（1+x■■） 　　X=[za，b，m，z1，b1，m1，z5，b2，m2，zb，iB，iA，np]T 　　=[x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10，x11，x12，x13]T 　　s.t. gu（x）？燮0，u=1，2，…22； 　　h（x）=0，h=1，2，3 　　3 優(yōu)化方法及優(yōu)化結(jié)果 　　對(duì)現(xiàn)有的控制式差動(dòng)無級(jí)變速器進(jìn)行優(yōu)化，原始參數(shù)選擇如下：選用Y80系列三相異步四級(jí)電動(dòng)機(jī)，額定功率0.75KW，同步轉(zhuǎn)速1500r/min，滿載轉(zhuǎn)速1390r/min，整個(gè)機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速范圍0～312r/min，調(diào)速范圍R=∞，寬V帶無級(jí)變速器傳動(dòng)比范圍Rp=4，ipmin=0.5，ipmax=2，各齒輪材料選用20CrMnTi鋼。 　　使用優(yōu)化軟件MATLAB，依據(jù)上述約束條件，編制優(yōu)化程序，得到優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果 　　Optimization terminated successfully： 　　Magnitude of directional derivative in search direction 　　less than 2*options.TolFun and maximum constraint violation 　　is less than options.TolCon 　　Active Constraints： 1；2；9；12；30；31；32；34；36；38；41 　　za=22.000，b=15.000，m=2.50，z1=64.000，b1=15.000， 　　m1=2.500，z5=17.000，b2=15.0，m2=2.500，zb=60.000， 　　iB=2.4365，iA= -1.8099，np=3 　　FVAL =3.6194e+006 　　EXITFLAG=1 　　將程序優(yōu)化結(jié)果與計(jì)算結(jié)果列表比較，見表1所示。 　　從表1可看到，優(yōu)化后的目標(biāo)函數(shù)值比原始參數(shù)的值下降了36%，達(dá)到了優(yōu)化的目的，優(yōu)化效果顯著。 　　4 結(jié)論 　　對(duì)行星差動(dòng)齒輪傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比條件、同心條件、裝配條件和鄰接條件等要求分析，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，確定其約束條件，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)無級(jí)變速裝置進(jìn)行合理優(yōu)化，優(yōu)化后整個(gè)傳動(dòng)裝置的體積明顯減小，節(jié)約了材料，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。 　　參考文獻(xiàn)： 　　[1]璩瑤瑤，張淳.控制式差動(dòng)無級(jí)變速器的配齒計(jì)算[J].機(jī)電信息，2009（8）：4-6. 　　[2]劉雕信.機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002. 　　[3]郗向儒，朱紅英.組合式無級(jí)變速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2004（10）：180-181. 　　[4]席菊花，羅君成，諸葛瑞梅.減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用[J].機(jī)電信息，2011（3）：139-140. 　　[5]胡文禮，金雪梅，騫清平等.基于Matlab的減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械傳動(dòng)，2013（5）：70-72.

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