锥形凸轮式无级变速器设计与仿真

0 引言

    机械式无级变速器具有结构简单、可靠性高、无级调速方便等诸多优点，目前应用较多的有行星式、带式、链式和脉动式等。近年来机械式无级变速器得到了广泛的关注和深入的研究，但是在结构上鲜有大的创新和突破。本文提出一种机械式无级变速器新型结构，采用均匀布置的三个锥形凸轮机构及单向超越离合器，可获得无级变速，且输出速度均匀，运动性能良好。通过建立三维模型，采用内核为ADAMS的仿真模块Motion进行运动与动力仿真模拟，获得了良好的效果。

1 总体构成与工作原理

    本文设计的无级变速器总体结构如图1所示。其工作原理为：输入轴通过齿轮均匀地将运动分解到三个凸轮上，凸轮带动摆杆，每个摆杆经单向超越离合器带动输出轴转动。摆杆在锥形凸轮上轴向滑动，改变最大摆角，实现无级变速。具体实现过程为：输入轴6与主动齿轮7固连，带动三个从动齿轮5，从动齿轮5通过三根凸轮轴4带动三个相位差为120°的均匀布置的凸轮3转动，摆杆2与输出轴1之间采用单向超越离合器8连接，利用超越离合器从动件速度可以超越主动件速度运动的特性，将三个摆杆2的往复摆动转换为从动输出轴1的连续单向转动。

    图1 总体结构

2 输出轴匀速转动的实现过程

    目前各种机械式无级变速器的缺陷之一是输出运动不能实现匀速运动。本设计采用具有组合运动规律的摆动从动件——凸轮机构，以及单向超越离合器来实现完全的匀速运动。

    2.1 摆杆等速运动的实现过程

    为了将凸轮的匀速转动转化为摆杆的匀速转动，摆杆的运动规律采用等速运动与正弦加速度组合运动规律，如图2所示。这样的组合既可获得需要的匀速转动，又可避免等速运动在起始与结束时加速度过大。下面具体计算推程时摆杆的理论角速度。

    图2 摆杆运动规律

    OA段为正弦加速度加速区段，其摆杆角位移为

    AB段为等速运动区段，其摆杆角位移为

    BC段为正弦加速度减速区段，其摆杆角位移为

    根据组合运动原则，要保证两段运动规律在衔接点上的运动参数连续，令δ=δ1时，式(1)和式(2)对时间求导后的速度相等，可得